KR100303181B1 - Calibration method of high resolution photographing equipment using multiple imaging device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 촬상소자를 이용한 촬영장치의 보정방법은 광학계에서 발생하는 각종 왜곡, 각각의 촬상소자가 가지는 불균일성 및 촬상소자와 광학계 조립시 발생하는 각종 조립오차를 보정하는 방법으로, 그물형상으로 가로선과 세로선이 상호 수직교차하는 보정시편을 제작·촬영하여 이를 영상화하고 이러한 보정시편을 이용하여 왜곡된 영상의 특징점들을 찾아낸 후 선형 방정식을 이용하여 원래의 영상을 복원한다. 이와 같은 방법을 사용하여 왜곡된 영상을 보정함으로써 매우 간단하고 빠르게 왜곡된 영상을 정확하게 복원할 수 있는 효과가 있다. 더욱이 이러한 방법은 고해상도 영상촬영을 위하여 다수의 촬상소자를 이용하는 촬영장치에 적용함으로써 광학계의 왜곡과 촬상소자의 조립오차와 같은 여러가지 불완전성을 매우 간단하고 빠르게 계산하여 복원할 수 있는 효과가 있다.The correction method of the photographing apparatus using the image pickup device of the present invention is a method of correcting various distortions generated in the optical system, nonuniformity of each image pickup device, and various assembly errors generated when the image pickup device and the optical system are assembled. After making and photographing the calibration specimens vertically crossing each other, the vertical lines are imaged. After finding the feature points of the distorted image using these calibration specimens, the original image is restored using the linear equation. By using this method to correct the distorted image, it is very simple and quick to accurately restore the distorted image. In addition, this method can be applied to a photographing apparatus using a plurality of image pickup devices for high-resolution imaging, so that various imperfections such as distortion of the optical system and assembly errors of the image pickup device can be calculated very simply and quickly.
Description
본 발명은 고해상도 촬상장치의 왜곡, 촬상소자의 불균일성 및 촬상소자와 광학계의 조립오차을 보정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하나의 촬상소자가 가지는 해상도의 한계를 극복하기 위하여 동시에 여러개의 촬상소자와 광학계를 이용하는 고해상도 촬영장치에 있어서, 다양한 선 간격을 가지는 그물모양의 보정시편과 보정시편을 촬영한 영상으로부터 시편의 특징점을 추출하고 특징점의 공간적인 위치로부터 광학계의 왜곡 및 조립오차를 계산하여 이를 보정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for correcting distortion of a high resolution image pickup device, nonuniformity of an image pickup device, and assembly error between the image pickup device and an optical system. In a high resolution photographing apparatus using a device and an optical system, feature points of a specimen are extracted from a net-shaped correction specimen having various line intervals and images of the correction specimen, and distortion and assembly errors of the optical system are calculated from spatial positions of the feature points. It relates to a method for correcting this.
촬상소자를 이용한 영상의 촬영기법은 단순한 영상획득에서부터 정밀한 측정을 대상으로 하는 산업적 응용, 천문학 등과 같이 학술적 탐구 및 정확한 진단을 필요로 하는 의료분야 등의 응용분야에서와 같이 정확한 데이터가 요구되는 정밀측정에 이르기까지 이미 널리 보편화되어 사용되고 있다.촬상소자를 이용한 영상의 촬영은 대상물체에서 발산되는 광선을 집광하는 광학계를 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 광학계는 광학계의 불안전성으로 인해 대상 물체의 본래의 모습과는 다른 형상으로 촬상소자에 영상을 전달하게 된다. 이러한 현상을 영상의 왜곡이라 부르는데, 왜곡이 발생하게 되면 정확한 측정데이터를 요구하는 응용분야에서는 치명적이라 할 수 있다.Image capturing techniques using image pickup devices are precise measurements that require accurate data, such as those in medical applications requiring scientific investigations and accurate diagnosis such as astronomy and industrial applications that target precise measurements. It is already widely used and used until now. It is common to use an optical system for condensing light rays emitted from an object to capture an image using an imaging device. The optical system transmits an image to the image pickup device in a shape different from the original shape of the object due to the instability of the optical system. This phenomenon is called image distortion, which can be fatal in applications requiring accurate measurement data.
