KR100815159B1 - 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그방법 - Google Patents
다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다수의 카메라로부터 획득된 영상에서 주위 조명의 변화 및 카메라 떨림에 구애받지 않고 원하는 지점의 정확한 3 차원 상대 좌표를 실시간으로 획득하기 위한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 손 모양 윤곽선을 추출하기 위한 윤곽선 추출수단; 상기 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 대응점을 지정하여 카메라들을 정합하기 위한 카메라 정합수단; 및 상기 카메라 정합수단에 의해 얻어진 기본 행렬을 바탕으로 상기 윤곽선 추출수단으로부터 추출된 손 모양의 윤곽선에 대해 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 3 차원 포인팅 지점 계산수단을 포함한다.
3 차원 입력, 손 추적, 3 차원 좌표, 3 차원 포인팅 지점, 3 차원 위치
Description
도 1 은 본 발명에 따른 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치의 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 이용되는 사용자에 의해 지정된 9 개의 대응점의 일실시예 설명도,
도 3 은 본 발명에 따른 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
10 : 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치
11 : 윤곽선 추출부 12 : 카메라 정합부
13 : 3 차원 포인팅 지점 계산부
본 발명은 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 카메라로부터 획득된 영상에서 주위 조명의 변화 및 카메라 떨림에 구애받지 않고 원하는 지점의 정확한 3 차원 상대 좌표를 실시간으로 획득할 수 있는, 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최초로 컴퓨터가 발명된 이후부터 컴퓨터를 효과적으로 이용하기 위한 입력 도구들은 계속 활발히 이루어져 왔다. 처음 입력 정보가 주로 수치와 텍스트일 때는 키보드가 발명되어 사용되어져 왔고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI : Graphical user interface)가 소개되면서는 마우스가 당시로서는 매우 첨단 입력 도구로서 발명되어 사용되어져 왔다.
최근 3 차원 기능들이 포함된 컴퓨터 게임이나 그래픽스 응용 프로그램들이 시장에서 대세를 이루고 있고, 2 차원 기술이 거의 완성 단계에 이른 비디오 카드 시장에서는 3 차원 기능에 따라 제품의 차별화가 이루어지고 있을 뿐 아니라, 컴퓨터 운영체제 시장에서 독점적 위치를 차지하고 있는 "Microsoft"는 차세대 윈도우 운영체제 개발 계획을 발표할 정도로 컴퓨터의 3 차원 사용자 환경은 급속도로 성숙될 조짐을 보이고 있다.
2 차원 입력 도구인 마우스는 3 차원 입력 도구로는 적당치 않으며, 시장에 소개된 3 차원 입력 도구들도 사용자의 입력을 쉽고 직관적으로 컴퓨터에 전달할 수 없다는 단점 때문에, 아직 사용자들에게 널리 채택되어 사용되고 있지 않은 실 정이다.
현재, 사용자들은 새로운 종류의 입력인 3 차원 정보를 컴퓨터에 전달하기를 원하며, 여러 가지 방법들이 시도되었다. 일예로, 자이로스코프의 원리를 이용한 모션 센서를 이용하여 3 차원상의 위치를 추출해내는 방식이 있다. 하지만, 이는 청중들 앞에서 단시간 이루어지는 프레젠테이션 등에서는 적당하나, 데스크 탑에서 장시간 운용하기에는 무겁고, 번거롭다는 문제점이 있다.
다른 예로, 모션 센서를 장갑이나 밴드에 부착하여 사용자가 좀 더 편리하게 기구를 사용할 수 있도록 고안된 장치들이 있지만, 컴퓨터를 사용할 때마다 장치들을 착용해야하는 번거로움이 기존의 마우스를 사용할 때의 번거로움보다 과중하기 때문에 시장에서 광범위하게 채택되지 않고 있다.
또 다른 예로, 로봇 암처럼 생긴 장치의 끝부분에 펜 형태의 모션 센서를 부착한 형태도 있으나, 축의 방향성 때문에 운용이 자유롭지 못하여 사용하는데 불편함이 있다.
