KR101002072B1 - 펄스 구동 방식의 투영 영상 터치 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자유 공간상에 영상을 투영하고, 투영된 영상에 대한 사용자의 터치 위치를 인식하며, 인식한 터치 위치를 토대로 사용자의 명령을 처리할 수 있도록 한 투영 영상 터치 장치에 관한 것으로, 특히 적외선 LED를 펄스 구동하여 적외선 LED에서 발하는 광이 외부광보다 더 밝을 수 있도록 한 투영 영상 터치 장치에 관한 것이다.
본 발명의 투영 영상 터치 장치는 적외선을 발광하여 공간상에 적외선 스크린을 생성하는 적외선 엘이디(LED)어레이; 렌즈가 상기 적외선 스크린을 향하도록 설치되는 적외선 카메라; 상기 적외선 스크린에 영상을 투영하기 위한 프로젝터; 펄스 신호를 주기적으로 발생하는 펄스 발생부; 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력될 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로 직류 전원을 공급하고, 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력되지 않을 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로의 직류 전원 공급을 차단하는 엘이디 구동부; 및 상기 적외선 카메라가 촬영한 흑백(gray scale) 영상에서 사용자 지시수단이 상기 적외선 스크린을 터치한 위치를 인식하는 공간 터치 인식 모듈을 포함하여 이루어진다.

Description

펄스 구동 방식의 투영 영상 터치 장치{apparatus for touching a projection of images on an infrared screen}
본 발명은 투영 영상 터치 장치에 관한 것으로, 특히 자유 공간상에 영상을 투영하고, 투영된 영상에 대한 사용자의 터치 위치를 인식하며, 인식한 터치 위치를 토대로 사용자의 명령을 처리할 수 있도록 한 투영 영상 터치 장치에 관한 것이다.
종래의 터치스크린은 모니터의 화면에 터치 패널(Touch Panel)을 덧붙여서 손끝이나 기타 물체가 소정영역에 접촉할 때 해당 영역의 특성이 변화하는 것을 인지하여 사용자 입력의 발생을 감지하였다.
도 1은 종래의 터치스크린 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 터치스크린 장치는 일반 모니터의 화면에 터치 패널(Touch Panel)을 덧붙여서 손끝이나 기타 물체가 소정영역에 접촉할 때 해당 영역의 특성이 변화하는 것으로 사용자 입력을 인지하였다.
종래의 터치스크린은 전체 화면을 2차원 격자 형태로 구분하여 접촉된 위치를 해석하였으며, 이는 정전용량, 초음파, 적외선, 저항막, 음파인식 등을 이용하여 인식하는 인터페이스 방식이다.
즉, 종래의 터치스크린은 디스플레이 화면과 터치 패널이 동일한 면에 위치하는 2차원 형태로 구성되기 때문에, 디스플레이와 떨어진 자유공간을 터치하는 가상터치스크린 방식은 불가능하였다.
이에 따라, 본 출원인은 적외선 LED를 이용하여 자유 공간상에 적외선 스크린을 생성하고, 이 적외선 스크린에 영상을 투영하며, 투영된 영상에 대한 사용자의 터치 위치를 인식하며, 인식한 터치 위치를 토대로 사용자의 명령을 처리할 수 있도록 한 적외선 스크린 방식의 투영 영상 터치 장치(한국등록특허 제936666호 참조)를 제안한바 있었다.
