KR101288979B1 - 하나의 촬상 영상에 의한 삼차원 형상 재구성 장치 및 방법 - Google Patents

하나의 촬상 영상에 의한 삼차원 형상 재구성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

하나의 촬상 영상에 의한 삼차원 형상 복원 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 삼차원 형상 복원 장치는 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 조명부; 물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 광변조소자; 광변조소자에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 촬상부; 및 촬상부에서 획득된 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점 별로 단위 영상들을 분리하고, 분리된 단위 영상들을 재구성하여 물체의 삼차원 형상을 복원하는 신호처리부;를 포함한다.

Description

하나의 촬상 영상에 의한 삼차원 형상 재구성 장치 및 방법{Apparatus and method of reconstructing 3D Shape based on a Single-shot Photo image}
본 개시는 삼차원 형상 복원 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼차원 물체에 대해 한 장의 이차원 촬상 영상을 취득하고 물체의 삼차원 형상을 재구성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 임의의 물체의 3차원 형상을 재구성하기 위해서는 이미징 시스템은 복수개의 이차원 영상들을 필요로 한다.
예를 들어, 엑스선을 이용한 의료영상장치는, 물체(즉, 환자의 특정 부위)를 커버할 수 있는 대면적 엑스선 검출센서를 구비하고, 상기 특정 부위에 회전 중심을 두고 360도 회전하면서 상기 특정 부위를 복수회 촬영하여 상기 특정 부위에 대한 복수의 단층 영상들을 획득하고, 이들로부터 삼차원 토모그라피 영상으로 재구성한다.
종래 기술에 의한 3차원 토모그라피 영상 재구성 방법은 물체에 대해 복수회 촬영하여 3차원 형상을 재구성하므로, 엑스선과 같은 방사선을 이용하는 의료영상장치의 경우 피폭량이 문제가 될 수 있다. 또한, 위치를 이동시키면서 복수회 촬영하므로, 위치 이동을 위한 기구적 장치가 필요할 뿐만 아니라, 동적 물체에 대해 삼차원 형상을 재구성하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 극복하기 위해 제안된 것으로써 한 장의 취득된 영상으로부터 임의의 물체의 삼차원 형상을 재구성하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 삼차원 형상 재구성 장치는, 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 조명부; 물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 광변조소자; 광변조소자에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 촬상부; 및 촬상부에서 획득된 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점 별로 단위 영상들을 분리하고, 분리된 단위 영상들을 재구성하여 물체의 삼차원 형상을 복원하는 신호처리부;를 포함한다.
광변조소자는 핀홀 어레이 또는 렌즈렛 어레이일 수 있으며, 이 경우 광변조소자는 조명 원점을 달리하는 광선들을 공간적으로 분리할 수 있다.
신호처리부는, 한 장의 이차원 영상으로부터 핀홀 어레이의 핀홀 혹은 렌즈렛 어레이의 렌즈렛 각각에 대응되는 부분 영상을 분리하고, 부분 영상에서 공간적으로 분리된 타일들을 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 삼차원 형상 재구성 장치는, 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 조명부; 물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 광변조소자; 광변조소자에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 촬상부; 및 촬상부에서 획득된 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점 별로 단위 영상들을 분리하고, 분리된 단위 영상들을 재구성하여 물체의 삼차원 형상을 복원하는 신호처리부;를 포함한다.
광변조소자는 뮤라 패턴 마스크 또는 코사인 패턴 마스크일 수 있으며, 조명 원점을 달리하는 광선들을 주파수 영역에서 분리할 수 있다.
신호처리부는, 한 장의 이차원 영상을 주파수 영역으로 변환하고, 주파수 영역으로 변환된 영상으로부터 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합할 수 있다.
조명장치는 물체에 서로 다른 각도로 광들을 조사하는 복수의 발광원들을 구비할 수 있다. 이때, 복수의 발광원들은 가시광선원, 적외선원, 자외선원, 또는 엑스선원일 수 있다.
삼차원 형상 복원 장치는 컴퓨터 영상 단층 촬영 장치일 수 있다.
