KR101216953B1 - 코드 라인을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 3차원 거리 측정 시스템 - Google Patents

코드 라인을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 3차원 거리 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 패턴이 포함되는 패턴영상을 대상물체에 투사하는 영상 투사 장치; 및 투사된 패턴영상을 획득하고, 상기 패턴을 이용하여 상기 투사된 패턴영상을 분석하여 3차원 영상을 복원하는 영상 획득 장치를 포함하되, 상기 패턴은 상기 영상 획득 장치에서 고유하게 인식되도록 미리 설정된 하나 이상의 식별 인자를 포함하고, 상기 식별 인자는 점, 선 및 면 중 하나이거나 점, 선 및 면 중 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템이 제공된다. 본 발명에 따른 3차원 거리 측정 시스템은 하나의 패턴영상을 이용하여 3차원 영상을 복원하기 때문에 처리 속도와 저장공간의 활용도가 크게 향상되고 정확한 3차원 영상의 복원이 가능하다는 효과가 있다.

Description

코드 라인을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 3차원 거리 측정 시스템{A 3D distance measuring system for restoring a 3D image using a code line}
본 발명은 3차원 거리 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복수 개의 코드 패턴들로 구성되는 패턴영상을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 3차원 거리 측정 시스템에 관한 것이다.
3차원 복원 기술은 제품 설계 및 검사, 역공학, 영상 콘텐츠 제작 분야 등 전문가들이 주로 사용하던 기술이었으나, 최근에 Google에서 도시 지형의 3차원 모델링 기능이 포함된 위성 영상 서비스를 시작하면서 3차원 복원 기술에 대한 일반인의 관심이 높아졌다. 뿐만 아니라, 마이크로소프트사에서도 인터넷에 공유된 사진들을 이용하여 3차원 정보를 추출하고 사용자가 선택하는 임의의 뷰(view)에 대한 이미지를 보여주는 새로운 서비스를 준비하고 있어서 사용자 창조형 콘텐츠의 보급과 함께 3차원 복원 기술의 수요가 확대될 전망이다.
이러한 3차원 복원 기술은 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있다. 접촉식 3차원 복원은 복원 대상 물체의 측정부위를 측정 센서가 맞닿은 상태에서 3차원 좌표를 측정하는 방식으로, 고정밀의 3차원 측정 데이터를 획득할 수 있으나, 고무와 같이 압력이 가해지면 형태가 변하는 물체는 측정이 불가능하여, 이에 대한 대안으로 비접촉식 3차원 복원 기술이 많이 개발되고 있다. 비접촉식은 물체에서 반사하거나 투과하는 에너지 양을 측정하여 3차원 형상을 복원하는 방법이다. 그 중 물체의 외형을 3차원으로 복원하기 위해서는 물체에서 반사되는 에너지를 측정하는데 컴퓨터 비전 분야에서는 광학식 방법을 많이 연구하고 있다.
광학식 3차원 복원 방법은 센싱 방법에 따라 능동 방식과 수동 방식으로 분류할 수 있다. 능동 방식은 미리 정의된 패턴이나 음파 등을 물체에 투사된 에너지 또는 초점 등의 센서 파라미터의 제어를 통한 변화량을 측정하여 물체의 3차원 형상을 복원하는 방식으로, 대표적인 방법에는 구조광(structured light) 혹은 레이저광을 물체에 투사하여 거리에 따른 위상변화를 측정하는 방식과 물체에 투사한 초음파가 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하는 시간 지연 측정법(time of flight) 등이 있다. 반면에 수동 방식은 인위적으로 물체에 에너지를 투사하지 않은 상태에서 촬영한 영상의 명암(intensity), 시차(parallax) 등을 이용하는 방식이다. 수동 방식은 능동 방식에 비해 다소 정밀도 떨어지는 장비가 간편하고, 입력 영상으로부터 텍스처를 직접 획득할 수 있는 장점이 있다.
광학식 3차원 복원 방법 중 구조광을 이용한 방식과 3차원 레이저 스캐닝 및 수동 방식은 삼각법(triangulation)을 이용하여 측정부분의 3차원 좌표를 계산한다. 즉, 카메라의 중심(center of projection)을 이용하여 포착한 영상의 점을 지나는 3차원 직선들의 교차점을 계산하여 물체의 3차원 좌표를 획득한다. 구조광을 이용한 능동적 방식의 3차원 정보 획득 기법은 프로젝터를 사용하여 코드화된 패턴영상을 연속적으로 투영하고 카메라를 통해 구조광이 투영된 장면의 영상을 획득함으로써 3차원 위치를 추정한다. 구조광을 이용한 3차원 정보 복원 시 다양한 패턴영상들을 이용하는데, 이때 사용되는 패턴의 수는 코드화 기법과 컬러 사용 유무에 따라 결정된다. 도 1은 종래 기술에 따라 구조광을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 시스템을 나타내는 개념도이다.
