KR101188074B1 - 영상 촬영 장치 및 영상 보정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 보정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 영상 보정 방법은 적어도 두 개의 레이저 평면들을 보정 평면에 투사하는 단계, 적어도 두 개의 레이저 평면들이 보정 평면 상에서 교차하는 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계, 그리고 교차점을 이용하여 획득된 영상을 보정하는 단계로 구성된다.

Description

영상 촬영 장치 및 영상 보정 방법{IMAGE TAKING DEVICE AND METHOD OF CORRECTING IMAGE}
본 발명은 영상 촬영 장치 및 영상 보정 방법에 관한 것이다.
본 발명은 산업자원부의 전력산업연구개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호 : 200913670000, 과제명 : 배관 내부 결함 비파괴 진단 기술 개발]
영상 촬영 장치는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들면, 사람이 직접 대상을 관찰할 수 없는 배관, 실험로, 화학로, 원자로 등의 내부와 같이 위험에 노출되어 있는 장소를 관찰하기 위하여, 다양한 영상 촬영 장치들이 이용되고 있다.
촬영 대상은 3차원인 반면, 영상 촬영 장치에 의해 촬영된 영상은 2차원으로 표시된다. 따라서, 3차원 공간과 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 발생할 수 있다. 또한, 영상 촬영 장치의 렌즈는 굴절된 곡면을 갖는다. 따라서, 영상 촬영 장치의 렌즈로 인해, 3차원 공간과 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 발생할 수 있다.
3차원 공간과 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 발생하면, 영상 촬영 장치의 사용자는 3차원 공간이 왜곡된 2차원 영상을 통해 3차원 공간을 관찰하게 된다. 따라서, 3차원 공간 및 촬영된 2차원 영상 사이의 왜곡을 보정하기 위한 보정 방법 및 장치들이 연구되고 있다.
본 발명은 향상된 보정 능력을 갖는 영상 촬영 장치 및 영상 보정 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 영상 보정 방법은 보정 평면을 이용하여 영상을 촬영하는 카메라의 영상 파라미터를 보정하는 단계; 적어도 두 개의 레이저 평면들을 상기 보정 평면에 투사하는 단계; 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 보정 평면 상에서 교차하는 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계; 그리고 상기 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계; 그리고 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는 상기 획득된 영상에서 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 및 상기 보정 평면이 교차하는 레이저 라인을 검출하는 단계; 그리고 상기 검출된 레이저 라인 상의 특정 좌표들 및 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점의 교차비를 이용하여 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 공간 상의 좌표를 산출하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는 상기 산출된 공간 상의 좌표를 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하는 단계; 그리고 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는 상기 보정 평면의 위치를 달리하여, 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 위치가 변화된 보정 평면 상에서 교차하는 제 2 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계; 그리고 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점 및 제 2 교차점을 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 검출된 좌표들 사이의 차이에 따라, 상기 획득된 영상이 선택적으로 보정된다.
실시 예로서, 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는 상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 작은 경우, 상기 획득된 영상을 확정하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는 상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 큰 경우, 상기 교차점을 상기 검출된 좌표들 사이의 중점으로 수정하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는 상기 수정된 교차점을 이용하여, 상기 수정된 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 수정 좌표들을 검출하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 수정 좌표들을 이용하여, 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계가 다시 수행된다.
실시 예로서, 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 보정 평면 상에서 교차하는 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계는 상기 보정 평면의 위치를 달리하며 적어도 두 번 수행된다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상은 상기 적어도 두 번 획득된 영상의 적어도 두 개의 교차점을 이용하여 보정된다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상 내의 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들은 동시에 보정된다.
실시 예로서, 상기 획득된 영상 내의 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 동시에 보정된다.
본 발명의 실시 예에 따른 영상 촬영 장치는 카메라; 적어도 두 개의 레이저 평면들을 투사하도록 구성되는 레이저 투사기; 그리고 상기 카메라를 통해 획득되는 영상을 보정하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 보정 평면에 투사된 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들의 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하고, 상기 교차점을 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하고, 상기 교차점에 대응하는 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하고, 그리고 상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 작아질 때까지, 상기 검출된 좌표들 사이의 중점을 상기 교차점으로 하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 다시 산출하고 그리고 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 다시 검출하도록 구성된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 적어도 두 개의 레이저 평면들의 교차점을 포함하는 영상에 기반하여 영상이 보정된다. 복수의 레이저 평면들의 왜곡이 함께 보정되므로, 향상된 보정 능력을 갖는 영상 촬영 장치 및 영상 보정 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 촬영 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 카메라 및 레이저 투사기 사이의 위치 관계의 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 3은 공간 좌표계, 카메라 좌표계, 그리고 영상 좌표계를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 보정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 5는 보정 평면의 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 적어도 두 개의 레이저 평면들이 보정 평면에 투사된 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 적어도 두 개의 레이저 평면들이 투사된 영상의 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 획득된 영상을 보정하는 동작을 보여주는 순서도이다.
