카메라로 모퉁이 너머를 보다

자율주행차의 안전 운행을 위해서는 시야를 벗어나는 물체 등 장애물을 피하는 능력이 필요합니다. 이를 위해, 전기 엔지니어 데이비드 린델은 인간의 시력보다 더 좋은 기술이 필요함을 설명합니다. 모퉁이에 숨겨진 물체를 탐지하는 고속 카메라의 유용하고 다양한 잠재력을 증명해주는 획기적인 기술 데모를 탐구해 봅시다.

미래에는

자율 주행차가 더 안전해지고
믿음직해질 것입니다.

이를 위해서는

자동차가 인간보다
빠르게 반응할 수 있는

기술이 필요합니다.

인간보다 운전을 잘하는
알고리즘이 필요하며

인간보다 더욱 잘 볼 수 있는
카메라가 필요합니다.

자율주행차가 무작정
코너를 돈다고 가정했을 때,

다른 차가 다가오거나

어린 아이가 도로로
뛰어드는 일이 있기도 하죠.

다행히도, 미래의 차는
뛰어난 성능을 갖고 있는데

모퉁이를 볼 수 있는 카메라로
잠재적 위험을 발견합니다.

지난 수년간 스탠포드 대학의

컴퓨터 영상 연구실에서
박사 과정을 밟으며

카메라의 성능에 대해 연구해왔습니다.

카메라가 모퉁이에
감춰진 물체를 감지하거나

시야를 벗어난 물체를
감지할 수 있는지 말이죠.

카메라로 무엇을 볼 수 있는지
하나의 예시를 들겠습니다.

실험은 야외에서 진행되었는데

카메라 레이저로 건물의 벽을
스캔하고 있으며

포착하려는 장면은

커튼 뒤 모퉁이에 가려져 있습니다.

그래서 카메라 시스템으로는
직접적으로 볼 수 없습니다.

그렇지만 어떻게든

카메라는 이 장면을
3차원 입체로 볼 수 있죠.

어떻게 가능했을까요?

여기 카메라 시스템에
그 비밀이 있습니다.

보시면 고속 카메라의
한 종류라고 생각하실 텐데,

초당 1000개의 프레임이나

초당 100만 개의 프레임이 아니라

초당 1조 개의 프레임을 작동시킵니다.

굉장히 빨라서 빛 자체의
움직임도 파악할 수 있죠.

빛이 얼마나 빠르게 움직이는지
예시를 보여드릴게요.

음속의 속도보다 3배나
더 빠르게 움직일 수 있는

만화 속 재빠른 수퍼히어로와
그 속도를 비교해보죠.

빛의 진동수는 1초에 33억 개 또는

33억 분의 1초 인데

1미터를 이동하는 속도죠.

동시에

수퍼히어로가 움직인 거리는
인간 머리카락 너비보다 짧죠.

매우 빠른 속도입니다.

그러나 센티미터 미만으로
움직이는 빛의 속도를

파악하고 싶다면
더 빠르게 이미지화 해야죠.

우리 카메라 시스템은
50조 분의 1초 또는

1초에 50조개의 프레임으로

광자를 포착할 수 있습니다.

이 울트라 고속카메라로

짧은 빛의 진동을 보내는
레이저와 비교해 보면

각 진동은 이 벽으로 이동하고

일부는 카메라를 향해
뒤로 흩어집니다.

또한 모퉁이에 숨겨진 물체로
빛을 흩어 되돌아오게 하려고

벽을 이용하기도 하죠.

벽면 위 각각 다른 위치로부터

각 광자의 도착 횟수를
포착하기 위해

측정을 수없이 반복하여

마침내 이 수치를 알아냈고,
초당 1조 개의 프레임의

영상을 만들 수 있었죠.

우리 눈에는 평범한 벽으로 보이지만

초당 1조 개의 프레임으로
굉장한 걸 볼 수 있습니다.

숨겨진 사물에서 흩어지고
다시 벽면으로 뿌려지는

빛의 파동을 발견할 수 있죠.

또한 각 파동은 숨겨진 사물이 보낸

정보를 전달합니다.

이를 통해 수치를 파악하고

재현 알고리즘으로 보내어

숨겨진 장면을 3D 입체로
복원할 수 있습니다.

다음으로 포착된 실내 장면의
예시를 보여드릴 텐데요,

이번에는 다양한
숨겨진 사물의 모습입니다.

