Sony / 심해 해양 생태계 모니터링에 적용된 FCB 카메라
심해환경은 이미징 시스템에 대한 몇 가지 도전과제를 제시한다. 저조도 환경에서의 이미지 포착, 눈부심을 유발하는 빛을 반사하는 진흙, 그리고 물속에서 줄어드는 시야가 바로 그것이다. 이 외에도 2,000m가 넘는 수심으로부터 이미지를 표면으로 전송하는 문제에 부딪힌다.
비스케이만(Bay of Biscay)의 취약한 해양 생태계에서 Ifremer(프랑스 해양탐사 개발 연구소)의 과학자가 오염 및 산호의 건강을 모니터링하기 위해 Sony FCB 카메라를 어떻게 사용했는지 살펴본다.
프랑스의 서해안과 스페인 북부 해안에 위치한 비스케이만은, 냉수 산호 서식지에 이상적인 환경이다. 이곳엔 많은 생물 종류가 있으며 생물 다양성의 중요한 핫 스폿이 됐다. 19세기 이래로 서식지의 존재가 알려졌지만, 현재의 분포와 다양성에 대해서는 거의 알려지지 않았다.
최근 몇 년 동안 Ifremer 연구소는 비스케이만의 생태계 건강을 조사하고 인간으로 인한 피해를 평가하기 위해 이미징 시스템을 채택했다. 연구진은 비스케이만의 대륙 가장자리를 따라 위치한 135개의 해양 협곡을 대상으로 했다.
연구진은 올해 초 해양과학 분야의 저널 Frontier에서 연구결과를 발표했다. 연구팀은 Bay 협곡 중 24곳과 인접한 협곡 사이의 3곳을 조사해, 50~1,000m 깊이에 있는 62종의 산호를 대상으로 총 11곳의 산호 서식지를 연구했다.
이 논문은 같은 비전 시스템을 이용해서 2016년에 동일 연구 단체가 발간한, 중요 서식지의 배설물을 세고 분류하는 내용을 담고 있다. 대륙붕 가장자리에 있는 15개의 협곡과 3개의 사이트를 조사한 결과, 카메라로부터 6,255개의 이미지를 분석해 198개의 쓰레기를 조사했다. 42%는 플라스틱 제품, 16%는 낚시 관련된 개체, 9%는 유리병, 6%는 케이블 또는 로프, 27%는 기타 또는 식별 불가능한 것으로 나타났다.
연구진에 따르면 쓰레기는 수심 801~1,100m와 1,401~1,700m에 누적된 것으로 나타났으며, 조사된 모든 협곡과 대륙붕에서 발견됐다. 연구자는 산호(케이블과 로프 포함)에서 발견되는 해양 쓰레기의 15~20%가 어획 활동과 관련 있다고 지적했다.
비전 시스템
Ifremer 연구팀은 0.9m/s에서 움직이는 견인 스틸 카메라와, 2008 Sony FCB-H11 컬러 블록 카메라를 가동하는 원격 작동 차량(ROV)에서 이미지를 캡처하는 두 가지 방법을 사용했다. 풀HD 이미지를 제공하고 50° 수평 시야각인 10X 줌(f1.8-2.1)을 갖췄으며, 저온(~0°C)에서 작동하면서도 깊은 곳에서 1x까지 정확한 이미지를 포착할 수 있다.
카메라 시스템은 250기압 이상의 압력에서 견딜 수 있는 하우징과 해저를 조명하기 위한 조명 시스템을 갖췄지만 아래에 있는 진흙으로부터의 눈부신 반사를 피할 수 있었다. 카메라에서 나오는 이미지에는 타임 스탬프(time stamp)와 위치 및 깊이 메타 데이터도 기록됐다.
수중 환경에서 이미지 캡처의 주요 과제
1. 조명
물속에서 빛이 빠르게 악화되며, FCB-H11과 같은 카메라는 1lx까지 캡처할 수 있다(FCB-EV7520A와 같은 몇몇 카메라는 0.35lx까지). 200m 미만에서는 뚜렷한 빛이 발견되지 않으며, twilight zone(200~1,000m) 너머는 햇빛이 없다.
조명은 신중하게 제어해야 한다. 심도가 깊어지면 진흙과 같은 입자가 존재하므로 폭우가 심한 상향 전조등과 비슷한 효과를 낸다. 연구팀은 ‘실트 문제로 인해 여러 이미지가 삭제됐다’며, 이미지를 어둡게 하는 침전물구름 때문에 안 좋은 화질이 만들어진다고 강조했다.
이로 인해 조명제어를 자동화하는 것이 매우 어려워진다. 사용자는 ROV와 같은 보다 제어된 시스템에서도, 이상적으로 조명 및 노출 시간을 바로잡아서 이미지 품질을 최대화할 수 있는 능력을 갖게 된다.
2. 이미지 전송 표준
산호는 50~1,000m 사이에서 발견됐고 팀은 약 2,400m 깊이에 있는 해양 쓰레기를 찾았다.
ROV는 고정된 깊이로 이동하고 수중 음파 탐지기를 통해 협곡과 물체를 피하도록 자동화될 수 있다. 그러나 이미지 품질을 저하시키지 않고 수집된 이미지를 신속하게 분석하기 위해, 표면으로 재전송하는 방법은 해결해야 할 과제로 남아 있다. 전통적인 머신비전 표준은, 단순히 이 거리를 통해 데이터를 전송할 수 없다. 조명과 카메라 시스템을 모두 제어하기 위해 광섬유 케이블이 필요하므로 제작 비용이 크게 추가된다.
3. 하우징
염수의 부식성과 시스템이 노출될 압력(깊이 10m마다 1대기압 추가)은 사용된 하우징이 예외적으로 잘 설계돼야 한다는 것을 의미한다. 여기에 MacCartney Benelux의 Luxus 범위와 같은 시스템을 사용할 수 있다. 이 두 대의 Sony 카메라는 호환 가능한 조명제어 기능과 9,000미터 이하의 깊이에 도달할 수 있는 하우징을 갖췄다.
4. 시야(FOV)
물은 특히 빛에 흥미로운 영향을 미친다. 굴절률이 1.333인 경우, 어떤 카메라가 선택되든 굴절률을 고려해야 하기 때문에 시야를 25퍼센트 축소한다.
결론
해양의 깊이는 이미징 시스템이 사용되기에 가장 극한적인 환경이다. 예외적인 압력과 매우 약한 빛과의 복잡성뿐만 아니라, 빛을 이용할 때 종종 퇴적물에 반사돼 이미지를 사용할 수 없게 된다. 또, 수심이 깊어지면 데이터 전송에 많은 비용이 든다. 그러나 Ifremer 센터의 연구에서 볼 수 있듯이, Sony의 Pregius Global Shutter CMOS 기술처럼 진보된 이미징 시스템 사용이 필수적이고 생태계를 보존하기 위해서 큰 의미가 있다.
자료 제공: Sony(www.Sony.com)
