환경·농업·의학·제조업까지 정밀 분석을 위한 ‘하이퍼스펙트럴 이미징’

하이퍼스펙트럴 이미징(hyperspectral imaging, 이하 HSI)이 산업의 요구를 충족할 수 있는 수준으로 비용 대비 성능이 개선되면서, 최근 머신 비전 솔루션 시장의 핵심 기술로 빠르게 자리 잡고 있다. 최근 몇 년간 HIS는 제약, 식품, 재활용, 농업 등 다양한 산업 분야에서 빠르게 발전하며 널리 활용되고 있다. 이는 영상과 분광학(spectroscopy)을 결합한 기술로서, 기존의 X-ray, RGB, 3D 인라인 검사 등 전통적인 검사 시스템과 비교하여 여러 가지 장점을 제공한다.

HSI는 영상 기술과 분광 분석(spectroscopy)을 결합한 방식으로, 기존 시스템이 제공할 수 없는 세부적 정보를 제공한다. 전자기 스펙트럼과 색상 영상 처리등 몇 가지 기본 개념을 활용하여, 기존 기술로는 식별하기 어려웠던 물질의 미세한 차이를 빠르고 정확하게 식별할 수 있다.

이 기사는 HSI의 원리를 이해하기 위해 전자기 스펙트 럼, 색상 이미지 처리 등 기본적인 이미징 개념을 소개 하며, HSI가 가진 주요 장점과 산업 현장에서 성공적 으로 적용된 사례들을 함께 다루기로 한다.

하이퍼스펙트럴 이미징이란 무엇인가?
 

색상 이미징의 기본 원리는 인간의 눈으로 감지할 수있는 전자기 스펙트럼의 영역(가시광선)을 활용하는 것이다. 인간의 눈은 보통 380에서 700nm 사이의 파장을 감지할 수 있으며, 이 파장들을 빨간색에서 보라색까지 무지개의 여러 색상으로 인식한다. 이 중 빨간 색은 가장 낮은 에너지를, 보라색은 가장 높은 에너지를 가지고 있다.

빛이 물체와 상호 작용할 때, 특정 파장의 빛이 물체의 표면에서 반사, 흡수 또는 투과된다. 예를 들어 흰색 물체는 가시광선의 모든 파장을 반사하여 흰색으로 보이지만, 빨간색 물체는 빨간색 파장의 빛만을 반사한다. 특정 색상이나 파장이 물체의 표면에서 반사되지 않을 경우, 해당 빛은 물체에 흡수되거나 투과된 것이다.

전자기 스펙트럼은 다양한 파장 영역으로 이루어져 있으며, 스펙트럼의 상호작용을 연구하는 학문을 분광학(spectroscopy)이라고 한다. 분광 분석은 물질의 특성을 식별하고 재료를 정의하는 강력한 도구로, 각 물질이 방출, 반사, 또는 투과하는 빛의 양과 파장을 기반으로 고유한 스펙트럼 서명을 통해 재료를 식별할 수 있다.

<그림1> 일반적인 카메라는 세 가지 가시광선 대역(빨간색, 녹색, 파란색)을 사용하여 이미지를 생성 하지만, 스펙트럼 이미징을 사용하면 250nm에서 1만5000nm에 이르는 더 많은 대역과 열적외선까지 물체가 어떻게 상호 작용하는지를 검사할 수 있다.

HSI는 이미지 처리 기술과 분광학의 이점을 결합한 것으로, 기존의 RGB 또는 X-ray 기반의 전통적인 영상 기술과 비교하여 재료의 성분이나 특성을 훨씬 정밀하게 식별하고 분류할 수 있는 장점을 제공한다. HSI는 수천 또는 수십만 개의 스펙트럼을 측정하여 위치, 파장 및 밝기 정보를 포함하는 방대한 하이퍼스펙트럴 데이터 큐브를 생성한다.

이러한 기술적 특성을 통해 HSI는 대상 물질의 식별과 분류는 물론, 그 물질의 공간적 분포 및 분리 상태를 정밀하게 파악할 수 있다. 이로써 산업 현장에서 소재의 품질 관리, 검사, 분류 등의 다양한 용도로 효과적으로 활용된다.

