인공위성 카메라와 일반 디지털 카메라는 어떻게 다를까? 위성 사진의 원리를 조사하다

휴대전화나 인터넷 지도로 전 세계 위성사진을 손쉽게 볼 수 있는 시대. 여러분은 우주에 떠 있는 인공위성으로 지상을 어떻게 촬영할지 상상해 본 적이 있나요? 큰 디지털 카메라로 줌을 엄청나게 당겨 찍는 모습을 떠올리시는 분들도 계실 거예요. 인공위성 카메라는 일반 디지털 카메라와 원리가 비슷한 것 같고 다릅니다. 그 차이점을 쉽고 자세하게 알려드릴게요 🙂

렌즈와 반사경의 차이

디지털 카메라와 위성 카메라의 기본 원리는 동일합니다. 빛을 모아 상을 포착한 후 디지털 프로그래밍을 통해 이미지를 만들어냅니다. 빛을 모으는 장치의 직경이 클수록 더 선명한 이미지를 얻을 수 있는 점도 마찬가지입니다. 그러나 디지털 카메라는 대부분 렌즈로 된 형태를 띠고 있는 반면 위성 카메라에는 반사경(거울)이 주로 사용된다는 차이가 있습니다. 위성 카메라에 렌즈 대신 반사경이 사용되는 이유는 무엇일까요?

인공 위성은 가급적 크기를 줄이고 가볍고 튼튼하게 하는 것이 중요합니다.크기가 커지면 무게가 무거워져우주까지 발사하는데 비용이 많이 들어 강도가 약하다고 극한의 우주 환경에 견디기 어려운 때문입니다.일반적인 유리 렌즈는 이런 조건에 크기와 형상, 가공 등의 이유로 많은 제약을 갖고 있으며 적합하지 않아요.유리 렌즈는 빛을 통해서 상을 모읍니다그래서 중간이 투명하지 않으면 안 되고, 양면을 가공해야 합니다.성능을 높이기 위해서 큰 렌즈가 필요한 경우, 가공이 아주 까다롭거나 불가능하게 됩니다.크고 강도 높은 유리 렌즈를 만들기 위해서는 필연적으로 무게도 커지지 않을 수 없습니다.뿐만 아니라 안경 테처럼 틀만으로 고정할 수 있어 단단히 고정하기 어렵습니다.

여러 장의 렌즈 구조를 볼 수 있는 단면도 / / 出典:wikimedia commons

또 디지털 카메라 렌즈는 경통 안에 볼록 렌즈와 오목 렌즈가 여러 장 나열된 구조로 되어 있습니다. 이것은 렌즈의 색수차를 줄이고 배율을 높이기 위해서입니다.고성능 고배율 렌즈 시스템을 만들기 위해서는 여러 장의 렌즈를 사용해야 하고 그만큼 경통의 길이도 길어집니다. 흔히 대포렌즈라고 불리는 망원렌즈가 긴 이유도 이 때문입니다. 수십m 거리의 피사체를 촬영하는 데도 대포렌즈가 사용되는데 600km 상공의 위성에서 유리렌즈로 땅을 찍으려면 경통의 길이가 엄청 길어져야겠죠?

제임스·웹 우주 망원경 거울의 앞면과 뒷면/출처:NASA이지만, 반사경은 다릅니다.반사경은 반사 면을 사용하므로 빛을 부러뜨릴 수 있으며, 이에 따른 긴 카메라도 짧게 할 수 있습니다.또 한쪽 면만 사용하는 양면이 사용되는 렌즈보다 가공성이 상대적으로 뛰어납니다.후방은 평평하지 않아도 되는 정도 경량화로 중량을 줄이도록 다양한 가공이 가능합니다.일반적으로 우주 망원경과 위성에 탑재되는 대형 반사경의 이면이 벌집 모양의 “벌집(honeycomb)”구조로 되어 있습니다.허니콤 구조는 매우 안정되고 적은 면적에서도 큰 압력에 견딜 수 있어요덕분에 반사경이 우주 환경에서도 구부러지거나 틀어지지 않고 공고하게 유지할 수 있습니다.빈 공간이 흔한 형태 때문에 중량이 줄어드는 장점도 있습니다.허니콤 구조를 활용하면 배후를 고르게 한 경우보다 반사경의 무게를 최대 80%까지 줄일 수 있을 것 같네요.