일반적으로 구조광을 이용하는 3차원 영상 복원 시스템은 빛(패턴영상)을 투사하는 영상 투사 장치와 투사된 패턴을 획득하여 3차원 영상을 복원하는 영상 획득 장치로 구성된다. 이러한 시스템은 영상 투사 장치가 대상물체에 패턴영상을 투사하고 이를 영상 획득 장치로 획득하여 물체의 표면에서 변형된 패턴의 형태를 분석하여 삼각측량을 통해 3차원 영상을 복원하는 방식을 사용하기 때문에 패턴영상을 구성하는 패턴의 형태와 이를 분석하는 작업이 시스템의 정확도에 절대적인 영향을 미친다.
여러 장의 이진 패턴을 사용하는 경우, 구현이 단순하고 고해상도의 깊이 맵을 얻을 수 있는 장점이 있으나 여러 장의 패턴 영상을 연속적으로 투영해야 하므로 움직이는 물체가 있는 경우의 3차원 복원이 불가능한 단점이 있다. 따라서 종래의 3차원 영상 복원 방법은 움직이지 않는 물체를 대상으로 정확한 복원이 필요한 역공학, 3차원 모델링, 제품 검사 등의 응용분야로 한정되어 사용되었다. 이러한 단점 극복을 위하여 그레이 혹은 컬러 패턴을 사용하여 패턴영상의 수를 줄일 수 있으나, 이 경우 깊이 맵의 해상도 한계와 컬러 오브젝트로 인한 에러 발생의 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 하나의 패턴영상을 이용하여 3차원 영상을 복원하기 때문에 처리 속도와 저장공간의 활용도가 크게 향상되고 정확한 3차원 영상의 복원이 가능한 3차원 거리 측정 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 하나의 패턴영상을 이용하기 때문에 움직이는 대상물체에 대한 3차원 영상을 실시간으로 복원 가능 3차원 거리 측정 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 각 패턴의 식별이 용이하여 정확한 정보의 획득이 가능하고, 패턴영상 내 패턴의 수를 충분히 증가시킴으로써 3차원 영상의 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있는 3차원 거리 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 패턴이 포함되는 패턴영상을 대상물체에 투사하는 영상 투사 장치; 및 투사된 패턴영상을 획득하고, 상기 패턴을 이용하여 상기 투사된 패턴영상을 분석하여 3차원 영상을 복원하는 영상 획득 장치를 포함하되, 상기 패턴은 상기 영상 획득 장치에서 고유하게 인식되도록 미리 설정된 하나 이상의 식별 인자를 포함하고, 상기 식별 인자는 점, 선 및 면 중 하나이거나 점, 선 및 면 중 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 식별 인자의 선은 선의 특징에 따라 구분되되, 상기 선의 특징은 선의 종류, 선의 형태, 선의 끊김, 선의 길이, 선의 위치, 곡선의 형태 및 꺾인 선의 형태 중 하나 이상을 포함한다.
또한, 상기 식별 인자의 면은 면의 특징에 따라 구분되되, 상기 면의 특징은 면이 이루는 도형의 종류, 도형의 넓이, 도형의 가로 길이 및 도형의 세로 길이 중 하나 이상을 포함한다.
또한, 상기 영상 획득 장치는 상기 식별 인자의 종류, 위치, 개수, 방향 및 식별 인자 간 간격 중 하나 이상을 이용하여 상기 패턴을 식별한다.
여기서, 상기 패턴이 가지와 줄기로 구분되는 경우, 상기 가지와 줄기 중 하나 이상은 식별 인자이고, 상기 패턴영상 내 각 패턴은 가지의 유무, 가지의 종류, 가지의 위치, 가지의 방향, 가지의 개수, 가지의 길이, 가지 간 간격, 가지 또는 줄기의 끊김 및 패턴의 색 중 하나 이상을 이용하여 식별된다.
이 때, 상기 패턴의 줄기에서 상기 가지가 붙어있을 위치, 가지 간 간격 및 가지의 개수 중 하나 이상이 미리 설정되어 있다.
