KR101604541B1 - 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법 - Google Patents

복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법은 본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법은 복수 파장 대역의 광을 이용하여 피사체의 영상을 획득하는 제1단계, 상기 제1단계에서 획득된 영상에 대하여 상기 광의 파장 대역별 반사율 특성을 구하는 제2단계, 상기 파장 대역별 반사율 특성을 이용하여 상기 획득된 영상에 대한 광 반사율 정보인 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 구하는 제3단계, 및 미리 저장된 색좌표와 상기 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계에 상기 제3단계에서 구한 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 적용하여 상기 피사체의 색좌표를 구하고, 상기 구해진 색좌표를 이용하여 피사체의 컬러를 재현하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법{Apparatus and Method for Reproduction of Color Image using Light of multi-wavelength}
본 발명은 가시광선이 불충분하거나 존재하지 않는 암흑 상태에서 촬영된 피사체의 영상을 가시광선 상태에서의 실제 컬러로 재현하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 색상들이 고유적으로 가지는 광의 파장에 따른 반사율 특성을 이용하여 복수 파장 대역의 광에 대한 피사체의 반사율 정보로부터 상기 피사체의 영상을 가시광선 상태의 실제 컬러로 재현하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법에 관한 것이다.
일반적으로 널리 사용되고 있는 디지털카메라 등의 촬상장치는 가시광선에 반응하는 인체의 원추세포와 유사한 세 종류의 센서를 이용하여 피사체의 컬러 영상을 촬영하는 방식이기 때문에, 가시광선이 충분하지 않거나 존재하지 않는 암흑 상태에서는 피사체의 바람직한 영상을 획득할 수 없다는 단점이 있었다.
이러한 단점으로 인하여 상술한 바와 같이 가시광선이 불충분하거나 존재하지 않는 상태에서는 가시광선보다 파장이 긴 적외선에 반응하는 센서를 이용하여 피사체에서 방사되거나 반사되는 적외선의 강도 분포에 의해 피사체의 영상을 획득하는 적외선 촬상장치가 주로 이용되었는데, 이 경우 피사체의 영상이 회색과 같은 단색의 밝기 단계로 나타나기 때문에 가시광선 상태에서의 실제 피사체의 컬러를 확인할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 하기 [문헌 1]에 개시된 바와 같이 가시광선이 존재하지 않는 암흑 상태에서 피사체로부터 방사되거나 반사된 적외선만으로 가시광선 상태에서의 실제 피사체의 컬러 영상을 재현하기 위한 장치 및 방법에 관한 발명이 개발되었다.
그러나, 하기 [문헌 1]에 따른 방식의 경우 피사체에 조사되는 적외선의 파장에 따라 획득된 영상을 각각 R영역, G영역, 및 B영역의 영상으로 임의로 설정한 후 적정한 비례계수를 적용하여 이들 단색 영상을 단순히 가법혼색에 의해 피사체의 컬러 영상으로 합성하는 방식이기 때문에 종래의 단색 적외선 영상과 대비할 때 피사체의 영상에 어느 정도의 컬러를 부여할 수는 있으나, 다양한 색상들이 고유적으로 가지는 광의 파장에 따른 반사율 특성을 전혀 고려하지 않은 것이기 때문에 합성된 피사체의 영상이 가시광선 상태에서의 실제 피사체의 컬러 영상과 무관하거나 크게 차이가 나는 문제점이 있었다.
