本発明は、オプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関し、より詳細には、患部や手術道具のような目的物に取り付けられたマーカーの座標を追跡して目的物の空間位置及び方向を検出するオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関するものである。
最近では、腹腔鏡手術や耳鼻咽喉科の手術をするとき、患者の苦痛をさらに減らして速やかに患者が回復できるようにするために、ロボット手術が進められている実情である。
かかるロボット手術の際には、手術の危険を最小化してさらに精密な手術を行われるようにするために、患部や手術道具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出した後、前記手術道具を患者の患部へ正確に操縦(NAVIGATE)できるナビゲーションが用いられる。
上記のような手術用ナビゲーションには、上述したように患部や手術器具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出することができるトラッキングシステムが含まれる。
上記のようなトラッキングシステムは、通常、患部や手術器具のような目的物に取り付けられるマーカーと、前記マーカーによって放出される光を結像させる第1及び第2結像ユニットと、前記第1及び第2結像ユニットと連結されて前記マーカーの3次元座標を算出した後、既に格納された前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の情報及び互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報を前記マーカーの3次元座標と比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出するプロセッサとを含む。
上記のような従来の一般的なトラッキングシステムは、結像ユニットに結像されるマーカーの円形状の直径を用いて前記プロセッサを通じてマーカーと離隔された距離を測定する。しかし、前記結像ユニットに結像された前記マーカーの円形状の枠が前記結像ユニットレンズの歪みによって不透明であるので、前記マーカーの円形状の直径を正確に測定することが難しいという問題があるだけでなく、距離変化に応じた前記マーカーの円形状の直径の変化が微少でマーカーと距離測定時に識別力が非常に低く、マーカーの位置を正確に測定することができないという問題点があった。
従って、本発明の目的は、測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法を提供することにある。
本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、目的物に取り付けられて内部に含まれたパターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、前記パターン部の平行出射光を放出させる少なくとも1つのマーカーユニットと、前記マーカーユニットから放出される前記パターン部の平行出射光を受光して、拡大されたパターン部のイメージを結像させる少なくとも1つの結像ユニットと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するプロセッサとを含む。
一実施例によれば、前記マーカーユニットは、多数のパターンが形成された少なくとも1つのパターン部と、前記パターン部に光を照射する少なくとも1つの光源と、前記光源から照射され前記パターン部を通過したり前記パターン部により反射された光を前記結像ユニットに平行出射光形態で放出させる少なくとも1つの第1レンズ部とを含むことができる。
ここで、前記パターン部は前記第1レンズ部の焦点距離に配置されることが望ましい。
一方、前記第1レンズ部は対物レンズであり得る。
一実施例によれば、前記光源は前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
他の施例によれば、前記光源は前記マーカーユニットの外部に配置され得る。
ここで、前記光源はLED(Light Emitting Diode)であり得る。
一実施例によれば、前記結像ユニットは、前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を、レンズ部を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部のイメージをセンサ部に結像させるカメラであり得る。
一方、前記プロセッサは、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさの変化を用いて、前記マーカーユニットの空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部の領域別パターン位置及びパターンの大きさの変化を用いて前記マーカーユニットの方向を算出することができる。
一実施例によれば、前記プロセッサは、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターン部イメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニットの空間位置を算出することができ、前記拡大されたパターン部の領域別パターンの位置及びパターンの大きさと、既に格納されたパターン部イメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさとを比較して前記マーカーユニットの方向を算出することができる。
一方、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることもできる。ここで、前記パターン部は、前記ボールレンズの表面全体または表面の一部に設けられることができる。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射され、パターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することができる。
前記パターン部は前記魚眼レンズの焦点距離に配置され得る。
または、前記光源は、前記パターン部により光が反射されて前記魚眼レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの外部に配置され得る。これとは異なって、前記光源は、前記光源から照射された光が前記パターン部を透過して前記魚眼レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することができる。
前記パターン部は、前記対物レンズの焦点距離に配置され得る。
または、前記光源は、前記パターン部により光が反射されて前記対物レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの外部に配置され得る。これとは異なって、前記光源は、前記光源から照射された光が前記パターン部を透過して前記対物レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
前記マーカーユニットは、前記ミラー部により反射されて平行光形態で放出される光をもう一度平行出射光形態に変換させて放出させることができるように、前記ミラー部と一定間隔離隔されるように配置された第1レンズをさらに含むことができる。
または、前記マーカーユニットは、前記ミラー部に入射される光量を調節し、前記結像ユニットに結像される拡大されたパターン部のイメージの画角及び解像度を調節できるように、前記ミラー部に設けられる絞りをさらに含むことができる。
一方、前記ミラー部は球面または非球面形態のミラーであり得る。
続いて、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いたトラッキング方法は、パターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニットから前記パターン部の平行出射光を放出させるステップと、前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を結像ユニットにより受光して拡大されたパターン部のイメージを結像させるステップと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて、プロセッサを通じて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップとを含む。
一実施例によれば、前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットが回転された角度を算出し、前記マーカーユニットの方向を算出するステップと、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージ及び前記マーカーユニットの回転された角度を用いて前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップとを含むことができる。
ここで、前記マーカーユニットの方向を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターンの部位置及びパターン部の大きさの変化を測定するステップと、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部イメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化とを比較し、マーカーユニットの回転された角度を算出するステップとを含むことができる。
そして、前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを測定するステップと、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置及び大きさと前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサを通じて比較し、マーカーユニットの空間位置を算出するステップを含むことができる。
一実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することができる。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することができる。
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも1つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