도 1은 이러한 광학계의 영상형성 원리와 왜곡 현상을 설명하기 위한 개략도이다. 한 개 혹은 다수개의 광학소자로 구성된 광학계(20)는 피사체(10)에서 발산된 광선을 모아 영상(30)을 형성시킨다. 그런데 아무리 완벽한 광학계라 할지라도 왜곡없는 영상을 만들 수는 없다. 영상(31)은 밭을 의미하는 한자(田)의 형상을 가진 피사체(11)가 기하학적인 왜곡을 가진 광학계를 통과하여 형성된 일 실시예를 나타내고 있다. 이러한 예는 광학계 중심축으로부터 멀어질수록 피사체(11)의 크기보다 영상이 커지는 왜곡을 가진 광학계의 경우로서 그 반대의 경우도 존재 할 수 있다. 또 다른 예로서 상기한 피사체(11)의 중심부 평행선의 밝기값(12)이 일정하다 하여도 영상(30)의 경우에는 그 밝기값(32)이 중심부에서 더 밝고 중심부에서 멀어질수록 어두워지는 현상을 나타낼 수도 있으며, 그 반대의 경우도 생길 수 있다.1 is a schematic diagram for explaining the principle of image formation and distortion of the optical system. The optical system 20 including one or a plurality of optical elements collects the light rays emitted from the subject 10 to form an image 30. But no matter how perfect an optical system is, you can't make a distortion-free image. The image 31 illustrates an exemplary embodiment in which a subject 11 having a Chinese character, which means a field, is formed through an optical system having geometric distortion. Such an example may be the case of an optical system having a distortion in which an image becomes larger than the size of the subject 11 as the distance from the central axis of the optical system is increased, and vice versa. As another example, even if the brightness value 12 of the center parallel line of the subject 11 is constant, in the case of the image 30, the brightness value 32 becomes brighter at the center and becomes darker as it moves away from the center. It can also mean vice versa, and vice versa.
광학계의 이러한 오차를 보정하지 않은 채 왜곡된 영상을 그대로 사용한다면 정확한 데이터를 획득할 수 없으며 이로부터 정확한 분석이 불가능하게 된다. 또한, 광학계에 장착된 촬상소자의 경우에도 위치와 방향에 생긴 오차로 인해 원하는 형상을 얻기가 어려워진다. 그러므로, 이와같이 광학계와 촬상소자의 불완전성에 의한 영상 왜곡을 보정하여 물체의 본래 모습을 복원하는 영상 보정은 매우 중요한 일이 된다. 종래에는 영상형성 과정을 수학적으로 기술하고 분석하는 모델링 과정을 통해 영상왜곡에 대한 보정을 수행하였다.If the distorted image is used without correcting this error of the optical system, accurate data cannot be obtained, and accurate analysis is impossible from this. In addition, even in the case of an image pickup device mounted on an optical system, it is difficult to obtain a desired shape due to an error in position and direction. Therefore, it is very important that the image correction to restore the original state of the object by correcting the image distortion caused by the imperfection of the optical system and the image pickup device. Conventionally, image distortion is corrected through a modeling process that mathematically describes and analyzes an image forming process.
하지만, 위와 같은 모델링과정을 통해 종래 보정방법을 계산량이 많고 비선형 계산을 포함하고 있어서 고속으로 수행되지 못하는 문제를 가지고 있다. 더욱이, 고해상도 영상 촬영을 위하여 다수의 촬영소자를 이용하는 촬영장치의 경우에는 촬상소자의 수가 많아 계산량이 더욱 많아지고 복잡하게 되어 매우 큰 문제가 된다.따라서, 상술한 문제점을 감안한 본 발명의 목적은 다양한 간격을 가지고 간단한 형상의 표준시편과 표준시편을 촬영한 영상을 이용하여 간단하고 빠르게 광학계의 왜곡과 촬상소자의 조립오차를 보정할 수 있는 촬상소자를 이용한 촬영장치의 보정방법을 제공함에 있다.However, the above-described modeling process has a problem in that the conventional correction method cannot be performed at high speed because a large amount of calculation is included and nonlinear calculation is included. Moreover, in the case of a photographing apparatus using a plurality of photographing elements for high resolution image capturing, the number of imaging elements is large and the computational amount becomes more complicated, which is a very big problem. The present invention provides a method of correcting an imaging apparatus using an imaging device that can quickly and easily correct an optical system distortion and an assembly error of an imaging device by using an image of a standard specimen and a standard specimen having a simple shape at intervals.