그리고, 상기 영상 투사 장치는 가지의 종류에 따라 설정된 고유의 가지 코드나 패턴의 종류에 따라 설정된 고유의 패턴 코드를 이용하여 각 패턴을 생성하고, 상기 영상 획득 장치는 가지의 종류에 따라 설정된 고유의 가지 코드나 패턴의 종류에 따라 설정된 고유의 패턴 코드를 이용하여 각 패턴을 식별한다.
또한, 상기 패턴영상이 복수 개의 패턴들을 포함하는 경우, 상기 패턴영상은 인접한 둘 이상의 패턴들이 고유하게 결합된 복수 개의 패턴 조합으로 구성된다.
또한, 상기 패턴 조합에 대한 정보는 상기 영상 투사 장치 또는 상기 영상 획득 장치에 미리 저장되어 있거나 De Bruijn 조합을 이용하여 생성된다.
또한, 상기 패턴영상이 복수 개의 패턴들을 포함하는 경우, 상기 복수 개의 패턴들 중 하나 이상의 패턴이 인접한 패턴과 어긋나게 배치된다.
또한, 상기 영상 투사 장치는 가시광선, 적외선(IR), 자외선(UV) 중 하나 이상을 이용하여 패턴영상을 투사한다.
이 때, 상기 영상 투사 장치가 적외선 또는 자외선을 이용하여 패턴영상을 투사하는 경우, 상기 패턴영상 외에 가시광선에 의한 영상을 획득하기 위한 가시광선 카메라를 더 포함한다.
또한, 상기 영상 투사 장치의 광원은 LED, LD(Laser Diode), 할로겐, Flash Bulb, 백열 램프, 형광 램프, 방전 램프 및 특수램프(메탈할라이드 램프, 크세논 아크 램프 등) 중 어느 하나이다.
또한, 상기 영상 투사 장치는 정해진 알고리즘에 따라 패턴영상을 생성하거나, 패턴영상에 대한 정보를 저장하고 전달하는 패턴영상 생성부를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 영상 투사 장치는 DLP(Digital Light Processing), LCD(Liquid Crystal Display), LCoS(Liquid Crystal on Silicon), TMA(Thin-film Micro-mirror Array actuated) 중 하나를 포함한다.
또한, 상기 영상 투사 장치는 정해진 패턴영상을 투사하도록 상기 영상 투사 장치의 전면에 배치되거나 상기 영상 투사 장치의 렌즈와 일체형으로 형성되는 물리적인 필터를 포함한다. 이 때, 상기 물리적인 필터는 필름 혹은 렌즈 등에 상기 패턴영상을 인쇄, 식각(photolithography), 레이저 조각(laser engrave) 등의 방법을 이용하여 제작된다.
본 발명에 따른 3차원 거리 측정 시스템은 하나의 패턴영상을 이용하여 3차원 영상을 복원하기 때문에 처리 속도와 저장공간의 활용도가 크게 향상되고 정확한 3차원 영상의 복원이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 거리 측정 시스템은 하나의 패턴영상을 이용하기 때문에 움직이는 대상물체에 대한 3차원 영상을 실시간으로 복원이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 거리 측정 시스템은 각 패턴의 식별이 용이하여 정확한 정보의 획득이 가능하고, 패턴영상 내 패턴의 수를 충분히 증가시킴으로써 3차원 영상의 정확도와 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 구조광을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 시스템을 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 패턴영상 내 구조광 패턴을 구별하기 위한 식별 인자의 예를 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 각종 선들의 조합을 이용하여 구성된 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각종 선들과 각종 면들의 조합으로 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상 획득 장치가 패턴을 구성하는 식별 인자들을 인식하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 6는 본 발명에 다른 실시예에 따른 줄기와 가지를 이용하여 패턴영상을 구성하는 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 패턴 조합을 이용하여 하나의 패턴영상을 구성하는 방법을 나타내는 예시도.
도 8는 도 3의 패턴 조합의 배치에 따라 구성된 패턴영상을 나타내는 예시도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 패턴과 패턴 간의 간격을 보다 조밀하게 만드는 방법을 나타내는 예시도.
도 10은 본 발명에 따라 코드 라인을 이용하여 3차원 영상 복원이 가능한 3차원 거리 측정 시스템을 나타내는 구성도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 패턴영상 내 구조광 패턴을 구별하기 위한 식별 인자의 예를 나타내는 예시도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 각종 선들의 조합을 이용하여 구성된 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각종 선들과 각종 면들의 조합으로 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도이다.
