빛과 시각

〈화상정보처리〉 수업 노트

빛이란 무엇인가

빛의 본질을 이해하려는 시도는 크게 파동설과 입자설 두 흐름으로 나뉜다.

파동설은 빛이 매질 속을 전파하는 파동이라는 관점이다. 매질이란 빛을 발하는 쪽과 받는 쪽 사이에 존재하는 공기, 물, 진공 등 모든 것을 통틀어 일컫는 말이다. 하위헌스는 이 원리로 굴절 현상을 설명했고, 영의 이중 슬릿 실험은 빛의 간섭을 실증했다. 간섭이란 두 경로를 통과한 빛이 겹칠 때 강해지거나 약해지는 현상으로, 소리의 맥놀이(beat)도 같은 원리다. 이후 프레넬이 편광을, 패러데이가 전자기장과 빛의 관계를 밝혔으며, 맥스웰은 자신의 방정식을 통해 빛이 전자기파의 일종임을 수학적으로 확립했다. 프레넬의 편광 이론은 특정 방향의 빛만 통과시키는 광학 소자의 기초가 되었으며, 동심원상의 홈으로 렌즈 효과를 구현하는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)도 이 원리를 응용한 것이다.

한편 입자설은 빛이 입자적 성질을 갖는다는 주장이다. 뉴턴은 빛을 입자로 간주했고, 플랑크는 흑체 복사 스펙트럼 연구를 통해 에너지의 불연속성을 제안했다. 아인슈타인은 광양자설로 광전효과를 설명하며 빛이 에너지 덩어리(광자)로 행동한다는 것을 보였다.

현대 물리학은 이 두 관점을 모두 수용한다. 빛은 파동과 입자의 성질을 동시에 지니는 이중성을 가진다는 것이다. 2015년 EPFL의 실험에서는 이 이중성이 최초로 같은 순간에 촬영되기도 했다. 이 빛의 입자를 광자라 부른다.

전자기파와 빛

빛은 전자기파 스펙트럼의 일부다. 스펙트럼의 단파장(고에너지) 쪽에는 감마선, X선, 방사선이, 장파장(저에너지) 쪽에는 마이크로파, 라디오파 등 전파가 위치한다. 자외선부터 적외선까지의 구간이 넓은 의미의 ‘빛’으로, 그 중에서도 인간이 지각하는 가시광선은 약 380~780 nm의 극히 좁은 범위다. 적외선 구간의 오른쪽 약 1/3부터는 빛의 성질이 사라지고 열의 성질이 두드러지며, 마이크로파 이후는 전파로 분류된다. 결국 방사선, 빛, 열, 전파는 모두 전기와 자기로 이루어진 파동, 즉 전자기파로 통일적으로 설명된다.

인간의 감각기관이 포착할 수 있는 범위는 매우 좁다. 시각은 이 가시광선 대역만을 감지하고, 청각은 약 20 Hz에서 20,000 Hz 사이의 음파에 한정된다. 전파, 자외선, 적외선 등 우리가 보지 못하는 신호들이 지금 이 공간에도 늘 오가고 있으며, 우리가 인식하는 세계는 자연계 전체의 극히 일부에 불과하다.

공기 중에서의 빛과 열의 전달 방식

빛이나 열이 매질을 통과할 때는 다양한 현상이 복합적으로 일어난다.

흡수(absorption)는 빛이 물체에 부딪혀 그 에너지가 물체 내부로 흡수되는 현상이다. 물체의 색은 흡수를 통해 결정된다. 식물의 잎은 광합성에 필요한 청색 계열(단파장)과 적색 계열(장파장)의 가시광선을 흡수하고, 필요 없는 녹색 빛을 반사하기 때문에 녹색으로 보인다. 잎이 원래 녹색인 것이 아니라, 흡수되고 남아 반사된 빛이 녹색인 것이다.