신호처리부는 토모그라피 방법을 이용하여 분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 삼차원 형상 재구성 방법은, 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 단계; 물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계; 규칙적인 패턴으로 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 단계; 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점을 달리하는 광들 각각에 의해 생성된 단위 영상들을 분리하는 단계; 및 분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계;를 포함한다.
물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계는, 물체를 투과한 광을 핀홀 어레이 또는 렌즈렛 어레이를 투과시켜, 조명 원점을 달리하는 광선들을 공간적으로 분리하는 것일 수 있다.
단위 영상들을 분리하는 단계는, 한 장의 이차원 영상으로부터 핀홀 어레이의 핀홀 혹은 렌즈렛 어레이의 렌즈렛 각각에 대응되는 부분 영상을 분리하는 단계와, 부분 영상에서 공간적으로 분리된 타일들을 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 삼차원 형상 재구성 방법은, 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 단계; 물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계; 규칙적인 패턴으로 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 단계; 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점을 달리하는 광들 각각에 의해 생성된 단위 영상들을 분리하는 단계; 및 분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계;를 포함한다.
물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계는, 물체를 투과한 광을 뮤라 패턴 마스크 또는 코사인 패턴 마스크를 투과시켜, 조명 원점을 달리하는 광선들을 주파수 영역에서 분리하는 것일 수 있다.
단위 영상들을 분리하는 단계는, 한 장의 이차원 영상을 주파수 영역으로 변환하는 단계와, 주파수 영역으로 변환된 영상으로부터 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 단계;를 포함할 수 있다.
서로 다른 복수의 조명 원점들은 물체에 서로 다른 각도로 광들을 조명할 수 있다.
광을 물체에 조명하는 광은 가시광선, 적외선, 자외선, 또는 엑스선일 수 있다.
분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계는 토모그라피 방법을 이용하는 것일 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 삼차원 형상 복원 장치 및 방법은 취득된 한 장의 영상으로부터 임의 물체의 삼차원 형상 복원이 가능하며 그로 인해 삼차원 형상 복원에 소요되는 영상 획득 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 병원에서 흔히 사용되는 컴퓨터 영상 단층 촬영 장치(Computerized Tomography, CT) 장치에 본 발명이 적용될 경우 한 장의 엑스레이 영상을 취득해 인체 내부의 삼차원 형상을 얻을 수 있기 때문에 방사선 피폭량과 CT 촬영에 걸리는 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 심장과 같이 빠르게 움직이는 장기의 실시간 삼차원 형상 취득에도 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 형상 복원 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 삼차원 형상 복원 장치에 채용되는 핀홀 어레이 타입의 광변조소자의 평면도다.
도 3은 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치에서의 광선도를 도시한다.
도 4는 촬상부가 촬상한 샘플 영상을 도시한다.
도 5는 도 4에서 A 부분의 영상을 확대한 도면이다.
도 6은 도 5에서 핀홀 부분 영상(P1)을 확대한 도면이다.
도 7 및 도 8은 촬상된 영상으로부터 조명 원점을 달리하는 단위 영상들을 분리해내는 과정을 보여준다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 형상 복원 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 삼차원 형상 복원 장치를 실험적으로 세팅한 실험예를 도시한다.
도 11은 도 10의 실험예에서 촬상부에서 촬상된 한 장의 영상으로부터 조명원점별로 분리된 단위 영상들을 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 도 10의 실험예에서 조명원점별로 분리된 단위 영상들을 삼차원 영상으로 재구성한 것을 도시한다.
도 13은 도 1의 삼차원 형상 복원 장치에 채용되는 렌즈렛 어레이 타입의 광변조소자를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 다른 실시예의 삼차원 형상 복원 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 15는 도 14의 삼차원 형상 복원 장치에 채용되는 주파수 도메인 패턴 마스크 타입의 광변조소자의 평면도다.
도 17은 도 14의 삼차원 형상 복원 장치에서의 광선도를 도시한다.
도 18은 도 14의 삼차원 형상 복원 장치에서 주파수 영역으로 변환된 영상의 일 예를 도시한다.
