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스펙클 이미징

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목차

1. 개요

스펙클 이미징은 짧은 노출 시간으로 천체를 촬영하고 대기 효과를 보정하여 고해상도 이미지를 얻는 기술이다. 프라운호퍼 회절과 대기 간섭으로 인한 망원경 해상도의 한계를 극복하기 위해 개발되었으며, 쌍성계, 흑점 등 천체 관측에 활용된다. 이 기술은 짧은 순간의 이미지를 촬영하여 대기 변동을 최소화하며, 이미지 처리 기법을 통해 원본 이미지를 재구성한다. 스펙클 간섭법, 쉬프트 앤 에드 기법 등이 있으며, 생물학 및 산업 분야에서도 응용된다.

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스펙클 이미징

2. 설명

스펙클 이미징은 천체 관측 시 대기의 영향을 줄여 더 선명한 이미지를 얻는 기술이다. 매우 짧은 노출 시간으로 천체의 사진을 여러 장 촬영하여 이미지 처리를 통해 대기의 흔들림 효과를 제거한다.

망원경의 분해능은 프라운호퍼 회절 때문에 주경 크기에 제한을 받는다. 멀리 있는 천체는 에어리 원반이라는 작은 점으로 맺히는데, 이보다 가까운 천체들은 하나의 점으로 보인다. 따라서 주경이 클수록 더 어두운 천체를 볼 수 있고, 더 작은 천체들을 구분할 수 있다.

하지만 지구 대기의 무작위적인 흔들림 때문에 에어리 원반이 흩어져 보이는 시상 현상이 발생한다. 이 때문에 망원경의 실제 분해능은 이론보다 낮아지며, 좋은 조건에서도 약 20cm 직경의 망원경에 해당하는 분해능이 한계이다.

스펙클 이미징은 대기의 영향을 보정하기 위해 매우 짧은 시간 동안 여러 장의 이미지를 촬영한다. 적외선에서는 약 100ms, 가시광선에서는 약 10ms 정도의 짧은 노출로 촬영하여 대기가 "얼어붙은" 듯한 순간적인 이미지를 얻는다. 이때 대기의 움직임은 이미지에 영향을 주지 않으므로, 촬영된 스펙클은 그 순간의 대기 상태를 나타낸다.

이렇게 얻은 여러 장의 이미지를 이미지 처리 기술로 합성하면 대기의 영향이 상쇄되어 더 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 이 기술은 쌍성계나 별의 흑점 관측에 유용하다.

초기에는 사진 기술의 한계로 밝은 천체만 촬영 가능했지만, CCD의 등장으로 더 어두운 천체도 촬영할 수 있게 되었다. 아마추어 천문학자들에 의해 다양하게 변형되어 사용되며, 산업 분야에서도 레이저를 이용해 재료 결함 분석에 활용된다.[2]

2. 1. 원리

스펙클 이미징의 원리는 매우 짧은 노출 시간으로 천체의 이미지를 촬영하여 대기의 흔들림 효과를 최소화하는 것이다. 일반적인 망원경은 프라운호퍼 회절 효과로 인해 주경 크기에 따라 분해능이 제한되며, 에어리 원반이라는 작은 점 형태로 상이 맺힌다. 이보다 가까운 거리에 있는 천체들은 하나의 천체로 보이게 된다. 따라서 주경이 큰 망원경일수록 더 어두운 천체를 관측할 수 있을 뿐만 아니라, 더 작은 천체도 분리하여 관측할 수 있다.[19]

하지만 지구 대기의 무작위적인 흔들림 때문에 에어리 원반이 흩어져 보이는 현상이 발생한다. 이를 천문학적 시상이라고 하며, 이로 인해 망원경의 실제 분해능은 이론적인 한계보다 낮아진다. 좋은 조건에서도 대략 직경 20cm의 망원경에 해당하는 분해능이 한계이다.

스펙클 이미징은 이러한 대기의 영향을 극복하기 위해 이미지 처리 기술을 사용한다. 1966년 미국의 천문학자 데이비드 L. 프리드가 발견한 이 기술의 핵심은 대기가 "얼어붙은" 것처럼 보이는 매우 짧은 시간 동안 이미지를 촬영하는 것이다.[13] 적외선에서는 노출 시간이 약 100ms 정도이지만, 가시광선 영역에서는 10ms 정도로 더 짧아진다. 이렇게 짧은 노출 시간 동안 촬영된 이미지는 그 순간의 대기 상태를 포착한 스냅샷이 된다.

하지만 짧은 노출 시간 때문에 어두운 천체는 충분한 빛을 포착하기 어려워 분석이 불가능할 수 있다. 초기에는 사진 기술의 한계로 밝은 천체만 촬영 가능했지만, CCD의 도입으로 더 어두운 천체도 촬영할 수 있게 되었다.

