KR101630856B1 - Multispectral photometric stereo system and operating method of the same - Google Patents

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KR101630856B1 KR1020150032781A KR20150032781A KR101630856B1 KR 101630856 B1 KR101630856 B1 KR 101630856B1 KR 1020150032781 A KR1020150032781 A KR 1020150032781A KR 20150032781 A KR20150032781 A KR 20150032781A KR 101630856 B1 KR101630856 B1 KR 101630856B1
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김민혁
남길주
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한국과학기술원
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    • G06T7/586Depth or shape recovery from multiple images from multiple light sources, e.g. photometric stereo
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Abstract

Disclosed are a multispectral photometric stereo system and a method for operating the multispectral photometric stereo system, which can acquire a three-dimensional shape by eliminating inter-reflection from surfaces of an object. The method comprises the steps of: calculating spectral reflectance of a subject by using multispectral images of the subject and a reference object; calculating spectral illuminance by using the multispectral images; eliminating inter-reflection from the multispectral images based on the spectral reflectance of the subject and the spectral illuminance; and performing photometric stereo operation by using a result of the elimination of the inter-reflection from the multispectral images.

Description

다분광 포토메트릭 스테레오 시스템 그리고 이의 동작 방법{MULTISPECTRAL PHOTOMETRIC STEREO SYSTEM AND OPERATING METHOD OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a multispectral photometric stereo system and a method of operating the same.

본 발명은 이미징 기술에 관한 것이다.The present invention relates to imaging techniques.

포토메트릭 스테레오(photometric stereo) 기법은 물체에 조명들을 조사하여 취득한 정보를 이용하여 물체의 3차원 형상을 디지털화하는 기법으로, 지난 30년간 많은 분야에서 활용되고 있다. 양안 스테레오(binocular stereo) 기법은 두 대의 카메라를 사용하여 깊이 정보를 획득하는 반면, 포토메트릭 스테레오 기법은 조명 상태를 가변하면서 한 대의 카메라로 물체의 표면 법선 정보(surface normal information)를 획득한다. 따라서, 포토메트릭 스테레오 기법은 간단히 고해상도의 법선 지도(high-resolution normal map)를 생성하는 장점이 있다. The photometric stereo technique is a technique for digitizing the three-dimensional shape of an object using information obtained by illuminating the object with illumination, and has been used in many fields over the past 30 years. The binocular stereo technique uses two cameras to acquire depth information, while the photometric stereo technique acquires surface normal information of an object with a single camera while varying illumination conditions. Thus, the photometric stereo technique has the advantage of simply creating a high-resolution normal map.

한편, 포토메트릭 스테레오의 근본 가정인 표면 난반사를 방해하는 현상들, 예를 들면, 물체 표면에서의 상호반사(interreflection), 간접조명(indirect illumination), 거울반사(specular reflection), 그림자(self shadow) 등의 광학 현상들이 포토메트릭 스테레오 기법으로 물체의 3차원 모양을 정확히 획득하는 데 방해물로 작용한다. 그런데, 물체 표면에서 상호반사를 제거하는 것이 굉장히 까다로운 일이므로, 어쩔 수 없이 상호반사를 제거하지 못한 채, 포토메트릭 스테레오를 적용할 수밖에 없다. 왜냐하면 상호반사를 제거하기 위해서는 물체의 3차원 정보가 필요한데, 물체의 3차원 정보는 포토메트릭 스테레오로 획득되는 최종 결과물이기 때문이다. 결과적으로, 포토메트릭 스테레오 기법은 상호반사가 발생하는 오목한 물체의 3차원 모양을 정확히 획득할 수 없는 한계가 있다. On the other hand, phenomena that interfere with surface diffuse reflection, which is the fundamental assumption of photometric stereo, such as interreflection, indirect illumination, specular reflection, self shadow, And so on, act as an obstacle to the accurate acquisition of the three-dimensional shape of the object by the photometric stereo method. However, since it is very difficult to remove the mutual reflection on the object surface, it is inevitable to apply the photometric stereo without removing the mutual reflection. This is because three-dimensional information of an object is needed to eliminate the mutual reflection, since the three-dimensional information of the object is the final result obtained by the photometric stereo. As a result, the photometric stereo technique has a limitation in that it can not accurately obtain a three-dimensional shape of a concave object where mutual reflection occurs.

본 발명이 해결하려는 과제는 물체 표면에서의 상호반사를 제거하여 3차원 형상을 획득하는 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION A problem to be solved by the present invention is to provide a multispectral photometric stereo system that obtains a three-dimensional shape by removing mutual reflection on an object surface.

본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 동작 방법으로써, 촬영 대상과 기준 물체를 촬영한 다분광 이미지들을 이용하여 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계, 상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도를 계산하는 단계, 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거하는 단계, 그리고 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계를 포함한다.A method of operating a multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention includes calculating a reflection function for each wavelength of a photographed object using multispectral images of a photographed object and a reference object, Removing the mutual reflection in the multispectral images based on the reflection function for each wavelength of the object to be imaged and the illuminance for each wavelength by using the mutual reflection in the multispectral images, And performing the photometric stereo using the result of removing the second signal.