도 19는 도 14의 삼차원 형상 복원 장치에서 물체를 투과한 영상이 변조된 일 예를 주파수 평면에서 도시한다.
도 20은 도 14의 삼차원 형상 복원 장치에서 촬상부에 촬상된 영상의 재구성을 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)는 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체(10)에 조명하는 조명부(110)와, 물체(10)를 투과(Penetration)한 광을 변조하는 광변조소자(120), 광변조소자(120)에서 변조된 물체(10)의 영상을 촬상하는 촬상부(130), 및 촬상부(130)에서 촬상된 영상을 처리하는 신호처리부(150)를 포함한다. 조명부(110)와 광변조소자(120) 사이에는 물체(10)가 위치한다.
조명부(110)는 이격되어 배열된 복수개의 발광원(111)들을 포함할 수 있다. 발광원(111)들의 발광 위치가 각각 조명원점으로 이해될 수 있다. 이에 따라, 발광원(111)들은 서로 다른 조사 각도로 물체(10)를 조명한다. 발광원(111)들은 이차원 평면 혹은 곡면상에 배열되거나 혹은 3차원적으로 배열될 수도 있다. 발광원(111)들의 배열 간격은 일정하거나 혹은 규칙적으로 변경될 수 있다. 발광원(111)들은 가시광선원(visible light source), 적외선원(infrared ray source), 테라헤르츠파원(terahertz wave source), 자외선원(ultraviolet ray), 엑스선원(X-ray source) 등의 공지된 광원일 수 있으며 응용분야에 따라서 선택될 수 있다.
도 2는 핀홀 어레이(pinhole array) 타입의 광변조소자(120)의 평면도다. 도 2를 참조하면, 핀홀 어레이 타입의 광변조소자(120)는 다수의 핀홀(121, 122, …)들이 이차원 평면상에서 규칙적으로 배열되어 이루어지며, 핀홀(121, 122, …)들은 광이 통과하는 개구이다. 한편, 광변조소자(120)에서 핀홀(121, 122, …)들을 제외한 나머지 영역에서는 광이 차단된다. 핀홀(121, 122, …)들의 배열 간격 D는 후술하는 바와 같이 하나의 핀홀(121)을 통과하여 촬상부(130)에서 형성되는 상(도 5의 P1)이 이웃하는 핀홀(122)을 통과하여 촬상부(130)에서 형성되는 상과 공간적으로 겹치지 않도록 설정된다. 이러한 핀홀 어레이 타입의 광변조소자(120)는 물체(10)를 투과한 광을 조명부(110)의 조명 원점에 따라 공간적으로 규칙적인 패턴으로 변조하여 조명부(110)의 조명 원점에 따른 영상 정보를 분리하는 광학 장치의 일 예이다.
촬상부(130)는 광변조소자(120)에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 장치이다. 촬상부(130)는 광을 검출하여 전기적 신호로 전환시키는 광전변환소자들이 이차원 배열된 구조를 가질 수 있다. 촬상부(130)의 광전변환소자들은 조명부(110)에서 채택된 광원의 파장에 따라 적절히 선택될 수 있다.
광변조소자(120)의 전방 혹은 후방에는 촬상부(130)에 물체(10)의 상을 결상하기 위한 결상 광학계(미도시)가 더 마련될 수 있다. 결상 광학계는 센서는 조명부(110)에서 채택된 광원의 파장에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 예를 들어 가시광선, 적외선, 또는 자외선에 대해서는 굴절렌즈가 결상 광학계로 사용될 수 있으며, 엑스선에 대해서는 감쇄(attenuation) 성질의 광변조소자가 결상 광학계로 사용될 수 있다.
신호처리부(150)는 촬상부(130)에서 촬상된 한 장의 이차원 영상을 조명원점별로 분리하여 복수의 단위 영상을 추출하고, 이들 복수의 단위 영상으로부터 물체(10)의 삼차원 형상을 재구성한다. 신호처리부(150)에서의 삼차원 형상 재구성 프로세스는 삼차원 형상을 재구성하는 방법과 함께 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 8을 참조하여, 물체(10)의 삼차원 형상을 재구성하는 방법을 설명한다. 도 3은 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)에서의 광선도를 도시한다. 도 4는 촬상부(130)가 촬상한 샘플 영상을 보여주며, 도 5는 도 4에서 A 부분의 영상을 확대한 것이다. 도 4 및 도 5는 삼차원 형상 복원 장치(100)의 조명부(110)가 6행 6열로 배열된 총 36개의 발광원(111)들을 가진 경우에 촬상된 영상들이다.