본 발명에 따른 구조광 패턴영상 내 각 패턴은 영상 획득 장치에서 고유하게 인식되도록 미리 설정된 다양한 식별 인자를 포함한다. 여기서, 식별 인자는 점, 각종 선들 및 각종 면들일 수 있으며, 영상 획득 장치는 점, 각종 선들 및 각종 면들 중 하나 이상을 이용하여 각 패턴을 식별할 수 있다. 물론, 하나의 패턴 내에 동일한 식별 인자가 복수 개 포함되는 것도 가능하다. 즉, 영상 획득 장치는 투사된 패턴영상을 획득한 후 하나의 패턴을 구성하는 각 식별 인자들을 구분하여 또는 종합하여 인식하고, 식별 인자들을 인식한 결과를 이용하여 하나의 패턴과 주변의 다른 패턴들을 구별하는 것이다.
이 때, 식별 인자의 각종 선들은 선의 종류, 선의 형태, 선의 끊김, 선의 길이, 선의 위치, 곡선의 형태, 꺾인 선의 형태 등의 특징에 따라 서로 다른 식별 인자(서로 다른 선)로 인식되는 것이 가능하다. 여기서 선의 종류는 실선, 점선, 파선, 점선과 파선의 조합 등을 말하며, 선의 형태는 직선, 곡선, 꺾인 선 등을 의미한다.
예를 들어, 본 발명에 따른 영상 획득 장치는 도 2의 그림 (a), (b), (c), (d)를 각각 고유한 식별 인자로 인식하는 것이 가능하다. 우선 그림 (b)는 그림 (a)와 달리 끊김이 있고, 그림 (c)와 (d)는 그림 (a) 및 (b)와 달리 선에 꺾임이 있으며, 이 때 그림 (c)와 (d)는 꺾인 형태가 다르다. 따라서 이러한 각 선들이 갖는 특징을 이용하면 그림 (a), (b), (c), (d)가 각기 고유한 식별 인자로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 영상 획득 장치는 도 3에서와 같이 각종 선들의 조합을 이용하여 각 패턴을 식별하거나, 도 4에서와 같이 각종 선들과 각종 면들의 조합을 이용하여 각 패턴을 식별하는 것이 가능하다. 여기서, 식별 인자의 각종 면들 역시 면이 이루는 도형의 종류, 도형의 넓이, 도형의 가로 길이, 도형의 세로 길이 등을 이용하여 서로 다른 식별 인자(서로 다른 면)로 인식될 수 있다. 또한 영상 획득 장치는 각 패턴을 인식함에 있어 각 식별 인자의 종류뿐만 아니라 식별 인자의 위치, 식별 인자 간 간격, 식별 인자의 개수, 패턴의 조합 등을 이용하여 보다 다양한 패턴을 인식하는 것이 가능하다. 이러한 구체적인 내용에 대해서는 이하 도 6 내지 도 10을 이용하여 상세히 설명할 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상 획득 장치가 패턴을 구성하는 식별 인자들을 인식하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 영상 획득 장치는 도 5의 그림 (x)와 그림 (y)를 식별함에 있어 그림 (b)를 두 개의 식별 인자로 구분하여 인식하거나 하나의 식별 인자로 인식하는 것이 가능하다. 영상 획득 장치가 두 개의 식별 인자로 인식하는 경우, 영상 획득 장치는 그림 (b)를 식별 인자인 원과 또 다른 식별 인자인 직선으로 구분하며, 그림 (a)와 그림 (b)를 '직선'과 '직선 + 원'으로 식별할 수 있다. 또는 영상 획득 장치가 하나의 식별 인자로 인식하는 경우, 영상 획득 장치는 그림 (b)를 직선과 막대사탕(예를 들어)으로 인식하고, 그림 (a)와 그림 (b)를 '직선'과 '막대사탕'으로 식별한다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄기와 가지를 이용하여 패턴영상을 구성하는 구조광 패턴의 모양을 나타내는 예시도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명에 따르면, 패턴영상 내 각 구조광 패턴은 세로 줄과 가로 줄로 구분된다. 이하, 편의상 세로 줄을 '줄기'로, 가로 줄을 '가지'라고 부르기로 한다. 이는 영상 투사 장치와 영상 획득 장치가 가로방향(좌/우)로 놓여져 있을 때의 예이며, 영상 투사 장치와 영상 획득 장치가 세로방향(위/아래)으로 놓여져 있을 때에는 패턴을 전치(transpose)하여 사용하며, 이 경우 가로 줄을 '줄기', 세로 줄을 '가지'로 칭할 수 있다.