상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계는 상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산할 수 있다.Wherein the step of calculating the reflection function for each wavelength of the object to be imaged comprises the steps of: extracting the brightness of the object and the reference object in the image per wavelength channel included in the multi-spectral images; Can be calculated by a reflection function for each wavelength of the object to be imaged.

상기 상호반사를 제거하는 단계는 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하고, 상기 파장별 반사 방사휘도에서 상호반사에 의한 방사휘도를 제거할 수 있다.The step of removing the mutual reflection may distinguish the direct reflection and the mutual reflection radiance at the reflection radiance of each wavelength obtained from the multi-spectral images based on the reflection function for each wavelength of the object to be imaged and the illuminance for each wavelength , It is possible to eliminate the radiation luminance due to the mutual reflection at the reflection emission luminance for each wavelength.

상기 상호반사를 제거하는 단계는 상기 파장별 반사 방사휘도에 관계된 n차 다항식의 해를 구하여, 직접반사와 상호반사에 의한 에너지를 구분하고, 상기 n은 파장 채널수보다 작은 자연수일 수 있다.The step of removing the mutual reflection may be a natural number smaller than the number of wavelength channels by dividing the energy due to the direct reflection and the mutual reflection by obtaining a solution of the n-th order polynomial related to the reflection radiance of each wavelength.

상기 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계는 상기 다분광 이미지들에 포함된 직접반사를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하여 표면 법선 벡터들을 구하고, 상기 표면 법선 벡터들을 이용해서 상기 촬영 대상의 3차원 형상을 복원하는 단계를 더 포함할 수 있다.Wherein the step of performing the photometric stereo comprises: performing a photometric stereo using direct reflection included in the multispectral images to obtain surface normal vectors, restoring the three-dimensional shape of the object to be imaged using the surface normal vectors The method comprising the steps of:

본 발명의 다른 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 동작 방법으로써, 복수의 광원을 이용하여 촬영 대상과 기준 물체를 촬영하여 다분광 이미지들을 획득하는 단계, 상기 다분광 이미지들의 파장별 반사 정보를 기초로 상기 촬영 대상의 표면에서의 직접반사와 상호반사를 구분하는 단계, 그리고 구분한 결과를 기초로, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거하는 단계를 포함한다.A method of operating a multispectral photometric stereo system according to another embodiment of the present invention includes the steps of acquiring multispectral images by photographing an object to be imaged and a reference object using a plurality of light sources, Separating the direct reflection and the mutual reflection at the surface of the object to be photographed, and removing the mutual reflection in the multispectral images based on the result of the division.

상기 직접반사와 상호반사를 구분하는 단계는 상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도와 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계, 그리고 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하는 단계를 포함할 수 있다.The step of distinguishing the direct reflection from the mutual reflection comprises the steps of calculating the illuminance for each wavelength and the reflection function for each wavelength of the object using the multi-spectral images, the reflection function for each wavelength of the object, As a basis, it may include a step of distinguishing the direct reflection from the reflection luminance by the wavelength obtained from the multi-spectral images and the radiation luminance by the mutual reflection.

상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계는 상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산할 수 있다.Wherein the step of calculating the reflection function for each wavelength of the object to be imaged comprises the steps of: extracting the brightness of the object and the reference object in the image per wavelength channel included in the multi-spectral images; Can be calculated by a reflection function for each wavelength of the object to be imaged.

상기 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하는 단계는 상기 파장별 반사 방사휘도에 관계된 n차 다항식의 해를 구하여, 직접반사와 상호반사에 의한 에너지를 구분하고, 상기 n은 파장 채널수보다 작은 자연수일 수 있다.Wherein the step of distinguishing the radiation luminance by the direct reflection and the mutual reflection is performed by obtaining a solution of an n-th order polynomial related to the reflection radiance of each wavelength to distinguish energy due to direct reflection and mutual reflection, It can be a small natural water.

상기 동작 방법은 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of operation may further comprise performing a photometric stereo using the result of removing the mutual reflection in the multispectral images.

본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템으로서, 촬영 대상과 기준 물체를 촬영한 다분광 이미지들을 입력받고, 상기 다분광 이미지들의 파장별 반사 정보를 기초로 상기 촬영 대상의 표면에서의 직접반사와 상호반사를 구분하며, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 컴퓨팅부를 포함한다.A multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention is a multispectral photometric stereo system that receives multispectral images of an object to be photographed and a reference object, And a computing unit for separating the direct reflection and the mutual reflection, and performing the photometric stereo using the result of removing the mutual reflection in the multi-spectral images.

상기 컴퓨팅부는 상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도와 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하고, 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분할 수 있다.Wherein the computing unit calculates the illuminance for each wavelength and the reflection function for each wavelength of the object using the multispectral images and calculates a reflection function for each wavelength based on the reflection function for each wavelength and the illuminance for each wavelength, Reflection Radiation by Wavelength It is possible to distinguish between direct reflection and reflection by mutual reflection.

