2025년 한국 이공계 여성대학원생
미국 연수프로그램 참여기

과학기술정보통신부에서는 여성 신진연구자들의연구 활동을 지원하고 이공계 분야 진출을 촉진하기 위해 「한국 이공계 여성대학원생 미국 연수프로그램」을 운영하고 있다. 본 프로그램은 국내 과학기술 분야 여성 신진연구자에게 미국 연구기관에서 연구를 수행할 기회를 제공하고, 한·미 양국 간 연구개발 협력을 통해 연구역량을 높이고자 한다. 지원 대상은 국내 주관연구기관에 소속된 지구과학(Earth Science), 양자과학(Quantum Science), 생명과학(Life Science), 반도체(Semiconductor), 컴퓨터과학(Computer Science) 분야의 석·박사과정 재학생이다. 필자가 지원한 2025년도 사업은 6월 초까지 지원서 신청을 받은 뒤 7월 중 선정 결과를 통보하고, 8월부터 연구과제를 개시하는 일정으로 운영되었다. 이 프로그램의 특징은 일반적인 장학사업이나 단순체재비 지원사업이 아니라 과학기술 연구개발사업의 형태로 운영된다는 점이다. 따라서 연수생은 연구책임자로서 연구계획을 수립하고, 연구비와 연구성과를 직접 관리해야 한다. 또한, 출국 준비비와 현지 체재비를 지원받아 연구과제를 수행하는 방식으로, 선발자는 미국 연구기관에 6개월간 체류하며 연구를 진행한다.

필자는 학위과정 동안 국내 수자원 연구과제에 참여하며 CCTV와 영상자료를 활용한 하천 유속 및 홍수량 산정 연구를 수행해왔다. 이 과정에서 영상으로 산정한 표면유속을 평균유속이나 유량으로 환산하기에 앞서, 추정된 유속 자체의 신뢰성을 먼저 평가해야 한다는 문제의식을 갖게 되었다. 이러한 연구방향은 2026년 1월 5th International Conference on ACE Forensic Engineering 학회에서 발표한 「Flood Risk Management Using AI-CCTV」에도 반영되었으며, 당시 수리실험 영상을 바탕으로 영상 유속계측 결과의 신뢰성을 판단하기 위한 개념적 프레임워크와 평가기준을 제시하였다.
그러나 실제 실험영상만으로는 영상 전체의 기준 유속장을 확보하기 어려워, 알고리즘별 오차가 영상조건과 흐름조건에 따라 어떻게 발생하는지를 구분하여 분석하는 데 한계가 있었다. 따라서 기준 유속장을 알 수 있는 자료를 활용해 알고리즘의 정확도와 적용 한계를 먼저 정량적으로 검증하고, 이를 수리실험과 실제 하천영상으로 단계적으로 확장할 필요가 있었다. 이번 연수는 이러한 연구 공백을 보완하고, 박사학위 연구의 핵심 주제인 영상 기반 유속계측의 신뢰성 평가체계를 구체화하기 위해 추진되었다.
연수기관으로는 미국 애리조나대학교(University of Arizona)를 선정하였다. 애리조나대학교는 수자원 분야의 우수한 연구역량과 교육 기반을 갖추고 있으며, 수리학적 흐름 해석과 영상 기반 계측 연구를 수행할 수 있는 실험시설과 연구환경을 보유하고 있다. 특히 현지 지도교수인 Jennifer G. Duan 교수는 미국지질조사국(U.S. Geological Survey, USGS)의 영상 기반 유속계측 알고리즘 관련 연구과제를 수행하는 등 해당 분야의 연구를 활발히 이어오고 있어, 기존 연구의 한계를 검토하고 현장 적용으로 확장하기에 적합하다고 판단하였다.
그동안 국외 학술대회와 비대면 연구교류를 통해 해외 연구자들과 소통한 경험이 있으나, 장기간 현지에 체류하며 공동연구를 수행할 기회는 제한적이었다. 이에 이번 연수에서는 합성영상을 활용해 영상 유속계측 알고리즘의 신뢰성과 적용 한계를 정량적으로 평가하고, 그 결과를 USGS의 실제 하천영상과 수리실험으로 연결하고자 하였다. 이를 통해 컴퓨터비전과 수리학을 연계한 박사학위 연구의 방향을 구체화하고, 영상 유속계측 기술의 신뢰성과 현장 적용 가능성을 검토하는 것을 주요 목표로 설정하였다.

