광각촬영 및 수중촬영 이미지의 왜곡과 보정

지난 호에서는 빛의 본질과 시각, 우리가 시각적으로 인식할 수 있는 것과 인식하지 못하는 것에 관하여 함께 생각해 보았다. 일반적인 사진 이미지로 인식하지 못하는 정보를 인식할 수 있도록 가시화하는 수단으로 활용되고 있는 다파장 분광 이미지, 초분광 이미지(Hyperspectral Image)의 정의, 촬영과 활용에 이르는 과정에서 부딪히게 되는 여러가지 현실적인 문제점들에 관하여 소개하고 간단하면서도 실용적인 대안을 제안하였다.
이번 호에서는 우리의 눈과 사진기, 거울과 렌즈, 공기와 물 등, 전혀 다른 것 같지만 어떤 공통점 또는 유사성이 있는지 살펴보면서 이야기를 전개하고자 한다. 근시, 원시, 난시현상에 관해서 알아보고 이미지의 왜곡현상을 어떻게 보정하면 좋을지 함께 생각해 보기로 한다. 광각촬영 및 수중촬영 이미지에서 흔히 발생하는 왜곡현상의 원인과 적절한 보정방법에 관하여 소개한다.

■ 유우식 | 웨이퍼마스터스(WaferMasters)의 사장 겸 CTO이다. 일본 교토대학 대학원과 미국 브라운대학교를 거쳐 미국 내 다수의 반도체 재료 및 생산설비분야 기업에서 반도체를 포함한 전자재료, 공정, 물성, 소재분석, 이미지 해석 및 프로그램 개발과 관련한 연구를 진행하고 있다.
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그림 1. 이미지의 사실성. 이미지 왜곡의 원인은 무엇일까?

1. 이미지의 사실성
사진이란 물체를 있는 모양 그대로 그려내는 것 또는 그러한 형상을 가리키며 필름 또는 이미지 센서에 비친 모양을 기록한 것을 일컫는다. 미술수업 시간에 실물이나 경치를 있는 그대로 그려내는 일을 사생(寫生)이라고 한다. 사진과 사생의 결과물에서 중요한 것은 있는 그대로를 얼마나 정확하게 나타냈는지를 사실성이라고 할 수 있다.
<그림 1>에 사진의 사실성에 대하여 생각하게 하는 사진을 여러 장 모아보았다. 사진기를 이용하여 촬영된 것들인데 건물의 휘어진 기둥, 수중 촬영된 사각형 격자구조물, 해저유물 탐사현장의 휘어진 수직 구조물, 도로 모퉁이에 설치된 거울에 비친 거리의 모습 등 우리가 일반적으로 육안으로 보는 것과는 상당히 다른 모습으로 사실성이 결여된 왜곡된 이미지들이다. 사진기는 일반적인 그대로의 모습을 담을 수 있게 설계되어 있는데 무엇이 사진의 사실성을 떨어트린 것일까? 사진기의 문제일까? 빛이 사진기에 전달되는 환경 또는 매질의 문제일까? 물체 자체의 문제일까? 사실적인 이미지를 얻기 위한 필요충분조건은 무엇일까? 눈과 카메라(Camera, 사진기)의 구조를 비교하면서 사실적인 이미지를 얻기 위해 필요한 요소들이 무엇인지 생각해 보자.

2. 눈과 카메라의 구조
우리는 태어나서부터 눈을 통해서 시각적인 자극을 받아들이고 그 자극을 이미지의 형태로 인식하여 정보를 추출하여 활용하는 방법을 자연스럽게 학습해 왔다. 거의 무의식적으로 터득하게 된 매우 민감하고 섬세한 감각능력의 하나이다. 우리 눈의 구조가 어떻게 되어 있는지, 어떻게 시각정보를 처리하여 활용하는지에 관하여 생각해 볼 필요조차 느끼지 못하고 생활하는 경우가 더 많다. 우리는 자연으로부터 많은 힌트를 얻어 생활에 편리한 도구들을 만들어 사용해 왔다. 세상사의 모든 것을 말로 옮길 수 없으며, 모든 말을 문자로 옮길 수도 없다. 때로는 말이나 문자보다 시각적인 정보 그 자체로 전달하는 것이 더욱 효율적인 경우가 더 많다. 사생, 사진, 동영상이 중요한 위치를 차지하는 이유이기도 하다. 범죄수사에 활용되는 몽타주의 예만 보아도 이미지 정보의 중요성을 인식할 수 있다.
사람의 눈은 카메라와 비슷한 구조를 하고 있다.(그림 2) 카메라의 렌즈는 눈의 수정체, 조리개는 홍채와 같은 역할을 한다. 셔터는 눈꺼풀, 필름 또는 이미지 센서는 망막 역할을 한다. 카메라의 경우 렌즈를 통해서 들어오는 빛의 양과 물체와의 거리에 따라 렌즈와 조리개를 조절하여 선명한 이미지를 필름 또는 이미지 센서상에 투영하여 이미지를 사진 또는 동영상의 형태로 기록한다. 우리의 눈도 카메라처럼 주변 환경에 따라 홍채의 크기와 수정체의 두께를 자동으로 조절하여 사물을 선명하게 볼 수 있게 한다. 눈으로 들어오는 빛의 양이 많으면 홍채가 커지면서 동공이 작아지고, 빛의 양이 적으면 홍채가 작아지면서 동공이 커진다. 가까운 곳을 볼 때는 수정체가 두꺼워지고, 먼 곳을 볼 때는 수정체가 얇아져서 서로 다른 거리에 있는 사물을 선명하게 볼 수 있게 한다. 카메라의 자동 초점조절(Auto focus) 기능과 자동 노광시간조절(Auto exposure) 기능과 흡사하다.
카메라도 기종에 따라서 특성이 다르듯 사람의 눈에도 개인차가 있을텐데, 이미지의 사실성을 어떻게 확인할 수 있을까? 태어나서부터 각자의 안구라는 생체 카메라로 학습되어온 결과의 사실성을 확인할 수 있는 어떤 표준이 있어야 하지 않을까?

그림 2 눈과 카메라의 구조