KR101526486B1 - 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 - Google Patents

광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 Download PDF

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Abstract

광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치가 개시된다. 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치는, 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI(Specular Component Included)및 SCE(Specular Component Excluded)를 기초로 객체의 굴절률을 계산하는 제 1 연산부, 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 제 2 연산부; 객체로 송신된 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간을 이용하여 객체의 두께를 측정하는 제 3 연산부, 굴절률, 흡수 계수, 리듀스드 산란 계수 및 두께를 이용하여 객체의 3차원 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정하는 제어부를 포함한다.

Description

광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 {Apparatus for rendering 3D object using optic parameter}
본 발명은 3차원 객체 렌더링 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 객체의 광학적 특성을 기초로 결정되는 광학 파라미터를 이용하여 3차원 객체 렌더링을 수행하는 장치에 관한 것이다.
최근 게임, 영화, 가상 현실 구현, 웹 콘텐츠 제작 등 다양한 응용분야에서 3차원 객체를 실감나게 제작하는 기술에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 객체의 재질을 표현하는 기술은 3차원 객체의 실감도를 결정짓는 핵심적인 요소로서, 다각도에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.
객체의 재질을 표현하기 위한 방법 중 하나로 물리 기반 방법(physical based method)이 존재한다. 물리 기반 방법은 광원과 물체, 또는 물체와 물체 사이에서 일어나는 빛의 전송을 기하학적으로 모델링함으로써 객체의 재질을 표현한다. 물리 기반 방법을 이용한 객체 구현 방법에 대해 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 종래 기술은 객체의 투명도에 따른 재질 특성을 사실적으로 구현하지 못한다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 객체의 광학적 특성을 기초로 결정되는 광학 파라미터를 이용하여 3차원 객체 렌더링을 수행하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI(Specular Component Included)와 SCE(Specular Component Excluded)를 이용하여 상기 객체의 굴절률을 계산하는 제 1 연산부; 광원을 이용하여 생성한 상기 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 상기 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 제 2 연산부; 송신한 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로 수신되는 시간을 이용하여 상기 객체의 두께를 측정하는 제 3 연산부; 및 상기 굴절률, 상기 흡수 계수, 상기 리듀스드 산란 계수 및 상기 두께를 이용하여 상기 객체의 3차원 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정하는 제어부를 포함하는 3차원 객체 렌더링 장치를 제공한다.
광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 제 2 연산부는, 광원에 대한 노출레벨 별로, 상기 객체에 대한 집광점의 영상을 적어도 하나 이상 촬영하는 촬영부; 및 상기 적어도 하나 이상의 집광점의 영상을 HDRI(High Dynamic Range Image)로 병합하는 병합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치를 제공한다.
광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 객체는, 적어도 하나 이상의 물질 계층을 포함하고, 상기 제 3 연산부는, 상기 객체의 두께가 미리 설정된 값 이하이거나 상기 객체가 코팅면을 포함하는 경우 지연선(Delay line)을 갖는 초음파 프로브를 이용하여 상기 에코 신호를 수신함으로써 상기 물질 계층 각각의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치를 제공한다.
광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 객체에 따라 상기 초음파 신호가 감쇠하는 정도에 기초하여 상기 초음파의 주파수를 조절하는 주파수 조절부를 더 포함하고, 상기 제 3 연산부는 상기 조절된 주파수를 갖는 초음파를 이용하여 상기 객체의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 연산부(120)의 세부적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치(100)의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치(100)의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 제 1 연산부(110), 제 2 연산부(120), 제 3 연산부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 3차원 객체 렌더링 장치(100)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 객체의 반사율을 획득할 수 있다. 여기에서, 반사율은 SCI(Specular Component Include) 및 SCE(Specular Component Exclude)를 포함할 수 있다. SCI는 확산반사광과 정반사광이 포함된 반사를 의미하고, SCE는 확산반사광 만이 포함된 반사를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI와 SCE의 차이값을 하기의 수학식에 적용하여 객체의 굴절률을 계산할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00001
상기 수학식은 Schlick의 방정식으로, 여기에서 L은 빛의 입사 벡터, H는 L과 시선 벡터 사이의 하프 벡터,
Figure 112013067020968-pat00002
는 법선 벡터와 일치하는 방향으로 빛이 입사하는 경우의 반사율 및 (프레넬 굴절률)는 SCI와 SCE의 차이를 의미한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 연산부(110)는 분광측색계에서 측정된 객체의 반사율에 대한 정보를 외부장치로부터 수신할 수 있다. 구체적으로 제 1 연산부가 객체의 반사율에 대한 정보를 획득하는 과정은 분광측색계와의 무선 통신을 위한 복수의 인터페이스 및 유선 통신을 위한 다른 유형들의 인터페이스들에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 적외선 통신 인터페이스 및 블루투스 무선 통신 인터페이스와 같은 무선 통신을 위한 복수의 인터페이스들이 제공될 수 있다.
