KR101487251B1 - 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법 - Google Patents

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Abstract

측정하고자 하는 목적물의 거리와 관계없이 목적물의 정확한 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있는 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법이 개시된다. 상기 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법은 측정하고자 하는 목적물의 거리와 관계없이 한층 더 정확한 목적물의 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있으므로 가용 영역을 대폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 마커에 비하여 마커의 크기를 대폭 줄여 제작할 수 있으므로 장비를 소형화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법{OPTICAL TRACKING SYSTEM AND METHOD FOR TRACKING USING THE SAME}
본 발명은 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환부나 수술도구와 같은 목적물에 부착된 마커들의 좌표를 추적하여 목적물의 공간 위치와 방향을 검출하는 옵티컬 트랙킹 시스템과 이를 이용한 트랙킹 방법에 관한 것이다.
최근에는 복강경 수술이나 이비인후과 수술을 할 시 보다 환자의 고통을 덜어주고 보다 빠르게 환자가 회복할 수 있도록 하기 위하여 로봇 수술이 진행되고 있는 실정이다.
이러한, 로봇 수술 시에는 수술의 위험을 최소화하고 보다 정밀한 수술을 진행할 수 있도록 하기 위하여 환부나 수술도구와 같은 목적물의 공간 위치와 방향을 정확히 추적하여 검출한 후 상기 수술도구를 환자의 환부로 정확히 조종(NAVIGATE)할 수 있는 내비게이션이 사용된다.
상기와 같은 수술용 내비게이션에는 상술한 바와 같이 환부나 수술도구와 같은 목적물의 공간 위치와 방향을 정확히 추적하여 검출할 수 있는 트랙킹 시스템이 포함된다.
상기와 같은 트랙킹 시스템은 통상 환부나 수술도구와 같은 목적물에 부착되는 마커들과, 상기 마커들에 의해 방출되는 광을 결상시키는 제1, 2 결상 유닛과, 상기 제1, 2 결상 유닛과 연결되어 상기 마커들의 3차와 좌표를 산출한 후 기 저장된 상기 서로 이웃하는 마커들을 연결하는 직선들의 정보와 서로 이웃하는 한 쌍의 직선이 이루는 각도 정보를 상기 마커들의 3차원 좌표와 비교하여 상기 목적물의 공간 위치와 방향을 산출하는 프로세서를 포함한다.
상기와 같은 종래의 일반적인 트랙킹 시스템은 결상유닛에 결상되는 마커들의 원형상의 직경을 이용하여 상기 프로세서를 통해 마커들과 이격된 거리를 측정한다. 그러나, 상기 결상유닛에 결상된 상기 마커들의 원형상 테두리가 상기 결상유닛 렌즈의 왜곡으로 인하여 불투명함으로써 상기 마커들의 원형상의 직경을 정확하게 측정하는 것이 어렵다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 거리 변화에 따른 상기 마커들의 원형상의 직경의 변화가 미미하여 마커들과 거리 측정 시 식별력이 매우 낮아 마커들의 위치를 정확하게 측정하지 못한다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 측정하고자 하는 목적물의 거리와 관계없이 한층 더 정확한 목적물의 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있는 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템은 적어도 하나의 광원으로부터 조사되는 광을 패턴이 마련된 미러를 통해 반사시켜 평행 출사광 형태로 방출시키는 적어도 하나의 마커와, 상기 마커로부터 방출되는 상기 평행 출사광을 받아들여 상기 패턴의 확대된 이미지를 결상시키는 적어도 하나의 결상유닛 및, 상기 결상유닛에 결상된 패턴의 확대된 이미지와 기 저장된 기준 패턴 이미지를 비교하여 상기 마커의 공간 위치와 방향을 산출하는 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 마커는 상기 미러에 의해 반사되어 평행광 형태로 방출되는 광을 한 번 더 평행 출사광 형태로 변환시켜 방출시킬 수 있도록 상기 미러와 일정간격 이격되도록 배치된 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 마커는 상기 미러에 입사되는 광량을 조절하여 상기 결상유닛에 결상되는 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절할 수 있도록 상기 미러에 설치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 미러는 구면 또는 비구면 형태의 미러일 수 있다.
일예를 들면, 상기 광원은 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다.
