컴퓨터공학과 김휘용 교수 연구팀이 ‘삼성미래기술육성사업’에 선정됐다. 삼성미래기술육성사업은 대한민국 기초과학 발전, 세계적인 과학기술인 육성을 목표로 혁신적인 연구과제와 연구자를 발굴해 지원하는 공익 목적의 연구지원 사업이다. 김휘용 교수 연구팀은 ‘순환 표현 및 무작위성 규제에 기반한 위상 홀로그램(Phase hologram) 압축 부호화’를 주제로 삼성전자미래기술육성센터의 지원을 받아 연구한다.

김휘용 교수 연구실은 디지털 영상 미디어 서비스를 위한 인공지능 신호처리 기술을 연구해왔다. 이번에 선정된 연구 주제 역시 기존 연구의 연장이었다. 김휘용 교수는 “이전부터 관심을 기울이던 연구 주제인데, 사업 선정으로 인해 연구에 더욱 매진할 여건이 마련돼 기쁘다”며 사업 선정 소감을 밝혔다. 이어 “홀로그램은 미래지향적 미디어 기술로 실감 나는 영상 서비스를 실현하려는 연구실의 연구 방향과 부합해 택했다”고 주제 선정 배경을 밝혔다.

일반 영상 압축 기술과는 다른 홀로그램용 영상 압축 기술 필요
홀로그램은 미래를 주제로 하는 소설, 영화 등 다양한 미디어에 빠지지 않고 등장해 일반 대중에 친숙한 기술이다. 이 기술은 물체로부터 발생하는 빛을 실제 공간에 재현해 입체적인 영상을 볼 수 있게 만드는 기술이다. 공연, 전시 등 엔터테인먼트 산업을 넘어, 의료 및 제조업에 필요한 미세 측량 분야까지 산업 분야 전반을 혁신할 기술로 기대받고 있다. 또한 홀로그램은 다른 가상현실(Virtual Reality), 증강현실(Augmented Reality) 기술과 달리 전용 장비 착용 없이도 입체영상을 즐길 수 있어, 수렴-초점 불일치에 따른 눈의 피로나 어지럼증이 없다.

하지만 홀로그램은 일반 영상보다 높은 해상도를 요구해 고품질로 구현하기 위해 월등히 많은 양의 데이터가 요구된다. 현재 가장 발전된 동영상 압축 표준인 ‘VVC(Versatile Video Coding)’는 일반적인 동영상을 대상으로 개발돼 홀로그램 영상 압축에 한계가 있다. 김휘용 교수는 “홀로그램 영상과 일반 영상의 차이를 고려한 새로운 영상 압축 기술이 요구되는 이유”라고 설명했다.

홀로그램은 실수와 허수의 합으로 이루어지는 복소수로 구현된다. 복소수의 특성으로 홀로그램은 두 가지 정보를 활용해 영상을 재현한다. 실수 축이 이루는 각도(위상)를 이용해 홀로그램 영상을 만드는 방법을 위상 홀로그램이라 하는데 고품질 홀로그램 영상 재현에 유리하다. 하지만 위상 홀로그램은 일반 영상신호와 달리 주기성과 무작위성을 지녀 기존의 영상처리 기술이나 영상 압축 기술을 그대로 적용해선 좋은 결과를 얻기 어렵다. 

‘홀로그램’과 ‘영상’ 두 분야 지식 모두 보유, 교내 연구팀과 공동연구 진행
위상 홀로그램을 실제 서비스에 적용하기 위해선 대용량의 데이터를 효율적으로 압축하는 기술이 선결돼야 한다. 김휘용 교수 연구팀은 딥러닝 방법론을 개발해 위상 홀로그램이 갖는 주기성을 고려하고 시공간적 무작위성을 규제한다. 김휘용 교수는 “기존 기술보다 압축률이 3배 이상 높은 디지털 홀로그램 영상 부호화 방식 개발에 도전한다”며 “새로운 기술은 기존보다 더 적은 데이터로, 같은 화질을 구현할 것”이라고 강조했다. 이어 그는 “시공간적 무작위성을 규제하지만, 무작위성이 너무 적으면 시야각이 좁아진다는 난제가 발생한다. 시야각을 좁히지 않으며 압축률을 높이는 것이 연구의 핵심”이라고 말했다.

기존의 홀로그램 연구는 광학, 디스플레이와 같은 물리적 연구가 많다. 홀로그램 기술을 한 단계 발전시키려면 물리적인 연구와 더불어 영상신호 처리에 대한 전문성이 요구된다. 홀로그램과 영상, 두 분야의 지식을 동시에 보유한 연구집단이 흔치 않은 상황에서 김휘용 교수 연구팀의 강점이 돋보인다. 연구팀은 영상 압축과 관련된 다양한 국제표준 특허를 보유하는 등 영상신호 처리 분야 전문성을 확보했고, 홀로그램에 대한 이해도가 높다. 김휘용 교수는 “연구팀이 보유한 역량을 접목해 두 분야의 교차점을 깊이 파고들 것”이라고 말했다. 

교내에 다양한 전문가 집단을 보유했다는 점 역시 연구에 든든한 보탬이 된다. 소프트웨어융합학과 강형엽 교수는 반복 최적화 기법을 활용해 위상 정보의 특성을 이용해 무작위성을 규제한다. 그는 장기적으로 홀로그램을 HR(Holo Reality) 분야로 확장할 계획이다. 정보디스플레이학과 민성욱 교수는 홀로그램 획득 및 재현 전문가다. 그는 김휘용 교수 연구팀이 개발한 압축 기술로 복원한 홀로그램 영상의 화질을 평가하고 개선방향을 도출한다. 이후 홀로그램 광학 재현 시스템을 구축해 연구에 활용할 계획이다.

“홀로그램 고압축 부호화를 넘어 국제표준화까지 노력할 것”
홀로그램 영상 고압축 부호화를 달성하면 홀로그램 서비스 실현에 크게 기여할 수 있다. 김휘용 교수는 “홀로그램 구현에 막대한 데이터가 필요하다는 사실은 서비스 상용화에 큰 걸림돌이었다. 이번 연구로 방해 요소를 제거해 서비스 촉진의 계기가 될 것”이라고 주장했다. 그는 “위상 홀로그램은 엔터테인먼트 산업을 넘어 의료, 지형 등 미세 측정 분야에서도 활용 가능해 산업적 파급력이 크다”고 분석했다. 학계에서는 위상신호를 이용해 영상을 처리하는 방법론 제시와, 이를 바탕으로 영상 처리 원천기술을 확보한다는 점에서 가치가 높다.

김휘용 교수 연구팀은 단순히 위상 홀로그램의 무작위성 규제와 압축 효율성을 확보하겠다는 목표를 넘어 ‘홀로그램 영상 압축 기술’의 국제표준화를 위해 매진할 계획이다. 김휘용 교수는 “딥러닝을 이용해 다양한 실감 영상의 데이터를 효율적으로 압축하도록 연구하고, 인공지능 기술을 이용해 영상으로 유용한 정보를 지능적으로 추출하는 연구까지 범위를 확장할 것”이라고 밝혔다.

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