여러 장의 짧은 노출 이미지를 합성하여 대기 효과를 상쇄하고 선명한 이미지를 얻는다. 이 과정에서 이미지들의 위치를 미세하게 조정하여 상관 관계를 높이면 노이즈가 상쇄되고, 천체의 에어리 원반에 가까운 상을 얻을 수 있다.

최근에는 산업 분야에서도 이 기술이 응용되고 있다. 레이저를 물체 표면에 쬐어 생성된 스펙클 패턴을 분석하여 재료의 결함을 상세하게 파악할 수 있다.[2]

2. 2. 대기 효과 보정

대기는 무작위적인 간섭을 일으켜 천체 이미지의 질을 저하시킨다. 일반적인 관측 조건에서 망원경의 분해능은 천문학적 시상의 영향을 받아 제한되는데, 이는 r0 계수(보통 좋은 조건에서 직경 약 20cm)로 표현된다. 즉, 대기의 영향으로 인해 실제 망원경의 성능은 이론적인 한계보다 낮아진다.

이러한 대기의 영향을 극복하기 위해 스펙클 간섭법과 적응광학과 같은 기술이 개발되었다. 스펙클 이미징은 이미지 처리 기술을 이용하여 원본 이미지를 재현하는 방법이다. 미국의 천문학자 데이비드 L. 프리드가 1966년에 발견한 이 기술의 핵심은 대기가 정지된 것처럼 보이는 매우 짧은 시간 동안 이미지를 촬영하는 것이다.[19] 적외선에서는 노출 시간이 약 100ms이지만, 가시광선 영역에서는 10ms 정도로 더 짧다. 이렇게 짧은 노출 시간 동안에는 대기의 움직임이 이미지에 영향을 주지 않으므로, 촬영된 스펙클은 그 순간의 대기 상태를 나타낸다.

그러나 이 기술은 짧은 노출 시간 때문에 어두운 천체를 촬영하기 어렵다는 단점이 있다. 초기에는 사진 기술의 한계로 인해 밝은 천체만 촬영 가능했지만, CCD의 도입으로 더 어두운 천체도 촬영할 수 있게 되었다.

스펙클 이미징은 아마추어 천문학자들에 의해 다양한 방식으로 변형되어 사용되고 있으며, 산업 분야에서도 응용되어 재료의 결함을 분석하는 데 활용되고 있다.[2]

3. 종류

스펙클 이미징에는 다양한 기술들이 사용된다. 주요 기술로는 쉬프트 앤 에드 기법(이미지 스태킹), 럭키 이미징, 스펙클 간섭법, 스펙클 마스킹 등이 있다.


  • '''쉬프트 앤 에드 기법 (이미지 스태킹):''' 짧은 노출 이미지들을 정렬하고 평균하여 고품질 이미지를 얻는 방법이다.
  • '''럭키 이미징:''' 쉬프트 앤 에드 기법의 한 종류로, 가장 품질이 좋은 짧은 노출 이미지만 선택하여 평균한다.
  • '''스펙클 간섭법:''' 앙투안 라베리가 개발한 방법으로, 푸리에 해석을 통해 스펙클 패턴으로부터 고해상도 구조 정보를 얻는다.
  • '''스펙클 마스킹:''' 바이스펙트럼 또는 폐쇄 위상을 계산하여 이미지를 얻는 방법으로, 개구 마스크와 함께 사용될 때 효과적이다.


초기에는 컴퓨터 처리 능력의 한계로 어려움이 있었으나, 현재는 컴퓨터 성능 향상으로 극복되었다.

3. 1. 쉬프트 앤 에드 기법 (이미지 스태킹)

쉬프트 앤 에드 기법은 이미지 스태킹 기법이라고도 불리며, 짧은 순간의 노출로 촬영한 이미지들을 가장 밝은 스펙클을 이용하여 일렬로 나열하고 하나의 평균적인 결과 이미지로 나타내는 것이다.[20] 럭키 이미징 접근 방법으로는, 오직 가장 훌륭한 품질의 짧은 노출 이미지만이 평균화에 선택된다. 초기 쉬프트 앤 에드 기법은 이미지의 도심(圖心)에 따라 이미지를 정렬했고, 더 낮은 값의 스트렐 비율의 이미지를 얻을 수 있었다.[14]

'''시프트 앤 애드''' 방법 (최근에는 "'''이미지 스태킹'''" 방법)은 다양한 이미지 이동으로 여러 짧은 노출에서 고품질 이미지를 얻는 데 일반적으로 사용되는 스페클 이미징의 한 형태이다.[5][6] 이 방법은 수십 년 동안 천문학에서 사용되었으며 일부 카메라의 이미지 안정화 기능의 기반이 된다. 짧은 노출 이미지는 가장 밝은 스페클을 사용하여 정렬하고 평균을 내어 단일 출력 이미지를 얻는다.[7]

