곤충 눈을 모방한 360도 입체영상 카메라

유튜브의 '360도 동영상' 서비스 동영상 조회수가 100만이 넘는 영상이 속속 등장하고 있고 심지어 직캠으로 큰 화제가 된 걸그룹 밤비노 (Bambino) '오빠오빠'는 580만 조회를 넘어 서고 있다. 앞으로 360도 동영상은 구글 가상현실 플랫폼과 결합해 강력한 서비스로 자리 잡을 것이다.

또한 페이스북은 지난 3월 ‘F8 2015 개발자회의’에서 마크 저커버그가 증강/가상현실 3D(360도)의 동영상 을 구형(spheral) 비디오라 명명하고 시연했다. 누구나 쉽게 Oculus Rift의 앱을 이용해 AR/VR를 만들어 페이스북에서 공유할 수 있게 만들어 메신저 플랫폼에 융합하겠다는 계획이다.

앞으로 360도 동영상은 새로운 비즈니스 모델의 핵심으로 부상할 것으로 보이며, 현재 360도 동영상을 촬영하는 카메라는 자이롭틱 360캠, IC리얼테크얼라이, 코닥 SP360, 리코 세타 등이 있다.

국내 과학자들이 세계 최초 곤충의 눈을 모방한 360도 입체영상 카메라를 개발한 내용을 알아보자.

한국의 경희대를 비롯한 미국과 중국의 과학자들이 곤충의 시각(Bug's View)을 모방한 새로운 디지털 이미징 카메라를 개발했다(Song et al., "Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye", Nature, V. 497, N. 7447, pp. 95-99, 02 May 2013).

▲ 일반 카메라보다 시야 3배 이상 넓힌 초광각 '곤충 눈 카메라' 세계 첫 개발. Image Credit: Nature

연구팀은 잠자리(dragonflies), 벌(bees), 사마귀(praying mantises), 기타 곤충 등 절지동물(arthropod)에서 발견되는 모자이크 겹눈(compound)의 시스템을 모방한 것이다. 사람이나 일반 카메라가 보는 각도 범위는 50도 내외이며, 광각 렌즈의 경우 심한 왜곡이 있는 것과 달리 이 곤충 눈 카메라는 약 160도의 광각 촬영이 가능하면서도 왜곡이 없다.

따라서 이번 기술은 160도 이상의 영상, 저 배경 탈선의 움직임을 잡아 낼 수 있는 고민감도와 배경의 거리와 깊이 등을 촬영할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 거리와 깊이를 촬영할 수 있는 카메라를 3D 카메라라고 한다.

사람의 눈은 카메라 눈(camera-type eye)인데 반해 절지동물들은 낱눈(ommatidium, lenslet)을 갖고 있다. 낱눈은 겹눈(Compound eye, 複眼)을 구성하는 기본 단위로 개안(個眼) 또는 소안(小眼)이라고도 한다. 1개의 겹눈에는 일개미가 6~9개, 집파리가 약 4,000개, 잠자리 류가 10,000~30,000개의 낱눈이 있다. 낱눈의 겉면은 보통 육각형 또는 오각형으로 촘촘히 배열되어 있는데 수가 적은 것은 원형에 가깝다. 따라서 겹눈은 가느다란 낱눈이 벌집 모양으로 모여 생긴 눈이다.

이보다 앞선 2005년에 미국 버클리대의 이평세 교수는 잠자리의 360도 회전하는 모자이크 겹눈의 지능을 이용해 360도 입체영상을 볼 수 있는 광학 카메라 렌즈 개발에 성공했는데(Lee, Luke P., and Robert Szema, "Inspirations from Biological Optics for Advanced Photonic Systems(최첨단 광학전자 시스템 개발을 위한 생물학적 광학으로부터 얻는 영감)", Science, Vol. 310, No. 5751, pp. 1148-1150, 18 November 2005).