このように、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、マーカーユニットからパターン部の平行出射光を放出させて結像ユニットに拡大されたパターン部のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニットの空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニットの位置精度を結像ユニットの解像力にのみ依存せず、パターン部のイメージを拡大させて結像ユニットに結像させることによって、測定しようとする目的物の距離が結像ユニットと遠く離れていても前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、測定しようとする目的物の距離と関係なく目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーに比べてマーカーユニットの大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができるという効果がある。
本発明の第1実施例によるトラッキングシステムの概略図である。
マーカーユニットのパターン部の一例を示した図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットから光が放出される過程を説明するための図面である。
結像ユニットに平行出射光が入射される過程を説明するための図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
本発明の第2実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第2実施例によるマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
本発明の第3実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第3実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
本発明の第4実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第4実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第5実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
本発明の第6実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第7実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第8実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第9実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
本発明の第10実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
本発明の第11実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
発明の具体的な説明
本発明は、多様な変更を加えることができ、また、様々な形態を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態について限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
第1、第2等の用語は多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は1つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱せずに第1の構成要素は第2の構成要素と呼ばれることができ、同様に第2の構成要素は第1の構成要素と呼ばれることができる。
本出願で使用する用語は単に特定の実施例を説明するために使用しており、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明確に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等の用語は明細書に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであり、1つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
異なって定義しない限り、技術的であったり科学的である用語を含めてここで使用される全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般に理解されるものと同一の意味を有する。
一般に使用される辞典に定義されている用語等は関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的であったり過度に形式的な意味で解釈されない。
以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施例をより詳細に説明する。
本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、患部や手術道具のような目的物に少なくとも1つのマーカーユニットを取り付けた後、前記マーカーユニットから放出される平行出射光を結像ユニットを通じて受光して、前記マーカーユニットに含まれたパターン部の拡大イメージを結像させた後、前記パターン部の拡大イメージを用いてプロセッサを通じて目的物の空間位置及び方向を算出することができるようにするものであって、その詳細な構成については図面を参照して説明する。
<実施例1>
図1は、本発明の第1実施例によるトラッキングシステムの概略図であり、図2はマーカーユニットのパターン部の一例を示した図面である。
図1及び図2を参照すると、本発明の第1実施例によるトラッキングシステムは、マーカーユニット110、結像ユニット120及びプロセッサ130を含む。
前記マーカーユニット110は、目的物に取り付けられて内部に含まれたパターン部111のイメージを拡大させて結像させることができるように前記パターン部111の平行出射光を放出させる。
例えば、前記マーカーユニット110はパターン部111、光源112及び第1レンズ部113を含むことができる。
前記パターン部111は、複数のパターン部111aが一定の形態及び間隔で形成される。例えば、前記パターン部111はパターン部111aが形成された部分を除いた残りの部分が光を透過させることができるように製作され得る。他の例を挙げると、前記パターン部111はパターン部111aが形成された部分にのみ光を透過させ、残りの部分は光を透過させることができないように製作され得る。また他の例を挙げると、前記パターン部111は、前記光源112から照射された光が反射され得るように製作されることもできる。ここで、前記パターン部111は後述される第1レンズ部113の焦点距離に配置され得る。
前記光源112は、前記パターン部111に光を照射する。例えば、前記光源112は、前記パターン部111の後方部に位置するように前記マーカーユニット110の内部に配置され得る。前記のように、前記光源112がパターン部111の後方部に配置される場合には、前記パターン部111が前記光源112から照射される光の一部が透過されて、後述される結像ユニット120に入射される。他の例を挙げると、前記光源112は、前記マーカーユニット110の外部に配置されることもできる。前記光源112が前記マーカーユニット110の外部に配置される場合には、前記光源112から照射される光は、前記パターン部111により反射されて後述される結像ユニット120に入射される。ここで、前記光源112はLED(Light Emitting Diode)であり得る。
前記第1レンズ部113は、前記光源112から照射されて前記パターン部111を通過したり、前記パターン部111により反射された光を前記結像ユニット120に平行出射光形態で放出させて入射され得るように前記パターン部111の前方部に配置される。例えば、前記第1レンズ部113は、前記パターン部111のイメージを拡大させて結像ユニット120に結像させることができるようにする対物レンズであり得る。
前記結像ユニット120は、前記マーカーユニット110から放出される前記パターン部111の平行出射光を受光して拡大されたパターン部111のイメージを結像させることができる。ここで、前記結像ユニット120は、前記マーカーユニット110から放出された前記パターン部111の平行出射光をレンズ部121を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部111のイメージをセンサ部122に結像させるカメラであり得る。
前記プロセッサ130は、前記結像ユニット120と連結されて前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージを用いて前記マーカーユニット110の空間位置及び方向を算出することができる。ここで、前記プロセッサ130は、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの位置及び大きさの変化を用いて前記マーカーユニット110の空間位置を算出することができる。また、前記プロセッサ130は、前記拡大されたパターン部111の領域別パターン部の位置及びパターン部111aの大きさの変化を用いて前記マーカーユニット110の方向を算出することができる。
図1〜図7dを参照して本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出する過程について説明する。
図3は本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートであり、図4はマーカーユニットから光が放出される過程を説明するための図面であり、図5は結像ユニットに平行出射光が入射される過程を説明するための図面であり、図6は本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面であり、図7a〜図7dは、本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面であり、図8は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図9は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図10は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
図1〜図7dを参照すると、本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まずパターン部111のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニット110から前記パターン部111の平行出射光を放出させる(S110)。
パターン部111の平行出射光を放出させる過程についてより詳細に説明すると、まず光源112を作動させて前記パターン部111に光を照射し、前記光源112から照射された光が前記パターン部111を透過したり、前記パターン部111により反射されるようにする。前記パターン部111を透過したり前記パターン部111により反射された光は図4に示した通り、対物レンズからなる第1レンズ部113を通過して平行出射光形態で放出される。
前記第1レンズ部113を通過してマーカーユニット110から放出されたパターン部111の平行出射光は結像ユニット120に入射されて拡大されたパターン部111のイメージを結像させる(S120)。
