분광 이미징과 하이퍼스펙트럴 카메라

최근 머신비전 업계에서는 분광 이미징을 활용한 영상분석에 대한 관심이 나날이 높아지고 있다. 분광카메라는 무엇이고 어떤 종류들이 있을까? 이번 기사에서는 분광 이미징 및 카메라에 대한 상세한 설명과 종류들에 대해 살펴보고자 한다.

일반 카메라는 빛이 들어오면 빛의 모든 파장이 포함된 하나의 이미지로 표현되지만, 분광 카메라는 감지되는 빛을 수십 또는 수백개 대역으로 분광하여 감지할 수 있다. 여기서 분광 이란 빛을 여러가지 파장 대역으로 나누는 현상을 말한다. 사람의 눈은 가시광 영역(380-780nm) 내의 파장만 감지할 수 있지만 분광 이미지는 동일한 파장을 여러 분광 밴드로 나누어 데이터를 처리할 수 있다.

<그림1> 분광 이미지

아발데이터의 AHS-003VIR 카메라의 경우 가시광 파장보다 더 넓은 450~1700nm의 파장을 512개의 밴드로 나누어 촬영이 가능하며, 사람의 눈으로 인식하지 못하는 NIR, SWIR 대역의 초분광 이미지 취득이 가능하다. 초분광 이미징(Hyperspectral imaging)은 공간정보에 분광기술을 더한 것으로 물체가 가지는 광학적 특징을 스펙트럼(분광) 형태의 정보로 저장하며, 대상체의 식별, 분석, 변화 예측 등에 활발히 사용되고 있다.

분광카메라의 종류

초분광 이미징 시스템의 핵심인 분광카메라의 내부 구성은 <그림2>와 같다. 광원으로부터 들어온 빛이 렌즈를 통과해 슬릿을 통해 모아지며, 분광장치를 통해 파장별로 나눠지고 최종적으로 센서로 전달된다.

<그림2> 분광 이미징 시스템 구성

분광 카메라에는 여러 가지 종류가 있으며, 크게 촬영 방식, 스펙트럼 밴드 수, 분광방식에 따라 나눠진다. 따라서 종류별 특징을 이해하고 사용목적과 환경에 맞는 분광 카메라 선택이 중요하다.

<그림3> Push broom과 Snapshot 방식

• 촬영방식

데이터 습득 방법에 따라서 Push broom과 Snapshot 두 가지 방식으로 나눌수 있다. Push broom 방식은 라인스캔 방식과 마찬가지로 카메라 또는 제품이 움직이면서 촬영이 된다. Y축 1라인을 취득할 때 마다 각 라인에 분광 파장의 데이터가 저장되며, 유저가 필요한 만큼 Y축을 이동한 뒤에 생성된 데이터를 병합하여 초분광 큐브를 생성한다. Snapshot 방식은 공간 정보와 분광 정보를 동시에 획득하기 때문에 빠르게 초분광 큐브를 생성할 수 있는 방식이다. 각 타입 별 장단점과 Application은 <표1>에 표 기된 것과 같다.

<표1> Push broom과 Snapshot

• 스펙트럼 밴드 수

<그림4> Hyperspectral-camera와 Multi-spectral camera

스펙트럼 밴드수에 따라 멀티스펙트럴 카메라와 하이퍼스 펙트럴 카메라로 나뉘어진다. 멀티스펙트럴 카메라는 보통 3~10밴드로 분광이 가능하며, 대개 하이퍼스펙트럴 카메라는 100개 이상의 밴드로 분광이 가능하다. 카메라 선택 시에는 각 카메라별 장단점을 살펴보고 사용 환경에 적합한 카메라를 선택하면 된다.

<표2> Hyperspectral camera와 Multispectral camera 특징

• 분광방식

분광방식에 따라 모노크로메이터(Monochromator)방식, Filter방식 그리고 푸리에 변환방식으로 분광하는 카메라들이 있다. 아래에서 각 방식에 대한 자세히 살펴보도록 하겠다.

<그림5> Monochromator, Filter, Fourier Transform 방식

모노크로메이터 방식(Monochromator)은 크게 프리즘 (Prism)과 회절 격자(Grating)방식으로 나눠진다. 프리즘은 굴절방식으로 빛을 분산하며, 회절격자는 회절 방식으로 빛을 분산하는 방식이다.

필터형은 입사하는 빛이 필터를 통과하면서 원하는 파장으로 분산시키는 방식이다. 고정필터와 가변필터로 나눠지며, 고정필터는 파장이 정해져 있고, 가변필터는 사용자가 임의로 필터의 파장을 선택할 수 있다.