제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 객체의 색상 데이터를 획득할 수도 있다. 제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 측정된 반사율을 기초로 획득한 L*a*b* 값을 획득할 수 있다. 획득된 L*a*b* 값은 RGB(Red Green Blue)로 변환될 수 있다.
제 2 연산부(120)는 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 구체적으로, 제 2 연산부(120)는 광원에 대한 노출레벨 별로, 적어도 하나 이상의 객체에 대한 집광점을 촬영하여, 촬영된 적어도 하나 이상의 영상들을 병합할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 집광점을 노출레벨 별로 촬영한 영상을 병합함으로써 넓은 명암도 영역을 갖는 HDRI(High Dynamic Range Image)를 획득할 수 있다. 일반적으로 카메라는 일부 명암도의 범위에 대해서만 측정이 가능하므로, 광원에 대한 노출시간을 달리하여 서로 다른 범위의 명암도를 갖는 여러 장의 영상을 병합하여 넓은 범위의 명암도를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 HDRI를 분석하여, 흡수계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 구체적으로 제 2 연산부(120)는 HDRI를 분석하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112013067020968-pat00003
값을 측정할 수 있다. 제 2 연산부는 측정된 값들을, x 축에 r, y축에
Figure 112013067020968-pat00004
값을 갖는 2차원 데이터 집합으로 구성할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 2차원 데이터 집합과 분광측색계를 이용하여 획득한
Figure 112013067020968-pat00005
값에 커브피팅 방정식을 적용하여 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 2 연산부(120)는 분광측색계로부터 측정된
Figure 112013067020968-pat00006
값에 하기의 수학식 2를 적용하여
Figure 112013067020968-pat00007
를 구할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00008
상기의 수학식에서
Figure 112013067020968-pat00009
는 빛의 반사율로서, RGB로 나타낼 경우, 3개의 채널로 구분될 수 있다. 따라서 제 1 연산부(110)에서 분광측색계를 이용하여 측정된 RGB의 각 채널 값을
Figure 112013067020968-pat00010
에 대입할 수 있다. 여기에서 A는 제 1 연산부(110)에서 측정한
Figure 112013067020968-pat00011
(프레넬 굴절률)을 하기의 수학식 3에 적용하여 구할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00012
수학식 3에서 계산한 A와 분광측색계를 이용하여 측정한
Figure 112013067020968-pat00013
을 상기의 수학식 2에 적용함으로써
Figure 112013067020968-pat00014
를 구할 수 있다. 여기에서
Figure 112013067020968-pat00015
는 하기의 수학식 4를 기초로 흡수 계수(
Figure 112013067020968-pat00016
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112013067020968-pat00017
)를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00018
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 연산부는 상기 수학식 4와 BSSRDF(Bidirectional Scattering Surface Reflectance Distribution Function) 방정식을 이용하여 흡수 계수(
Figure 112013067020968-pat00019
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112013067020968-pat00020
)를 계산할 수 있다. BSSRDF 방정식은 하기의 수학식 5와 같다.
수학식 4와 수학식 5를 병합하면 r에 대한
Figure 112013067020968-pat00022
의 방정식을
Figure 112013067020968-pat00023
에 의한 값으로 표현할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 r에 대한
Figure 112013067020968-pat00024
의 방정식과 2차원 데이터 집합 상의 r에 대한
Figure 112013067020968-pat00025
값에 커브 피팅 방정식을 적용하여 흡수 계수(
Figure 112013067020968-pat00026
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112013067020968-pat00027
)를 계산할 수 있다.