산란(scattering)은 세 종류로 구분된다. 레일리 산란(Rayleigh scattering)은 입사광 파장보다 훨씬 작은 입자(공기 분자, 물 분자 등)에 빛이 부딪힐 때 일어나고, 단파장(청색, 자외선) 쪽부터 우선적으로 산란된다. 하늘이 파란 이유가 바로 여기에 있다. 맑은 날 바로 위를 바라보면 짙은 청색이지만 지평선 쪽으로 갈수록 하늘색으로 밝아지는데, 이는 시선 방향의 공기층 두께가 다르기 때문이다. 수직 방향에서는 공기층이 가장 얇아 청색만 산란되고, 비스듬한 방향에서는 공기층이 두꺼워져 청색 외 파장도 함께 산란되어 색이 옅어진다. 미 산란(Mie scattering)은 입사광 파장보다 큰 입자(물방울, 먼지, 연기 등)에 빛이 부딪힐 때 일어나며, 파장에 관계없이 모든 색을 동등하게 산란시킨다. 구름이 흰색으로 보이는 이유가 여기에 있다. 구름 속 수분이 과도해지면 흡수가 늘어 회색으로 어두워지므로, 짙은 회색 구름은 비를 예고한다. 라만 산란(Raman scattering)은 빛이 분자에 부딪힐 때 반사광의 파장이 약간 변화하는 현상이다. 부딪히는 분자의 종류(질소, 산소, 이산화탄소 등)에 따라 파장 변화량이 달라지므로, 라만 산란을 분석하면 대기 성분을 비침습적으로 식별할 수 있다.

반사(reflection)는 빛이 표면에 부딪혀 되돌아오는 것, 투과(transmission)는 매질을 그대로 통과하는 것, 굴절(refraction)은 빛이 다른 매질로 진입할 때 방향과 속도가 바뀌는 현상이다. 이 굴절 때문에 금붕어를 잡거나 얕은 물속의 물체를 정확히 집으려 할 때 실제 위치가 보이는 위치보다 더 깊다는 것을 고려하게 된다.

회절(diffraction)은 장애물 주변으로 빛이 돌아 전파하는 현상이고, 간섭(interference)은 두 빛이 겹쳐 강해지거나 약해지는 현상이다. 레이저 광에서 간섭이 잘 나타난다. 신기루나 브로켄 현상 등도 굴절, 회절이 빚어내는 광학 현상이다.

열의 복사

열은 빛과 달리 외부에 광원이 없어도 스스로 방출된다. 절대온도 0 K(−273 °C)보다 온도가 높은 물체는 어떤 것이든 반드시 적외선 형태의 열복사(radiation)를 방출한다. 즉, 인간의 몸을 포함한 모든 생물과 물체는 주변 환경과 무관하게 끊임없이 열을 방출하고 있다. 이것이 빛과 열의 근본적인 차이다. 빛은 광원에서 출발해 대상물에 부딪혀 반사, 산란되어야 비로소 지각할 수 있지만, 열복사는 열원이 따로 없어도 물체 스스로가 방출 주체가 된다.

눈에 보이는 풍경

광원에서 출발한 빛은 공기 분자에 의해 레일리 산란되어 하늘이 파랗게 보이게 하고, 구름이나 에어로졸에 의해 미 산란되어 구름이 하얗게 보이게 한다. 대상 물체에 도달한 빛은 일부 반사되고 일부 흡수되며 일부는 투과하는데, 이 과정이 우리가 사물의 색과 형태를 인식하는 기반이 된다. 한편 열(적외선)은 눈에 보이지 않지만, 열원으로부터 복사 방식으로 공기, 지면, 대상 물체에 전달된다.

가시광선과 색

가시광선의 파장에 따라 인식되는 색은 연속적으로 변화한다. 380~430 nm 범위는 청보라로 시작해, 파랑(467~483 nm), 청록(488~493 nm), 초록(498~530 nm), 황록(558~569 nm), 노랑(573~578 nm), 주황(586~597 nm)을 거쳐 640~780 nm의 빨강까지 이어진다. 각 색의 경계는 명확하지 않고 파장에 따라 점진적으로 변화한다.

아날로그 시각 센서 「눈」

눈의 가장 앞에는 각막(角膜, cornea)이라는 투명한 막이 있다. 각막은 콘택트렌즈를 올려놓는 부분으로, 혈관이 없어 거부 반응이 비교적 적기 때문에 아이뱅크(Eye Bank)를 통한 타인의 각막 이식이 가능하다. 가벼운 손상은 눈물 속 뮤신(mucin) 성분이 자기 수복하지만, 심한 경우 이식 없이는 시력이 크게 저하된다.

