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)