비전시스템의 다양한 활용 사례 / 4) 연구 및 개발
모든 연구를 허(許)하다
산업현장에서 머신비전은 없어서는 안 될 요소가 되었다. ‘인간의 눈을 대신할 기술’이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로 수행할 수 없는 많은 기술을 가능케 하고 있다. 최근에는 이러한 기술이 공장자동화 분야는 물론이고 비 산업적인(Non-industrial) 분야로까지 확대되는 추세이다. 반도체·전자·자동차·측정 및 계측 분야와 같은 공장자동화부터 국방·항공우주·연구·생체인식·의료·농업에 이르기까지 머신비전이 나아갈 수 있는 길은 아직도 무궁무진하다.
정리 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)
머신비전이 쓰이는 분야 중 하나가 연구 및 개발인데, 이 분야는 생각보다 넓은 범주를 가지고 있다. 신제품이나 기술 개발을 말하기도 하고, 인간이나 생물 혹은 지구 등의 연구일 수도 있다. 오늘날에는 생물학부터 지구과학 그리고 물리학과 공학에 이르기까지 수학·과학적 분야 전반에 걸쳐 머신비전 기술이 쓰인다. 심지어는 역사와 같은 비교적 동떨어져 보이는 분야에서도 활약하고 있으니, 머신비전은 인간이 탐구하는 모든 학문을 분석하는 데 쓰인다고 해도 과언이 아니다.
공장자동화만을 접하던 이들에겐 연구 및 개발 분야라는 것이 생소하고 어색할지 모른다. 하지만 각종 데이터를 연구하고 분석하는 데 촬영 장비와 분석 프로그램이 필요하다는 것을 떠올리면 생경하기만 한 것은 아니다. 머신비전 기술은 다른 기술을 개발할 때는 물론이고 연구나 조사 등 새로운 발견을 위한 도전에 든든한 지지대며 돋보기다.
이 기사에서는 머신비전이 연구 분야에 어떻게 쓰이고 있는지, 현대에 이룩한 다른 기술들과 어떻게 연계되고 있는지 살펴본다.
대표적 활용 사례 모음
3D 유속계, 연소 엔진의 기류를 시각화하다
엔진 작동의 개선을 위해서는 연소 엔진 안의 공기 흐름을 이해하는 것이 중요하다. 공기 흐름이야말로 엔진의 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이를 검사하는 과정에서 기존에 쓰던 유량측정검사는 광원이 부족한 곳에는 부적절한 문제가 있었다. 하지만 3D 입체 데이터가 공기 흐름을 수량화함은 물론 상대적으로 부족한 광원으로도 검사할 수 있기 때문에 공기 흐름 분석에 적합한 검사 수단으로 떠올랐다.
미시간대학 케빈 페터슨 박사는 광학적으로 연소 엔진 내부에 접근하는 3D 공기 흐름의 측정법을 개발했다. 설명에 따르면, 3D 입자 추적 유속계(SC3D-PTV)라는 장치는 제한된 광원 접속으로도 3D 유량측정을 대략 수십 입방밀리미터 정도까지 측정한다. 이는 실린더 흐름 및 엔진 작동 향상에 대한 이해에 도움을 준다.
SC3D-PTV에 쓰이는 광학 요소들은 스테레오 현미경과 유사한 형태를 띤다. 큰 렌즈 하나와 작은 렌즈 두 개로 이루어진 총 세 개의 렌즈는 한 하우징 안에서 두 개의 평행한 이미지를 만든다. 두 시스템은 같은 물체를 서로 다른 각도에서 측정하며 서로 초점면을 공유하는 특징이 있다. 측정된 자료는 수치화되어 SC3D-PTV의 카메라에 표시된다.
두 대의 카메라에서 촬영한 영상은 측정 정확도를 높인다. SC3D-PTV 측정법은 공기중에 떠도는 많은 입자는 물론 비정상적인 유동체도 촬영할 수 있다. 먼지 영역에서의 3D 속도 분포는 연속된 노출 사이에 있는 각 입자의 단층 이동을 계산하여 얻을 수 있다.
고고학적 수집품을 스캔하는 3D
Sustainable Archaeology에서 만든 지속적 고고학 동영상 장치(이하 SAAU)는 연구자와 학생 그리고 시민들이 온타리오의 고고학적 기록에 다가갈 수 있도록 도움을 준다. 이는 3D3 Solutions의 3D 스캐너로 대상을 정밀 촬영(스캔)함으로써 이루어졌다.
