(a)조간대(물속/물밖)에서 서식하는 농게. (b)농게의 눈의 전방향 사진. (c)농게 눈의 주사 전자현미경 사진. (d)농게 눈의 주사 전자현미경 확대 사진. (e)농게 홑눈(단일 각막 렌즈)의 측면 투과 전자현미경 사진. /지스트 제공


이미지의 왜곡 없이 물속과 물 밖에서 360도 전방위로 사진과 영상을 촬영할 수 있는 초소형 수륙양용 카메라가 개발됐다. 조간대(만조 때의 해안선과 간조 때의 해안선 사이의 부분)에 사는 농게의 겹눈 구조를 생체모방해 얻은 연구 성과이다. 실제로 물에 담근 채 영상 테스트를 성공리에 마쳐 기존의 360도 카메라의 한계를 보완하고 VR(가상현실) 기기 등 다양한 영상 장비에 적용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

지스트(GIST·광주과학기술원)는 12일 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수팀과 서울대 화공생명공학부 김대형 교수팀이 공동으로 360도 촬영이 가능한 카메라를 개발, 이날 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’ 온라인에 발표했다고 밝혔다.

현재 360도 카메라를 제작하기 위해 페이스북을 운영하는 메타, 열화상 카메라 및 센서 설계 전문기업 텔레다인 플리어 등 글로벌 기업들이 연구·개발을 진행하고 있다. 기존 제품의 경우 이미지 왜곡에 대한 하드웨어의 한계를 극복하기 어렵고 각 카메라의 센서 정보를 연결하는 후처리가 필요하다는 단점이 있다.

연구팀에 따르면 통상 카메라에는 표면이 곡면인 렌즈가 사용되는데, 광(光) 굴절 현상으로 인해 하나의 광학시스템에서는 물속과 물 밖에서 동시에 영상을 처리하는 데 한계가 있다. 또 광각 카메라는 최대한 넓은 범위의 피사체 상(像)이 맺히도록 렌즈 표면이 크게 휘어진 고굴절 렌즈를 많이 사용하기 때문에 이미지 센서에 왜곡된 이미지가 투영된다.

360도 전방위 수륙양용 카메라를 개발한 연구팀. 왼쪽부터 이민철 박사(서울대, 공동 제 1저자), 김대형 교수(서울대, 공동 교신저자), 송영민 교수(GIST, 공동 교신저자), 장혁재 연구원(GIST, 공동 제 1저자), 이길주 교수(부산대, 공동 제 1저자). /지스트 제공



연구팀은 이와 관련해 “편평형 마이크로렌즈를 이미지 센서와 결합하고, 1개의 마이크로렌즈와 1개의 포토다이오드로 구성된 광학시스템을 지름 약 2㎝인 공 모양의 구형(球形) 구조물 안에 200여 개를 집적해 왜곡이 없는 광각 카메라를 개발했다”고 밝혔다.


이 같은 신개념 카메라 개발 아이디어는 갯벌에 사는 농게의 눈에서 시작됐다. 농게는 물 속과 물 밖 환경에서 모두 시야를 확보할 수 있어야 한다. 이를 위해 농게 눈의 렌즈는 표면이 편평하며 그 아래로 점진적으로 굴절률이 변화하는 형태로 돼 있다. 또 평평한 갯벌 지대에서 포식자를 효과적으로 식별하기 위해 모든 방향으로 렌즈가 형성돼 있다.

이같은 생체 모방을 바탕으로 연구팀은 200여 개의 포토다이오드를 구형(球形)으로 배치하고, 각 포토다이오드에 편평형 마이크로렌즈를 배치해 각각의 센서 정보를 연결하는 후처리 및 광학 렌즈에서 발생하는 왜곡의 문제를 해결했다. 또 굴절률이 연속적으로 변하는 4개의 렌즈로 구성된 구배형 마이크로렌즈를 제작, 물속과 물 밖에서 영상의 화질이 동일하게 유지되고 기존 광각 카메라보다 이미지 왜곡이 감소하는 것을 이론적·실험적으로 규명했다.

송영민 교수는 “포토다이오드와 마이크로렌즈의 크기 제한과 렌즈 정렬의 한계를 개선하면 보다 높은 해상도와 성능을 가진 360도 카메라를 자율주행 자동차의 비전시스템이나 기존 360도 카메라에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 미래 소재 디스커버리 사업 및 이공 분야 학문 후속세대 지원 사업과 기초과학연구원(IBS)의 기초과학연구원 외부연구단 및 GIST-MIT 공동 연구사업의 지원으로 수행됐다.

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