KR100542370B1 - 보이지 않는 마커를 이용하는 비전기반 증강현실 시스템 - Google Patents

보이지 않는 마커를 이용하는 비전기반 증강현실 시스템 Download PDF

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KR100542370B1
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박종일
박한훈
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 육안으로 보이지 않는 마커를 추적 대상체에 표시하고, 상기 마커를 감지하여 추적 대상체를 신속 정확하게 추적할 수 있도록 구현한 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템은, 육안으로 보이지 않는 적외선 발광 물질로 표시된 적외선 마커(IM)를 갖는 추적 대상체(TO); 상기 추적 대상체(TO)를 촬영하는 가시광선 카메라(110); 상기 추적 대상체(TO)에 포함된 적외선 마커를 촬영하는 적외선 카메라(120); 상기 추적 대상체(TO)로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라(110)로 제공하고, 상기 추적 대상체(0B)로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라(120)로 제공하여, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점을 일치시키는 광축 변경 수단; 상기 가시광선 카메라(110) 및 적외선 카메라(120)에 의한 적외선 마커 영상 및 추적 대상체 영상을 분리하여 각각 획득하고, 상기 적외선 카메라(120)에 대한 상기 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세를 실시간으로 감시하여, 이 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세에 대한 감시를 통해 상기 추적 대상체(TO)의 위치 및 자세를 실시간으로 추적하며, 상기 추적 대상체 영상에 사전에 준비된 가상 영상을 렌더링(rendering)하여 새로운 영상을 생성하는 영상 처리 시스템(140); 및 상기 영상 처리 시스템(140)으로부터의 영상을 화면으로 출력하는 출력장치(150)를 구비함을 특징으로 한다.
현실증강, 현실증강 시스템,

Description

보이지 않는 마커를 이용하는 비전기반 증강현실 시스템{VISION-BASED AUGMENTED REALITY SYSTEM USING INVISIBLE MARKER}
도 1은 종래의 비전기반 증강현실 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비전기반 증강현실 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 광축 변경 수단으로 프리즘을 이용하는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 영상 처리 시스템의 동작처리 절차도이다.
도 5의 a,b는 본 발명의 가시광선 카메라 및 적외선 카메라로 획득한 영상 예이다.
도 6은 본 발명에 따른 증강현실이 구현된 영상 예이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
IM : 적외선 마커 TO : 추적 대상체
110 : 가시광선 카메라 120 : 적외선 카메라
130 : 반면거울 130A : 프리즘
140 : 영상 처리 시스템 150 : 출력장치
본 발명은 컴퓨터의 컴퓨터그래픽(CG)에 의한 가상 영상을 실제 영상에 실시간으로 정합시키는 증강현실 시스템(augmented reality system)에 관한 것으로, 특히 육안으로 보이지 않는 마커를 추적 대상체에 표시하고, 상기 마커를 감지하여 추적 대상체를 신속 정확하게 추적할 수 있도록 구현함으로써, 보다 신속하고 정확한 증강현실의 구현이 가능하고, 육안으로 보이는 마커를 사용하는 경우에 발생했던 단점을 해소할 수 있으며, 이에 따라 응용 분야를 확대할 수 있는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 가상현실에는 몰입형 가상현실(Immersive VR), 탁상형 가상현실 (Desktop VR) 및 증강현실(Augmented Reality)이 있는데, 이 중에서, 증강현실이란 사용자가 보고 있는 실사 영상에 컴퓨터에서 생성한 가상 영상을 정확하게 정합하는 사용자 인터페이스 기술이다. 이러한 증강현실을 통하면 사용자에게 보다 향상된 현실감 및 인지도를 제공할 수 있게 된다.
이러한 증강현실을 구현하기 위해서, 카메라 또는 추적 대상체의 움직임을 정확하게 추정하는 것은 중요한 핵심 기술로서, 이 증강현실의 구현방법은 일반적으로 크게 두 가지 방법으로 나누어진다.
첫째는 실세계에 존재하는 물체로부터 수집된 특징점들을 이용하는 것으로, 이는 증강현실 분야에서는 궁극적으로 지향하고 있는 방법이지만, 여전히 물체로부터 수집된 특징점 정보가 적거나 조명과 같은 환경 조건이 불안정할 경우에는 성능이 크게 떨어지는 단점이 있다.
둘째는 미리 알고 있는 마커를 이용하는 것으로, 이는 일반적으로 전자에 비해 안정된 성능을 가진다. 여기서, 마커는 원래 실세계에 존재하지 않는 물체지만, 카메라 또는 추적 대상체의 움직임의 정확한 추정을 위해 인위적으로 실세계에 삽입된 물체이기 때문에, 다른 물체를 가리거나 눈에 거슬릴 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점 때문에 마커를 이용한 증강현실 기술은 사용될 수 있는 응용 분야가 비교적 한정되어 있다.