이 방법은 이미지의 차등 이동 계산을 포함한다. 이는 천문 이미지에서 별을 사용하여 정렬할 수 있으므로 쉽게 수행할 수 있다. 이미지가 정렬되면 함께 평균을 낸다. 이는 샘플의 변동을 개별 값을 함께 평균하여 줄일 수 있다는 기본적인 통계 원리이다. 사실, 평균을 사용할 때 신호 대 잡음비는 이미지 수의 제곱근만큼 증가해야 한다. 이를 수행하기 위한 여러 소프트웨어 패키지가 존재하며, 여기에는 IRAF, RegiStax, Autostakkert, Keiths Image Stacker, Hugin, Iris가 포함된다.

3. 2. 스펙클 간섭법

1970년, 프랑스의 천문학자 앙투안 라베리는 푸리에 해석을 통해 스펙클 패턴의 통계적 특성으로부터 물체의 고해상도 구조에 대한 정보를 얻을 수 있음을 보였다.[21] 이 방법은 스펙클 패턴을 푸리에 분석하여 대상 객체의 구조에 대한 고품질 정보를 얻는 방식으로, "스펙클 간섭법"이라 불린다. 1980년대에는 이 방법을 발전시켜 파워 스펙트럼 정보를 토대로 단순한 이미지들을 재구성할 수 있게 되었다.

스펙클 마스킹은 스펙클 간섭법의 한 유형으로, 짧은 노출 이미지로부터 바이스펙트럼 또는 폐쇄 위상을 계산한다.[22] 평균 바이스펙트럼을 계산하고 역변환하여 이미지를 얻는다. 이 방법은 개구 마스크를 사용하여 특히 효과적이다. 개구 마스크는 망원경 구경에 빛이 통과할 수 있는 몇 개의 구멍을 제외하고 막아, 망원경이 더 나은 분해능을 가진 작은 광학 간섭계를 생성하도록 한다. 캐번디시 천체물리학 그룹은 이러한 개구 마스크 기술을 개척하였다.[23][24]

이 기술의 한계는 이미지에 대한 방대한 컴퓨터 작업이 필요하다는 점이었으나, 컴퓨터 성능이 발전하면서 이 문제는 해결되었다.

4. 생물학에서의 응용

스펙클 이미징 기법은 생물학에서 주기적인 세포 요소(예: 사상체, 섬유질)에 표지를 할 때 이용된다. 이 방법을 사용하면 연속적이고 일반적인 구조 대신 특정 반점 세트로 나타나게 된다. 또한, 표지되지 않은 세포 요소 내에서 특정 세포 요소의 통계적 분포를 구할 수 있다. 동적 스펙클이라고 알려진 이 기술은 동적 시스템의 실시간 모니터링을 가능하게 하며, 생물학적 과정을 이해하기 위한 분석에 이용된다.[1]

5. 관련 기술

이런 기술들의 원리는 촬영하고자 하는 천체의 객체를 아주 짧은 노출로 촬영하고 다른 천체 현상에 의한 효과들을 제거하는 것으로 이뤄져 있다. 이런 기술들을 통해서 많은 발견을 해낼 수 있는데, 가장 흔한 예가 일반적으로 동일한 크기의 망원경으로 장시간 노출 촬영했을 때 하나의 별처럼 나타나는 쌍성계에 대한 촬영이다. 그리고 많은 별들에서 나타나는 흑점과 비슷한 현상들을 이 방법으로 촬영하였다. 이런 기술들은 아직도 많이 사용되고 있지만 특히 밝은 별을 촬영할 때 쓰이고 있다.

스펙클 이미징은 원본 이미지를 이미지 프로세싱 기법으로 재창조한다. 이 기술의 핵심은 미국의 천문학자였던 데이빗 L. 프라이드에 의해 1966년에 발견되었다. 이것은 대기가 잠시 변동하지 않는 짧은 순간에 이미지를 촬영하는 것이다.[19] 적외선 이미지의 경우, 노출 시간은 약 100 밀리세컨이지만 촬영하기 좋은 조건일 수록 10 밀리세컨까지 늘린다. 이렇게 짧은 순간에 노출시켜 촬영할 경우 대기로 인한 모든 장애들이 굉장히 줄어들게 되며, 실제로 촬영되는 이미지는 그 순간에 찍힌 순간적인 이미지들이 된다.