도 9는 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 동작을 보여주는 순서도이다.
도 10은 보정 평면, 보정 평면 상의 제 1 내지 제 4 레이저 라인, 그리고 보정 평면 상의 제 1 내지 제 4 교차점으로부터 획득된 영상의 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 11은 보정 평면의 위치를 달리하며 제 1 내지 제 4 레이저 평면의 영상을 획득하는 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 12는 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 획득된 영상을 보정하는 동작을 보여주는 순서도이다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 촬영 장치(100)를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 영상 촬영 장치(100)는 카메라(110), 레이저 투사기(120), 그리고 제어기(130)를 포함한다.
카메라(110)는 3차원 대상을 촬영하여 영상을 획득하도록 구성된다. 카메라(110)에 의해 획득된 영상은 제어기(130)로 전달된다.
레이저 투사기(120)는 촬영 대상인 3차원 공간에 레이저를 투사하도록 구성된다. 예를 들면, 레이저 투사기(120)는 적어도 두 개의 레이저 평면들을 투사하도록 구성된다. 예를 들면, 레이저 투사기(120)는 카메라(110)를 환형으로 둘러싸는 적어도 두 개의 레이저 평면들을 투사하도록 구성될 것이다.
예시적으로, 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)의 상대적 위치는 고정된다. 예를 들면, 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)는 서로 연결되어, 둘 중 하나의 위치가 변화할 때 나머지 하나의 위치도 함께 변화하도록 구성된다.
제어기(130)는 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)에 연결된다. 제어기(130)는 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)를 제어하도록 구성된다. 예를 들면, 제어기(130)는 레이저 투사기(120)가 레이저 평면들을 투사하는 시점을 제어하도록 구성될 것이다. 예를 들면, 제어기(130)는 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)의 위치를 제어하도록 구성될 것이다.
제어기(130)는 카메라(110)를 통해 획득되는 영상을 이용하여, 카메라의 영상 파라미터 보정을 수행하도록 구성될 것이다. 카메라 영상 파라미터의 보정은 카메라(110)로부터 획득된 영상을 이용하여, 3차원 공간과 획득된 영상 사이의 왜곡을 보정하는 동작을 의미한다.
제어기(130)는 레이저 투사기(120)에 의해 적어도 두 개의 레이저 평면들이 투사된 영상을 카메라(110)로부터 획득하며, 레이저 보정을 수행하도록 구성될 것이다. 레이저 보정은 3차원 공간에 투사된 적어도 두 개의 평면 레이저들의 영상을 이용하여, 3차원 공간과 획득된 영상 사이의 왜곡을 보정하는 동작을 나타낸다.
도 2는 카메라(110) 및 레이저 투사기(120) 사이의 위치 관계의 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 레이저 투사기(120)는 제 1 내지 제 4 레이저 투사기(121~124)를 포함한다. 제 1 내지 제 4 레이저 투사기(121~124)는 각각 레이저 평면을 투사하도록 구성된다. 제 1 내지 제 4 레이저 투사기(121~124)는 카메라 주위에 이격되어 환형으로 배치된다.
예시적으로, 제 1 및 제 3 레이저 투사기(121, 123)는 제 2 방향을 따라 신장되는 레이저 평면을 투사하도록 구성된다. 제 2 및 제 4 레이저 투사기(122, 124)는 제 1 방향을 따라 신장되는 레이저 평면을 투사하도록 구성된다. 즉, 제 1 내지 제 4 레이저 투사기(121~124)에 의해 투사된 레이저 평면들은 3차원 공간에 4각형을 형성할 것이다. 즉, 제 1 내지 제 4 레이저 투사기들(121~124)은 카메라(110)를 환형으로 둘러싸는 레이저 평면들을 투사할 것이다.