본 발명에 따르면 줄기에 붙어있는 가지의 전체적인 형태를 바탕으로 각각의 줄기를 구별할 수 있으며, 줄기에 가지가 특정한 형태로 붙어있는 패턴을 코드 라인(code line)이라 칭한다. 본 발명에 따른 각 구조광 패턴은 가지의 유무, 가지의 종류, 가지의 위치, 가지의 방향, 가지의 개수, 가지의 길이(단순하게는 길고 짧고), 가지 간 간격, 가지 또는 줄기의 끊김 등을 이용하여 식별될 수 있다. 즉, 구조광 패턴을 구성하는 가지나 줄기를 식별 인자로 이용하는 것이 가능한 것이다.
예를 들어, 도 6에서 패턴 (a)는 가지가 없다. 패턴 (b)는 좌측에만 가지가 있으며, 패턴 (c)는 우측에만 가지가 있고, 패턴 (d)는 양측에 모두 가지가 있다. 3차원 거리 측정 시스템에서 영상 획득 장치는 3차원 영상 복원을 위해 획득한 영상에서 각 패턴의 가지의 유무와 가지의 위치를 이용하여 패턴 (a), 패턴 (b) 및 패턴 (c)를 서로 다른 패턴으로 인식하고 대상물체에 투사된 각 패턴을 분석한다.
또한, 패턴 (b)와 패턴 (e)는 모두 좌측에 가지가 있으나 줄기의 좌측에 붙어 있는 가지의 수와 가지 간 간격이 다르다. 따라서, 영상 획득 장치는 패턴 (b)와 패턴 (e)를 서로 다른 패턴으로 인식할 수 있다. 이와 마찬가지로, 좌측과 우측에 번갈아 가며 가지가 붙어있는 경우(패턴 (h)), 좌측과 양측에 번갈아 가며 가지가 붙어있는 경우(패턴 (i)), 우측과 양측에 번갈아 가며 가지가 붙어있는 경우(패턴 (j)) 모두 나머지 패턴들과 구별이 가능하다.
이러한 패턴의 가지는 사선 또는 곡선일 수 있으며, 사선일 경우 줄기와 가지가 이루는 각도에 의해서도 패턴을 식별하는 것이 가능하다. 또한, 각 패턴은 패턴의 색에 의해서도 구분이 가능한데, 예를 들어, 동일한 형태를 가지는 2개의 패턴이 있고, 하나의 패턴은 노란색이고 나머지 패턴은 파란색일 경우, 동일한 형태를 가지는 2개의 패턴은 서로 다른 패턴으로 인식된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가지와 줄기로 구성되는 패턴을 보다 효과적으로 이용하기 위해서 가지의 종류와 패턴의 종류에 고유한 코드를 부여할 수 있다. 우선, 가지의 존재여부나 가지가 붙어있는 형태에 따라 각 가지에 대한 코드(이하, '가지 코드'라 함)가 부여될 수 있는데, 예를 들어, 도 6에서는 가지가 없는 경우 N, 왼쪽에 가지가 붙어있으면 L, 오른쪽에 가지가 붙어있으면 R, 그리고, 양쪽으로 가지가 붙어있으면 B로 정해졌다.
이 외에 사선인 가지를 이용하는 경우 위쪽으로 올라가는 사선은 U, 아래쪽으로 내려가는 사선은 D, 패턴의 색을 이용하는 경우 노란색 가지는 y, 파란색 가지는 b, 붉은색 가지는 r 등으로 코드를 부여할 수 있으나, 도 6에서는 L, R, B 및 N 만을 이용하여 설명한다.
이때, 하나의 줄기에 붙을 수 있는 가지의 수, 위치 또는 가지 간의 간격은 미리 설정될 수 있으며, 도 6에서는 하나의 가지에 8개의 가지가 동일한 간격으로 붙는 것으로 가정한다. 도 6의 각 패턴에 대한 가지 코드는 표 1과 같이 결정된다.
가지의 종류가 p개이고 하나의 줄기에 최대한 붙을 수 있는 가지의 수가 m개일 경우, 이로부터 생성될 수 있는 서로 식별이 가능한 패턴의 개수는 pm개이다. 예를 들어, 도 2에서와 같이 가지의 종류가 4개(N, L, R 및 B)이고 하나의 줄기에 최대한 붙을 수 있는 가지의 수가 8개로 설정되었을 때, 이로부터 생성될 수 있는 패턴의 종류는 84(=4096)개이다.