拡大されたパターン部111のイメージを結像させる過程について、より詳細に説明すると、前記第1レンズ部113を通過してマーカーユニット110から放出されたパターン部111の平行出射光は、図5に示した通り、結像ユニット120のレンズ部121を通過するようになる。前記結像ユニット120のレンズ部121を通過したパターン部111の平行出射光は、センサ部122に拡大されたパターン部111のイメージを結像させるようになる。
前記のように、結像ユニット120に拡大されたパターン部111のイメージが結像されると、プロセッサ130は、前記拡大されたパターン部111のイメージを用いて前記マーカーユニット110の空間位置及び方向を算出する(S130)。
図8を参照して前記マーカーユニット110の空間位置及び方向を算出する過程について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図8は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
図8を参照すると、前記プロセッサ130を通じて前記マーカーユニット110の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ130を通じて前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージを用いて前記マーカーユニット110が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット110の方向を算出する(S131)。
前記のようにプロセッサ130により前記マーカーユニット110の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ130を通じて前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージと前記マーカーユニット110の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット110の空間位置を算出する(S132)。
ここで、前記結像ユニット120の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ130に既に格納される。
図6及び図9を参照して、前記マーカーユニット110の方向を算出するステップ(S131)について、より詳細に説明すると次の通りである。
図9は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
図9を参照すると、前記マーカーユニット110の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ130を通じて、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの領域別パターン部111aの位置及びパターン部111aの大きさの変化を測定する(S1310)。
前記パターン部111のイメージの領域別パターン部111aの位置及びパターン部111aの大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ130に既に格納された前記パターン部111のイメージの領域別基準パターン部111aの位置及び基準パターン部111aの大きさと、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの領域別パターン部111aの位置及びパターン部111aの大きさの変化とを比較し、マーカーユニット110の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット110の方向を算出するようになる(S1311)。
即ち、図6に示した通り、マーカーユニット110が回転をすると、結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージI1のパターン部111aの位置及び大きさも変わるようになることによって、前記プロセッサ130に既に格納された前記パターン部のイメージI2の領域別基準パターン部111aの位置及び基準パターン部111aの大きさと、前記結像ユニット120に結像されたパターン部のイメージI1の領域別パターン部111aの位置及びパターン部111aの大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット110の回転された角度を算出することができるので、前記マーカーユニット110の方向を算出することができるようになる。
次に、図7a〜図7d及び図10を参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ(S132)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図10は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
図10を参照すると、前記マーカーユニット110の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ130を通じて前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの位置及び大きさを測定する(S1320)。
前記パターン部111のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサ130に既に格納された前記パターン部111のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ130を通じて比較し、マーカーユニット110の空間位置を算出するようになる(S1321)。
図7aは、前記マーカーユニット110がプロセッサ130に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部111のイメージが結像ユニット120に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図7bに示した通り、マーカーユニット110と結像ユニット120との間の離隔された距離D2が基準距離D1より短くなる場合には、プロセッサ130に既に格納されたパターン部111のイメージの基準大きさA1より拡大されたパターン部111のイメージの大きさA2が前記結像ユニット120に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部111のイメージの基準大きさA1と、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの大きさA2とをプロセッサ(130)を通じて比較し、前記マーカーユニット110の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット110と結像ユニット120との間の離隔された距離D2が基準距離D1より長くなる場合には、プロセッサ130に既に格納されたパターン部のイメージの基準大きさA1より、拡大されたパターン部111のイメージの大きさA2が前記結像ユニット120に小さく結像される。
そして、図7cに示した通り、マーカーユニット110が基準位置B1下に位置する場合には、前記プロセッサ130に既に格納されたパターン部111のイメージの基準位置(C1:図7a参照)より、前記拡大されたパターン部111のイメージが上部に位置して前記結像ユニット120に結像される。従って、前記パターン部111のイメージの基準位置C1と前記結像ユニット120に結像されて拡大されたパターン部111のイメージの位置C2とをプロセッサ130を通じて比較して前記マーカーユニット110の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット110が基準位置B1上に位置する場合には、前記プロセッサ130に既に格納されたパターン部111のイメージの基準位置C1より、前記拡大されたパターン部111のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット120に結像される。
そして、前記マーカーユニット110と結像ユニット120との間の離隔された距離D2が基準距離D1と異なり、前記マーカーユニット110が基準位置B1に位置しない場合には、前記プロセッサ130に既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置C1及び大きさA1と、前記結像ユニット120に結像されて拡大されたイメージの位置C2及び大きさA2とを比較してマーカーユニット110の空間位置を算出することができる。
一方、図7dに示した通り、前記マーカーユニット110と結像ユニット120との間の離隔された距離D2が基準距離D1と同一であり、前記マーカーユニット110が基準位置B1に位置した状態で前記マーカーユニット110の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット120に結像される拡大されたパターン部111のイメージの大きさA2及び位置C2が前記プロセッサ130に既に格納された前記パターン部111のイメージの基準位置C1及び大きさA1と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット110の方向は、ステップS1311で説明した通り、前記拡大されたパターン部111のイメージI1の領域別パターン部111aの位置及びパターン部111aの大きさの変化と、プロセッサ130に既に格納されたパターン部のイメージI2の領域別基準パターン部111aの位置及び基準パターン部111aの大きさとを比較してマーカーユニット110の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット110の方向を算出することができる。
<実施例2>
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、2つの結像ユニットが配置される内容を除けば、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、結像ユニットの配置と関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
図11は、本発明の第2実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
図11を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは1つのマーカーユニット210と、第1、2結像ユニット220a、220bと、プロセッサ230とを含む。
前記第1、2結像ユニット220a、220bは、前記マーカーユニット210を中心に互いに一定角度離隔されるように配置され、前記マーカーユニット210から放出されるパターン部211の平行出射光をそれぞれ受光して、それぞれ互いに異なる拡大されたパターン部211のイメージを結像させる。ここで、前記第1、2結像ユニット220a、220bは、図11に示した通り、Y軸上に配置されることが望ましい。