일예를 들면, 상기 결상유닛은 상기 마커로부터 방출된 상기 평행 출사광을 렌즈부를 통해 받아 들여 상기 평행 출사광에 의해 확대된 패턴의 이미지를 센서부에 결상시키는 카메라일 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치 및 크기를 기 저장된 기준 패턴 이미지의 기준 위치 및 크기와 비교하여 상기 마커의 공간위치를 산출하고, 상기 확대된 패턴의 영역별 패턴 위치와 패턴의 크기와 기 저장된 패턴부 이미지의 영역별 기준 패턴 위치 및 기준 패턴 크기와 비교하여 상기 마커의 방향을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용한 트랙킹 방법은 광원으로부터 마커를 향해 광을 조사하는 단계와, 상기 광원으로부터 상기 마커를 향해 조사된 광이 패턴 이미지를 확대시켜 결상시킬 수 있도록 상기 마커의 미러에 의해 반사되어 평행 출사광 형태로 방출되는 단계와, 상기 마커로부터 방출된 상기 패턴의 평행 출사광을 결상유닛에 의해 받아들여 확대된 패턴 이미지를 결상시키는 단계 및, 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 이용하여 프로세서를 통해 상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계를 포함한다.
일예를 들면, 상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계는 상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 이용하여 상기 마커가 회전된 각도를 산출하여 상기 마커의 방향을 산출하는 단계 및, 상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지와 상기 마커의 회전된 각도를 이용하여 상기 마커의 공간위치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일예를 들면, 상기 마커의 방향을 산출하는 단계는 상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 영역별 패턴 위치와 패턴의 크기 변화를 측정하는 단계 및, 상기 프로세서에 기 저장된 상기 패턴 이미지의 영역별 기준 패턴 위치 및 기준 패턴 크기와 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 영역별 패턴 위치와 패턴 크기 변화를 비교하여 마커의 회전된 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 마커의 공간위치를 산출하는 단계는 상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치와 크기를 측정하는 단계 및, 상기 프로세서에 기 저장된 상기 패턴 이미지의 기준 위치 및 크기와 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치 및 크기를 상기 프로세서를 통해 비교하여 마커의 공간위치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 트랙킹 방법은, 상기 결상유닛에 확대된 패턴 이미지를 결상시키는 단계와, 상기 프로세서를 통해 상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계 사이에, 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 확인 후 조리개를 작동시켜 상기 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법은 마커로부터 패턴의 평행 출사광을 방출시켜 결상유닛에 확대된 패턴 이미지를 결상시킨 후 이를 이용하여 마커의 공간 위치를 산출한다. 즉, 상기 마커의 위치 정밀도를 결상유닛의 해상력에만 의존하지 않고 패턴의 이미지를 확대시켜 결상유닛에 결상시킴으로써 측정하고자 하는 목적물의 거리가 결상유닛과 멀리 떨어져 있어도 상기 목적물의 공간위치와 방향을 정확도의 감소 없이 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템 및 이를 이용한 트랙킹 방법은 측정하고자 하는 목적물의 거리와 관계없이 목적물의 정확한 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있으므로 가용 영역을 대폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 마커에 비하여 마커의 크기를 대폭 줄여 제작할 수 있으므로 장비를 소형화시킬 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 광원으로부터 조사되어 마커의 미러에 입사되는 광량을 조절하여 상기 미러에 의해 반사되어 상기 결상유닛에 결상되는 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절할 수 있으므로 한층 더 정확한 목적물의 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 마커를 도시한 도면
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물을 트랙킹 하는 과정을 설명하기 위한 흐름도
도 4는 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 과정을 설명하기 위한 흐름도
도 5는 마커의 방향이 산출되는 과정을 설명하기 위한 흐름도
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물의 방향을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 7은 마커의 공간위치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 흐름도
도 8a 내지 도 8d는 마커의 공간위치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템은 환부나 수술도구와 같은 목적물에 적어도 하나의 마커를 부착한 후 상기 마커로부터 방출되는 평행 출사광을 결상유닛을 통해 받아들여 상기 마커에 포함된 패턴부의 확대 이미지를 결상시킨 다음, 상기 패턴부의 확대 이미지를 이용하여 프로세서를 통해 목적물의 공간 위치와 방향을 산출할 수 있도록 하는 것으로서, 그 상세한 구성에 대해서는 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 마커를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템은 적어도 하나의 광원(140), 적어도 하나의 마커(110), 적어도 하나의 결상유닛(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
상기 적어도 하나의 광원(140)은 상기 마커(110)를 향해 광을 조사할 수 있도록 배치된다. 예를 들면, 상기 광원(140)은 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 광원(140)은 상기 마커(110)의 외부에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 적어도 하나의 마커(110)는 상기 광원(140)으로부터 조사되는 광을 반사시켜 평행 출사광 형태로 방출하여 상기 결상유닛(120)에 패턴(111)의 확대된 이미지를 결상시킬 수 있도록 한다.
