일그러진 영상을 선명하게 만드는 손쉬운 영상 복원법
일그러진 영상을 선명하게 만드는 손쉬운 영상 복원법
  • 함예솔
  • 승인 2023.01.07 20:52
  • 조회수 2652
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일그러진 영상(위)과 산란이 심한 영상(아래)을 복원하는 실험방법. 출처 : UNIST
일그러진 영상(위)과 산란이 심한 영상(아래)을 복원하는 실험방법. 출처 : UNIST

안개에 가려져 일그러진 영상을 쉽게 복원하는 방법이 나왔습니다. 비슷한 원리를 이용해 피부조직에 가려진 장기를 고해상도로 드러나게 할 수도 있다고 합니다.

 

UNIST 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀이 왜곡된 영상에 숨어있는 정보를 이용해 고해상도 영상을 복원하는 방법을 개발했는데요. 자율주행차를 위한 고품질 영상이나 생체조직 내부의 고해상도 영상을 획득할 기술로 주목받고 있습니다.

 

고해상도 영상 복원이 중요한 이유

우리는 주변 환경에 대한 정보를 대부분 시각을 통해 얻죠. 눈, 비가 내리거나 안개 혹은 미세먼지 농도가 심한 날이면 깨끗한 대기의 중요성을 실감할 수 있습니다. 이 경우 시야 거리가 점점 줄어들어 먼 거리에 있는 물체들은 거의 보이지 않습니다. 눈으로 파악하는 영상이 왜곡되는 것인데요. 이와 같은 문제는 다양한 분야에서 큰 장애물로 작용합니다. 예를 들어, 안전한 자율주행을 날씨와 무관하게 구현하기 위해서는 다양한 영상 왜곡 원인을 넘어설 수 있는 영상 방법이 필요합니다.

 

왜곡된 영상을 극복해야 하는 또 다른 분야는 바로 ‘바이오 이미징’입니다. 눈, 비, 안개와 같은 왜곡 원인들이 존재하면 바이오 이미징의 연관성이 한눈에 들어오지 않을 수도 있기 때문입니다. 사실 우리가 서로의 얼굴을 보았을 때 피부 표면만 보이고 내부의 진피층이나 근육이 보이지 않는 이유는 생체조직 역시 심한 안개와 같이 빛의 경로를 일그러뜨리기 때문입니다. 이번 연구에서는 이처럼 빛의 경로를 왜곡하는 왜곡 원인에 의해 일그러진 영상들에 숨어있는 정보들을 이용해 고해상도 영상을 복원할 방법을 구현했습니다.

 

우주를 관측하는데 이미 사용되는 기술

영상 왜곡을 보정하는 ‘적응광학기술’은 이미 천문우주 분야에서 쓰이고 있습니다. 대기에 의해 일그러진 별빛을 보정해 선명하게 우주를 관측하는 기술입니다. 사실 안개처럼 심하지는 않아도, 지구를 감싸는 대기 자체도 영상을 왜곡시키는데요. 불균일한 밀도와 이로 인한 불균일한 굴절률로 인해 빛의 경로를 일그러뜨리기 때문입니다.

밤하늘을 바라볼 때 별빛이 반짝반짝 빛나는 이유가 바로 우리의 머리 위 대기가 별빛의 경로를 시간에 따라 무작위적으로 일그러뜨리기 때문에 일어나는 현상입니다. 우리가 일상생활에서 밤하늘의 별들을 바라볼 때는 별빛의 반짝거림이 낭만적으로 다가오기도 하는데요. 하지만 천체를 자세히 관찰하고자 하는 망원경을 사용할 때는 대기 때문에 밤하늘에 뜬 모든 천체를 일그러진 영상으로 돌아옵니다. 이와 같은 이유로 허블 망원경과 제임스웹 우주 망원경은 지구 대기를 벗어난 우주에 배치됐습니다.

그러나, 우주를 관찰하는 망원경을 모두 우주에 배치할 수 없는 없습니다. 따라서 지구 위 첨단 망원경들은 대기에 의한 왜곡을 보정하기 위해 ‘적응광학기술’을 탑재하고 있는데요. 이 방법은 대기에 의한 왜곡을 실시간으로 측정할 수 있는 파면측정기[1], 그리고 이를 보상해줄 수 있는 고속 파면제어기[2]에 의존합니다. 이들 장치는 대기에 의한 왜곡을 직접 측정하고, 하드웨어를 이용해 보정합니다. 이 방법은 고가의 대규모 전문 장비들에 의존하기 때문에 일상생활에서의 영상 왜곡의 보정에 적용하기에는 한계가 있습니다.

 

고가의 장비 필요 없는 손쉬운 방법

박정훈 교수팀의 고가의 전문장비 없이도 왜곡된 영상을 복원하는 손쉬운 방법을 개발했습니다. 우선 왜곡된 영상에서 ‘해상도를 저하하는 성분’과 ‘위치만 변화시키는 성분’을 나눴습니다. 그런 다음 위치 변화의 효과를 컴퓨터로 제거했는데요. 영상 하나를 기준으로 위치 성분을 모두 옮겨 제자리에 둔 것입니다. 이 상태에서는 해상도를 저하하는 성분만 모아 평균값을 낼 수 있습니다. 무작위적인 해상도 저하 원인 요소들의 평균을 구해 제거하는 개념으로, 실제 물체의 정보만 추출해 고해상도 영상이 복원됩니다.