푸리에 변환(Fourier transform)은, 조제프 푸리에(Joseph Fourier)가 열전도에 대한 연구에 서열 방정식의 해를 구할 때 처음 사용된 방식으로, 다양한 진 폭을 가진 하나의 사인파를 가지고 푸리에 역변환을 통해 여러개의 사인파로 분리하는 것으로 분광을 하는 방식이다. 아발데이터는 Monochromator 방식의 AHS-003VIR과 Filter 방식의 ABA-013VIRLF를 제공한다. 모두 가시광부터 근적외선까지의 광대역 범위를 지원하는 Push broom 방식의 카메라이다.

<그림6> Hyperspectral camera(좌)와 Multispectral camera(우)

<표3> AHS-003VIR(좌)과 ABA-013VIRLF(우) 스펙

분광 이미징 시스템 구성 요소

초분광 이미징 시스템 구조는 위에서 살펴본 분광카메라 외에도 초분광의 파장 범위를 필요로 하는 광원, 렌즈 구성 및 이미지처리 과정이 필요하다.

<그림7> 분광 이미징 시스템 구성 요소

• 광원

광원은 보통 외부(Outdoor)환경, 즉 지질 상태, 환경감시, 타겟 검출 등으로 활용되는 위성, 항공, UAV(Unmanned AerialVehicle), 지상 등의 응용분야에서는 자연광(태양광)이 사용 되고, 실내(Indoor) 환경에서는 램프, 발광다이오드, 레이저 등 별도의 조명(Illuminator)을 사용한다. 아발데이터의 하이퍼스펙트럴 카메라(AHS-003VIR)는 450~1700nm의 광대역 범위내에서 분광함으로 투과효율이 높고 파장이 넓은 할로겐 조명을 사용한다.

<그림8> 하이퍼스펙트럴용 할로겐 조명

<그림9> AHS-003VIR 센서 감도

• 렌즈

렌즈는 분광카메라와 사용 시 색수차 보정 기능이 있는 APO(Apochromat) 렌즈를 사용하는 것이 좋다. 빛의 파장에 따라 유리의 굴절률이 변화하기 때문에 수차가 발생하기 때문이다. 따라서 색수차 기능이 없는 렌즈를 사용하게 되면 빛의 파장 별 초점이 다르기 때문에 파장에 따라 이미지가 흐려질 수 있다. 그래서 보통 하이퍼스펙트럴 카메라를 사용할 때는 색수차 보정기능이 있는 APO렌즈를 추천한다.

<그림10> 파장 별 색수차 보정 유무에 따른 이미지

• 소프트웨어

자사 하이퍼스펙트럴 카메라(AHS-003VIR)와 멀티스펙트럴 카메라(ABA-013VIRLF)은 광대역 파장 범위를 커버하며, 촬영된 데이터는 각 파장의 BMP 파일 또는 이미지 크기와 파장 정보가 나열된 큐브 데이터의 일종인 ENVI포맷으로 추출된다.

BMP 형태로 추출된 데이터를 활용하려면 스펙트럴 데이터 및 머신러닝 등 검사에 대한 지식 등이 동반되어야 하고, 큰 용량의 데이터를 적절하게 처리하기 위한 솔루션이 동반되어 야 하기 때문에 일반적으로 BMP 데이터를 직접 분석 및 처리 하는 것은 쉽지 않다.

대신, Envi 확장자로 추출된 데이터는 이미지데이터 외 다양한 파장정보를 갖고 있어, Hyperspectral imaging 전용SW(perClass Mira 등) 또는 다양한 이미징 SW (Matlab, 기타 SW)를 통해 다양한 데이터를 분석하고 활용하는 것이 가능하다. 아발데이터의 분광카메라들은 Hyperspectral imaging 전용 SW인 perClass Mira와 API 연동이 되어있어 해당 SW와 쉽게 사용이 가능하며, 그 외의 SW에서도 Envi 파일을 활용하는 것이 가능하다.

<그림11>은 perClass Mira를 이용한 플라스틱분류 예시 이미지이다. 5 종류의 플라스틱 수지를 분류했으며, 우측의 플라스틱 분류를 티칭하기 위한 그래프이며, 파장 정보를 나타낸다.

<그림11> perClass Mira를 활용한 플라스틱 분류 결과 이미지(좌), 플라스틱 파장 정보(우)

<그림12> 분광 이미지 획득 및 분석 과정

<그림12>는 하이퍼스펙트럴 카메라를 사용하여 이미지 획득 및 분류하는 과정을 3단계로 나누어 보여준다. 제품이 Y축으로 이동하면서 이미지 및 분광 데이터를 획득하고, 획득한 데이터의 특정 데이터를 추출하여 티칭하고, 분류 결과를 취득한다.

자료제공: 아발글로벌(www.aval-global.com)

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