Digital Image Fundamentals #빛과 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)

지난 포스팅(#디지털 영상 처리를 활용하는 분야의 예시)에서 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)을 잠깐 다루었다. 이번 포스팅에서 이를 좀 더 자세히 살펴보자. 

- 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum): 

1666년 아이작 뉴턴(Issaac Newton)은 햇빛이 단순히 흰색 빛이 아니라 연속적인 컬러스펙트럼으로 구성된다는 것을 프리즘을 통과했을 때 보라색부터 빨간색까지 연속적인 컬러 스펙트럼이 만들어지는 현상을 통해 발견하였다. 아래 그림과 같이 이 보라색부터 빨간색까지의 범위를 가시광선이라 하는데, 우리 눈에 보이는 영역을 의미한다. 그림에 보여지는 것과 같이 이 가시광선 영역은 전체 전자기 스펙트럼에서 아주 작은 부분에 해당한다. 우측 끝엔 라디오(Radio)파가 위치해 있고 가시광선 역역에 비해 파장이 수십억배 길다. 반대로 좌측 끝엔 감마선(Gamma Ray)이 있으며 가시광선에 비해 파장이 수백만배 짧다. 아래 그림을 참고하자. 

전자기 스펙트럼은 파장(wavelength), 주파수(frequency) 로 표현된다. 이러한 파장과 주파수의 관계는 아래 식과 같이 표현된다. 람다는 파장을, 주파수는 v, c는 광속을 각각 의미한다. 

전자기 스펙트럼의 에너지는 주파수에 특정 상수를 곱하여 표현하는데, 아래 식과 같다. 

여기서 h는 Plank's 상수이다. Plank's상수는 입자의 에너지와 진동수의 비를 나타낸 상수로써 h=E/f로 정의 된다. 양자역학의 기본 상수 중 하나이다. (출처: 위키백과)

각 요소의 단위는 다음과 같다. 

전자기파는 사인파(sinusoidal waves)를 람다(lambda)길이 만큼의 파장으로 전파시키는 것으로 볼 수 있다. 혹은 질량이 없는 입자(particles)들의 흐름(stream)으로써 wave형태의 패턴으로 빛의 속도로 움직이는 것으로 생각할 수도 있다. 

람다(lambda)는 사인파의 주기를 뜻하는 것으로 사인파는 똑같은 패턴의 신호가 주기적으로 나타나는 형태이다. 즉 처음 나타난 패턴의 한 점이 다시 나오기까지 걸리는 시간을 의미한다. 

각 무질량 입자(massless particles)들은 어느 정도의 에너지 덩어리를 가지고 있는데, 각 덩어리 에너지를 우리는 광자(photon)라 부른다. 에너지에 대한 얘기를 해보자면 에너지는 식(2)에 정의되어 있는데, 에너지는 주파수에 비례함을 식(2)로부터 알 수 있다. 즉 주파수(frequency)가 높을 수록(주파수가 높으면 주기는 짧아짐) 광자가 더 많은 에너지를 갖게 된다. 따라서 라디오파는 가장 낮은 에너지를 가지고, 적외선(infrared), 가시광선(visible), 자외선(ultraviolet), X선(X-ray), 감마선 순으로 높은 에너지를 갖는다. 이를 통해 우리는 왜 감마선이 인체 조직에 위험한지를 알 수 있다. 높은 에너지를 가진 감마선이 인체를 투과하며 조직을 파괴하거나 변형시키는 등 인체에 위험을 초래할 수 있다. 

- 가시광선(Visible Ray):

빛은 우리 눈에 감지가 되는 특수한 형태의 전자기 방사(electromagnetic radiation)이다. 우리 눈에 보이는 빛 영역인 가시광선은 위 그림에서 색깔로 처리되어 확대하여 나타나 있다. 가시광선 영역은 파장의 길이가 약 0.43μm(보라색) ~ 0.79μm(빨간색)에 걸쳐 분포해 있다. 에너지가 강한 순서대로(주파수가 높고 파장이 짧은 순서) 나열해보면 보라, 파랑, 초록, 노랑, 오렌지색, 그리고 빨간색의 순으로 분포하며, 색의 변화는 연속적으로 변한다. 무지개 색을 떠올리면 쉽게 연상이 될 것이다. 

