2월 과학기술인상, 광주과기원 송영민 교수 선정

- 360도 전방위 촬영 가능한 수륙양용 초소형 광각카메라 개발

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 2월 수상자로 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수를 선정했다고 지난달 2일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.
  과기정통부와 연구재단은 송영민 교수가 농게(fiddler crab)의 겹눈 구조를 모사한 360도 전방위 수륙양용 카메라를 개발하여 시스템 반도체의 핵심 기술인 이미징 센서와 자율자동차, 가상현실기기 등에 요구되는 영상기술 발전에 기여한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.
  스마트폰, 자율주행자동차, 내시경카메라 등 다양한 분야에서 초소형 광각 카메라의 수요가 증가하고 있다. 하지만, 기존 광각 카메라는 넓은 화각을 갖기 위해 7~13매의 어안렌즈를 겹쳐 이용하기 때문에 부피가 크고 영상 왜곡이 발생하는 단점이 있었다. 최근 360도 화각1)을 갖는 카메라가 개발됐지만, 통상 두 개 이상의 카메라에서 얻어진 영상을 합치는 방식이라는 한계가 있다.
  송영민 교수 연구팀은 갯벌 서식환경에 최적화된 상태로 진화한 농게의 눈이 아주 작은 홑눈들이 모인 겹눈으로 전면에 돌출되어 있어 전후좌우 360도를 동시에 볼 수 있고 물속과 물 밖에서 모두 선명한 시야를 확보할 수 있음에 주목하였다. 그리고 이를 모사하여 360도 파노라마영상 확보 및 수륙양용으로 사용 가능한 카메라를 개발하였다.
  또한, 농게 홑눈의 분포 및 렌즈의 형상을 분석한 결과 렌즈의 표면은 편평하지만 내부는 곡률과 굴절률이 서서히 바뀌는 구배형으로 진화해 물속과 물 밖에서 항상 초점이 맞는다는 사실을 밝히고, 이를 본뜬 구배형 렌즈(graded index lens)를 제작하였다. 더불어 편평 구배형 렌즈를 이미지 센서와 결합하고, 렌즈와 포토다이오드2)로 구성된 광학시스템을 2㎝ 크기의 공모양 구조물에 집적하여 왜곡 없는 영상획득이 가능한 카메라 개발에 성공하였다. 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 2022년 7월 게재됐다.
  송영민 교수는 “이번 연구는 하나의 소형 카메라로 360도 수준의 넓은 화각을 구현한 최초의 사례이자 농게의 눈 구조에 착안하여 수륙양용 촬영이 가능한 카메라 개발한 점에서 생체모방 기술을 한 차원 진보시킨 연구로 평가된다”며 “앞으로 자율주행, 가상현실과 메타버스, 보안/정찰 분야 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<생체모사형 360도 전방위 수륙양용 카메라 개발>

<그림 1> 물속과 물 밖 모두 선명하게 볼 수 있는 농게 겹눈구조 모사
자율주행, 정찰/보안, 내시경 등 매우 다양한 영역에 활용되고 있는 광각 카메라는 어안렌즈(fish-eye lens)라 불리는 렌즈광학계를 이용한다. 어안렌즈는 넓은 화각을 갖기 위해 7~13매의 렌즈로 구성하여 부피가 크고 이 과정에서 영상의 왜곡이 발생한다. 또한, 기존 광학계로는 180도가 넘는 화각을 갖기 어렵다. 최근 개발된 360도 화각을 갖는 카메라는 통상 두 개 이상의 카메라에서 얻어진 영상을 합치는 방식이다. 광각 카메라는 폭발적 수요에도 불구하고 크기/성능 면에서 현재 답보상태이다.
한편, 자연계에는 매우 넓은 평지에 서식하는 일부 개체에서 180도 이상의 화각을 갖는 시각 시스템이 존재한다. 특히 갯벌에 서식하는 농게(fiddler crab)의 돌출된 눈(stalk eye)은 겹눈(compound eye)형태로 전면에 분포하여 360도의 화각을 갖도록 구성되어 있다. 또한 조간대(intertidal area)에서 생활하는 농게는 물속과 물 밖에서 모두 선명한 영상을 얻어야 하기 때문에, 눈의 표면은 편평하고 내부에서는 곡률과 굴절률(refractive index)이 서서히 바뀌는 구배형 렌즈(graded index lens)형태를 하고 있다.

<그림 2> 초소형 360도 초광각 수륙양용 카메라 기술 개발
본 연구에서는 농게의 특수한 겹눈구조를 모사하여 단일 카메라로는 최초로 360도의 파노라마 영상을 구현하였다.(기존 연구는 2개 이상 카메라 영상의 조합으로 360도 화각 구현) 본 연구진은 실제 농게의 눈 구조를 투과전자현미경 및 주자전자현미경으로 관찰하여 각 홑눈의 분포 및 렌즈의 형상을 구체적으로 분석하였으며, 이를 통해 농게의 눈 구조를 모사한 편평 구배형 렌즈를 제작하였다. 더불어 제작된 편평 구배형 렌즈 및 이를 집적한 시스템으로 수륙양용으로 영상획득이 가능한 카메라를 최초로 개발하였다.

수상자 송영민 교수 인터뷰

옛말에 몸이 천 냥이면 눈이 구백 냥이라고 했습니다. 사람은 오감 중 눈을 통해 확보할 수 있는 정보가 가장 많기 때문입니다. 최근 빠르게 발전하는 자율주행자동차와 의료기기 분야에서 요구하는 핵심기술 중 하나는 초소형 광각카메라입니다. 인공지능 역시 사람의 눈처럼 빠르고 정확하게 정보를 확보할 수 있는 영상기술이 필요하기 때문인데요. 2월의 이달상 주인공인 광주과학기술원 송영민 교수는 나방과 물고기, 농게 등 자연환경에 적응하며 독특한 형태로 진화한 광학구조물들을 모방하며 기존에 없던 신개념 카메라를 개발하며 영상기술의 진보의 이끈 젊은 과학자입니다. ‘빛과 자연 그리고 모방’을 화두로 자연에서 관찰되는 빛과 물질의 독특한 상호작용을 모방하며 우리 삶을 보다 가치 있게 만드는 일에 일조하는 송영민 교수의 연구 이야기를 소개합니다.

수상소감과 함께 근황은

- 먼저 전 분야를 통틀어 일 년에 열두 명에게만 수여되는 큰 상을 받게 되어 매우 기쁘게 생각합니다. 얼마 전 미국 소비자전자제품박람회(CES)에 다녀오는 것으로 한 해를 시작했습니다. 그동안 전공분야의 학회는 많이 다녔지만 박람회 경험은 거의 없었는데, 이번 CES 방문은 연구 분야와는 또 다른 형태의 치열한 경쟁현장을 직접 목도할 수 있어 매우 흥분되는 시간이었습니다. 당연하지만 앞으로 전자제품의 활용처가 더욱 다양해질 것이란 생각을 하였습니다. 특히 제가 연구하고 있는 카메라/영상 기기 분야도 자율주행/의료 등으로 크게 확대되리라 확신하게 되었습니다.

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