이 회사는 캐나다 혁신 재단과 온타리오주(州) 연구 및 혁신 부서의 지원을 받아 워싱턴 대학에서 연구 활동을 하고 있다. 이들이 만든 SAAU는 고고학을 위한 첫 번째 애니메이션 스튜디오로, 유물을 3D로 디지털화하고 컴퓨터가 이미지를 생성한 뒤, 이를 온타리오의 고고학적 유산으로 보존하고자 만들어졌다.
이 시스템은 대형 유물의 다양한 모양과 크기를 처리할 뿐 아니라 그들의 색상이나 질감 역시 정확히 표현한다. 3D3 Solution은 Substainable Archaeology의 직원과 협력해 네 가지 기술을 기반으로 HDI Advance 3D 스캐너를 완벽한 3D 일괄작업 시스템으로 만들었다. 스캐너는 각 제품마다 3D3 솔루션에서 제공하는 고유 스캐닝 소프트웨어인 FlexScan3D를 통해 3D 자료를 촬영한다. 이 소프트웨어는 3D스캔을 디지털 3D 모델로 병합 및 정렬하는 후처리 기능을 제공한다.
SAAU의 프로젝트 코디네이터인 나미르 아메드(Namir Ahmed)는 “우리는 다른 3D 스캐너는 한 유물을 스캔하는 데에 보통 수 시간 가량 걸리는 것을 발견했다”며, “3D 스캐닝의 일괄작업 시스템을 통해 유물 한 점당 약 30분정도 시간을 들여 검사할 수 있었다”고 말했다.
양자를 통해 손 이미지를 만들어내다
캘리포니아대학에 다니는 물리학자 및 그 학생과 Loma Linda 대학의 의학 연구원 및 의사 팀 그리고 캘리포니아 주립대학교의 학술연구팀이 X레이 대신 양자(Protons)를 사용하는 새 의료 영상 기술을 개발했다. 이들은 이미 서던캘리포니아에서 열린 의학 영상 회의에서 사람의 손을 촬영한 첫 양자 방사선 촬영 이미지를 선보인 바 있다.
이미징 팀은 Loma Linda 대학의 의료 센터가 의료 양자용 싱크로트론의 양자로 이미지화한 방사선 촬영용 핸드팬텀(실제 손과 같은 모양이며 방사선 투과 특성을 가진 해부학적 모델, 편집자 주)을 사용했다.
이와 관련해 Santa Cruz 입자물리학 연구소의 연구원인 하르트무트 사드로진스키(Hartmut Sadrozinski)는 “이 이미지는 잠재적인 저용량 의료 이미지 영상 분야에서 양자 이미지가 새로운 범위로 이동하게 될 가능성을 보장한다”며, “우리의 궁극적 목표는 X레이나 CT 촬영처럼 양자 컴퓨터 단층촬영 및 입체적 이미지를 재구성하는 것”이라고 말했다.
핸드팬텀의 양자 이미지는 세밀한 뼈 구조까지 명확히 보여준다. 거기에 양자 이미지는 X레이와 달리 손의 부드러운 조직까지도 표현한다. 새로운 기술을 통해 세밀하고 정확한 이미지를 얻을 수 있는 셈.
연구팀은 애너하임에서 열린 2012 IEEE 핵과학 심포지움 및 의료 영상 컨퍼런스에서 그들의 연구결과를 발표했다.
대학 실험실에서 에너지 절약
비전시스템은 대학 실험실에서 에너지를 절약하는 용도로도 쓰인다. 대표적 예가 파키스탄에 위치한 ‘공학 및 기술 대학’과 COMSATS IT 기관이 건물 에너지 손실을 줄이는 머신비전 기반 시스템을 개발한 것이다. 이 기술은 특히 각종 연구로 인해 전력 등을 많이 소비하는 실험실에서 유용하게 쓰일 전망이다.
이 시스템은 사무실이나 교실 혹은 복도 등을 감시하며 사람이 없을 경우 불필요한 전기제품을 끄는 방식으로 작동한다.
카메라는 배경 제거 및 Kalman 필터를 기반으로 한 추적 알고리즘을 이용해 사람의 존재 여부를 감지 및 추적한다. 이후 결과물을 분석하여 건물을 떠나거나 이동한 사람의 숫자를 비교한다.
