Introduction #디지털 영상처리의 기원

디지털 영상의 첫 번째 응용 분야중 하나는 신문 산업이었는데, 런던과 뉴욕사이에 해저 케이블(submarine cable)을 통해 처음으로 사진이 전송되었다. 

이렇게 생긴 해저 케이블을 통해 전송.. 예전엔 더 허접했을 것이다

이후 1920년대 초에 Bartlane 케이블 사진 전송 시스템(Bartlane cable picture transmission system)의 등장으로 대서양간 이미지를 전송하는데 일주일이 넘게 걸리던 시간이 3시간 안쪽으로 줄어들었다. 특별히 제작된 프린칭 장치가 전송을 위한 형태로 사진을 부호화(coded)하고 받는 쪽에서 이를 복원하는 방식이었다. 

사실 알고보면 전송 절차가 굉장히 복잡하다.. 오른쪽 사진은 이 방식을 통해 전송된 사진

초기에는 사진의 화질이 좋지 않아 이를 개선시키기 위한 많은 고민들이 있었는데, 이와 관련된 문제들이 프린팅 절차와 사진의 흑백 강도의 정도(intensity levels)에 대한 분포 문제였다. 

위의 사진을 얻기 위해 사용되었던 방법은 수신부 터미널에서 tape에 구멍을 뚫어 만들어지는 사진 복제 기술(photographic reproduction)의 선호로 인해 1921년 말에 더 이상 쓰이지 않게 되었다. 

아래 왼쪽 사진은 photographic reproduction 방식을 사용해서 만들어낸 것이다. 

(왼쪽)5단계의 흑백 강도(5-level of gray intensity)로 만들어진 사진. 위의 사진에 비해 화질 개선이 뚜렷하다. 

(오른쪽) 15단계의 흑백 강도(15-level of gray intensity)로 만들어진 사진. 

초기의 Bartlane 시스템은 이미지를 총 5단계의 gray-level(밝기 값을 총 5 단계로 설정할 수 있음을 의미)로 코딩을 할 수 있었다. 1929년엔 15단계로 증가하였다. 이 기간 동안 Light beam을 통한 film plate의 개발로 복제 절차를 상당히 개선시켰다. 

위에서 언급한 사진들은 디지털 영상 범주에 넣긴 했지만 엄밀히 말하자면 디지털 영상 처리의 결과로 얻어진 결과물들은 아니다. 위의 사진들을 만드는 과정에 컴퓨터는 없었기 때문이다. 그러므로 디지털 영상 처리의 역사는 디지털 컴퓨터의 발명과 직접적으로 연관되어 있다. 

사실 디지털 이미지는 대량의 저장소와 컴퓨팅 파워를 요구하기 때문에 디지털 영상처리 분야에서의 진보는 디지털 컴퓨터의 저장, 디스플레이, 전송 기술의 발전에 굉장히 의존적이다. 따라서 컴퓨터의 발전을 논하지 않고는 디지털 영상처리를 이야기할 수는 없을 것이다. 디지털 컴퓨터의 발전 과정을 간략하게 살펴보자. 

디지털 컴퓨터의 아이디어는 5000년 전에 소아시아에서 발명된 주판으로 거슬러 올라간다. 이후 최근의 지난 두 세기동안 인류는 현재 컴퓨터라 불리는 장치를 발명하였다. 그러나 사실 현대의 디지털 컴퓨터의 근간은 1940년대 폰 노이만의 다음 두 가지 개념이 소개되면서 부터라고 할 수 있다. 

- 데이터와 프로그램을 기억하는 메모리

- Conditional branching (If then Else와 같은 조건부 분기문을 의미)

이 두 가지 아이디어는 컴퓨터의 심장과도 같은 CPU(Central Processing Unit)개발의 기본 토대가 되었다. 폰 노이만을 시작으로 현재까지 컴퓨터의 큰 발전에 기여한 주요 발달과정이 있었으며 순서대로는 다음과 같다. 

	내용	시기
(1)	Bell 연구소에서 트랜지스터 발명	1948 년
(2)	High-level programming 언어 COBOL(Common Business-Oriented Language)과 FORTRAN(Formula Translator) 발명	1950~1960 년
(3)	Texas Instruments에서 집적회로(Integrated Circuit) 발명	1958 년
(4)	운영체제(Operating System) 발명	1960년대 초
(5)	Microprocessor발명(CPU, 메모리, I/O로 구성된 단일 칩)	1970년대
(6)	IBM 개인용 컴퓨터의 등장	1981년
(7)	컴퓨터 요소들의 점진적 소형화/집적화   - Large scale integration (LI)   - Very large scale integration (VLSI)    - Ultra large scale integration (ULSI)	1970년대 1980년대  ~현재

디지털 컴퓨터의 이러한 발전과 동시에 디지털 영상처리에 매우 중요한 요소인 대용량 저장 시스템과 디스플레이 시스템의 발명이 있었다. 

의미있는 영상처리를 하기에 성능이 충분한 컴퓨터는 1960년대 초에 등장했다. 오늘날 우리가 이야기하는 디지털 영상처리의 탄생은 이러한 컴퓨터들의 효용과 우주 계획(Space program)의 착수로부터 시작된다. 이 두 가지의 조합은 사람들로 하여금 디지털 영상처리의 잠재력에 관심을 기울이게 하였다. 

우주탐사로켓으로부터 수집된 영상을 개선시키기 위해 컴퓨터 기술을 사용한 것은 1964년 캘리포니아 Pasadena에 있는 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)에서 시작되었다. Ranger 7으로부터 전송된 달 영상은 카메라가 가진 특성상 여러 형태의 왜곡이 포함되는데, 이를 교정하기 위해 컴퓨터로 영상을 처리하였다. 아래 사진은 1964년 7월31일 9:09 AM에 Ranger 7에 의해 달 착륙 17분전 촬영된 첫 번째 달 영상이다. 사진에 보이는 마커들은 reseau라 불리며 기하보정을 하기 위함이다. 

미국 우주선에 의해 촬영된 첫 번째 이미지 이기도 하다. 매우 역사적이면서 의미 있는 이미지..

위 프로젝트에서 배운 것들은 이후 다른 우주선 영상의 화질 향상 및 복원 기술의 토대가 된다. 

디지털 영상 처리 기술은 우주산업의 응용 뿐만 아니라 이와 동시에 1960~1970년대에 의료 영상, 원격 자원 탐사(Earth resources observation), 항공 등 여러 산업에 적용된다. 1970년대에 발명된 Computerized axial tomography(CAT), 줄여서 Computerized tomography(CT)라 불리는 컴퓨터 단층 촬영법이 의료 영상의 대표적 예이다. 

1960년대부터 현재까지 디지털 영상 처리 분야는 괄목할 만한 성장을 이뤄왔다. 의학과 우주 계획의 응용 외에도 디지털 영상 처리 기술은 굉장히 산업현장, 생물과학 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 지리학자들은 항공이나 인공위성 사진으로부터 인구 패턴을 분석하기도 하고, 복구가 불가능한 물건이나 비용이 굉장히 많이 드는 실험 결과에 대한 훼손된 사진들을 복원하거나 화질을 향상시키는 데에 디지털 영상 처리 기술을 사용하기도 한다. 또한 고고학에서도 희귀한 유물의 흐릿한 사진을 복원하는데 영상처리 기술을 사용하기도 한다. 이 외에도 물리학이나 핵의학, 법률, 기상 관측 등 다양한 분야에서 디지털 영상처리 기술이 사용된다.