KR100200876B1 - 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치및방법 - Google Patents

명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체 표면의 불균일 반사 특성에 관계없이 물체의 형상을 복원할 수 있도록 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치 및 방법에 관한 것으로, 두 개의 점광원을 각각 조명 장치로 이용하여, 그 각각에 대한 광도상의 스테레오 영상을 구한 다음, 이 스테레오 영상을 이용하여 광도비를 얻고, 다음에 새로운 광도 상의 방사비 방정식을 설정한 다음, 코스트 함수를 정의하고 이 정의된 코스트 함수에 상기 광도비 및 광도 상의 방사비 방정식을 적용하여 물체의 3차원 형상 정보 'n'을 구한다.

Description

명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치 및 방법
제1도는 종래의 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치의 개략적 설명도이고,
제2도는 본 발명에 따른 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출장치의 개략적 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 카메라 2 : 디지탈 영상 획득 장치
3 : 점광원 11 : 카메라
12 : 디지탈 영상 획득 장치 13 : 제1점광원
14 : 제2점광원
본 발명은 영상에 나타나는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상추출 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 물체 표면의 불균일 반사특성에 관계없이 물체의 형상을 복원할 수 있도록 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치 및 방법에 관한 것이다.
제1도는 종래의 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치의 개략적 설명도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치는 대상 물체 카메라(1), 디지탈 영상 획득 장치(2) 및 하나의 점광원(3)으로 구성된다. 여기서, 대상 물체 카메라(1)는 램버션(lambertion) 표면 반사 특성을 갖는 카메라이다.
이러한 구성의 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치는 램버션 (lambertion) 표면 반사 특성, 원거리 점광원 등의 가정하에서 영상 형성 과정의 수학적 모델링을 통해서 얻어지는 영상 방사도방정식(image irradiance equation) 에 의해 구현된다.
즉, 영상의 밝기를 E, 반사율 맵(reflectance map)을 R, 물체 표면의 반사 계수(albedo)를 ρ, 물체 표면의 법선 백터를 n, 광원으로의 단위백터를 i라 할 때, 영상 방사도 방정식은
로 모델링 된다.
여기서, 물체 형상 정보, 즉 'n' 은 아래와 같은 cost function ***을 정의하고 최적화 기법을 이용하여 그 해를 구함으로써 얻어진다.
(단, Ω: 영상영역)
그러나, 일반적으로 물체 표면 반사계수 ρ를 구하는 것은 어렵고, 오차 또한 상당히 크므로, 이를 포함한 수식에 기초한 기법은 그 실용성이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 물체표면 반사계수를 상쇄시키는 새로운 방정식을 적용한 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치는,
대상 물체를 비추기 위한 광을 방출하는 적어도 두 개 이상의 점광원;
상기 대상 물체로부터 반사된 광을 수광하여 영상 신호를 발생시키는 카메라; 및
상기 영상 신호를 디지탈 영상 신호로 변환하여 주는 디지탈 영상획득수단;을
구비하여 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 명암정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 방법은,
적어도 두 개 이상의 점광원, 카메라 및 디지탈 영상 획득 수단을 구비한 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치를 사용하여 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 방법에 있어서,
상기 각각의 점광원을 이용한 조명 상태들에서의 대상 물체에 대한 광도 상의 영상들을 각각 구하는 단계;
상기 구해진 광도 측정 상의 영상들을 이용하여 광도비를 구하는 단계;
새로운 광도 상의 방사비 방정식을 설정하는 단계; 및
상기 광도비 및 상기 방사비 방정식을 이용하여 물체의 3차원 형상정보를 구하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상을 추출하는 장치 및 방법을 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 실시예의 개략적 설명도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치는 대상 물체 카메라(11), 디지탈 영상 획득 장치(12) 및 두 개의 점광원 (13,14)으로 구성된다. 여기서 대상 물체 카메라(1)는 램버션 (lambertion) 표면 반사 특성을 갖는 카메라이다.
이러한 구성의 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치를 사용하여 물체의 3차원 형상을 추출하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 두 개의 점광원 (13,14) 각각을 이용한 조명 상태들에서, 대상물체에 대한 광도 상의 스테레오(photometric stereo) 영상들을 각각 획득한다. 즉 제2도에 도시된 바와 같이, 대상물체 (lambertion 물체)와 카메라를 설치한 후, 두 개의 점광원 S1과 S2를 각각 이용하여 대상물체에 대한 서로다른 조명 상태에서의 두 광도 상의 스테레오(photometric stereo) 영상들 E1과 E2를 얻는다.
다음에, 획득된 두 광도 상의 스테레오(photometric stereo) 영상들 E1,E2를 이용하여 광도비 (photometric ratio) Er을 다음식을 이용하여 얻는다.
다음에 새로운 광도 상의 방사비(Rr) 방정식을 다음과 같이 설정한다.
(여기서,는 물체 표면의 법선 백터, i는 각 광운으로의 단위백터이다.)
다음에, 다음과 같이 코스트 펑션(cost function) εr을 정의하여 컨져게이트 그래이디언트(conjugate gradient) 또는 multigrid 방법 등의 최적화 기법에 의해 광도비 방정식(3식) 및 상기 방사비 방정식 (4식)을 이용하여 물체의 3차원 형상 정보'n'을 구한다.
(단, Ω: 영상 영역)
이러한 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 정보 추출 방식은 물체의 3차원 형상 데이터를 획득하여 물체의 형상 인식 및 불량 검출등에 이용될 수 있으며, 물체의 표면 반사 계수를 이용하지 않으므로써, 보다 정확한 물체의 3차원 형상을 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치는 두 개의 점광을 구비하는데 그 특징이 있으며, 물체의 3차원 형상을 추출하는 방법은, 상기 두 개의 점광원을 각각 조명장치로 이용하여, 그 각각에 대한 광도상의 스테레오 영상을 구한 다음, 이 스테레오 영상을 이용하여 광도비를 얻고, 다음에 새로운 광도 상의 방사비 방정식을 설정한 다음, 코스트 함수를 정의하고 이 정의된 코스트함수에 상기 광도비 및 광도 상의 방사비 방정식을 적용하여 물체의 3차원 형상 정보'n'을 구한다.

