KR101003858B1 - 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치 - Google Patents

초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다시점 영상 획득장치에 관한 것으로, 안테나(10)와; 상기 안테나(10)의 초점 평면(11)에 배열되어 영상센서로 작용하는 뿔형 안테나(20, 20', 20")로 구성되어 안테나 축(10a)과 동일방향으로 입사되는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20)로 입사되고, 안테나 축(10a)과 θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20')로 입사되며, 안테나 축(10a)과 -θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20")로 입사되도록 구성되어 부피가 작은 영상장치를 구현할 수 있고, 한 대의 수동형 밀리파 영상시스템의 초점 평면에 배열된 영상센서들의 각각으로부터 주사를 통해 얻어진 영상을 한 시점 영상으로 사용하여 다 시점 영상을 얻음으로써 영상 내 각 물체간 상대적 위치 및 거리를 측정할 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.
초점 배열, 영상 검지기, 다파장, 다 시점 영상, 밀리파.

Description

초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치{A device for obtaining multi-wavelength and view image using focus arrangement image detector}
본 발명은 영상을 획득하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입체영상 쌍들을 얻기 위해 일정거리를 격하여 정렬된 두 대 이상의 수동형 밀리파 영상시스템을 사용하지 않고 한 대의 수동형 밀리파 영상시스템의 초점 평면에 배열된 영상센서들의 각각으로부터 주사를 통해 얻어진 영상을 한 시점 영상으로 사용하여 수동형 밀리파 영상시스템으로부터 얻어진 영상으로부터 영상 내 각 물체간 상대적 위치 및 거리 측정이 가능한 다 시점 영상을 얻는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치에 관한 것이다.
밀리파(Millimeter Wave) 파장 대(1㎜ ∼ 1㎝)는 적외선과 같이 흑체복사(Blackbody Radiation)를 이용하는 광학적 특성을 지닌 전자파로 일반적인 레이더(Radar)에 사용하는 파장보다는 짧은 전자파이므로, 레이더에 비해서 해상도(Resolution)가 뛰어난 영상을 얻을 수 있고, 렌즈(Lens)나 반사경(Reflector)을 사용하여 에너지의 집적이 가능하므로 카메라 형태로 제작이 가능하다.
밀리파 파장대는 인체에 유해하지 않고, 금속에 의한 반사도가 아주 큰 반면에 옷이나 수증기 등의 영향을 아주 적게 받아 이들을 큰 감쇄 없이 투과할 수 있어, 옷 속에 숨긴 금속류의 고 해상도 탐지가 가능하므로, 은닉 물체(Concealed Object)의 탐지(Detection)에 사용된다. 또한 기상조건이 나쁜 상황에서 항공기의 안전을 위한 항공보안(Airport Security) 장비로도 사용되고 있다.
그러나 밀리파 영상장치는 레이더(Radar)와 달리 자체에서 밀리파를 발사하여 물체를 탐지하는 능동형이 아니고 단순히 물체로부터 발산되는 밀리파를 수신하여 영상을 형성하는 수동형(Passive-Type)으로의 응용이 대부분이다.
이들 영상장치는 가시광선을 이용하는 카메라에 비해 10,000배 정도 크므로, 전체 영상장치가 상당한 부피를 가진다. 특히 영상 센서의 한 화소(Pixel)는 안테나/렌즈의 개구 치수(Size), 초점 거리 그리고 사용파장에 따른 회절효과(Diffraction Effect)에 의해 주어지는 크기를 가지고 있어, 대략 파장에 대응하는 치수의 원형 또는 직사각형의 개구(Aperture)를 가진 나팔(Horn) 형의 안테나를 영상센서로 하여, 수신 안테나 또는 렌즈의 초점 평면에 배열하여 사용하고 있다.
그러나 이들 안테나의 개구 사이즈 때문에 많은 영상센서를 초점 평면에 배열하는 것이 불가능하고 또한 한 화소에 대응하는 피사체의 면적도 회절효과에 의해 정의되므로, 화질이 단속적이며 해상도도 좋지 않은 영상이 얻어진다.
