영상처리를 공부하다가 low-light enhancement와 fusion을 공부하다보니
가시대역인 RGB채널 뿐만 아니라 NIR대역을 활용해보고자 하니
전자기스펙트럼에 대해 기초지식이 필요하다.
전자기스펙트럼 electromagnetic spectrum, EMS란?
: 전자기파를 파장 wavelength 에 따라 분해하여 배열한 것
전자기파란?
: 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데, 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자기파라고 한다.
이게 뭔말인가 싶다가, 중학교때인가 고등학교때 배운 오른손의 법칙이 생각났다.
음.... 전기로 발생된 에너지인 전기장과 자기장이 번갈아가면서 나아가는 파동을 의미한다고 이해하자.
즉 전자기파는 전기장과 자기장이 서로 영향을 주며 생성된다. 이 두 필드는 서로 수직 방향으로 진동하며, 한 필드의 변화가 다른 필드를 생성한다.
전자기파는 이렇게 전기장과 자기장의 상호작용으로 인해 에너지를 운반하며, 이 에너지는 빛, 라디오 신호, 마이크로웨이브 등 다양한 형태로 나타난다.
그럼 파장 wavelength 이란?
파동에서 한 점의 진동이 한 번 완전히 일어나는 동안의 거리.
그림에서는 $\lambda$이다.
즉, 전자기스펙트럼 electromagnetic spectrum, EMS 란 파장 wavelength, $\lambda$의 크기에 따라 줄세운것!
미 합동교범 합동전자기스펙트럼작전(2020)에서는 아래와 같이 전자기스펙트럼 종류를 구분해두었다.
왼쪽이 파장이 큰 쪽이고, 오른쪽으로 갈수록 파장이 작은 순서대로이다.
전자기파의 파장은 그 에너지와 반비례 관계에 있기 때문에, 즉, 파장이 짧을수록 전자기파의 에너지는 더 높다.
* 합동전자기스펙트럼작전에 대해 포스팅할 것.
영상처리에서는 visible spectrum을 다루는데, 넒은 관점에 봤을 때는 전자기스펙트럼 중 visible spectrum만을 다룬다고 봐도 되겠다.
보통 visible spectrum은 400nm에서 700nm사이를 말한다.
빛의 삼원색인 R, G, B를 대표적으로 많이 사용하는데
* primary color에 관한 포스팅 할 것
대략 R은 620~750nm, G는 495~570nm, B는 450~495nm이다.
primary color기 때문에 세 대역을 필터링해서 많이 사용하는데, 다른 방법도 있다.
센서라는건 결국 에너지가 얼마인지 측정하는 것인데
그 파장대, 대역별로 필터링된 에너지를 측정한다는 것으로 이해할 수 있으므로
전자기 스펙트럼에 대해 먼저 이해하는 것이 필요하다.
그러니까 예를들면 R대역에 들어오는 에너지를 누적, integral한 값을 센서를 통해 측정하는것이다.
많은 센서들은 특정 파장의 전자기파만을 통과시키는 필터를 사용한다. 이를 통해 특정 파장대의 에너지를 정확하게 측정할 수 있다.
1. wavelength filtering / 2. 빛 에너지 측정. (*photon에 대해 포스팅할 것) / 3. 누적, 적분. 측정.
여기서 wavelength filtering의 범위가 너무 광범위하거나 다른 대역과 겹친다면
color restoration 관점에서는 정확한 색 복원이 힘들어질 수 있다.
그러나 반대로 filtering을 협소하게 한다는 것은 에너지 크기도 적게 받아들이는 것이라
에너지를 충분히 활용할 수 없다는 이야기가 된다. 신호강도가 감소되고, 감도가 저하되는 다양한 문제를 발생시킨다.
그럼 감도를 높이기 위해서는 결국 필터링 대역을 늘리는것이 필요한데
앞서 말한 대역 겹침 현상(crosstalk, 신호간섭, 누화, 혼선)에서 발생하는 문제가 trade-off 관계인 것이다.
NIR, Near Infrared, 근적외선
R대역은 적외선 대역과 가깝다.
750nm에서 1400nm대역을 근적외선(NIR, near infrared)대역이라고 하는데, 이 대역의 값이 섞여들어올 경우(이 대역의 빛이 센서에 들어올 때) 두가지 현상이 있다.
감도 개선 Sensitivity Improvement : 근적외선 대역의 빛은 일반적으로 가시광선 대역보다 센서에 더 많은 에너지를 제공할 수 있다. 이로 인해 센서의 감도가 향상될 수 있다. 특히 저조도 환경에서는 NIR 대역의 빛이 더 잘 감지될 수 있어, 센서의 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 보안 카메라나 야간 관측용 카메라에서 이 대역의 빛을 활용하여 더 밝고 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
크로스토크 Crosstalk : 다른 한편으로, NIR 대역의 빛이 센서의 가시광선 채널과 섞여 들어오면 크로스토크 현상이 발생할 수 있다. 이는 근적외선 대역의 빛이 가시광선 대역의 신호와 간섭하여 이미지의 색상 정확도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서가 NIR 대역의 빛을 가시광선의 빛으로 잘못 감지하면, 색상이 왜곡되거나 정확하지 않게 표현될 수 있다.
이러한 이유로, NIR 대역의 빛을 처리할 때는 이 두 가지 현상 사이에서 적절한 균형을 찾는 것이 중요하다.
IR CUT FILTER 적외선 차단 필터
NIR대역의 Crosstalk를 줄이기 위해 카메라에는 IR cut filter, 적외선차단필터가 들어가 있다.
문제는 NIR대역을 활용하고자 한다면, 이 IR cut filter는 반드시 제거되어야 한다.
그런데 crosstalk도 동시에 겪을 것이다.
* 이 문제를 해결하는 여러가지 방법에 대해 포스팅할 것
* 합동전자기스펙트럼작전에 대해 포스팅할 것.
* primary color에 관한 포스팅 할 것
* NIR crosstalk 문제를 해결하는 여러가지 방법에 대해 포스팅할 것
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