카메라가 제공하는 자료는 모든 불이 꺼져있는 환경을 비롯, 이미지를 사용할 수 없을 때에도 온도 센서 등 다양한 데이터를 활용한다. 이를 통해 시스템의 정확성을 유지할 수 있다.
연구원인 아마드 칸(Ahmad Khan)과 무하마드 우자이르(Muhammad Uzair)는 13주동안 대학 실험실에서 이 장치를 실험했다. 지능형 절전 시스템을 통해 전기기구를 사용하지 않도록 설정한 결과, 시스템이 연간 약 1.5%가량의 에너지를 절약할 수 있다는 결과를 도출했다.
손가락 움직임을 인식하는 신경망칩
최근 몇 년간 카메라를 이용한 기술 중 가장 ‘핫’한 분야를 꼽자면 키넥트(Kinect) 기술을 들 수 있다. 키넥트 기술이 무엇인지 쉽게 풀어 이야기하자면, 마이크로 소프트에서 개발한 기술로, 사용자의 움직임을 포착해 화면에 띄우는 것을 말한다. 키넥트 기술을 구현하는 카메라가 사용자의 팔이며 손 움직임을 추적하는 동안 분석 프로그램 및 하드웨어는 쉴 새 없이 밀려드는 센서 이미지의 데이터를 통해 피사체의 위치나 각도 그리고 움직임 등 세부사항을 점검한다.
사용자의 손(특히 손가락)을 정확히 구별하고 추적하는 것은 아직까지 어려운 것이 사실이다. 하지만 이런 문제를 해결할 수 있는 방법이 있다. 엔지니어인 빌 나겔(Bill Nagel)과 크리스 맥코믹(Chris McCormick)은 키넥트 카메라의 인식 성능을 높이기 위해 CogniMem의 CM1K 인지 컴퓨터 칩을 탑재한 소프트웨어 개발 키트(SDK)와 키넥트 카메라를 이용한 해법을 만들었다.
이들이 만든 시스템은 키넥트 카메라에 성공적으로 골격 정보를 제공하며 동시에 피사계심도 정보를 만든다. CM1K는 1024개의 뉴런이 병렬로 움직이는데, 이를 이용하면 예시 데이터베이스를 손 전체 모양과 비교해 이미지 데이터를 정교하게 만드는 동안 다른 손가락의 움직임을 동시에 인식할 수 있다.
이와 같은 움직임은 두 가지 목적을 가지고 있다. 첫째는 화면에 노이즈가 끼거나 100% 정밀한 영상이 아니더라도 CogniMem의 기술력이 어떻게 제스처 인식에 이용되는지 증명하는 것이며, 두 번째는 Kinect와 기성 제품들을 통합하는 방법이 쉽다는 것을 증명하는 것이다.
이 시스템은 프로비덴스에서 열린 Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR)에서 선을 보였다. 또한 개발자들은 YouTube(goo.gl/BFGgc)를 통해 자신들의 기술을 시연하고 있다.
하늘을 날며 3D로 매핑하다
영국 레스터셔 시를 기점으로 활동하고 있는 항공측량회사인 Bluesky는 기기 제조업체인 Optech에게서 항공매핑시스템을 구입했다. 이 시스템은 고해상도를 갖춤은 물론 라이더(lider) 센서와 장적외선(LDR) 열화상 센서를 탑재한 것이 특징이다.
항공 이미지를 캡처함과 동시에 대지와 도시를 3D로 정밀하게 매핑할 수 있는 이 시스템은 건물의 열손실을 측정하는 열 매핑 기능도 갖추었다. 이런 기능은 전기전송 네트워크 매핑이나 교통기반시설 모델링 그리고 홍수 위험 분석이나 임업 관리와 같은 환경 감지 등의 애플리케이션에 적합하다.
Bluesky가 3D로 측정해 캡처할 수 있다면, 이 시스템은 영국 전체의 태양광 지도와 3차원 도시모델 등 다양한 지도를 만들 수 있게 된다.
Bluesky International의 상무이사인 Rachel Tidmarch는 “범람원 및 도시 지역에서 정확한 지도를 필요로 함에 따라 첨단 항공 측량의 수요가 빠르게 증가하고 있다”고 말했다.