그러므로 화소 수의 증대와 화질을 평탄(Smooth)하게 하기 위해, 안테나를 영상센서 배열과 함께 주사(Scan)시킨다. 이 때의 주사각도(Scanning Angle)는 회절효과에 의해 주어지는 각도보다 적게 함으로 불연속적이지 않은 평탄한 영상 획 득이 가능하다.
밀리파 영상의 또 하나의 특징은, 그 상을 형성하는 전자파의 근원에 있다. 일반적으로 가시광선 파장대의 카메라는 물체로부터 반사되는 광을 모아 상을 형성하지만, 밀리파의 경우는 물체의 온도분포에 의해 주어지는 열 복사(Thermal Radiation)를 이용하므로, 피사체의 정확한 형태를 촬영하려면, 피사체가 주변과 다른 온도를 가지고 있어야 하며, 형태의 부분별 식별을 위해서는 부분별로도 다른 온도를 가지고 있어야 한다.
이와 같이 밀리파 영상과 가시광선 영역의 영상에는 차이가 있지만, 깊이 방향으로 배열된 두 물체를 구분하기 위해 최소한 하나 이상의 입체영상 쌍(Stereoscopic Image Pair)을 필요로 하는 것은 차이가 없다.
물론 이들 물체는 주변과 다른 온도를 가져야 한다. 입체 영상 쌍은 동일한 물체를 일정 거리를 두고 서로 다른 두 방향에서 본 영상이다. 이 영상 쌍은 방향의 차이에 의해 주어진 시차정보를 포함하고 있어, 이 시차정보의 획득에 의해 영상 내 물체간의 상대적인 거리 정보의 획득은 물론, 촬영거리, 영상의 배율, 영상장치의 배열 구조 등의 정보가 가해지면 물체들 간 실제 거리 계산도 가능해진다.
만약 이 영상 쌍을 우리 눈으로 한 개의 영상으로 융합 시킬 수 있으면, 깊이감(Depth Sense)이 생성된다. 이 깊이감은 피사체내의 각 대상들 간 상대적인 거리에 대한 정보를 주므로, 밀리파 영상시스템에서도 서로 이웃하는 물체들 간의 상대적 위치를 정확히 구별하기 위해서는 입체 영상 쌍이 무엇보다도 필요하다.
그러나 밀리파를 이용한 입체 영상의 취득은 밀리파 시스템의 부피 때문에 가시거리 카메라에 비해 훨씬 어렵다. 밀리파 영상시스템은 부피가 크고, 주사를 해야 하므로 두 대의 영상시스템을 일정 거리에 위치시키고 연동시켜 가면서 동작시켜야 하므로 쉬운 일이 아니다.
보다 쉬운 방법은 각 영상센서가 주사에 의해 생성하는 화상을 한 시점의 영상으로 사용하는 것이다. 일반적인 가시광선 영역의 영상센서는 CCD 나 CMOS 센서의 배열로 이루어져 있으나, 이 것들을 분할하여 여러 개의 다 시점 영상을 얻는 것은 불가능하다. 그 이유는 CCD 나 CMOS를 구성하는 각각의 셀(Cell)에 대응되는 피사체 부위가 달라 서로 중복부위가 없기 때문이다.
그러나 주사를 하게 되면, 각 셀은 다른 셀들에 대응하는 부위들도 망라하게 되고, 센서 내 자신의 위치에 대응하는 시점을 가지고 있으므로, 다른 시점의 영상을 형성 가능하다. 이와 마찬가지로, 각 초점 평면 배열 영상센서는 이웃하는 센서와 자신의 개구에 해당하는 거리만큼 떨어져 있으므로, 안테나를 기준으로 봤을 때는 각기 시점이 다른 방향을 보고 있고, 주사에 의해 각 센서는 한 프레임의 영상을 생성함은 물론 주사각 범위를 서로 공유하게 된다.
