TECHNOLOGY
초분광 영상 기술이란?
컬러 영상 기술은 본래 인간의 시각적 색 인식을 모방하기 위해 개발되었습니다. 이는 망막에 존재하는 세 가지 서로 다른 색 감도 기능으로 구성되며, 결과적으로 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 독립적인 색 채널을 형성합니다. 아래 그림의 왼쪽에 표시된 바와 같이, 이는 전통적인 RGB 컬러 이미지를 생성합니다. 그러나 초분광 영상은 물체 표면의 고유 화학적 특성을 나타내는 스펙트럼 반사율과 같은 고차원 색상 정보를 제공할 수 있어 기존의 RGB 컬러 이미지보다 더 풍부한 정보를 제공합니다.
분광 영상은 크게 다중 분광 영상(multispectral images)과 초분광 이미지(hyperspectral images)로 나뉩니다. 다중 분광 영상은 다중 분광 카메라를 사용하여 촬영되며, 회전식 밴드패스 필터 휠 등을 통해 가시광선 스펙트럼에 대해 5~10개의 스펙트럴 채널을 생성합니다. 반면, 초분광 영상은 스캐닝 기반 초분광 카메라를 통해 얻어지며, 예를 들어 가시광선 스펙트럼 범위에서 30~60개의 채널을 생성합니다. 이는 다중 분광 영상보다 5~10배 더 많은 채널을 제공합니다. 산업에 사용되는 초분광 영상은 가시 스펙트럼에 국한되지 않고 단파장 적외선(SWIR)과 같은 비가시 스펙트럼으로 확장된, 훨씬 더 밀집된 정보를 제공합니다.
하이퍼그램(주)의 카메라 제품들은 이러한 초분광 영상 기술을 비디오 카메라로 구현하여 가시광선에서 비가시 적외선에 이르는 고밀도 스펙트럼 정보를 정확하게 제공합니다.
RGB 영상
다채널 영상
초분광 영상
초분광 영상 측정 범위
인간이 인지할 수 있는 스펙트럼 파장 범위는 0.4μm에서 0.7μm까지이며, 빨강(red), 초록(green), 파랑(blue)의 세 가지 채널로 표현됩니다. 각 채널은 약 0.1μm의 범위를 포함하지만, 이는 자동화 기계 제조에서 머신 비전을 활용한 과학 및 공학적 검사에는 너무 넓습니다. 위 그림에서 볼 수 있듯이, 초분광 이미징은 다른 이미징 방법보다 더 밀집된 스펙트럴 채널을 캡처할 수 있으며, 인간 시각 시스템의 한계를 넘어 스펙트럼 범위를 확장할 수 있습니다. 특히, 근적외선(NIR) 및 단파장 적외선(SWIR)을 포함한 적외선(IR) 스펙트럼은 컴퓨터 비전에서 식품 및 재활용 응용에 매우 효과적입니다. 하이퍼그램(주)의 카메라는 0.4μm에서 1.0μm까지의 범위를 높은 정확도와 속도로 연속적으로 커버하며, 다양한 산업적 응용에 적합한 최상의 초분광 이미징 솔루션을 제공합니다. 하이퍼그램(주)의 카메라 분광 범위는 점진적으로 1.7μm의 SWIR 영역까지 확장해 나아갈 예정입니다.
초분광 영상 기술 분류
초분광 영상 기술에서 주로 사용되는 카메라는 세 가지 유형이 있습니다: 필터 기반 카메라, 푸시브룸(push-broom) 카메라, 그리고 압축 스펙트럴 카메라입니다. 필터 기반 초분광 카메라는 밴드패스 필터 휠 또는 액정 튜너블 필터(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)를 사용하여 구성됩니다. 이 스펙트럴 필터는 파장별 광 투과율을 순차적으로 변경하여 대상 스펙트럼 범위를 스캔합니다. 푸시브룸 카메라 역시 이와 유사한 방식으로 작동합니다. 단, 필터 기반 카메라는 캡처된 스펙트럴 볼륨의 스펙트럴 축을 따라 스캔하는 반면, 푸시브룸 카메라는 이미지의 한 방향으로 라인 스캔을 수행합니다. 이 두 카메라 유형은 높은 정확도를 제공하지만, 스캔 중에 물체나 장면이 정지 상태를 유지해야 한다는 큰 제한이 있습니다. 따라서 이러한 기술은 정지된 물체 스캔, 컨베이어 벨트 이미징, 항공 이미징과 같은 특정 용도로만 제한적으로 사용되고 있습니다. 산업 수준의 정확도로 초분광 비디오를 캡처하는 것은 현재 최첨단 초분광 영상 기술로도 불가능한 영역으로 남아 있습니다. 이를 극복하기 위해 압축 스펙트럴 이미징 기술이 제안되어 스냅샷 초분광 이미징을 가능하게 했습니다. 그러나 이 기술은 낮은 이미지 품질과 스펙트럴 정확도로 인해 주로 과학 연구실에서 실험적으로만 사용되고 있습니다.
필터 기반 분광 카메라
스캔 방식 분광 카메라
압축식 분광 카메라
하이퍼그램의 초분광 영상 기술
하이퍼그램(주)은 초분광 이미지 데이터의 캡처에서 정확도와 성능 간의 오랜 트레이드오프를 해결하기 위해, 기존의 초분광 영상 기술의 장점들만을 융합하여 새로운 하이브리드 초분광 이미징 기술을 개발했습니다. 하이퍼그램(주)의 모태인 KAIST 비주얼 컴퓨팅 연구실(VCLAB)은 지난 15년 동안 ACM SIGGRAPH와 같은 저명한 컴퓨터 과학 학회에서 압축 초분광 3D 이미징, 프리즘 기반 스냅샷 스펙트럴 이미징, 회절 기반 스냅샷 초분광 이미징 기술 등을 다수 발표하며 관련 연구를 심도 있게 진행해 왔습니다. KAIST 스타트업 기업인 하이퍼그램을 설립하며, 본사는 과학적 연구 성과를 산업 응용에 적합하도록 재구성하였으며, 이를 통해 가장 정확하고 빠른 초분광 이미징 기술을 상용 제품으로 구현하고 있습니다. 특히 최첨단 AI 기술을 통해, 실질적이고 진보된 초분광 영상 기술을 머신 비전 시장에 제공하고자 합니다. 아래는 당사의 초분광 영상 기술로 획득한 초분광 영상의 예제 입니다.
397 nm
464 nm
480 nm
497 nm
516 nm
560 nm
초분광 영상의 예
577 nm
604 nm
635 nm
732 nm
791 nm
916 nm