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< (왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 권재명 박사과정, 정기훈 교수, 김현경 박사과정 차영길 박사과정, 전산학부 김민혁 교수 >

곤충의 겹눈은 빠르게 움직이는 물체를 병렬적으로 감지하고, 어두운 환경에서는 감도를 높이기 위해 시각세포가 여러 시간의 신호를 합쳐서 반응해 움직임을 결정한다. KAIST 연구진이 곤충의 생체를 모사하여 기존 고속 카메라가 직면했던 프레임 속도와 감도 간의 한계를 극복한 저비용 고속 카메라를 개발하는데 성공했다. 

우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈·전산학과 김민혁 교수 연구팀이 곤충의 시각 구조에서 영감을 받아 초고속 촬영과 고감도를 동시에 구현한 새로운 생체모사 카메라를 개발했다고 16일 밝혔다. 

고속 및 저조도 환경에서의 고품질 이미징은 많은 응용 분야에서 중요한 과제이다. 기존의 고속 카메라는 빠른 움직임을 포착하는 데 강점을 가지고 있지만, 프레임율을 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.

< 그림 1. (A) 빠른 눈을 가진 곤충의 시각 시스템. 빠르게 움직이는 물체에서 반사된 빛이 겹눈의 ommatidia를 따라 광수용체를 순차적으로 자극하며, 시각신호는 lamina와 medulla를 통해 병렬 처리된다. 어두운 환경에서는 시간합산으로 신호가 강화되어 높은 감도로 신호를 포착한다. (B) 생체모사 카메라의 고속·고감도 이미징 동작 원리. 롤링셔터 이미지 센서를 활용해 채널 분할 방식으로 여러 프레임을 동시에 획득하고, 시간 합산을 병렬적으로 수행하여 저조도 환경에서도 높은 속도와 감도를 구현한다. 또한, 압축 프레임 복원 기술을 적용해 프레임 간 중복 시간 정보를 제거하고 선명한 이미지를 복원함으로써 고속 촬영 중에도 우수한 영상 품질을 유지한다. >

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

또한 연구팀은 카메라의 속도를 크게 향상하기 위해 ‘채널 분할’ 기술을 도입하여 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 9,120프레임을 촬영할 수 있고, 낮은 조도에서도 선명한 이미지를 제공한다.

< 그림 2. 이미지센서에 패키징된 고속·고감도 생체모사 카메라. 두께가 1mm 이하로 손가락 위에 올라갈 정도의 작은 크키로 제작되었다. >

향후 연구팀은 3D 이미징 및 초해상도 이미징을 위한 고급 이미지 처리 알고리즘을 통해 바이오의료 응용뿐 아니라 모바일 등 다양한 카메라 응용 기술을 개발할 예정이라고 밝혔다. 

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

< 그림 3. 고속·고감도 생체모사 카메라를 이용하여 촬영한 회전판과 불꽃. 1,950 rpm으로 회전하는 원판을 9,120 fps 속도로 정확하게 촬영하였다. 또한 880 µlux의 희미한 세기를 가지는 불꽃의 핀치오프를 1,020 fps로 정확하게 포착하였다. >

바이오및뇌공학과 김현경 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 1월 출판됐다. (논문명 : Biologically-inspired microlens array camera for high-speed and high-sensitivity imaging)

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ads3389

한편 이번 연구는 국방기술진흥연구소, 과학기술정보통신부, 그리고 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.