도 2의 각 패턴에 대한 가지 코드와 패턴 코드
패턴 가지 코드 패턴 코드
(a) N N N N N N N N NN
(b) L L L L L L L L LL
(c) R R R R R R R R RR
(d) B B B B B B B B BB
(e) N L N L N L N L NL
(f) N R N R N R N R NR
(g) N B N B N B N B NB
(h) L R L R L R L R LR
(i) L B L B L B L B LB
(j) R B R B R B R B RB
일반적으로 하나의 패턴영상은 많은 수의 패턴을 포함하고 있으며, 보다 높은 해상도로 대상물체를 복원하기 위해서는 더 많은 수의 패턴을 필요로 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 적은 패턴의 종류로 하나의 패턴영상을 구성할 수 있다. 인접한 2개, 3개 또는 그 이상의 패턴을 조합하여 하나의 패턴영상 내에서 고유한 패턴 조합을 연속하여 배치함으로써 하나의 패턴영상을 서로 다른 패턴으로 구성하는 것보다 훨씬 적은 종류의 패턴으로 패턴영상을 구성할 수 있다. 이 경우 하나의 패턴을 식별하기 위해 가지 코드와 같은 긴 코드 시퀀스를 이용하지 않고 간결한 별도의 패턴 코드를 이용할 수 있다. 표 1은 도 2에 나타나있는 10개의 패턴에 대해 각 패턴에 상응하는 가지 코드와 함께 각 패턴에 대한 고유의 패턴 코드가 기재되었다.
예를 들어, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 패턴 조합을 이용하여 하나의 패턴영상을 구성하는 방법을 나타내는 예시도이며, 도 8는 도 7의 패턴 조합의 배치에 따라 구성된 패턴영상을 나타내는 예시도이다.
도 7을 참조하면, 하나의 패턴영상은 100개의 패턴으로 구성되며, 해당 패턴영상을 구성하기 위해서 10개의 기본적인 패턴(이하, '기본 패턴'이라 함)이 이용되었다. 여기서, 기본 패턴은 도 2에 나타난 10개의 패턴이며, 각 기본 패턴의 패턴 코드는 표 1과 같다. 도 7에는 패턴영상 내 각 패턴이 배치되는 순서(0번~99번)와 각 패턴에 상응하는 패턴 코드를 보여주고 있다. 전체적으로 보면 하나의 패턴 코드가 여러 번 사용되었으나 한 쌍의 패턴들의 조합을 구분하여 살펴보면 동일한 패턴 조합이 발견되지 않는다. 즉, 하나의 패턴영상 내에서 인접한 2개의 패턴을 고유한 조합(이하, '패턴 조합'이라 함)으로 배치하였다. 예를 들어, 도 7에서는 0번째 패턴 코드가 'NN'이고 1번째 패턴 코드가 'NN'인데, 도 7의 패턴영상에서 어떤 인접한 2개의 패턴 조합도 'NN'과 'NN'으로 조합되지 않는다.