이러한 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 비전기반 증강현실 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 종래의 비전기반 증강현실 시스템은 육안으로 보이는 마커(VM)가 표시되어 있는 추적 대상체(TO)를 촬영하는 카메라(11)와, 상기 카메라(11)에 의한 추적 대상체에 표시된 마크 영상에 근거해서 상기 마커의 위치 및 자세를 감시하여 상기 추적 대상체의 위치 및 자세를 추적하고, 이러한 추적 대상체 영상 에 사전에 준비된 가상 영상을 렌더링하여 새로운 영상을 생성하는 영상 처리기(12)와, 상기 영상 처리기(12)로부터의 영상을 화면으로 출력하는 출력장치(13)를 포함한다.
이러한 종래의 증강현실 시스템에서는, 육안으로 보이는 마커를 이용하므로 정확하고 빠르게 증강현실을 구현할 수 있는 장점이 있으나, 여기서 사용되는 마커는 실제 환경속에 존재하지 않는 인위적인 부가물이기 때문에, 실제 원하는 대상물을 가리게 되거나 육안을 거슬리게 하는 문제점이 있으며, 또한, 육안으로 보이는 마커를 이용하는 증강현실 시스템을 응용할 수 있는 영역이 극히 제한된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 육안으로 보이지 않는 마커를 추적 대상체에 표시하고, 상기 마커를 감지하여 추적 대상체를 신속 정확하게 추적할 수 있도록 구현함으로써, 보다 신속하고 정확한 증강현실의 구현이 가능하고, 육안으로 보이는 마커를 사용하는 경우에 발생했던 단점을 해소할 수 있으며, 이에 따라 응용 분야를 확대할 수 있는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템은,
육안으로 보이지 않는 적외선 발광 물질로 표시된 적외선 마커를 갖는 추적 대상체;
상기 추적 대상체를 촬영하는 가시광선 카메라;
상기 추적 대상체에 포함된 적외선 마커를 촬영하는 적외선 카메라;
상기 추적 대상체로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라로 제공하고, 상기 추적 대상체로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라로 제공하여, 상기 적외선 카메라와 가시광선 카메라의 시점을 일치시키는 광축 변경 수단;
상기 적외선 카메라 및 가시광선 카메라에 의한 적외선 마커 영상 및 추적 대상체 영상을 분리하여 각각 획득하고, 상기 적외선 카메라에 대한 상기 적외선 마커의 위치 및 자세를 실시간으로 감시하여, 이 적외선 마커의 위치 및 자세에 대한 감시를 통해 상기 추적 대상체의 위치 및 자세를 실시간으로 추적하며, 상기 추적 대상체 영상에 사전에 준비된 가상 영상을 렌더링하여 새로운 영상을 생성하는 영상 처리 시스템; 및
상기 영상 처리 시스템으로부터의 영상을 화면으로 출력하는 출력장치
을 구비함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 비전기반 증강현실 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비전기반 증강현실 시스템은 추적 대상체(TO), 가시광선 카메라(110), 적외선 카메라(120), 광축 변경 수단, 영상 처리 시스템(140) 및 출력장치(150)를 포함한다.
상기 추적 대상체(TO)는 육안으로 보이지 않는 적외선 발광 물질로 표시된 적외선 마커(IM)를 갖는다. 이는 추적 대상체를 정확하게 추적하기 위해서 적외선 마커(IM)가 이용되는 것이고, 또한, 추적 대상체를 육안으로 보는데 방해하지 않게 하기 위해서 육안으로 보이지 않는 적외선 마크가 사용된다. 여기서, 적외선 발광 물질은 적외선 발광 잉크 등이 사용될 수 있다.
상기 가시광선 카메라(110)는 상기 추적 대상체(TO)를 촬영하는데, 보다 적외선과의 분리정도를 향상시키기 위해서, 상기 가시광선 카메라(110)는 가시광선 영역의 빛을 통과시키는 컬러 보정 필터를 장착할 수 있다.
상기 적외선 카메라(120)는 상기 추적 대상체(TO)에 포함된 적외선 마커를 촬영하는데, 상기 가시광선과의 분리정도를 향상시키기 위해서, 상기 적외선 카메라(120)는 적외선 영역의 빛을 통과시키는 적외선 통과 필터를 장착할 수 있다.
이와 같이, 상기 컬러 보정 필터 및 적외선 통과 필터를 이용하면, 적외선 영역과 가시광선 영역의 빛을 서로 분리시킬 수 있어, 적외선과 가시광선의 분리정도를 보다 향상시킬 수 있다.
상기 광축 변경 수단은 상기 추적 대상체(TO)로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라(110)로 제공하고, 상기 추적 대상체(0B)로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라(120)로 제공하여, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점을 일치시킨다.
