디지털 영상 처리 - 디지털 영상 기초 1

안녕하세요. 지난 포스팅에서는 디지털 영상 처리에 대한 간단한 소개를 해보았습니다. 오늘 포스팅에서는 본격적으로 "디지털 영상(Digital Image)"에 대해서 더 정확하게 이해하는 시간을 가져보겠습니다.

 

1. 사람의 시각

디지털 영상은 기본적으로 수학적 정의를 기반으로 합니다. 하지만 그 과정에서 "사람이 직접 보는" 과정이 필요하기 때문에 필연적으로 사람의 주관적인 의견이 포함될 수 밖에 없습니다. 여기서 사람이 보는 것을 담당하는 것은 바로 눈(eyes)입니다. 사람은 눈을 통해 물체로부터 반사된 빛을 입력으로 받고 색깔, 원근감과 같은 복잡한 정보를 추출하여 뇌로 전달하게 됩니다. 이러한 눈의 구조는 이후 카메라에 적용되어 다양한 분야에 쓰이고 있기 때문에 저희는 기본적으로 눈의 구조부터 알아볼 필요가 있습니다. 그렇다고 해서 저희가 아주 의사 선생님들과 같이 눈의 구조에 대한 해부학적인 지식을 정확하게 알 필요는 없습니다. 오늘은 색깔, 명암과 같은 것들은 인지하는 몇 가지 세포들에 대해서 알아보겠습니다.

사람의 눈 구조를 단순화한 그림

저희는 위의 눈 구조의 다양한 조직 중 "Retina", "Cone", "Rod"에 대해서만 이해하면 됩니다.

 

• 망막(Retina) : 눈은 3개의 조직으로 둘러싸여 20mm 정도의 지름을 가지는 원 모양을 가집니다. 눈을 보호하기 위해서 3개의 막으로 둘러싸여 있는 데, 이를 각각 각막(Cornea), 공막(Sclera), 맥락막(Choroid)이라고 합니다. 맥락막 내부에 더 한 개의 막이 존재하는 데 그 막이 바로 망막이라고 부르는 조직입니다. 사람이 눈을 통해 빛을 받으면 각막과 렌즈를 거쳐 망막에 그 물체가 투영됩니다. 이러한 방식을 최초의 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 적용되었습니다.
• 원추세포(Cones) : 물체가 망막에 투영되면 이제 색깔을 인식해야하는 데 그 역할을 원추세포가 담당하고 있습니다. 원추세포는 각 눈에 600~700만 개 정도가 망막의 중앙인 중심와(Fovea)에 위치하고 있습니다. 사람이 색깔을 굉장히 자세하게 인지할 수 있는 이유가 각각의 원추세포가 눈에서 뇌로 연결되는 신경에 연결되어 있기 때문입니다. 원추세포는 photopic이나 bright-light vision이라고 불리기도 합니다.
• 간상세포(Rods) : 물체가 망막에 투영되었을 때 한 가지 중요한 정보는 명암입니다. 원추세포를 통해서 물체의 색을 정확하게 판단했더라도 명암을 분석하지 못한다면 원근감, 입체감을 표현할 수 있습니다. 그 역학을 간상세포가 담당하고 있습니다. 간상세포는 각 눈에 7500~15000만 개 정도가 망막의 전체적으로 분포하고 있습니다. 간상세포는 scotopic이나 dim-light vision이라고 불리기도 합니다.

원추세포와 간상세포의 망막 내 분포 그래프. 간상세포는 망막의 블라인드 지점과 중심와 지점 

그렇다면 저희가 이를 통해서 저희가 본 것은 망막에 상이 맺힌다는 것을 알았습니다. 하지만 망막의 크기가 한정되어 있기 때문에 1 대 1 비율로 맺히지않고 사람과 물체의 거리에 비례하여 감소된 크기의 물체가 망막에 반대로 맺히게 됩니다. 아래의 그림을 보시면 명확하게 이해가 되실 겁니다.

야자수가 망막에 맺히는 그림

왼쪽의 야자수가 오른쪽 눈의 망막에 맺혔습니다. 그렇다면 망막에 맺힌 야자수의 크기는 어떻게 알 수 있을까요? 아주 간단한 비례식을 이용하면 됩니다. 맺힌 야자수의 크기를 $x$라고 했을 때, 비례식을 세우면 100000 : 15000 = 17 : $x$가 됩니다. 이를 계산하면, $x = \frac{15000 \cdot 17}{100000} = \frac{15 \cdot 17}{100} = 2.5$(mm)의 크기를 가지는 야자수가 망막에 맺힌다는 것을 알 수 있습니다.

 

그렇다면 사람의 눈은 완벽할까요? 즉, 밝기에 대한 왜곡이 생기지 않고 사람이 인지할 수 있을 지에 대한 질문입니다. 이에 대한 답은 아쉽게도 사람의 눈은 오차가 심하다는 점입니다. 특히, 명암과 명암 사이의 경계 시점이나 색깔이 다른 경계의 경우 그 현상은 더욱 두드러지게 나타납니다.

예를 들어 위의 그림을 보시면 실제 밝기값은 경계를 기준으로 동일하나 사람이 인지했을 때는 경계 지점에서 왼쪽(더 어두운 영역)에서는 원래 밝기값보다 더 어두워보이고, 오른쪽(더 밝은 영역)에서는 원래 밝기값보다 더 밝아보입니다. 이 뿐만 아래의 그림에서도 동일한 현상을 관찰할 수 있습니다.

위의 그림에서 가장 왼쪽과 가장 오른쪽 회색 정사각형을 비교해보면 뭔가 상대적으로 가장 오른쪽의 회색 정사각형이 살짝 더 밝아보이는 느낌이 들고 있습니다. 하지만 위의 3개의 정사각형들은 모두 동일한 밝기값을 가지고 있다는 점입니다. 사람의 눈은 이와 같이 정확하지 않기 때문에 주관적인 의견이 들어갈 시 애초에 디지털 영상 획득에 있어 큰 오차가 발생할 수도 있다는 점은 항상 명심해야합니다.

 

2. 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum;EM Spectrum)

EM 스펙트럼은 자연현상에 존재하는 다양한 신호들을 파장, 주파수, 에너지에 따라서 아래의 그림과 같이 분류한 것을 의미합니다.

위 그림에서 일반적으로 저희가 볼 수 있는 영역은 가시광선(Visible spectrum)으로 다른 영역에 비해 매우 좁은 영역을 관찰하고 있음을 볼 수 있습니다. 이를 제외한 감마선, X 선, 자외선, 적외선, 마이크로파, 라디오파들은 전 세계에서 다양한 분야에 활발히 활용되고 있습니다.