n개의 기본 패턴이 존재하고, 자신을 포함한 k개의 인접한 패턴을 이용하여 패턴 조합을 생성한다고 할 때, 생성 가능한 패턴 조합의 수는 n^k개가 된다. 즉, 도 7에서와 같이 n이 10이고, k가 2일 경우, 102=100개의 고유한 패턴 조합을 만들 수 있다. 반대로 64개의 패턴을 만들기 위해서, 2개의 인접한 패턴을 이용하는 경우 8개의 기본 패턴이 필요하며(82=64), 3개의 인접한 패턴을 이용하는 경우 4개의 기본 패턴이 필요하다(43=64). 패턴 조합을 이용할 경우 하나의 패턴영상을 구성하기 위해 이용되는 패턴의 종류는 크게 줄어들며, 각 패턴을 식별하기 위한 패턴 코드의 길이도 짧아지기 때문에 시스템에서 정보를 처리하기 용이하고 처리 속도도 크게 개선될 수 있다. 이러한 패턴의 조합은 사용자에 의해 미리 설정되어 저장되거나 De Bruijn 조합을 이용하여 생성된다. 이 외에도 고유한 패턴 조합을 얻기 위해서 기본 패턴을 조합할 수 있는 다양한 방법이 활용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 패턴과 패턴 간의 간격을 보다 조밀하게 만드는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 9는 영상 투사 장치와 영상 획득 장치가 세로방향(위/아래)으로 놓여져 있는 경우로, 도 8의 패턴이 전치(transpose)된 경우에 해당한다. 도 9를 참조하면, 패턴영상 내 각 패턴이 인접한 패턴과 어긋나게 배치됨에 따라 보다 조밀하게, 즉, 패턴영상 내 보다 많은 수의 패턴이 배치됨을 알 수 있다. 하나의 패턴영상을 구성하는 패턴의 수는 3차원 이미지에 대한 정보의 양과 비례하므로, 도 9에서와 같이 조밀하게 패턴이 조밀하게 배치될 경우, 영상 획득 장치는 획득한 영상으로부터 대상물체에 대해 보다 많은 정보를 획득할 수 있으며, 이를 이용하여 보다 정밀한 3차원 영상의 복원이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따라 코드 라인을 이용하여 3차원 영상 복원이 가능한 3차원 거리 측정 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 10을 참조하면, 3차원 거리 측정 시스템은 영상 투사 장치(1010)와 영상 획득 장치(1030)를 포함한다. 여기서, 영상 투사 장치(1010)는 코드 라인을 이용하여 생성된 패턴영상을 투사하며, 영상 획득 장치(1030)는 패턴영상이 투사된 영상을 획득하고 코드 라인이나 패턴 조합 등을 이용하여 각 패턴을 식별하고 3차원 영상을 복원한다. 이 때, 코드 라인이나 코드 라인을 이용하여 패턴영상을 구성하는 방법에 대해서는 도 6 내지 도 9를 이용하여 설명하였으며, 이에 대해서는 더 이상 언급하지 않는다.
영상 투사 장치(1010)가 패턴영상을 투사하기 위해서는 영상 투사 장치(1010)에서 빛이 투사되는 전면에 해당 패턴영상만을 투사하도록 물리적인 필터를 배치하거나 영상 투사 장치(1010) 내에 패턴영상을 생성하는 패턴영상 생성부(1020)를 구비할 수 있다. 이 때, 영상 투사 장치(1010)의 전면에 배치되는 물리적인 필터는 영상 투사 장치(1010)의 렌즈와 일체형으로 형성될 수 있으며, 상기 물리적인 필터는 필름 혹은 렌즈 등에 패턴영상을 인쇄, 식각(photolithography), 레이저 조각(laser engrave) 등의 방법을 이용하여 제작할 수 있다. 또한, 패턴영상 생성부(1020)는 정해진 알고리즘에 따라 패턴영상을 생성하거나 단순히 패턴영상에 대한 정보가 순차적으로 저장되어 해당 정보를 순서에 따라 전달하는 역할을 할 수 있다. 패턴영상 생성부(1020)에 의해 패턴영상이 생성되는 경우, 영상 투사 장치(1010)는 DLP(Digital Light Processing), LCD(Liquid Crystal Display), LCoS(Liquid Crystal on Silicon), TMA(Thin-film Micro-mirror Array actuated) 등의 방법을 이용할 수 있다.
또한, 영상 획득 장치(1030)는 획득한 영상에서 각 패턴을 식별하기 위해서 각 패턴을 식별하기 위한 정보가 저장되어 있는 패턴정보 저장부(1040)와 획득한 영상에서 각 패턴을 식별하고 식별된 패턴을 이용하여 3차원 영상을 복원하는 패턴영상 복원부(1050)를 포함한다. 여기서, 여기서 패턴영상 저장부(1040)와 패턴영상 복원부(1050)는 영상 획득 장치(1030)와는 별도의 장치로 구비될 수 있다. 또한, 영상 투사 장치(610)이나 영상 획득 장치(1050)에서 이용하는 패턴을 식별하기 위한 정보는 가지 코드, 패턴 코드 등일 수 있다.