상기 마커(110)는 미러(113) 및 패턴(111) 등을 포함할 수 있다.
상기 미러(110)는 적어도 하나의 광원(140)으로부터 상기 마커(110)를 향해 조사되는 광을 패턴(111) 측으로 반사시킨 후, 상기 패턴(111)에 의해 반사된 광을 재 반사시켜 상기 적어도 하나의 결상유닛(120) 측으로 평행광 형태로 방출시킨다. 여기서, 상기 미러(113)는 구면 또는 비구면 형태의 미러일 수 있다. 예를 들면, 상기 미러(113)로는 광이 한 점으로 모일 수 있도록 반사시키는 오목 미러를 사용할 수 있다.
상기 패턴(111)은 상기 미러(110)의 초점 거리에 배치되어 상기 미러(110)로부터 반사되어 입사되는 광을 상기 미러(110) 측으로 재 반사시킨다.
한편, 상기 마커(110)는 제1 렌즈(112)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈(112)는 상기 미러(110)와 초점거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(112)는 상기 미러(110)와 상기 제1 렌즈(112)의 초점거리만큼 이격되도록 배치되어 상기 미러(110)에 의해 반사되어 평행 출사광 형태로 방출되는 광을 상기 적어도 하나의 결상유닛(120) 측으로 한 번 더 평행 출사광 형태로 변환시켜 방출시킨다.
한편, 상기 마커(110)는 상기 미러(113)에 설치되는 조리개(114)를 더 포함할 수 있다. 상기 조리개(114)는 상기 광원(140)으로부터 조사되어 상기 미러(113)에 입사되는 광량을 조절하여 상기 결상유닛(120)에 결상되는 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절할 수 있다.
상기 적어도 하나의 결상유닛(120)은 상기 마커(110)로부터 방출되는 상기 평행 출사광을 받아들여 상기 패턴(111)의 확대된 이미지를 결상시킨다.
예를 들면, 상기 결상유닛(120)은 상기 마커(110)로부터 방출된 상기 평행 출사광을 렌즈부(121)를 통해 받아 들여 상기 평행 출사광에 의해 확대된 패턴(111)의 이미지를 센서부(122)에 결상시키는 카메라일 수 있다.
상기 프로세서(130)는 상기 결상유닛(120)에 결상된 상기 패턴(111)의 확대된 이미지와 상기 프로세서(130)에 기 저장된 기준 패턴 이미지를 비교하여 상기 마커(110)의 공간 위치와 방향을 산출한다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 프로세서(130)는 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 위치 및 크기를 기 저장된 기준 패턴 이미지의 기준 위치 및 크기와 비교하여 상기 마커(110)의 공간위치를 산출하고, 상기 확대된 패턴(111)의 영역별 패턴 위치와 패턴(111)의 크기와 기 저장된 패턴 이미지의 영역별 기준 패턴 위치 및 기준 패턴 크기와 비교하여 상기 마커(110)의 방향을 산출하여 상기 마커(110)의 공간 위치와 방향을 산출함으로써 목적물의 공간 위치와 방향을 산출할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물의 공간위치와 방향을 산출하게 되는 과정에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물을 트랙킹 하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물을 트랙킹하기 위해서는, 먼저 광원(140)을 작동시켜 마커(110), 즉 패턴(111)이 마련된 미러(113)를 향해 광을 조사한다(S110).
상기 마커(110)를 향해 조사된 광은 패턴(111) 이미지를 확대시켜 결상시킬 수 있도록 미러(113)의 초점 거리에 패턴(111)이 마련된 마커(110)에 의해 반사되어 평행 출사광 형태로 방출된다(S120).
보다 상세하게 설명하면, 상기 마커(110)를 향해 조사된 광은 상기 미러(113)에 의해 반사되어 패턴(111) 상의 한 점으로 모인 다음, 상기 패턴(111) 및 미러(113)에 의해 다시 반사되어 평행광 형태로 방출되며, 상기 미러(113)에 의해 평행 출사광 형태로 방출된 광은 상기 제1 렌즈(112)를 통해 한 번 더 평행 출사광 형태로 변환되어 방출된다.
상기 마커(110)에 의해 반사되어 방출된 평행 출사광은 결상유닛(120)에 입사되어 확대된 패턴(111) 이미지를 결상시킨다(S130).