도 2에서, 레이저 투사기(120)는 레이저 평면들을 투사하는 제 1 내지 제 4 레이저 투사기들(121~124)을 포함하는 것으로 설명되었다. 그러나, 레이저 투사기(120)는 4 개의 레이저 평면들을 투사하는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 레이저 투사기(120)는 카메라(110)를 환형으로 둘러싸는 3 개의 레이저 평면들을 투사하여, 3차원 공간에 3각형을 형성할 수 있다. 또한, 레이저 투사기(120)는 카메라(110)를 환형으로 둘러싸는 5 개의 레이저 평면들을 투사하여, 3차원 공간에 5각형을 형성할 수 있다. 레이저 투사기(120)가 투사하는 레이저 평면들의 수는 한정되지 않음이 이해될 것이다.
도 3은 공간 좌표계, 카메라 좌표계, 그리고 영상 좌표계를 보여주는 도면이다. 도 3에서, 공간 원점(Ow), 제 1 공간축(Xw), 제 2 공간축(Yw), 그리고 제 3 공간축(Zw)은 공간 좌표계를 구성한다. 공간 좌표계는 촬영 대상인 3차원 공간의 좌표계를 나타낼 것이다.
카메라 원점(Oc), 제 1 카메라축(Xc), 제 2 카메라축(Yc), 그리고 제 3 카메라축(Zc)은 카메라 좌표계를 구성한다. 카메라 좌표계는 촬영 주체인 카메라(110)의 좌표계를 나타낼 것이다. 도 1에서, 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)는 서로 고정되는 것으로 설명되었다. 따라서, 카메라(110) 및 레이저 투사기(120)는 동일한 좌표계로 표현될 수 있음이 이해될 것이다.
영상 원점(Oi), 제 1 영상축(Xi), 그리고 제 2 영상축(Yi)는 영상 좌표계를 구성한다. 영상 좌표계는 카메라(110)에 의해 촬영된 영상의 좌표계를 나타낼 것이다. 공간 좌표계 및 카메라 좌표계는 3차원 좌표계이며, 영상 좌표계는 2차원 좌표계이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 보정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, S1100 단계에서, 보정 평면을 이용하여 카메라의 영상 파라미터의 보정이 수행된다.
보정 평면은 영상 보정 시에 사용되는 특수 제작된 평면을 의미한다. 보정 평면의 실시 예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 보정 평면(200)은 격자 무늬를 갖는 플레이트 형태로 제공된다. 보정 평면(200)의 격자 무늬로 인해, 보정 평면(200)을 촬영한 영상으로부터 공간 및 영상 사이의 왜곡을 감지하는 것이 가능하다.
카메라의 영상 파라미터의 보정은 보정 평면(200)을 촬영한 영상에 기반하여 수행된다. 카메라 보정의 일 실시 예가 1999년에 발행된 "Proc. of the Int'l Conference on Computer Vision, Vol. 1, pp. 666-673"에 Z. Zhang에 의해 "Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations"라는 제목으로 개시되어 있으며, 본 발명의 레퍼런스로 포함된다. 이하에서, 상술된 레퍼런스에 기재된 카메라 보정 방법을 Zhang의 보정 방법이라 부르기로 한다.
카메라의 영상 파라미터의 보정이 수행되면, 카메라(110)의 위치 정보(R, T) 및 카메라(110)의 내부 정보(K)가 획득된다. 카메라(110)의 위치 정보(R, T)는 공간 좌표계에 대한 회전 정보(R) 및 이동 정보(T)를 포함한다. 카메라(110)의 내부 정보(K)는 카메라(110)의 렌즈의 왜곡에 대한 정보를 포함한다.
예시적으로, Zhang의 보정 방법에 의해 카메라(110)의 위치 정보(R, T) 및 내부 정보(K)가 획득될 것이다. 그러나, 카메라 보정 방법은 Zhang의 보정 방법에 한정되지 않는다. 카메라(110)의 위치 정보(R, T) 및 내부 정보(K)를 획득하기 위하여 다양한 보정 방법들 중 하나가 적용될 수 있다.
카메라(110)의 위치 정보(R, T)가 획득되면, 카메라 좌표계 및 공간 좌표계 사이의 관계가 산출될 수 있다. 또한, 카메라(110)의 초점 등을 고려하여, 카메라 좌표계 및 영상 좌표계 사이의 관계가 산출될 수 있다. 즉, 카메라(110)의 위치 정보(R, T)가 획득되면, 영상 좌표계 및 공간 좌표계 사이의 관계가 획득될 수 있다.