도 1은 종래의 광학계 영상형성 원리와 왜곡현상을 설명하기 위한 개략도.1 is a schematic diagram illustrating a conventional optical system image forming principle and distortion phenomenon.
도 2는 본 발명에 따른 보정시편의 일 실시예를 나타내는 도면.2 is a view showing an embodiment of a calibration specimen according to the present invention.
도 3은 보정시편을 이용하여 특징점을 추출하는 과정을 설명하는 순서도.3 is a flow chart illustrating a process of extracting feature points using a calibration specimen.
도 4는 특징점과 보정시편의 좌표를 대응시키는 과정을 보여주는 개략도.4 is a schematic diagram showing a process of matching feature points and coordinates of a calibration specimen.
도 5는 다수의 촬상소자를 사용하는 경우 영상의 분할 및 재조합과정을 나타내는 개략도.5 is a schematic diagram showing a process of segmentation and recombination of images when using a plurality of imaging devices.
도 6은 다수의 촬상소자를 사용한 촬영장치의 경우 보정을 위한 보정시편의 형상을 나타내는 도면.6 is a view showing the shape of a correction specimen for correction in the case of a photographing apparatus using a plurality of imaging elements.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
30 : 대상물체 31 : 각 촬상소자별 촬영부분30: target object 31: photographing portion for each image pickup device
32 : 중복촬영된 부분 40 : 광학계32: overlapped portion 40: optical system
41 : 광학소자 50 : 촬영장치41: optical element 50: photographing device
50 : 촬상소자50: imaging device
위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 촬상소자를 이용한 촬영장치의 보정방법은 광학계에서 발생하는 각종 왜곡, 각각의 촬상소자가 가지는 불균일성 및 촬상소자와 광학계 조립시 발생하는 각종 조립오차를 보정하는 방법으로, 보정시편을 촬영하여 영상화하는 단계, 왜곡된 영상의 중심점을 찾는 단계, 중심점을 기준으로 보정시편을 상하로 움직이면서 보정시편의 가로선의 위치를 탐색하는 단계, 탐색된 가로선 상에서 보정시편을 좌우로 움직이면서 가로선과 보정시편의 세로선이 만나는 모든 교차점들을 탐색하는 단계, 탐색된 교차점들의 위치를 특정점들로 등록하는 단계 및 등록된 특징점들과 보정시편의 실제 좌표를 사용하여 왜곡된 영상을 원래의 영상으로 복원하는 단계로 이루어진다.이하, 첨부된 도면들을 이용하여 본 발명의 바림직한 실시예를 상세하게 설명한다.도 2는 본 발명에 따른 보정시편의 일 실시예를 도시한 것이다. 보정시편은 복수의 가로선과 세로선들이 그물형상으로 서로 교차하도록 구성되어 있으며, 이러한 보정시편의 중앙부분은 각 가로선 및 세로선들간의 간격이 넓고 가장자리(edge)로 갈수록 간격이 좁아지는 형상을 하고 있다. 이러한 형상을 갖는 이유는 광학계의 불완전성에 의한 왜곡은 영상의 가장자리에서 심하게 나타나기 때문에 그러한 영향을 고려하기 위한 것이다.도 3은 도 2의 보정시편을 이용하여 영상의 특징점을 추출하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.우선 도 2와 같은 보정시편을 제작한 후 제작된 보정시편을 촬영한다(단계 310). 다음에 촬영된 원영상 즉 광학계에 의해 왜곡된 영상의 중심점을 탐색한다(단계 311). 중심점 탐색이 완료되면, 이 중심점을 기준으로 보정시편을 왜곡된 영상의 상하로 이동시키면서 왜곡된 영상에서 보정시편의 가로선에 해당하는 위치를 찾아 그 위치를 기록한다(단계 312). 단계 312에서 가로선이 탐색되면 해당 가로선상에서 보정시편의 위치를 좌우로 이동시키면서 해당 가로선과 보정시편의 세로선이 만나는 교차점들을 찾아내어 이를 특징점으로 등록한다(단계 313). 단계 313을 보정시편의 모든 세로선에 대해 수행(단계 314)하고, 해당 가로선에 대해 모든 세로선과의 교차점을 찾아 이들 특징점으로 등록하는 과정이 완료되면, 단계 312와 같이 다른 가로선에 해당하는 위치를 찾게되며, 이러한 과정은 모든 가로선에 대해 이루어질 때까지 계속된다(단계 315). 즉, 이러한 과정들을 거치면서 보정시편의 가로선들과 세로선들의 모든 교차점들을 찾아 이를 특징점들로 하여 등록되게 한다, 상술한 과정은 가로선을 먼저 탐색하고 해당 가로선과 교차하는 모든 세로선들과의 교차점을 탐색하는 순서로 설명되었으나, 이러한 순서는 반대로 이루어질 수 도 있는 것은 자명하다. 즉, 보정시편을 먼저 좌우로 이동시켜 세로선을 탐색하고 해당 세로선과 교차하는 모든 가로선들과 교차점을 탐색하는 순서로 이루질 수 있다. 상술한 방법에 의해 특징점들의 등록이 완료되면 등록된 특징점들과 보정시편의 실제 좌표를 사용하여 도 4에서와 같이 왜곡된 영상을 원래의 영상으로 복원하게 된다. 이때 사용되는 보간방법으로 출력픽셀의 값을 주변의 2 ×2 영역에서의 평균값으로 하는 쌍간법(Bilinear Interpolation)이 사용된다. 이러한 쌍간법은 이미 많이 사용되는 방법으로 이에 대한 설명은 생략한다.도 5는 하나의 촬상소자가 가지는 해상도의 한계를 극복하기 위하여 동시에 여러개의 촬상소자를 이용한 고배율 촬영장치의 개념을 나타내는 개념도이며, 도 6은 이러한 다수의 촬상소자를 이용한 고배율 촬영장치를 보정하기 위한 보정시편의 실시예를 나타낸 도면이다.촬영장치(50)는 다수의 촬상소자(51)로 이루어지며, 각 촬상소자(51)들은 대상물체(30)의 일부분을 각각 나누어 촬영한다. 