[문헌 1] 한국등록특허 제1381018호(2014. 4. 4. 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 색상들이 고유적으로 가지는 광의 파장에 따른 반사율 특성을 이용하여 복수 파장 대역의 광에 대한 피사체의 반사율 정보로부터 상기 피사체의 영상을 가시광선 상태의 실제 컬러로 재현함으로써 가시광선이 불충분하거나 존재하지 않는 암흑 상태에서 촬영된 피사체의 영상을 가시광선 상태에서의 실제 컬러로 재현할 수 있는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법은 복수 파장 대역의 광을 이용하여 피사체의 영상을 획득하는 제1단계, 상기 제1단계에서 획득된 영상에 대하여 상기 광의 파장 대역별 반사율 특성을 구하는 제2단계, 상기 파장 대역별 반사율 특성을 이용하여 상기 획득된 영상에 대한 광 반사율 정보인 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 구하는 제3단계, 및 미리 저장된 색좌표와 상기 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계에 상기 제3단계에서 구한 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 적용하여 상기 피사체의 색좌표를 구하고, 상기 구해진 색좌표를 이용하여 피사체의 컬러를 재현하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사율 특성은 반사율 강도(I)이고, 상기 반사율 좌표(Lc,ac,bc)에서 Lc는 상기 파장 대역별 반사율 강도(I)의 합으로 구해지고, 상기 ac와 bc는 각각 서로 다른 파장 대역별 반사율 강도(I) 사이의 차이로 구해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계 내지 제4단계는 피사체의 영상에 대하여 미리 정해진 크기의 화소별로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계는, (a) 색좌표를 알고 있는 적어도 하나의 기준 컬러에 대하여 복수 파장 대역의 광에 대한 반사율 강도(I)를 구하는 단계, (b) 상기 (a)단계에서 구한 파장 대역별 반사율 강도(I)를 이용하여 상기 적어도 하나의 기준 컬러에 대한 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 구하는 단계, 및 (c) 상기 적어도 하나의 기준 컬러 각각에 대한 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 이용하여 상기 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계를 구하는 단계에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광은 중심 파장이 700 내지 900nm인 근적외선인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 색좌표는 CIE 색좌표 또는 RGB 색좌표인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사율 특성은 반사율 강도(I)이고, 상기 제2단계는, (a) 상기 제1단계에서 영상 촬영장치가 피사체의 영상을 획득하는 과정에서 감지한 반사광의 세기를 디지털값으로 변환하는 단계와, (b) 상기 변환된 디지털값에 대하여 상기 영상 촬영장치의 감마 특성을 보정하는 역감마 보정을 수행하여 상기 광의 파장 대역별 반사율 강도(I)를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치는 피사체에 복수 파장 대역의 광을 투사하는 광원부, 상기 광이 투사되는 상태에서 상기 피사체에 대한 광의 파장 대역별 영상을 획득하는 촬영부, 및 상기 획득된 광의 파장 대역별 영상을 이용하여 상기 피사체의 컬러를 재현하는 컬러 영상 재현부를 포함하되, 상기 컬러 영상 재현부는 상술한 방법 중 어느 하나의 방법에 의하여 피사체의 컬러를 재현하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치 및 컬러 영상 재현방법은 다양한 색상들이 고유적으로 가지는 광의 파장에 따른 반사율 특성을 이용하여 복수 파장 대역의 광에 대한 피사체의 반사율 정보로부터 상기 피사체의 영상을 가시광선 상태의 실제 컬러로 재현하는 방식이기 때문에 종래 기술과 대비할 때 실제 컬러의 구현이 매우 정확한 수준으로 이루어지는 장점이 있다.
도1은 각 컬러별로 측정된 광의 파장에 따른 반사율을 나타낸 그래프,
도2는 본 발명에 따른 컬러 영상 재현방법을 설명하기 위한 순서도,
도3은 본 발명에서 적용한 기준 컬러에 대한 색견본표를 나타낸 도면,
도4a와 도4b는 각각 기준 컬러에 대한 광 반사율 특성을 광의 파장에 따라 나타낸 도면,
도5는 본 발명에서 임의 컬러에 대한 반사율 좌표를 연산하는 방법을 설명한 도면,
도6a 내지 도6c는 시뮬레이션으로 얻은 도3의 색견본표에 대한 복수 파장 대역의 영상을 본 발명에 따라 컬러 영상으로 재현한 결과를 나타낸 도면,
도7a 내지 도7c는 실제 촬영된 도3의 색견본표에 대한 근적외선 영상을 본 발명에 따라 컬러 영상으로 재현한 결과를 나타낸 도면,
도8은 종래 기술에 따른 컬러 영상 재현결과를 나타낸 도면, 및
도9는 본 발명에 따른 컬러 영상 재현방법을 적용한 컬러 영상 재현장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위 전체에서 '광(光)'이라 함은 모든 파장 대역의 광을 모두 포함하는 것으로서, 이는 자외선, 가시광선, 적외선 등을 모두 포함하는 개념이다.
일반적으로 각각의 컬러(color, 색상)들은 조사되는 광의 파장에 따라 자신만의 고유한 반사율 특성을 나타내는데, 도1에서는 일예로서 4종류의 대표적인 컬러(레드, 그린, 옐로우, 블루)에 대하여 300 내지 2000 nm 파장의 광에 대한 반사율 곡선을 나타내었다.
이러한 광 반사율 특성은 컬러마다 달라지는데, 이는 각 컬러가 고유한 파장범위의 광을 흡수하고 나머지 파장범위의 광은 반사하기 때문에 나타나는 현상이며, 도1에 도시된 바와 같이 가시광선의 파장 대역인 300 내지 700 nm의 범위에서는 각 컬러별로 반사율 그래프의 경사도가 명확한 차이를 나타내지만 적외선 파장 대역으로 갈수록 이러한 차이가 급격히 감소하는 특성을 나타낸다.
