구름 너머 숨겨진 물체 볼 수 있는 신기술 개발

영화 슈퍼맨처럼 구름과 안개 등을 뚫고 사물을 바라볼 수 있는 투시 기술 장치가 개발됐다. 

스탠퍼드대학 연구팀이 개발한 이 새로운 장치로 인해 앞으로 인간이 엑스레이 비전처럼 구름이나 안개를 꿰뚫어 볼 수 있는 능력이 가능해졌다.

연구팀은 자율주행자동차 라이다(LiDAR)와 비슷한 시스템과 빛 입자 움직임 검출기 기반으로 숨겨진 물체를 3차원으로 재구성할 수 있는 놀라운 알고리즘을 개발했다.

연구 결과(논문명: Three-dimensional imaging through scattering media based on confocal diffuse tomography)는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 9월 9일(현지시각) 실렸다.

작동중인 레이저 스캐닝 프로세스: 단일 광자가 폼을 통해 이동하고 S에서 반사된 다음 폼을 통해 감지기로 되돌아간다. [출처: Nature Communications]

연구팀은 실험에서 시스템이 1인치 두께 폼에 의해 가려진 형태를 재구성 할 수 있었다. 이 새로운 비전기술은 마치 슈퍼맨이 맨눈으로 장벽을 통과해 물체를 보는 것과 유사하다. 

이 시스템은 모든 빛을 감지하는 초고감도 광자검출기와 레이저를 결합했다. 광자가 가끔 폼을 통과하는 성질을 이용한다. 감지기로 폼을 통과하는 작은 입자를 포착해 그 뒤에 있는 물체를 때리고 다시 반사할 수 있다. 그런 다음 알고리즘으로 숨겨진 물체를 3D로 재구성하기 위해 광자가 검출기에 닿는 위치와 시간을 분석한다.

이 기술은 빛의 산란 현상을 통해 숨겨진 물체를 인식할 수 있는 최초 기술은 아니다. 하지만 기존 방법과는 확연히 다르다. 기존 시스템은 단지 탄도 광자 데이터, 즉 산란장을 통해 은폐된 물체를 잡아내지만 실제로 산란이 없다는 점이 문제였다.

하지만 연구팀은 산란 매개체를 통해 이미지를 생성하고 이미지를 재구성하기 위해 산란된 모든 광자를 수집했다. 따라서 이 시스템은 탄도 광자가 거의 없는 대규모 응용 분야에 특히 유용하다.

또한 산란 복잡성을 계산하는 알고리즘을 만들기 위해 소프트웨어와 하드웨어를 개발했다. 하드웨어는 현재 자율주행자동차에 탑재된 것보다 약간 더 정교하다.

은폐된 물체 밝기를 바탕으로 연구자들의 실험에서 수행된 스캐닝은 1분에서 1시간 사이였다. 이 알고리즘은 실시간으로 숨겨진 장면을 노트북에서 재구축할 수 있었다.

인간의 눈은 거품을 꿰뚫어 볼 수 없다. 검출기에서 나온 광자 측정만으로도 아무것도 볼 수 없다. 하지만, 광자 몇 개만 있으면 재구성 알고리즘이 이러한 물체를 볼 수 있으며, 그 물체가 어떻게 생겼는지 또 3차원 공간 어디에 있는지도 볼 수 있다.

이번 연구 성과 시사점은 레이저와 검출기, 알고리즘이 융합된 장치로 하드웨어와 물리학, 응용 수학 등 학제 간 융복합 연구 결과다.

이 기술은 본질적으로 장벽 뒤에 물체를 볼 수 있지만, 폭우 나 안개 속에서 자율주행자동차가 사물을 감지하고, 하늘이 흐린 조건에서도 지구 또는 다른 행성의 위성 영상을 촬영하는 대규모 프로젝트에 가장 적합하다. 또한 이 기술은 시스템을 보완하면 의료용 현미경으로도 사용이 가능하다.

언젠가는 이 기술은 미래 세대들이 흐릿한 조건이나 얼음과 구름 등에 가려 잘 볼 수 없는 장벽을 통과해 지구 밖 우주 멀리 다른 행성을 탐색하는 데 사용할 것이다. 

김들풀 기자 itnews@