상기 컴퓨팅부는 상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산할 수 있다.Wherein the computing unit is configured to extract the brightness of the object and the reference object in the image per wavelength channel included in the multi-spectral images, and calculate a brightness ratio of the object and the reference object as a reflection function for each wavelength of the object .

본 발명의 실시예에 따르면 상호반사를 제거하여 정확한 표면법선 벡터를 측정할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 종래의 방법에 비해 3차원 형상을 정확히 추출할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, accurate surface normal vectors can be measured by eliminating mutual reflection. According to the embodiment of the present invention, the three-dimensional shape can be accurately extracted as compared with the conventional method.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 분광 이미지에서의 지점별 휘도값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래의 포토메트릭 스테레오와 본 발명에 의해 획득된 3D 형상을 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 셋업 환경을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 3차원 형상 획득 방법의 흐름도이다.
도 7부터 도 10 각각은 본 발명과 종래 기술을 비교한 결과이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 컴퓨팅부의 블록도이다.
1 is a schematic illustration of a multi-spectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a graph showing luminance values per spot in a spectral image.
Figure 3 is a comparison of a conventional photometric stereo and a 3D shape obtained by the present invention.
4 is a block diagram of a multi-spectral photometric stereo system in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram illustrating a setup environment of a multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a method for acquiring a three-dimensional shape of a multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention.
7 to 10 are the results of comparing the present invention with the prior art.
11 is a block diagram of a computing unit according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 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.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이고, 도 2는 분광 이미지에서의 지점별 휘도값을 나타내는 그래프이며, 도 3은 종래의 포토메트릭 스테레오와 본 발명에 의해 획득된 3D 형상을 비교한 도면이다.FIG. 1 is a schematic view of a multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing spot luminance values in a spectral image, and FIG. And comparing the 3D shapes obtained by the present invention.

먼저, 도 1을 참고하면, 포토메트릭 스테레오 시스템은 물체에 조명을 조사하여 취득한 정보를 이용하여 물체의 3차원 형상을 획득하는데, 물체 표면에서의 직접반사(direct reflection)를 이용하면 3차원 형상을 정확히 추정할 수 있다. 그런데, 빛이 특정 색을 지닌 난반사 표면에 부딪히면, 직접반사뿐만 아니라, 이웃하는 표면 사이에서 반복적인 반사가 일어난다. 이를 상호반사(interreflection)라고 하는데, 특히 오목한 표면에 빛이 조사되면 항상 일어난다.First, referring to FIG. 1, a photometric stereo system obtains a three-dimensional shape of an object by using information acquired by illuminating an object. When a direct reflection on the object surface is used, a three- Can be estimated accurately. However, when light strikes a diffuse surface with a specific color, it causes not only direct reflection but also repeated reflection between neighboring surfaces. This is called interreflection, especially when light is applied to a concave surface.

포토메트릭 스테레오의 성능을 높이기 위해서는 상호반사를 제거하는 것이 필요하다. 그러나, 상호반사는 물체의 3차원 정보로부터 알 수 있는데, 물체의 3차원 정보는 포토메트릭 스테레오로 획득되는 최종 결과물이기 때문에, 결국 포토메트릭 스테레오에서 상호반사를 제거하는 것이 매우 까다롭다. In order to improve the performance of the photometric stereo, it is necessary to eliminate mutual reflection. However, the reciprocal reflection can be known from the three-dimensional information of the object, and since the three-dimensional information of the object is the final result obtained with the photometric stereo, it is very difficult to remove the mutual reflection in the photometric stereo.

결국, 종래의 포토메트릭 스테레오 기법은 상호반사를 제거하기 어렵기 때문에, 종래의 포토메트릭 스테레오 기법으로 L형 물체의 형상을 복원해보면, 상호반사에 의해 도 3의 (a)와 같이 정확성이 낮은 결과를 얻을 수밖에 없다. As a result, since the conventional photometric stereo technique is difficult to remove the mutual reflection, if the shape of the L-shaped object is restored by the conventional photometric stereo technique, Of course.

본 발명의 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템(앞으로, "이미징 시스템"이라고 한다)(100)은 다음에서 설명하는 상호반사 제거 방법을 통해 종래의 포토메트릭 스테레오 기법의 문제를 해결하고, 고충실도 표면 법선 벡터(high-fidelity surface normal)를 측정한다.The multispectral photometric stereo system of the present invention (hereinafter referred to as an "imaging system") 100 solves the problems of conventional photometric stereo techniques through the antireflection method described below, (high-fidelity surface normal).

