KR101416649B1 - 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법 - Google Patents
회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법에 관한 것으로, 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 패턴 투사 장치, 상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 영상 획득 장치, 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 영상 처리 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선 레이저와 회절 광학 소자로 구성된 패턴 투사 장치가 투사한 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 동작을 인식할 수 있는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법에 관한 것이다.
공간상의 거리를 나타내는 깊이 영상을 획득하는 방법으로 광학식 방법이 널리 사용되고 있다. 광학식 방법은 두 개 이상의 시점을 갖도록 다수의 카메라를 사용하는 수동적 획득방식과 공간에 빛을 투영하고 이를 해석하는 능동적 획득방식을 포함한다.
수동적 획득방식은 스테레오 비전으로 널리 알려져 있으며, 사람의 양안과 같이 두 대의 카메라를 사용하거나, 보다 많은 다시점 카메라를 사용하는 방법이다. 이러한, 수동적 획득방식은 거리를 측정하고자 하는 공간 내부에 텍스쳐를 얻을 수 없는 환경이나 조명변화가 심한 경우 특징점을 찾기가 어려워 거리 측정이 잘 되지 않는 단점이 있다.
능동적 획득 방식은 공간의 조명 또는 텍스쳐 유무에 따른 영향을 크게 받지 않으며, 정확한 거리 측정이 가능한 장점이 있다.
그러나, 기존의 능동적 획득 방식은 일반적으로 가시광선을 사용하며, 이 경우 눈부심 현상으로 인하여 사람이 있는 상황에 적용하기 어렵다. 또한, 능동적 획득 방식은 다중 패턴을 투영함으로써 움직임이 있는 상황에 적용하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 목적은 공간상에서 움직이는 사용자의 동작을 인식하기 위한 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 적외선 레이저와 회절 광학 소자를 이용하여 단일 랜덤 패턴을 형성하는 패턴 투사 장치를 구성하여, 빛에 대한 거슬림 없이 빠른 속도로 3차원 영상을 복원할 수 있는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 패턴 투사 장치, 상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 영상 획득 장치, 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 영상 처리 장치를 포함하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템이 제공된다.
상기 패턴 투사 장치는 적외선 광을 방사하는 적외선 광원, 상기 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환하는 변환부, 회절 광학 소자를 이용하여 상기 평행광을 단일 랜덤 패턴으로 형성하고, 상기 형성된 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사하는 패턴부를 포함할 수 있다.
상기 변환부는 콜리메이팅 렌즈 형태일 수 있다.
상기 영상 처리 장치는 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴과 상기 패턴 투사 장치를 통해 투사된 단일 랜덤 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 계산하며, 상기 계산된 3차원 거리를 기초로 3차원 영상을 복원할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 패턴 투사 장치가 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 단계, (b) 영상 획득 장치가 상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 단계, (c) 영상 처리 장치가 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법이 제공된다.
상기 (a) 단계는, 상기 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환하는 단계, 회절 광학 소자를 이용하여 상기 평행광을 단일 랜덤 패턴으로 형성하고, 상기 형성된 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계는, 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하는 단계, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴과 상기 패턴 투사 장치를 통해 투사된 단일 랜덤 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 계산하는 단계, 상기 계산된 3차원 거리를 기초로 3차원 영상을 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 적외선 레이저와 회절 광학 소자를 이용하여 단일 랜덤 패턴을 형성하는 패턴 투사 장치를 구성함으로써, 빛에 대한 거슬림 없이 빠른 속도로 3차원 영상을 복원할 수 있다.
또한, 적외선 광원과 단일 랜덤 패턴을 이용하여, 사용자가 자유롭게 동작하는 공간에서 특징점 유무에 관계없이 3차원 거리 정보를 빠르게 획득할 수 있고, 이를 통해 공간상에서 움직이는 사용자의 동작을 빠르게 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 패턴 투사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 3은 도 1에 도시된 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 패턴 투사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 3은 도 1에 도시된 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법을 나타낸 도면.
본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템의 구성을 나타낸 도면, 도 2는 도 1에 도시된 패턴 투사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도, 도 3은 도 1에 도시된 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템은 패턴 투사 장치(100), 영상 획득 장치(300), 영상 처리 장치(400)를 포함한다.
패턴 투사 장치(100)는 적외선 광원에서 방사되는 빛을 대상 물체(200)에 패턴으로 투사한다. 이러한 패턴 투사 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 적외선 광원(110), 변환부(120), 패턴부(130)를 포함한다.
적외선 광원(110)은 적외선 광을 방사한다. 이러한 적외선 광원(110)은 적외선 레이저 다이오드로 구성될 수 있고, 적외선 레이저 다이오드는 적외선 레이저를 방사한다.
변환부(120)는 적외선 광원(110)에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환한다. 이러한 변환부(120)는 콜리메이팅 렌즈로 구성될 수 있다.