탄소 코팅 기술로 3D 물체를 숨기다
미시간대학에서 개발한 탄소나노튜브 코팅은 ‘Magic Black Cloth’라고 불린다. 무슨 말인지 모를 이들을 위해 부연하자면, 촬영하는 객체가 가지고 있는 3차원적 입체성을 숨겨 마치 평평한 검은색 시트처럼 보이게 만든다는 뜻이다.
70마이크론 코팅 혹은 탄소나노튜브로 이루어진 카펫은 종이의 절반 정도 두께이며 객체를 숨기는 특이한 재주를 가지고 있다. 이는 이 카펫이 빛의 99.9%를 차단하기 때문인데, 구체적으로 이 카펫의 재질이 어떤 빛이라도 감지해 반사 및 산란시키는 특성을 갖고 있기 때문이다.
미시간대학 전기공학 및 컴퓨터 과학과의 제이 구오(Jay Guo) 교수는 “어떤 물체의 3차원적 속성을 숨기고자 한다면 이 ‘Magic Black Cloth’를 사용할 수 있다”고 말했다. 연구팀은 이 개념을 설명하기 위해 일종의 실험을 준비했다. 탱크 모양을 한 미세한 실리콘 조각을 만들어, 그 위에 탄소나노튜브 카펫을 올린 것. 이후 광학현미경을 이용해 사진을 찍으면 탄소나노튜브가 어떤 역할을 하는지 알아볼 수 있다. 이 방법을 통해 탄소나노튜브 촬영 영상을 분석한 결과, 탱크는 사람의 눈에 보이지 않는 것으로 확인되었다.
연구팀은 위와 비교하기 위해 한 가지 실험을 더 준비했다. 실리콘을 사각형 모양으로 잘라 그 조각을 탄소나노튜브로 코팅하지 않고 촬영한 것. 그 결과, 사각형 모양은 현미경을 통해 볼 수 있었다. 하지만 탱크 모양은 숨겨진 그대로였다.
나방 눈으로 보는 세상
미소물질을 기반으로 한 반사방지코팅(Anti-reflective coatings, ARCs)은 오늘날 안경·렌즈·TV·태양전지 그리고 LED 조명을 포함한 대부분의 광학 장치에 쓰이고 있다.
반사방지코팅을 활용한 효율적 사례는 곤충의 눈에서 찾을 수 있다. 곤충 중에서도 나방의 눈은 표면의 빛 반사가 거의 없는 나노스코픽(나노미터 단위로 표현할 수 있음을 뜻함, 편집자 주) 구조로 덮여있다. 자연적으로 만들어진 이 코팅은 불필요한 반사를 제거하는 것은 물론, 나방으로 하여금 포식자로부터 몸을 숨길 수 있게 하며 야간 시력을 높인다.
최근 독일 막스플랑크연구소의 요아킴 스파츠(Joachim Spats) 교수 연구팀이 인위적으로 나방의 눈처럼 코팅할 수 있는 새 방법을 개발했다. 연구원에 따르면 이 코팅은 기존 ARCs의 제작과 비슷한 비용이 든다.
막스플랑크연구소에서 개발한 제조 공정은 재료 표면에 작고 울퉁불퉁한 언덕을 정기적으로 생산한다. 이는 나방의 눈에서 발견할 수 있는 것과 유사한 형태를 띠고 있다. 연구팀에 따르면 이 구조의 매개 변수(제작시간·높이·모양 등)를 쉽고 다양하게 조작할 수 있다. The European Media Research Center 웹사이트에 게재한 뉴스에 따르면, 연구팀은 그들의 아이디어를 활용 및 상용화한 파생 팀을 조직한 상태다.
그러나 이런 작업을 시도한 것은 이들이 처음인 것은 아니다. 2007년에 Vision Systems Design은 카디프대학교 Manufacturing Engineering Centre(MEC) 연구팀의 노력에 대해 보도한 바 있다. 이들 역시 저조명 환경에서 사용할 수 있는 산업용 렌즈를 만들었으며, 아이디어 또한 나방의 눈에서 얻었다는 공통점이 있다.