다시 도 1을 참고하면, 이미징 시스템(100)은 포토메트릭 스테레오를 위한 각각의 조명을 이용해서 물체의 다분광(multispectral) 이미지들을 찍어 각 파장별 휘도값을 측정한다. 이미징 시스템(100)은 지정된 스펙트럼 영역의 빛을 통과시키는 국소 대역 통과 필터, 예를 들면, 가변적 액정 필터(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)를 이용하여 파장 채널별 휘도값을 측정한다. Referring again to FIG. 1, the imaging system 100 uses multispectral images of an object using each illumination for a photometric stereo to measure a luminance value for each wavelength. The imaging system 100 measures a luminance value for each wavelength channel by using a local bandpass filter, for example, a liquid crystal tunable filter (LCTF) that passes light in a designated spectral range.

도 2를 참고하면, 다분광 이미지 상의 지점들(P1-P7) 각각의 파장에 따른 휘도값 분포(radiometric power distribution)를 보면, 상호반사가 존재하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that there is reciprocal reflection in the radiometric power distribution according to the wavelength of each of the points P1-P7 on the multispectral image.

이미징 시스템(100)은 상호반사와 직접반사를 구분하기 위해 다분광 이미징 방법을 이용하여 상호반사를 모델링한다. 이미징 시스템(100)은 다분광 이미지로부터 상호반사를 제거하고 남은 직접반사를 구하고, 이를 이용하여 물체의 형상을 복원한다. 도 3의 (b)를 참고하면, 이미징 시스템(100)은 종래의 포토메트릭 스테레오 기법보다 정확히 L형 물체의 형상을 복원한다.The imaging system 100 models the reciprocal reflections using a multispectral imaging method to distinguish between direct and indirect reflections. The imaging system 100 removes the mutual reflection from the multi-spectral image, obtains the remaining direct reflection, and uses it to restore the shape of the object. Referring to FIG. 3 (b), the imaging system 100 restores the shape of the L-shaped object more precisely than the conventional photometric stereo technique.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 블록도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 셋업 환경을 예시적으로 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a block diagram of a multi-spectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an exemplary view illustrating a setup environment of a multi-spectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 이미징 시스템(100)은 다분광 이미징 장치(110), 컴퓨팅부(130), 그리고 포토메트릭 스테레오를 위한 복수의 조명(150-1 ~ 150-k)을 포함한다. 4, the imaging system 100 includes a multispectral imaging device 110, a computing unit 130, and a plurality of lights 150-1 through 150-k for a photometric stereo.

다분광 이미징 장치(110)는 국소 대역 필터(111), 렌즈(113), 그리고 카메라(115)를 포함한다. The multispectral imaging device 110 includes a local bandpass filter 111, a lens 113, and a camera 115.

국소 대역 필터(111)는 예를 들면, LCTF(Liquid Crystal Tunable Filter)일 수 있다. 국소 대역 필터(111)는 스펙트럼 영역(예를 들면, 440nm-720nm)에서 특정 파장 대역("채널" 또는 "파장 채널"이라고도 한다)을 통과시키는 필터로서, 예를 들면, 10nm 간격으로 빛을 통과시키도록 제어될 수 있다. The local bandpass filter 111 may be, for example, a liquid crystal tunable filter (LCTF). The local bandpass filter 111 is a filter that passes a specific wavelength band (also referred to as a "channel" or "wavelength channel") in a spectral region (for example, 440 nm to 720 nm) . ≪ / RTI >

카메라(115)는 흑백 카메라일 수 있다. 흑백 카메라는 14비트 ADC(아날로그-디지털 컨버터)를 이용하므로, 이를 최대한 이용하기 위해 이미지 결과값을 16비트 포맷으로 저장할 수 있다. The camera 115 may be a monochrome camera. The monochrome camera uses a 14-bit ADC (analog-to-digital converter), so you can store the image results in 16-bit format to make the most of it.

카메라(115)는 선형적인 카메라 응답을 얻도록 설정된다. 예를 들면, 감마보정 과정이 카메라 응답함수를 비선형으로 만들기 때문에 카메라의 감마보정 옵션을 사용하지 않도록 설정할 수 있다. 다분광 이미징 장치(110)는 카메라 렌즈 앞쪽에 국소 대역 필터(111)를 장착하기 때문에 비네팅 효과가 생기지 않도록, 렌즈의 초점 거리를 선택한다.The camera 115 is set to obtain a linear camera response. For example, you can disable the camera's gamma correction option because the gamma correction process makes the camera response function nonlinear. The multispectral imaging device 110 selects the focal length of the lens so that the vignetting effect does not occur since the local band filter 111 is mounted in front of the camera lens.

