▒ 홍채와 동공의 특성

1. 홍채

          

  홍채는 눈의 수정체와 각막·안방수 사이에 존재하며, 외부에서 관찰할 수 있는 유일한 체내기관이다. 직경은 약 11mm 정도로써 동공의 개폐를 조절하는 근육으로 구성되어 있으며, 외부로부터 안구내에 입사하는 빛의 양을 조절한다. 구성형태는 동공괄약근·동공산대근·교원질 섬유·자율신경환·동공주름 등으로 엉켜있으며, 착색과 함께 홍채의 무늬를 만든다. 오른쪽 그림은 이러한 홍채패턴이 잘 보이도록 부각하여 나타내었으며, 방사 및 회전방향으로의 변형이 어우러져 지문과 같은 독특한 무늬를 형성한다.
사람의 눈은 보통 임신 6개월까지 형성되고 그 시점에서 홍채가 구성되기 시작하며 이러한 성장은 대개 생후 수년 이후 멈춘다. 동공쪽 ⅓지점에 자율신경환(홍채주름)이 있으며 이곳을 기준으로 안쪽에는 동공괄약근이, 바깥쪽에는 동공산대근이 존재한다. 동공괄약근영역은 무늬가 복잡하게 나타나며, 동공산대근 영역은 상대적으로 무늬가 적게 나타난다. 신체에 발생되는 여러 신호들이 뇌를 통하여 홍채의 신경에 반영되며, 동공괄약근은 부교감신경계, 동공산대근은 교감신경계의 지배를 받는다. 부교감신경계와 교감신경계는 자율신경계에 속한다. 자율신경계란 사람의 의지와는 관계없이 신체를 유지하기 위해서 자율적으로 반응하는 신경을 말한다.
  홍채의 80%는 출생시에서 5∼8세 사이에 유전적으로 완전히 형성되어 변하지 않으나 20%는 후전적인 질병이나 장기의 문제로 모양이 변한다. 불변의 패턴은 유전적·체질적 특성을 나타내고, 변하는 무늬 및 색깔은 후천적인 질병발생에 의한다. 따라서 이러한 특징에 기반하여 홍채는 홍채인식같은 개인 신분확인 시스템, 홍채학같은 건강판단시스템으로의 적용이 된다.
유전적인 요소에 의해 형성된 패턴은 그 사람의 체질을 나타내므로 개인고유의 정보로써 사용될 수 있다. 또한 건강상태 변화는 몸으로 잘 느끼지 못할지라도 일반적으로 장기간에 걸쳐 진행이 되기 때문에, 일정기간내에서는 후천적인 요인에 의한 변화도 개인 고유의 정보로써 이용될 수 있다. 하지만 일정기간이 경과하면 홍채정보를 갱신해 주어야만 신분확인정보로써 사용이 가능하다. 홍채의 색깔은 흑백영상에서는 잘 표현되지 않기 때문에 색깔의 변화가 홍채정보에 미치는 영향은 작다. 따라서 질병 등에 의한 홍채의 패턴변화가 심하지 않다면 홍채를 개인고유정보로써 사용하는데 무리가 없을 것이다.
  지문의 패턴을 개인고유정보로 사용하는 지문인식시스템에서의 제한점은 지문손상이 심할 경우에는 제대로 사용하기가 어렵다는 것이다. 또한 습진이나 상처, 지문 마모율이 높은 직업을 가진 사람들에게는 지문인식을 제대로 적용하기가 힘들다. 홍채인식에 있어서도 홍채의 신경이 뇌와 연결되어 있기 때문에 질병이나 신체의 변화에 의하여 홍채의 패턴이 심하게 영향을 받게 되면 사용하기가 힘들다. 따라서 안정적인 홍채인식을 이루기 위해서는 질병발생과 홍채부위 변화관계에 대한 의학적 연구가 함께 진행되어야 할 것이다.