그러나, 본 출원인이 제안한 적외선 스크린 방식의 투영 영상 터치 장치는 적외선 LED에서 발하는 적외선보다 외부광(예, 햇빛, 형광등)이 더 강하면, 터치 위치의 인식 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 적외선 LED를 펄스 구동하여 적외선 LED에서 발하는 광이 외부광보다 더 밝을 수 있도록 한 투영 영상 터치 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 투영 영상 터치 장치는 적외선을 발광하여 공간상에 적외선 스크린을 생성하는 적외선 엘이디(LED)어레이; 렌즈가 상기 적외선 스크린을 향하도록 설치되는 적외선 카메라; 상기 적외선 스크린에 영상을 투영하기 위한 프로젝터; 펄스 신호를 주기적으로 발생하는 펄스 발생부; 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력될 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로 직류 전원을 공급하고, 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력되지 않을 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로의 직류 전원 공급을 차단하는 엘이디 구동부; 및 상기 적외선 카메라가 촬영한 흑백(gray scale) 영상에서 사용자 지시수단이 상기 적외선 스크린을 터치한 위치를 인식하는 공간 터치 인식 모듈을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 적외선 카메라는 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력될 때 촬영하는 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 프로젝터는 영상을 표시하는 디스플레이 모듈 및 상기 디스플레이 모듈에서 표시되는 영상을 상기 적외선 스크린에 투영하기 위한 투영 모듈을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 투영 모듈은 상기 디스플레이 모듈에서 발하는 빔을 두 개의 빔으로 분리하기 위한 빔 분리기; 상기 디스플레이 모듈에서 발하여 상기 빔 분리기에서 반사되어 온 빔을 다시 빔 분리기 쪽으로 반사하기 위한 구면 거울 및 상기 구면 거울에서 반사되어 상기 빔 분리기를 투과한 빔을 편광으로 바꾸기 위한 편광 필터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 투영 영상 터치 장치에 따르면, 사용자들에게 보다 실감나는, 인터렉티브(interactive)한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있고, 사용자에게 재미와 편리함을 줄 수 있는 효과가 있다. 따라서, 가까운 장래에 본 발명이 적용된 키오스크들은 이러한 실감형 사용자 인터페이스를 사용하게 될 것이다. 또한, 적외선 LED를 펄스 구동 방식으로 구동함으로 외부광에 따른 터치 인식 오류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 터치스크린 장치의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투영 영상 터치 장치의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 적외선 스크린 방식의 공간 터치를 인식하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 터치 인식 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 투영 영상 터치 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 스크린 방식의 투영 영상 터치 장치의 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 스크린 방식의 투영 영상 터치 장치는 적외선을 발광하여 공간상에 적외선 스크린을 생성하는 적외선 엘이디(LED) 어레이(110)와, 렌즈가 적외선 스크린을 향하도록 설치되는 적외선 카메라(120)와, 적외선 스크린에 영상을 투영하기 위한 프로젝터(150)와, 적외선 카메라(120)가 촬영한 흑백(gray scale) 영상에서 사용자 지시수단 예컨대, 손끝이나 터치 펜이 적외선 스크린을 터치한 위치를 인식하는 공간 터치 인식 모듈(130)과, 이들을 탑재하는 하우징(160)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명하자면 먼저, 적외선 스크린은 적외선 엘이디 어레이(110)에 의해 생성되는, 공간상에 위치한 가상의 터치 스크린이다.
적외선 스크린의 가로 길이는 일렬로 배열된 적외선 LED 수에 의해 결정된다.
적외선 스크린의 테두리에는 사용자가 적외선 스크린의 윤곽을 쉽게 인지할 수 있도록 사각형 형태의 틀이 형성될 수 있다. 그렇다고 한다면, 적외선 엘이디 어레이(110)는 틀의 상단, 하단, 좌측 및 우측 중 어느 한 곳에 설치가 가능하다.
적외선 엘이디 어레이(110)는 협각(좁은각) 적외선 LED로 구성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 적외선 엘이디 어레이(110)의 적외선 빔각(infrared beam angle)은 10도 이내인 것이 바람직하다. 여기서, 적외선 LED는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 사용되는 반도체 소자이므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
적외선 카메라(120)는 주지되어 있는 바와 같이, 가시광선 영역을 컷오프(Cut-off)시키고 적외선 영역만을 패스(pass)시키는 필터가 내장되어 있는 것으로서, 실내의 형광등 등에서 발하는 가시광선 및 적외선 스크린으로 투영된 입체 영상(three-dimensional image)을 차단하고 적외선만을 흑백(gray scale) 영상으로 촬영한다.