본 발명은 이와 같이 다양한 색상들이 고유적으로 가지는 광의 파장에 따른 반사율 특성을 이용하여 피사체의 영상을 실제 가시광선 상태의 컬러로 재현하는 것을 특징으로 한다.
또한, 후술하는 실시예에서는 일예로서 본 발명이 컬러에 따른 광 반사율 특성의 차이가 어느 정도 유지되는 700 내지 900nm 파장 대역의 근적외선에 대한 광 반사율 특성을 이용하는 것에 대하여 설명하나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 상기 근적외선의 전후 파장 대역의 광(일예로서, 파장 대역이 500 내지 800nm 또는 700 내지 1000nm인 광, 가시광선, 근자외선 등)을 이용하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명에 따른 컬러 영상 재현방법을 도2에 도시한 순서도에 따라 각 단계별로 구분하여 설명하기로 한다.
( S10 단계 : 기준 컬러에 대한 근적외선 영상 획득 단계)
먼저, 본 발명에서는 S10 단계에서 미리 정해진 기준 컬러에 대하여 근적외선 영상을 획득하게 된다.
이때, 상기 기준 컬러는 필요에 따라 하나의 컬러 또는 복수의 컬러(12색, 24색, 48색 등)로 구성될 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 영상 산업분야에서 가시광선 카메라 컬러 보정용으로 널리 사용되고 있는 도3에 도시한 맥베스 컬러체커(Macbeth color checker)의 24색을 기준 컬러로 사용하였다.
참고로, 상기 기준 컬러 24색 각각의 400 내지 900nm 파장 대역의 광에 대한 반사율 특성을 측정해 보면 도4a와 같이 나타나는데, 특히 700 내지 900nm 파장 대역의 근적외선에 대한 상기 기준 컬러의 반사율 특성을 확대하여 살펴보면 도4b와 같이 나타난다.
이때, 상기 도4a와 도4b에 도시한 기준 컬러에 대한 광 반사율은 분광광도계(Cary 5000, Varian co.)를 이용하여 측정하였으며, 근적외선 파장 대역의 반사율 측정 결과 도4b에서 보는 바와 같이 각 컬러마다 서로 다른 반사율의 크기 및 기울기를 가지는 것으로 나타났다.
따라서, 본 실시예에서는 일예로서 상기 S10 단계에서 각 컬러마다 반사율의 특성 차이가 나타나는 상기 700 내지 900nm 파장 대역의 근적외선을 이용하여 기준 컬러에 대한 근적외선 영상을 획득하게 되는데, 이 경우 미리 정해진 복수의 파장 대역의 근적외선을 이용하여 각각의 근적외선 영상을 획득하게 된다.
본 실시예에서는 일예로서 중심 파장이 각각 740, 780, 810, 870nm인 4개 파장 대역의 근적외선을 기준 컬러에 투사하여 근적외선 영상을 획득하게 되는데, 이 경우 상기 4개 파장 대역의 근적외선을 순차적으로 기준 컬러에 투사하거나 동시에 투사하여 각 파장 대역의 근적외선 영상을 획득할 수 있다.
이때, 복수 파장 대역의 광을 순차적으로 투사하거나 동시에 투사하여 해당 파장 대역의 영상을 획득하는 방법은 전술한 [문헌 1] 등에 개시된 공지기술이기 때문에 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 4개의 근적외선(이하, 각각 제1파장 대역, 제2파장 대역, 제3파장 대역, 제4파장 대역이라 한다.)은 중심 파장에 대하여 약 20nm 정도의 대역폭을 가지는데, 본 실시예에서는 일예로서 제1파장 대역 내지 제4파장 대역은 각각 730~750nm, 770~790nm, 800~820nm, 860~880nm의 대역폭을 가지는 것으로 가정한다.
또한, 상기 근적외선 영상은 디지털 카메라, 이미지 센서(일예로서, CCD 센서) 등의 통상의 영상 촬영장치를 이용하여 얻어지게 된다.
( S20 단계 : 기준 컬러에 대한 반사율 강도 추출 단계)
상술한 바와 같이 S10 단계에서 제1파장 대역 내지 제4파장 대역에 대한 근적외선 영상이 획득되면 상기 기준 컬러에 대한 4개 근적외선의 반사율 강도(I)를 각 파장 대역별로 추출하게 된다.
이때, 상기 반사율 강도(I)라고 함은 피사체(즉, 본 단계의 경우 상기 기준 컬러)에서 반사된 각 파장 대역의 세기를 나타내는 것으로서 이는 이론적으로 아래의 [수학식1]에 의하여 각각 구해질 수 있다.
