비전시스템의 다양한 활용 사례 / 2) 항공·우주
머신비전, 더 넓은 우주를 탐험하다
산업현장에서 머신비전은 없어서는 안 될 요소가 되었다. ‘인간의 눈을 대신할 기술’이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로는 할 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)
지난 12월호에서는 머신비전이 농업과 축산업에 쓰인 사례에 대해 알아보았다. 농업과 축산업이라는 분야에서 알 수 있듯, 머신비전은 이제 공장자동화라는 단일 분야에서 벗어나, 인간에게 없어서는 안 되는 것들을 검사하고 만드는 데에도 쓰이고 있다.
생활 곳곳에 빠르게 머신비전이 들어서고 있는 지금, 머신비전 없는 삶은 상상할 수 없을 정도이다. 독일 슈투트가르트 무역 박람회 센터 기획자인 토마스 월터는 “의료 기술·교통량 및 정체 모니터링과 관리·농업·보안 기술 등은 이제 머신비전 없이는 관리할 수 없을 정도”라고 평했다.
머신비전은 인간이 갈 수 없는 곳에 갈 수 있고, 볼 수 없는 것을 볼 수 있다. 이러한 특징 덕에 머신비전은 새로운 세계를 탐험하는 일등공신이 되고 있다. 가장 각광받는 곳은 역시 항공 및 우주 분야이다.
아무도 모르는 세계를 탐험하고, 그 결과를 통해 인간에게 새로운 지식을 안겨주는 것은 오로지 머신비전만이 할 수 있는 일이다. 머신비전은 새 시대를 여는 일등공신이 되고 있다.
대표적 활용 사례 모음
8400만 개의 별을 캡처하는 망원경
유럽 남천 천문대(ESO)의 독일 Paranal 전망대 시설은 하늘에 수놓여진 8400만 개의 별을 수집하는 데 성공했다. 이 지역에 설치된 UK-built의 VISTA 적외선 조사용 망원경이 별의 이미지를 캡처한 것.
천문학자들은 센터 주변을 둘러싼 아주 오래된 별들에 집중하고 있다. 은하수를 포함한 대부분의 나선 은하가 이 오래된 별들로 이루어져있다. 은하수의 형성 및 진화과정을 파악하는 것은 전체 은하계를 이해하는 데에 매우 중요하다. VISTA 망원경이 이 수수께끼를 풀 열쇠를 손에 쥔 것이다.
이 팽창에 관한 새로운 이미지에는 은하의 구조 및 내용에 대한 정보가 담겨있다. 천문학자들에게는 보물을 발견한 것과 같은 의의가 있다. 그 대표적 예로 ‘붉은 드워프 별’이라 부르는 별들의 대략적 숫자를 알 수 있게 되었다.
런던대학교 Queen Mary컬리지 물리학 및 천문학 교수 짐 에머슨은 “영국 천문학자와 물리학자들이 구상하고 설계한 VISTA 망원경은 이 거대한 이미지를 칠레 아카타마 사막에 있는 유럽 남부 천문대 홈페이지로 전송한다”고 밝혔다.
천문학 팀은 여섯 대의 공공측량 기기 중 하나를 이용해 VISTA와 함께 임무를 수행한다. 그 결과 108200×81500픽셀 컬러 이미지를 만들 수 있었다. 이는 지금까지 만들어진 것들 중 가장 큰 천문 이미지이다.
VISTA의 미가공 데이터를 천문학적으로 유용하게 보정하는 작업은 캠브리지대학 천문학의 캠브리지 천문 조사 유닛이 해결했다.
SPOT 6 위성, 첫 지구사진 촬영
보드에 CCD 이미지센서를 탑재한 SPOT 6 지구관측위성이 성공적으로 첫 이미지를 전송해왔다. 2012년 9월 9일에 작동한 SPOT 6는 지구 관측용 위성으로, 이 위성에는 Astrium이 개발한 고해상도 광학기술이 탑재됐다.
SPOT 6의 성공에 힘입어 이와 같은 기술을 탑재한 SPOT 7 역시 2014년에 출시될 예정이다. SPOT 6은 60km 주사폭(인공위성 센서에서 획득되는 대상물체의 폭, 편집자 주)을 가지며 1.5미터에 달하는 해상도 이미지를 획득하도록 만들어졌다.
영국의 이미지센서 개발업체인 e2v는 고해상도 이미지를 획득할 수 있도록 위성의 나오미 카메라에 CCD 이미지센서를 공급했다.