상기 확대된 패턴(111) 이미지를 결상시키는 과정(S130)에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 상기 마커(110)에 의해 반사되어 방출된 패턴(111)의 평행 출사광은 결상유닛(120)의 렌즈부(121)를 통과하게 되며, 상기 결상유닛(120)의 렌즈부(121)를 통과한 패턴(111)의 평행 출사광은 센서부(122)에 확대된 패턴(111) 이미지를 결상시키게 된다.
상기 결상유닛(120)에 확대된 패턴(111) 이미지가 결상되면 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지를 확인 후 조리개(114)를 작동시켜 상기 미러(113)에 입사되는 광량을 조절하여 상기 결상유닛(120)에 결상되는 확대된 패턴(111) 이미지의 화각과 해상도를 조절한다(S140).
상기 조리개(114)에 의해 미러(113)에 입사되는 광량이 조절되어 화각과 해상도가 조절된 확대된 패턴(111) 이미지가 상기 결상유닛(120)에 결상되면, 프로세서(130)는 상기 화각과 해상도가 조절된 확대된 패턴(111) 이미지를 이용하여 상기 마커(110)의 공간위치와 방향을 산출한다(S150).
도 4를 참조하여 상기 마커(110)의 공간위치와 방향을 산출하는 과정(S150)에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 상기 프로세서(130)를 통해 상기 마커(110)의 공간 위치와 방향을 산출하기 위해서는, 상기 프로세서(130)를 통해 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지를 이용하여 상기 마커(110)가 회전된 각도를 산출하여 상기 마커(110)의 방향을 산출한다(S151).
상기와 같이 프로세서(130)에 의해 상기 마커(110)의 회전된 각도가 산출되면, 상기 프로세서(130)를 통해 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111)의 이미지와 상기 마커(110)의 회전된 각도를 이용하여 상기 마커(110)의 공간위치를 산출한다(S152).
여기서, 상기 결상유닛(120)의 공간위치 및 방향 정보는 상기 프로세서(130)에 기 저장된다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 마커(110)의 방향을 산출하는 단계(S151)에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5는 마커의 방향이 산출되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템을 이용하여 목적물의 방향을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 마커(110)의 방향을 산출하기 위해서는, 먼저 상기 프로세서(130)를 통해 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 영역별 패턴(111) 위치와 패턴(111)의 크기 변화를 측정한다(S1510).
상기 패턴부(111) 이미지의 영역별 패턴(111) 위치와 패턴(111)의 크기 변화를 측정한 다음에는, 상기 프로세서(130)에 기 저장된 상기 패턴(111) 이미지의 영역별 기준 패턴(111) 위치 및 기준 패턴(111) 크기와 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 영역별 패턴(111) 위치와 패턴(111) 크기 변화를 비교하여 마커(110)의 회전된 각도를 산출함으로써 상기 마커(110)의 방향을 산출하게 된다(S1511).
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 마커(110)가 회전을 하게 되면 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지(I1)의 패턴(111) 위치와 크기도 변하게 됨으로써 상기 프로세서(130)에 기 저장된 상기 패턴 이미지(I2)의 영역별 기준 패턴(111) 위치 및 기준 패턴(111) 크기와 상기 결상유닛(120)에 결상된 패턴 이미지(I1)의 영역별 패턴(111) 위치와 패턴(111) 크기 변화를 비교하게 되면 상기 마커(110)의 회전된 각도를 산출할 수 있으므로 상기 마커(111)의 방향을 산출할 수 있게 된다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 상기 마커의 공간위치를 산출하는 단계(S152)에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 7은 마커의 공간위치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 8a 내지 도 8d는 마커의 공간위치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 8d를 참조하면, 상기 마커(110)의 공간위치를 산출하기 위해서는, 먼저 상기 프로세서(130)를 통해 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 위치와 크기를 측정한다(S1520).
상기 패턴(111) 이미지의 위치와 크기를 측정한 다음에는, 상기 프로세서에 기 저장된 상기 패턴(111) 이미지의 기준 위치 및 크기와 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 위치 및 크기를 상기 프로세서(130)를 통해 비교하여 마커(110)의 공간위치를 산출하게 된다(S1521).