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは第1、2結像ユニット220a、220bで2つの拡大されたパターン部211のイメージを結像させるので、プロセッサ230により前記マーカーユニット210の空間位置座標も2つを算出することができるので、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムより正確なマーカーユニット210の空間位置及び方向を算出することができる。
図11及び図12を参照して、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程について例を挙げて説明すると、次の通りである。
図12は、本発明の第2実施例によるマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
図12に示した通り、マーカーユニット210の第1レンズ部213の座標をX、Yとすると、前記第1レンズ部213の座標X、Yは数式1のように表現され得る。
ここで、fcは、第1、2結像ユニット220a、220bに結像されて拡大されたパターン部211のイメージのX軸座標であり、Lは、第2結像ユニット220bのレンズ部221bのY軸座標であり、u1は、第1結像ユニット220aに結像されて拡大されたパターン部211のイメージの中心座標のY軸座標であり、u2は、第2結像ユニット220bに結像されて拡大されたパターン部211のイメージの中心座標のY軸座標である。
図12に示した通り、前記マーカーユニット210の第1レンズ部213の位置は固定された状態で方向のみがθだけの回転値があるとき、第1、2結像ユニット220a、220bにより確認されるマーカーユニット210のパターン部211の実空間座標(X1、Y1)(X2、Y2)は数式2のように表現され得る。
ここで、fbは、マーカーユニット210の第1レンズ部213の焦点距離であり、θは、マーカーユニット210の回転値である。
そして、第1結像ユニット220aに結像される拡大されたパターン部211のイメージの中心座標をX3、Y3とし、第2結像ユニット220bに結像される拡大されたパターン部211のイメージの中心座標をX4、Y4とすると、図12に示した通り、第1結像ユニット220aに結像される拡大されたパターン部211のイメージの中心座標(X3、Y3)と、第1結像ユニット220aのレンズ部221aの中心座標(0、0)と、マーカーユニット210の第1レンズ213の中心座標(X、Y)と、第1結像ユニット220aにより確認されるマーカーユニット210のパターン部211の実空間座標(X1、Y1)とはライン1上に位置するということを確認することができ、第2結像ユニット220bに結像される拡大されたパターン部211のイメージの中心座標(X4、Y4)と、第2結像ユニット220bのレンズ部221bの中心座標(0、L)と、マーカーユニット210の第1レンズ部213の中心座標(X、Y)と、第2結像ユニット220bにより確認されるマーカーユニット210のパターン部211の実空間座標(X2、Y2)とはライン2上に位置するということを確認することができる。ここで、(X3、Y3)=(−fc′、−u1)、(X4、Y4)=(−fc、L+u2)で表されることができ、(X1、Y1)と(X2、Y2)は、数式2のように表現され得る。
前記のようにライン1及びライン2に位置したそれぞれの座標を表1を通じて整理すると、次の通りである。
表1は、図12に示されたライン1及びライン2に位置した座標整理表であって、前記表1を参照してライン1及びライン2上の3座標(1)、(2)、(3)で2つの式を作ってその差を算出すると、数式3のように表現され得る。
また、ライン1、ライン2上の3座標(1)、(2)、(4)で2つの式を作ってその差を算出すると、数式4のように表現され得る。
また、ライン1、ライン2上の3座標(1)、(3)、(4)で2つの式を作れば、数式5及び数式6のように表現され得る。
そして、数式3を数式4に代入して両辺をcosθで除算するとtanθを求めることができ、tanθは数式7のように表現され得る。
一方、数式5及び数式6でθ値を知っていれば変数はX、Yだけであるので、2式を連立すると、マーカーユニット210の第1レンズ部213の座標であるX、Yを算出することができ、前記マーカーユニット210の第1レンズ部213の座標X、Yは数式8のように表現され得る。
<実施例3>
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニットに対する一部内容を除けば、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムと同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素に関する詳細な説明は省略することにする。
図13は、本発明の第3実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
図13を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは1つのマーカーユニット310、第1結像ユニット320及びプロセッサ330を含む。
前記マーカーユニット310はパターン部311と、第1、2光源312a、312bと、第1、2レンズ部313a、313b とを含むことができる。
前記パターン部311には多数のパターン部(図示せず)が一定間隔に形成される。ここで、前記パターン部311は、前記第1、2レンズ部313a、313bと対応し、図13に示した通り、2つに形成され得るだけでなく、後述される図14に示した通り、1つにも形成され得る。
前記第1、2光源312a、312bは互いに所定間隔離隔されるように前記パターン部311の後方に配置されて前記パターン部311に光を照射する。
前記第1、2レンズ部313a、313bは互いに所定間隔離隔されるように前記パターン部311の前方部に配置され、前記第1、2光源312a、312bから照射されて前記パターン部311を通過した光を結像ユニット320に平行出射光形態で放出させることができるようにする。
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット310の方向を算出する過程は、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムと同一であるので、これに関する説明は省略し、図14を参照としてマーカーユニット310の空間位置がプロセッサ330により算出される過程についてのみ例を挙げて説明する。
図14は、本発明の第3実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
図14に示した通り、結像ユニット320に結像されるイメージ座標をu1、u2とすると、マーカーユニット310の第1レンズ部313aの中心座標(X、Y)を過ぎてパターン部311と会う点の座標、即ちパターン部311の実空間座標(X1、Y1)は数式9のように表現され得る。
また、前記マーカーユニット310の第2レンズ部313bの中心座標(−sinθ1+X、cosθ1+Y)を過ぎてパターン部311と会う座標、即ちパターン部311の実空間座標(X2、Y2)は数式10のように表現され得る。
一方、実施例2と同様にライン1及びライン2上のそれぞれの座標を表2を通じて整理すると、次の通りである。
表2は、図10に示されたライン1及びライン2に位置した座標整理表であって、前記表2を参照してライン1及びライン2上の3座標(2)、(3)、(4)で2つの式を作って整理すると、X、Yは数式11のように表現され得る。
また、ライン1及びライン2上の3座標(1)、(2)、(3)で2つの式を作ってその差を算出すると、数式12のように表現され得る。
また、ライン1及びライン2上の3座標(1)、(2)、(4)で2つの式を作ってその差を算出すると、数式13のように表現され得る。
また、ライン1及びライン2上の3座標(1)、(3)、(4)で2つの式を作ると、数式14と数式15のように表現され得る。
一方、数式12を数式13に代入して両辺をcosθで除算すると、tanθは数式16のように表現され得る。
そして、数式14と数式15でθ値を知っていれば、変数はX、Yだけであるので、2式を連立すると、第1レンズ部313aの座標X、Yは数式17のように表現され得る。
また、数式17で第1レンズ部313aの座標が算出されるので、第2レンズ部(313b)の座標(−sinθ1+X、cosθ1+Y)も算出され得る。
<実施例4>
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、2つの結像ユニットと2つのマーカーユニットが配置される内容を除くと、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、結像ユニット及びマーカーユニットの配置と関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
図15は、本発明の第4実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
図15を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは第1、2マーカーユニット410a、410bと、第1、2結像ユニット420a、420bと、プロセッサ430とを含む。
前記第1、2マーカーユニット410a、410bは目的物に所定間隔離隔されて取り付けられ、前記第1、2マーカーユニット410a、410b間の空間位置及び方向はプロセッサ430に既に格納される。
前記第1、2結像ユニット420a、420bは、それぞれ第1、2マーカーユニット410a、410bから放出されるパターン部411a、411bの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させる。即ち、第1結像ユニット420aは、第1マーカーユニット410aから放出されるパターン部411aの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させ、第2結像ユニット420bは、第2マーカーユニット410bから放出されるパターン部411bの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させる。
前記プロセッサ430は、前記第1、2結像ユニット420a、420bと連結されて前記結像ユニット420a、420bに結像されて拡大されたパターン部411a、411bのイメージを用いて前記第1、2マーカーユニット410a、410bの空間位置及び方向を算出する。
図16は、本発明の第4実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
図16に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはプロセッサ430により第1結像ユニット420aのレンズ部421aの中心から第1マーカーユニット410aの第1レンズ部413aの中心に向かうベクトルを算出し、第2結像ユニット420bのレンズ部421bの中心から第2マーカーユニット410bの第2レンズ部413bの中心に向かうベクトルを算出した後、算出された2つのベクトルを通じてllとlrの2つの直線式を作って2つ直線の交点を算出することによって第1、2マーカーユニット410a、410bの空間位置を算出することができるようになる。