사물들의 형태는 각기 다르기 때문에

빛 또한 다르게 반사됩니다.

여기 빛나는 용 동상은
미러 디스코 볼과

빛이 다르게 반사됩니다.

원반을 든 사람 동상
또한 다르게 반사됩니다.

3차원 입체로 시각화하여
반사된 빛에 따른

차이를 발견할 수 있었어요.

비디오 프레임을 촬영하고
각 프레임을 합쳐보았죠.

여기에서 시간은 이 큐브의
깊이의 차원을 의미하죠.

이 빛나는 점들은
디스코 볼의 각 측면에

비춰진 빛의 반사점이며,

시간이 지남에 따라 벽면에 흩어졌죠.

가장 빨리 도착한 빛의 줄기는

벽면에 가장 가까운
용 동상에서 나왔고,

책장과 다른 동상에서 반사된 빛으로부터

다른 빛줄기가 나왔죠.

이제 이 수치를 프레임 단위의 영상으로

시각화 할 수 있습니다.

분산된 빛을 바로 확인할 수 있죠.

다시, 벽에서 가장 가까운
용에서 이루어지는 빛반사를 보죠.

또 디스코 볼과
책장의 다른 물체에서

나오는 밝은 점들도 보입니다.

그리고 동상에서 반사된
빛의 파동을 볼 수 있어요.

벽면을 비추는 빛의 각 파동은

초당 1조 번 지속되는
불꽃과도 같습니다.

이 사물들이 빛을
각 다르게 반사하더라도

여전히 형태를 재건할 수 있습니다.

이것이 모퉁이에서 보이는 모습인데요,

결과가 조금 다르게 나온
예시를 보여드리고자 합니다.

이 영상에서 저는
빛을 반사하는 수트를 입고

카메라는 초당 4번의 비율로
벽을 스캔하고 있습니다.

저 옷은 빛을 반사하므로

실제로 많은 수의 광자를
포착할 수 있어서

제가 어디에 있고
무엇을 하는지 알 수 있죠.

카메라가 실제로 저를
포착하지 못하더라도 말이죠.

벽에서 제 수트로 흩어지고
다시 벽과 카메라로

흩어진 광자들을 포착하면서

실시간으로 간접적인 영상을
캡처할 수 있습니다.

이러한 실제적인 비가시적 이미지화가

자율주행차 등의 분야에
유용하게 쓰일 겁니다.

또한 우리 몸의 작은 부분들을

살펴보는 생의학 분야에서도 마찬가지죠.

또한 다른 행성을 탐사하고자
이용되는 로봇에

유사한 카메라 시스템을
적용할 수 있습니다.

처음에 모퉁이 너머를
보는 것에 대해 말씀드렸는데

오늘 여러분께 보여드린
기술은 불과 2년 전에는

불가능했던 것이었죠.

한 예로, 우리는 밖에 숨겨진
방만한 크기의 거대한 장면을

실시간으로 이미지화할 수 있죠.

이를 실제적 기술로 제작해
커다란 발전을 이루었는데

언젠가 차에서도 볼 수 있을 겁니다.

그러나 여전히 과제가 남아있습니다.

예를 들면 매우 적은 광자로 거리가 먼

숨겨진 장면을 약하고
눈에 안전한 레이저 빛으로

시각화하는 것이 가능할까요?

또한 모퉁이에서 한 번이 아니라

더 많은 횟수로 흩어지는

광자에서 이미지를 파악할 수 있을까?

우리의 크고 무거운 카메라 시제품을

작게 축소하여 생의학 분야나

주택 방범 시스템의

발전에 유용하게 쓰일 수 있을까요?

아니면 이 새로운 영상기법을
다른 곳에 적용할 수 있을까요?

저는 이 흥미로운 기술이

아직 생소한 다른 분야에도
유용하게 쓰여질 것이라고

생각하고 있습니다.

또한 현재 미래의 자율주행차는

우리에게 먼 이야기로 느껴지겠지만

이미 기술이 발전되어

더욱 안전하고 똑똑한
차를 제작할 수 있습니다.

또한 과학적 발견과 혁명은
빠른 속도로 이루어지므로

우리가 모르는 새롭고 흥미로운 기술을

모퉁이 너머에서 발견할 수도 있습니다.

(박수)