여기에서 커브 피팅은 함수 값과 데이터 값 사이의 오차의 제곱들의 합을 최소화하는 방식이다. 함수 값과 데이터 값 사이의 오차의 제곱의 합을 줄이기 위해 함수에 있는 파라미터 값 개선을 반복하여 오차의 제곱들의 합이 최소가 되는 흡수 계수(
Figure 112013067020968-pat00028
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112013067020968-pat00029
)를 계산할 수 있다.
제 3 연산부(130)는 객체로 송신된 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간을 이용하여 객체의 두께를 측정할 수 있다. 구체적으로 객체 내부로 송신한 초음파 신호가 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간 t를 측정한 후, 초음파의 진행속도 c를 이용하여 거리를 계산할 수 있다.
한편, 객체가 복수개의 물질로 구성된 경우에는 첫번째 물질과 두번째 물질 사이에서 반사되지 않고 투과된 초음파 신호가 두번째 물질과 세번째 물질 사이에서 반사될 수 있다. 물질 사이의 경계면에서 반사되는 신호를 이용하여 객체를 구성하는 물질 별 두께를 측정할 수 있다.
한편, 객체의 두께가 미리 설정된 값 이하이거나 객체가 코팅면을 포함하는 경우 지연선(delay line)을 갖는 초음파 프로브를 이용하여 에코 신호를 수신할 수 있다. 객체의 두께가 얇거나, 객체의 표면이 코팅된 경우, 객체의 반사면에서 발생하는 에코 신호가 탐촉 초기에 발생한 데드존 내부에 있으면 데이터를 획득할 수 없다. 그러므로, 초음파 신호를 측정하는 초음파 프로브에 지연선(delay line)을 두어 데드존을 무시하는 방법을 사용할 수 있다.
제어부(140)는 제 1 연산부(110)에서 계산한 객체의 굴절률, 제 2 연산부(120)에서 계산한 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수 및 제 3 연산부에서 계산한 객체의 두께를 이용하여 객체의 3차원 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정할 수 있다.
렌더링 모델에 의해서 결정되는 물체의 색상은 물체에 도달한 빛의 경면 반사와 확산 반사로 구성될 수 있다. 여기에서 경면 반사는 물체 속으로 들어가지 않고 표면에서 반사되는 빛으로, 특수한 경우를 제외하고는 색상이 광원의 색상과 동일하다. 확산 반사는 물체 속으로 들어간 빛이 흡수와 산란을 거쳐 되돌아 나오는 각 파장 별 빛의 세기이다. 최종적으로 인식되는 색은 경면 반사와 확산 반사의 색상이 결합되어 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터는 객체 고유의 색상(이하,
Figure 112013067020968-pat00030
), 제 1 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00031
), 제 2 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00032
) 및 경면광(이하,
Figure 112013067020968-pat00033
)를 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 확산광은 객체 표면의 확산광을 의미하고, 제 2 확산광은 반투명한 객체를 표현하기 위한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 객체의 렌더링은 하기의 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00034
상기의 수학식 6에서
Figure 112013067020968-pat00035
은 3D 객체의 렌더링에 사용되는 최종적인 빛의 색상이다.
Figure 112013067020968-pat00036
하기의 수학식 7을 기초로 빛의 입사 벡터 L과 표면의 법선 벡터 N의 내적한 값에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00037
제어부(140)는 각도 센서 및 방향 센서 등을 이용하여 빛의 입사 벡터 L과 법선 벡터 N을 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(140)측정된 입사 벡터 L과 법선 벡터 N이 이루는 각을 측정하여, 객체의 제 1 확산광을 측정할 수 있다.
상기의 수학식 7에 따르면, 객체에서 광원과 가까울수록 평균적으로 법선 벡터와 입사 벡터의 차이가 적어, 반사되는 빛이 증가하고, 멀어질수록 법선 벡터와 입사 벡터의 차이가 커져 반사되는 빛이 감소한다. 그러므로 객체의 반투명한 재질을 표현하기 위해 사용한
Figure 112013067020968-pat00038
는 하기의 수학식 8에 의해 결정될 수 있다. 하기의 수학식 8에서, d는 광원과 객체 간의 거리를 의미한다.