도 3을 참조하면, 조명부(110)의 발광원(111)들에서 출발한 광선(L)들은 광변조소자(120)의 핀홀(121)을 통과하여 촬상부(130)의 촬상면(131)에 결상된다. 한편, 광변조소자(120)의 하나의 핀홀(121)을 통과하는 광의 광선들은 촬상부(130)의 촬상면(131)에 하나의 핀홀 부분 영상(P1)으로 결상된다. 마찬가지로, 상기 핀홀(121)에 인접한 핀홀(122)을 통과하는 광은 핀홀 부분 영상(P2)으로 촬상부(130)의 촬상면(131)에 결상된다. 이때, 핀홀(121, 122, …)들의 배열 간격 D은, 핀홀 부분 영상(P1)과 핀홀 부분 영상(P2)이 공간적으로 분리될 수 있도록 설정된다.
도 5에서 하나의 사각형으로 표시된 영역은 광변조소자(120)의 하나의 핀홀(121)에 의해 형성된 핀홀 부분 영상(P1)이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 핀홀 부분 영상(P1)들이 샘플 영상 전역에 걸쳐 행과 열로 배열되어 있음을 볼 수 있다. 이러한 핀홀 부분 영상(P1)들의 배열 패턴은 광변조소자(120)의 핀홀(121, 122, …)들의 배열 패턴에 대응된다.
조명부(110)의 발광원(111)들 각각은 조명원점들을 달리하므로, 물체(10)로 입사되는 광선은 조명부(110)의 발광원(111)들별로 입사각을 달리한다. 따라서, 핀홀 부분 영상(P1)은 도 5에 도시되듯이, 발광원(111)별로 공간적으로 분리된 타일(tile)들로 이루어져 있다. 즉, 조명부(110)가 6행 6열로 배열된 총 36개의 발광원(111)을 가진 경우, 핀홀 부분 영상(P1)은 총 36개의 발광원(111)에 각기 대응되는 36개의 타일들로 이루어진다.
상기와 같이 광변조소자(120)의 핀홀(121)에서 발광원(111)별로 광의 광선이 분리되는 것은 광이 공간적(Spatial)으로 변조(Modulation)되는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 공간적인 변조에 의하여 물체(10)의 각 위치 및 방향에 대한 영상정보들이 촬상부(130)에서 촬상된 이차원 영상에 공간적으로 분리가능하게 담겨 있을 수 있다.
도 6은 도 5에서 핀홀 부분 영상(P1)을 확대한 것이다. 여기서, i, j는 (도 4에도시된) 샘플 영상 전체에서 핀홀 부분 영상(P1)의 위치를 나타내는 인덱스이다. 즉, 도 5에서 핀홀 부분 영상(P1)은 샘플 영상 전체에서 행으로 i번째, 열로 j번째 위치한 것으로 이해될 수 있다.
도 6에서 핀홀 부분 영상(P1) 내에서 첫번째 발광원에 의한 타일은 I1 ij로 표시되며, 두번째 발광원에 의한 타일은 I2 ij로 표시되며, 마찬가지 방식으로 36번째 발광원에 의한 타일은 I36 ij로 표시될 수 있다. 도 6을 참조하면, 하나의 핀홀 부분 영상(P1)안에 있는 작은 타일들(I1 ij, I2 ij, I3 ij, …, I36 ij)의 개수는 조명부(110)에서 사용된 발광원(111)의 개수인 36개와 같다. 즉, 하나의 핀홀 부분 영상(P1) 내에 존재하는 타일들(I1 ij, I2 ij, …, I36 ij)은 6(가로)x6(세로)의 발광원(111)들에서 출발한 광선들이 하나의 핀홀(121)을 통과하여 공간적으로 분리된 상태로 촬상부(130)에 촬상된 것이다.
