차근차근 한걸음씩 개발 일기
[초분광] 초분광에 대한 이해 본문
요즘 비전 분야에서 초분광에 대한 인지도가 점점 높아지고 있다. 이는 산업 AI에서 기존의 RGB 채널이 가진 한계점을 극복하고, 사람이 보지 못했던 영역까지 볼 수 있게 해주기 때문이다. 이로 인해 산업 외에도 우주항공, 의학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그래서 이번 시간에는 초분광이 무엇인지 알아보려한다.
초분광이란?
태양빛은 크게 인간의 눈에 보이는 영역과 보이지 않는 영역으로 구분할 수 있다. 인간의 눈에 보이는 영역은 가시광선 파장 영역이라고 하며, 빛의 삼원색인 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 등을 포함하는 무지개 색상이 이에 해당한다. 보이지 않는 영역은 가시광선 파장보다 더 짧은 자외선 파장 영역과 파장이 더 긴 적외선 파장 영역으로 나뉜다. 파장 영역을 구분하는 단위는 나노미터(nm)이다. 자외선 파장 영역은 ~ 400nm, 가시광선은 ~ 700nm, 적외선은 700nm 이상이다. 적외선은 다시 근적외선(700~1,100nm)과 중적외선 파장 영역으로 구분된다.
이러한 파장 영역을 몇 개로 구분하여 사진이나 영상을 촬영하는 방법에 따라 다중분광영상과 초분광영상으로 구분되며, 이러한 특성을 분광해상도라고 한다. 일반적으로 다중분광영상은 파장 영역을 10개 이하의 불연속적인 구간으로 나누어 촬영되는 영상을 의미하고, 초분광영상은 파장 영역을 5~20nm의 좁은 폭으로 수십에서 수백 개로 구분하여 연속적으로 촬영되는 영상을 의미한다.
데이터 특성
초분광 이미징(Hyperspectral Imaging, HSI)은 대상을 구성하는 물질의 화학적 특성을 분석할 수 있는 고도의 이미징 기술이다. 이 기술의 핵심은 각 픽셀에 대한 광범위한 파장대의 스펙트럼 데이터를 캡처하는 데 있으며, 이를 통해 물체의 물리적 및 화학적 성질을 매우 상세하게 분석할 수 있다. 초분광 이미지 데이터의 주요 특성은 다음과 같다.
- 광범위한 파장 범위: 초분광 카메라는 가시광선 영역을 넘어서 적외선 및 근적외선 영역까지 수백 개의 좁은 대역폭을 갖는 파장을 포착한다. 이로 인해 각 픽셀마다 수백 개의 스펙트럼 값이 존재하며, 이 데이터는 물질의 세밀한 특성을 파악할 수 있는 기반이 된다. 각 물질에 따라 파장이 전부 다른 것을 확인할 수 있다.
- 고차원 데이터: 초분광 이미지는 매우 고차원의 데이터이다. 전통적인 RGB 이미지가 3개의 색상 채널을 가진 것에 비해, 초분광 이미지는 수백 개의 스펙트럼 채널을 포함할 수 있다. 이로 인해 대상을 보다 정밀하게 분류하고 분석할 수 있지만, 동시에 데이터의 크기와 처리 복잡성도 증가한다.
- 고유한 스펙트럼 특징: 각각의 물질은 특정 파장에서 고유한 흡수 또는 반사 패턴을 보이는데, 이를 스펙트럼 특징이라고 한다. 초분광 이미지는 이러한 고유한 스펙트럼 서명을 이용하여 물질을 식별하고 분류할 수 있다. 특정 가스나 화학 물질이 누출되었을 때, 그 특정 스펙트럼을 감지하여 누설 여부를 판단할 수 있다.
- 감도와 정확도: 초분광 이미지는 높은 감도와 정확도를 제공한다. 매우 섬세한 차이까지 포착할 수 있어, 비슷한 외관을 가진 물질들 사이에서도 차이를 구별할 수 있다. 이는 농업, 지질학, 환경 모니터링, 의학 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
- 처리 및 분석의 도전: 초분광 이미지 데이터의 크기와 복잡성은 데이터 처리 및 분석에 있어 도전적인 요소이다. 효과적인 데이터 처리를 위해서는 강력한 컴퓨팅 자원이 필요하며, 차원 축소, 특성 선택, 데이터 압축 등의 기법이 널리 사용된다. 또한, 기계 학습 및 딥러닝 접근 방식이 이러한 고차원 데이터를 효율적으로 처리하고 분석하는 데 중요한 역할을 한다.
ECOSTRESS 분광 라이브러리
ASTER는 각 사이트의 초분광 DB를 혼합하여 정보를 제공하는데, 광물 1,748개, 달 17개, 식생 4개, 암석 473개, 운석 60개, 물/눈/얼음 9개, 토양 69개, 인공물 84개 등 8개 대분류 항목으로 지표면 대상 물체를 구분하여 약 2,300개의 자연과 인공물에 대한 분광반사율 정보를 제공한다. 최근에는 분광 라이브러리에 식생과 비 광합성 식생과 관련된 1,100개의 분광반사 자료가 추가된 ECOSTRESS 분광라이브러리를 온라인에서 제공하고 있다 (NASA JPL, 2020). 이 라이브러리는 3,400개가 넘는 자연 및 인공 재료와 관련된 분광반사 스펙트럼을 제공한다.
초분광 이미징 기술은 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 지속적인 발전과 함께 더 많은 응용 가능성을 열어가고 있다. 이 기술을 통해 우리는 더 나은 미래를 설계할 수 있을 것이다.
다음으로는 활용 가능한 분야, 데이터 분석을 위한 기초 지식, AI 접목한 분석 사례 등을 알아보려한다.
열심히 하자.