단일 촬영으로 구현하는 다스펙트럼 영상, 단색 카메라만으로 가능!

본 논문은 다스펙트럼 영상 획득을 위해 복잡한 다중 필터 어레이나 고해상도 컬러 센서를 사용하지 않고, 단일 흑백 카메라와 강하게 산란하는 매질만을 이용하는 새로운 단일 촬영(single‑shot) 방식을 제안한다. 연구 배경으로는 기존 다스펙트럼 기술이 광학 부품의 정밀 정렬, 제조 시 사전 정의된 스펙트럼·공간 파라미터, 그리고 다중 촬영에 따른 시간·데이터 비용 등 여러 제약을 가지고 있음을 지적한다. 핵심 아이디어는 ‘스펙클 PSF(point spread function)’의 두 특성을 동시에 활용하는 것이다. 첫째, 동일 파장에 대해 산란 매질을 통과한 점광원의 스펙클 패턴은 공간적으로 높은 상관성을 보이며, 이는 메모리 효과(memory effect)라 불린다. 따라서 물체의 복잡한 구조를 포함한 이미지가 스펙클 패턴으로 변환될 때, 역컨볼루션을 통해 원본을 복원할 수 있다. 둘째, 파장이 달라지면 스펙클 패턴이 급격히 변하는 스펙트럼 디코릴레이션(spectral decorrelation) 현상이 발생한다. 이 현상은 서로 다른 파장의 스펙클이 서로 독립적인 ‘스펙트럼 필터’ 역할을 하게 만든다. 수학적으로는 관측 이미지 I(x) = O(x) * PSF(λ) 로 표현하고, 푸리에 변환을 이용해 Ô(k) = Î(k) / PSF̂(k,λ) 로 역컨볼루션한다. 여기서 *는 컨볼루션, λ는 파장을 의미한다. 저자들은 실제 실험에서 3가지 파장(R, G, B) 각각에 대해 사전 측정된 PSF를 사용했으며, FFT 기반 연산을 병렬화해 실시간에 근접한 처리 속도를 달성했다. 실험 구성은 다음과 같다. 강산란 매질은 TiO₂ 입자가 분산된 용액을 사용했으며, 물체는 1.5 × 0.4 mm 크기의 3‑문자(NTU) 패턴을 3가지 색(RGB)으로 투사한 프로젝터를 이용해 만든다. 흑백 카메라는 물체 뒤에 배치되어 스펙클 이미지를 기록한다. 각 파장에 대해 별도의 PSF를 측정한 뒤, 역컨볼루션을 적용해 스펙트럼 PSF와 물체의 스펙트럼 강도를 복원한다. 결과적으로, 각 파장별 복원된 이미지가 높은 선명도와 정확한 색 재현을 보였으며, 9개의 개별 스펙트럼 PSF를 이용해 9채널 이미지를 동시에 복원하는 시연도 수행했다. 또한, 스펙트럼 PSF 간 교차상관을 정량화하기 위해 크로스‑코릴레이션 계수를 계산했다. 녹색과 파란색 PSF 사이의 계수는 0.1941, 녹색과 흰색 PSF 사이의 계수는 0.8660 등으로, 파장 간 겹침 정도가 명확히 드러났다. 이러한 ‘크로스‑톡’ 현상은 실제 색 재현에서 색채 혼합을 야기할 수 있음을 시사한다. 논문은 또한 시스템의 트레이드‑오프를 논의한다. 산란 매질의 두께와 입자 크기가 클수록 메모리 효과의 각도 범위가 좁아져 시야각이 제한되지만, 스펙트럼 디코릴레이션은 더 빠르게 일어나 고해상도 스펙트럼 분리를 가능하게 한다. 반대로 얇은 매질은 넓은 시야각을 제공하지만 파장 구분이 어려워 스펙트럼 해상도가 떨어진다. 따라서 응용 목적에 따라 매질 파라미터를 최적화해야 한다. 제한점으로는(1) 역컨볼루션이 잡음에 민감해 정규화 기법이 필요하고, (2) 메모리 효과가 제한된 각도 범위 내에서만 유효하므로 넓은 시야를 요구하는 경우 매질 설계가 추가로 필요함을 언급한다. 또한, 현재 구현은 3채널(RGB) 정도에 국한되며, 더 많은 파장을 다루려면 PSF 측정 및 연산 부하가 급증한다. 결론적으로, 이 연구는 강산란 매질과 단일 흑백 카메라만으로도 다스펙트럼 영상을 실시간에 가깝게 복원할 수 있음을 입증했으며, 비용·복잡도 측면에서 기존 다스펙트럼 시스템을 크게 능가한다. 향후에는 매질 최적화, 정규화 및 딥러닝 기반 역컨볼루션, 그리고 휴대형 디바이스 적용을 통해 실용성을 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대한다.