도 7 및 도 8은 촬상된 영상으로부터 개별적인 발광원이 조사한 광에 의한 영상들을 분리해내는 과정을 보여준다. 설명의 간략화를 위해, 샘플 영상을 이루는 다수의 핀홀 부분 영상들 중에서 중에서 행 인덱스가 i=1,2,3이며, 다수의 사각형 영역들의 열 인덱스가 j=1,2,3인 것만을 고려한다.
도 7을 참조하면, 9개의 핀홀 부분 영상들 각각에서 첫번째 타일들(I1 11, I1 12, I1 13, I1 21, I1 22, I1 23, I1 31, I1 32, I1 33)은 첫번째 발광원에서 출발된 광선에 의해 형성된 상으로 이해될 수 있다. 마찬가지로, 9개의 핀홀 부분 영상들 각각에서 두번째 타일들(도 6에서 I2 ij에 해당)은 두번째 발광원에서 출발된 광선에 의해 형성된 상으로 이해될 수 있다.
광변조소자(120)에 의한 공간적인 변조 덕분에, 도 8에 도시된 바와 같이, 이들 첫번째 발광원에서 조사된 광으로 형성된 타일들(I1 11, I1 12, I1 13, I1 21, I1 22, I1 23, I1 31, I1 32, I1 33)은 분리되어 첫번째 단위 영상(unit image)(I1)으로 재조합될 수 있으며, 두번째 발광원에서 조사된 광으로 형성된 타일들(I2 11, I2 12, I2 13, I2 21, I2 22, I2 23, I2 31, I2 32, I2 33)은 분리되어 두번째 단위 영상(I2)으로 재조합될 수 있다. 이와 같은 단위영상의 재조합은 반복적으로 이루어지며, 마지막으로 36번째 발광원에서 조사된 광으로 형성된 타일들(I36 11, I36 12, I36 13, I36 21, I36 22, I36 23, I36 31, I36 32, I36 33)로 36번째 단위 영상(I36)을 재조합될 수 있다.
이와 같은 프로세스를 통해 얻어지는 단위 영상들(I1, I2, …, I36)은 서로 다른 조명 원점에서 조사되는 광에 의해 얻어지는 영상이다. 이와 같이 서로 다른 조사 원점을 갖는 광에 의한 영상들로부터 삼차원 형상을 재구성은 공지된 토모그래피 방법을 통해 이루어질 수 있다. 일 예로, 단위 영상들(I1, I2, …, I36)을 ART(Algebraic Reconstruction Technique) 기법으로 재구성하므로써 삼차원 형상을 얻을 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 삼차원 형상 복원 방법을 설명한다. 도 9는 본 실시예의 삼차원 형상 복원 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 서로 다른 복수의 조사원점을 갖는 광을 물체(10)에 조명한다(S110). 다음으로, 핀홀 어레이와 같은 광변조소자(120)를 이용하여 물체(10)를 투과한 광을 규칙적으로 변조한다(S120). 다음으로 변조된 물체(10)의 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상한다(S130). 다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하였듯이, 촬상된 하나의 영상을 광변조소자(120)의 렌즈렛(121) 각각에 대응되는 부분 영상들로 분리하고, 각 부분 영상에서 공간적으로 분리된 타일들을 조명 원점별 재조합하여 복수의 단위 영상을 추출한다(S140). 마지막으로 추출된 복수의 단위 영상으로부터 토모그라피 방법을 이용하여 삼차원 영상을 재구성한다(S150).
<실험예>
도 10은 전술한 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)를 실험적으로 세팅한 실험예를 도시한다. 본 실험예에서 조명부(110)는 백색 발광다이오드소자(LED)들이 2차원 배열된 구성을 가지며, 물체(10)에 해당되는 컵을 투과한 광은 핀홀 어레이의 광변조소자(120)를 경유한 뒤, 촬상부(130)에서 촬상된다. 도 11은 촬상부(130)에서 촬상된 한 장의 영상으로부터 조명원점별로 분리된 단위 영상들을 도시한다. 도 11을 참조하면, 단위 영상들은 물체(10)를 다양한 각도에서 촬상된 것에 대응됨을 볼 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 조명원점별로 분리된 단위 영상들을 삼차원 영상으로 재구성한 것을 도시한다.