만약 주사각을 이웃하는 영상센서 사이의 시각보다 크게 하게 되면 이들 센서들은 공동 시야(Common Field of View)를 가질 수 있다. 그러므로 초면 평면에 배열된 영상센서의 각각이 다른 센서에 의한 영상들과 공동시야를 공유하는 영상 프레임을 얻을 수 있어, 밀리파의 다 시점 영상 획득이 가능하게 된다.
이 다 시점 영상은 양안 시차(Binocular Parallax)에 의해 깊이감을 생성시키는 입체 영상 쌍(Stereoscopic Image Pair)들로 이루어져 있어, 시선의 이동에 따라 다른 시점의 영상이 보이게 하는 운동시차(Motion Parallax)까지 생성시킨다.
또한 초점 배열 영상센서를 다른 파장에 대응하는 센서들로 혼합 구성함에 의해 다 파장의 다 시점 영상 획득도 가능하다.
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 일반적인 CCD나 CMOS 센서 배열의 가시광선 영역의 센서로 얻을 수 없는 여러 개의 다 시점 영상을 용이하게 획득하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 부피가 작은 영상장치를 구현할 수 있는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다시점 영상 획득장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 한 대의 수동형 밀리파 영상시스템의 초점 평면에 배열된 영상센서들의 각각으로부터 주사를 통해 얻어진 영상을 한 시점 영상으로 사용하여 다 시점 영상을 얻음으로써 영상 내 각 물체간 상대적 위치 및 거리를 측정할 수 있는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다시점 영상 획득장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다시점 영상 획득장치는 안테나(10)와; 상기 안테나(10)의 초점 평면(11)에 배열되어 영상센서로 작용하는 뿔형 안테나(20, 20', 20")로 구성되어 안테나 축(10a)과 동일방향으로 입사되는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20)로 입사되고, 안테나 축(10a)과 θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20')로 입사되며, 안테나 축(10a)과 -θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20")로 입사되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 부피가 작은 영상장치를 구현할 수 있고, 한 대의 수동형 밀리파 영상시스템의 초점 평면에 배열된 영상센서들의 각각으로부터 주사를 통해 얻어진 영상을 한 시점 영상으로 사용하여 다 시점 영상을 얻음으로써 영상 내 각 물체간 상대적 위치 및 거리를 측정할 수 있는 각별한 장점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치의 다 시점 영상획득 원리를 나타낸 도면, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 초점 평면의 영상배열을 나타낸 도면으로서, 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치는 안테나(10)와; 상기 안테나(10)의 초점 평면(11)에 배열되어 영상센서로 작용하는 뿔형 안테나(20, 20', 20")로 구성되어 안테나 축(10a)과 동일방향으로 입사되는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20)로 입사되고, 안테나 축(10a)과 θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20')로 입사되며, 안테나 축(10a)과 -θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20")로 입사되도록 구성되어 있다.
즉, 본 발명은 안테나(10)의 초점 평면(11)에 두 개 이상의 영상센서인 뿔형 안테나(20, 20', 20")가 배열되어 있고, 밀리파 에너지가 안테나(10)의 초점 평면(11) 측으로 좌우상하로 입사되도록 구성되어 있다.
상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각은 수평방향으로 동일한 높이를 갖도록 설치되어 있고, 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각에 밀리파 에너지가 입사되어 다 시점 영상이 생성되며, 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각은 원통형 개구 또는 직사각형 개구를 갖추고 있다.
상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 중 인접하여 배치된 뿔형 안테나에 형성되는 영상이 입체 영상 쌍을 이루거나, 하나, 둘, 셋 건너 배치된 뿔형 안테나에 형성되는 영상이 입체 영상 쌍을 이루고 있다.
상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각의 사이에 형성되는 공극에 공극의 사이즈와 같거나 적은 파장의 밀리파 수신용 안테나가 배치되어 있다.
다음에는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치의 작용을 상세하게 설명한다.
