KR100269116B1 - 움직이는대상물의3차원위치측정장치및방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치는 움직이는 대상물; 대상물에 부착되고, 각각 서로 다른 빛을 방사 또는 반사하는 복수개의 마커; 마커가 부착된 대상물의 영상을 포착하는 복수 개의 칼라카메라; 및 칼라 카메라들로부터 들어오는 영상들에서 마커를 구분하고, 동일 색을 갖는 마커의 영상위치로부터 움직이는 대상물의 3차원위치를 계산하는 영상처리 및 위치계산부로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 각각 다른 색으로 빛을 반사시키는 마커를 움직이는 대상물에 부착하여 칼라영상을 얻고 칼라영상으로부터 각 마커의 색에 따라 각 마커를 식별하므로, 각각 다른 영상에서 동일 마커를 식별하기가 쉽고 빠르다.

Description

움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치 및 방법{Apparatus and method for tracking 3-dimensional position of moving abject}
본 발명은 3차원 위치측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칼라 마커가 부착된 움직이는 대상물의 3차원 위치를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가상 현실(Virtual Reality)은 고도의 컴퓨터 그래픽 기술과 시뮬레이션 기능을 이용하여 실제로는 존재하지 않는 상황을 마치 실제로 존재하는 것과 같이 사람이 느낄 수 있도록하는 컴퓨터의 응용 분야이다. 예를 들어 하나의 건물을 설계하는 과정에서 사람이 직접 건물에 들어가 돌아 다니는 것과 같은 경험을 하도록 함으로써 실제 건물에 존재하는 문제점 등을 미리 발견할 수가 있다.
상술한 예와 같은 가상 현실 프로그램에서 사람 혹은 물체 (이하 대상물이라 함)가 움직일 때, 그 움직임이 자연스럽게 느껴지도록 하기위해 대상물의 움직임을 추적하여 그 대상물의 3차원 위치를 측정하는 것이 필요하다. 움직이는 대상물의 3차원 위치를 측정하기 위해서는 동일 대상물에 대해 동일한 시간에 획득된 두 영상이 필요한데, 종래의 두 영상을 획득하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 대상물의 여러 부위에 빛을 반사할 수 있는 마커가 부착되고, 여러 대의 카메라를 통해 대상물에 대한 영상이 0.01초 정도의 주기로 연속해서 얻어진다. 카메라에 연결된 컴퓨터를 통해서는 카메라로부터 출력된 각 연속영상의 모든 픽셀값이 조사된다. 이 때, 마커는 명암정보만을 갖고 있기때문에 조사된 픽셀값에 따라 마커인지 아닌지만이 판별되고, 동일한 순간에 획득된 두 영상에 나타난 마커가 동일한 마커인지는 판별되지 못한다. 그러므로 동일 마커 여부에 대한 판단은 다음 번 영상을 조사 및 비교하여 판단한다. 동일한 순간에 획득된 두 영상에서 동일 마커로 판단되면, 그 마커의 위치가 계산하고 계산된 위치로부터 그 마커가 부착된 대상물 부위의 3차원 위치가 계산된다.
따라서, 종래의 방법은 마커의 명암정보만을 이용하여 마커인지 아닌지만을 구분하고, 동일 순간에 획득된 두 영상에서 동일 마커인지의 식별은 다음 순간에 획득된 영상까지 처리하여 이루어지므로 많은 계산량과 시간이 필요하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 대상물에 각각 다른 색을 갖는 마커를 부착하고 칼라영상으로부터 마커의 색을 식별하므로써 동일 마커인지를 결정하므로 마커를 쉽게 구분하여 대상물의 3차원 위치를 구하는 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 움직이는 대상물과 본 발명에 따른 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 동일 대상물에 대해 서로 다른 위치를 갖는 두 영상으로부터 3차원 위치를 구하는 도면이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명에 따른 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치는 움직이는 대상물; 상기 대상물에 부착되고, 각각 서로 다른 빛을 방사 또는 반사하는 복수개의 마커; 상기 마커들이 부착된 대상물의 영상을 포착하는 복수 개의 칼라카메라; 및 상기 칼라 카메라들로부터 들어오는 영상들에서 마커들을 구분하고, 동일 색을 갖는 마커의 영상위치로부터 상기 움직이는 대상물의 3차원위치를 계산하는 영상처리 및 위치계산부를 포함함이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명에 따른 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정방법은 각각 서로 다른 색의 빛을 반사하는 복수개의 마커를 움직이는 대상물에 부착하는 제1단계; 복수 개의 카메라를 이용하여 상기 마커들이 부착된 대상물에 대한 칼라영상을 얻는 제2단계; 상기 칼라영상들로부터 마커들을 추출하는 제3단계; 상기 마커들중 동일한 색을 갖는 마커를 동일 마커로 식별하고, 동일 마커를 갖는 두 칼라영상에서 상기 동일 마커의 위치를 획득하는 제4단계; 및 상기 제4단계에서 식별된 마커의 위치를 이용하여 상기 대상물의 3차원 위치를 계산하는 제5단계를 포함함이 바람직하다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 움직이는 대상물과 본 발명에 따른 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치에 대한 개략적인 도면으로서, 움직이는 대상물(100), 마커부(102), 카메라부(104, 106, 108) 및 영상처리 및 위치계산부(110)으로 이루어진다.
마커부(102)는 복수개의 칼라 마커로 이루어져 있고 움직이는 대상물(100), 예를 들어 사람의 경우 머리, 팔, 손, 다리와 같이 비교적 자주 움직여지는 부위에 부착되며, 칼라 마커는 발광 다이오드(Light Emitting Diode)와 같이 빛을 방사하거나, 구슬과 같이 색을 갖고 빛을 반사할 수 있는 물체이다. 카메라부(104, 106, 108)는 복수 대의 카메라로 이루어져있고, 칼라 마커가 부착된 움직이는 대상물(100)에 대해 복수 개의 영상을 얻는다. 카메라부(104, 106, 108)가 복수 대의 카메라로 이루어진 이유는 첫째, 평면영상으로부터 3차원 위치를 얻기위해서는 두 개의 영상이 필요하고, 둘째 한 쪽 방향만으로는 마커가 카메라에 포착되지않을 가능성이 있기 때문이다.
영상처리 및 위치계산부(110)는 카메라부(104, 106 또는 108)로부터 입력된 영상들에서 마커를 추출하고, 마커의 색을 식별하며, 대상물의 마커 부착 부분의 3차원 위치를 계산한다.
도 2는 본 발명에 따른 칼라 마커를 이용한 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 동일 대상물에 대해 서로 다른 위치를 갖는 두 영상으로부터 3차원 위치를 구하는 도면이다.
도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하기로 한다.
먼저, 움직이는 대상물(100)의 각 부위에 칼라 마커(102)들이 부착되고(200단계), 카메라(104, 106, 108)로부터 대상물에 대한 영상이 영상처리 및 위치계산부(110)에 입력된다(202단계).
영상처리 및 위치계산부(110)를 통해서 먼저, 입력된 영상들의 각 픽셀값이 조사된다(204단계). 조사된 픽셀값이 100보다 크면 마커로 판정하고, 그렇지않으면 배경(background)으로 판정된다(206단계). 마커로 판정되면, 영상들로부터 동일 마커를 추출하기 위해 각각 (적, 녹, 청)의 강도(intensity)가 조사된다. 조사된 색상의 강도가 같은 마커가 동일 마커로 판정되고, 동일 마커를 갖는 두 영상으로부터 영상좌표상에서 마커의 위치가 결정된다(208단계). 결정된 동일 마커의 위치로부터 스테레오 정합(stereo matching)에 의해 3차원의 위치가 결정된다(210단계). 스테레오 정합은 공간상의 한 점이 좌우 두 평면에 투영되었을 때 이 두 점을 서로 같은 점으로 정합하는 것으로, 스테레오 정합에 의해 2차원 영상으로부터 3차원 위치를 구할 수 있다. 도 3은 동일 대상물에 대해 서로 다른 위치를 갖는 두 영상을 스테레오 정합하여 3차원 위치를 구하는 도면으로, 도 3에 도시되어 있는 제1 및 제2 카메라의 위치와 촛점거리는 이미 알려져있다고 가정된다.
도 3을 참조하면, 제1카메라(300)에 의한 제1영상(304)에서 대상물 W의 위치(x1,y1), 제2카메라(302)에 의한 제2영상(306)에서 대상물 W의 위치(x2,y2)로부터 W의 3차원 위치 W(x,y,z)는 다음과 같이 구해진다. 먼저, 제1카메라의 촛점거리를 f1이라 하면, (x1,y1)은
Figure pat00001
이다. 이로부터 제1카메라에서 출발하여 (x,y,z)를 지나는 직선 L1의 식이 구해진다.
다음, 제2카메라의 촛점거리를 f2이라 하면, (x2,y2)는
Figure pat00002
이다. 이로부터 제2카메라에서 출발하여 (x,y,z)를 지나는 직선 L2의 식이 구해진다.
이 두 직선 L1과 L2가 교차하는 점, 즉 L1=L2를 만족하는 (x,y,z)가 구하려는 실제 3차원 위치가 된다.
본 발명에 의하면, 각각 다른 색으로 빛을 반사시키는 마커를 움직이는 대상물에 부착하여 칼라영상을 얻고 칼라영상으로부터 각 마커의 색에 따라 각 마커를 식별하므로, 각각 다른 영상에서 동일 마커를 식별하기가 쉽고 빠르다.