[수학식1]
Figure 112015085227419-pat00021
Figure 112015085227419-pat00022
Figure 112015085227419-pat00023
Figure 112015085227419-pat00024
이 경우, 상기 P(λ)는 투사된 근적외선의 상대 세기 분포를 의미하는 것으로서 본 실시예에서는 상술한 4개의 파장 대역에 대해 동일하다고 가정하여 1로 두며, 상기 R(λ)는 상술한 기준 컬러들의 각 파장 대역에 대한 반사율이다.
상기 [수학식1]에서 알 수 있는 바와 같이 상기 반사율 강도(I)는 컬러 각각(본 단계의 경우 각 기준 컬러임)의 반사율 특성이 반영된 것이며, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 이러한 컬러 각각의 반사율 강도(I)(즉, 반사율 특성)을 이용하여 피사체의 컬러를 재현하는 방식으로 구성된다.
특히, 전술한 바와 같이 P(λ)가 1이라고 할 경우 반사율 강도(I)는 반사율 R(λ)과 동일하게 되며 이들은 모두 해당 컬러의 반사율 특성을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위 전체에서 '반사율 특성'이라 함은 반사율 강도(I), 반사율 R(λ) 또는 각 컬러의 반사율 정보를 나타내기 위한 기타 다른 인자들을 모두 포함하는 개념이다.
한편, 통상적인 디지털 영상 촬영장치는 획득된 영상을 디지털화하는 과정을 거치는데, 이 과정에서 상기 영상 촬영장치는 이미지 센서가 피사체에서 반사된 빛(본 실시예의 경우 각 파장 대역의 근적외선)을 감지하여 발생되는 전기적 신호로부터 빛의 세기를 정하고 이를 디지털화하여 획득된 영상을 표시하거나 저장하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 반사율 강도(I)를 상술한 디지털 영상 촬영장치의 영상 디지털화 과정에서 얻어지는 빛의 세기(디지털 값임)로 직접 구하게 되는데, 이와 같이 구해진 상기 반사율 강도(I)에도 전술한 바와 같이 각 컬러의 반사율 특성이 반영되어 있음은 물론이다.
다만, 상기 영상 디지털화 과정에서 얻어지는 빛의 강도는 소위 '인코딩 감마'라고 불리워지는 디지털 영상 촬영장치 고유의 감마(gamma) 특성이 반영되어 있는데, 이러한 감마 특성은 알려진 바와 같이 인체의 시각 특성에 따라 선형 RGB를 비선형 RGB로 변환함으로써 영상신호의 처리 효율을 향상시키기 위한 것이다.
또한, 이와 같이 영상 촬영장치의 감마 특성이 반영된 빛의 세기를 그대로 반사율 강도(I)로 사용할 경우에는 피사체(본 단계의 경우에는 기준 컬러)의 실제 반사율 특성이 영상 촬영장치의 감마 특성에 따라 일정 부분 왜곡된 것이라고 볼 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 영상 디지털화 과정에서 얻어지는 빛의 세기를 그대로 반사율 강도(I)로 사용할 수도 있으나, 컬러 영상 재현의 정확도를 향상시키기 위하여 상기 빛의 세기에 대하여 영상 촬영장치의 감마 특성 보정(이를 통상 '역감마 보정'이라고 한다.)을 수행한 후 얻은 값을 상기 반사율 강도(I)로 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상술한 '역감마 보정'은 영상 처리분야에서 일반적으로 수행되는 공지기술이기 때문에 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이와 같이 구해지는 상기 반사율 강도(I)는 전술한 기준 컬러(본 실시예의 경우 24개 컬러) 각각에 대하여 각 파장 대역별로 구해진다.
( S30 단계 : 기준 컬러에 대한 반사율 좌표 연산 단계)
상술한 바와 같이 S20 단계에서 기준 컬러 각각에 대하여 각 파장 대역별로 반사율 강도(I)가 구해지면, 이를 이용하여 상기 기준 컬러 각각에 대한 광 반사율 정보인 반사율 좌표를 연산하게 된다.
일반적으로 다양한 컬러 각각은 미리 정해진 규칙에 따라 해당 컬러를 표현하기 위해 정의되는 색좌표를 이용하여 나타낼 수 있는데, 영상 분야에서 통상적으로 사용되고 있는 색좌표로는 CIE 색좌표와 RGB 좌표계 등이 있다.