먼저 도 1에 나타낸 일반적인 입체영상 획득장식의 기본원리를 살펴보면, 입체영상 쌍은 초점되어질 피사체의 단면(1)과 초점거리(d)만큼 떨어져 이 단면(1)에 평행하게 놓여진 두 대의 영상장치(2, 3)에 의해 얻어진다. 이들 영상 쌍 사이의 차이(θ1; Disparity)는 영상장치(2, 3)가 피사체를 보는 방향의 차이에 의해 주어지며, 그 값은 장치 사이 거리(a)와 초점거리(d)에 의해 정해진다. θ1은 도 1에서 수식적으로 2tan-1(a/2d)로 정의되며, 두 영상장치(2, 3)가 서로 보는 방향 차이에 의해 생성하는 시차(Parallax)가 된다.
여기서 a는 영상장치(2, 3) 사이의 거리를 나타내며, d는 피사체의 단면(1)과 영상장치(2, 3) 사이의 거리를 나타낸다. 일반적으로 영상장치(2, 3)는 안테나 를 카메라의 대물렌즈(Objective) 대신에 사용하며, 안테나의 사이즈 또한 수십㎝ 이상의 것을 사용하므로 거리(a)는 최소한 안테나의 직경 이상이 되어야 한다. 물체 해상도를 높이기 위해 안테나의 직경을 늘이는 경우는 전체 영상시스템의 부피는 더욱 커진다.
도 2는 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치의 다 시점 영상획득 원리를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이 직경(D)와 초점거리(f)인 안테나(10)의 초점 평면(11)에 배열된 영상센서로 동작하는 3개의 뿔형(horn) 안테나(20, 20', 20")에 안테나 축(10a)과 동일방향, 안테나 축(10a)과 +θ방향, 그리고 -θ방향에서의 밀리파 에너지는 각기 중앙에 위치한 뿔형(horn) 안테나(20), 아래쪽 뿔형 안테나(20') 그리고 위쪽 뿔형 안테나(20")에 입사하게 된다. 그러므로 이들 뿔형 안테나(20, 20', 20")에 의해 획득되는 영상 사이의 차이는 그들에게 입사하는 밀리파 에너지의 방향에 따른 차이 θ로 주어지며, θ = tan-1(rD/f)로 주어진다.
여기서 θ는 시차를 나타내며, rD는 이웃하는 안테나 사이의 간격이다.
그러므로 서로 이웃한 안테나 사이는 간격(rD)과 초점거리(f)로 정해지는 시차를 가지게 되어, 도 1에 주어진 두 영상장치(2, 3)에 의해 얻어지는 시차와 값에 있어 차이는 있지만, 시차 발생 측면에서는 동일한 효과를 가진다.
만약 시차의 값이 높은 것이 필요할 경우는 뿔형 안테나(20)와 뿔형 안테나( 20")의 영상을 이용한 시차 계산은 물론 더 많은 거리 떨어진 뿔형 안테나들 사이 의 영상을 사용하는 것이 가능하다.
그리고 각 뿔형 안테나(20, 20', 20")로부터 한 프레임(Frame)의 영상을 얻기 위해서는 일정 각도스텝으로 좌우상하 방향으로 일정 각도범위를 안테나(10)과 함께 뿔형 안테나(20, 20', 20")를 주사 시켜야 한다. 도 2에서 안테나 축(10a)과 +θ방향 및 -θ방향의 밀리파가 만나는 지점(30)에서 안테나(10)의 상단(12) 및 하단(13)을 연결하는 선(14, 15)와 초점 평면(10a)으로 이루어진 공간은 뿔형 안테나(20, 20', 20") 전부에 공통되는 공간이므로 이 공간 내의 물체는 항상 시차를 생성한다. 이 공간의 크기는 안테나(10)와 지점(30) 사이의 거리(R)에 비례한다.
그리고 초점 평면(10a)은 실제 평면이 아닌 안테나(10)의 굴곡과 반대방향의 굴곡을 가진 굴곡면이나 도 2에서는 평면으로 근사시켰다.