이미지 출처: NASA에서는 반사경을 통해 상을 어떻게 포착할 수 있습니까? 위 영상은 제임스 웹 우주 망원경이 빛을 받아들이고 상을 포착하는 방법을 보여줍니다. 각 거울은 빛을 받아들이면 상을 확대시키면서 빛을 모아줍니다. 또 빛이 일직선으로 통과하는 렌즈와 달리 특정 방향으로 지그재그로 반사돼 이동하기 때문에 전체 길이가 상대적으로 짧아집니다.다만 정확한 상을 받기 위해서는 경면가공이 매우 정밀하게 이루어져야 하는 어려움이 있습니다. 이것은 수십 nm(나노미터) 수준에서 머리카락을 1/1,000 굵기로 자르는 수준의 정확도를 요구한다고 합니다.

 

1979년 허블 우주망원경의 주반사경을 가공 중인 이미지 / 출처 : NASA

그 때문에 위성 카메라용 대 구경 반사경 기술은 미국 프랑스 러시아 등 일부 국가만이 갖고 있었습니다.전략 물자에 포함되고 기술 이전도 엄격히 제한되면서 국산화도 어려웠습니다.그러나 한국에서도 한국 항공 우주 연구원이 한국 표준 과학 연구원 등과 공동 연구를 통해서 2013년 지름 800mm의 초경량 반사경의 국산화를 이루게 되었습니다.그 뒤 2014년에 지름 1m의 반사경의 개발을 거쳐서 2016년 3월에는 실리콘 카바이드(SIC)소재의 비구면 우주용 반사체 개발에도 성공했습니다.이 SIC비구면 반사경의 개발에는 한화 시스템(한화·탈레스)도 참가했답니다.또 2021년 3월에 발사된 차세대 중형 위성 1호 탑재체 고해상도 카메라에는 모두 국산화된 반사경이 적용됐습니다.촬영 방식의 차이https://www.sciencetimes.co.kr/wp-content/uploads/2021/08/ERS-2_article.jpg그렇다면 이렇게 받아들여진 빛은 어떻게 사진이 될까요? 일반적인 카메라는 셔터가 빨리 열리고 닫히며 순간적으로 들어온 빛이 상에 연결됩니다. 과거에는 필름에 이미지가 새겨졌고, 최근에는 디지털 이미지 센서가 그 역할을 하고 있습니다.위성 카메라도 초점면에 빛을 모으고 모은 빛을 전자신호로 변환하는 과정은 비슷합니다. 하지만 위성 카메라는 일반 카메라처럼 찰나의 순간을 포착하지 않고 사용자가 원하는 시간 동안 지속적으로 상을 기록합니다. 인공위성이 정지하지 않고 지구 주위를 빠르게 공전하기 때문입니다.위성 사진 촬영의 2개 원리(위스크 블룸/푸쉬 블룸)을 나타내는 애니메이션/출처:NASA의 일반 카메라가 도장을 찍도록 면을 누르는 것과 달리 위성 카메라는 복사기나 스캐너처럼 선형적으로 상을 스캔 합니다.초기의 위성 카메라는 마치 빗자루가 쓸게 상을 기록한 위스크 블룸(whisk broom)방식으로 시작되면서 요즘은 일정 범위를 수직으로 한번으로 스캔하는 푸시 브룸(push broom)방식으로 발전했다고 합니다.이처럼 지속적으로 촬영한 데이터를 위도, 경도 및 지형 정보에 모두 매핑 하는 모자이크처럼 연결시키면 우리가 보는 위성 사진이 완성됩니다.해상도 차이이러한 촬영 방식의 차이에서 해상도를 나타내는 기준도 다릅니다. 통상의 디지털 카메라는, 「화소」로 해상도를 나타냅니다. 화소란, 디지털 화상을 구성하는 최소 단위(점)입니다. 