Lytro Camera의 가능성

촛점을 맞출 필요가 없는 카메라가 나왔다는 기사가 뉴욕타임스에 실렸습니다. (A Start-Up’s Camera Lets You Take Shots First and Focus Later: http://www.nytimes.com/2011/06/22/technology/22camera.html)

기사의 내용을 요약하면, Lytro사의 창업자인 Ren Ng는 2006년 스탠포드대학 박사학위 논문(D I G I T A L  L I G H T  F I E L D  P H O T O  G  R  A  P H Y: https://www.lytro.com/renng-thesis.pdf)으로 이 카메라의 개념을 설명했는데, 미국의 컴퓨터 학회인 ACM(Association for Computing Machinery)의 최고 박사학위 논문상을 받았으며, 이후 유명 벤처 투자자인 Ben Horowitz를 비롯한 투자자들로 부터 5천만 달러의 자금 지원을 받아 회사(https://www.lytro.com)를 설립하고 제품을 내놓았다는 내용입니다.

원리는 microlens array 라는 장치를 이용해서 다양한 각도의 빛 데이터를 수집하여 저장하고 후처리하는 것이랍니다. 카메라의 크기는 기존 카메라와 다르지 않다고 합니다. 실제로 홈페이지를 보면 컴펙트 카메라 보다도 작습니다. (41 mm x 41 mm x 112 mm) 이 카메라는 촛점을 맞추는 과정이 없으므로 기존 카메라에 비해 더 빨리 촬영할 수 있고, 여러 방향의 빛 데이터를 수집하므로 3D 사진도 얻을 수 있다고합니다.

신문 기사만으로는 좀 이해하기가 어렵습니다. 물론 기사를 실은 신문사가 신뢰할 만한 곳이고 신문 기사가 실린 웹사이트에 들어가면 클릭한 곳에 촛점이 맞추어지는 사진이 있습니다만, 촛점이 다른 사진을 여러장 찍어서 합성한다는 이야기인지 아니면 다른 방법이 있다는 이야기 인지 알기 어렵습니다.

이 회사의 홈페이지에 설명된 카메라의 구조는 아래와 같습니다.

앞 부분은 렌즈이고 중앙에 Light Field Sensor라는 것이 있으면 뒤에는 이미지를 처리하는 부분과 확인용 LCD입니다. 구조상 별다른 특징은 없지만 Light Field Sensor라는 것은 일반 Image Sensor와는 좀 다른 것으로 보입니다.

그래서 개념을 설명했다는 논문을 찾아보았습니다. Light Field Sensor의 구조는 아래와 같습니다.

도면으로 보면 일반적인 Image Sensor위에 0.5mm 간격을 두고 Microlens array라는 것이 올라가 있습니다. 이 Microlens array가 하는 일은 아래의 그림에서 설명하고 있습니다.

위 그림의 (B2)에서 보듯이 여러 방향에서 들어온 빛은 microlens(lens array 중 하나의 lens)를 통과해서 여러개의 photosensor cell에 도달합니다. 즉, microlens와 photocensor cell은 n:1 의 관계에 있습니다. 이는 하나의 lens를 중심으로 상대적인 photosensor cell의 위치에 따라서 빛이 들어오는 각도(벡터)를 알 수 있음을 뜻합니다. 빛이 들어오는 각도를 알 수 있으면 다양한 촛점에서의 이미지를 역으로 계산할 수 있습니다.

결론적으로 하나의 pixel에 대응하는 photosensor cell을 다수 사용함으로써 전체적인 사진의 해상도는 낮아지지만, 빛의 벡터값을 보존하게되어 다양한 촛점의 사진을 재구성할 수 있게되는 것입니다.

이 방법은 기존 디지털 카메라의 photocensor를 그대로 사용할 수 있고, 구조적으로 microlens가 들어갈 여유공간만 확보하면 되므로 카메라 구조의 큰 변화없이 촛점 재구성이 가능한 카메라를 얻을 수 있습니다.

촛점 문제를 해결한 카메라는 두가지 영역에서 큰 영향을 미치리라 생각합니다.

첫번째는 감시카메라(CCTV)입니다. 보안(방범)용 감시카메라의 경우 사람이 보면서 조정하는 경우가 아니면 촛점이 조절되지않아 화면상의 인물을 식별하는 것이 제한적인데, 이 기술을 사용하면 추후 촛점을 재구성할 수 있어 매우 유리합니다.

두번째는 스마트폰과 컴팩트 카메라에 대한 적용입니다. 고가인 SLR 카메라는 전문가용으로 높은 해상도가 필요하고, 촛점을 맞추는 것 자체가 하나의 표현이지만, 일반적으로 사용하는 컴팩트 카메라나 스마트폰의 경우는 대부분 자동 촛점 기능을 사용합니다. 움직이는 물체를 촬영하는데 어려움이 있는 이들 자동 촛점 카메라에 적용하는 경우 효과가 매우 클것으로 보입니다.

약점이라면 사진의 해상도가 기존 카메라에 비해서 많이 떨어진다는 점인데, 이는 photosensor 기술이 발전함에 따라 빠른 속도로 극복할 수 있을 것으로 봅니다. 실제 논문에서도 적은 바와 같이 현재의 기술로도 2억 5천만 화소의 photosensor를 만들 수 있습니다.

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