또한, 적외선 카메라(120)는 적외선 스크린의 촬영을 위해 사용자의 정면에 설치되는 것이다.
한편, 본 발명의 투영 영상 터치 장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 펄스 신호를 주기적으로 발생하는 펄스 발생부(170)와, 펄스 발생부(170)로부터 주기적으로 입력되는 펄스 신호에 맞춰 적외선 엘이디 어레이(110)를 구동하는 엘이디 구동부(180)와, DC 전원(200)과 적외선 엘이디 어레이(110) 사이에 위치하는 저항소자(190)를 더 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 펄스 발생부(170)는 예컨대, 10㎳마다 100㎲의 폭을 갖는 펄스 신호를 발생한다.
엘이디 구동부(180)는 구체적으로, 펄스 발생부(170)로부터 펄스 신호가 입력될 때는 적외선 엘이디 어레이(110)로 직류 전원을 공급하고, 펄스 발생부(170)로부터 펄스 신호가 입력되지 않을 때는 적외선 엘이디 어레이(110)로의 직류 전원 공급을 차단한다.
즉, 엘이디 구동부(180)는 적외선 엘이디 어레이(110)를 항상 켜 놓는 것이 아니라, 펄스 신호에 따라 적외선 엘이디 어레이(110)를 구동한다. 이렇게 정전류 구동이 아닌 펄스 구동이 필요한 이유는 다음과 같다.
LED는 일반적으로, 정전류 구동 또는 펄스 구동 방식으로 동작하게 되는데, 펄스 구동으로 동작시킬 때 더 밝다. 즉, 펄스 구동이 정전류 구동보다 더 높은 전류를 LED로 흘릴 수 있는, 더 밝은 광을 얻을 수 있는 방식이다. 단, LED가 파괴될 수 있으므로 시간 조절 즉, 펄스 폭 조절이 필요하다.
예컨대, LED를 펄스로 구동하면 1A의 전류를 흘릴 수 있는 반면, 정전류로 구동하면 100mA의 전류를 흘릴 수 있다. 이와 같이, LED를 정전류 구동이 아닌 펄스 구동 방식으로 동작시키게 되면, 정전류 구동일 때보다 10배의 밝기를 얻을 수 있게 되므로, 외부광(예, 햇빛, 형광등, 백열등)에 의한 터치 인식의 오류를 줄일 수 있다.
한편, 적외선 카메라(120)는 마치 카메라 플래시가 터질 때 사진을 찍듯, 펄스 발생부(170)로부터 펄스 신호가 입력될 때 촬영한다.
도 5는 본 발명에 따른 적외선 스크린 방식의 공간 터치를 인식하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
적외선 카메라(120)에서 촬영된 이미지는, 사용자 지시수단이 적외선 스크린 내에 진입하기 전에는 적외선 엘이디 어레이(110)에서 발광되는 적외선 때문에 검은색이다.
그러나, 사용자 지시수단이 적외선 스크린 내에 진입하게 되면, 그 곳에서 적외선이 산란(Scattering or Diffusing)하게 되어 도 5에 도시한 바와 같이, 사용자 지시수단이 위치한 곳이 밝게 보이게 된다. 결국, 밝게 보이는 이 부분을 화상 처리를 해서 중심점을 찾으면 적외선 스크린 상으로 공간 터치되는 X, Y 좌표를 찾을 수 있게 된다.
프로젝터(150)는 미국등록특허공보 제6,808,268호에 공지되어 있는 바와 같이, 영상을 표시하는 디스플레이 모듈(157) 및 여기에서 표시되는 영상을 적외선 스크린에 투영하기 위한 투영 모듈을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
디스플레이 모듈(157)은 HLCD(high bright LCD)를 포함하여 이루어질 수 있다.
투영 모듈은 편광 필터(151), 빔 분리기(beam splitter; 153) 및 구면 거울(spherical mirror; 155)를 포함하여 이루어질 수 있다.