본 과제는 총 12개월간 추진되었으며, 미국 현지 연수는 2026년 1월 초부터 7월 초까지 약 6개월간 진행되었다. 이번 연수에서는 박사학위 연구의 핵심 주제인 영상 유속계측의 신뢰성 평가를 구체화하고, 합성영상 기반의 알고리즘 검증을 실제 하천영상과 수리실험으로 확장하는 데 중점을 두었다. 관련 연구는 현재 국제학술지 논문으로 발전시키고 있으며, 수리실험 자료는 후속 연구에 활용할 계획이다.

컴퓨터비전 기반 영상 유속계측은 하천 표면의 흐름을 추적하여 유속장을 산정하는 비접촉 계측방법이다. 연수기간에는 광학흐름(optical flow)과 대규모 입자영상 유속계측(Large-Scale Particle Image Velocime-try, LSPIV) 등 여러 기법을 합성영상과 실제 하천영상에 적용하여 정확도와 적용 특성을 비교하였다.
먼저 각 기법의 성능을 동일한 기준에서 평가하기 위해 유동의 복잡도, 입자 분포, 배경 질감 및 센서 잡음 등을 단계적으로 변화시킨 합성영상 자료를 구축하였다. 합성영상은 영상의 모든 지점에서 기준 유속장을 알 수 있어, 각 기법으로 추정한 유속장과 참값을 직접 비교하고 영상조건에 따른 오차 발생 특성과 적용 한계를 정량적으로 분석하는 데 활용하였다.
이후 USGS가 제공하는 Boneyard Creek의 실제 하천영상 자료(Keele and Engel, 2020)를 활용하여 분석 범위를 현장자료로 확장하였다. 해당 자료에는 하천영상과 함께 각 영상에 대응하는 순간 유량 및 수위 정보가 제공되어 실제 하천에서의 적용 성능을 검토하는 데 활용할 수 있다. 실제 영상에서는 수면 반사와 영상 흔들림, 표면패턴의 부족 등 다양한 조건이 복합적으로 나타났다. 특히 동일한 하천영상에 각 영상 유속계측 기법과 USGS의 Image Velocimetry Tools(IVy Tools; Engel and Knight, 2025)를 적용하고, 산정된 유량을 현장 관측값과 비교하여 실제 하천에서의 적용 성능을 검토하였다. 그 결과 기법에 따라 유량 산정 성능에 차이가 나타났으며, 영상 유속계측의 정확도는 알고리즘 자체뿐 아니라 영상 품질과 하천의 흐름 특성에도 영향을 받는다는 점을 확인하였다.

연수 기간에는 현지 지도교수 및 연구진과 매주 대면 연구회의를 진행하였다. 회의에서는 합성영상 구축 방법 및 분석 결과, 실험수로의 구성, 영상 및 계측자료의 취득방법과 후속 연구방향 등을 논의하였다. 연수 초기에는 국내에서 수립한 연구계획을 바탕으로 세부 수행내용을 검토하였으며, 현지 연구환경과 중간 결과를 고려해 합성영상 기반 평가를 우선 수행한 뒤, 실제 하천영상과 수리실험으로 확장하는 단계적인 연구구조를 마련하였다. 이후 분석과 실험 결과는 정기적으로 공유하였으며, 현지 연구진의 의견을 반영해 논문의 구성과 후속 연구방향을 보완하였다.

연수 초반에는 애리조나대학교 수리실험실의 실험수로를 정비하고, 영상 유속계측 실험을 위한 촬영 및 계측환경을 구축하였다. 현지 연구진과의 논의를 거쳐 호안과 제방 보호에 활용되는 개비온 바스켓(gabion basket) 주변의 흐름을 주요 연구대상으로 선정하였다.
이후 개비온 바스켓의 크기와 투과조건을 변화시키며 수리실험을 수행하고, 구조물 상·하류의 표면 흐름 영상과 유량·수위자료를 함께 수집하였다. 실험과정에서는 목표 흐름조건, 수면 반사 및 촬영각도 등을 지속적으로 조정하며 자료의 품질을 확보하였다. 취득한 영상자료를 활용하여 구조물 주변의 시간평균 표면유속장뿐 아니라 유속의 변동과 회전특성을 살펴보는 예비 분석을 수행하였다. 향후에는 영상 계측결과를 기존 계측자료 및 수치모의 결과와 비교하여 영상 계측의 신뢰성을 검토하고, 구조물 주변의 복잡한 흐름을 정량화하는 후속 연구로 발전시킬 예정이다.