<実施例5>
図17は、本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図であり、図18は、本発明の第5実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
図17及び図18を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも1つの光源540、少なくとも1つのマーカーユニット510、少なくとも1つの結像ユニット520及びプロセッサ530を含む。
前記少なくとも1つの光源540は、前記マーカーユニット510に向かって光を照射できるように配置される。例えば、前記光源540はLED(Light Emitting Diode)であり得る。ここで、前記少なくとも1つの光源540は、前記マーカーユニット510の外部に配置されることが望ましい。
前記少なくとも1つのマーカーユニット510は、前記光源540から照射される光を反射させて平行出射光形態で放出されるようにする。
前記マーカーユニット510は、ボールレンズ513と、前記ボールレンズ513の表面に設けられたパターン部511とを含むことができる。ここで、前記パターン部511は、前記ボールレンズ513の全体表面に設けられることができる。これとは異なって前記パターン部511は、前記ボールレンズ513の表面一部にのみ設けられることができる。
前記ボールレンズ513は、前記結像ユニット520にパターン部511の拡大されたイメージを結像させることができるように、前記光源540から照射される光を反射させて平行出射光形態で前記結像ユニット520側に放出する。
前記少なくとも1つの結像ユニット520は、前記マーカーユニット510から放出される前記平行出射光を受光して前記パターン部511の拡大されたイメージを結像させる。
例えば、前記結像ユニット520は、前記マーカーユニット510から放出された前記平行出射光をレンズ部521を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部511のイメージをセンサ部522に結像させるカメラであり得る。
前記プロセッサ530は、前記結像ユニット520に結像された前記パターン部511の拡大されたイメージと、前記プロセッサ530に既に格納された基準パターン部のイメージとを比較して前記マーカーユニット510の空間位置及び方向を算出する。
より詳細に説明すると、前記プロセッサ530は、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターン部のイメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニット510の空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部511の領域別パターン部の位置及びパターン部511の大きさと、既に格納されたパターン部のイメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさとを比較して前記マーカーユニット510の方向を算出し、前記マーカーユニット510の空間位置及び方向を算出することによって目的物の空間位置及び方向を算出することができる。
図17〜図24を参照して本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出するようになる過程について説明する。
図19は、本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
図17〜図19を参照すると、本発明の第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まず光源540を作動させてマーカーユニット510、即ちパターン部511が設けられたボールレンズ513に向かって光を照射する(S210)。
前記マーカーユニット510に向かって照射された光はパターン部511のイメージを拡大させて結像させることができるようにボールレンズ513の表面にパターン部511が設けられたマーカーユニット510により反射されて平行出射光形態で放出される(S220)。
前記ボールレンズ513により反射されて放出された平行出射光は、結像ユニット520に入射されて拡大されたパターン部511のイメージを結像させる(S230)。
前記拡大されたパターン部511のイメージを結像させる過程(S230)について、より詳細に説明すると、前記ボールレンズ513により反射されて放出されたパターン部511の平行出射光は結像ユニット520のレンズ部521を通過するようになり、前記結像ユニット520のレンズ部521を通過したパターン部511の平行出射光はセンサ部522に拡大されたパターン部511のイメージを結像させるようになる。
上記のように結像ユニット520に拡大されたパターン部511のイメージが結像されると、プロセッサ530は、前記拡大されたパターン部511のイメージを用いて前記マーカーユニット510の空間位置及び方向を算出する(S240)。
図20を参照して前記マーカーユニット510の空間位置及び方向を算出する過程について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図20は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
図20を参照すると、前記プロセッサ530を通じて前記マーカーユニット510の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ530を通じて前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージを用いて前記マーカーユニット510が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット510の方向を算出する(S241)。
上記のように、プロセッサ530により前記マーカーユニット510の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ530を通じて前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージと前記マーカーユニット510の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット510の空間位置を算出する(S242)。
ここで、前記結像ユニット520の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ530に既に格納される。
図21及び図22を参照して、前記マーカーユニット510の方向を算出するステップ(S241)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図21は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図22は、本発明の第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
図21を参照すると、前記マーカーユニット510の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ530を通じて前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの領域別パターン部511の位置及びパターン部511の大きさの変化を測定する(S1410)。
前記パターン部511のイメージの領域別パターン部511の位置及びパターン部511の大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ530に既に格納された前記パターン部511のイメージの領域別基準パターン部511の位置及び基準パターン部511の大きさと、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの領域別パターン部511の位置及びパターン部511の大きさの変化とを比較してマーカーユニット510の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット510の方向を算出するようになる(S2411)。
即ち、図22に示した通り、マーカーユニット510が回転をすると結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージI1のパターン部511の位置及び大きさも変わるようになることによって、前記プロセッサ530に既に格納された前記パターン部のイメージI2の領域別基準パターン部511の位置及び基準パターン部511の大きさと、前記結像ユニット520に結像されたパターン部のイメージI1の領域別パターン部511の位置及びパターン部511の大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット510の回転された角度θを算出することができるので、前記マーカーユニット510の方向を算出することができるようになる。
次に、図23〜図24dを参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ(S242)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図23は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図24a〜図24dは、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
図23〜図24dを参照すると、前記マーカーユニット510の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ530を通じて前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの位置及び大きさを測定する(S2420)。
前記パターン部511のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサ530に既に格納された前記パターン部511のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ530を通じて比較し、マーカーユニット510の空間位置を算出するようになる(S2421)。