이때, 이웃하는 촬상소자(51)들에 의해 촬영된 부분영상(31)들은 조금씩 서로 겹쳐지는 부분(32)을 가지게 되며, 각 촬상소자(51)에 의해 촬영된 부분영상(31)들은 광학계(40)내의 각 광학소자(41)의 특성에 따라 그 왜곡정도가 다소 차이가 발생하게 된다. 이렇게 각 촬상소자(51)에 의해 촬영된 영상(31)들을 상술된 방법에 따라 보정시편을 이용하여 보정하고 이들을 조합하여 원래의 영상모습을 고해상도로 복원하게 된다. 도 6의 실시예에서는 가로 3개 세로 2개로 배열된 6개의 촬상소자를 보정하는 경우가 도시되어 있다.The method of correcting the photographing apparatus using the image pickup device of the present invention for achieving the above object is a method for correcting various distortions generated in the optical system, non-uniformity of each image pickup device and various assembly errors generated when the image pickup device and the optical system are assembled. Photographing and calibrating the calibration specimen, finding a center point of the distorted image, searching the position of the horizontal line of the calibration specimen while moving the calibration specimen up and down based on the center point, and moving the calibration specimen from side to side on the found horizontal line. Exploring all intersections where the horizontal line meets the vertical line of the calibration specimen as it moves, registering the locations of the searched intersections as specific points, and using the registered coordinates and the actual coordinates of the calibration specimen as the original image. The restoring process of the present invention is performed by using the accompanying drawings. It will be described in detail a probable embodiment. Fig. 2 illustrates one embodiment of a sample calibration in accordance with the present invention. The calibration specimen is constructed such that a plurality of horizontal lines and vertical lines cross each other in a net shape, and the center portion of the calibration specimen has a shape in which a space between the horizontal lines and the vertical lines is wide and the gap becomes narrow toward the edge. The reason for having such a shape is to consider such an influence because distortion due to the imperfection of the optical system is severe at the edge of the image. FIG. 3 is a view for explaining a process of extracting feature points of an image using the correction specimen of FIG. First of all, after producing the corrected specimen as shown in FIG. 2, the prepared corrected specimen is photographed (step 310). Next, the center point of the original image photographed, that is, the image distorted by the optical system, is searched (step 311). When the search for the center point is completed, the calibration specimen is moved up and down based on the center point, and the position corresponding to the horizontal line of the calibration specimen is found in the distorted image and the position is recorded (step 312). When the horizontal line is found in step 312, the intersections of the horizontal line and the vertical line of the corrected specimen are found while registering the corrected point while moving the position of the corrected specimen on the horizontal line (step 313). Step 313 is performed for all vertical lines of the calibration specimen (step 314), and when the intersection with all vertical lines for the horizontal line is completed and registered as these feature points, the position corresponding to the other horizontal line is found as in step 312. This process continues until all horizontal lines