Claims (3)

  1. 움직이는 대상물에 부착되고, 각각 서로 다른 빛을 방사 또는 반사하는 복수개의 마커;
    상기 마커들이 부착된 대상물의 영상을 포착하는 적어도 2개의 칼라 카메라; 및
    상기 칼라 카메라들로부터 동일시간에 획득되어 들어오는 적어도 두 개의 영상에서 서로 다른 색의 마커들을 구분하고, 상기 적어도 두 개의 영상중에서 동일 색을 갖는 마커의 영상위치로부터 상기 움직이는 대상물의 3차원위치를 계산하는 영상처리 및 위치계산부영상처리부를 포함함을 특징으로하는 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정장치.
  2. 각각 서로 다른 색의 빛을 반사하는 복수개의 마커를 움직이는 대상물에 부착하는 제1단계;
    적어도 두 개의 카메라를 이용하여 상기 마커들이 부착된 대상물에 대해 동일시간에 칼라영상을 얻는 제2단계;
    상기 동일시간에 획득된 칼라영상들로부터 마커들을 추출하는 제3단계;
    상기 마커들중 동일한 색을 갖는 마커를 동일 마커로 식별하고, 상기 동일 마커를 갖는 적어도 두 칼라영상에서 상기 동일 마커의 위치를 획득하는 제4단계; 및
    상기 제4단계에서 얻어진 마커의 영상위치를 이용하여 상기 대상물의 3차원 위치를 계산하는 제5단계를 포함함을 특징으로하는 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제5단계의 3차원 위치 계산은
    상기 동일 마커를 갖는 두 영상을 스테레오 정합하여 구함을 특징으로하는 움직이는 대상물의 3차원 위치 측정방법.
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