▲ 이평세 교수가 개발한 360도 인공 곤충눈 단면도. Image Credit: Science

이것은 먹는 내시경이나 공간상에서의 미세한 움직임을 360도 촬영하는 카메라 등에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번에 개발한 잠자리 눈은 생체모방학기술의 최고 기술로, 현미경을 이용한 극미세 이미징이나 화학적 분석 등의 새로운 기술에 적용할 수 있기 때문에, 생물광학(biological optics)을 이해하는데 많은 도움을 주고 있다. 광학에 영감을 주는 이들 생물학적 시스템들은 많은 연구원들과 과학자들 사이에 새로이 등장하는 이머징 주제로 부상하고 있다.

생물의 눈들은 영양분을 찾거나 약탈자를 피하거나 어떤 다른 생물체로부터의 보호에 필요하다. 이러한 독특한 생물학적 광학 시스템(unique biological optical systems)들은 생물체들의 각각의 요구에 적합하게 구조화되어 있다. 이들 중에 시각의 메커니즘은 동물의 세계에서 가장 다양하다. 이들 다양한 종들의 눈들은 낮 또는 밤의 시각(vision)을 위해 최적화되어져 있는데, 근시이던지 원시이던지, 사물의 넓기나 좁음 등등을 보는데 각각 특화 되어있다.

이러한 동물들의 생물학적에서 받은 영감적 광학 과학은 상대적으로 새로운 분야이거나 현재 연구 확장되는 분야이다. 여기에 최근 PDMS(polydimethylsiloxane, 합성고무재질의 일종)를 이용한 재구성이 가능한 소프트한 식각기술이 개발되면서 생물학적으로 스스로 구축되는 생물체의 시스템과 비슷한 최첨단 3차원 폴리머 광학시스템을 만들 수 있다. 시각의 메커니즘을 간단히 살펴보면 인간이 물체를 보기 위해서는 빛(Light rays) → 각막(Cornea) → 수정체(Lens) → 유리체(Glasses) → 망막(Retina) → 시신경(Optic nerve) → 대뇌라는 프로세스가 필요하다. 그러나 인간이나 동물이나 곤충이나 각각의 시각의 메커니즘이 있는데, 자연에 존재하는 시각의 메커니즘은 다 합쳐야 10개 미만이다. 이 중에서 가장 두드러진 시각의 메커니즘은 인간 눈의 카메라 형태의 눈(camera-type eye)과 곤충들의 겹눈(compound eye)이다.

상식적으로 곤충들의 겹눈은 인간의 눈과는 전적으로 다르다. 잠자리들(dragonflies)은 그림에서 보는 바와 같이 10,000 여 개의 낱눈(lenslets)으로 구성된 복잡한 눈(복안)을 가지고 있다. 이 교수팀이 개발한 인공 곤충 눈은 작은 미세 렌즈들을 지름 2.5㎜의 돔 구조에 촘촘히 배열해 놓은 것이다. 잠자리의 눈이 1만개나 되는 미세한 낱눈들이 모여 하나의 겹눈을 이룬 것과 마찬가지다.

이 교수는 “돔 두 개를 겹치면 구(球)가 되기 때문에 원칙적으로 360도를 볼 수 있는 카메라가 된다”며 “크기도 비타민 알약 하나보다 작아 몸 안을 관찰하는 먹는 내시경으로 사용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

곤충의 눈을 모방한 것은 인간의 눈에 비해 뛰어난 장점들을 활용하기 위해서다. 곤충은 각각의 낱눈이 본 정보를 뇌에서 모자이크처럼 모아 사물을 인지한다. 언뜻 보기에 불편해 보이지만 각각의 낱눈이 아주 미세한 변화까지 감지할 수 있다. 파리가 사람의 손을 손쉽게 피하는 것도 이 때문이다.

인공 곤충 눈은 몸 안의 미세한 변화를 감지하는 내시경으론 그만인 셈이다. 또 낱눈들은 공과 같은 3차원 구조에 흩어져 있기 때문에 높이와 각도가 다른 곳에서 들어온 빛을 감지할 수 있다.

차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩기술경영연구소(주) 대표, 국과과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 미래창조과학부 성장동력발굴기획위원회 기획위원, 국제미래학회 과학기술위원장, (사)창조경제연구회 이사, 연세대학원/KAIST IP-CEO 미래융합기술 겸임교수