카메라(110)의 내부 정보(K)가 획득되면, 카메라(110)의 왜곡이 고려될 수 있다. 즉, 카메라(110)의 위치 정보(R, T) 및 내부 정보(K)가 획득되면, 카메라(110)의 왜곡을 고려한 공간 좌표계 및 영상 좌표계 사이의 관계가 획득될 수 있다. 카메라(110)의 왜곡을 고려한 공간 좌표계 및 영상 좌표계 사이의 관계는 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Pi = K [ R | T ] Pw
여기에서, Pi는 영상 좌표계 상의 한 점을 나타내며, Pw는 공간 좌표계 상의 한 점을 나타낸다. 예시적으로, Pi는 영상 좌표계의 제 1 영상축(Xi) 및 제 2 영상축(Yi)으로 표현될 것이다. Pw는 공간 좌표계의 제 1 공간축(Xw), 제 2 공간축(Yw), 그리고 제 3 공간축(Zw)으로 표현될 것이다.
다시 도 4를 참조하면, 카메라 영상 파라미터의 보정이 수행된 후에, S1200 단계에서 적어도 두 개의 레이저 평면들이 보정 평면(200)에 투사된다. 적어도 두 개의 레이저 평면들이 보정 평면(200)에 투사된 실시 예가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 예시적으로 네 개의 레이저 평면들이 보정 평면(200)에 투사된다. 그러나, 보정 평면(200)에 투사되는 레이저 평면들의 수는 한정되지 않는다.
보정 평면(200)에 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 투사된다. 예시적으로, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)은 도 2의 제 1 내지 제 4 레이저 투사기(121~124)에 의해 각각 투사될 것이다.
예시적으로, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)은 카메라(110)를 환형으로 감싸도록 투사될 것이다. 보정 평면(200) 상에, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)에 의해 폐쇄된 영역이 형성될 것이다.
다시 도 4를 참조하면, S1300 단계에서 적어도 두 개의 레이저 평면들의 교차점을 포함하는 영상이 획득된다. 적어도 두 개의 레이저 평면들의 교차점을 포함하는 영상의 실시 예가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 도 6의 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 투사된 보정 평면(200)의 영상이 획득되는 것으로 도시되어 있다.
보정 평면(200) 상에 제 1 레이저 평면(LP1) 및 보정 평면(200)이 교차하는 레이저 라인(LW1), 제 2 레이저 평면(LP2) 및 보정 평면(200)이 교차하는 레이저 라인(LW2), 제 3 레이저 평면(LP3) 및 보정 평면(200)이 교차하는 레이저 라인(LW3), 그리고 제 4 레이저 평면(LP4) 및 보정 평면(200)이 교차하는 레이저 라인(LW4)이 형성된다.
보정 평면(200) 상에 제 1 레이저 라인(LW1) 및 제 2 레이저 라인(LW2)의 교차점(Pw1), 제 2 레이저 라인(LW2) 및 제 3 레이저 라인(LW3)의 교차점(Pw2), 제 3 레이저 라인(LW3) 및 제 4 레이저 라인(LW4)의 교차점(Pw3), 그리고 제 4 레이저 라인(LW4) 및 제 1 레이저 라인(LW1)의 교차점(Pw4)이 형성된다.
예시적으로, 각 교차점은 보정 평면(200)에 투사된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 보정 평면(200) 상에서 교차하는 지점으로 이해될 것이다.
카메라(110)는 보정 평면(200), 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LW1~LW4), 그리고 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1~Pw4)을 포함하는 영상을 획득할 것이다.
다시 도 4를 참조하면, S1400 단계에서, 영상으로부터 획득된 교차점을 이용하여 획득된 영상이 보정된다. 영상으로부터 획득된 교차점을 이용하여 획득된 영상을 보정하는 동작은 도 8 내지 도 12를 참조하여 더 상세하게 설명된다.
도 8은 획득된 영상을 보정하는 동작(S1400)을 보여주는 순서도이다. 도 8을 참조하면, S1500 단계에서, 교차점에 대응하는 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들이 검출된다. 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)에 대응하는 영상이 획득된 경우, 획득된 영상 내의, 즉 영상 좌표계를 갖는 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)의 교차점들에 대응하는 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4) 상의, 즉 공간 좌표계를 갖는 좌표들이 획득될 것이다. 이후에, S1600 단계에서, 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 획득된 영상이 보정된다.
도 9는 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 동작(S1500)을 보여주는 순서도이다. 도 9를 참조하면, S1510 단계에서, 레이저 라인이 검출된다. 예를 들면, 획득된 영상으로부터, 영상 좌표계를 갖는 레이저 라인들이 검출될 것이다.
도 7의 보정 평면(200), 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LW1~LW4), 그리고 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1~Pw4)으로부터 획득된 영상의 실시 예가 도 10에 도시되어 있다.
