초당 9,120 프레임을 캡처하는 곤충의 눈에서 영감을 받은 카메라

곤충의 복안은 빠르게 움직이는 물체를 병렬로 감지할 수 있고, 빛이 약한 조건에서는 시간에 따른 신호를 통합하여 움직임을 결정함으로써 감도를 높일 수 있습니다. 이러한 생물학적 메커니즘에서 영감을 얻어 KAIST 연구원들은 기존 고속 카메라가 직면한 프레임 속도와 감도의 한계를 극복하는 저비용 고속 카메라를 성공적으로 개발했습니다.

KAIST(총장 이광형)는 정기훈 교수(바이오 및 뇌공학과)와 김민현 교수(컴퓨팅학부)가 이끄는 연구팀이 곤충 눈의 시각 구조를 모방해 고감도로 초고속 이미징이 가능한 새로운 생체모방 카메라를 개발했다고 1월 16일 밝혔습니다.

고속 및 저조도 조건에서 고품질 이미징은 많은 응용 분야에서 중요한 과제입니다. 기존의 고속 카메라는 빠른 동작을 포착하는 데 뛰어나지만 프레임 속도가 증가함에 따라 빛을 수집하는 데 사용할 수 있는 시간이 줄어들기 때문에 감도가 감소합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 곤충 시각과 유사한 접근 방식을 채택하여 여러 광학 채널과 시간 합산을 활용했습니다. 기존의 단안 카메라 시스템과 달리, 생물에서 영감을 받은 카메라는 복안과 같은 구조를 사용하여 서로 다른 시간 간격에서 프레임을 병렬로 수집할 수 있습니다.

이 과정에서 각 프레임의 겹치는 시간 기간에 걸쳐 빛이 축적되어 신호 대 잡음비가 증가합니다. 연구자들은 생물학적으로 영감을 받은 카메라가 기존 고속 카메라로 감지할 수 있는 것보다 최대 40배 더 어두운 물체를 포착할 수 있음을 보여주었습니다.

이 팀은 또한 카메라 속도를 크게 향상시키기 위해 "채널 분할" 기술을 도입하여 패키징에 사용되는 이미지 센서가 지원하는 것보다 수천 배 더 빠른 프레임 속도를 달성했습니다. 또한 프레임 통합으로 인한 흐림을 제거하고 선명한 이미지를 재구성하기 위해 "압축 이미지 복원" 알고리즘이 사용되었습니다.

그 결과, 생물학적으로 영감을 받은 카메라는 두께가 1mm도 안 되고 매우 컴팩트하여 초당 9,120개의 프레임을 촬영할 수 있고, 어두운 환경에서도 선명한 이미지를 제공할 수 있습니다.

연구팀은 이 기술을 확장하여 3D 이미징 및 초고해상도 이미징을 위한 고급 이미지 처리 알고리즘을 개발하고, 생체의학 이미징, 모바일 기기 및 기타 다양한 카메라 기술에 응용하는 것을 목표로 합니다.

KAIST 바이오 및 뇌공학과 박사과정생이자 이 연구의 제1저자인 김현경은 "곤충 눈에서 영감을 받은 카메라가 작은 크기에도 불구하고 고속 및 저조도 이미징에서 뛰어난 성능을 제공한다는 것을 실험적으로 검증했습니다. 이 카메라는 휴대용 카메라 시스템, 보안 감시 및 의료 이미징에서 다양한 응용 분야의 가능성을 열어줍니다."라고 말했습니다.

이 연구는 2025년 1월 국제 저널 Science Advances 에 게재되었습니다.

본 연구는 방위사업청(DAPA) 산하 한국국방기술기획원(KRIT), 과학기술정보통신부, 산업통상자원부(MOTIE)의 지원을 받아 수행되었습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250117112408.htm

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