도 13은 전술한 실시예의 삼차원 형상 복원 장치에서의 광변조소자(120)로서 채용될 수 있는 렌즈렛 어레이 타입의 광변조소자를 도시한다.
전술한 실시예에서, 광변조소자(120)는 핀홀 어레이를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 삼차원 형상 복원 장치(100)에 채용되는 광변조소자(120)로 핀홀 어레이 대신에 도 13에 도시되는 것과 같은 렌즈렛 어레이(lenslet array)가 사용될 수 있다.
렌즈렛 어레이는, 도 13에서 B 영역을 확대한 도면에서 볼 수 있듯이, 다수의 렌즈렛(125)들이 2차원 평면상에 배열된 것이다. 렌즈렛(125)들의 간격은 렌즈렛(125) 각각에 의해 형성된 상들이 서로 겹쳐지 않는 크기로 설정될 수 있다. 서로 다른 조사원점들에서 출발하여 하나의 렌즈렛(125)에 입사한 광선들은 서로 다른 입사각을 가지며, 따라서 렌즈렛(125)에서 서로 다른 굴절각을 가지며 출사된다. 따라서 서로 다른 조사원점들에서 출발한 광선들은 렌즈렛(125)에서 공간적으로 분리된다. 즉, 렌즈렛(125)은 도 3을 참조하여 설명한 핀홀(121)에서의 공간적 변조와 실질적으로 동일한 효과를 가져다 줌을 알 수 있으며, 도 1 내지도 9를 참조하여 설명한 실시예에서 핀홀 어레이의 광변조소자(120)와 실질적으로 동일한 기능을 수행할 수 있음을 이해될 수 있을 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 14을 참조하면, 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(200)는 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체(10)에 조명하는 조명부(110)와, 물체(10)를 투과한 광을 변조하는 광변조소자(220), 광변조소자(220)에서 변조된 물체(10)의 영상을 촬상하는 촬상부(130), 및 촬상부(130)에서 촬상된 영상을 처리하는 신호처리부(150)를 포함한다. 물체(10)와 광변조소자(220)의 사이 혹은 광변조소자(220)와 촬상부(130) 사이에는 촬상부(130)에
조명부(110)와 촬상부(130)는 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예에서와 실질적으로 동일하다.
도 15는 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(200)에 채용되는 주파수 도메인 패턴 마스크 타입의 광변조소자(220)의 평면도다. 주파수 도메인 패턴 마스크는 주파수 영역(Frequency Domain)에서 물체(10)를 투과한 광을 조명부(110)의 조명 원점에 따라 분리되도록 변조하는 광학소자이다. 이러한 주파수 도메인 패턴 마스크는 도 15에 도시된 MURA(Modified Uniformly Redundant Arrays) 패턴이나 도 16에 도시된 코사인 패턴으로 형성될 수 있다.
도 17 내지 도 20은 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)에서의 물체(10)의 상이 주파수 영역에서 변조 및 복조되는 과정을 설명한다.
도 17은 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(200)에서의 광선도를 도시하며, 도 18은 주파수 영역으로 변환된 영상의 일 예를 도시하며, 도 19는 물체(10)를 투과한 영상이 변조된 일 예를 주파수 평면에서 도시하고, 도 20은 촬상부(130)에 촬상된 영상의 재구성을 설명한다. 도 18 및 도 19에서 fX축은 공간에 대한 주파수 영역을 나타내며, fθ축은 촬상부(130)에 입사되는 광의 입사각도 θ에 대한 주파수 영역을 나타낸다. 도 19 및 도 20에서 I1, I2, I3, I4, I5은 조명 원점을 달리하는 광선들(L1, L2, L3, L4, L5)에 의한 영상들을 나타낸다.