본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 상기 색좌표로서 CIE 색좌표를 일예로서 설명하나 이에 한정되지 아니하며, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 '색좌표'라 함은 별도의 언급이 없는 한 전술한 바와 같이 미리 정해진 방식에 따라 임의의 컬러를 표현하기 위해 통상적으로 사용되는 여러 가지 공지된 색좌표 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 실시예에서와 같이 일예로서 CIE 색좌표 중 (L*, a*, b*)로 표시되는 색좌표를 사용할 경우 여러 가지 다양한 컬러는 각각의 색좌표 (L*, a*, b*)로 표시될 수 있는데, 상기 CIE 색좌표에서 'L*'은 해당 컬러의 명도를 나타내는 요소이고 'a*'와 'b*'는 해당 컬러의 색상과 채도를 표현하는 색도를 나타내는 요소이다.
따라서, 모든 컬러는 자신의 고유 색좌표(L*, a*, b*)로 표현될 수 있으며, 반대로 임의의 컬러에 대한 L*, a*, b* 값을 구하면 CIE 색좌표상에서 해당 컬러를 찾을 수 있게 되는데, 본 발명은 이러한 CIE 색좌표를 이용하여 피사체의 실제 컬러를 재현하게 된다.
즉, 본 발명은 컬러 영상 재현을 위하여 상기 CIE 색좌표에 대응하는 '반사율 좌표'를 새롭게 정의하고, 상기 CIE 색좌표를 이미 알고 있는 기준 컬러에 대하여 반사율 좌표를 연산한 후 상기 CIE 색좌표와 반사율 좌표 사이의 관계식을 구함으로써 임의의 컬러에 대한 광(본 실시예의 경우 700~900 nm 파장 대역의 근적외선) 반사율 정보인 반사율 좌표를 이용하여 해당 컬러의 CIE 색좌표를 연산에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에서는 상기 반사율 좌표를 CIE 색좌표에 대응하여 (Lc, ac, bc)로 정의하는데, 상기 'Lc'는 해당 컬러의 4가지 파장 대역 근적외선에 대한 반사율의 크기와 관련된 요소이고 'ac'와 'bc'는 해당 컬러의 4가지 파장 대역 근적외선에 대한 반사율의 변화와 관련된 요소이기 때문에 본 발명에서 정의하는 반사율 좌표는 해당 컬러의 4가지 파장 대역 근적외선에 대한 반사율 특성을 반영한 것임을 알 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에서는 도5에 도시한 바와 같이 상기 'Lc'를 해당 컬러의 제1파장 대역 내지 제4파장 대역 근적외선에 대한 반사율 강도(I740, I780, I810, I870)의 합으로 정의하였다.
또한, 본 발명에서는 상기 'ac'를 해당 컬러의 제2파장 대역 근적외선에 대한 반사율 강도(I780)와 제1파장 대역 근적외선에 대한 반사율 강도(I740)의 차이(I780-I740)로 정의하였으며, 상기 'bc'를 해당 컬러의 제4파장 대역 근적외선에 대한 반사율 강도(I870)와 제3파장 대역 근적외선에 대한 반사율 강도(I810)의 차이(I870-I810)로 정의하였다.
본 실시예에서는 일예로서 복수 파장의 근적외선이 4개의 파장 대역으로 이루어진 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 동일한 기능을 수행하는 범위내에서는 상기 복수 파장의 근적외선이 3개의 파장 대역으로 이루어져 제2파장 대역과 제1파장 대역의 반사율 강도 차이로 상기 'ac'를 정의하고 제3파장 대역과 제2파장 대역의 반사율 강도 차이로 상기 'bc'를 정의할 수도 있다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 'ac'와 'bc'는 해당 컬러의 4가지 파장 대역 근적외선에 대한 반사율의 변화와 관련된 요소이기 때문에 필요에 따라서는 상기 복수의 파장이 4개 이상의 파장 대역으로 이루어져 임의의 2개 파장 대역 사이의 반사율 강도 차이를 이용하여 상기 'ac'와 'bc'를 정의하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 전술한 S10 단계 내지 S30 단계에서 기준 컬러에 대하여 복수 파장의 근적외선을 투사하여 얻은 영상으로부터 각 기준 컬러에 대한 반사율 좌표 (Lc, ac, bc)를 구하는 방식을 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 도4a와 도4b에 도시한 바와 같이 분광광도계를 이용하여 얻은 반사율 그래프와 [수학식1]을 이용하여 필요한 복수 파장 대역에 대한 반사율 강도(I) 및 반사율 좌표를 구할 수도 있다.
( S40 단계 : 색좌표와 반사율 좌표의 변환 관계 획득 단계)
상술한 바와 같이 기준 컬러 각각에 대한 반사율 좌표를 얻게 되면, 이들 기준 컬러에 대한 CIE 색좌표를 미리 알고 있기 때문에 이들을 이용하여 CIE 색좌표와 본 발명에서 정의한 반사율 좌표 사이의 변환 관계를 얻을 수 있게 된다.