예를 들어 1000만 화소라고 하면 한 장의 이미지를 1000만 개의 점으로 표현한다는 뜻입니다. 점이 많아질수록 이미지가 더 정교해질 거예요.한편 위성 카메라는 해상도를 cm, m등의 범위로 나타냅니다.이는 1픽셀에서 그만큼의 범위를 나타낼 수 있다는 뜻입니다.즉, 1m급 위성 카메라는 1픽셀로 지상 1m× 1m의 공간을 거두었습니다.화소라는 다른 단위가 작아질수록 이미지가 정교하게 됩니다.예컨대 1,000×1,000픽셀 크기의 이미지로 1m급 카메라는 1㎢의 지형을 볼 수 있지만 0.5m급 카메라는 0.25㎢의 범위를 더 자세히 볼 수 있으니까요.현재 군사 용이 아닌 민간 상업용 위성 중 최고 해상도는 0.3m급 수준입니다.이는 1픽셀에 30cmx30cm의 공간을 거둘 수 있고 위성 사진에서 도로상의 자동차의 종류를 구분할 수 있을 정도래요.이런 0.3m급 광학 위성을 한국에서도 개발 중이라는 것 아시죠?세 트랙 아이의 “공간 아이 티(Space Eye-T)”이 주인공입니다.세 트랙 아이의 공간 아이 티(Space Eye-T)출처 : 세트렉아이 홈페이지세트렉아이는 국내 최초의 위성인 우리별 1호 개발인력을 중심으로 1999년 설립된 위성개발 전문기업입니다. 세계적으로 검증된 위성 시스템 개발 능력을 보유하고 위성 시스템을 해외에 수출하고 있는 국내 유일의 기업이기도 합니다. 2021년에는 한화에어로스페이스가 지분을 인수하면서 협력 관계가 됐습니다.출처 : 세트렉아이 홈페이지세트렉 아이의 스페이스 아이 시리즈는 다양한 목적과 관측 환경에 대응하는 고성능 지구 관측 위성입니다. 이 중 현재 2024년 발사를 목표로 개발 중인 스페이스 아이티는 0.3m급 초고해상도 전자광학 탑재체를 탑재한 위성입니다. 지도 제작, 농업, 재해 대응, 국토 관리 등 폭넓은 분야에서 활용될 전망입니다.출처 : 세트렉아이 홈페이지세트렉아이는 위성 시스템 기술뿐만 아니라 한국아리랑위성(2/3/3A/5호) 영상을 독점 제공하는 SI Imaging Services와 인공지능 기반 위성 영상 분석을 전문으로 하는 SI Analytics를 자회사로 설립했습니다. 이를 통해 글로벌 지구 관측 솔루션 시장을 선도하고 있습니다. 앞으로 스페이스 IT 개발이 성공하면 얼마나 풍부한 위성 관측 정보를 얻을 수 있을지 기대됩니다 :)일반 디지털 카메라와 비슷한 것 같고 다른 위성 카메라의 원리. 쉽게 이해가 되셨나요? 앞으로 광학위성 기술이 발달하여 보다 정교한 위성사진을 얻을 수 있게 되면 우리 생활도 많은 변화가 일어날 것입니다. 영화에서 본 것처럼 위성 이미지로 범죄 현장을 포착하는 것이 가능할지도 모릅니다. 위성사진의 다양한 용도를 상상해보는 것도 재미있지 않을까요 :)일반 디지털 카메라와 비슷한 것 같고 다른 위성 카메라의 원리. 쉽게 이해가 되셨나요? 앞으로 광학위성 기술이 발달하여 보다 정교한 위성사진을 얻을 수 있게 되면 우리 생활도 많은 변화가 일어날 것입니다. 영화에서 본 것처럼 위성 이미지로 범죄 현장을 포착하는 것이 가능할지도 모릅니다. 위성사진의 다양한 용도를 상상해보는 것도 재미있지 않을까요 🙂