Figure 112013067020968-pat00039
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(140)는 제 3 연산부(130)에 포함된 초음파 장치를 이용하여 광원과 객체 간의 거리를 계산할 수 있다. 한편, 제 3 연산부(130)는 객체가 복수개의 물질로 구성된 경우, 초음파 신호를 이용하여 객체를 구성하고 있는 물질 별로 두께를 측정하여 제 2 확산광을 측정할 수 있다. 또한, 제 3 연산부(130)는 불투명한 객체에 따라, 객체 내에 미리 설정된 지점들에 대해 거리에 따른 확산광(
Figure 112013067020968-pat00040
)를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수학식 6에서의 S는 Ward의 BRDF(Bidirectional Reflection Distribution Function)의 경면광을 포함할 수 있다. Ward의 BRDF의 경면광은 하기의 수학식 9에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00041
상기 수학식 9에서, L은 객체의 최종적인 반사율,
Figure 112013067020968-pat00042
는 객체 표면의 확산계수,
Figure 112013067020968-pat00043
는 경면반사 계수,
Figure 112013067020968-pat00044
는 x방향 표면 경사의 표준편차,
Figure 112013067020968-pat00045
는 y 방향 표면 경사의 표준 편차,
Figure 112013067020968-pat00046
는 입사되는 빛의 앙각,
Figure 112013067020968-pat00047
은 반사되는 빛의 앙각,
Figure 112013067020968-pat00048
는 법선 벡터 N과 하프벡터 H 사이의 각이고,
Figure 112013067020968-pat00049
는 접점의 표면으로 투영되는 하프 벡터의 방위각을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른
Figure 112013067020968-pat00050
을 계산하는 방법에 대해서는 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 연산부(120)의 세부적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참고하면, 제 2 연산부(120)는 촬영부(122) 및 병합부(124)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 촬영부(122)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
촬영부(122)는 객체의 집광점을 촬영할 수 있다. 구체적으로 촬영부(122)는 광원에 대한 노출레벨 별로 집광점에 대한 영상을 촬영할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 광원에 대한 노출레벨을 조절하는 방법으로 카메라의 셔터스피드를 조절할 수 있다. 카메라의 셔터스피드를 조절하는 경우에는 조리개와 ISO(International Organization for Standarzation) 수치를 고정하여 노출레벨을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촬영부(122)는 렌즈의 지름을 조절하여 광원을 집광시킬 수 있다. 렌즈의 지름은 촬영 환경에 따라 사용자가 설정할 수 있다. 예를 들어 집광되는 빛의 지름이 미리 설정된 값을 초과하는 경우, 촬영부(122)는 렌즈의 지름을 조절하여 집광되는 빛의 지름이 미리 설정된 값 이하로 줄어들도록 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영부(122)는 광원의 종류에 따라 집광되는 빛의 지름을 조절할 수 있도록 피드백 센서를 포함할 수 있다. 광원의 종류는 실험에 따라 변경될 수 있다. 촬영부(122)는 광원 별로 렌즈를 변경하는 번거로움을 줄일 수 있도록 내부에 장착되어 있는 피드백 센서를 이용하여 광원의 높이 또는 렌즈의 지름을 조절할 수 있다.
병합부(124)는 촬영부(122)에서 촬영된 적어도 하나 이상의 집광점에 대한 영상들을 병합할 수 있다. 일반적으로 카메라는 일부 명암도의 범위에 대해서만 측정이 가능하다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에 따른 병합부(124)는 광원에 대한 노출시간을 달리하여 촬영된 서로 다른 범위의 명암도를 갖는 여러 장의 영상을 병합함으로써, 넓은 명암도 영역을 갖는 HDRI 영상을 획득할 수 있다.
병합부(124)에서 획득한 HDRI는 흡수계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 데 이용될 수 있다. 구체적으로 병합부(124)는 HDRI를 분석하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112013067020968-pat00051
값을 측정할 수 있다. 병합부(124)는 측정된 값들을, x 축에 r, y축에
Figure 112013067020968-pat00052
값을 갖는 2차원 데이터 집합으로 구성할 수 있다.
