'렌즈에 흙탕물이 튀어도 선명하게 본다''…투시렌즈 개발

[파이낸셜뉴스] 비가 오면 자동차 후방카메라에 빗방울 하나만 맺혀도 화면이 뿌옇게 가려진다. 사람은 손으로 닦으면 그만이지만 하늘을 나는 드론이나 몸속을 누비는 내시경 카메라는 그럴 수 없다. 렌즈에 묻은 먼지나 물방울은 흐릿하게 지우고, 그 뒤에 가려진 장면만 선명한 컬러로 담아내는 종잇장처럼 얇은 '투시 렌즈'가 개발됐다.

27일 POSTECH(포항공과대학교)에 따르면 POSTECH 컴퓨터공학과 백승환 교수, 통합과정 윤승우 씨, 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강도현 씨 연구팀은 인공지능대학원 곽수하 교수 연구팀, 미국 워싱턴대 아르카 마줌다르(Arka Majumdar) 교수, UNIST(울산과학기술원) 최민호 교수 연구팀과 함께 렌즈 바로 앞 장애물에 가려진 장면을 컬러로 선명하게 촬영할 수 있는 광대역 메타렌즈를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.

연구팀이 주목한 것은 빛의 파장보다 작은 구조물을 평평한 판 위에 새겨 빛을 조절하는 '메타렌즈'다. 매우 얇아 소형 카메라에 제격이지만, 여러 색의 빛으로 먼 풍경은 선명하게 찍으면서 코앞의 장애물은 흐리게 만들기가 어려웠다.

연구팀은 먼저 이 관계를 처음으로 수식으로 풀어냈다. 어떤 색에서 먼 풍경이 선명하게 보이면, 가까운 장애물은 다른 색에서 선명하게 보인다는 것이다. 이를 바탕으로 빨강·초록·파랑 각 색을 빛이 통과하는 구간과 막히는 구간으로 나눴다. 먼 풍경의 빛은 통과 구간에서 또렷하게 모으고, 장애물이 선명해지는 빛은 차단 구간으로 보내 필터로 걸러낸 것이다. 그 결과 장애물은 안개처럼 흐려지고 그 뒤의 장면만 선명하게 남았다. 남은 흐림과 왜곡은 인공지능 영상 복원 기술로 보정했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 렌즈는 장애물이 있는 상황에서 화질이 좋아졌을 뿐 아니라 인공지능이 자율주행차·항공 촬영·내시경 영상을 분석하는 성능도 높아졌다. 연구팀은 작은 카메라 시제품도 만들어 드론, 자율주행차, 로봇은 물론 스마트폰 화면 아래 숨은 '언더디스플레이 카메라(UDC)'에도 적용할 수 있음을 보였다. 이번에 밝혀낸 색과 거리의 관계는 홀로그램, 3D 영상, 눈으로 구분하기 어려운 미세한 색까지 분석하는 초분광 이미징 등에도 활용될 수 있다.

백승환 교수는 "장애물을 뚫고 보는 풀컬러 메타렌즈 기술은 정확한 영상이 필요한 극한 환경에서 카메라의 시야를 확보하는 데 유용할 것"이라고 기대를 전했다. 또 노준석 교수는 "메타렌즈를 이용한 광학적 투시 기법은 장애물을 직접 닦아내기 어려운 소형 카메라가 안정적으로 영상을 얻는 데 도움을 줄 것"이라고 연구의 의의를 덧붙였다.

[email protected] 연지안 기자