'초당 9120프레임' KAIST, 곤충눈 모사 초고속·저조도·초박형 카메라 개발

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이미지 센서에 패키징된 KAIST의 고속 고감도 생체모사 카메라

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 곤충 생체를 모사해 기존 고속 카메라의 프레임 속도 및 감도 간 한계를 극복한 저비용 고속 카메라를 개발했다.

KAIST는 정기훈 바이오 및 뇌공학과 교수, 김민혁 전산학부 교수팀이 곤충 시각 구조에서 영감을 받아 초고속 촬영과 고감도를 동시에 구현한 새로운 생체모사 카메라를 개발했다고 16일 밝혔다.

기존 고속 카메라는 빠른 움직임을 포착하는 데 강하지만, 프레임율을 높일수록 빛을 수집할 수 있는 시간이 줄어 저조도 환경에서는 감도가 부족하다.

이에 연구팀은 곤충 시각 기관처럼 여러 개 광학 채널과 시간 합산을 활용하는 방식을 채택했다.

곤충의 겹눈은 빠르게 움직이는 물체를 병렬 감지한다. 어두운 환경에서는 감도를 높이기 위해 시각세포가 장시간 신호를 합쳐 반응, 움직임을 결정한다.

기존 단안 카메라 시스템과 달리, 생체 모사 카메라는 겹눈을 통해 서로 다른 시간대 프레임을 병렬 획득할 수 있다.

이 과정에서 각 프레임이 중첩되는 시간 동안 빛을 합산함으로써 신호대잡음비를 증가시킬 수 있다.

연구팀은 이런 생체 모사 카메라가 기존 고속 카메라 대비 최대 40배 더 어두운 물체까지 포착할 수 있었다고 밝혔다.

또 연구팀은 카메라 속도를 향상시키고자 '채널 분할' 기술을 도입, 패키징에 사용된 이미지센서보다 수천 배 빠른 프레임률을 획득할 수 있었다. 또 '압축 이미지 복원' 알고리즘을 활용해 합산 프레임에서 발생하는 흐림 현상을 제거하며, 선명한 이미지를 재구성했다.

제작 생체 모사 카메라는 두께 1㎜ 이하로 매우 얇고, 초당 9120프레임을 촬영할 수 있다. 낮은 조도에서도 선명한 이미지를 제공한다.

향후 연구팀은 3D 이미징 및 초해상도 이미징을 위한 고급 이미지 처리 알고리즘으로 바이오의료 응용뿐 아니라 모바일 등 다양한 카메라 응용 기술을 개발할 예정이다.

제1 저자인 김현경 KAIST 바이오 및 뇌공학과 박사과정은 “개발 카메라는 이동식 카메라 시스템, 보안 감시, 의료 영상 등 다양한 분야 응용 가능성을 열었다”고 말했다.

이번 연구는 사이언스 어드밴시스에 이달 출판됐다.

한편 이번 연구는 국방기술진흥연구소, 과학기술정보통신부, 산업통상자원부 지원을 받아 수행됐다.


김영준 기자 kyj85@etnews.com

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