고양이 눈 닮은 카메라가 어둠 속에서도 선명하게 본다

GIST-서울대, 신개념 카메라 개발
사물·배경 분리해 보이는 기술 적용
세로 동공·은 휘판이 빛 흡수율 52% 향상

고양이 눈에서 영감을 받은 카메라 시스템은 조리개가 작아질수록 세로로 길쭉해진다. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 빛이 거의 없는 상황에서도 사물을 선명하게 볼 수 있도록 고양이 눈과 닮은 카메라를 개발했다. 이 카메라는 고양이 눈처럼 빛을 받아들이는 조리개가 세로로 길죽한 모양이어서 빛의 변화가 커도 고감도로 영상을 촬영할 수 있다.

이 카메라는 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수팀이 서울대 화학생물공학부 김대형 교수팀과 함께 개발했다. 송영민 교수는 23일 "다양한 조명 환경에서도 소프트웨어 후처리 없이 하드웨어 자체로 객체를 구분하는 능력을 향상시킬 수 있어 자율주행 자동차, 드론, 감시 로봇 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구진에 따르면 수직 가변 조리개와 결상 광학계를 결합하고, 하나의 포토다이오드와 은 휘판으로 구성된 단위 픽셀을 반구형 이미지 센서 어레이로 제작했다.

고양이의 눈은 세로로 길쭉한 동공과 휘판이라는 특징적 구조를 가지고 있어 다양한 조명 조건에서 보려는 사물과 주변 배경을 분리해 보는 능력을 갖고 있다. 세로 동공은 비대칭적인 피사계 심도와 대상 물체에 대한 고해상도 초점을 가능하게 하며, 휘판은 생물학적 빛 반사체 역할을 해 어두운 환경에서도 시각적 감도를 향상시킨다.

기존 카메라 시스템은 동공을 모방한 원형 조리개를 사용해 광량이 많은 경우 작은 개구율의 조리개를 사용해 배경과 객체 모두에 초점을 맞추지만, 다양한 조명 환경에서 객체와 배경을 분리하는 데 한계가 있다. 또 이미지 센서의 감도 조절 또는 복잡한 인공지능 연산 등을 통한 후처리가 필요하다.

연구진은 세로 조리개를 이용해 강한 빛을 효과적으로 차단해 포토다이오드의 과노출을 방지한다. 또 어두운 환경에서는 충분한 빛을 받아들이는 조리개가 동그랗게 넓어지고 은 휘판을 통해 빛 흡수율을 52%까지 끌어올렸다.

이와함께, 광학 시뮬레이션과 실험을 통해 다양한 조명 환경에서 시스템의 고감도 타겟 이미징 성능과 위장 해제 기능을 검증했다. 세로 동공을 가진 시스템이 작은 원형 동공 시스템에 비해 배경과 대상 물체를 더욱 효과적으로 구분할 수 있었다.

연구진은 광학 시뮬레이션을 통한 이론적 검증과 함께 실험적 입증을 위해 수직 조리개 시스템과 작은 원형 조리개 시스템을 비교 분석했다.

그 결과, 세로 동공 시스템은 특정한 거리만큼 떨어져 있는 물체를 선명하게 포착하는 동시에, 떨어져 있는 거리가 다른 배경을 효과적으로 흐리게 처리했다. 또, 실용성 평가를 위한 인공지능 기반 객체 인식 실험에서는 세로 조리개 시스템이 객체 인식률이 높았다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 고양이 눈 카메라를 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 발표했으며, 학술지에서는 연구성과의 우수성을 인정해 표지 논문으로 선정했다.

국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'의 표지논문으로 선정된 고양이 눈 카메라. GIST 제공

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monarch@fnnews.com 김만기 기자