스펙트럼을 세말하게 감지, 초분광 영상 기술!

AI(인공지능)가 예측한 미래기술 중에 '일반 카메라로는 불가능한 일을 가능하게 해주는 광학장비'가 꼽혔습니다. 

바로 초분광 카메라를 이용한 초분광 영상기술입니다. 최근 한국과학기술정보연구원(KISTI)과 명지대 연구진이 AI로 7년 뒤에 유망한 10대 미래기술을 예측해 발표했습니다. 

여기에는 '휴머노이드 로봇', 'AI', '이산화탄소 자원화'와 같은 다소 익숙한 기술들과 함께 '초분광 영상기술'(Hyperspectral Imaging, HSI)이 올랐습니다. 

현재까지 농업, 지질학, 생물의학영상 등에 활용되었고 앞으로는 환경과 의료, 스마트폰에서도 기술력을 발휘할 만큼 응용 분야가 넓어질 거라 기대되는 기술이죠. 

초분광 영상기술은 우리가 아는 영상기술과는 어떤 점이 다를까요?

                                    초분광 영상기술은 세분화된 스펙트럼 정보를 얻어 특정 대상을 쉽게 식별할 수 있게 한다. 출처/한국전자통신연구원(ETRI)보도자료

세분화된 스펙트럼 감지, 초분광 영상기술이란?

'초분광'이란 빛의 3원색만 구분하던 일반 영상과 달리 가시광선과 근적외선 영역까지 200여 개의 파장으로 잘게 쪼개 나누는 기술을 말합니다. 

인간의 눈은 주로 세 개의 대역에서 가시광선 색상을 보는 반면에, 초분광 영상기술은 스펙트럼을 더 많은 대역으로 나눕니다. 

때문에 영상을 구성하는 각 화소에 해당하는 지표물 고유의 파장을 잡아낼 수 있습니다.

초분광 영상기술은 이미지 픽셀마다 세분화된 대역의 스펙트럼 정보를 얻어 특정 대상이나 물질을 보다 쉽게 식별하고 발견할 수 있게 합니다. 

눈에 보이는 것 이상으로 확장될 수 있어 전자기 스펙트럼에서 정보를 수집하고 처리하는 일이 가능합니다. 

예를 들어 독특한 분광지문을 남기면 이를 통해 스캔한 물체를 구성하는 물질을 식별할 수 있습니다. 

초분광 영상기술은 다양한 원격 감지 및 스캐닝 어플리케이션의 중요한 도구가 되었으며, 지상 광물 감지에도 널리 사용되고 있습니다. 

이를 이용해 암세포와 일반 세포를 구분하거나 농산물 생육단계를 확인하는 등 일반 카메라로는 불가능한 일을 가능하게 해줍니다. 

또한 석유에 대한 초분광기술은 지질학자들이 새로운 유전을 찾는 데 도움을 줍니다.

 

미국지질조사소(USGS)에서 GHISA(Global Hyperspctral Imaging Spectral-Library of Agriculture-Crops)에서 진행중인 연구를 소개하고 있다. 출처/www.usgs.gov

지질탐지, 녹조 예측에서

초소형 카메라 기술로 발전하는 중

초분광 영상기술은 초기에는 광물자원 분포나 암석을 구분하는 지질분야, 식물의 생화학적 구성인자 추정에 활용되었습니다. 

더 나아가 식물에 나타나는 각종 스트레스의 탐지가 시도되고 있고, 도시 지역에서 각종 인공물의 분류 등 그 활용 분야가 확대되고 있습니다. 

최근에는 소형 이미지센서 기술, 1천 개 이상 분광밴드의 극초분광 이미징 기술, 머신러닝 기반 대규모 데이터 분석 기술 등이 결합돼 크게 발전하고 있습니다.

국내에서는 과학기술정보통신부 사회문제해결형 사업 중 하나로 조기에 녹조를 예측하는 데 초분광 영상 기술을 활용한 바 있습니다. 

한국전자통신연구원(ETRI)은 2019년 11월, 드론에 초분광 기술이 들어간 카메라를 탑재해 대청호 녹조를 원격 탐사하는 데 성공했습니다. 

초분광 카메라 기술로 녹조의 고유한 파장대역을 선택하고 색상을 분해해 녹조를 일으키는 조류 감지가 가능해 진 덕분입니다.

그리고 또 하나, 일반인들에게는 스마트폰에 초분광 카메라가 장착될 수 있다는 소식도 있습니다. 한국과학기술원(KAIST)에서는 초소형 초분광 카메라 구현 기술을 개발했습니다. 

초분광 영상을 위해서는 많은 부가 장치가 필요해 카메라 사이즈가 커지는데, 매우 작고 얇은 DOE(반도체를 식각하듯 특정 패턴을 새긴 렌즈)를 활용해 초소형 초분광 카메라 실현에 성공했습니다.

                                                            국내에서 드론에 초분광 기술이 들어간 카메라를 탑재해 대청호 녹조를 원격 탐사하는 데 성공했다. 출처/ETRI보도자료

피부 수분측정, 식품 신선도 측정 등

다양한 예측에 도움

미국 노스웨스턴대학과 시카고의 공동연구팀은 16세기 서적에 숨겨진 중세 텍스트를 판독하는 기술을 개발했는데, 여기에는 시각적 초분광 영상기술이 적용되었다고 합니다. 

엑스레이 형광을 융합해 서적을 훼손하지 않고도 숨겨진 텍스트를 깨끗하게 판독하는 기술입니다. 지금까지는 이를 판독해 낼 기술이 없어서 접근 불가의 영역이었으나, 

최근 디지털 신호전달 기술과 컴퓨터 이미지 기술이 발달해 전혀 새로운 방법으로 중세 텍스트를 판독하는 것이 가능해졌습니다.

이 밖에도 초분광 영상기술은 다양하게 응용될 수 있을 것으로 예상됩니다. 초분광 카메라로 사람 얼굴을 촬영해 피부 수분을 측정하면 노화 예측이 가능하며, 

어패류와 육류 신선도 측정, 병충해 분석, 해양 적조 예측 등이 가능해 생산량 예측과 환경 문제에도 큰 도움을 줄 것으로 보입니다.

이렇게 천문학, 농업, 분자생물학, 생물의학 영상, 지질학, 물리학, 감시 분야 등 다양한 분야에서 응용할 수 있는 초분광 영상기술의 활약이 기대됩니다.

출처 : https://m.blog.naver.com/with_msip/221804664576