<그림2> 나뭇잎의 디지털 사진(위)은 빨간색, 초록색, 파란색의 세 가지 대역을 사용 하여 만들어진다. RGB 데이터는 3페이지짜리 팜플렛과 비슷하다. 반면에 HSI(아래)는 220개 파장의 분광 반응을 포착해 220페이지 분량의 물체에 대한 더 자세한 정보가 들어 있다.

하이퍼스펙트럴 이미징의 주요 장점은?
 

HSI의 가장 큰 장점은 같은 범주 내에서도 더욱 세부적으로 물질을 구별할 수 있다는 점이다. 연속적인 스펙트럼 신호(spectral signature)는 매우 독특하고 높은 분광 해상도를 가지며, 미세한 차이를 명확히 구분할 수 있다.

예를 들어 제약 분야에서 투명 블리스터 포장(Blister Pack) 내부의 알약이나 캡슐 유무를 검사할 때는 기존의 다중스펙트럼 (RGB) 카메라나 엑스레이(X-ray) 검사 장비로도 충분하다. 단순히 블리스터 포장 안에 알약이나 캡슐이 있는지만 확인하면 되기 때문이다.

그러나 각각의 알약이나 캡슐에 실제로 포함된 활성 의약 성분 (API)의 함량까지 정량적으로 측정하는 것이 필요할 경우, 반드시 HIS를 사용해야 한다. HSI는 각 물질의 화학적 특성에 따른 고유한 스펙트럼 곡선(Spectral Curve)을 분석하여, 동일한 형태의 알약이나 캡슐이라도 정확한 화학적 성분을 구분할 수 있다.

<그림3> 높은 데이터 품질과 빠른 작동으로 다양한 환경에 적합한 푸시브룸형 하이퍼 스펙트럼 카메라

제약 산업에서 정성·정량 분석 사례
 

HIS는 제약 제품의 포장 과정에서 발생할 수 있는 치명적 오류를 예방하기 위한 정성적, 정량적 온라인 화학 분석에 매우 적합한 기술이다. <그림4>는 파라세타몰 정제, 아스피린 정제, 이부프로펜 캡슐 등을 실시간으로 구분하고 정밀하게 분류하는 과정에 이미 HSI 기술이 적용돼 있는 것을 보여준다.

<그림4> 파라세타몰, 아스피린, 이부프로펜에 대한 이 스펙트럼 분석은 각각 신뢰할 수있는 분류에 사용할 수 있는 고유한 스펙트럼 시그니처를 가지고 있음을 보여준다.

HIS는 각 물질의 고유한 스펙트럼 시그니처를 통해 정확한 분류가 가능하다. 예를 들어, 파라세타몰은 주황색으로, 아스피린은 보라색으로, 이부프로펜은 파란색으로 나타나며, 이러한 고유한 스펙트럼 서명을 기반으로 간편하게 의약품을 구분할 수 있다.

뿐만 아니라 제약 산업에서 HSI는 알약이나 캡슐에 함유된 활성 의약 성분(API)의 정확한 양을 측정하는 정량적 분석에도 널리 활용된다. 예를 들어 Sea Vision 은 2022년 5월부터 Specim FX 시리즈 하이퍼스펙트럴 카메라를 HarleNIR 알약 검사 시스템에 적용하고 있다. 이 시스템은 근적외선(NIR)을 이용해 블리스터 포장 내 알약의 화학적 구성을 정밀하게 분석하여, 잘못된 성분이나 용량의 알약을 즉시 식별하고, 100% 비파괴적 품질 관리를 가능하게 한다.

<그림5> HarleNIR은 HSI를 사용하여 생산 중 의약품의 화학 성분 검사를 수행한다. HSI는 API 함량에 따라 제품을 정성적으로 구분하고, API와 용량이 다른 약품을 식별하며, API 균일성 분포를 정량적으로 측정하는 데 사용된다.

수직농업(Vertical Farming) 분야에서 활용 사례
 

HIS는 식물의 건강 상태를 모니터링하고 평가하는 데효과적인 기술로, 특히 수직농업(Vertical Farming)과 같은 첨단 농업 환경에서 활발히 활용되고 있다. 식물 잎의 스펙트럼 정보를 분석하면 식물의 성장 상태와 건강을 신속하고 정확하게 파악할 수 있으며, 이를 통해 질병이나 스트레스 상태를 조기에 발견할 수 있다.