have been made (step 315). That is, through these processes, all intersections of the horizontal lines and the vertical lines of the calibration specimen are found and registered as feature points. The above-described process first searches for the horizontal line and then finds the intersection with all the vertical lines intersecting the horizontal line. Although described in order, it is obvious that this order may be reversed. That is, the calibration specimen may be moved first to the left and right to search for vertical lines, and then to find an intersection with all horizontal lines intersecting the vertical lines. When the registration of the feature points is completed by the above-described method, the distorted image is restored to the original image as shown in FIG. 4 using the registered feature points and the actual coordinates of the corrected specimen. As the interpolation method used, a bilinear interpolation method is used in which an output pixel value is an average value in a surrounding 2 × 2 region. This pair-to-pair method is already widely used, and description thereof will be omitted. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the concept of a high magnification photographing apparatus using several imaging devices at the same time in order to overcome the limitation of the resolution of one imaging device. Fig. 6 is a diagram showing an embodiment of a corrected specimen for correcting a high magnification photographing apparatus using a plurality of imaging elements. The photographing apparatus 50 is composed of a plurality of imaging elements 51, and each imaging element 51 They photographed by dividing each part of the object (30). In this case, the partial images 31 photographed by the neighboring image pickup devices 51 have portions 32 overlapping each other little by little, and the partial images 31 captured by the respective image pickup devices 51 are optical systems ( Depending on the characteristics of each optical element 41 in the 40, the degree of distortion slightly occurs. In this way, the images 31 photographed by the respective imaging devices 51 are corrected by using the corrected specimen according to the above-described method, and the combinations thereof are restored to restore the original image in high resolution. In the embodiment of Fig. 6, a case of correcting six imaging elements arranged in three horizontally and two vertically is shown.
상술한 바와 같이, 그물형상의 보정시편을 사용하여 이로부터 특징점들을 찾아 광학계의 왜곡을 보정함으로써 매우 간단하고 빠르게 왜곡된 영상을 정확하게 복원할 수 있는 효과가 있다. 더욱이 이러한 방법은 고해상도 영상촬영을 위하여 다수의 촬상소자를 이용하는 촬영장치에 적용함으로써 광학계의 왜곡과 촬상소자의 조립오차와 같은 여러가지 불완전성을 매우 간단하고 빠르게 계산하여 복원할 수 있는 효과가 있다.As described above, there is an effect of accurately reconstructing a distorted image very simply and quickly by finding feature points from the mesh-shaped correction specimen and correcting the distortion of the optical system. In addition, this method can be applied to a photographing apparatus using a plurality of image pickup devices for high-resolution imaging, so that various imperfections such as distortion of the optical system and assembly errors of the image pickup device can be calculated very simply and quickly.
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