고속 영상 복원 기술 - 소프트웨어 융합

이벤트 기반 영상 복원의 필요성

이벤트 카메라는 각 픽셀에서 변화가 발생할 때만 데이터를 생성하므로, 기존의 프레임 기반 카메라와는 전혀 다른 방식으로 작동한다. 이러한 특성 덕분에 고속 상황에서 정보 손실이 적고, 낮은 전력 소모로 실시간 처리가 가능하지만, 프레임이 없기 때문에 전통적인 영상 복원 방법을 그대로 적용할 수 없다. 고속 영상 복원 기술은 이러한 이벤트 카메라의 장점을 활용하여 빠르게 변하는 상황을 복원하는 데 중점을 둔다.

고속 영상 복원의 수학적 모델링

이벤트 데이터에서 고속 영상 복원을 위해서는 다음과 같은 수학적 모델이 사용된다. 이벤트 $e_i$ 는 시간 $t_i$ 에 공간 좌표 $\mathbf{x}_i = (x_i, y_i)$ 에서 발생하는 미소 밝기 변화로 정의된다. 이는 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

$\Delta L(\mathbf{x}_i, t_i) = C \cdot \Delta I(\mathbf{x}_i, t_i)$

여기서 $\Delta L(\mathbf{x}_i, t_i)$ 는 좌표 $\mathbf{x}_i$ 에서의 밝기 변화, $C$ 는 감지기 상수, $\Delta I(\mathbf{x}_i, t_i)$ 는 실제 강도 변화이다.

이벤트 카메라는 주어진 시간 동안의 변화만을 기록하므로, 프레임을 복원하기 위해서는 여러 시간대의 이벤트를 통합하는 방법이 필요하다. 이는 고속으로 움직이는 객체나 장면에서 중요한 역할을 한다.

고속 영상 복원의 기본 알고리즘

가장 대표적인 고속 영상 복원 알고리즘은 시간 누적(Timestamp Accumulation) 방법이다. 이는 특정 시간 구간에서 발생한 이벤트를 축적하여 프레임을 재구성하는 방식이다. 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같다.

$I(\mathbf{x}, t_k) = I(\mathbf{x}, t_0) + \sum_{i=1}^{N_k} e_i(\mathbf{x}, t_i)$

여기서 $I(\mathbf{x}, t_k)$ 는 시간 $t_k$ 에서 복원된 이미지, $I(\mathbf{x}, t_0)$ 는 초기 시간 $t_0$ 에서의 이미지, $N_k$ 는 $t_0$ 부터 $t_k$ 까지의 이벤트 수이다. 이 방법은 매우 간단하면서도 고속의 장면에서 프레임을 복원하는 데 효과적이다.

하지만 이 방법은 잡음에 매우 민감하므로, 추가적인 노이즈 필터링 과정이 필요하다. 특히, 고속 복원에서는 노이즈 제거 알고리즘의 속도와 정확성이 매우 중요한 역할을 한다.

고속 영상 복원에서의 노이즈 제거

고속 영상 복원 과정에서 중요한 문제는 이벤트 노이즈이다. 잘못된 이벤트가 다수 발생할 경우, 재구성된 영상에 잡음이 포함될 수 있다. 이를 해결하기 위한 다양한 방법이 제안되었다. 예를 들어, 적응형 임계값(Adaptive Thresholding) 방법을 사용하여 노이즈를 제거할 수 있다. 이 방식에서는 픽셀의 시간적 변화율을 분석하여 특정 임계값 이하의 이벤트를 제거한다.

적응형 임계값 알고리즘은 다음과 같이 정의될 수 있다.

$e_i(\mathbf{x}, t_i) = \begin{cases} e_i(\mathbf{x}, t_i), & \text{if } \left| \Delta L(\mathbf{x}, t_i) \right| > T \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}$

여기서 $T$ 는 노이즈 제거를 위한 적응형 임계값이다. 이 알고리즘은 복원 과정에서 불필요한 이벤트를 제거하여 더 선명한 영상을 제공한다.