각막 뒤의 공간에는 홍채(虹彩, iris)가 있으며, 홍채 중앙의 구멍이 동공(瞳孔, pupil)이다. 홍채는 들어오는 빛의 양을 조절하는 조리개 역할을 한다. 동공 뒤에는 수정체(水晶体)라는 연성 렌즈가 있다. 수정체 주변의 모양체(毛様体, ciliary body)가 진소대(Zinn’s ligament)를 통해 수정체를 당기거나 느슨하게 하여 두께를 변화시킴으로써 멀고 가까운 거리에 초점을 맞춘다. 안구의 빈 공간은 초자체(硝子体, vitreous body)라는 투명한 젤리 형태의 물질로 채워져 안구의 구형을 유지한다.

안구 벽은 안쪽에서부터 세 겹의 막, 즉 망막(網膜, retina), 맥락막(脈絡膜), 공막(強膜)으로 구성되며, 이를 합쳐 포도막이라고 부른다. 맥락막은 망막에 혈액을 공급하는 혈관층이고, 공막은 가장 바깥쪽의 흰자위 부분이다. 망막 중심부의 중심와(中心窩, macula/fovea)에 초점이 맺히고, 빛이 외부에서 각막을 통과해 수정체에서 굴절된 후 망막에 맺힌 상은 실제와 상하좌우가 뒤집힌 도립상(倒立像)이다. 시신경은 정보를 뇌의 후두엽(後頭部)으로 전달하며, 소리 정보가 전달되는 측두엽과 위치가 다르다.

망막에는 두 종류의 광수용체 세포가 있다. 추체(錐体, cone cell)는 밝은 곳에서 작동하며 색을 구별한다. 단파장 청색을 담당하는 S-추체, 중파장 녹색을 담당하는 M-추체, 장파장 적색을 담당하는 L-추체로 나뉜다. 이들의 분포 비율은 S:M:L = 1:3:6이다. M-추체와 L-추체는 분광 감도가 매우 가까워, 이 두 추체의 감도가 비슷해지게 될 수 있는데, 이렇게 되면 적색과 녹색의 구별이 어려워진다. 이것이 적록색약(赤緑色弱)의 원인이 된다.

간체(杆体, rod cell)는 어두운 곳에서 작동하며 명암만 구별할 뿐 색을 분간하지는 못한다. 대신 감도가 매우 높아 희미한 빛 아래에서도 윤곽을 포착할 수 있다.

망막의 내부 신경회로도 시각 처리에 중요한 역할을 한다. 쌍극세포는 명암 대비를 향상시키고, 수평세포는 공간적 평활화(블러 효과)를 수행하며, 아마크린세포는 시간적 대비를 높인다. 망막의 중심와에는 추체세포가 밀집해 있어 색과 세밀한 정보를 처리하는 중심시를 담당하고, 주변부로 갈수록 간체세포의 비율이 높아지며 움직임과 명암 감지에 특화된 주변시를 형성한다.

시신경이 망막을 관통해 안구 밖으로 나가는 지점에는 광수용체 세포가 없어 빛을 감지할 수 없는 영역이 생기는데, 이를 맹점(盲點, blind spot)이라 한다. 맹점은 코 쪽에 위치한다. 양안 시야에서는 한쪽 눈이 반대쪽 눈의 맹점 영역을 보완하므로 평소에는 의식되지 않지만, 한쪽 눈을 감고 종이에 그린 두 점의 간격을 조절하면 한 점이 사라지는 지점으로 자신의 맹점 위치를 확인할 수 있다.

시세포의 분광 감도

각 시세포는 특정 파장에서 가장 민감하게 반응한다. S-추체는 419 nm, M-추체는 531 nm, L-추체는 558 nm에서 피크 감도를 보이며, 간체는 507 nm에서 가장 민감하다. 밝은 곳(명소시)에서는 추체세포가 우위를 차지하고, 어두운 곳(암소시)에서는 간체세포가 주된 역할을 한다.

명소시에서 암소시로 전환될 때 최대 감도 파장이 이동하는 현상을 푸르키녜 시프트(Purkinje Shift)라 한다. 명소시에서는 추체 기준 555 nm, 즉 빨강, 주황, 노랑 계열이 밝게 보이지만, 암소시에서는 간체 기준 507 nm로 이동해 초록, 파랑, 청보라 계열이 상대적으로 밝아 보인다. 어두운 환경에서 붉은 꽃이 어두워 보이고 파란 꽃이 상대적으로 밝아 보이는 것이 이 현상의 대표적인 예이다.