여기서, 시점을 일치시킨다는 것은 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)가 동일한 위치에서, 동일한 방향으로 동일한 장면을 촬영하도록 한다는 것이다.
이러한 광축 변경 수단을 통해서, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점이 일치되어, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)는 동일한 장면을 동일한 거리 및 시점으로 촬영할 수 있게 된다.
상기 영상 처리 시스템(140)은 상기 가시광선 카메라(110) 및 적외선 카메라(120)에 의한 적외선 마커 영상 및 추적 대상체 영상을 분리하여 각각 획득하고, 상기 적외선 카메라(120)에 대한 상기 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세를 실시간으로 감시하여, 이 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세에 대한 감시를 통해 상기 추적 대상체(TO)의 위치 및 자세를 실시간으로 추적하며, 상기 추적 대상체 영상에 사전 에 준비된 가상 영상을 렌더링(rendering)하여 새로운 영상을 생성한다.
여기서, 렌더링(rendering)이란 화면에 그려지는 실제 물체의 각 면에 3차원 컴퓨터그래픽(CG)을 통한 색깔이나 효과를 부여하는 것을 말하며, 이를 통해서, 화면상의 실체 물체에 대한 입체감 및 사실감이 향상된다.
그리고, 상기 출력장치(150)는 상기 영상 처리 시스템(140)으로부터의 영상을 화면으로 출력하는데, 이러한 출력장치의 예로는 단순한 모니터를 비롯하여 HMD(Head Mounted Display), 크리스탈 아이즈(CrystalEyes)등의 입체안경, 안경형 HMD(Optical See-Through HMD) 등이 있다.
한편, 상기 광축 변경 수단은 전술한 바와 같이, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점을 일치시키기 위한 것으로, 반면거울(130) 또는 프리즘(130A)으로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하여 상기 광축 변경 수단이 반면거울로 구현되는 경우, 상기 가시광선 카메라(110)와 적외선 카메라(120) 사이에 설치되고, 상기 추적 대상체로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라로 투과하고, 상기 추적 대상체로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라로 반사시켜, 상기 적외선 카메라와 가시광선 카메라의 시점을 일치시킨다.
도 3은 본 발명의 광축 변경 수단으로 프리즘을 이용하는 예시도이다.
도 3을 참조하여, 상기 광축 변경 수단이 프리즘으로 구현되는 경우, 상기 추적 대상체로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라로 굴절시키고, 상기 추적 대상체로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라로 굴절시켜, 상기 적외선 카메라와 가시광선 카메라의 시점을 일치시킨다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 영상 처리 시스템의 동작처리 절차도로서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 광축 변경 수단은 추적 대상체(TO)로부터의 광축(OP)중에서 가시광선(OP1)을 가시광선 카메라(110)로 제공하고, 상기 추적 대상체(0B)로부터의 적외선(OP2)을 상기 적외선 카메라(120)로 제공하여, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점을 일치시킨다. 이러한 광축 변경 수단에 의해서, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)는 동일한 장면을 동일한 거리 및 시점으로 촬영할 수 있게 된다.
이때, 상기 가시광선 카메라(110)는 육안으로 보이지 않는 적외선 발광 물질로 표시된 적외선 마커(IM)를 갖는 추적 대상체(TO)를 촬영하여 영상 처리 시스템(140)으로 출력하고, 또한, 상기 적외선 카메라(120)는 상기 추적 대상체(TO)에 포 함된 적외선 마커를 촬영하여 영상 처리 시스템(140)으로 출력한다.
도 5의 a,b는 본 발명의 가시광선 카메라 및 적외선 카메라로 획득한 영상 예이다.
도 5a 및 도 5b는 동일한 시점에서 촬영한 영상으로서, 도 5a는 가시광선 카메라(110)로 획득한 영상이고, 도 5b는 적외선 카메라(120)로 획득된 영상의 예로서, 도 5b에 보인 바와 같이, 적외선 마커(IM)는 적외선 카메라에서만 촬영할 수 있음을 알 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 영상 처리 시스템(140)은 상기 가시광선 카메라(110) 및 적외선 카메라(120)에 의한 적외선 마커 영상 및 추적 대상체 영상을 각각 획득한다(S41). 이렇게 획득된 상기 적외선 마커(IM)에 대한 영상 좌표를 사전에 준비된 기준 마커의 좌표와 서로 비교하여 상기 적외선 카메라(120)에서의 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세를 실시간으로 계산할 수 있다(S42).
이러한 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세에 대한 감시를 통해 상기 추적 대상체(TO)의 위치 및 자세(POSE)를 실시간으로 추적할 수 있으며(S43), 상기 추적 대상체 영상에 사전에 준비된 가상 영상을 렌더링(rendering)하여 새로운 영상을 생성하여(S44) 출력장치(150)의 출력을 제어하는 과정을 종료전까지 반복한다(S45,S46).