 

안개나 연기, 아지랑이 등에 의해 가려진 현상은 ‘시간’을 두고 촬영한 동영상을 이용합니다. 제1저자인 황병재 UNIST 바이오메디컬공학과 박사는 “동영상은 시간이 흐름에 따라 여러 장의 이미지가 모여서 만들어진다”며 “장면마다 서로 다른 왜곡이 나타났을 뿐 필요한 정보는 숨어있으므로 이를 추출해 선명한 영상을 얻을 수 있다”고 설명했습니다.

일그러진 영상 속 정보를 추출하는 고해상도 영상 복원일그러진 장면을 촬영한 동영상 속에 숨어있는 정보를 추출해 고해상도 영상으로 복원한 모습. 동영상은 일정 시간 동안 촬영하므로 수십 개의 프레임(frame)이 만들어진다. 이때 얻어지는 모든 사진들은 왜곡돼 있지만 모두 서로 다르게 무작위적으로 왜곡돼 있다는 특징이 있다. 이처럼 무작위적으로 왜곡된 사진들을 서로 다른 정보들을 포함하고 있어 이를 추출하면 고해상도 영상을 복원할 수 있다. 특수장치 없이 일반 카메라로 측정된 왜곡된 영상들만을 이용해 고해상도로 영상을 복원할 수 있다는 게 큰 장점이다. 출처 : UNIST
일그러진 영상 속 정보를 추출하는 고해상도 영상 복원일그러진 장면을 촬영한 동영상 속에 숨어있는 정보를 추출해 고해상도 영상으로 복원한 모습. 동영상은 일정 시간 동안 촬영하므로 수십 개의 프레임(frame)이 만들어진다. 이때 얻어지는 모든 사진들은 왜곡돼 있지만 모두 서로 다르게 무작위적으로 왜곡돼 있다는 특징이 있다. 이처럼 무작위적으로 왜곡된 사진들을 서로 다른 정보들을 포함하고 있어 이를 추출하면 고해상도 영상을 복원할 수 있다. 특수장치 없이 일반 카메라로 측정된 왜곡된 영상들만을 이용해 고해상도로 영상을 복원할 수 있다는 게 큰 장점이다. 출처 : UNIST

개발된 방법은 생체조직처럼 빛의 산란이 훨씬 심한 물체에도 적용이 가능하다. 이때에는 왜곡의 정도가 심한 점을 역이용해, 이미지 한 장의 ‘공간’을 임의로 쪼개서 필요한 정보를 얻을 수 있습니다. 각 공간을 조각난 채로 들어있는 이미지 정보를 모아서 평균값을 내고, 함수 처리하는 것입니다. 

산란이 심한 영상의 복원.(좌) 생체조직과 같이 산란이 심한 매질을 통해 측정된 정보의 모습. (우) 산란이 심할 경우 오히려 한 장의 영상만으로 필요한 정보를 모두 추출하면 깨끗한 영상 복원이 가능해진다. 숫자 2를 벽 뒤에 두고 촬영한 사진을 분석하면, 영상을 이루는 공간의 픽셀마다 숫자 2를 왜곡한 정보가 나온다. 이것들을 모아 평균값을 추출하고, 푸리에 변환하면 꽤 선명한 숫자 2를 복원할 수 있다. 출처 : UNIST
산란이 심한 영상의 복원.(좌) 생체조직과 같이 산란이 심한 매질을 통해 측정된 정보의 모습. (우) 산란이 심할 경우 오히려 한 장의 영상만으로 필요한 정보를 모두 추출하면 깨끗한 영상 복원이 가능해진다. 숫자 2를 벽 뒤에 두고 촬영한 사진을 분석하면, 영상을 이루는 공간의 픽셀마다 숫자 2를 왜곡한 정보가 나온다. 이것들을 모아 평균값을 추출하고, 푸리에 변환하면 꽤 선명한 숫자 2를 복원할 수 있다. 출처 : UNIST

박정훈 교수는 “대기나 생체조직에 의한 영상 왜곡은 시간이나 공간에 대해 무작위적으로 변하며, 이런 현상은 우리 일상과 밀접하다”며 “이번에 개발한 기술은 궂은 날씨에도 안정적인 자율주행 구현은 물론 원거리 감시, 천문학 등에 적용 가능할 것”이라고 기대했습니다. 그는 이어 “더 나아가 살아있는 동물의 내부를 고해상도로 자세히 관찰할 방법을 제시했다”며 “생명현상의 비침습적 관찰을 가능케하는 데에 도움을 줄 것”이라고 덧붙였습니다. 

 

연구결과는 국제학술지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)’에 지난 1일(일) 공개됐습니다.

 

#용어설명

[1] 파면측정기

빛은 세기뿐 아니라 위상을 포함하고 있다. 빛의 세기는 우리 눈이나 일반적인 카메라를 이용해서 쉽게 측정할 수 있지만, 빛의 위상을 측정하려면 다른 방법을 추가해야 한다. 파면측정기는 빛의 위상으로 인해 파생되는 현상을 측정해 빛의 파면, 다시 말해 위상의 공간상 분포를 측정 가능케 해주는 장비

[2] 파면제어기

파면측정기에 대응되는 반대 개념의 장비로, 빛의 위상을 임의로 제어할 수 있는 장비


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