다분광 이미징 장치(110)는 복수의 조명(150-1 ~ 150-n) 각각에서, 다분광 이미지를 측정한다. 컴퓨팅부(130)가 6개의 조명을 이용하여 촬영한 정보를 기초로 포토메트릭 스테레오를 수행하는 경우, 다분광 이미징 장치(110)는 6장의 다분광 이미지를 촬영한다. 여기서, 다분광 이미지는 채널별로 촬영된 분광 이미지들로 구성된다. 만약, 440nm에서부터 720nm까지 10nm간격(한 채널)으로 이미지를 획득하는 경우, 다분광 이미지는 29개 채널 각각에서 촬영된 이미지들로 구성된다.Multispectral imaging device 110 measures a multispectral image in each of a plurality of lights 150-1 through 150-n. When the computing unit 130 performs photometric stereo on the basis of information photographed using six lights, the multi-spectral imaging apparatus 110 photographs six multi-spectral images. Here, the multi-spectral image is composed of spectral images photographed for each channel. If images are acquired at intervals of 10 nm (one channel) from 440 nm to 720 nm, the multi-spectral image is composed of images taken at each of the 29 channels.

복수의 조명(150-1 ~ 150-k)은 예를 들면, 6개의 LED 조명일 수 있다. 도 5를 참고하면, CREE CXA1512 고출력 LED에 방열판을 붙일 수 있다. 이러한 조합은 안정적인 조도를 제공하고, 시간에 따른 변화를 작게 하고, 광원 파장대별로 튀는(peak) 부분이 없는 광원을 제공한다. 조명은 포토메트릭 스테레오를 위해 물체(피사체)로부터 적정 거리에 설치되며, 도 5에서는 물체로부터 0.62m~1m 떨어져 설치된다.The plurality of lights 150-1 to 150-k may be, for example, six LED lights. Referring to FIG. 5, a heat sink may be attached to the CREE CXA1512 high power LED. Such a combination provides a stable illumination, reduces the variation over time, and provides a light source with no peak at each light source wavelength band. The illumination is set at an appropriate distance from the object (subject) for the photometric stereo, and is set at 0.62 m to 1 m from the object in Fig.

컴퓨팅부(130)는 다분광 이미징 장치(110)에서 촬영된 다분광 이미지들을 이용하여 직접반사와 상호반사를 분리한다. 컴퓨팅부(130)는 채널별로 획득된 다분광 이미지로부터 상호반사와 직접반사를 구분할 수 있고, 상호반사가 제거된 직접반사의 방사휘도를 이용해서 포토메트릭 스테레오를 수행한다. 포토메트릭 스테레오는 공지된 방법을 이용할 수 있다. 컴퓨팅부(130)는 포토메트릭 스테레오로 구한 표면 법선 벡터들을 이용해서 물체의 3차원 형상을 복원한다. 이때, LED조명이 1m이내의 거리에 있기 때문에, 조명이 물체의 각 부분에 균일하게 조사되지 못할 수 있다. 따라서, 컴퓨팅부(130)는 흰색 평판을 촬영하여 구한 조도 프로파일을 기초로 조명의 비균일성을 보정할 수 있다. 또한, 컴퓨팅부(130)는 물리적으로 의미있는 결과를 얻기 위해 다분광 이미징 장치(110)의 방사적 특성 그리고 기하학적 특성을 이용하여 다분광 이미징 장치(110)의 촬영 결과값을 보정한다. 컴퓨팅부(130)는 방사적 보정(radiometric calibration), 기하학적 보정(Geometric Calibration) 등을 할 수 있다.The computing unit 130 separates the direct reflection and the mutual reflection using the multi-spectral images taken at the multi-spectral imaging device 110. The computing unit 130 can separate the mutual reflection and the direct reflection from the multi-spectral image acquired for each channel, and performs the photometric stereo using the radiation luminance of the direct reflection without mutual reflection. The photometric stereo can use a known method. The computing unit 130 restores the three-dimensional shape of the object using the surface normal vectors obtained by the photometric stereo method. At this time, since the LED illumination is within a distance of 1m, the illumination may not be uniformly irradiated to each part of the object. Therefore, the computing unit 130 can correct the nonuniformity of the illumination based on the illumination profile obtained by photographing the white plate. The computing unit 130 also corrects the imaging results of the multispectral imaging device 110 using the radiative and geometric characteristics of the multispectral imaging device 110 to obtain physically meaningful results. The computing unit 130 may perform a radiometric calibration, a geometric calibration, and the like.

방사적 보정은 다음과 같이 수행될 수 있다. The radiation correction can be performed as follows.

카메라 응답함수가 선형이라고 할 때, 각 파장 채널별로, 입력 방사휘도와 카메라 신호값들 사이의 선형 변환 함수를 구한다. 방사 보정을 위해서, 24개의 컬러 패치가 있는 X-rite ColorChecker를 사용할 수 있다. 두 개의 LED 조명이 ColorChecker를 45도 각도로 양쪽에서 비춘다. 분광 복사기와 다분광 이미징 장치(110)가 각각 반사되는 방사 휘도를 측정한다. 그리고 두 종류의 측정값을 이용해서, 입력 방사휘도와 카메라 신호 사이의 선형 매핑 함수를 찾는다. 이때, LCTF의 투과율을 고려한다. 다분광 이미징을 보정해주고 나면, 임의의 카메라 신호를 가지고 물리적 방사휘도 값을 구해내는 것이 가능하다. 즉, 다분광 이미징 장치(110)를 2차원 분광 복사기처럼 사용할 수 있다.When the camera response function is linear, a linear transformation function between the input radiation luminance and the camera signal values is obtained for each wavelength channel. For radiation correction, you can use the X-rite ColorChecker with 24 color patches. Two LED lights illuminate the ColorChecker from both sides at a 45 degree angle. The spectral photocopier and multispectral imaging device 110 measure the reflected radiation luminance, respectively. Then, using two kinds of measured values, we find the linear mapping function between the input radiation luminance and the camera signal. At this time, the transmittance of LCTF is considered. Once the multispectral imaging is corrected, it is possible to obtain the physical radiation luminance value with any camera signal. That is, the multispectral imaging device 110 may be used as a two-dimensional spectroscopic copier.