Image Reference: http://www.gridgit.com/post_light-reflection-diagram_14728/

인간은 눈으로 어떤 물체의 형태와 색깔을 인지할 수 있는데, 이러한 물체의 색깔은 물체가 반사하는 고유의 특성에 따라 인식된다. 쉽게 말해 물체의 표면 특성에 따라 전자기 스펙트럼의 영역에서 반사하는 정도가 다른 것이다. 예를 들어 초록색 공이 있다고 가정했을 때, 이 물체가 초록색으로 보이는 것은 공의 몸체가  500~570 nm 파장 영역의 빛을 주로 반사하는 반면, 다른 파장의 빛에너지는 대부분 흡수하기 때문이다. 위 그림에 보이는 사과가 빨갛게 보이는 까닭도 같은 이유에서다. 모든 파장의 빛을 고르게 반사하는 물체는 흰색으로 보인다. 

- 단색광(monochromatic light):

색깔이 없는 빛을 우리는 단색광(monochromatic light)이라 한다. 이러한 단색광이 가지는 유일한 속성은 바로 빛의 밝기 강도(intensity)이다. 단색광은 우리 눈에 검은색에서 점차적으로 회색, 그리고 흰색으로 변하는 것으로 인식되기 때문에 보통 gray level이라는 용어가 이 단색광의 밝기 강도를 나타내기 위해 사용된다. 결국 intensity와 gray level은 같은 의미이다. 이렇게 검은색에서 회색, 그리고 흰색으로 변하는 범위를 우리는 gray scale이라고 하며, 이러한 gray scale을 사용하는 흑백 이미지를 gray scale image라고 부른다. 

- 유색광(chromatic light):

유색광은 전자기 스펙트럼에서 대략 0.43μm(보라색) ~ 0.79μm(빨간색) 파장의 영역에서 분포한다. 유색광은 주파수와 함께 다음의 세 가지 요소들로 설명될 수 있다.

복사휘도(Radiance): 광원으로부터 흐르는 에너지의 실제 총량. 보통 와트(W, watts) 단위로 측정됨

발광휘도(Luminance): 관찰자가 감지할 수 있는 광원으로부터 흐르는 에너지의 양. 루멘스(lm, lumens) 단위로 측정됨

명도(Brightness): 인간이 느끼는 주관적인 빛의 밝기. 정확히 측정하기는 어렵다. 컬러 정보의 느낌을 기술하는데에 있어 핵심 요소임

위의 말을 토대로 판단해보자면 복사 휘도와 발광 휘도의 개념이 조금 헷갈릴 것이다. 이와 관련된 예를 들어보자. 

어떤 광원으로부터 얼마간의 적외선(infrared)이 방출되었다. 이 광원으로부터 나온 빛은 얼마의 에너지, 즉 복사휘도(Radiance) 에너지를 가지고 있다. 그러나 관찰자는 이를 감지할 수 없었다. 이때의 발광휘도(Luminance)는 거의 제로에 가깝다. 즉 복사휘도와 발광휘도를 나누는 기준은 관찰자(사람)가 감지할 수 있느냐 없느냐에 달려있는 것이다. 정리하자면 복사휘도는 방출한 빛 에너지의 실제 총량을, 발광휘도는 관찰자를 기준으로 관찰자가 감지할 수 있는 빛 에너지의 총량을 나타내는 것이다. 

- X선과 감마선(X-rays and Gamma radiation):

가시광선에 이어서 전자기 스펙트럼에서 높은 에너지를 가지는 영역을 살펴보자. 좌측 끝에는 X선(X-rays)과 감마선(gamma radiation)이 위치해 있다. 감마선은 의료, 우주, 원자력환경에서 중요한 역할을 한다. X선도 Hard(High energy)와 Soft(Low energy)의 경우로 나눌 수 있는데, Hard의 경우 산업현장에서, Soft의 경우 의료 분야에서 흉부나 치과 치료를 위한 이미지를 촬영하는데 사용된다. 

이 밖에도 전자레인지에 사용되는 마이크로파(Microwaves), TV와 라디오에 사용되는 라디오파(radio wave)등이 있다. 

비록 대부분의 이미지들이 전자기파에 의해 방출되는 에너지에 의해 형성된다곤 하지만, 어떤 이미지를 형성하기 위한 방법은 이것이 전부가 아니다. 예를 들면 물체로부터 반사되는 소리로부터 이미지를 형성하는 초음파 이미지(ultrasonic images)가 있다. 또한 전자현미경(electron microscopy)의 전자빔(electron beams)에 의해 형성된 이미지, 그래픽스(graphics)에 의해 합성된 이미지 등도 이러한 예 중 하나 이다.