적외선 레이저 다이오드가 적외선 레이저를 방사하고, 그 방사된 적외선 레이저가 콜리메이팅 렌즈를 통과하여 평행광으로 변환됨으로써, 평행광이 패턴부(130)에 수직으로 입사할 수 있다.
패턴부(130)는 변환부(120)에서 변환된 평행광을 특정 패턴을 포함하는 빛으로 변환한다. 이러한 패턴부(130)는 회절 광학 소자로 구성될 수 있고, 회절 광학 소자에 의해 평행광이 단일의 특정 패턴을 나타낼 수 있다. 여기서, 특정 패턴은 에피폴라 라인을 기준으로 서로 상관관계가 없는 랜덤 패턴으로 구성되어 있다. 에피폴라 라인은 패턴 투사 장치(100)와 영상 획득 장치(300)의 수평 방향(서로의 광축을 연결하는 방향)으로 형성되며, 에피폴라 라인 위에 형성되는 패턴은 대상 물체(200)의 거리에 따라 서로 다른 위치에 존재하게 된다. 이에 따라 패턴 투사 장치(100)에서 대상 물체(200)로 빛을 투사한다면, 영상 획득 장치(300)는 대상 물체(200)의 거리에 따라 변형된 패턴을 획득하게 된다.
회절 광학 소자는 회절과 간섭을 이용하여 임의로 광형태(beam shape)를 조절할 수 있는 소자 중 하나로, 빛의 파장 보다 작은 틈을 지날 때 빛이 회절하는 현상을 이용하여 광 형태를 변형시킨다. 또한, 회절 광학 소자는 특정 패턴을 포함하는 빛이 설정 거리에서 초점이 맞도록 특정 패턴을 포함하는 빛의 초점을 조절한다.
영상 획득 장치(300)는 패턴 투사 장치(100)에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득한다. 이러한 영상 획득 장치(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 카메라(310), 결상 렌즈(320), 필터(330)를 포함한다.
카메라(310)는 대상 물체(200)로부터 반사되는 광을 인가받아 대상 물체(200)의 평면영상을 촬영하며, 일례로 CCD 카메라나 CMOS 카메라 중 어느 하나가 채용될 수 있다.
결상렌즈(320)는 카메라(310)의 하부에 배치되어, 대상 물체(200)에서 반사되는 광을 카메라(310)에서 결상시킨다.
필터는 결상렌즈(320)의 하부에 배치되어, 대상 물체(200)에서 반사되는 광을 여과시켜 결상렌즈(320)로 제공한다. 이러한 필터(330)는 적외선 투과 필터로, 패턴 투사 장치(100)에서 사용한 적외선 레이저 다이오드 파장에 따라 적외선 투과 필터의 파장 대역이 결정된다.
영상 처리 장치(400)는 영상 획득 장치(300)를 통해 획득된 패턴을 이용하여 대상 물체(200)의 3차원 영상을 형성한다. 영상 처리 장치(400)는 대상 물체(200)의 외곽 형상에 따라 변형된 투사 패턴을 이용하여 대상 물체(200)의 3차원 영상을 형성할 수 있는 프로그램을 포함한다.
영상 처리 장치(400)는 영상 획득 장치(300)를 통해 획득된 영상에서 패턴 투사 장치(100)를 통해 투사된 패턴을 추출하고, 그 추출된 패턴과 패턴 투사 장치(100)를 통해 투사된 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 측정한다. 이때, 영상 처리 장치(400)는 패턴 투사 장치(100)를 통해 투사된 패턴을 특징 추출 방법을 이용하여 추출할 수 있다. 여기서, 특징 추출 방법은 Harr wavelet을 이용하여 패턴 투사 장치(100)를 통해 투사된 패턴을 추출하는 방법이다. 영상 처리 장치(400)에는 패턴 투사 장치(100)가 투사한 패턴이 저장되어 있으므로, 추출된 패턴과 기 저장된 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 측정할 수 있다.
또한, 영상 처리 장치(400)는 패턴 투사 장치(100)에서 투사한 패턴 조각과 거리에 따라 에피폴라 라인 위에 다른 위치에 있는 패턴 조각 사이의 거리를 계산하여 영상 획득 장치(300)로부터 패턴 조각의 상이 맺힌 거리를 계산한다. 패턴 조각은 투사된 패턴의 일 부분이며, 모든 패턴 영역에 대해 연산한다.
이러한 영상 처리 장치(400)는 영상 획득 장치(300)와 유선 또는 무선 통신을 통해 연결될 수 있다. 영상 처리 장치(400)는 메모리부, 데이터 처리/분석부, 입력/출력부 등을 포함하는 컴퓨터, 네비게이션 장치, 노트북, 이동통신 단말, 스마트폰(Smart phone), PMP(Portable Media Player), PDA(Personal Digital Assistant), 타블렛 PC(Tablet PC), 셋탑박스(Set-top box), 스마트 TV 등 다양한 장치가 될 수 있다.