도 17을 참조하면, 조명부(110)의 서로 다른 발광원(111)에서 출발한 광선들(L1, L2, L3, L4, L5)은 물체(10)를 투과한 후, 광변조소자(220)에 의해 주파수 영역에서 변조되고, 촬상부(130)에 한 장의 영상으로 촬상된다.
도 18을 참조하면, 촬상부(130)에 도달하는 광 필드는 조명 원점별로 물체(10)의 위치에 대한 정보와 각도에 대한 정보를 모두 갖고 있지만, 광변조소자(220)의 변조가 없는 경우라면, 촬상부(130)에 의해 실질적으로 촬상되는 영상은 fθ=0인 영역이다. 따라서, 광변조소자(220)의 변조가 없는 경우라면, 촬상부(130)에 의해 촬상된 영상은 모두 주파수 영역에서 fθ=0인 영역(C)에 있으므로, 촬상면(131)에 입사되는 광선의 각도에 대한 정보가 실종된다.
도 19를 참조하면, 서로 다른 조명 원점을 갖는 영상들(I1, I2, I3, I4, I5)은 광변조소자(220)의 주파수 도메인 패턴에 의해 주파수 영역 fx 의 소정 구간별로 서로 다른 크기로 fθ축 방향으로 변조된다. 이 결과, fθ=0인 영역(D)에 놓인 변조된 영상들(I1, I2, I3, I4, I5)은 변조 전을 기준으로 서로 다른 fθ에서의 영상들이 된다. fθ=0인 영역(D)에 놓인 변조된 영상들(I1, I2, I3, I4, I5)은 촬상부(130)에 의해 한 장의 영상으로 촬상된다. 따라서, 광변조소자(220)에 의해 변조된 이후 촬상부(130)에 의해 촬상된 한 장의 영상에는 촬상면(131)에 입사되는 광선의 각도 θ에 대한 정보가 포함된다. 입사각도 θ는 조명부(110)의 조명 원점들에 따라 달라지므로, 촬상부(130)에 의해 촬상된 한 장의 영상은 조명부(110)의 조명 원점들에 대한 정보를 담고 있다고 이해될 수 있다. 따라서, 도 20에 도시된 바와 같이, 촬상된 한 장의 영상 속에 속하는 영상들(I1, I2, I3, I4, I5)로부터 원래의 fθ 값의 위치로 재배치함으로써(즉, 조명 원점별로 영상을 재구성함으로써) 3차원 형상을 재구성할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)는 CT 장치일 수 있다. 이 경우, 조명부(110)의 발광원(111)들은 엑스선 튜브와 같은 엑스선원이고, 촬상부(130)는 엑스선 검출 이미지센서일 수 있다. 이와 같이 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)를 CT 장치에 적용할 경우, 한 장의 X-ray영상으로부터 인체 내부의 동적으로 움직이는 장기의 3차원 형상을 얻을 수 있으므로 고속의 CT 장치를 구현할 수 있다. 가령, 종래의 CT 장치로는 인체 내의 동적으로 움직이는 장기의 촬상이 곤란하였으나 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)는 연속적으로 촬상된 개별적인 영상들로부터 개별적으로 3차원 형상을 획득할 수 있으므로, 동적으로 움직이는 장기의 3차원 형상 재구성이 용이하다. 또한, 종래의 CT 장치의 경우, 3차원 형상을 재구성하기 위해서 조사각도를 달리하는 사진을 여러장 촬상하기에 엑스선의 피폭량이 문제될 수가 있다. 반면에 본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)는 한 장의 영상으로 3차원 형상을 재구성하므로, 엑스선의 피폭량을 최소화할 수 있다.
본 실시예의 삼차원 형상 복원 장치(100)는 가시광 3차원 카메라 시스템에 적용될 수도 있다. 이 경우, 조명부(110)의 발광원(111)들은 가시광 발광다이오드들과 같은 가시광선원이고, 촬상부(130)는 가시광 검출 이미지센서일 수 있다.