물론 단점이 있다. 이미지를 이렇게 짧은 순간에 노출하여 촬영하는 것은 어렵고 촬영하고자 하는 객체가 지나치게 어두울 경우 빛이 충분하지 않아 분석조차 불가능하게 된다. 이 기법이 사용되기 시작한 초창기였던 1970년대에는 제한된 크기의 촬영 기법으로만 가능했고, 약 7%의 적은 빛만의 객체를 촬영함에 따라 충분히 밝은 개체만을 이 방법으로 촬영할 수 있었다. 그러나 순간적으로 70%가 넘는 빛을 포착할 수 있는 기술인 CCD가 천문학에 도입됨에 따라 이 기법에서 이러한 광도의 한계를 낮출 수 있게 되었다. 오늘날 이 기술은 밝게 빛나는 별과 행성계에 대한 촬영에서 광범위하게 이용되고 있다.

많은 수의 보다 간단한 스펙클 이미징 기법들이 여러 이름으로 존재하지만 대부분 아마추어 천문학자들이 이 오리지널 기법을 토대로 재창조하면서 만들어내며 이름 붙인 것들이다.

더욱이, 최근에는 산업적인 측면에서 이 기법을 응용하여 장비들이 개발되고 있다. 예컨대 표면의 레이저를 더 밝게 빛나게 함(보다 부드러운 파동면은 먼 별을 더 정확하게 나타냄)으로써 결과적으로 얻는 스펙클 패턴에서 결함에 대한 자세한 이미지를 얻어낼 수 있다.

6. 예시 이미지



스펙클 이미징 기법은 적외선 적응 광학 또는 적외선 간섭계보다 4배 더 나은 해상도의 이미지를 생성할 수 있다. 다음은 스펙클 이미징을 통해 얻어진 천체 이미지의 예시이다.



오른쪽 위의 영상은 대기 시잉을 거친 이중성(이 경우 목동자리 ζ별)의 전형적인 단시간 노출 이미지이다. 각 별은 원래 하나의 점으로 나타나야 하지만, 대기의 흔들림 때문에 두 개의 별이 두 개의 스펙클 패턴으로 분열되어 있다. 스펙클은 사용한 카메라의 픽셀 크기가 거칠어서 이 이미지에서는 알아보기 어렵다. 스펙클은 주변을 고속으로 이동하므로, 장시간 노출된 이미지에서는 각 별은 하나의 흐릿한 덩어리로 나타난다. 이 영상은 직경이 약 7r0의 망원경을 사용하여 얻은 것이다.

오른쪽 아래의 영상은 망원경을 통해 고배율로 별을 관측했을 때 보이는 영상(네거티브 영상)을 슬로우 모션 동영상으로 표시한 것이다. 사용한 망원경은 위의 것과 마찬가지로 직경이 약 7r0이다. 별의 상이 여러 반점으로 분열되는 것은 완전히 대기에 의한 현상이며, 스펙클 이미징 기술은 대기에 의해 열화되기 전의 천체의 상을 재구성하는 것이다. 이 동영상에서는 망원경의 진동도 인지 가능하다.

참조

[1] 논문 Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures
[2] 간행물 Speckle interferometry: a review of the principal methods in use for experimental mechanics applications 2008
[3] 뉴스 Gemini Gets Lucky and Takes a Deep Dive Into Jupiter’s Clouds https://www.gemini.e[...] NOIRLab press release 2020-05-08
[4] 논문 High-resolution UV/Optical/IR Imaging of Jupiter in 2016–2019 https://doi.org/10.3[...] 2020
[5] 논문 Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method http://ukads.notting[...] 1985-05-15
[6] 논문 Image quality, tip-tilt correction, and shift-and-add infrared imaging http://ukads.notting[...] 1991-09
[7] 논문 Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method 1985-05
[8] 논문 Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images 1970-05
[9] 논문 Speckle Interferometry : Diffraction-Limited Measurements of Nine Stars with the 200-inch Telescope 1972
[10] 논문 Modified astronomical speckle interferometry 'speckle masking' 1977-04
[11] 논문 Closure phase in high-resolution optical imaging 1986-04
[12] 논문 The First Images from Optical Aperture Synthesis 1987-08
[13] 논문 Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures http://ukads.notting[...]
[14] 논문 Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method http://ukads.notting[...]
[15] 논문 Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images http://ukads.notting[...]
[16] 논문 Modified astronomical speckle interferometry 'speckle masking' https://ui.adsabs.ha[...]
[17] 논문 Closure phase in high-resolution optical imaging https://ui.adsabs.ha[...]
[18] 논문 The First Images from Optical Aperture Synthesis https://ui.adsabs.ha[...]
[19] 논문 Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures
[20] 논문 Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method 1985-05
[21] 논문 Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images 1970-05
[22] 논문 Modified astronomical speckle interferometry 'speckle masking' https://archive.org/[...] 1977-04
[23] 논문 Closure phase in high-resolution optical imaging 1986-04
[24] 논문 The First Images from Optical Aperture Synthesis 1987-08


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