図24aは、前記マーカーユニット510がプロセッサ530に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部511のイメージが結像ユニット520に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図24bに示した通り、マーカーユニット510と結像ユニット520との間の離隔された距離D2が基準距離D1より短くなる場合には、プロセッサ530に既に格納されたパターン部511のイメージの基準大きさA1より拡大されたパターン部511のイメージの大きさA2が前記結像ユニット520に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部511のイメージの基準大きさA1と、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの大きさA2とをプロセッサ530を通じて比較し、前記マーカーユニット510の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット510と結像ユニット520との間の離隔された距離D2が基準距離D1より長くなる場合には、プロセッサ530に既に格納されたパターン部のイメージの基準大きさA1より拡大されたパターン部511のイメージの大きさA2が前記結像ユニット520に小さく結像される。
そして、図24cに示した通り、マーカーユニット510が基準位置B1下に位置する場合には、前記プロセッサ530に既に格納されたパターン部511のイメージの基準位置(C1:図24a参照)より前記拡大されたパターン部511のイメージが上部に位置して前記結像ユニット520に結像される。従って、前記パターン部511のイメージの基準位置C1と、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部511のイメージの位置C2とをプロセッサ530を通じて比較し、前記マーカーユニット510の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット510が基準位置B1より上に位置する場合には、前記プロセッサ530に既に格納されたパターン部511のイメージの基準位置C1より前記拡大されたパターン部511のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット520に結像される。
そして、前記マーカーユニット510と結像ユニット520との間の離隔された距離D2が基準距離D1と異なり、前記マーカーユニット510が基準位置B1に位置しない場合には、前記プロセッサ530に既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置C1及び大きさA1と、前記結像ユニット520に結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置C2及び大きさA2とを比較してマーカーユニット510の空間位置を算出することができる。
一方、図24dに示した通り、前記マーカーユニット510と結像ユニット520との間の離隔された距離D2が基準距離D1と同一であり、前記マーカーユニット510が基準位置B1に位置した状態で前記マーカーユニット510の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット520に結像される拡大されたパターン部511のイメージの大きさA2及び位置C2が前記プロセッサ530に既に格納された前記パターン部511のイメージの基準位置C1及び大きさA1と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット510の方向はステップS2411で説明した通り、前記拡大されたパターン部511のイメージI1の領域別パターン部511aの位置及びパターン部511aの大きさの変化と、プロセッサ530に既に格納されたパターン部のイメージI2の領域別基準パターン部511aの位置及び基準パターン部511aの大きさとを比較してマーカーユニット510の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット510の方向を算出することができる。
上述した通り、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニット510からパターン部511の平行出射光を放出させて結像ユニット520に拡大されたパターン部511のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニット510の空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニット510の位置精度を結像ユニット520の解像力にのみ依存せず、パターン部511のイメージを拡大させて結像ユニット520に結像させることによって測定しようとする目的物の距離が結像ユニット520と遠く離れていても、前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーユニットに比べてマーカーユニット510の大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができる。
<実施例6>
図25を参照して本発明の第6実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
図25は、本発明の第6実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
図25を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも1つの光源(図示せず)と、マーカーユニット610と、第1、2結像ユニット620A、620Bと、プロセッサ630等を含むことができる。
図25に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはボールレンズ613の表面にパターン部611が設けられたマーカーユニット610を中心に第1、2結像ユニット620a、620bが配置され、前記プロセッサ630が前記第1、2結像ユニット620a、620bと連結されて構成され得る。
従って、前記第1、2結像ユニット620a、620bが前記マーカーユニット610から放出される平行出射光をそれぞれ受光して、前記パターン部611の拡大されたイメージを結像させ、例えば、前記結像ユニット620a、620bは、前記マーカーユニット610から放出された前記平行出射光を各レンズ部621a、621bを通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部611のイメージをそれぞれのセンサ部622a、622bに結像させるカメラであり得る。
前記プロセッサ630は、前記第1、2結像ユニット620a、620bにそれぞれ結像されたパターン部611の拡大されたイメージと、既に格納された基準パターン部のイメージとを比較し、前記マーカーユニット610の空間位置及び方向を算出する。ここで、前記第1、2結像ユニット620a、620b及び前記少なくとも1つの光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサ630に既に格納される。
<実施例7>
図26を参照して本発明の第7実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
図26は、本発明の第7実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
図26を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも1つの光源(図示せず)と、第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cと、結像ユニット720と、プロセッサ730等を含むことができる。
図26に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、ボールレンズ713a、713b、713cの表面にパターン部711a、711b、711cが設けられた第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cが所定間隔で目的物に配置され、前記光源から照射される光が前記第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cにより反射されて平行出射光形態で放出され、前記第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cにより放出された平行出射光は、前記結像ユニット720により受光されて、第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cの拡大されたパターン部711a、711b、711cのイメージを結像させるようになる。
結像ユニット720は、前記第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cから放出された前記平行出射光をレンズ部721を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部711a、711b、711cのイメージをセンサ部722に結像させることができる。
一方、プロセッサ730は、前記結像ユニット720と連結されて前記結像ユニット720に結像された第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cの拡大されたパターン部711a、711b、711cのイメージと、既に格納された基準パターン部のイメージとを比較し、前記マーカーユニット710a、710b、710cの空間位置及び方向を算出する。ここで、前記結像ユニット720及び前記少なくとも1つの光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサ730に既に格納される。
また、前記目的物に取り付けられた第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cの幾何学的情報も前記プロセッサ730に既に格納される。
ここで、前記第1〜第3マーカーユニット710a、710b、710cの幾何学的情報とは、互いに隣り合うマーカーユニット710a、710b、710cを仮想で連結する直線L1、L2、L3の長さ情報と、前記互いに隣り合う仮想の一対の直線L1、L2、L3がなす角度θ1、θ2、θ3情報であり得る。
<実施例8>
図27を参照し、本発明の第8実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
図27は、本発明の第8実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
図27を参照すると、本実施例は第2結像ユニット820bがさらに追加されることを除いては第7実施例と実質的に同一である。
即ち、図27に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムではボールレンズ813a、813b、813cの表面にパターン部811a、811b、811cが設けられた第1〜第3マーカーユニット810a、810b、810cが所定間隔で目的物に取り付けられ、第1〜第3マーカーユニット810a、810b、810cを中心に第1、2結像ユニット820a、820bが配置され、前記第1、2結像ユニット820a、820bにはプロセッサ830が連結される。
これによって、光源から照射される光が前記第1〜第3マーカーユニット810a、810b、810cにより反射され、平行出射光形態で結像ユニット820a、820bにより受光されて拡大されたパターン部811a、811b、811cのイメージを結像させるようになる。