기하학적 보정은 다음과 같이 수행될 수 있다.The geometric correction can be performed as follows.

기하 보정은 포토메트릭 스테레오를 위한 광원의 위치를 찾는 작업이다. 직경을 알고 있는 크롬 구에서 거울 반사가 일어나면, 그 지점에 대해서 반사되는 빛의 방향(R)과 크롬 구의 표면 법선벡터(V)에 대한 정보를 구할 수 있다. 빛 반사의 대칭법칙을 이용하면, 관측 방향(R과 같다)에 대한 입력 빛 방향(L)을 식[

Figure 112015023065051-pat00001
]를 이용해서 구할 수 있다. 모든 광원에 대해 기하 보정을 한다.Geometric correction is the task of locating the light source for photometric stereo. When a mirror reflection occurs in a chrome spheres of known diameter, information about the direction of light (R) reflected from that point and the surface normal vector (V) of the chrome spheres can be obtained. Using the symmetry rule of light reflection, the input light direction (L) for the viewing direction (equal to R)
Figure 112015023065051-pat00001
] Can be obtained. Perform geometric correction on all light sources.

다음에서 컴퓨팅부(130)가 다분광 이미지로부터 획득된 파장별 방사휘도를 기초로 직접반사와 상호반사를 구분하는 방법에 대해 설명한다. 직접반사와 상호반사를 구분하는 것은 측정된 휘도값에서 상호반사를 제거할 수 있다는 것을 의미한다. In the following, a description will be given of how the computing unit 130 distinguishes direct reflection from mutual reflection based on the radiation luminance per wavelength obtained from a multispectral image. Distinguishing between direct and mutual reflections means that the mutual reflections can be removed from the measured luminance values.

컴퓨팅부(130)는 다음과 같이 상호반사를 수학적으로 모델링한다. The computing unit 130 models the mutual reflection mathematically as follows.

빛의 반복적인 이동은 수학식 1과 같이 빛의 입력과 출력 방향에 대해서 수학적으로 모델링된다(J. T. Kajiya, "The rendering equation," in Proc. ACM SIGGRAPH Computer Graphics '86, vol.20, no.4, 1986, pp.143-150).The repetitive movement of light is mathematically modeled on the input and output directions of light as shown in Equation 1 (JT Kajiya, "The rendering equation," in Proc. ACM SIGGRAPH Computer Graphics '86, vol. , 1986, pp. 143-150).

Figure 112015023065051-pat00002
Figure 112015023065051-pat00002

수학식 1에서,

Figure 112015023065051-pat00003
는 표면 반사 함수이고, Nx는 x에서의 표면 법선 벡터이다.In Equation (1)
Figure 112015023065051-pat00003
Is the surface reflection function, and N x is the surface normal vector at x.

난반사 조건에서, 발광 방사휘도

Figure 112015023065051-pat00004
와 반사 함수
Figure 112015023065051-pat00005
는 빛의 입/출력 방향에 영향을 받지 않는다. 비록 입력 방사휘도
Figure 112015023065051-pat00006
는 입력 각도에 영향을 받지만, 난반사 조건에서의 빛 이동 공식은 수학식 2와 같이 간소화될 수 있다.In the diffuse reflection condition,
Figure 112015023065051-pat00004
And reflection function
Figure 112015023065051-pat00005
Is not influenced by the direction of light input / output. Although the input radiation luminance
Figure 112015023065051-pat00006
Is influenced by the input angle, the light movement formula in the diffuse reflection condition can be simplified as shown in Equation (2).

Figure 112015023065051-pat00007
Figure 112015023065051-pat00007

반구

Figure 112015023065051-pat00008
에 대한 구형적분은 표면
Figure 112015023065051-pat00009
에 대한 면적분으로 바뀔 수 있다. 이렇게 하면 수학식 2에서 방향에 대한 조건이 사라지게 되어 수학식 3과 같이 정리된다.hemisphere
Figure 112015023065051-pat00008
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112015023065051-pat00009
Can be changed to an area minute. In this way, the condition for the direction disappears in Equation (2) and is summarized as Equation (3).