HSI는 RGB 카메라, 열화상 카메라, 조도 센서 등과 결합되어 식물 생육 상태 모니터링 시스템에 활용된다. 일반적으로 온실이나 수직농장 내 식물 위쪽이나 측면에 설치된 하이퍼스펙트럴 카메라는 식물 성장 과정을 지속적으로 모니터링하면서 식물의 건강 및 생육 조건을 정밀하게 측정한다.

<그림6> 표현형 분석 시설의 HSI 기술

예를 들어, HSI 시스템이 설치된 온실에서는 식물의 성장 상태를 크기나 외형뿐 아니라 내부 건강 상태까지 세밀하게 점검할 수 있다. 이를 통해 재배자는 식물이 최적의 상태에서 성장하는지 즉각 확인하고 필요한 조치를 취할수 있다.

이러한 정밀 분석 덕분에 HIS 기술은 특히 수직농업 산업에서 각광받고 있다. 좁은 공간에서 고밀도로 식물을 재배하는 수직농업 분야에서는 식물 개별 건강 상태를 신속히 평가하고 관리하는 것이 필수적이기 때문이다. HIS를 통해 재배 효율을 극대화하고 생산량을 안정적으로 유지할 수 있어, 전통적인 농업 방식보다 더욱 경제적이고 효율적인 재배 환경을 제공한다.

식품 산업에서 분류 및 품질 검사 사례
 

HIS는 식품 분류 및 품질 관리 분야에서도 탁월한 성능을 발휘한다. 특히 육안으로는 구분하기 힘든 미세한 색상 차이와 화학적 특성을 정밀하게 분석 하여 이물질을 빠르고 정확하게 식별할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 HIS는 식품 산업에서 단백질 함량 및 영양 성분을 평가하는 데에도 중요한 역할을 한다. 특히 소비자들이 관심을 가지는 육류의 지방 및 수분 함량을 정밀하게 측정하는 데 유용하게 활용된다.

핀란드 세이나요키(Seinäjoki)에 위치한 Atria에서 제공한 다진 고기 샘플 10개를 대상으로, HSI 기술을 활용한 지방 및 수분 함량 분석 연구가 진행되 었다. Specim은 이 연구를 위해 제3자 연구기관인 Seilab에 의뢰하여 샘플의 지방 및 수분 함량을 검증하는 실험을 수행했다.

연구팀은 Specim FX17 하이퍼스펙트럴 카메라를 활용하여 샘플 8개를 기준으로 회귀 모델(regression model)을 구축하고 이를 나머지 2개 샘플에 적용하여 지방 및 수분 함량을 예측했다. 그 결과, Specim FX17 카메라가 다진 고기의 지방 및 수분 함량을 정밀하게 측정할 수 있는 효과적인 도구임이 입증되었다(그림7).

<그림7> Specim FX17을 사용하면 회귀 모델을 사용하여 다진 고기의 수분과 지방 함량을 측정할 수 있다.

재활용을 위한 플라스틱 분류 사례

기존의 플라스틱 수지(resin) 라벨링 및 수작업 선별 방식은 번거로울 뿐만 아니라 오류 발생 가능성이 높아 비효율적이다. 이에 반해 HSI 기술은 화학적 조성을 분석하여 플라스틱 선별을 보다 신속하고 경제적으로 수행할 수있도록 지원한다.

최근 Specim FX 시리즈의 하이퍼스펙트럴 카메라는 플라스틱 재활용 공장에서 다양한 플라스틱 유형을 빠르게 선별하는 데 활용되고 있다. 이 카메라는 고속 처리, 비용 절감, 넓은 스펙트럼 범위 커버리지 등의 장점을 제공하여 재활용 산업에서 효율적인 솔루션으로 자리 잡고 있다.

Specim의 연구에서는 PE(폴리에틸렌), ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), PVC(폴리염화비닐), PS(폴리스티렌), PA(폴리아미드), PP(폴리프로필렌), PC(폴리카보네이트), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이 트) 등 가장 일반적으로 재활용되는 플라스틱 샘플을 측정, 분석 및 분류했다. 연구 대부분은 흰색 또는 투명한 플라스틱 샘플을 대상으로 진행되었으며, 추가적으로 탄소 함유 검은색 샘플도 측정하여 Specim FX50의 성능을 입증했다.

<그림8> Specim FX50은 색상에 관계없이 모든 유형의 혼합 플라스틱 쓰레기를 분류할 수 있다.
 

자료제공: SPECIM(www.specim.com)