結像ユニット820a、820bは、前記第1〜第3マーカーユニット810a、810b、810cから放出された前記平行出射光をレンズ部821a、821bを通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部811a、811b、811cのイメージをセンサ部822a、822bにより結像させることができる。
<実施例9>
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニットの一部内容を除けば、第5実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
図28は、本発明の第9実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
図28を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット910はパターン部911と、魚眼レンズ913とを含むことができる。
前記パターン部911は少なくとも1つの光源(図示せず)から照射される光を反射させたり透過させることができる。即ち、前記光源がマーカーユニット910の外部に配置される場合には、前記パターン部911は、前記光源から照射される光を反射させることができるように製作されることが望ましく、前記光源が前記パターン部911の後方部に位置するように前記マーカーユニット910の内部に配置される場合には、前記パターン部911は、前記光源から照射される光を透過させることができるように製作されることが望ましい。
前記魚眼レンズ913は、前記少なくとも1つの光源から照射され、前記パターン部911により反射されたり、前記パターン部911を透過した光を通過させて平行出射光形態で結像ユニット(図示せず)側に放出させることができるように、前記パターン部911の前方部に配置される。
ここで、前記パターン部911は、前記魚眼レンズ913の焦点距離に配置されることが望ましい。
<実施例10>
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはマーカーユニットの一部内容を除けば、第1実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
図29は本発明の第10実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
図29を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット1010はパターン部1011と、対物レンズ1013と、プリズム1014等を含むことができる。
前記パターン部1011は、少なくとも1つの光源(図示せず)から照射される光を反射させたり透過させることができる。即ち、前記光源がマーカーユニット1010の外部に配置される場合には、前記パターン部1011は、前記光源から照射される光を反射させることができるように製作されることが望ましく、前記光源が前記パターン部1011の後方部に位置するように前記マーカーユニット1010の内部に配置される場合には、前記パターン部1011は、前記光源から照射される光を透過させることができるように製作されることが望ましい。
前記対物レンズ1013は、前記少なくとも1つの光源から照射されて前記パターン部1011により反射されたり前記パターン部1011を透過した光を通過させて平行出射光形態で結像ユニット(図示せず)側に放出させることができるように、前記パターン部1011の前方部に配置される。
ここで、前記パターン部1011は、前記対物レンズ1013の焦点距離に配置されることが望ましい。
前記プリズム1014は、前記対物レンズ1013を通過した平行出射光を通過させて前記平行出射光の画角を広げた後、結像ユニットに入射されるようにする。ここで、前記プリズム1014はピラミッド形態に形成されることが望ましい。
<実施例11>
図30は、本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図であり、図31は、本発明の第11実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
図30及び図31を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも1つの光源1140、少なくとも1つのマーカーユニット1110、少なくとも1つの結像ユニット1120及びプロセッサ1130を含む。
前記少なくとも1つの光源1140は、前記マーカーユニット1110に向かって光を照射できるように配置される。例えば、前記光源1140はLED(Light Emitting Diode)であり得る。ここで、前記少なくとも1つの光源1140は、前記マーカーユニット1110の外部に配置されることが望ましい。
前記少なくとも1つのマーカーユニット1110は、前記光源1140から照射される光を反射させて平行出射光形態で放出して前記結像ユニット1120にパターン部1111の拡大されたイメージを結像させることができるようにする。
前記マーカーユニット1110はミラー部1113及びパターン部1111などを含むことができる。
前記ミラー部1113は少なくとも1つの光源1140から前記マーカーユニット1110に向かって照射される光をパターン部1111側に反射させた後、前記パターン部1111により反射された光を再反射させて前記少なくとも1つの結像ユニット1120側に平行光形態で放出させる。ここで、前記ミラー部1113は球面または非球面形態のミラーであり得る。例えば、前記ミラー部1113には光が一点に集まることができるように反射させる凹ミラーを用いることができる。
前記パターン部1111は、前記ミラー部1113の焦点距離に配置され、前記ミラー部1113から反射されて入射される光を前記ミラー部1113側に再反射させる。
一方、前記マーカーユニット1110は、第1レンズ1112をさらに含むことができる。
前記第1レンズ1112は、前記ミラー部1113と焦点距離だけ離隔されるように配置され得る。即ち、前記第1レンズ1112は、前記ミラー部1113と前記第1レンズ1112の焦点距離だけ離隔されるように配置され、前記ミラー部1113により反射されて平行出射光形態で放出される光を前記少なくとも1つの結像ユニット1120側にもう一度平行出射光形態に変換させて放出させる。
一方、前記マーカーユニット1110は、前記ミラー部1113に設けられる絞り1114をさらに含むことができる。前記絞り1114は、前記光源1140から照射されて前記ミラー部1113に入射される光量を調節し、前記結像ユニット1120に結像される拡大されたパターン部1111のイメージの画角及び解像度を調節できる。
前記少なくとも1つの結像ユニット1120は、前記マーカーユニット1110から放出される前記平行出射光を受光して前記パターン部1111の拡大されたイメージを結像させる。
例えば、前記結像ユニット1120は、前記マーカーユニット1110から放出された前記平行出射光をレンズ部1121を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部1111のイメージをセンサ部1122に結像させるカメラであり得る。
前記プロセッサ1130は、前記結像ユニット1120に結像された前記パターン部1111の拡大されたイメージと、前記プロセッサ1130に既に格納された基準パターンイメージとを比較して前記マーカーユニット1110の空間位置及び方向を算出する。
さらに詳細に説明すると、前記プロセッサ1130は、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターンイメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニット1110の空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部1111の領域別パターンの位置およびパターン部1111の大きさと、既に格納されたパターンイメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさとを比較して前記マーカーユニット1110の方向を算出し、前記マーカーユニット1110の空間位置及び方向を算出することによって、目的物の空間位置と方向を算出することができる。
図30〜図37を参照して本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出するようになる過程について説明する。
図32は、本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
図30〜図32を参照すると、本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まず光源1140を作動させ、マーカーユニット1110、即ちパターン部1111が設けられたミラー部1113に向かって光を照射する(S310)。
前記マーカーユニット1110に向かって照射された光はパターン部1111のイメージを拡大させて結像させることができるようにミラー部1113の焦点距離にパターン部1111が設けられたマーカーユニット1110により反射されて平行出射光形態で放出される(S320)。
より詳細に説明すると、前記マーカーユニット1110に向かって照射された光は、前記ミラー部1113により反射されてパターン部1111上の一点に集まった後、前記パターン部1111及びミラー部1113により再び反射されて平行光形態で放出され、前記ミラー部1113により平行出射光形態で放出された光は、前記第1レンズ1112を通じて再び平行出射光形態に変換されて放出される。
前記マーカーユニット1110により反射されて放出された平行出射光は、結像ユニット1120に入射されて拡大されたパターン部1111のイメージを結像させる(S330)。
前記拡大されたパターン部1111のイメージを結像させる過程(S330)について、より詳細に説明すると、前記マーカーユニット1110により反射されて放出されたパターン部1111の平行出射光は結像ユニット1120のレンズ部1121を通過するようになり、前記結像ユニット1120のレンズ部1121を通過したパターン部1111の平行出射光はセンサ部1122に拡大されたパターン部1111のイメージを結像させるようになる。
前記結像ユニット1120に拡大されたパターン部1111のイメージが結像されると、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージを確認した後、絞り1114を作動させて前記ミラー部1113に入射される光量を調節して前記結像ユニット1120に結像される拡大されたパターン部1111のイメージの画角及び解像度を調節する(S340)。
前記絞り1114によりミラー部1113に入射される光量が調節されて画角及び解像度が調節された拡大されたパターン部1111のイメージが前記結像ユニット1120に結像されると、プロセッサ1130は、前記画角及び解像度が調節された拡大されたパターン部1111のイメージを用いて前記マーカーユニット1110の空間位置及び方向を算出する(S350)。