또한, 영상 투사 장치(1010)가 이용하는 투사하는 빛의 파장대는 가시광선, 적외선(IR), 자외선(UV) 등으로 다양하다. 일반적으로 3차원 거리 측정 시스템은 하나의 영상 투사 장치(1010)와 하나의 영상 획득 장치(1030)로 이루어지는데, 만약 영상 투사 장치(1010)가 가시광선 외의 파장대에 존재하는 빛을 이용하여 패턴영상을 투사하는 경우, 3차원 거리 측정 시스템은 가시광선 파장대의 영상을 획득하기 위해 별도의 영상 획득 장치(가시광선 영역, 미도시)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 영상 투사 장치(1010)의 광원은 LED, LD(Laser Diode), 할로겐, Flash Bulb, 백열 램프, 형광 램프, 방전 램프 및 특수램프(메탈할라이드 램프, 크세논 아크 램프 등) 등 다양한 광원을 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
610: 영상 투사 장치
620: 패턴영상 생성부
630: 영상 획득 장치

Claims (19)

  1. 하나 이상의 패턴이 포함되는 패턴영상을 대상물체에 투사하는 영상 투사 장치; 및
    투사된 패턴영상을 획득하고, 상기 패턴을 이용하여 상기 투사된 패턴영상을 분석하여 3차원 영상을 복원하는 영상 획득 장치를 포함하되,
    상기 패턴은 상기 영상 획득 장치에서 고유하게 인식되도록 미리 설정된 하나 이상의 식별 인자를 포함하고,
    상기 식별 인자는 점, 선 및 면 중 하나이거나 점, 선 및 면 중 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 식별 인자의 선은 선의 특징에 따라 구분되되,
    상기 선의 특징은 선의 종류, 선의 형태, 선의 끊김, 선의 길이, 선의 위치, 곡선의 형태 및 꺾인 선의 형태 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 식별 인자의 면은 면의 특징에 따라 구분되되,
    상기 면의 특징은 면이 이루는 도형의 종류, 도형의 넓이, 도형의 가로 길이 및 도형의 세로 길이 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 획득 장치는 상기 식별 인자의 종류, 위치, 개수, 방향 및 식별 인자 간 간격 중 하나 이상을 이용하여 상기 패턴을 식별하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴이 가지와 줄기로 구분되는 경우,
    상기 가지와 줄기 중 하나 이상은 식별 인자인 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴영상에 포함되는 상기 하나 이상의 패턴은 가지의 유무, 가지의 종류, 가지의 위치, 가지의 방향, 가지의 개수, 가지의 길이, 가지 간 간격, 가지 또는 줄기의 끊김 및 패턴의 색 중 하나 이상을 이용하여 식별되는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴의 줄기에서 상기 가지가 붙어있을 위치, 가지 간 간격 및 가지의 개수 중 하나 이상이 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치는 가지의 종류에 따라 설정된 고유의 가지 코드나 패턴의 종류에 따라 설정된 고유의 패턴 코드를 이용하여 각 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 영상 획득 장치는 가지의 종류에 따라 설정된 고유의 가지 코드나 패턴의 종류에 따라 설정된 고유의 패턴 코드를 이용하여 각 패턴을 식별하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴영상이 복수 개의 패턴들을 포함하는 경우,
    상기 패턴영상은 인접한 둘 이상의 패턴들이 고유하게 결합된 복수 개의 패턴 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴 조합에 대한 정보는 상기 영상 투사 장치 또는 상기 영상 획득 장치에 미리 저장되어 있거나 De Bruijn 조합을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴영상이 복수 개의 패턴들을 포함하는 경우,
    상기 복수 개의 패턴들 중 하나 이상의 패턴이 인접한 패턴과 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치는 가시광선, 적외선(IR), 자외선(UV) 중 하나 이상을 이용하여 패턴영상을 투사하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치가 적외선 또는 자외선을 이용하여 패턴영상을 투사하는 경우,
    상기 패턴영상 외에 가시광선에 의한 영상을 획득하기 위한 가시광선 카메라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치의 광원은 LED, LD(Laser Diode), 할로겐, Flash Bulb, 백열 램프, 형광 램프, 방전 램프 및 특수램프(메탈할라이드 램프, 크세논 아크 램프 등) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치는 정해진 알고리즘에 따라 패턴영상을 생성하거나, 패턴영상에 대한 정보를 저장하고 전달하는 패턴영상 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치는 DLP(Digital Light Processing), LCD(Liquid Crystal Display), LCoS(Liquid Crystal on Silicon), TMA(Thin-film Micro-mirror Array actuated) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 투사 장치는 정해진 패턴영상을 투사하도록 상기 영상 투사 장치의 전면에 배치되거나 상기 영상 투사 장치의 렌즈와 일체형으로 형성되는 물리적인 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 물리적인 필터는 필름 혹은 렌즈 등에 상기 패턴영상을 인쇄, 식각(photolithography), 레이저 조각(laser engrave) 등의 방법을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 3차원 거리 측정 시스템.
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