도 3은 본 발명에 따른 초점 평면 영상배열을 나타낸 도면으로서, 일반적으로 초점 평면(10a)에 뿔 안테나(20, 20', 20")의 배열은 도 3a에 주어진 것과 같이 초점 평면(10a)의 유효면적을 효율적으로 사용하기 위해 첫 번째 수직배열 뿔형 안테나(25)를 구성하는 뿔형 안테나 사이의 공간(27)을 채우기 위해, 두 번째 수직배열 뿔형 안테나(26)를 수직배열 뿔형 안테나(25)와 지그재그(Zig-Zag)형으로 배열하고 있고. 세 번째 뿔형 안테나(28)와 네 번째 수직배열 뿔형 안테나(29)는 첫 번째 뿔형 안테나(25)와 두 번째 뿔형 안테나(26)의 배열을 반복하여 배열시켰다. 홀 수 번째 수직배열 뿔형 안테나(25, 28)와 짝 수 번째 수직배열 뿔형 안테나(26, 29)의 높이 차이(31)은 각 뿔형 안테나 높이(30)의 1/2이다.
본 발명의 뿔형 안테나 배열은 도 3b에 주어져 있다. 도 3b에서 뿔형 안테나 배열은 두 개의 수평방향으로 서로 이웃하는 뿔형 안테나(36, 37)은 수평 방향으로만 시차를 가지도록 높이의 차가 없이 배열되어야 하므로, 동일한 수직배열 뿔형 안테나(32, 33)가 서로 접촉하여 같은 높이로 배열되어 있거나 또는 높이차(38)를 가지도록 배열하는 것도 가능하다. 두 수직배열 뿔형 안테나(32, 33) 사이에 형성되는 공극(34, 35)에는 도 3c에서 보이는 것과 같이 이 공극(34, 35)의 사이즈에 해당하거나 이것보다 작은 뿔형 안테나(39)를 배열함에 의해 다 파장 동작이 가능하도록 한다. 각 뿔형 안테나를 원통형이 아닌 직사각형 개구를 가진 안테나로 대체할 경우는 공극이 생기지 않는다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
도 1은 일반적인 입체영상 획득장식의 기본원리를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다시점 영상 획득장치의 다 시점 영상획득 원리를 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 초점 평면의 영상배열을 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 안테나 10a : 안테나 축
11 : 초점 평면 12 : 안테나 상단
13 : 안테나 하단 14, 15 : 선
20, 20', 20" : 뿔형 안테나 25, 26 : 뿔형 안테나
27 : 공간 28, 29 : 뿔형 안테나
30 : 뿔형 안테나 높이 31 : 높이 차이
32, 33 : 뿔형 안테나 34, 35 : 공극
36, 37, 39 : 뿔형 안테나 38 : 높이차

Claims (6)

  1. 안테나(10)와; 상기 안테나(10)의 초점 평면(11)에 배열되어 영상센서로 작용하는 뿔형 안테나(20, 20', 20")로 구성되어 안테나 축(10a)과 동일방향으로 입사되는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20)로 입사되고, 안테나 축(10a)과 θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20')로 입사되며, 안테나 축(10a)과 -θ각을 이루는 밀리파 에너지는 상기 뿔형 안테나(20")로 입사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
  2. 제 1항에 있어서, 밀리파 에너지가 상기 안테나(10)의 초점 평면(11) 측 좌우상하로 입사되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각은 수평방향으로 동일한 높이를 갖도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각에 밀리파 에너지가 입사되어 다 시점 영상이 생성되는 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각은 원통형 개구 또는 직사각형 개구를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
  6. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 뿔형 안테나(20, 20', 20") 각각의 사이에 형성되는 공극에 공극의 사이즈와 같거나 적은 파장의 밀리파 수신용 안테나가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초점 배열 영상 검지기를 이용한 다파장 다 시점 영상 획득장치.
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