Figure 112015023065051-pat00010
Figure 112015023065051-pat00010

여기서

Figure 112015023065051-pat00011
는, 비져빌리티(visibility)를 나타내는 이진함수
Figure 112015023065051-pat00012
와, x와 y의 기하학적 상관관계를 나타내는
Figure 112015023065051-pat00013
의 곱이다. 여기서, x는 거리r에서의 반사 표면(reflected surface)이고, y는 조도 표면(illuminating surface)이다.here
Figure 112015023065051-pat00011
Is a binary function that represents visibility
Figure 112015023065051-pat00012
And a geometric relationship between x and y
Figure 112015023065051-pat00013
. Where x is the reflected surface at distance r and y is the illuminating surface.

수학식 3을 이산 행렬-벡터 형식으로 나타내면 수학식 4와 같다.Equation (3) can be expressed as a discrete matrix-vector format as shown in Equation (4).

Figure 112015023065051-pat00014
Figure 112015023065051-pat00014

수학식 4에서,

Figure 112015023065051-pat00015
은 미소 영역
Figure 112015023065051-pat00016
에서의 방사휘도 벡터(radiance vector)이고,
Figure 112015023065051-pat00017
은 각 미소영역의 발광 방사휘도 벡터(self-emitted radiance vector)이며,
Figure 112015023065051-pat00018
는 각 미소영역의 출력 조도[라디오시티(radiosity)라고도 불린다]이다. 빛의 이동이 평형상태라고 가정하면, 수학식 4는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. 수학식 5를 노이만 시리즈(Neumann series)로 표현하면 수학식 6과 같다.In Equation (4)
Figure 112015023065051-pat00015
The micro region
Figure 112015023065051-pat00016
Gt; is a radiance vector at < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015023065051-pat00017
Is a self-emitted radiance vector of each microdomain,
Figure 112015023065051-pat00018
Is also called the output illuminance (also called radiosity) of each microdomain. Assuming that the movement of light is in an equilibrium state, Equation (4) can be expressed as Equation (5). Equation (5) can be expressed as Neumann series (Equation 6).

Figure 112015023065051-pat00019
Figure 112015023065051-pat00019

Figure 112015023065051-pat00020
Figure 112015023065051-pat00020

수학식 6을 참고하면, 광원에서 출발한 빛이 표면에서 n번째 반사가 되면서 전체 반사되는 에너지는 n차 다항식의 합으로 표현된다. 수학식 6으로 표현된 빛의 이동을 기초로, 광원에서 출발하여 표면에서 n번째 반사되는 빛의 에너지량을 알 수 있다. 이렇게 수학식 6의 n차 항이 n번째 반사되는 빛의 에너지에 해당한다. 컴퓨팅부(130)는 물체의 표면에서 n번째 반사되는 빛의 에너지량을 알 수 있으므로, 상호반사를 제거할 수 있다.Referring to Equation (6), the energy that is totally reflected while the light originating from the light source becomes the n-th reflection from the surface is represented by the sum of the n-th polynomial. Based on the light movement expressed by Equation (6), the amount of energy of the light reflected from the surface starting from the light source can be known. Thus, the nth term in Equation (6) corresponds to the energy of the nth reflected light. Since the computing unit 130 can know the amount of energy of the n-th reflected light from the surface of the object, mutual reflection can be removed.

수학식 6에서 첫 번째 항인 발광 방사휘도(

Figure 112015023065051-pat00021
)를 제외하면, 반사 방사휘도(reflected radiance)(
Figure 112015023065051-pat00022
)는 수학식 7과 같이 반사함수(
Figure 112015023065051-pat00023
)에 대한 다항식으로 표현된다. 반사 방사휘도(
Figure 112015023065051-pat00024
)는 광원에서 떨어진 물체를 촬영하여 구할 수 있다.In Equation 6, the first term is the emission luminous intensity (
Figure 112015023065051-pat00021
), The reflected radiance (
Figure 112015023065051-pat00022
) Is a reflection function (
Figure 112015023065051-pat00023
) ≪ / RTI > Reflected emission luminance (
Figure 112015023065051-pat00024
) Can be obtained by photographing an object away from the light source.

Figure 112015023065051-pat00025
Figure 112015023065051-pat00025

수학식 7의 각 항을 구분할 수 있다면 결과적으로 직접반사와 상호반사를 구분할 수 있다. 수학식 7의 첫 번째 항

Figure 112015023065051-pat00026
이 직접반사에 해당하는 항이고, 나머지 항들이 상호반사에 해당하는 항들이다.As a result, it is possible to distinguish direct reflection from mutual reflection. The first term of equation (7)
Figure 112015023065051-pat00026
Is a term corresponding to direct reflection, and the remaining terms are terms corresponding to mutual reflection.

종래에는 직접반사와 상호반사를 구분하고자 단일 색상 표면과 RGB 프로젝터를 이용한 실험이 수행됐으나, 한 물체를 두고, 다른 표면 함수를 가지도록 촬영하는 것은 굉장히 어려운 일이다. 따라서, 종래에는 상호반사를 구분하는 것이 쉽지 않았다.Conventionally, an experiment using a single color surface and an RGB projector was performed to distinguish direct reflection from mutual reflection, but it is very difficult to shoot an object with different surface functions. Therefore, conventionally, it has not been easy to distinguish mutual reflection.