SPOT 6과 SPOT 7 위성은 이미 지구 궤도를 돌고 있는 Pleiades 1A 위성과 같은 임무를 수행한다. Pleiades 1A 위성 역시 e2v의 이미지센서를 탑재했다.
위성이 획득하는 이미지는 국가 및 방위 매핑·농업·삼림의 벌채·환경 모니터링·해양 및 해안 감시·토목공학·석유와 가스 그리고 광산 산업에 쓰일 수 있도록 Astrium 서비스가 분배할 것이다.
큐리오시티, 화성 컬러 이미지 캡처
NASA 화성 과학 연구소(MSL)의 큐리오시티 로버가 작년 8월 화성에 착륙한 이후, Main Space Science Systems가 개발한 4대의 카메라가 고해상도 컬러이미지를 캡처할 준비를 마쳤다.
그 카메라들 중 하나인 화상 하강 영상획득장치(Mars Desent Imgaer, MARDI)는 큐리오시티 로버가 하강하는 동안 행성 표면을 수백 장의 컬러 이미지로 촬영했다. 큐리오시티 로버가 착륙한 뒤에는 두 번째 카메라인 화성 핸드 렌즈 영상획득장치(Mars Hand Lens Imager, MAHLI)가 큐리오시티 로버의 팔에 부착되어 화성 표면의 바위 이미지를 확대 촬영했다.
카메라 두 대가 큐리오시티 로버의 마스트에서 로버가 탐사하는 지형을 컬러 이미지로 촬영한 것인데, ‘Mastcam’이라고 부르는 두 대의 카메라는 큐리오시티 로버에서 가까운 대상과 먼 대상을 모두 촬영할 수 있도록 34mm 및 100mm 초점길이 렌즈를 사용했다.
캡처 이미지는 큐리오시티 로버가 착륙한 화성 사진이다. 이는 아주 큰 사진의 일부로, 고해상도 컬러 모자이크 방식의 이미지다. 34mm Mastcam이 1시간 이상 촬영하여 얻은 이 이미지에는 게일 분화구벽의 일부가 들어있다.
Malin Space Science Systems(MSS)에서 만든 네 대의 카메라는 Truesense Imaging의 KAI-2020 1600×1200 픽셀 인터라인 전송 CCD센서를 사용했다. 현재 Truesense Imaging의 이미지센서는 총 세 대의 궤도 선회 우주선에 쓰이는데, 화성과 금성 그리고 달 주변을 도는 우주선이 그것이다. 또한, KAI-2020 이미지센서는 Juno 소행성 임무의 일환으로 목성으로 가는 길은 물론, 오는 2016년경에는 목성 궤도의 컬러 이미지를 제공할 예정이다.
‘다크 에너지’ 카메라가 찍은 최초의 빛
세계의 과학자들이 570메가픽셀 ‘다크 에너지’ 카메라를 이용해 암흑에너지를 공동 측량했다. 이는 과학자와 엔지니어 그리고 기술자들이 지난 8년간 계획하고 설계 및 구축한 결과이다. 이 측량 결과물은 남천탐사(southern sky survey) 중에서도 처음으로 획득한 이미지여서 더욱 값지다.
‘다크 에너지’ 카메라는 미국에너지국(DOE)의 페르미연구소가 구상했다. 이 카메라는 Victor. M. Blanco 망원경에 장착되어있으며, 망원경은 칠레 국립과학재단의 세로 토로로 범미주 천문대(CTI)와 미국 국립광학천문대의 남부 분교에 있다.
‘다크 에너지’카메라가 실시할 암흑에너지 조사는 카메라를 완벽하게 점검 및 실험한 뒤 본격적으로 시작될 것으로 보인다. 뛰어난 해상도와 넓은 화각으로 천문학적 측량을 하기 위해 칠레의 안데스 산맥에서 촬영할 예정이다. 이곳은 대기가 맑고 깨끗해 좋은 영상을 촬영할 수 있다.
이 카메라는 5년 이상 하늘을 조사하면서 전체 하늘의 8분의 1 크기인 5000평방도에 분포한 300만 개의 은하와 10만 개의 은하 클러스터 그리고 4천 개의 초신성을 촬영한 세부적 컬러 이미지를 만든다.
암흑에너지 조사에 대한 더욱 자세한 내용은 참여기관의 프로젝트 웹 사이트(www.darkenergysurvey.org)에서 볼 수 있다.
소행성 위협을 탐지하는 적외선 영상 센서
비영리 재단인 B612재단은 최근 Ball Arospace and Technologies와 계약을 채결하였다. 이 계약 내용에 따르면 Ball의 엔지니어들은 B162의 센티넬 우주선에 쓰일 적외선 이미지 센서의 프로토타입을 만들게 된다. 이 이미지 센서는 지구에 위험을 야기할 소행성을 찾는 것이 목적이다.