図33を参照して、前記マーカーユニット1110の空間位置及び方向を算出する過程(S150)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図33は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
図33を参照すると、前記プロセッサ1130を通じて前記マーカーユニット1110の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ1130を通じて前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージを用いて前記マーカーユニット1110が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット1110の方向を算出する(S351)。
前記のようにプロセッサ1130により前記マーカーユニット1110の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ1130を通じて前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージと前記マーカーユニット1110の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット1110の空間位置を算出する(S352)。
ここで、前記結像ユニット1120の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ1130に既に格納される。
図34及び図35を参照して、前記マーカーユニット1110の方向を算出するステップ(S351)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図34は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図35は、本発明の第11実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
図34を参照すると、前記マーカーユニット1110の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ1130を通じて前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの領域別パターン部1111の位置及びパターン部1111の大きさの変化を測定する(S3510)。
前記パターン部1111のイメージの領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ1130に既に格納された前記パターン部1111のイメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさと、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化とを比較し、マーカーユニット1110の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット1110の方向を算出するようになる(S3511)。
即ち、図35に示した通り、マーカーユニット1110が回転をすると、結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージI1のパターン部1111の位置及び大きさも変わるようになることにより、前記プロセッサ1130に既に格納された前記パターンイメージI2の領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさと、前記結像ユニット1120に結像されたパターンイメージI1の領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット1110の回転された角度を算出することができるので、前記マーカーユニット111の方向を算出することができるようになる。
次に、図36及び図37を参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ(S352)について、より詳細に説明すると、次の通りである。
図36は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図37a〜図37dは、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
図36〜図37dを参照すると、前記マーカーユニット1110の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ1130を通じて前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの位置及び大きさを測定する(S3520)。
前記パターン部1111のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部1111のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ1130を通じて比較し、マーカーユニット1110の空間位置を算出するようになる(S3521)。
図37aは、前記マーカーユニット1110がプロセッサ1130に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部1111のイメージが結像ユニット1120に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図37bに示した通り、マーカーユニット1110と結像ユニット1120との間の離隔された距離D2が基準距離D1より短くなる場合には、プロセッサ1130に既に格納されたパターン部1111のイメージの基準大きさA1より拡大されたパターン部1111のイメージの大きさA2が前記結像ユニット1120に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部1111のイメージの基準大きさA1と、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの大きさA2とをプロセッサ1130を通じて比較し、前記マーカーユニット1110の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット1110と結像ユニット1120との間の離隔された距離D2が基準距離D1より長くなる場合には、プロセッサ1130に既に格納されたパターンイメージの基準大きさA1より拡大されたパターン部1111のイメージの大きさA2が前記結像ユニット1120に小さく結像される。
そして、図37cに示した通り、マーカーユニット1110が基準位置B1下に位置する場合には、前記プロセッサ1130に既に格納されたパターン部1111のイメージの基準位置(C1:図37a参照)より前記拡大されたパターン部1111のイメージが上部に位置し、前記結像ユニット1120に結像される。従って、前記パターン部1111のイメージの基準位置C1と、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターン部1111のイメージの位置C2とをプロセッサ1130を通じて比較し、前記マーカーユニット1110の空間位置を算出することができるようになる。
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット1110が基準位置B1上に位置する場合には、前記プロセッサ1130に既に格納されたパターン部1111のイメージの基準位置C1より前記拡大されたパターン部1111のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット1120に結像される。
そして、前記マーカーユニット1110と結像ユニット1120との間の離隔された距離D2が基準距離D1と異なり、前記マーカーユニット1110が基準位置B1に位置しない場合には、前記プロセッサ1130に既に格納された前記パターンイメージの基準位置C1及び大きさA1と、前記結像ユニット1120に結像されて拡大されたパターンイメージの位置C2及び大きさA2とを比較し、マーカーユニット1110の空間位置を算出することができる。
一方、図37dに示した通り、前記マーカーユニット1110と結像ユニット1120との間の離隔された距離D2が基準距離D1と同一であり、前記マーカーユニット1110が基準位置B1に位置した状態で、前記マーカーユニット1110の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット1120に結像される拡大されたパターン部1111のイメージの大きさA2及び位置C2が前記プロセッサ1130に既に格納された前記パターン部1111のイメージの基準位置C1及び大きさA1と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット1110の方向はステップS3511で説明した通り、前記拡大されたパターン部1111のイメージI1の領域別パターン1111aの位置及びパターン1111aの大きさの変化を、プロセッサ1130に既に格納されたパターンのイメージI2の領域別基準パターン1111aの位置及び基準パターン1111aの大きさと比較し、マーカーユニット1110の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット1110の方向を算出することができる。
上述した通り、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニット1110からパターン部1111の平行出射光を放出させ、結像ユニット1120に拡大されたパターン部1111のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニット1110の空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニット1110の位置精度を結像ユニット1120の解像力にのみ依存せず、パターン部1111のイメージを拡大させて結像ユニット1120に結像させることによって、測定しようとする目的物の距離が結像ユニット1120と遠く離れていても、前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーユニットに比べてマーカーユニット1110の大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができる。
一方、光源1140から照射されてマーカーユニット1110のミラー部1113に入射される光量を調節し、前記ミラー部1113により反射されて前記結像ユニット1120に結像される拡大されたパターン部1111のイメージの画角及び解像度を調節できるので、さらに正確な目的物の空間位置と方向を検出してトラッキングできるという長所がある。
上述した本発明の詳細な説明では本発明の望ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者または該当技術分野に通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させられることを理解できるであろう。