병합부(124)는 제 1 연산부(110)로부터 분광측색계를 이용하여 획득한
Figure 112013067020968-pat00053
값을 수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 병합부(124)는 커브피팅 방정식을 적용하여 2차원 데이터 집합 및
Figure 112013067020968-pat00054
값을 기초로 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00055
값은 도 1의 수학식 5를 기초로 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치(100)의 블록도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 제 1 연산부(110), 제 2 연산부(120), 제 3 연산부(130), 제어부(140) 및 주파수 조절부(150)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI와 SCE를 이용하여 객체의 굴절률을 계산할 수 있다. 여기에서, 반사율은 SCI 및 SCE를 포함할 수 있다. SCI는 확산반사광과 정반사광이 포함된 반사를 의미하고, SCE는 확산반사광 만이 포함된 반사를 의미한다.
또한, 제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 객체의 색상 데이터를 획득할 수 있다. 구체적으로 재 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 객체의 반사율을 측정하고, 측정된 반사율을 기초로 획득한 L*a*b* 값을 획득할 수 있다. 획득된 L*a*b* 값은 RGB(Red Green Blue)로 변환할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 구체적으로, 제 2 연산부(120)는 광원에 대한 노출레벨 별로 촬영한 복수의 영상을 병합하여 HDRI를 구성할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 HDRI에 대해 촬영된 적어도 하나 이상의 영상들을 병합할 수 있다. 제 2 연산부(120)는 HDRI를 이용하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112013067020968-pat00056
값을 측정하고, 측정된 값과 제 1 연산부(110)로부터 수신한
Figure 112013067020968-pat00057
값을 기초로 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다.
제 3 연산부(130)는 객체로 송신된 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간을 이용하여 객체의 두께를 측정할 수 있다. 한편, 객체가 복수개의 물질로 구성된 경우 복수개의 물질들의 경계면으로부터 에코 신호가 수신될 수 있다. 예를 들어, 첫번째 물질과 두번째 물질 사이에서 반사되지 않고 투과된 초음파 신호가 두번째 물질과 세번째 물질 사이에서 반사될 수 있다. 제 3 연산부(130)는 복수의 물질 각각의 경계면에서 반사되는 신호를 이용하여 객체를 구성하는 물질 별 두께를 측정할 수 있다.
주파수 조절부(150)는 제 3 연산부(130)에서 사용되는 초음파 신호의 감쇠 정도에 기초하여 초음파 신호의 주파수를 조절할 수 있다. 초음파 신호의 주파수가 증가하면 리듀스드 산란 계수와 흡수 계수가 증가한다. 반면에 초음파 신호의 주파수가 감소하면 리듀스드 산란 계수와 흡수 계수가 감소된다. 즉, 초음파의 주파수가 높아질수록 초음파 신호의 감쇠 정도가 증가하게 된다.
초음파 신호의 감쇠 정도가 증가하게 되면 객체의 두께를 측정하는데 어려움이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 주파수 조절부(150)를 이용하여 초음파 신호의 감쇠 정도에 따라 객체의 두께를 측정하는 데 사용되는 초음파 신호의 주파수를 변경할 수 있다.
예를 들어, 미리 설정된 값이 10MHz인 초음파 신호를 사용하여, 객체의 두께를 측정한다고 가정해 볼 수 있다. 10MHz의 초음파 신호를 객체에 송신한 결과 초음파 신호의 감쇠 정도가 미리 설정한 범위를 벗어나는 경우, 사용자는 주파수 조절부(150)를 이용하여 초음파 신호의 주파수를 10MHz 미만으로 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주파수 조절부(150)는 초음파 신호의 감쇠 정도를 용이하게 분석하기 위해 신호의 세기를 감지할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 주파수 조절부(150)는 내부의 센서를 이용하여 제 3 연산부(130)에서 송신한 초음파 신호가 감소되는 정도를 측정할 수 있다. 주파수 조절부(150)에서 측정한 에코 신호의 세기가 미리 설정된 값 이하일 경우, 주파수 조절부(150)는 제 3 연산부(130)에 초음파 신호의 주파수를 감소시키기 위한 신호를 송신할 수 있다.
제 3 연산부(130)는 주파수 조절부(150)로부터 수신한 신호에 따라 초음파 신호의 주파수를 낮게 조절할 수 있다. 제 3 연산부(130)로부터 조절된 주파수의 초음파 신호를 송신하여 수신한 에코 신호의 세기를 주파수 조절부(150)에서 측정할 수 있다. 주파수 조절부(150)에서 에코 신호의 세기를 측정한 결과, 신호의 세기가 미리 설정된 값 이하일 경우에는, 주파수 조절부(150)에서 제 3 연산부(130)에 다시 한 번 초음파 신호의 주파수를 감소시키기 위한 신호를 송신할 수 있다.