이에 따라, 상기 출력장치(150)로는 상기 영상 처리 시스템(140)으로부터의 영상을 화면으로 출력되어 증강현실이 구현된다.
도 6은 본 발명에 따른 증강현실이 구현된 영상 예이다.
도 6은 적외선 카메라(120)를 이용하여 적외선 마커(IM)의 위치를 추적하여 추적 대상체의 포즈(자세)를 계산한 후, 상기 가시광선 카메라(110)에서 획득된 영상에 사전에 준비된 주전자 영상을 렌더링하여 증강현실(AR)을 적용한 새로운 영상을 보여주고 있다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 보이지 않는 잉크(적외선 발광 물질)로 제작된 마커를 이용하여 정확하고 빠르게 추적 대상체를 추적할 수 있어, 이에 따라 보다 신속 정확하게 증강현실을 구현할 수 있다. 즉, 적외선 카메라를 이용하여 마커를 감시하고, 그 결과를 이용하여 가시광선 카메라에서 획득된 영상에 가상 영상을 렌더링하여 증강현실을 구현한다. 두 카메라의 시점은 반면거울 또는 프리즘을 이용하여 일치되기 때문에, 가시광선 영상만 고려한다면, 보이지 않는 마커를 감시하여 증강현실을 구현하는 것과 같다.
그러한 본 발명에 의하면, 증강현실 기술을 필요로 하는 모든 응용 분야로 그 응용 범위를 확장시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 컴퓨터의 컴퓨터그래픽(CG)에 의한 가상 영상을 실제 영상에 실시간으로 정합시키는 증강현실 시스템(augmented reality system)에서, 육안으로 보이지 않는 마커를 추적 대상체에 표시하고, 상기 마커를 감지하여 추적 대상체를 신속 정확하게 추적할 수 있도록 구현함으로써, 보다 신속하고 정확한 증강현실의 구현이 가능하고, 육안으로 보이는 마커를 사용하는 경우에 발생했던 단점을 해소할 수 있으며, 이에 따라 응용 분야를 확대할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 육안으로 보이지 않는 적외선 발광 물질로 표시된 적외선 마커(IM)를 갖는 추적 대상체(TO);
    상기 추적 대상체(TO)를 촬영하는 가시광선 카메라(110);
    상기 추적 대상체(TO)에 포함된 적외선 마커를 촬영하는 적외선 카메라(120);
    상기 추적 대상체(TO)로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라(110)로 제공하고, 상기 추적 대상체(0B)로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라(120)로 제공하여, 상기 적외선 카메라(120)와 가시광선 카메라(110)의 시점을 일치시키는 광축 변경 수단;
    상기 가시광선 카메라(110) 및 적외선 카메라(120)에 의한 적외선 마커 영상 및 추적 대상체 영상을 분리하여 각각 획득하고, 상기 적외선 카메라(120)에 대한 상기 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세를 실시간으로 감시하여, 이 적외선 마커(IM)의 위치 및 자세에 대한 감시를 통해 상기 추적 대상체(TO)의 위치 및 자세를 실시간으로 추적하며, 상기 추적 대상체 영상에 사전에 준비된 가상 영상을 렌더링(rendering)하여 새로운 영상을 생성하는 영상 처리 시스템(140); 및
    상기 영상 처리 시스템(140)으로부터의 영상을 화면으로 출력하는 출력장치(150)
    을 구비함을 특징으로 하는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가시광선 카메라(110)는
    가시광선 영역의 빛을 통과시키는 컬러 보정 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템
  3. 제1항에 있어서, 상기 적외선 카메라(120)는
    적외선 영역의 빛을 통과시켜 상기 적외선 마커(IM)를 인식하기 위한 적외선 통과 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템
  4. 제1항에 있어서, 상기 광축 변경 수단은
    상기 가시광선 카메라(110)와 적외선 카메라(120) 사이에 설치되고, 상기 추적 대상체로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라로 투과시키고, 상기 추적 대상체로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라로 반사시켜, 상기 적외선 카메라와 가시광선 카메라의 시점을 일치시키는 반면거울로 이루어진 것을 특징으로 하는 보이지 않는 마커를 이용한 비전기반 증강현실 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광축 변경 수단은
    상기 추적 대상체로부터의 가시광선을 상기 가시광선 카메라로 굴절시키고, 상기 추적 대상체로부터의 적외선을 상기 적외선 카메라로 굴절시켜, 상기 적외선 카메라와 가시광선 카메라의 시점을 일치시키는 프리즘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 보이지 않는 마커를 이용한 증강현실 시스템.
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