초고속 단일픽셀 3D 영상 기술

초록

본 논문은 고속 구조화 조명을 이용한 적외선 단일픽셀 검출기로 3차원 영상을 실시간으로 획득하는 ‘시간인코딩 단일픽셀 3D(TESP‑3D)’ 방식을 제안한다. 기존 CCD/CMOS 기반 시스템의 프레임 레이트 한계를 극복해 50만 fps, 25 m/s까지 움직이는 물체의 3D 정보를 기록했으며, 산업 현장의 온라인 검사와 고속 3D 스크리닝에 적용 가능성을 제시한다.

상세 분석

TESP‑3D는 두 가지 핵심 기술을 결합한다. 첫째는 단일픽셀 이미징(single‑pixel imaging) 개념으로, 고속 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)나 공간광변조기를 이용해 시간에 따라 변하는 구조화 조명을 대상에 투사하고, 반사·산란된 빛을 하나의 고감도 포토다이오드(또는 APD)로 수집한다. 이때 각 패턴에 대한 측정값은 대상의 공간‑시간 정보를 압축된 형태로 인코딩한다. 둘째는 ‘시간 인코딩(time‑encoding)’ 기법으로, 조명 패턴을 초당 수백 킬로헤르츠에서 메가헤르츠 대역으로 빠르게 전환하면서 각 패턴에 미세한 시간 지연을 부여한다. 이렇게 하면 동일한 패턴이라도 서로 다른 시간 스탬프를 갖게 되어, 수집된 전류 신호의 연속적인 변화를 고속 ADC가 샘플링함으로써 3차원 깊이 정보를 복원할 수 있다.

구조화 조명의 패턴 설계는 일반적인 Hadamard 혹은 랜덤 이진 마스크를 기반으로 하며, 압축 센싱(compressive sensing) 이론을 적용해 최소한의 패턴 수로도 높은 재구성 품질을 달성한다. 시간 인코딩은 레이저 펄스와 DMD 동기화를 통해 구현되며, 레이저의 펄스 폭(수십 피코초)과 DMD 전환 시간(수백 나노초)을 고려해 전체 시스템의 대역폭을 10 GHz 이상으로 설계한다.

신호 복원 단계에서는 측정된 전류 시퀀스를 사전 정의된 조명 매트릭스와 역변환하여 2‑D 라디안 이미지와 깊이 맵을 동시에 얻는다. 여기서 깊이 정보는 빛이 대상에 도달하고 반사되어 검출기에 도착하는 시간 차이(time‑of‑flight, TOF)를 정밀하게 측정함으로써 추정한다. 고속 ADC와 FPGA 기반 실시간 처리 파이프라인을 활용해 500 kfps의 프레임을 실시간으로 재구성할 수 있다.

핵심 장점은 단일픽셀 검출기가 CCD/CMOS에 비해 전자적 대역폭과 감도에서 우수하며, 고속 전자 회로와 결합해 초고속 촬영이 가능하다는 점이다. 또한, 적외선 파장대(≈1550 nm)를 사용함으로써 눈에 보이지 않는 조명을 구현해 안전성을 확보하고, 대기 중 흡수와 산란에 강한 특성을 갖는다. 한계점으로는 조명 패턴 전송 효율과 대상 표면의 반사율에 따라 신호‑대‑잡음비(SNR)가 크게 변동할 수 있다는 점, 그리고 복원 알고리즘이 고성능 연산 자원을 요구한다는 점을 들 수 있다. 향후에는 딥러닝 기반 역변환을 도입해 복원 속도와 품질을 동시에 향상시키고, 다중 파장·다중 뷰를 결합한 3‑D 영상 시스템으로 확장하는 연구가 기대된다.