3D Time-of-Flight에서 아티팩트란? 원인과 완화 방법

Time-of-Flight(ToF)는 카메라에서 방출된 광 펄스가 대상 물체에 반사되어 되돌아오기까지의 시간을 측정하여 거리를 산출하는 능동 방식의 3D 센싱 기술입니다. 빛의 속도와 비행 시간을 알면 빛이 이동한 거리를 계산할 수 있으며, 이를 통해 대상 물체까지의 거리를 구할 수 있습니다.

ToF는 다른 3D 센싱 기술과 비교해 많은 장점이 있습니다. 저조도 환경에서도 안정적으로 동작하고, 텍스처가 적은 환경에도 대응할 수 있으며, 깊이 이미지를 생성하는 데 필요한 연산 부하가 비교적 낮다는 특징이 있습니다. 또한 지연 시간이 매우 짧아 실시간 판단이 요구되는 애플리케이션에도 적합합니다. 한편 ToF에는 고유한 아티팩트(측정 오차 요인)가 존재하며, 그 영향을 줄이거나 완화하기 위해서는 적절한 대책이 필요합니다.

모션 아티팩트 (motion artifact)

ToF 시스템에서는 대상 물체까지의 거리를 산출하기 위해 여러 장의 위상 이미지(phase)가 필요합니다. 일반적으로 최소 2장, 주변광 보정을 수행하는 경우 3장, 경우에 따라 4장 이상의 이미지가 사용됩니다. 위상 이미지를 취득하는 센서가 한 번에 하나의 위상만 취득할 수 있고 촬영 대상이 움직이고 있는 경우, 각 위상 이미지에서 대상 물체의 위치가 서로 일치하지 않게 됩니다. 그 결과 여러 위상 이미지를 합성해 깊이 이미지를 생성할 때 모션 아티팩트가 발생합니다. 이로 인해 대상 물체의 형상이 왜곡되어 보이거나 실제와 다른 거리에 표시될 수 있습니다. 또한 HDR(High Dynamic Range) 촬영을 위해 여러 번 노출을 수행하는 경우에도 동일한 현상이 발생할 수 있습니다. 이 과제는 멀티탭 센서(이상적으로는 알고리즘에 필요한 위상 수와 동일한 수의 탭을 갖춘 센서)와 비파괴 판독 방식의 HDR 기술을 결합함으로써 대응할 수 있습니다.

앨리어싱 아티팩트 (aliasing artifact)

이 아티팩트는 빛의 비행 시간이 광원의 발광 주기보다 길어질 때 발생합니다. 센서는 다른 변조 사이클에서 온 빛을 수광할 수 있지만, 그 빛이 어느 주기에 속하는지 식별할 수 없습니다. 그 결과 “X + 발광 주기에 해당하는 거리의 정수배” 위치에 있는 물체가 실제로는 서로 다른 거리에 존재하더라도 동일한 거리 “X”로 인식될 수 있습니다. 이로 인해 3D 깊이 맵이나 포인트 클라우드 데이터에 오차가 발생합니다. 발광 주기를 길게 하면 모호성이 발생하는 거리 범위를 넓힐 수 있지만, 그만큼 측정 정밀도는 낮아집니다. 따라서 두 요소 간의 균형을 맞출 필요가 있습니다. 다중 주파수 방식은 앨리어싱 대책으로 효과적이지만, 모션 아티팩트를 악화시킬 가능성이 있습니다. 반면 듀티 사이클을 유연하게 설정할 수 있는 센서를 사용하면 최대 측정 거리와 모호성 해소 성능을 분리할 수 있으므로 이 과제에 대응할 수 있습니다.

간섭 아티팩트 (interference artifact)

간섭 아티팩트는 여러 대의 ToF 카메라가 동시에 동작하는 환경에서 발생합니다. 한 시스템에서 방출된 빛을 다른 시스템이 수광하게 되면 위상 정보가 흐트러지고 거리 계산에 오차가 발생할 수 있습니다. 일반적인 대책으로는 시분할 다중화(Time Multiplexing)가 사용되지만, 이 방법은 구현이 복잡하며 많은 경우 시스템 간 유선 연결이 필요합니다. 반면 여러 시스템의 동시 운용에 대응하는 기능을 갖춘 센서나 시스템을 채택하면 이 아티팩트의 영향을 줄일 수 있습니다.

3D Time-of-Flight 기술은 높은 정밀도와 프레임 속도, 낮은 지연 시간을 모두 갖추고 있어 로보틱스, 물류, 외관 검사, 치수 측정 등 산업용 애플리케이션에서 널리 활용되고 있습니다. 또한 유연성이 뛰어나 복잡한 환경에서도 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있다는 점이 다른 3D 센싱 기술과의 차별화 요소입니다. 모든 기술과 마찬가지로 ToF에도 트레이드오프가 존재합니다. 장점이 있는 만큼 제약도 존재합니다. 그러나 여기서 소개한 아티팩트는 특히 주의해야 할 과제입니다. 거리 측정에 오류가 발생하면 자율 이동 로봇(AMR)의 충돌이나 협동 로봇(코봇)으로 인한 사고 및 부상으로 이어질 수 있기 때문입니다.

ToF 시스템에서는 이미지 센서의 성능이 최종 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 ToF 용도로 설계된 Teledyne e2v의 Hydra3D+는 모션 아티팩트, 앨리어싱 아티팩트, 간섭 아티팩트와 같은 과제에 대응하는 데 도움을 줍니다. 또한 독자적인 HiRho 기술을 통해 실외 환경에서의 성능 향상에도 기여합니다.

작성자: Yoann Lochardet, Teledyne Vision Solutions

※ 본문은 『Electronics for Engineers』 2026년 2월호에 처음 게재되었습니다.