망막 → 시각 피질

망막에서 수집된 시각 정보는 시교차(視交叉)를 거쳐 대뇌의 시각 영역으로 전달된다. 시교차에서 좌우 시야의 정보가 교차하여, 왼쪽 시야의 정보는 오른쪽 뇌로, 오른쪽 시야의 정보는 왼쪽 뇌로 전달된다. 이후 외측슬상체(LGN)를 경유해 1차 시각 피질(V1)에 도달한다.

V1은 선분의 방향을 검출하는 역할을 하며, 방향 선택, 색 선택, 우위안(優位眼)에 따라 조직된 컬럼 구조를 가진다. 망막 수용야 세포는 수용야 중심에 빛이 들어올 때 활성화되는 ON 중심형과, 빛이 없을 때 활성화되는 OFF 중심형으로 나뉘어 경계선과 명암 대비를 효율적으로 인코딩한다.

2차 시각 피질(V2)는 굵은 줄무늬, 가는 줄무늬, 줄무늬 간격, 윤곽선, 스팟 등 더 복잡한 패턴을 검출한다. V2에서는 착시가 발생하기도 한다. 3차 시각 피질(V3)는 선분의 움직임과 특정 방향, 속도에 선택성을 갖는 세포군(대뇌 상측)과, 색에 반응하는 세포군 VP(대뇌 하측)로 구성되며, 두 영역의 중간에는 V3A가 위치한다.

고차 시각 피질로 올라갈수록 더 추상적인 정보를 처리한다. V4는 V2의 줄무늬 간격 정보와 VP로부터의 입력을 받아 색채를 지각한다. 컬러 코디네이션과 같이 색의 조화를 감지하는 과정에 V4가 크게 관여한다. MT(V5)는 V3와 V2의 굵은 줄무늬 정보를 받아 상(像)과 색의 움직임에 반응하는 세포군을 포함하며, 애니메이션의 매끄러움, 어색함을 판단하는 역할도 여기서 이루어진다. 가장 상위의 MST는 눈, 머리, 신체의 움직임에 따른 시야 전체의 변화를 처리한다. 시선을 빠르게 이동했다가 되돌렸을 때 직전 프레임과 현재 프레임의 정합성을 취해주는 것이 MST의 역할이므로, 높이 뜬 공을 추적하며 포착하는 능력과도 관련이 깊다.

다른 동물의 색 지각

참고: 다양한 동물의 원추형 타입과 최대 시감도 파장

인간은 S, M, L 세 종류의 추체로 색을 지각하지만, 동물마다 추체의 수와 분광 감도가 크게 다르다.

꼬리감는원숭이(Capuchin monkey) 등 일부 영장류는 인간과 마찬가지로 세 종류의 추체를 가지며, 다만 S-추체의 피크 감도가 인간보다 자외선 쪽으로 더 치우쳐 있다. 개와 고양이는 두 종류의 추체만 가지므로 인간보다 식별 가능한 색이 적고, 두 종이 보는 세계는 서로 유사하다. 쥐는 추체가 한 종류밖에 없어 녹색 근처의 좁은 파장대만 구별할 수 있다. 비둘기는 의외로 색 식별 능력이 뛰어나다.

나비와 꿀벌은 자외선을 지각할 수 있어, 인간 눈에 단색으로 보이는 꽃잎도 자외선 흡수 패턴에 따라 수컷과 암컷이 서로 다르게 보인다. 꿀벌과 파리는 배 쪽에 컬러 카메라, 등 쪽에 흑백 카메라가 배치된 복합 구조를 지녀, 후방에서 접근해도 움직임을 감지한다. 모기는 가시광선을 거의 감지하지 못하지만 적외선(열)을 감지할 수 있어, 온혈동물을 어둠 속에서도 찾아낸다.

가리비는 일반적으로 눈을 가진 동물로 분류되지 않지만, 포식자가 접근하면 모래에 몸을 숨기거나 달아나는 행동을 가능하게 하는 정교한 광 감지 기관을 지닌다. 우리가 인식하는 세계는 자연계의 극히 일부이며, 동물마다 각자의 감각 대역에 맞는 전혀 다른 세계를 살아가고 있다.