편광 필터(151)는 디스플레이 모듈(157)의 화면 위에 비스듬히 기울어진 채로 설치되는 것으로서, 구면 거울(155)에서 반사되어 빔 분리기(153)를 투과한 빔을 편광(30)으로 바꿔 적외선 스크린에 투영한다.
또한, 편광 필터(151)는 구면 거울(155)에서 반사되어 빔 분리기(153)를 투과한 빔을 원편광(circularly polarized light; CPL)으로 바꾸는 CPL 필터로 구현 가능하다.
빔 분리기(153)는 디스플레이 모듈(157)과 편광 필터(151) 사이에 설치되되 편광 필터(151)와 평행한 것으로서, 디스플레이 모듈(157)에서 발하는 빔(10)을 두 개의 빔 즉, 빔 분리기(153)를 투과하는 오브젝트 빔(object beam)과 빔 분리기(153)에서 반사되는 레퍼런스 빔(reference beam)으로 분리한다.
구면 거울(155)는 빔 분리기(153)에서 반사된 레퍼런스 빔(20)이 진행하는 쪽에 위치하는 것으로서, 디스플레이 모듈(157)에서 발하여 빔 분리기(153)에서 반사되어 온 레퍼런스 빔(20)을 다시 빔 분리기(153) 쪽으로 반사한다.
또한, 구면 거울(155)은 도 3에 도시한 바와 같이, 오목 거울(concave mirror)로 구현 가능하다.
공간 터치 인식 모듈(130)은 이진화부(131), 평활화부(133), 라벨링부(135) 및 좌표 계산부(137)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이진화부(131)는 적외선 카메라(120)가 촬영한 흑백 영상을 이진화 처리한다. 구체적으로, 이진화부(131)는 적외선 카메라(120)가 촬영한 흑백 영상을 가지고, 화소별로 미리 정해진 임계(threshold) 값 이하는 화소값을 0(검정색)으로 조정하고 임계값 이상은 화소값을 255(흰색)으로 바꾸는 이진화 처리를 한다.
평활화부(133)는 이진화부(131)에 의해 이진화된 이진화 영상을 평활화(smoothing) 처리하여 이진화 영상에서 노이즈를 제거한다.
라벨링부(135)는 평활화부(133)에 의해 평활화 처리된 이진화 영상에 대해 라벨링(labeling)을 수행한다. 구체적으로, 라벨링부(135)는 화소값이 255로 조정된 픽셀에 대해 라벨링은 한다. 예컨대, 라벨링부(135)는 8-근방화소 라벨링 기법을 이용하여 흰색인 영역(Blob)들에 대해 각각 다른 번호를 붙여 이진 영상을 재구성한다. 이상으로, 라벨링 연산은 영상처리 분야에서 널리 사용되는 기법이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
좌표 계산부(137)는 라벨링부(135)에 의해 라벨링된 영역(blob)들 중에서 크기가 미리 정해진 임계치 이상인 영역의 중심 좌표를 계산한다. 구체적으로, 좌표 계산부(137)는 임계치 이상인 영역을 적외선 스크린을 터치한 손가락이나 사물로 간주하여 해당 영역의 중심 좌표를 계산한다. 여기서, 중심 좌표는 다양한 검출 방식을 사용하여 검출할 수 있다. 예컨대, 좌표 계산부(137)는 해당 영역의 X,Y 최소값과 X,Y 최대값의 중간값을 무게중심으로 잡아서 터치의 해당좌표로 정한다.
또한, 좌표 계산부(137)는 임계치 이상인 영역이 다수인 경우, 가장 큰 영역에 대해서만 중심 좌표를 계산할 수도 있다.