2. 동공
 동공은 외부의 빛이 망막의 시신경에 닿을 수 있도록 하는 통로이다. 밖에서 바라보는 동공은 검은색을 띠며 이는 빛이 동공을 통하여 안구 속으로 흡수되어 반사되지 않기 때문이다. 따라서 동공의 외부형태는 눈의 색깔에 관계없이 항상 어두운 검은색을 띠게 된다. 하지만 안경 및 콘택트렌즈 착용, 백내장의 경우에는 빛의 반사 현상이 발생하여 외부에서 바라보는 동공의 밝기가 다르게 나타난다.
  동공은 눈으로 들어가는 빛의 양을 조절하기 위한 수축·팽창작용에 의해 크기가 변하지만, 동공자체 조직에 의한 변형이 아닌 동공을 둘러싸는 홍채의 근육조직에 의해 동공의 크기가 조절된다. 동공은 가상의 신체부위로서 각막, 수정체 사이에 존재한다. 따라서 외부에는 관찰하는 동공의 형태는 각막으로 둘러싸인 검은 신체조직으로 보여지게 된다.
  정상적인 경우에는 동공의 모양이 원 형태를 이룬다. 하지만  자세히 관찰하면 동공의 모양이 약간 왜곡이 되어 있음을 알 수 있다. 홍채를 구성하는 동공괄약근과 동공산대근이 수축·팽창 운동을 하며 동공을 원 형태로 만들게 되지만 근육운동의 차이로 인해 약간 찌그러지게 된다. 그렇지만 대개 그 찌그러짐이 작아 원으로 간주하는데 큰 무리가 없다.
비정상적인 상황에서는 동공의 왜곡이 크게 나타나기도 한다. 사람이 놀람, 긴장, 흥분, 격분 등의 정신적 변화가 생겼을 때 손에 땀이 난다거나, 몸이 떨린다거나 하는 등의 신체적 변화를 동반하게 되는데 이는 몸의 신경들이 유기적으로 연결되어 있다는 증거이다. 이처럼 홍채는 신경이 뇌와 척추에 연결되어 있어 몸의 정신적, 신체적 상태를 반영한다. 밝은 곳에서 동공이 축소되고, 어두운 곳에서는 동공이 확대되는 현상을 관찰할 수 있으며, 놀랐을 때도 동공의 크기가 변화하게 된다. 의식을 잃었을 때는 동공의 반응이 정지되는데 이는 곧 홍채신경의 반응이 정지된다는 말과 같다. 또한 질병에 의해 뇌의 신경신호가 홍채에 전달되면 동공의 왜곡이 훨씬 심해질 수 있다. 이렇듯 홍채의 신경은 뇌로부터 계속 신호를 받으며 몸의 상태를 표현해 준다. 이러한 동공을 원으로 표현하면 홍채영역에 대한 수학적인 변환 및 분석이 쉬워진다. 동공의 왜곡으로 인해 원을 이루지 않더라도 원으로 나타내면 수학적 처리측면에서 유리하며, 동공의 크기와 중심이 바뀌더라도 좌표상에서의 변환분석이 가능하다.
사람은 물체를 보기 위하여 안구를 이동시킨다. 이때 홍채는 안구의 고정된 위치에 존재하므로 안구이동에 따라 함께 움직이게 된다. 홍채 내에 존재하는 동공은 홍채근육의 움직임에 의해서도 변하기 때문에 안구의 움직임에 대한 동일한 위치변화량을 가진다고 볼 수는 없다. 동공은 몸의 긴장상태에 의해 꾸준히 수축, 팽창운동을 하고 있으며, 동공의 크기 변화와 함께 그 중심도 일정하지 않다. 따라서 동공의 위치는 유연성을 갖는다고 볼 수 있다. 동공은 홍채의 중심부분에 존재하지만 동공의 중심과 홍채의 중심은 일치하지 않는다. 일반적으로 동공의 중심은 홍채의 중심으로부터 얼굴 가운데 쪽으로 위치하고 있다.
동공과 홍채내의 근육조직들의 움직임은 고무판운동으로 비유할 수 있다. 동공의 위치가 변함에 따라 홍채의 패턴들이 고무줄처럼 탄력적으로 따라 움직이게 된다. 고무판 운동형태로 변화하는 홍채내의 미세한 무늬정보를 추출하기 위해서는 동공과 공막으로 둘러싸인 홍채영역을 정확히 찾아야 한다.


3. 홍채영역
그림 2-6에서 홍채영역은 동공경계(홍채의 안쪽경계)와 홍채경계(홍채의 바깥경계)로 이루어진 도너츠 형태를 가진다. 가시광선 조명환경에서의 갈색 눈은 홍채와 동공의 밝기분포가 비슷하여 동공경계가 잘 보이지 않지만, 적외선 조명 및 흑백카메라 환경에서는 홍채와 동공의 밝기차가 많이 나기 때문에 도너츠 형태의 홍채영역이 잘 드러난다. 따라서 홍채영역을 추출하기 위해서는 적외선 조명을 사용하는게 좋으며, 홍채경계보다는 특징이 뚜렷한 동공경계를 먼저 추출하는게 바람직하다. 본 논문에서는 홍채의 안쪽경계를 동공경계로, 홍채의 바깥경계를 홍채경계라고 표현한다.
홍채의 크기는 약 11mm정도의 크기로 거의 일정하다. 가시광선조명에서는 홍채와 공막(흰자위)의 밝기차가 크기 때문에 동공경계를 쉽게 구분할 수 있지만, 홍채경계는 경계가 두껍고 블러(blur)되어 있기 때문에 경계를 정확히 찾기가 힘들다.

  출처: 개인식별을 위한 홍채영역 추출연구(윤훈주, 연세대학교 석사학위논문)