이때, 상기 변환 관계는 항의 변수와 항의 수를 변화시켜가면서 최적의 변환 관계식으로 얻을 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 통상의 수치계산 프로그램 중 하나인 매트랩(MATLAB)을 이용하여 색좌표와 반사율 좌표 사이의 변환 관계식을 구하였다.
아래의 [수학식2]와 [수학식3]에서는 상술한 방법에 의하여 본 실시예에서 얻은 변환 관계식을 나타내고 있는데, [수학식2]의 변환 관계식은 일예로서 총 19개의 항으로 이루어진다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 변환 관계식이 19개의 항으로 이루어진 경우를 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 본 발명과 동일한 방식으로 얻어지는 범위 내에서 상기 변환 관계식은 기준 컬러의 종류 및/또는 갯수, 또는 필요에 따라 이와 다르게 구해질 수도 있음은 물론이다.
또한, 이와 같이 구해지는 상기 변환 관계식은 상술한 S10 단계 내지 S40 단계에 의하여 직접 구해질 수도 있으나, 필요에 따라서는 영상 촬영장치의 특성에 따라 미리 구해져 메모리 등에 저장되어 있을 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 일예로서 상기 색좌표와 반사율 좌표 사이의 변환 관계가 관계식의 형태로 구하여 지는 경우를 설명하나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 룩업(look-up) 테이블과 같은 DB 형태로 구하여질 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이 상기 색좌표와 반사율 좌표 사이의 변환 관계가 룩업(look-up) 테이블의 형태로 구하여질 경우, 상기 반사율 좌표로부터 색좌표를 연산하는 단계에서 필요에 따라서는 공학에서 통상적으로 사용하는 보간법 등을 이용하여 색좌표를 구하도록 구성될 수도 있다.
[수학식2]
Figure 112015085227419-pat00025
,
[수학식3]
Figure 112015085227419-pat00026
( S50 단계 : 피사체에 대한 근적외선 영상 획득 단계)
상술한 바와 같이 CIE 색좌표와 본 발명에서 정의한 반사율 좌표와의 변환 관계가 구해지면, 실제 컬러 영상을 재현하고자 하는 피사체에 관하여 복수 파장 대역의 근적외선 영상을 획득하게 된다.
이때, 상기 근적외선 영상의 획득 방법은 전술한 S10 단계와 동일하게 이루어지는 것이기 때문에 여기에서는 중복된 설명은 생략하기로 한다.
( S60 단계 : 피사체에 대한 반사율 강도 추출 단계)
또한, 상기 S50 단계에서 피사체에 대한 복수 파장 대역의 근적외선 영상을 획득하게 되면 이를 이용하여 피사체에 대한 파장 대역별 반사율 특성인 반사율 강도(I)를 구하게 되는데, 상기 반사율 강도(I)를 구하는 방법은 전술한 S20 단계와 동일하게 이루어지는 것이기 때문에 여기에서는 중복된 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 단계에서는 상기 S50 단계에서 얻은 각 파장 대역별 근적외선 영상에 대하여 미리 정해진 크기의 화소 단위로 상기 반사율 강도(I)를 구하는 것이 바람직하다.
( S70 단계 : 피사체에 대한 반사율 좌표 연산 단계)
상술한 바와 같이 S60 단계에서 피사체의 화소 단위로 각 파장 대역별 반사율 강도(I)가 구해지면, 이를 이용하여 상기 피사체의 화소 단위 각각에 대한 반사율 좌표 (Lc, ac, bc)를 연산하게 된다.
이 경우에도 상기 파장 대역별 반사율 강도(I)로부터 반사율 좌표를 연산하는 방법은 전술한 S30 단계와 동일하게 이루어지기 때문에 여기에서는 중복된 설명은 생략하기로 한다.
( S80 단계 및 S90 단계 : 피사체에 대한 색좌표 연산 및 컬러 재현 단계)
상기 S70 단계에서 피사체의 화소별로 반사율 좌표 (Lc, ac, bc)가 얻어지면 상기 S40 단계에서 얻어진 CIE 색좌표와 반사율 좌표 사이의 변환 관계식을 이용하여 피사체의 화소별 CIE 색좌표를 연산하고, 그 연산 결과(즉, 화소별 색좌표)를 이용하여 가시광선 상태에서 상기 피사체의 실제 컬러를 재현하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법의 정확성을 검증하기 위하여 아래의 두 가지 방식으로 실제 피사체의 컬러 영상 재현을 수행하였는데, 이 경우 상기 피사체는 설명의 편의를 위하여 전술한 도3의 24색 맥베스 컬러체커(Macbeth color checker)를 이용하였다.
