곤충 눈 본뜬 카메라, 낮은 조도에서 순간 움직임 포착

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 초당 9120프레임을 포착할 수 있는 초고속‧저조도‧초박형 카메라를 개발했다. 곤충의 눈을 본뜬 것이다. 낮은 조도에서도 순간 움직임을 포착하는 데 성공했다.

스마트폰을 비롯해 의료, 드론 등 다양한 산업에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

곤충의 겹눈은 빠르게 움직이는 물체를 병렬적으로 감지한다. 어두운 환경에서는 감도를 높이기 위해 시각세포가 몇 시간의 신호를 합쳐서 반응해 움직임을 결정한다.

한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 곤충의 생체를 모사해 기존 고속 카메라가 직면했던 프레임 속도와 감도 간의 한계를 극복한 저비용 고속 카메라를 내놓았다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 정기훈·전산학과 김민혁 교수 연구팀이 곤충의 시각 구조에서 영감을 받아 초고속 촬영과 고감도를 동시에 구현한 새로운 생체모사 카메라를 개발했다고 16일 발표했다.

고속과 저조도 환경에서의 고품질 이미징은 많은 응용 분야에서 중요한 과제이다. 기존의 고속 카메라는 빠른 움직임을 포착하는 데 강점이 있는데 프레임률을 높일수록 빛을 수집할 수 있는 시간이 줄어들어 저조도 환경에서는 감도가 부족한 문제가 발생해왔다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 곤충의 시각 기관처럼, 여러 개의 광학 채널과 시간 합산을 활용하는 방식을 채택했다. 기존 단안 카메라 시스템과 달리 생체 모사 카메라는 겹눈을 통해 서로 다른 시간대의 프레임을 병렬적으로 획득할 수 있다.

이 과정에서 각 프레임이 중첩되는 시간 동안 빛을 합산함으로써 신호대잡음비를 증가시킬 수 있다. 연구팀은 이러한 방식을 적용한 생체 모사 카메라가 기존의 고속 카메라와 비교했을 때 최대 40배 더 어두운 물체까지 포착할 수 있었다고 설명했다.

연구팀은 카메라의 속도를 크게 높이기 위해 ‘채널 분할’ 기술을 도입해 패키징에 사용된 이미지센서보다 수천 배 빠른 프레임률을 획득할 수 있었다.

이에 더해 ‘압축 이미지 복원’ 알고리즘을 활용해 합산된 프레임에서 발생할 수 있는 흐림 현상을 제거하며, 선명한 이미지를 재구성했다.

연구팀은 제작된 생체 모사 카메라는 두께 1mm 이하의 매우 얇고 작은 크기에도 불구하고 초당 9120프레임을 촬영할 수 있고, 낮은 조도에서도 선명한 이미지를 제공한다.

연구팀은 3D 이미징과 초해상도 이미징을 위한 고급 이미지 처리 알고리즘을 통해 바이오의료 응용뿐 아니라 모바일 등 다양한 카메라 응용 기술을 개발할 예정이라고 전했다.

제1 저자인 KAIST 바이오및뇌공학과 김현경 박사과정은 “제작된 곤충 눈 카메라가 작은 크기임에도 불구하고 고속과 저조도 촬영에서 뛰어난 성능을 발휘하는 것을 실험적으로 검증했다”며 “이 카메라는 이동식 카메라 시스템, 보안 감시, 의료 영상 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열었다”고 말했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 김현경 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명 : Biologically-inspired microlens array camera for high-speed and high-sensitivity imaging)는 1월 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 실렸다.