센서를 만들고 테스트하는 것은 B162 엔지니어들의 계획에서도 중요한 조치 중 하나이다. 센서 제조는 Ball과 계약을 하기 전부터 센티넬 우주선 전체 디자인 및 제조 전 공정에서 핵심 요소로 떠올랐다. 우주선의 목표는 90% 이상 소행성의 목록을 만들어 태양 내부 시스템의 종합적인 역학 지도를 만드는 것. 소행성은 지구 전역에 140m 이상 포진해있는데, 지도를 통해 재단은 향후 100년 동안이 소행성의 경로를 세분화해 소행성이 지구와 충동할 경로에 들어서면 이를 감지하고 각국에 알린다.
현재까지 잠재적으로 지구와 충돌할 수 있는 행성은 백만 개에 달하지만 현재는 이 중 고작 1%만을 추적하고 있다. 그러나 작동 후 몇 주가 지나는 것만으로도 센티넬은 현재까지 밝혀진 행성의 총량을 넘어 감지하게 될 것이다. 또한 운영 후 5년 동안 수집하는 양은 지금까지 다른 모든 망원경에 의해 발견된 것보다 50배 이상 많은 소행성을 발견할 것으로 예상된다.
센티넬이 개발 및 테스트를 거쳐 완성되기까지는 약 5년 이상 걸린다. 재단은 오는 2017년 내지 2018년 사이에 우주선을 출시한다.
카이퍼 벨트까지 감지하는 이미지센서
이미징 센서 제조회사 e2V는 대만의 Sinica 연구소와 계약을 체결했다. 이 계약의 일환으로 대만에 40개의 대지측량 CMOS 이미지센서와 세 개의 지상기반 망원경을 제공했다. 이 기술은 Transneptunian(해왕성 궤도를 따라 도는 유성. 편집자 주) 자동 엄폐 측정기(TAOS Ⅱ)에 탑재된다. TAOS Ⅱ는 크기 분포를 측정한다. 카이퍼 벨트 속 태양계 끝부분에 있는 지름 1㎞의 작은 물체부터, 태양계의 가장자리에 있는 명왕성 너머의 어마어마한 얼음 잔해 고리까지 다양한 물체를 감지하는 것. 현재까지 이들 멀리 떨어진 태양계 물질들에 대한 지식은 드물다. 이 물질들은 직접 관찰할 수 없을 만큼 작고 희미하기 때문이다.
TAOS Ⅱ는 멕시코 바하칼리포르니아주에 있는 San Pedro Ma、rtir(SPM)의 국가 천문학 전망대(OAN)에서 세 대의 중간 크기 망원경으로 운영된다. 각 망원경은 동시에 1만 개 이상의 별에서 이미지 데이터를 수집할 수 있는 커스텀 카메라와 함께 배치된다. 결과값은 연간 3백 테라바이트를 넘는 RAW 이미지데이터로 저장된다. 31×74mm 센서는 20fps 속도로 순식간에 카이퍼 벨트 객체 너머를 촬영하며, 멀리 떨어진 별 바로 앞까지 도달하면 빛을 측정하며 작동한다. 세 개의 망원경은 각 8.8메가픽셀 e2v CMOS디바이스가 장착됐다. 사용자 정의 설계와 제조 그리고 낮은 읽기 소음과 높은 스펙트럼 응답을 제공한다.
Time-of-flight 카메라, 우주용으로 개발
유럽우주기구(ESA)와 Thales Alenia Space, Sintef 그리고 Terma는 우주선과 스페이스로버용 카메라에 대한 대안을 연구했다. 지난 수십 년 동안 다양한 2D카메라가 우주로 출발했다. 하지만 새로운 연구는 가장 유망한 기술인 3D테크놀로지를 우주 임무에 투입할 예정이다. 프랑스-이탈리아의 Thales Alenia Space는 3D카메라에 대한 새로운 요구사항을 매핑했다. 이런 요구사항을 바탕으로, Sintef는 그들의 장단점을 보완하여 time-of-flight 기술을 대폭 개선했다.
“조만간 프로토타입 3D카메라가 개발되면 그 다음 단계로 그들을 실험하고 평가할 것이다.” Sintef의 Henrik Schumann-Olsen이 말했다. 덴마크 회사인 Terma는 유럽 우주기구 및 위의 세 회사와 함께 실험과 평가 과정을 실시할 예정이다.