도 8a는 상기 마커(110)가 프로세서(130)에 기 저장된 위치에 존재할 때 상기 패턴부(111)의 이미지가 결상유닛(120)에 결상되는 기준 위치 및 크기를 도시한 것으로서, 도 8b에 도시된 바와 같이 마커(110)와 결상유닛(120) 사이의 이격된 거리(D2)가 기준 거리(D1)보다 짧아질 경우에는 프로세서(130)에 기 저장된 패턴(111) 이미지의 기준 크기(A1) 보다 확대된 패턴(111) 이미지 크기(A2)가 상기 결상유닛(120)에 더 크게 결상된다. 따라서, 상기 패턴(111) 이미지의 기준 크기(A1)와 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 크기(A2)를 프로세서(130)를 통해 비교하여 상기 마커(110)의 공간 위치를 산출할 수 있게 된다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만 마커(110)와 결상유닛(120) 사이의 이격된 거리(D2)가 기준 거리(D1)보다 길어질 경우에는 프로세서(130)에 기 저장된 패턴 이미지의 기준 크기(A1) 보다 확대된 패턴(111) 이미지의 크기(A2)가 상기 결상유닛(120)에 작게 결상된다.
그리고, 도 8c에 도시된 바와 같이 마커(110)가 기준 위치(B1) 아래에 위치할 경우에는 상기 프로세서(130)에 기 저장된 패턴(111) 이미지의 기준 위치(C1 : 도 8a 참조) 보다 상기 확대된 패턴(111) 이미지가 상부에 위치하도록 상기 결상유닛(120)에 결상된다. 따라서, 상기 패턴(111) 이미지의 기준 위치(C1)와 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴(111) 이미지의 위치(C2)를 프로세서(130)를 통해 비교하여 상기 마커(110)의 공간 위치를 산출할 수 있게 된다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만 마커(110)이 기준 위치(B1) 위에 위치할 경우에는 상기 프로세서(130)에 기 저장된 패턴(111) 이미지의 기준 위치(C1) 보다 상기 확대된 패턴(111) 이미지가 하부에 위치하게 상기 결상유닛(120)에 결상된다.
그리고, 상기 마커(110)와 결상유닛(120) 사이의 이격된 거리(D2)가 기준 거리(D1)와 다르고 상기 마커(110)이 기준 위치(B1)에 위치하지 않을 경우에는 상기 프로세서(130)에 기 저장된 상기 패턴 이미지의 기준 위치(C1) 및 크기(A1)와 상기 결상유닛(120)에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치(C2) 및 크기(A2)를 비교하여 마커(110)의 공간 위치를 산출할 수 있다.
한편, 도 8d에 도시된 바와 같이 상기 마커(110)와 결상유닛(120) 사이의 이격된 거리(D2)가 기준 거리(D1)와 동일하고 상기 마커(110)가 기준 위치(B1)에 위치한 상태에서 상기 마커(110)의 방향만 θ만큼 변경되었을 경우에는 상기 결상유닛(120)에 결상되는 확대된 패턴(111) 이미지의 크기(A2)와 위치(C2)가 상기 프로세서(130)에 기 저장된 상기 패턴(111) 이미지의 기준 위치(C1) 및 크기(A1)와 동일하게 산출된다. 따라서, 상기 마커(110)의 방향은 S1511 단계에서 설명한 바와 같이 상기 확대된 패턴(111) 이미지(I1)의 영역별 패턴(111a) 위치와 패턴(111a)의 크기 변화와 프로세서(130)에 기 저장된 패턴 이미지(I2)의 영역별 기준 패턴(111a) 위치 및 기준 패턴(111a) 크기와 비교하여 마커(110)의 회전된 각도를 산출함으로써 상기 마커(110)의 방향을 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템은 마커(110)로부터 패턴(111)의 평행 출사광을 방출시켜 결상유닛(120)에 확대된 패턴(111) 이미지를 결상시킨 후 이를 이용하여 마커(110)의 공간 위치를 산출한다. 즉, 상기 마커(110)의 위치 정밀도를 결상유닛(120)의 해상력에만 의존하지 않고 패턴(111)의 이미지를 확대시켜 결상유닛(120)에 결상시킴으로써 측정하고자 하는 목적물의 거리가 결상유닛(120)과 멀리 떨어져 있어도 상기 목적물의 공간위치와 방향을 정확도의 감소 없이 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 옵티컬 트랙킹 시스템은 측정하고자 하는 목적물의 거리와 관계없이 목적물의 정확한 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있으므로 가용 영역을 대폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 마커에 비하여 마커(110)의 크기를 대폭 줄여 제작할 수 있으므로 장비를 소형화시킬 수 있다.
