고속 다중해상도 형광 영상의 새로운 패러다임

초록

본 논문은 CCD 한 프레임 내에서 이미지의 일부 영역을 순간적으로 마스킹하고, 각 영역의 노출 시점을 서로 다르게 함으로써 시간 정보를 한 장의 이미지에 내재시키는 픽셀 멀티플렉싱 기법을 제안한다. 이를 통해 고해상도 정적 이미지와 동시에 고속 저해상도 영상 시퀀스를 추가 대역폭 없이 획득할 수 있다. 심장 세포의 칼슘 트랜지언트를 250 Hz로 촬영한 실험 결과, 10 Hz 메가픽셀 카메라만으로도 높은 시간 해상도를 구현함을 입증한다.

상세 요약

픽셀 멀티플렉싱(Pixel Multiplexing, PM)은 기존 CCD/CMOS 센서의 노출 제어 방식을 확장한 혁신적인 이미지 획득 방법이다. 전통적인 카메라는 전체 프레임을 동일한 노출 시간 동안 적분하지만, PM은 마스크 디지털 마이크로미러(DMD) 혹은 전자식 셔터 배열을 이용해 프레임 내 서로 다른 서브레지온을 순차적으로 개방한다. 예를 들어, 1000 × 1000 픽셀 센서를 10 × 10 서브레지온으로 나누고, 각 서브레지온을 1 ms 간격으로 순차 개방하면 전체 프레임은 10 ms 동안 적분되지만, 각 서브레지온은 1 ms만 빛을 받아 고속 시퀀스(1 kHz) 정보를 저장한다. 이렇게 얻어진 데이터는 두 단계로 복원된다. 첫 번째는 모든 서브레지온을 합쳐 고해상도 정적 이미지를 재구성하고, 두 번째는 동일 서브레지온 별로 시간 순서를 복원해 저해상도 고속 영상을 만든다.

핵심 기술적 도전은 마스크 동기화와 노출 비균등성 보정이다. 마스크 전환 지연, 픽셀 간 교차 노출, 그리고 센서의 비선형 응답을 보정하기 위해 캘리브레이션 루틴이 필요하다. 또한, 서브레지온 크기와 노출 간격을 선택할 때 공간 해상도와 시간 해상도 사이의 트레이드오프를 명확히 정의한다. 저해상도 고속 영상은 서브레지온당 평균 1–4개의 픽셀을 사용해 신호 대 잡음비(SNR)를 유지하면서도 프레임 레이트를 크게 향상시킨다.

실험에서는 DMD 기반 광학 마스크를 사용해 10 Hz 메가픽셀(1024 × 1024) 카메라에 250 Hz 칼슘 플루오레선스 신호를 기록했다. 서브레지온을 4 × 4 블록으로 나누어 각 블록을 4 ms 간격으로 순차 개방함으로써, 전체 프레임은 40 ms(25 Hz) 동안 적분되지만, 각 블록은 4 ms 노출을 받아 250 Hz 시간 해상도를 제공한다. 결과 영상은 전통적인 고속 카메라와 비교해 동일한 시간 해상도를 유지하면서도 원본 고해상도 구조를 보존한다.

PM은 기존 카메라 하드웨어를 그대로 활용하면서 소프트웨어 레벨에서 마스크 제어와 데이터 복원을 수행하므로, 비용 효율성이 높고 다양한 생물학·의학·공정 모니터링 분야에 적용 가능하다. 특히, 광학 현미경, 전자 현미경, 그리고 라이다 시스템 등에서 고속 현상 관찰이 요구되는 경우, 대역폭 제한 없이 동시에 고해상도와 고속 정보를 얻을 수 있다.