도 7 및 도 10을 참조하면, 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LW1~LW4)으로부터 영상 내의 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LI1~LI4)이 획득된다. 보정 평면(200) 상의 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1~Pw4)으로부터 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)이 획득된다. 도 9의 S1510 단계에 의해, 획득된 영상으로부터 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LI1~LI4)이 획득될 것이다. 예를 들면, 제어기(130, 도 1 참조)는 카메라(120)를 통해 획득된 영상으로부터 제 1 내지 제 4 레이저 라인(LI1~LI4)을 검출할 것이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, S1520 단계에서 교차비를 이용하여 교차점의 좌표가 산출된다. 예를 들면, 영상으로부터 획득된 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)의 좌표들이 교차비를 이용하여 획득될 것이다.
3차원 공간을 2차원 영상으로 촬영하는 동작은 3차원 공간을 2차원 영상에 투영하는 투영 변환(perspective projection)으로 이해될 수 있다. 따라서, 2차원 영상 내의 길이의 비율은 3차원 공간 상의 길이의 비율과 일치하지 않는다. 그러나, 2차원 영상 내의 길이의 비율의 비율, 즉 교차비(cross ratio)는 3차원 공간 상의 교차비와 일치할 것이다.
예시적으로, 영상 내의 세 점(Ai, Bi, Ci)에 대응하는 공간 상의 세 점(Aw, Bw, Cw)의 공간 좌표를 알고 있는 것으로 가정한다. 예를 들면, 공간 상의 세 점(Aw, Bw, Cw)의 공간 좌표는 영상 내의 세 점(Ai, Bi, Ci)의 영상 좌표로부터 수학식 1에 기반하여 산출된 좌표일 수 있다. 예를 들면, 공간 상의 세 점(Aw, Bw, Cw)의 공간 좌표는 보정 평면(200)의 격자 무늬로부터 산출된 좌표일 수 있다. 예를 들면, 공간 상의 세 점(Aw, Bw, Cw)의 공간 좌표는 미리 설정된 좌표일 수 있다.
영상 내의 세 점(Ai, Bi, Ci) 및 교차점(Pi1)과 공간 상의 세 점(Aw, Bw, Cw) 및 제 1 교차점(Pw1)의 교차비를 이용하여, 제 1 교차점(Pi1)에 대응하는 공간 상의 공간 좌표가 산출될 수 있다. 교차비는 수학식 2와 같이 나타난다.
[수학식 2]
Figure 112010047161093-pat00001
마찬가지로, 교차비에 기반하여 공간 상의 제 2 내지 제 4 교차점(Pw2~Pw4)의 공간 좌표가 산출될 수 있다.
이하에서, Pw1'~Pw'4는 각각 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)로부터 산출된 제 1 내지 제 4 공간 좌표(Pw1'~Pw4')를 나타내는 것으로 정의한다.
S1530 단계에서, 레이저 평면이 산출된다. 예를 들면, 공간 상의 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1~Pw4)의 산출된 공간 좌표들(Pw1'~Pw4')에 기반하여, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 산출될 것이다.
하나의 평면을 산출하기 위하여, 동일 직선 상에 위치하지 않은 적어도 세 개의 점이 요구된다. 직선 상에 위치하지 않은 적어도 세 개의 점을 획득하기 위하여, 교차점이 다시 한번 획득될 것이다.
예를 들면, 보정 평면(200)의 위치를 달리하여, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 투사될 것이다. 위치가 변화된 보정 평면(200)에 투사된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)을 포함하는 영상이 획득될 것이다.
보정 평면(200)의 위치를 달리하며 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)의 영상을 획득하는 실시 예가 도 11에 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 도시되어 있다. 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 제 1 위치를 갖는 보정 평면(210)에 투사되면, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 바와 같이, 제 2 레이저 평면(LP2)에 대응하는 보정 평면(210) 상의 제 1 및 제 2 교차점(PWL1, PWL2)을 포함하는 영상이 획득될 것이다. 제 2 레이저 평면(LP2)에 대응하는 제 1 및 제 2 교차점(PWL1, PWL2)의 영상으로부터, 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명된 바와 같이, 교차비에 기반하여 제 1 및 제 2 교차점(PWL1, PWL2)의 공간 좌표가 산출될 것이다.