한편, 광원(140)으로부터 조사되어 마커(110)의 미러(113)에 입사되는 광량을 조절하여 상기 미러(113)에 의해 반사되어 상기 결상유닛(120)에 결상되는 확대된 패턴(111) 이미지의 화각 및 해상도를 조절할 수 있으므로 보다 정확한 목적물의 공간위치와 방향을 검출하여 트랙킹할 수 있는 장점이 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
(110) : 마커 (111) : 패턴
(112) : 제1 렌즈 (113) : 미러
(114) : 조리개 (120) : 결상유닛
(121) : 렌즈부 (122) : 센서부
(130) : 프로세서 (140) : 광원

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 광원으로부터 조사되는 광을 패턴이 마련된 미러를 통해 반사시켜 평행 출사광 형태로 방출시키는 적어도 하나의 마커;
    상기 마커로부터 방출되는 상기 평행 출사광을 받아들여 상기 패턴의 확대된 이미지를 결상시키는 적어도 하나의 결상유닛; 및
    상기 결상유닛에 결상된 패턴의 확대된 이미지와 기 저장된 기준 패턴 이미지를 비교하여 상기 마커의 공간 위치와 방향을 산출하는 프로세서를 포함하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마커는,
    상기 미러에 의해 반사되어 평행광 형태로 방출되는 광을 한 번 더 평행 출사광 형태로 변환시켜 방출시킬 수 있도록 상기 미러와 일정간격 이격되도록 배치된 제1 렌즈를 더 포함하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마커는,
    상기 미러에 입사되는 광량을 조절하여 상기 결상유닛에 결상되는 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절할 수 있도록 상기 미러에 설치되는 조리개를 더 포함하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러는,
    구면 또는 비구면 형태의 미러인 것을 특징으로 하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 LED(Light Emitting Diode)인 것을 특징으로 하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상유닛은,
    상기 마커로부터 방출된 상기 평행 출사광을 렌즈부를 통해 받아 들여 상기 평행 출사광에 의해 확대된 패턴의 이미지를 센서부에 결상시키는 카메라인 것을 특징으로 하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치 및 크기를 기 저장된 기준 패턴 이미지의 기준 위치 및 크기와 비교하여 상기 마커의 공간위치를 산출하고,
    상기 확대된 패턴의 영역별 패턴 위치와 패턴의 크기와 기 저장된 패턴부 이미지의 영역별 기준 패턴 위치 및 기준 패턴 크기와 비교하여 상기 마커의 방향을 산출하는 것을 특징으로 하는 옵티컬 트랙킹 시스템.
  8. 광원으로부터 마커를 향해 광을 조사하는 단계;
    상기 광원으로부터 상기 마커를 향해 조사된 광이 패턴 이미지를 확대시켜 결상시킬 수 있도록 상기 마커의 미러에 의해 반사되어 평행 출사광 형태로 방출되는 단계;
    상기 마커로부터 방출된 상기 패턴의 평행 출사광을 결상유닛에 의해 받아들여 확대된 패턴 이미지를 결상시키는 단계; 및
    상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 이용하여 프로세서를 통해 상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계를 포함하는 트랙킹 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계는,
    상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 이용하여 상기 마커가 회전된 각도를 산출하여 상기 마커의 방향을 산출하는 단계; 및
    상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지와 상기 마커의 회전된 각도를 이용하여 상기 마커의 공간위치를 산출하는 단계를 포함하는 트랙킹 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 마커의 방향을 산출하는 단계는,
    상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 영역별 패턴 위치와 패턴의 크기 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 프로세서에 기 저장된 상기 패턴 이미지의 영역별 기준 패턴 위치 및 기준 패턴 크기와 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 영역별 패턴 위치와 패턴 크기 변화를 비교하여 마커의 회전된 각도를 산출하는 단계를 포함하는 트랙킹 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 마커의 공간위치를 산출하는 단계는,
    상기 프로세서를 통해 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치와 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 프로세서에 기 저장된 상기 패턴 이미지의 기준 위치 및 크기와 상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지의 위치 및 크기를 상기 프로세서를 통해 비교하여 마커의 공간위치를 산출하는 단계를 포함하는 트랙킹 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 결상유닛에 확대된 패턴 이미지를 결상시키는 단계와, 상기 프로세서를 통해 상기 마커의 공간위치와 방향을 산출하는 단계 사이에는,
    상기 결상유닛에 결상된 확대된 패턴 이미지를 확인 후 조리개를 작동시켜 상기 확대된 패턴 이미지의 화각 및 해상도를 조절하는 단계가 더 포함되는 트랙킹 방법.
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