먼저, 도6a 내지 도6c에서는 시뮬레이션으로 획득한 도3의 색견본표에 대한 근적외선 영상을 본 발명에 따라 컬러 영상으로 재현한 결과를 나타낸 도면이다.
이를 구체적으로 살펴보면, 도6a와 도6b는 시뮬레이션으로 획득한 피사체의 근적외선 영상(즉, 외부 노이즈가 없는 이상적인 영상 촬영장치를 이용하여 각 파장 대역별 근적외선을 피사체에 투사하면서 피사체의 근적외선 영상을 획득하는 것으로 모사함)으로부터 본 발명에 따라 반사율 좌표를 얻는 방법 및 상기 시뮬레이션으로 획득한 파장 대역별 근적외선 영상을 나타낸 도면이다.
이때, 상기 근적외선 영상은 도4b에 도시한 피사체(즉, 24색 맥베스 컬러체커(Macbeth color checker))의 각 컬러가 나타내는 파장 대역별 반사율을 이용하여 각 컬러 영역의 근적외선 영상을 연산적으로 재구성한 것이기 때문에 여기에서는 편의상 시뮬레이션으로 획득한 근적외선 영상이라고 한다.
이와 같이 시뮬레이션에 의해 근적외선 영상이 얻어지면 앞서 설명한 바와 같은 방식에 의하여 피사체의 실제 컬러를 화소별로 재현하게 되는데, 그 결과를 도6c에 나타내었다.
도6c의 (a)는 실제 피사체인 24색 맥베스 컬러체커(Macbeth color checker)의 각 컬러 영역을 나타낸 그림이고, 도6c의 (b)는 전술한 바와 같이 시뮬레이션으로 획득한 근적외선 영상을 이용하여 본 발명에 따른 방법에 따라 피사체의 컬러 영상을 재현한 그림이다.
도6c에서 알 수 있는 바와 같이 일부 무채색 계열을 제외하고는 본 발명에 따라 컬러 영상을 재현한 결과는 실제 피사체의 컬러와 매우 유사한 것으로 나타났는데, 이는 본 발명에 따른 컬러 영상 재현방법이 종래 기술과 대비할 때 매우 정확한 결과를 얻을 수 있음을 나타낸다.
또한, 본 발명에서는 상술한 도6a 내지 도6c에 따른 검증방법을 실제 영상 촬영장치를 이용하여 얻은 근적외선 영상에 대해서도 적용해 보았는데, 그 결과를 도7a 내지 도7c에 나타내었다.
이를 구체적으로 살펴보면, 도7a와 도7b는 이미지 센서나 디지털 카메라와 같은 실제 영상 촬영장치를 이용하여 각 파장 대역별 근적외선을 피사체에 투사하면서 피사체의 근적외선 영상을 획득하여 반사율 좌표를 얻는 방법 및 상기 방법의 적용시 실제 획득한 파장 대역별 근적외선 영상을 나타낸 도면이다.
이때, 도7a에서 Image740, Image780, Image810, Image870은 각각 전술한 제1파장 대역 내지 제4파장 대역의 근적외선을 투사하면서 실제 영상 촬영장치를 이용하여 얻은 피사체의 근적외선 영상을 의미한다.
또한, 도7a에서 D740, D780, D810, D870은 상기 각 파장 대역별 근적외선 영상을 디지털화하는 과정에서 얻은 반사된 빛의 세기(즉, 반사율 강도)를 의미하는데, 이는 전술한 영상 촬영장치의 감마 특성이 포함된 디지털값이다.
또한, 도7a에서 I740, I780, I810, I870은 상기 영상 촬영장치의 감마 특성을 보정하기 위하여 상기 D740, D780, D810, D870에 전술한 역감마 보정을 수행하여 얻은 피사체의 실제 반사율 강도(I)를 의미한다.
이와 같이 파장 대역별 근적외선 영상이 얻어지면 앞서 설명한 바와 같은 방식에 의하여 피사체의 실제 컬러를 화소별로 재현하게 되는데 그 결과를 도7c에 나타냈으며, 도8에는 동일한 피사체에 대하여 종래 기술인 [문헌 1]에 따라 컬러 영상을 재현한 결과를 나타냈다.
도7c에서 알 수 있는 바와 같이 실제 영상 촬영장치를 이용하여 근적외선을 획득한 경우 앞서 설명한 도6a 내지 도6c에 따른 결과와 대비할 때 실제 피사체의 컬러와는 다소 차이가 있는 것으로 나타났는데, 이는 실제 근적외선 영상 촬영시 근적외선 투사 방식에 따라 개입되는 외부 노이즈, 영상 촬영장치의 촬영과정에서 개입되는 외부 노이즈, 및 영상 촬영장치가 이미지를 디지털화하는 과정에서 개입되는 외부 노이즈 등이 반영되었기 때문인 것으로 판단된다.