공룡 식습관의 비밀을 밝히다
브리스톨대학과 런던 자연사박물관이 이끄는 국제 연구팀이 CT스캔 기술과 유한요소 분석법을 이용해 디플로도쿠스의 두개골을 분석했다. 이 작업을 통해 연구팀은 디플로도쿠스가 어떤 방식으로 나뭇가지에서 나뭇잎을 벗기도록 적응했는지를 밝혀냈다. 디플로도쿠스는 주라기 시대에 살던 초식공룡으로, 30미터 이상 길이와 15톤가량 무게를 자랑하며 지구상에 존재했던 가장 긴 동물로 알려져 있다.
디플로도쿠스는 엄청나게 육중한 초식동물이지만,이 공룡의 구체적인 생활에 관해서는 많은 것들이 의문 투성이였다. 대표적인 예로 이 공룡이 어떤 방법으로 식사를 하는지에 대해 논쟁이 일었다. 디플로도쿠스는 긴 주둥이를 가졌으며 입 앞쪽에 말뚝처럼 돌출된 치아가 있었으나, 이를 통해 식사 방식에 대해 정확히 유추하기에는 무리가 따랐던 것.
디플로도쿠스가 발견된 지 130년이 넘는 기간 동안 디플로도쿠스의 식습관에 대한 수많은 가설이 세워졌다. 이 공룡의 치아와 구강 구조를 바탕으로 씹는 방법을 연구했는데, 말뚝같은 치아를 가지고 잎을 빗질하듯 먹었을 것이라는 추측, 현재의 사슴과 같은 동작으로 나무에서 껍질을 벗겨냈을 것이라는 이야기, 심지어는 바위에서 어패류를 뜯어먹었을 것이라는 가설까지 다양한 예상이 오갔지만 정작 이 공룡의 식사 방법에 대한 해답은 보이지 않았다. 이 수수께끼를 풀기 위해 연구팀이 움직였다. 연구팀은 CT스캔 기술을 활용해 디플로도쿠스의 두개골을 완전히 3D모델링했고, 이후 유한요소 분석법으로 이 3D모델을 분석했다. 이 작업을 통해 연구팀은 디플로도쿠스가 먹이를 먹을 때 두개골과 치아에 어떤 스트레스와 긴장이 작용하는지 역학관계를 조사했다.
브리스톨대학 지구과학과의 에밀리 레이필드 박사와 런던 자연사박물관의 폴 배럿 박사가 이끄는 연구팀은 나무껍질을 벗기는 동안 치아에 강한 압박과 긴장이 작용하는 것으로 추측되는 반응을 발견했다. 또한 잎에 빗질하고 갈퀴질하는 것 같은 동작을 반복하는 것은 대체로 씹는 동작에 비해 두개골과 치아에 덜 스트레스를 주는 것으로 나타났다.
고대 로마 유물을 낱낱이 드러내다
사우샘프턴대학의 고고학자와 엔지니어들이 대영박물관과 협력하여 파묻힌 고대 로마 동전을 비롯한 유물들을 X선 단층촬영법으로 조사했다.
사우샘프턴대학의 μ-VIS Centre 컴퓨터 단층촬영장비는 원래 제트터빈날개와 같이 크고 단단한 공학 부품을 위해 설계되었다. 하지만 이번 작업에서는 고대 로마의 비축품 속에 파묻힌 고고학적 유물, 특히 동전을 분석하는 데 쓰였다.
Cotswolds에서 아홉 개의 동전이 들어있는 화장(火葬) 후 항아리를 발견했다. 콘크리트로 만들어진 큰 상자와 함께 약 3만 개의 고대 로마 동전이 잉글랜드 Avon 주(州)의 온천 도시인 Bath에서 발견되었다. 마지막으로 작은 솥이 요크셔 주 이스트라이딩 지역의 Selby 구역에서 발견되었다.
연구팀은 단층촬영장비를 활용해 유물들의 안쪽을 스캔했다. 이 장비는 360° 회전하며 수천 개의 2D 이미지를 획득했으며, 이후 더욱 자세한 3D 이미지를 만드는 데 도움을 주었다.
연구팀은 사우샘프턴에서 단층촬영장비를 활용해 유물을 스캔함과 동시에 3D컴퓨터 시각화기술을 활용해 유물에 쓰인 활자를 인식하고 동전에 새겨진 황제 얼굴 세부묘사를 식별할 수 있도록 만들었다. 그 결과 클라우디우스 2세와 테트리쿠스 1세의 두상(頭狀)이 공개되었다.
