4차 산업혁명과 차세대 카메라 기술 #2

지난 칼럼에서 차세대 카메라 기술중의 하나로 라이트필드 카메라를 소개하였는데 IT 융합 기술분야의 하나인 ‘계산 촬상학 (Computational Photography)’과 관련된 특수한 카메라 기술에 소개해 보고자 한다.

먼저 카메라의 핵심 부품이라고 한다면 렌즈와 이미지 센서를 빼놓을 수 없다. 이미지 센서는 CMOS 또는 CCD 라고 불리는 전자소자로서 빛의 세기를 전자 신호로 바꾸어주는 소자이다. 과거 필름 카메라에서 필름과 같은 역할을 하는 부품이라고 생각하면 쉽다.

그럼 렌즈는 왜 필요한 것일까? 렌즈는 빛을 모아주는 역할을 하는데 어렸을 때 많이 가지고 놀던 돋보기 렌즈를 떠올리면 된다. 햇빛 아래에서 검정색 물체에 돋보기를 대고 있으면 빛이 한 점에 보이고 그 지점의 온도가 올라가 타기 시작했던 경험을 해보았을 것이다.

그런데 사진을 찍는데 왜 빛을 모아야 하는 걸까? 빛을 모아서 빛의 강도를 세게 만들기 위해서일까? 이것은 절반의 답이다. 더 중요한 이유는 ‘결상’이라는 현상을 만들기 위해서인데, 쉽게 말해서 물체의 한 지점에서 나온 수많은 광선(ray)들이 이미지 센서의 한 점에 모이도록 하는 것이다.

이러한 렌즈 없이 물체를 카메라로 찍게 되면 형체를 알아볼 수 없이 전체적으로 희뿌연 사진을 얻게 되는데 그 이유는 물체의 모든 지점에서 나온 광선들이 서로 중첩되어 이미지 센서에 입사되기 때문이다.

사람의 눈도 카메라와 같은 원리로 물체를 보게 되는데, 눈속의 수정체가 렌즈 역할을 하여 물체의 한 점에서 나온 광선들을 모아 카메라의 이미지 센서에 해당하는 망막의 한 점에 수렴하도록 해준다. 수정체의 성능이 떨어져서 물체가 잘 안보이는 경우 안경이라는 렌즈를 이용해 보정 해주는 이유가 바로 망막에 잘 수렴하도록 하기 위함이다.

이처럼 사람의 눈이나 카메라나 물체의 형상을 얻으려면 렌즈가 필수적인데, 이것은 물체의 한 지점에서 수많은 광선들이 여러 방향으로 나오기 때문이다. 그렇다면 물체의 한 지점에서 하나의 광선만 나온다면 렌즈없이 물체의 형상을 얻을 수 있을까? 정답은 ‘yes’이며 이러한 원리를 이용한 것이 바로 핀홀 카메라이다.

MIT에서 개발한 암호화된 초점 (Encoded Blur) 카메라 (좌), 초고속 셔터 (Fluttered Shutter) 카메라 (우)

핀홀 카메라는 렌즈대신 매우 작은(회절 한계보다는 큰) 구멍 한 개 (pinhole)를 이용한 카메라이다. 설마 작은 구멍 하나가 렌즈처럼 물체의 형상을 얻게 해줄까 반신반의할지 모르지만 이 때 핀홀의 역할은 렌즈처럼 물체의 한 지점에서 나온 광선들을 한 점으로 수렴시키는 것이 아니라 대부분의 광선들을 차단하여 이론적으로 한 개의 광선만 통과시키는 역할을 한다.

물체의 한 지점에서 하나의 광선만 나오는 효과를 만들어주며, 이 때 빛의 강도가 현저히 줄어들기 때문에 물체의 형상을 제대로 보려면 감도가 우수한 이미지 센서나 강한 조명이 필요하다. 핀홀 카메라에서 얻을 수 있는 과학적 상식은 빛을 차단할수록 물체의 선명한 형상을 얻는데 유리하다는 점이다.

이러한 사실은 간단한 실험으로도 확인할 수 있는데, 안경을 쓴 사람들은 모니터 앞에서 안경을 벗고 화면 글자가 흐릿하게 보이는 상태에서 핀으로 종이에 작은 구멍을 내어 그 구멍을 통해서 보면 글자가 선명하게 보일 것이다. 빛을 차단하는 것이 선명도면에서는 좋지만, 빛의 강도는 떨어지게 되는데 이러한 빛의 양면성이 카메라 기술에서 많은 딜레마를 야기한다.

카메라 기술에서 어느 한가지 이득을 취하면 다른 부분이 손해를 보게 되어 모든 경우에 통용되는 최적 조건을 도출할 수가 없는데, 이것이 바로 사진사라는 카메라 전문가가 존재하는 이유다. 향후 인공지능이 많은 일자리를 대신하겠지만, 예술적인 영역과도 맞닿아 있는 다양한 사진 기술을 인공 지능이 따라잡기 위해서는 예술적가치에 대한 기계 학습도 필요해 보인다.

핀홀 카메라가 저렴한 작은 구멍으로 고가의 렌즈를 대신할 수 있다는 점에 착안하여 핀홀 카메라의 단점인 빛의 강도를 개선하려는 카메라 기술들이 개발되었는데 대표적인 기술이 MIT에서 개발한 ‘암호화된 초점 (Encoded Blur)’ 카메라이다.

이 카메라는 카메라 내부에 그림과 같이 특수한 패턴을 삽입하는데 이 패턴의 역할은 핀홀보다 큰 면적으로 빛의 강도를 높임과 동시에 물체의 선명한 형상 정보가 암호화된 영상을 얻게 해준다. 따라서 암호화 정보를 해독하게 되면 물체의 선명한 형상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 밝기도 우수한 사진을 얻을 수 있다.

빛을 어떻게 스마트하게 차단하는가에 따라 새로운 카메라 기술이 나올 수 있다는 점이 주목할 만하다. 사진 우측에 ‘초고속 셔터 카메라 (Fluttered Shutter Camera)’는 특정 주파수에서 셔터를 고속으로 열고 닫음으로써 자동차와 같이 고속으로 움직이는 물체의 형체를 선명하게 얻을 수 있는 카메라이다. 향후 이러한 차세대 카메라 기술들이 4차 산업혁명에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대해 본다.