따라서, 현재의 기술분야에서는 사용자가 특별한 도구를 착용하거나 무게가 있는 입력 도구를 이리저리 움직이는 수고 없이, 2 차원용 마우스를 사용하는 정도의(혹은 그 이하) 조작만으로도 3 차원 사용자 입력을 효과적으로 전달할 수 있도록함으로써, 기존의 마우스를 대체할 수 있는 방안이 절실히 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 다수의 카메 라로부터 획득된 영상에서 주위 조명의 변화 및 카메라 떨림에 구애받지 않고 원하는 지점의 정확한 3 차원 상대 좌표를 실시간으로 획득하기 위한, 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치에 있어서, 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 손 모양 윤곽선을 추출하기 위한 윤곽선 추출수단; 상기 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 대응점을 지정하여 카메라들을 정합하기 위한 카메라 정합수단; 및 상기 카메라 정합수단에 의해 얻어진 기본 행렬을 바탕으로 상기 윤곽선 추출수단으로부터 추출된 손 모양의 윤곽선에 대해 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 3 차원 포인팅 지점 계산수단을 포함한다.
한편, 본 발명은, 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법에 있어서, 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 손 모양 윤곽선을 추출하는 윤곽선 추출 단계; 상기 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 대응점을 지정하여 카메라들을 정합하는 카메라 정합 단계; 및 상기 카메라 정합 단계에 의해 얻어진 기본 행렬을 바탕으로, 상기 윤곽선 추출 단계에서 추출된 손 모양의 윤곽선에 대해 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 3 차원 포인팅 지점 계산 단계를 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치의 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치는, 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 "dynamic background subtraction" 방법을 이용하여 손 모양의 윤곽선을 추출하기 위한 윤곽선 추출부(11)와, 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 "epipolar geometry"를 이용하여 카메라들을 정합(calibration)하기 위한 카메라 정합부(12)와, 윤곽선 추출부(11)로부터 추출된 손 모양의 윤곽선을 기반으로 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하기 위한 3 차원 포인팅 지점 계산부(13)를 포함한 다.
이와 같이 구성된 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치를 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
윤곽선 추출부(11)는 조명이 변하는 환경에서 안정적으로 다수의 카메라로부터 획득한 영상에서 손 모양의 윤곽선을 획득하기 위해 "dynamic background subtraction" 방법을 이용하여, 배경의 일정시간 평균 픽셀 값을 현재 화면의 픽셀 값과 비교하고, 비교된 값을 바탕으로 정확한 실루엣 값(손 모양의 윤곽선)을 추출한다.
여기서 "dynamic background subtraction" 방법은 최초 이미지 한 장과 현재 이미지 간에 어떠한 변화가 발생하였는지를 구하는 방법으로, 과거 t(윈도우 사이즈)개의 이미지들을 픽셀별로 평균을 구하여 현재 이미지와 비교할 기준 이미지를 생성하는 방법을 말한다. 예를 들면, n번째 프레임에서의 배경은 하기의 [수학식 1]을 이용하여 획득할 수 있다.
여기서, m은 윈도우 사이즈를 나타내고, 
이다.
카메라 정합부(12)는 초기에 사용자가 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 지정한 9 개의 대응점을 기반으로 "epipolar geometry"를 이용하여 카메라를 정합한다. 이때, 다수의 카메라들의 카메라 좌표축 xy 평면이 동일선상(collinear)에 설치되는 것으로 한다.
여기서, 사용자가 초기에 지정한 9 개의 대응점은 사용자가 선호하는 방식에 따라 선택되거나, "SUSAN" 등의 코너(corner) 검출 장치(operator)에 의해 시스템에서 추적하기 쉬운 점으로 자동 지정될 수 있다. 일예로, 사용자는 하기의 도 2와 같이, 특징있는 점들을 지정할 수 있다.
3 차원 포인팅 지점 계산부(13)는 윤곽선 추출부(11)로부터 추출된 실루엣 값(손 모양의 윤곽선) 중에서 사용자가 의도하는 지정된 손가락 끝의 3 차원 위치를 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간에 연속적으로 추적함으로써, 원하는 3 차원상의 포인팅 위치를 획득한다. 즉, 3 차원 기하를 응용하여 2 차원 이미지들의 대응관계를 알면("3D Multiple View Geometry" 참조), 각 카메라에서 획득한 특정한 지점의 2 차원 좌표들에 기반하여 3 차원 좌표들을 획득할 수 있다.