제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 제 2 위치를 갖는 보정 평면(220)에 투사되면, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 바와 같이, 제 2 레이저 평면(LP2)에 대응하는 보정 평면(220) 상의 제 3 및 제 4 교차점(PWL3, PWL4)을 포함하는 영상이 획득될 것이다. 제 2 레이저 평면(LP2)에 대응하는 제 3 및 제 4 교차점(PWL3, PWL4)의 영상으로부터, 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명된 바와 같이, 교차비에 기반하여 제 3 및 제 4 교차점(PWL3, PWL4)의 공간 좌표가 산출될 것이다.
상술된 바와 같이, 보정 평면(200)의 위치를 달리하며 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 투사된 영상들이 획득되면, 제 2 레이저 평면(LP2) 상의 3개 이상의 교차점들(PWL1~PWL4)이 공간 좌표들이 교차비에 기반하여 획득될 수 있다. 따라서, 제 2 레이저 평면(LP2) 상의 교차점들(PWL1~PWL4)의 공간 좌표들에 기반하여, 공간 상의 제 2 레이저 평면(LP2)이 산출될 수 있다. 예를 들면, 공간 상의 제 2 레이저 평면(LP2)의 수식(예를 들면, 수학적 특징)이 산출될 수 있다. 이하에서, LP2가 제 2 레이저 평면을 나타내고, LP2'은 산출된 제 2 레이저 평면을 나타낼 것이다.
상술된 실시 예에서, 제 2 레이저 평면(LP2')을 산출하는 방법이 설명되었다. 그러나, 제 1 레이저 평면(LP1'), 그리고 제 3 및 제 4 레이저 평면(LP3', LP4') 또한 제 2 레이저 평면(LP2')을 산출하는 방법과 동일한 방법으로 산출될 수 있다. 즉, 보정 평면(200)의 위치를 달리하며 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)이 투사된 영상이 적어도 두 개 획득되면, 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4')이 산출될 수 있다.
예시적으로, 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1'~LP4')은 최소 자승법(least square)에 기반하여 산출될 수 있다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, S1540 단계에서 레이저 평면 상의 좌표들이 검출된다. 예를 들면, 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)에 대응하는 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4') 상의 공간 좌표들이 산출될 것이다.
예시적으로, 공간 좌표들을 산출하기 위하여 카메라(200)의 내부 정보(K) 및 위치 정보(R, T), 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4'), 그리고 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)의 영상 좌표가 사용될 것이다.
예시적으로, 카메라(200)의 내부 정보(K) 및 위치 정보(R, T), 그리고 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4')을 이용하여, 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)이 공간 상으로 역투사될 것이다. 즉, 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)의 좌표가 공간 상의 3차원 좌표로 변환될 것이다.
영상 내의 하나의 교차점은 산출된 두 개의 레이저 평면들이 교차하는 지점이다. 즉, 영상 내의 하나의 교차점은 산출된 두 개의 레이저 평면들을 통해 변환될 것이다. 따라서, 영상 내의 하나의 교차점은 공간 상의 두 개의 좌표들로 변환될 것이다.
예를 들면, 영상 내의 제 1 교차점(Pi1)은 산출된 제 1 레이저 평면(LP1')을 통해 제 1a 공간 좌표(Pw1a)로 변환되고, 산출된 제 2 레이저 평면(LP2')을 통해 제 1b 공간 좌표(Pw1b)로 변환될 것이다. 영상 내의 제 2 교차점(Pi2)은 산출된 제 2 레이저 평면(LP2')을 통해 제 2a 공간 좌표(Pw2a)로 변환되고, 산출된 제 3 레이저 평면(LP3')을 통해 제 2b 공간 좌표(Pw2b)로 변환될 것이다. 영상 내의 제 3 교차점(Pi3)은 산출된 제 3 레이저 평면(LP3')을 통해 제 3a 공간 좌표(Pw3a)로 변환되고, 산출된 제 4 레이저 평면(LP4')을 통해 제 3b 공간 좌표(Pw3b)로 변환될 것이다. 영상 내의 제 4 교차점(Pi4)은 산출된 제 4 레이저 평면(LP4')을 통해 제 4a 공간 좌표(Pw4a)로 변환되고, 산출된 제 1 레이저 평면(LP1')을 통해 제 4b 공간 좌표(Pw4b)로 변환될 것이다.
즉, 변환을 통해, 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)에 대응하는 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1'~LP4') 상의 교차점들이 검출될 것이다.
도 12는 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 획득된 영상을 보정하는 동작(S1600)을 보여주는 순서도이다. 도 12를 참조하면, S1610 단계에서 검출된 공간 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 큰지 판별된다.