상기와 같이 구성된 3차원 영상 복원 시스템은 단일 패턴과 적외선 레이저를 사용하여 패턴 투사 장치(100)를 구성함으로써, 빛에 대한 거슬림 없이 빠른 속도로 3차원 영상을 복원할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 패턴 투사 장치(100)는 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환한다(S402). 이때, 패턴 투사 장치(100)는 콜리메이팅 렌즈를 이용하여 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환한다.
그런 후, 패턴 투사 장치(100)는 회절 광학 소자를 이용하여 평행광을 단일 랜덤 패턴으로 형성하고(S404), 형성된 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사한다(S406). 즉, 패턴 투사 장치(100)는 회절 광학 소자의 회절 현상을 이용하여 평행광을 에피폴라 라인 기준으로 서로 상관관계가 없는 단일 랜덤 패턴으로 변형하고, 그 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛이 설정 거리에서 초점이 맞도록 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛의 초점을 조정하여 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사한다.
그러면, 영상 획득 장치(300)는 공간에 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하여(S408) 영상 처리 장치(400)로 전송한다(S410).
영상 처리 장치(400)는 영상 처리 장치(300)에서 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 그 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 거리 정보를 계산한다(S412). 즉, 영상 처리 장치(400)는 영상 획득 장치(300)를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 추출된 단일 랜덤 패턴과 패턴 투사 장치(100)를 통해 투사된 단일 랜덤 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 계산한다.
그런 후, 영상 처리 장치(400)는 계산된 3차원 거리 정보를 기초로 3차원 영상을 복원하게 된다(S414).
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 패턴 투사 장치가 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 단계, (b) 영상 획득 장치가 상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 단계, (c) 영상 처리 장치가 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법이 프로그램으로 기록된 전자장치에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
이러한 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법은 프로그램으로 작성 가능하며, 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법에 관한 프로그램은 전자장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(Readable Media)에 저장되고, 전자장치에 의하여 읽혀지고 실행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 패턴 투사 장치 110 : 적외선 광원
120 : 변환부 130 : 패턴부
200 : 대상물체 300 : 영상 획득 장치
310 : 카메라 320 : 결상 렌즈
330 : 필터 400 : 영상 처리 장치
120 : 변환부 130 : 패턴부
200 : 대상물체 300 : 영상 획득 장치
310 : 카메라 320 : 결상 렌즈
330 : 필터 400 : 영상 처리 장치
Claims (7)
- 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 패턴 투사 장치;
상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 영상 획득 장치; 및
상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 영상 처리 장치;
를 포함하고,
상기 패턴 투사 장치는,
적외선 광을 방사하는 적외선 광원;
상기 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환하는 변환부; 및
회절 광학 소자를 이용하여 상기 평행광을 단일 랜덤 패턴으로 형성하고, 상기 형성된 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사하는 패턴부를 포함하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 변환부는 콜리메이팅 렌즈 형태인 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 영상 처리 장치는 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴과 상기 패턴 투사 장치를 통해 투사된 단일 랜덤 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 계산하며, 상기 계산된 3차원 거리를 기초로 3차원 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 시스템.
- (a) 패턴 투사 장치가 적외선 광원에서 방사되는 빛을 단일 랜덤 패턴으로 투사하는 단계;
(b) 영상 획득 장치가 상기 패턴 투사 장치에서 투사된 단일 랜덤 패턴에 해당하는 영상을 획득하는 단계; 및
(c) 영상 처리 장치가 상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하고, 상기 추출된 단일 랜덤 패턴을 기초로 3차원 영상을 복원하는 단계;
를 포함하고,
상기 (a) 단계는,
상기 적외선 광원에서 방사되는 빛을 평행광으로 변환하는 단계;
회절 광학 소자를 이용하여 상기 평행광을 단일 랜덤 패턴으로 형성하고, 상기 형성된 단일 랜덤 패턴을 포함하는 빛을 투사하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 영상 획득 장치를 통해 획득된 영상에서 단일 랜덤 패턴을 추출하는 단계;
상기 추출된 단일 랜덤 패턴과 상기 패턴 투사 장치를 통해 투사된 단일 랜덤 패턴 간의 삼각 측량을 통해 3차원 거리를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 3차원 거리를 기초로 3차원 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자 기반 3차원 영상 복원 방법.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080056721A (ko) * | 2005-10-11 | 2008-06-23 | 프라임 센스 엘티디. | 물체 복원 방법 및 시스템 |
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2013
- 2013-02-28 KR KR1020130022128A patent/KR101416649B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20080056721A (ko) * | 2005-10-11 | 2008-06-23 | 프라임 센스 엘티디. | 물체 복원 방법 및 시스템 |
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