스마트폰은 내 얼굴을 어떻게 알아볼까?

쌍둥이도 구별하는 Face ID의 놀라운 과학

아침에 잠에서 깨어 스마트폰을 집어 들면 버튼을 누르지도 않았는데 화면이 열린다.

"내 얼굴을 어떻게 알아본 거지?"

불과 몇 초도 걸리지 않는 이 과정에는 수십 년 동안 발전해 온 반도체, 센서, 광학, 인공지능(AI) 기술이 모두 숨어 있다.

오늘은 우리가 매일 사용하는 Face ID(얼굴 인식) 속 과학을 알아보자.

Face ID의 놀라운 과학

얼굴 사진 한 장만 보고 인식하는 걸까?

많은 사람들이 스마트폰이 단순히 카메라로 얼굴 사진을 찍어서 비교한다고 생각한다.

하지만 사실은 전혀 다르다.

사진 한 장만으로 인증한다면 스마트폰 앞에 내 사진을 들이대도 잠금이 풀려야 한다.

하지만 대부분의 최신 스마트폰은 사진으로는 절대 속지 않는다.

왜 그럴까?

그 이유는 스마트폰이 평면 사진이 아니라 3차원 얼굴 지도를 만들기 때문이다.

얼굴에 보이지 않는 점, 수만 개를 뿌린다

Face ID가 시작되면 가장 먼저 하는 일은 얼굴에 적외선(Infrared, IR) 빛을 비추는 것이다.

적외선은 사람의 눈에는 보이지 않지만 스마트폰은 이를 자유롭게 사용할 수 있다.

그 다음에는 얼굴 위에 수만 개의 적외선 점 패턴(Dot Pattern)을 투사한다.

생각해 보면 공사 현장에서 레이저 거리 측정기로 벽의 모양을 재는 것과 비슷하다.

얼굴이 볼록한 곳에서는 점의 위치가 달라지고,

코가 높은 사람은 코 주변의 점이 다르게 보이며,

눈의 깊이나 턱의 모양도 모두 달라진다.

 

결국 스마트폰은

"이 사람이 어떻게 생겼는가?" 보다

"이 사람 얼굴의 입체 구조가 어떻게 되어 있는가?" 를 측정하는 것이다.

적외선 센서는 무엇을 할까?

여기서 가장 중요한 역할을 하는 것이 적외선 센서(IR Sensor)이다.

일반 카메라는 사람이 보는 가시광선을 촬영하지만, Face ID는 보이지 않는 적외선을 이용한다.

적외선을 사용하는 이유는 여러 가지인데 나열해보면 아래와 같다.

• 밤에도 사용할 수 있다.
• 조명의 영향을 적게 받는다.
• 피부색과 상관없이 인식할 수 있다.
• 눈부심이 없다.

그래서 캄캄한 방에서도 얼굴 인식이 가능한 것이다.

ToF (Time of Flight) 센서는 거리를 측정한다

최근 스마트폰에는 ToF(Time of Flight) 센서가 많이 사용된다.

이 센서는 이름 그대로 빛이 왕복하는 시간을 측정(Time of Flight) 한다.

예를 들어

빛이 얼굴까지 갔다가 다시 돌아오는 시간이

0.000000003초(3ns)라고 하면

빛의 속도(초속 약 30만 km)를 이용하여 얼굴까지의 거리를 계산할 수 있다.

쉽게 말하면

박쥐가 초음파를 쏘아 거리를 재는 것처럼,

스마트폰은 적외선을 이용해 거리를 측정하는 것이다.

수십만 개의 거리 정보를 동시에 측정하면

얼굴 전체의 3차원 지도가 완성된다.

CMOS 이미지센서는 눈과 같은 역할을 한다

여기에서 빠질 수 없는 것이 바로 CMOS 이미지센서(CMOS Image Sensor) 이다.

스마트폰 카메라의 핵심소자가 바로 CMOS 이미지센서 인데 이 소자 안에는 수천만 개의 작은 픽셀(Pixel)이 들어 있다.

각 픽셀은 들어오는 빛을 전기 신호로 바꾸는 작은 센서이다.

쉽게 말하면

사람의 눈에 있는 망막 세포와 같은 역할을 한다.

 

최근 CMOS 이미지센서는 수천만 화소, HDR, 저조도 촬영, 초고속 촬영 뿐 아니라

적외선까지 감지할 수 있도록 발전하였다.

결국 Face ID의 "눈" 역할을 하는 것이 CMOS 이미지센서인 셈이다.

AI는 얼굴의 특징을 숫자로 기억한다

Face ID는 얼굴 사진을 저장하지 않는다.

대신 얼굴의 특징을 수천 개의 숫자로 변환한다.

예를 들어 눈 사이 거리, 코의 높이, 턱의 곡률, 광대뼈 위치, 입체 깊이 등을 하나의 벡터(Vector)처럼 저장한다.

잠금을 해제할 때마다 다시 측정하여

이 숫자들이 얼마나 비슷한지를 AI가 판단하는 것이다.

그래서

안경을 써도, 머리를 잘라도, 수염을 길러도, 나이가 조금 들어도

동일한 사람으로 인식할 수 있다.

그렇다면 쌍둥이도 구별할 수 있을까?

많은 사람들이 가장 궁금해하는 부분이다.

일란성 쌍둥이는 DNA가 거의 동일하다.

얼굴도 매우 비슷하다.

그런데도 최신 Face ID는 상당히 높은 정확도로 구별한다.

그 이유는

사람 눈에는 비슷해 보여도

3차원 얼굴 구조에는 미세한 차이가 있기 때문이다.

예를 들어 코끝의 높이, 눈꺼풀 곡률, 광대뼈 깊이, 턱선의 굴곡, 얼굴 폭 같은 수천 개의 특징을 동시에 비교한다.

AI는 이런 아주 작은 차이까지 학습하여 사람을 구별한다.

다만 일란성 쌍둥이의 경우 일반인보다 오인식 가능성이 조금 더 높기 때문에 일부 제조사는 추가적인 보안 설정을 권장하기도 한다.

앞으로는 얼굴뿐 아니라 '생체 전체'를 인식하는 시대

얼굴 인식 기술은 지금도 빠르게 발전하고 있다.

이미 연구되고 있는 기술만 해도 피부 혈관 패턴 인식, 홍채 인식, 정맥 인식, 걸음걸이 인식, 심장박동(PPG) 인식, 귀 모양 인식 등 매우 다양하다.

미래의 스마트폰은 단순히 얼굴 하나만 보는 것이 아니라

여러 생체 정보를 동시에 분석하여 더 안전한 인증을 제공할 가능성이 크다.

우리가 매일 쓰는 스마트폰 속에는 작은 반도체 연구소가 있다

Face ID는 단순한 카메라 기능이 아니다.

그 안에는 CMOS 이미지센서, 적외선 센서, ToF 센서, AI 반도체, 광학 기술, 머신러닝 알고리즘 등이 유기적으로 결합되어 있다.

우리는 스마트폰을 바라보며 단 몇 초 만에 잠금을 해제하지만, 그 순간 기기 안에서는 보이지 않는 적외선이 얼굴을 비추고, 수만 개의 점으로 3차원 지도를 만들며, AI가 얼굴의 특징을 분석하는 복잡한 과정이 순식간에 이루어진다.

평범한 하루의 시작을 열어 주는 얼굴 인식 기능은, 사실 반도체와 센서 기술이 만들어낸 가장 일상적이면서도 놀라운 과학 중 하나인 것이다.