연수기간에는 애리조나대학교 연구진과의 정기적인 공동연구뿐 아니라 외부 연구기관 및 현지 연구자들과의 학술교류에도 참여하였다. 미국 농무부(U.S. Department of Agriculture, USDA) 소속 연구진과 두 차례 연구교류 미팅을 진행하여, 서로의 연구주제와 방법을 공유하고 영상 유속계측 기술의 실제 하천 적용 가능성과 후속 연구방향을 논의하였다.
연수 초기에는 애리조나대학교 대학원생과 연구진을 대상으로 국내에서 수행한 연구성과와 연수기간의 연구계획을 소개하는 세미나도 진행하였다. 이를 통해 연구의 목적과 방법론을 다양한 전공배경을 가진 연구자들에게 설명하고, 관련 질문과 의견을 바탕으로 연구내용을 다시 검토할 수 있었다.
이러한 교류는 컴퓨터비전 기반 영상 유속계측과 수리학을 연계한 연구의 가능성을 폭넓게 살펴보고, 향후 연구자료 공유와 국제공동연구를 이어가기 위한 협력 기반을 마련하는 계기가 되었다.

이번 연수는 컴퓨터비전 기술을 영상자료에 적용하는 데서 한 걸음 더 나아가, 분석 결과를 수리학적 흐름 특성과 연계하여 해석하는 연구 관점을 확장하는 계기가 되었다. 기존에는 영상 유속 산정 알고리즘의 정확도 평가에 주로 관심을 두었다면, 현지 연구를 통해 알고리즘의 성능이 영상 품질뿐 아니라 유동조건, 촬영환경 및 구조물 주변의 복잡한 흐름에도 영향을 받는다는 점을 구체적으로 이해하게 되었다. 이를 바탕으로 컴퓨터비전 기법의 성능 비교를 넘어 수리학적 현상과 계측환경을 함께 고려하는 방향으로 연구의 범위를 넓힐 수 있었다.
실험수로의 정비와 실험환경 조성부터 구조물 및 계측장비의 설치, 실험조건 설정, 영상자료 취득과 분석에 이르는 전 과정에 참여한 것도 중요한 경험이었다. 특히 야외 수로에서는 태양광에 따른 수면 반사와 촬영각도, 시간대별 영상 품질의 변화 등 다양한 변수를 함께 고려해야 했다. 계획한 조건을 그대로 구현하기 어려운 경우에는 현지 연구진과 원인을 검토하고 실험 및 촬영조건을 반복적으로 조정하였다. 이를 통해 분석 결과뿐 아니라 실험조건과 자료의 품질을 관리하는 일이 중요하며, 연구계획 역시 현장 여건과 중간 결과에 따라 유연하게 보완되어야 한다는 점을 체감하였다.
매주 진행된 연구회의와 현지 연구자들의 교류는연구내용을 보다 객관적으로 검토하고 전달하는 방식을 익히는 데 도움이 되었다. 예상과 다른 결과가 나타난 원인을 함께 논의하고, 연구 가정과 방법론을 선택한 근거를 설명하는 과정에서 동일한 결과도 연구자의 배경에 따라 다르게 해석될 수 있음을 알게 되었다. 또한, 반복적인 발표와 토론을 통해 상대방의 전공과 관심에 맞추어 연구의 핵심을 간결하고 논리적으로 전달하는 방법을 익힐 수 있었다.
6개월간의 현지 연수는 새로운 연구환경에 적응하고 하나의 연구과제를 독립적으로 운영하는 경험이기도 했다. 미국 연구기관의 행정체계와 의사소통 방식에 맞추어 관계자들과 협의하고, 연구책임자로서 연구계획 수립, 연구비 운영 및 성과관리에 직접 참여하였다. 이를 통해 연구내용뿐 아니라 일정과 예산, 협력체계 및 성과를 종합적으로 관리하는 연구기획 역량의 중요성을 배울 수 있었다.

이번 연수는 기존 연구를 새로운 환경과 관점에서 점검하고, 컴퓨터비전 기반 영상 유속계측와 수리학을 연계한 박사학위 연구의 방향을 구체화하는 계기가 되었다. 향후에는 연수기간 동안 수행한 연구를 학위논문과 국제학술지 논문으로 발전시키고, 영상 유속계측의 신뢰성 평가에서 수리실험과 실제 하천 흐름의 정량화로 연구범위를 확장하고자 한다. 또한 현지 연구진과 연구자료를 지속적으로 공유하며 후속 공동연구를 이어갈 계획이다.
끝으로 이번 연수의 기회를 제공한 과학기술정보통신부와 한국연구재단에 감사드리며, 연구 전반에 아낌없는 조언과 지원을 보내주신 정동휘 교수님과 Jennifer G. Duan 교수님을 비롯한 국내외 연구진께 깊이 감사드린다.

본 기사는 2025년도 대한민국 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 시행하는 한국연구재단 국제협력사업의 지원으로 수행된 연구 결과임(과제번호: RS-2025-25441519)