Claims (5)

  1. 대상 물체를 비추기 위한 광을 방출하는 적어도 두 개이상의 점광원; 상기 점광원들에서 방출된 빛이 투사되어 상기 대상 물체로부터 반사된 광을 수광하여 상기 각 점광원에 대한 영상 신호들을 발생시키는 카메라; 및 상기 각 영상신호들을 디지탈 영상 신호로 변환하고, 상기 각 영상신호들에서 임의의 두 광도 상의 영상들을 E1, E2라 할 때, 수식 Er=E1/(E1+E2)에 의해 광도비를 구하고, 상기 물체 표면의 법선 백터를, 각 광원으로의 단위 백터를 i라 할 때, 상기 두 광도 상의 방사기 (Rr)는로 표시되는 방정식으로부터 구하며, 코스트 펑션(cost function) εr을, 영상 영역을 Ω라 할 때,로 정의하여 물체의 3차원 형상 정보를 추출하는 공정을 처리하는 디지탈 영상 획득 수단;을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치.
  2. 적어도 두 개 이상의 점광원, 카메라 및 디지탈 영상 획득수단을 구비한 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 장치를 사용하여 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 방법에 있어서, 상기 각각의 점광원을 이용한 조명 상태들에서의 대상 물체에 대한 광도 상의 영상들을 각각 구하는 단계; 상기 구해진 광도 특정상의 영상들을 이용하여 광도비를 구하는 단계: 새로운 광도상의 방사비 방정식을 설정하는 단계; 및 상기 광도비 및 상기 방사비 방정식을 이용하여 물체의 3차원 형상정보를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상을 추출하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광도비는 상기 두 광도 상의 영상들을 E1,E2라 할 때, 수식 Er=E1/(E1+E2)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광도상의 방사비(Rr)방정식은 물체 표면의 법선 백터를, 각 광원으로의 단위 백터를 i라 할 때,로 표시되는 것을 특징으로 하는 명암정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 물체의 3차원 형상 정보를 구하는 단계에서 코스트 펑션(cost function) εr을 영상 영역을 Ω라 할 때,로 정의하여 물체의 3차원 형상 정보 추출하는 것을 특징으로 하는 명암 정보를 이용한 물체의 3차원 형상 추출 방법.
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