제 1a 및 제 1b 공간 좌표들(Pw1a, Pw1b)이 일치하고, 제 2a 및 제 2b 공간 좌표들(Pw2a, Pw2b)이 일치하고, 제 3a 및 제 3b 공간 좌표들(Pw3a, Pw3b)이 일치하고, 그리고 제 4a 및 제 4b 공간 좌표들(Pw4a, Pw4b)이 일치하면, 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4')이 투사된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)과 일치함을 나타낼 것이다. 즉, 3차원 공간 및 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 존재하지 않음을 나타낼 것이다.
제 1a 및 제 1b 공간 좌표들(Pw1a, Pw1b)이 일치하고, 제 2a 및 제 2b 공간 좌표들(Pw2a, Pw2b)이 일치하고, 제 3a 및 제 3b 공간 좌표들(Pw3a, Pw3b)이 일치하고, 그리고 제 4a 및 제 4b 공간 좌표들(Pw4a, Pw4b)이 일치하지 않으면, 산출된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1'~LP4')이 투사된 제 1 내지 제 4 레이저 평면(LP1~LP4)과 일치하지 않음을 나타낼 것이다. 즉, 3차원 공간 및 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 존재함을 나타낼 것이다.
왜곡 여부를 판별하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 영상 보정 방법 및 영상 촬영 장치는 문턱값을 이용한다. 공간 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 작으면, 3차원 공간 및 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 존재하지 않는 것으로 판별된다. 이때, S1620 단계가 수행되어, 획득된 영상이 확정된다. 즉, 획득된 영상의 보정이 완료된다. 이후에, 영상 내의 제 1 교차점(Pi1)으로부터 변환된 공간 좌표(Pw1a 또는 Pw1b) 및 교차비에 의해 산출된 공간 상의 교차점(Pw1)의 차이에 기반하여, 획득된 영상이 보정될 수 있다.
공간 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 크면, 차원 공간 및 촬영된 2차원 영상 사이에 왜곡이 존재하는 것으로 판별된다. 이때, S1630 단계가 수행된다.
S1630 단계에서, 검출된 공간 좌표들 사이의 중점이 새로운 교차점으로 수정된다. 예를 들면, 제 1a 및 제 1b 공간 좌표들(Pw1a, Pw1b)의 중점이 영상 내의 제 1 교차점(Pi1)에 대응하는 새로운 교차점(Pw1'')으로 수정될 것이다. 제 2a 및 제 2b 공간 좌표들(Pw2a, Pw2b)의 중점이 영상 내의 제 2 교차점(Pi2)에 대응하는 새로운 교차점(Pw2'')으로 수정될 것이다. 제 3a 및 제 3b 공간 좌표들(Pw3a, Pw3b)의 중점이 영상 내의 제 3 교차점(Pi3)에 대응하는 새로운 교차점(Pw3'')으로 수정될 것이다. 그리고, 제 4a 및 제 4b 공간 좌표들(Pw4a, Pw4b)의 중점이 영상 내의 제 4 교차점(Pi4)에 대응하는 새로운 교차점(Pw4'')으로 수정될 것이다.
S1640 단계에서, 새로운 교차점에 대응하는 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들이 검출된다. 예를 들면, 새로운 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1''~Pw4'')을 이용하여 레이저 평면 산출 단계(도 9의 S1530) 및 좌표 검출 단계(도 9의 S1540)가 수행될 것이다.
예를 들면, 수정된 제 1 내지 제 4 교차점(Pw1''~Pw4'')을 이용하여, 수정된 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1''~LP4'')이 산출될 것이다. 예를 들면, 수정된 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1''~LP4'')은 최소 자승법에 기반하여 산출될 것이다.
이후에, 수정된 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1''~LP4''), 그리고 카메라(110)의 내부 정보(K) 및 위치 정보(R, T)를 이용하여, 영상 내의 제 1 내지 제 4 교차점(Pi1~Pi4)에 대응하는 수정된 제 1 내지 제 4 레이저 평면들(LP1''~LP4'') 상의 공간 좌표들이 검출될 것이다. 검출된 공간 좌표들을 이용하여, S1610 단계가 다시 수행될 것이다.
즉, 영상 내의 하나의 교차점에 대응하는 산출된 두 개의 레이저 평면 상의 공간 좌표들의 차이가 문턱값보다 작아질 때까지, 산출된 레이저 평면들은 반복적으로 수정된다. 이후에, 영상 내의 제 1 교차점(Pi1)으로부터 변환된 공간 좌표(Pw1a 또는 Pw1b) 및 교차비에 의해 산출된 공간 상의 교차점(Pw1)의 차이에 기반하여, 획득된 영상이 보정될 수 있다. 또한, 레이저 평면들의 수정 정보에 기반하여, 획득된 영상이 보정될 수 있다.