편, 본 발명에 따른 적외선 스크린 방식의 투영 영상 터치 장치는 공간 터치 인식 모듈(130)이 인식한 위치 정보에 해당되는 기능을 수행하는 컴퓨팅 모듈(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 컴퓨팅 모듈(140)은 공간 터치 인식모듈(110)이 위치 정보를 출력하게 되면, 이 위치 정보를 기능의 선택으로 인지하여 해당 기능 예컨대, 디스플레이장치에서 표시되는 화면을 전환하도록 할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 모듈(140)은 유선 혹은 무선 네트워크를 통해 외부기기와 연결된다. 그렇다고 한다면, 공간 터치 인식 모듈(130)이 인식한 위치 정보를 이용하여 상기 외부기기를 제어할 수 있게 된다. 다시 말해, 상기한 위치 정보가 외부기기에 대한 제어 명령에 해당되는 경우, 외부기기가 해당기능을 수행하도록 한다. 여기서, 외부기기는 네트워크로 연결된 홈네트워크 가전기기 및 서버일 수 있다.
6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 터치 인식 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 공간 터치 인식 모듈(130)은 적외선 카메라(120)가 촬영한 흑백 영상을 적외선 카메라(120)로부터 입력받아(단계 S101), 이진화 및 평활화 처리한다(단계 S103). 그런 다음, 이진화 영상에 대해 라벨링을 수행하고(단계 S105), 라벨링된 영역들 중에서 사용자 지시수단(손가락) 영역을 찾는다(단계 S107).
탐색 결과, 사용자 지시수단 영역이 검출된 경우에는 해당 영역의 중심 좌표를 계산하고(단계 S109), 계산한 중심 좌표를 적외선 스크린의 중심 좌표로 변환하여 컴퓨팅 모듈(140)로 전달한다(단계 S111).
그러면, 컴퓨팅 모듈(140)는 공간 터치 인식 모듈(130)이 인식한 위치 정보에 해당되는 기능을 수행한다(단계 S113).
본 발명의 투영 영상 터치 장치는 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
110: 적외선 엘이디 어레이
120: 적외선 카메라
130: 공간 터치 인식 모듈
131: 이진화부 133: 평활화부
135: 라벨링부 137: 좌표 계산부
140: 컴퓨팅 모듈
150: 프로젝터 151: 편광 필터
153: 빔 분리기 155: 구면 거울
157: 디스플레이 모듈
160: 하우징 170: 펄스 발생부
180: 엘이디 구동부 190: 저항 소자
200: DC 전원

Claims (5)

  1. 적외선을 발광하여 공간상에 적외선 스크린을 생성하는 적외선 엘이디(LED)어레이;
    렌즈가 상기 적외선 스크린을 향하도록 설치되는 적외선 카메라;
    상기 적외선 스크린에 영상을 투영하기 위한 프로젝터;
    펄스 신호를 주기적으로 발생하며, 상기 적외선 엘이디 어레를 보호하기 위해 펄스폭을 조절하는 펄스 발생부;
    상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력될 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로 직류 전원을 공급하고, 상기 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력되지 않을 때는 상기 적외선 엘이디 어레이로의 직류 전원 공급을 차단하는 엘이디 구동부; 및
    상기 적외선 카메라가 촬영한 흑백(gray scale) 영상에서 사용자 지시수단이 상기 적외선 스크린을 터치한 위치를 인식하는 공간 터치 인식 모듈을 포함하며,
    상기 적외선 카메라는 펄스 발생부로부터 펄스 신호가 입력될 때 촬영하는 것을 특징으로 하는 투영 영상 터치 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로젝터는,
    영상을 표시하는 디스플레이 모듈 및
    상기 디스플레이 모듈에서 표시되는 영상을 상기 적외선 스크린에 투영하기 위한 투영 모듈을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 투영 영상 터치 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 투영 모듈은,
    상기 디스플레이 모듈에서 발하는 빔을 두 개의 빔으로 분리하기 위한 빔 분리기; 및
    상기 디스플레이 모듈에서 발하여 상기 빔 분리기에서 반사되어 온 빔을 다시 빔 분리기 쪽으로 반사하기 위한 구면 거울을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 투영 영상 터치 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 투영 모듈은,
    상기 구면 거울에서 반사되어 상기 빔 분리기를 투과한 빔을 편광으로 바꾸기 위한 편광 필터를 더 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 투영 영상 터치 장치.
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