전술한 본 발명인 하나의 촬상 영상에 의한 삼차원 형상 재구성 장치 및 방법은 해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 물체 100 : 조명부
111 : 발광원 120, 220 : 광변조소자
130 : 촬상부 150 : 신호처리부

Claims (19)

  1. 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 조명부;
    물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 광변조소자;
    상기 광변조소자에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 촬상부; 및
    촬상부에서 획득된 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점 별로 단위 영상들을 분리하고, 분리된 단위 영상들을 재구성하여 물체의 삼차원 형상을 복원하는 신호처리부;를 포함하는 삼차원 형상 복원 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광변조소자는 핀홀 어레이 또는 렌즈렛 어레이이며, 상기 조명 원점을 달리하는 광선들을 공간적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 신호처리부는, 상기 한 장의 이차원 영상으로부터 상기 핀홀 어레이의 핀홀 혹은 상기 렌즈렛 어레이의 렌즈렛 각각에 대응되는 부분 영상을 분리하고, 상기 부분 영상에서 공간적으로 분리된 타일들을 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  4. 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 조명부;
    물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 광변조소자; 및
    상기 광변조소자에서 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 촬상부; 및
    촬상부에서 획득된 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점 별로 단위 영상들을 분리하고, 분리된 단위 영상들을 재구성하여 물체의 삼차원 형상을 복원하는 신호처리부;를 포함하는 삼차원 형상 복원 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광변조소자는 뮤라 패턴 마스크 또는 코사인 패턴 마스크이며, 상기 조명 원점을 달리하는 광선들을 주파수 영역에서 분리하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 신호처리부는, 상기 한 장의 이차원 영상을 주파수 영역으로 변환하고, 상기 주파수 영역으로 변환된 영상으로부터 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명부는 물체에 서로 다른 각도로 광들을 조사하는 복수의 발광원들을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 발광원들은 가시광선원, 적외선원, 자외선원, 또는 엑스선원인 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  9. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼차원 형상 복원 장치는 컴퓨터 영상 단층 촬영 장치인 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  10. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 토모그라피 방법을 이용하여 상기 분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 장치.
  11. 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 단계;
    물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계;
    상기 규칙적인 패턴으로 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 단계;
    상기 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점을 달리하는 광들 각각에 의해 생성된 단위 영상들을 분리하는 단계; 및
    분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계;를 포함하는 삼차원 형상 복원 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 물체를 투과한 광을 공간적 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계는, 상기 물체를 투과한 광을 핀홀 어레이 또는 렌즈렛 어레이를 투과시켜, 조명 원점을 달리하는 광선들을 공간적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 단위 영상들을 분리하는 단계는,
    상기 한 장의 이차원 영상으로부터 상기 핀홀 어레이의 핀홀 혹은 상기 렌즈렛 어레이의 렌즈렛 각각에 대응되는 부분 영상을 분리하는 단계와,
    상기 부분 영상에서 공간적으로 분리된 타일들을 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  14. 서로 다른 복수의 조명 원점들을 갖는 광을 물체에 조명하는 단계;
    물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계;
    상기 규칙적인 패턴으로 변조된 영상을 한 장의 이차원 영상으로 촬상하는 단계;
    상기 한 장의 이차원 영상으로부터 조명 원점을 달리하는 광들 각각에 의해 생성된 단위 영상들을 분리하는 단계; 및
    분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계;를 포함하는 삼차원 형상 복원 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 물체를 투과한 광을 주파수 영역에서 규칙적인 패턴으로 변조하는 단계는, 상기 물체를 투과한 광을 뮤라 패턴 마스크 또는 코사인 패턴 마스크를 투과시켜, 조명 원점을 달리하는 광선들을 주파수 영역에서 분리하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 단위 영상들을 분리하는 단계는,
    상기 한 장의 이차원 영상을 주파수 영역으로 변환하는 단계와,
    상기 주파수 영역으로 변환된 영상으로부터 조명 원점별로 분리된 단위 영상들로 재조합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  17. 제11 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서로 다른 복수의 조명 원점들은 물체에 서로 다른 각도로 광들을 조명하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  18. 제11 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광을 물체에 조명하는 광은 가시광선, 적외선, 자외선, 또는 엑스선인 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
  19. 제11 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리된 각각의 단위 영상들로부터 물체의 삼차원 형상을 복원하는 단계는 토모그라피 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 복원 방법.
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