그러나, 이러한 결과를 종래 기술에 따른 컬러 재현 결과와 대비할 때 본 발명에 따른 방법에 의하여 재현된 컬러 영상이 실제 피사체를 구성하는 각 컬러와 훨씬 더 유사한 것으로 나타났는데, 이는 본 발명에 따른 컬러 영상 재현방법이 매우 정확한 결과를 얻을 수 있음을 나타낸다.
다만, 앞서 설명한 바와 같이 실제 근적외선 영상 획득시 반영되는 외부 노이즈를 저감시킬 경우 도7a 내지 도7c에 따른 방법에 의해 재현된 컬러 영상은 실제 피사체의 컬러와 더욱 유사해질 것으로 예상된다.
마지막으로, 도9는 본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법을 적용한 컬러 영상 재현장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
본 발명에 따른 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치는 피사체(10)에 복수 파장 대역의 근적외선을 투사하는 광원부(20), 상기 근적외선을 투사한 상태에서 피사체의 근적외선 영상을 획득하는 촬영부(30), 및 상기 촬영부에서 획득한 근적외선 영상을 이용하여 가시광선 상태에서의 피사체의 실제 컬러를 재현하는 컬러 영상 재현부(40)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 컬러 영상 재현부(40)는 상술한 S10 단계 내지 S90 단계를 수행하는 것으로서 컴퓨터 장치와 같이 별도의 장비로 구성되거나 촬영부(30)와 일체로 구성될 수도 있으며, 필요에 따라서는 컬러 영상 재현부의 일부는 촬영부(30)와 일체로 구성되고 나머지 부분은 별도의 장비로 구성될 수도 있다.
10 : 피사체 20 : 광원부
30 : 촬영부 40 : 컬러 영상 재현부

Claims (8)

  1. 복수 파장 대역의 광을 이용하여 피사체의 영상을 획득하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 획득된 영상에 대하여 상기 광의 파장 대역별 반사율 특성을 구하는 제2단계;
    상기 파장 대역별 반사율 특성을 이용하여 상기 획득된 영상에 대한 광 반사율 정보이고 CIE 색좌표 또는 RGB 색좌표 중 어느 하나인 색좌표에 대응되는 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 구하는 제3단계; 및
    미리 저장된 색좌표와 상기 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계에 상기 제3단계에서 구한 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 적용하여 상기 피사체의 색좌표를 구하고, 상기 구해진 색좌표를 이용하여 피사체의 컬러를 재현하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 특성은 반사율 강도(I)이고,
    상기 반사율 좌표(Lc,ac,bc)에서 Lc는 상기 파장 대역별 반사율 강도(I)의 합으로 구해지고, 상기 ac와 bc는 각각 서로 다른 파장 대역별 반사율 강도(I) 사이의 차이로 구해지는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2단계 내지 제4단계는 피사체의 영상에 대하여 미리 정해진 크기의 화소별로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계는,
    (a) 색좌표를 알고 있는 적어도 하나의 기준 컬러에 대하여 복수 파장 대역의 광에 대한 반사율 강도(I)를 구하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 구한 파장 대역별 반사율 강도(I)를 이용하여 상기 적어도 하나의 기준 컬러에 대한 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 구하는 단계; 및
    (c) 상기 적어도 하나의 기준 컬러 각각에 대한 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc)를 이용하여 상기 색좌표와 반사율 좌표(Lc,ac,bc) 사이의 변환 관계를 구하는 단계에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광은 중심 파장이 700 내지 900nm인 근적외선인 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 특성은 반사율 강도(I)이고,
    상기 제2단계는,
    (a) 상기 제1단계에서 영상 촬영장치가 피사체의 영상을 획득하는 과정에서 감지한 반사광의 세기를 디지털값으로 변환하는 단계;와
    (b) 상기 변환된 디지털값에 대하여 상기 영상 촬영장치의 감마 특성을 보정하는 역감마 보정을 수행하여 상기 광의 파장 대역별 반사율 강도(I)를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현방법.
  8. 피사체에 복수 파장 대역의 광을 투사하는 광원부;
    상기 광이 투사되는 상태에서 상기 피사체에 대한 광의 파장 대역별 영상을 획득하는 촬영부; 및
    상기 획득된 광의 파장 대역별 영상을 이용하여 상기 피사체의 컬러를 재현하는 컬러 영상 재현부를 포함하되,
    상기 컬러 영상 재현부는 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 하나의 방법에 의하여 피사체의 컬러를 재현하는 것을 특징으로 하는 복수 파장의 광을 이용한 컬러 영상 재현장치.
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