영상 처리에서 다양한 Scale에서 영상을 처리 하기 위해 Scale Space, Image Pyramid을 활용한다. 이러한 multi-scale 방법론에 대한 설명은 많이 찾아볼 수 있었지만, 정작 Image Scale이 무엇인지 정확히 다루는 내용을 보긴 힘들었다. Image Scale에 대한 내용을 찾던 중 아래 2004년에 발간된 Horning의 자료[1]를 발견했고, 해당 자료를 참고해 Image Scale과 Resolution에 대해 이해하고자 한다.
What is Scale?
image scale(혹은 map scale이라고도 불린다.)은 이미지와 그 이미지가 담고 있는 실제 모습의 사이즈 혹은 거리의 상대적인 차이다. map scale(지도 척도)를 생각하면 이해가 쉬워진다. 그림 1과 그림2는 척도(scale) 달리해서 구글맵을 캡쳐한 이미지다. 두 그림에서 오른쪽 아래에 동일한 길이의 막대가 있고 옆에 각각 5km, 10km라고 적혀 있는데, 각 지도에서는 막대 만큼의 길이가 실제로는 5km, 10km 거리를 의미한다는 것이다.
image scale은 이미지 상의 길이(image distance)와 실제 길이(ground distance)의 비율로 표기한다. 예를 들어 1:100,000 scale에서 이미지의 1cm가 현실에서 100,000cm(1km)를 표현한다. 표1은 image scale과 image distance 별로 실제 길이(ground distance) 정리했고, 표2는 image scale과 image area 별로 실제 넓이(ground area)를 hectares(1ha=10,000㎡)로 정리했다.
Scale 표현법 : Scale이 크다, 작다
multi-scale 방법론에 대해 설명할 때 등 scale이 크다, 혹은 작다라고 표현하는 경우가 많은다. 하지만 Scale은 분모로만 표현할 때가 많기 때문에, scale을 크기로 표현하는 것은 헷갈릴 수 있으므로 지양해야 한다. scale 표현 방법 때문에 헷갈릴 수 있는 예를 들어보자. 1:100,000 scale은 실제로는 1/100,000 비율이고, 100,000 scale이라고 말한다. 1:100,000 scale은 1:40,000 scale보다 작은데, 1/100,000이 1/40,000보다 작기 때문이다. 똑같은 의미지만 이를 두고 100,000 scale이 40,000 scale보다 작다고도 말한다. 속뜻은 1/100,000과 1/40,000을 비교하는 것이지만, 실제로 말로 혹은 글로 소통할 때는 100,000이 40,000보다 작다는 표현을 한번 더 생각해서(역수를 취해서) 이해해야 하기 때문에 충분히 헷갈릴만 하다. scale의 크기 표현은 비율에 대한 이해를 왜곡하기도 하지만, ground 지표(길이, 넓이)에 대한 이해도 왜곡할 수 있다. 똑같은 호수에 대해서 1:100,000 scale 이미지와 1:40,000 이미지가 있다고 하자. 1:40,000 이미지가 scale이 더 크기 때문에, 호수의 크기도 더 크다고 착각할 수 있다. 따라서 [1]에서는 large scale과 small scale을 표현할 때 "coarse scale", "fine scale"을 사용하는 것을 대안으로 제시한다. 마땅한 한국어 표현을 찾지 못해서 한국어로는 어떻게 표현해야 적절할 지 더 생각해봐야할 문제다.
What is Resolution?
이 글에서 Resolution(해상도)은 Spatial Resolution(공간 해상도)을 의미한다. 한 이미지의 Resolution은 하나의 픽셀이 현실의 얼마만큼의 사이즈를 나타내는지에 관한 지표다. Resolution이하나의 값일 때는 정사각형의 한 변의 길이를 나타낸다. 예를 들어 Resolution이 30m라는 것은 하나의 픽셀이 현실 세계에서 30m X 30m의 넓이를 표현한다는 것이다. 만약 픽셀이 나타내는 실제 넓이가 직사각형이라면 높이 X 너비로 표현된다 (i.e., 56m X 79m)
Resolution는 디테일에 대한 지표이다. 기본적으로는 resolution 값이 작아야 디테일하게 볼 수 있을 것이다. 그림1은 the University of Maryland at College Park를 1m, 10m, 30m, 250m 해상도로 촬영한 위성 영상이다 [2]. image scale은 동일하기 때문에 Resolution에 따라 디테일한 표현이 어떻게 달라지는지 볼 수 있다. 결론적으로 Resolution값이 1m에서 250m로 커지면서 가질 수록 이미지의 픽셀 수가 줄어들고, (C), (D)에서는 픽셀을 눈으로 구분할 수 있을 정도록 크기가 커진 것을 볼 수 있다.
디테일한 이미지
실제 이미지에서 디테일은 이미지 resolution와 scale을 다 같이 고려해야 한다. scale과 resolution이 작은 값을 가지는 이미지는 좁은 범위의 디테일한 부분이 잘 담겨있을 것이다. 현미경으로 본 세포 사진을 예로 들 수 있겠다. 반대로 scale과 resolution이 모두 크다면 그림1 (B)처럼 넒은 범위를 대략적으로 표현하기 좋을 것이다. resolution이 scale보다 상대적으로 작은 경우는 그림1(A)처럼 넓은 범위를 조금 더 자세하게 표현할 것이고, scale이 resolution보다 상대적으로 작은 경우에는 한 픽셀이 표현하는 범위가 점점 넓어져 그림1 (C)와 같이 이미지가 흐리게(blurred) 표현될 것이다.
Reference
[1] Horning, N. 2004. Understanding image scale and resolution, Version 1.0. American Museum of Natural History, Center for Biodiversity and Conservation. Available from http://biodiversityinformatics.amnh.org. (accessed on date)
[2] A systematic view of remote sensing, in Advanced Remote Sensing (Second Edition), 2020. Available from https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/spatial-resolution