이러한 일련의 과정을 반복함으로써, 객체의 두께를 측정하기에 적합한 초음파 신호의 주파수 값을 결정할 수 있다.
제어부(140)는 굴절률, 흡수 계수, 산란 계수 및 두께를 이용하여 객체의 3차원 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터는 객체 고유의 색상(이하,
Figure 112013067020968-pat00058
), 제 1 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00059
), 제 2 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00060
) 및 경면광(이하,
Figure 112013067020968-pat00061
)를 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 확산광은 객체 표면의 확산광을 의미하고, 제 2 확산광은 반투명한 객체를 표현하기 위한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 객체의 렌더링은 도 1에서 설명한 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 도 4의 (a)는 객체에서 산란된 빛을 도시한 도면이다. 객체의 색상은 빛이 각 파장 별로 객체 고유의 흡수 계수, 리듀스드 산란 계수 및 두께 등에 따라 되돌아 나오는 파장의 세기에 의해 결정된다. 그러므로 객체 속에서 빛이 확산되어 나오는 양을 분석함으로써, 객체의 색을 재현할 수 있다.
객체 속으로 들어간 빛의 거리에 따른 투과율과 반사율은 하기의 수학식 10에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00062
상기의 수학식 10에서
Figure 112013067020968-pat00063
은 위치
Figure 112013067020968-pat00064
에 방향
Figure 112013067020968-pat00065
로 들어온 빛의 세기,
Figure 112013067020968-pat00066
는 감쇠 계수로 흡수 계수(
Figure 112013067020968-pat00067
)와 산란 계수(
Figure 112013067020968-pat00068
)의 합에 의해 결정되는 값이다.
Figure 112013067020968-pat00069
는 위상 함수로 산란 방향
Figure 112013067020968-pat00070
에 따른 세기를 정의한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 빛이 객체 속에서 감소되는 원인을 흡수와 후방 산란으로 가정하여 수학식 10을 근사하였다. 이에 따라 거리에 따른 투과율 T는 하기의 수학식 11을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00071
도 4의 (a)를 참고하면, 수학식 11에서의 P(g)는 위상 함수를 후방에 대해 적분하여 얻은 객체의 후방 산란율이다. 여기에서 거리 d의 범위는 0<d<
Figure 112013067020968-pat00072
이다.
Figure 112013067020968-pat00073
는 물체의 아래 경계에서 반사되는 양으로 도 4의 (b)에 도시되어 있다.
도 4의 (a)와 (b)를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수학식 6의 3차원 객체 렌더링 알고리즘에 대해 설명하도록 한다. 수학식 6에서
Figure 112013067020968-pat00074
은 물체의 고유의 색상으로 하기의 수학식 12에 의해 결정된다.
Figure 112013067020968-pat00075
여기에서
Figure 112013067020968-pat00076
는 객체의 위 경계에서 반사되는 빛의 양으로 도 4의 (b)에 도시되어 있다. 도 4의 (b)에서 R1과 R2는 객체 속에서 흡수와 산란을 거쳐 되돌아 나오는 반사율이고,
Figure 112013067020968-pat00077
은 아래 경계의 반사에 의한 반사율이다. 이는 각각 수학식 12에서 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에 해당된다. 객체의 표면에서의 반사율 R과 투과율은 BRDF 모델에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수학식 12를 이용하여 계산한 값을
Figure 112013067020968-pat00078
으로 적용하여 수학식 6을 기초로 3차원 객체의 렌더링을 수행할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 최종적인 객체의 렌더링 값은 하기의 수학식 13에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112013067020968-pat00079
상기의 수학식 13에서,
Figure 112013067020968-pat00080
는 반투명한 강도,
Figure 112013067020968-pat00081
는 경면광의 색상을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면
Figure 112013067020968-pat00082
,
Figure 112013067020968-pat00083
,
Figure 112013067020968-pat00084
및
Figure 112013067020968-pat00085
는 실험을 통해서 최적화 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 510에서, 제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI와 SCE를 이용하여 객체의 굴절률을 계산할 수 있다. 여기에서, 반사율은 SCI 및 SCE를 포함할 수 있다. SCI는 확산반사광과 정반사광이 포함된 반사를 의미하고, SCE는 확산반사광 만이 포함된 반사를 의미한다.