예시적으로, 보정 평면(200)의 위치를 달리하며 획득된 영상들 내의 교차점들(예를 들면, 도 11의 PWL1~PWL4)에 대해서, 산출된 레이저 평면들 상의 공간 좌표를 검출하는 동작(도 9의 S1540)과 검출된 공간 좌표들의 비교 결과에 따라 영상을 보정하는 동작(도 12)이 수행될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 획득된 영상에 기반하여 산출된 레이저 평면들이 함께 보정된다. 레이저 평면들을 순차적으로 보정할 때와 비교하면, 순차적인 보정에 따른 오류의 누적이 방지되므로, 영상의 왜곡이 감소된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 획득된 영상에 기반하여 산출된 레이저 평면들의 오류가 문턱값 보다 작아질 때까지, 산출된 레이저 평면들이 반복적으로 보정된다. 따라서, 영상의 왜곡이 감소된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위와 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 ; 영상 촬영 장치
110 ; 카메라
120 ; 레이저 투사기
130 ; 제어기
200 ; 보정 평면

Claims (15)

  1. 보정 평면을 이용하여 영상을 촬영하는 카메라의 영상 파라미터를 보정하는 단계;
    적어도 두 개의 레이저 평면들을 상기 보정 평면에 투사하는 단계;
    상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 보정 평면 상에서 교차하는 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계; 그리고
    상기 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하는 단계를 포함하는 영상 보정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계; 그리고
    상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계를 포함하는 영상 보정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는
    상기 획득된 영상에서 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 및 상기 보정 평면이 교차하는 레이저 라인을 검출하는 단계; 그리고
    상기 검출된 레이저 라인 상의 특정 좌표들 및 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점의 교차비를 이용하여 상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 공간 상의 좌표를 산출하는 단계를 포함하는 영상 보정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는
    상기 산출된 공간 상의 좌표를 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하는 단계; 그리고
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계를 더 포함하는 영상 보정 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하는 단계는
    상기 보정 평면의 위치를 달리하여, 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 위치가 변화된 보정 평면 상에서 교차하는 제 2 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계; 그리고
    상기 획득된 영상 내의 상기 교차점 및 제 2 교차점을 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하는 단계를 더 포함하는 영상 보정 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출된 좌표들 사이의 차이에 따라, 상기 획득된 영상이 선택적으로 보정되는 영상 보정 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는
    상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 작은 경우, 상기 획득된 영상을 확정하는 단계를 포함하는 영상 보정 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는
    상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 큰 경우, 상기 교차점을 상기 검출된 좌표들 사이의 중점으로 수정하는 단계를 포함하는 영상 보정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계는
    상기 수정된 교차점을 이용하여, 상기 수정된 교차점에 대응하는 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 수정 좌표들을 검출하는 단계를 더 포함하는 영상 보정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수정 좌표들을 이용하여, 상기 검출된 좌표들의 비교 결과에 따라 상기 획득된 영상을 보정하는 단계가 다시 수행되는 영상 보정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 상기 보정 평면 상에서 교차하는 교차점을 포함하는 영상을 획득하는 단계는 상기 보정 평면의 위치를 달리하며 적어도 두 번 수행되는 영상 보정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 획득된 영상은 상기 적어도 두 번 획득된 영상의 적어도 두 개의 교차점을 이용하여 보정되는 영상 보정 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 획득된 영상 내의 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들은 동시에 보정되는 영상 보정 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 획득된 영상 내의 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들이 동시에 보정되는 영상 보정 방법.
  15. 카메라;
    적어도 두 개의 레이저 평면들을 투사하도록 구성되는 레이저 투사기; 그리고
    상기 카메라를 통해 획득되는 영상을 보정하도록 구성되는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 보정 평면에 투사된 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들의 교차점을 이용하여 상기 획득된 영상을 보정하고, 상기 교차점을 이용하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 산출하고, 상기 교차점에 대응하는 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 검출하고, 그리고 상기 검출된 좌표들 사이의 차이가 문턱값보다 작아질 때까지, 상기 검출된 좌표들 사이의 중점을 상기 교차점으로 하여 상기 적어도 두 개의 레이저 평면들을 다시 산출하고 그리고 상기 산출된 적어도 두 개의 레이저 평면들 상의 좌표들을 다시 검출하도록 구성되는 영상 촬영 장치.
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