고속 영상 복원의 모션 보상

고속으로 움직이는 객체나 카메라 자체가 빠르게 이동할 때, 이벤트 카메라는 매우 짧은 시간 안에 많은 데이터를 생성한다. 이 경우, 이벤트 스트림을 적절하게 해석하지 않으면 정확한 영상 복원이 어렵다. 이를 해결하기 위해 모션 보상(Motion Compensation) 기술이 사용된다. 모션 보상은 카메라나 객체의 움직임을 고려하여 이벤트 데이터를 변환하고 정렬하는 과정이다.

모션 보상 모델은 기본적으로 다음과 같이 표현된다. 카메라 또는 객체의 속도 벡터 $\mathbf{v}$ 가 주어졌을 때, 이벤트 발생 좌표 $\mathbf{x}_i$ 를 시간 $t_i$ 에 맞춰 보정할 수 있다.

$\mathbf{x}_i' = \mathbf{x}_i + \mathbf{v} \cdot (t_i - t_0)$

여기서 $\mathbf{x}_i'$ 는 보정된 좌표, $\mathbf{v}$ 는 속도 벡터이다. 이 보정된 좌표를 사용하면 고속으로 움직이는 객체에서도 왜곡 없이 영상을 복원할 수 있다.

모션 보상은 특히 고속 드론 비행이나 자율 주행에서 유용하게 사용된다. 이러한 상황에서는 카메라가 매우 빠르게 움직이기 때문에 이벤트 기반 영상 복원에서 모션 보상 없이는 품질 저하가 발생할 수 있다.

모션 보상 알고리즘

모션 보상을 적용하는 대표적인 알고리즘 중 하나는 블록 매칭(Block Matching) 기법이다. 이 기법에서는 복원된 프레임에서 특정 블록을 선택하고, 다음 프레임에서 해당 블록이 이동한 위치를 찾는 방식으로 보상을 수행한다.

블록 매칭 알고리즘은 다음과 같은 단계로 이루어진다: 1. 현재 프레임에서 크기 $N \times N$ 인 블록을 선택한다. 2. 다음 프레임에서 해당 블록과 가장 유사한 위치를 찾는다. 이를 위해 상관 관계 함수(Correlation Function) 또는 차이 함수(Difference Function)가 사용된다. 3. 두 블록 사이의 이동 벡터를 계산하여 모션을 추정하고, 이벤트 데이터를 보정한다.

수식으로는 다음과 같이 표현된다:

$\mathbf{v} = \underset{\mathbf{d}}{\mathrm{argmin}} \sum_{(x,y) \in \mathbf{B}} \left| I_1(x,y) - I_2(x+d_x, y+d_y) \right|$

여기서 $I_1(x, y)$ 는 현재 프레임의 블록 $\mathbf{B}$ 내 픽셀 값, $I_2(x + d_x, y + d_y)$ 는 다음 프레임에서 이동한 블록의 픽셀 값, $\mathbf{v} = (d_x, d_y)$ 는 이동 벡터이다.

블록 매칭 방법은 계산 비용이 크지만, 고속으로 움직이는 객체의 이벤트를 효과적으로 보정할 수 있다. 이 방식은 특히 빠르게 변화하는 장면에서 유리하며, 복원된 영상의 품질을 높이는 데 기여한다.

고속 영상 복원에서의 실시간 처리

이벤트 카메라의 특성상 대량의 데이터가 매우 짧은 시간 안에 발생하므로, 실시간 처리가 필수적이다. 이를 위해서는 영상 복원 알고리즘이 병렬 처리와 최적화된 연산을 통해 수행되어야 한다. 특히 GPU(그래픽 처리 장치)를 활용한 가속화 기술이 널리 사용된다.

GPU에서의 병렬 처리는 각 이벤트에 대해 독립적인 연산을 수행할 수 있으므로, 매우 짧은 시간 안에 수백만 개의 이벤트를 처리할 수 있다. 이를 통해 실시간으로 고속 영상을 복원할 수 있게 된다.

실시간 복원 과정에서 병목이 되는 부분은 이벤트 데이터의 정렬 및 동기화이다. 다양한 방법으로 이벤트 데이터를 시간 순서대로 정렬하고, 이를 효율적으로 병렬 처리하는 기술이 필요하다.