단계 520에서, 제 2 연산부(120)는 광원을 이용하여 생성한 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 구체적으로, 제 2 연산부(120)는 광원에 대한 노출레벨 별로 촬영한 복수의 영상을 병합하여 HDRI를 구성할 수 있다.
제 2 연산부(120)는 HDRI에 대해 촬영된 적어도 하나 이상의 영상들을 병합할 수 있다. 제 2 연산부(120)는 HDRI를 이용하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112013067020968-pat00086
값을 측정하고, 측정된 값과 제 1 연산부(110)로부터 수신한
Figure 112013067020968-pat00087
값을 기초로 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다.
단계 530에서, 제 3 연산부(130)는 객체로 송신된 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간을 이용하여 객체의 두께를 측정할 수 있다. 한편, 객체가 복수개의 물질로 구성된 경우에는 복수개의 물질들의 경계면으로부터 에코 신호가 수신될 수 있다. 예를 들어 첫번째 물질과 두번째 물질 사이에서 반사되지 않고 투과된 초음파 신호가 두번째 물질과 세번째 물질 사이에서 반사될 수 있다. 제 3 연산부(130)는 복수의 물질 각각의 경계면에서 반사되는 신호를 이용하여 객체를 구성하는 물질 별 두께를 측정할 수 있다.
단계 540에서, 제어부(140)는 단계 510, 520, 530에서 계산한 굴절률, 흡수 계수, 산란 계수 및 두께를 이용하여 객체의 3차원 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터는 객체 고유의 색상(이하,
Figure 112013067020968-pat00088
), 제 1 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00089
), 제 2 확산광(이하,
Figure 112013067020968-pat00090
) 및 경면광(이하,
Figure 112013067020968-pat00091
)를 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 확산광은 객체 표면의 확산광을 의미하고, 제 2 확산광은 반투명한 객체를 표현하기 위한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 객체의 렌더링은 도 1에서 설명한 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 본 발명에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 본 발명에 병합될 수 있다.
본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 3차원 객체 렌더링 장치
110: 제 1 연산부
120: 제 2 연산부
130: 제 3 연산부
140: 제어부

Claims (4)

  1. 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서,
    분광측색계를 이용하여 획득한 SCI(Specular Component Included) 및 SCE(Specular Component Excluded)를 기초로 소정의 객체의 굴절률을 계산하는 제 1 연산부;
    상기 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 상기 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 제 2 연산부;
    상기 객체로 송신된 초음파 신호가 상기 객체로부터 반사된 에코 신호의 수신 시간을 이용하여 상기 객체의 두께를 측정하는 제 3 연산부; 및
    상기 굴절률, 상기 흡수 계수, 상기 리듀스드 산란 계수 및 상기 두께를 이용하여 상기 객체의 렌더링을 수행하기 위한 파라미터를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제 2 연산부는,
    광원에 대한 노출레벨 별로, 상기 객체에 대한 집광점의 영상을 적어도 하나 이상 촬영하는 촬영부; 및
    상기 적어도 하나 이상의 집광점의 영상을 HDRI(High Dynamic Range Image)로 병합하는 병합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 객체는,
    적어도 하나 이상의 물질 계층을 포함하고,
    상기 제 3 연산부는, 상기 객체의 두께가 미리 설정된 값 이하이거나 상기 객체가 코팅면을 포함하는 경우 지연선(Delay line)을 갖는 초음파 프로브를 이용하여 상기 에코 신호를 수신함으로써 상기 적어도 하나 이상의 물질 계층 각각의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 신호가 감쇠되는 정도에 기초하여 상기 초음파의 주파수를 조절하는 주파수 조절부를 더 포함하고, 상기 제 3 연산부는 상기 조절된 주파수를 갖는 초음파를 이용하여 상기 객체의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 렌더링 장치.
KR1020130087500A 2013-07-24 2013-07-24 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 KR101526486B1 (ko)

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