여기서, 카메라 정합부(12)의 카메라 정합에 의해 획득된 기본 행렬(fundamental matrix)을 이용하여 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 종래의 방법은 많은 시간이 소요되므로, 3 차원 포인팅 지점 계산부(13)는 각 위치별 기본 행렬(fundamental matrix)과 그 역행렬을 적용한 결과를 해쉬테이블에 미리 저장하고, 이 해쉬테이블을 이용하여 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산함으로써, 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)의 계산시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 손이 움직이는 공간을 가상의 3 차원 눈금(grid)으로 분할하면, 손의 위치를 표시하는 (x, y, z) 값의 범위가 무척 줄어든다. 따라서, 컴퓨터를 시작할 때 이 모든 값의 경우를 미리 기본 행렬에 곱하여 표에 저장해 두었다가 필요할 때 가져다 씀으로써, 매번 매트릭스 연산을 하는 것보다 수행시간이 적게 걸린다.
도 3 은 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 윤곽선 추출부(11)가 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 "dynamic background subtraction" 방법을 이용하여 손 모양의 윤곽선을 추출한다(301).
이후, 카메라 정합부(12)가 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 지정된 9 개의 대응점을 기반으로 "epipolar geometry"를 이용하여 카메라들을 정합한다(302).
이후, 3 차원 포인팅 지점 계산부(13)가 윤곽선 추출부(11)로부터 추출된 손 모양의 윤곽선을 기반으로 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산한다(303).
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기 로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 다수의 카메라로부터 획득한 영상에서 주위 조명의 변화 및 카메라 떨림에 구애받지 않고 원하는 지점의 정확한 3 차원 상대 좌표를 실시간으로 획득함에 있어서, 미리 수행한 연산이 저장되어 있는 해쉬테이블을 이용함으로써, 3 차원 포인팅 지점의 계산시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치에 있어서,다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 손 모양 윤곽선을 추출하기 위한 윤곽선 추출수단;상기 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 대응점을 지정하여 카메라들을 정합하기 위한 카메라 정합수단; 및상기 카메라 정합수단에 의해 얻어진 기본 행렬을 바탕으로 상기 윤곽선 추출수단으로부터 추출된 손 모양의 윤곽선에 대해 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 3 차원 포인팅 지점 계산수단을 포함하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 3 차원 포인팅 지점 계산수단은,각 위치별 기본 행렬과 그 역행렬을 적용한 결과를 해쉬테이블에 미리 저장하고, 이 해쉬테이블을 이용하여 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 윤곽선 추출수단은,상기 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 "dynamic background subtraction" 방법을 이용하여, 현재의 일정시간 평균 픽셀 값을 현재 화면의 픽셀 값과 비교하여, 비교된 값을 바탕으로 손 모양의 윤곽선을 추출하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 카메라 정합수단은,상기 다수의 카메라로부터 획득한 영상에서 사용자에 의해 지정된 9 개의 대응점을 기반으로 "epipolar geometry"를 이용하여 카메라를 정합하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 장치.
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- 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법에 있어서,다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 손 모양 윤곽선을 추출하는 윤곽선 추출 단계;상기 다수의 카메라로부터 획득된 영상에 대해 대응점을 지정하여 카메라들을 정합하는 카메라 정합 단계; 및상기 카메라 정합 단계에 의해 얻어진 기본 행렬을 바탕으로, 상기 윤곽선 추출 단계에서 추출된 손 모양의 윤곽선에 대해 "Kalman filter" 또는 "Particle filter"를 이용하여 실시간으로 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 3 차원 포인팅 지점 계산 단계를 포함하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 3 차원 포인팅 지점 계산 단계에서는,각 위치별 기본 행렬과 그 역행렬을 적용한 결과를 해쉬테이블에 미리 저장하고, 이 해쉬테이블을 이용하여 손의 3 차원 위치(3 차원 포인팅 지점)를 계산하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 윤곽선 추출 단계에서는,상기 다수의 카메라로부터 획득한 동일 순간에 촬영된 영상에서 "dynamic background subtraction" 방법을 이용하여, 현재의 일정시간 평균 픽셀값을 현재 화면의 픽셀값과 비교하여, 비교된 값을 바탕으로 손 모양의 윤곽선을 추출하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 카메라 정합 단계에서는,상기 다수의 카메라로부터 획득한 영상에서 사용자에 의해 지정된 9 개의 대응점을 기반으로 "epipolar geometry"를 이용하여 카메라를 정합하는 것을 특징으로 하는 다수의 카메라를 이용한 손 추적 3 차원 입력 방법.
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