본 발명은 이러한 어려운 점을 해결하기 위해 파장에 따라 물체가 다른 반사 특성을 갖는 사실을 이용한다. 파장 채널별로 관측된 값들을 같은 물체에서 서로 다른 조도와 서로 다른 반사함수를 가지는 것으로 간주한다. 즉, 본 발명은 물리적 휘도값을 측정하는 용도로 사용되는 다분광 이미징 기법을 이용하여, 조명의 색을 바꾸거나 물체의 반사 특성을 조절할 필요 없이, n번째 반사된 빛을 구분해 낼 수 있다. The present invention utilizes the fact that an object has different reflection characteristics depending on the wavelength in order to solve this difficulty. The values observed for each wavelength channel are considered to have different illuminance and different reflection functions in the same object. That is, the present invention can distinguish the n-th reflected light without changing the color of the illumination or adjusting the reflection characteristic of the object by using the multispectral imaging technique used for measuring the physical luminance value.

수학식 7의 반사 방사휘도 (

Figure 112015023065051-pat00027
)는 수학식 8과 같이
Figure 112015023065051-pat00028
개의 파장 채널들의 n차 다항식으로 표현된다. 수학식 8을 선형 시스템 방정식으로 표현하면 수학식 9와 같다. 수학식 9를 행렬 벡터 형식으로 표현하면 수학식 10과 같다.The reflective emission luminance of (7)
Figure 112015023065051-pat00027
Is expressed by Equation (8)
Figure 112015023065051-pat00028
Order polynomials of the wavelength channels. Equation (8) can be expressed by Equation (9) as a linear system equation. Equation (9) can be expressed as a matrix vector form as shown in Equation (10).

Figure 112015023065051-pat00029
Figure 112015023065051-pat00029

Figure 112015023065051-pat00030
Figure 112015023065051-pat00030

Figure 112015023065051-pat00031
Figure 112015023065051-pat00031

수학식 9와 수학식 10에서,

Figure 112015023065051-pat00032
는 상호반사가 포함되어 이미징 장치에 측정된 다분광 방사 휘도 벡터(multispectral radiance vector that includes interreflection)이고,
Figure 112015023065051-pat00033
는 조도의 분광 프로파일(spectral profile of illumination)이며,
Figure 112015023065051-pat00034
는 반사 함수(reflectance polynomials)이다.
Figure 112015023065051-pat00035
의 각 성분은 조도(
Figure 112015023065051-pat00036
)와 반사 함수(
Figure 112015023065051-pat00037
)의 곱이다. In the equations (9) and (10)
Figure 112015023065051-pat00032
Is a multispectral radiance vector that includes interreflection measured at the imaging device,
Figure 112015023065051-pat00033
Is a spectral profile of illumination,
Figure 112015023065051-pat00034
Is reflectance polynomials.
Figure 112015023065051-pat00035
Each component of the illuminance
Figure 112015023065051-pat00036
) And the reflection function (
Figure 112015023065051-pat00037
).

파장별 조도(

Figure 112015023065051-pat00038
)와 파장별 반사 함수(
Figure 112015023065051-pat00039
) 각각은 기준 물체를 촬영한 다분광 이미지들로부터 구할 수 있다. 이때, 기준 물체는 예를 들면, Spectralon reference tile일 수 있다. 기준 물체(Spectralon)를 촬영 대상(피사체) 옆에 놓아 두면, 촬영 대상을 촬영하면서 기준 물체도 함께 촬영할 수 있다.Illuminance by wavelength (
Figure 112015023065051-pat00038
) And the reflection function by wavelength
Figure 112015023065051-pat00039
) Can be obtained from multi-spectral images of the reference object. At this time, the reference object may be, for example, a Spectralon reference tile. If the reference object (Spectralon) is placed next to the object to be photographed (object), the reference object can also be photographed while the object to be photographed is photographed.

컴퓨팅부(130)는 기준 물체와 촬영 대상(피사체)을 촬영한 다분광 이미지들로부터 단일 색상 물체의 다분광 파장대별 반사 함수(multispectral reflectance)를 구한다. 촬영 대상 물체의 볼록한 부분과 기준 물체(Spectralon)의 밝기 비율이, 촬영 대상의 파장별 반사함수이다. 컴퓨팅부(130)는 이렇게 촬영 대상을 촬영하는 과정에서 반사 함수를 구할 수 있다. The computing unit 130 obtains a multispectral reflectance of a single color object from the multispectral images of the reference object and the object to be imaged (object). The ratio of the brightness of the convex portion of the object to be photographed to the reference object (Spectralon) is a reflection function for each wavelength of the object to be imaged. The computing unit 130 can obtain a reflection function in the process of photographing the object to be photographed.

컴퓨팅부(130)는 수학식 9의 선형 시스템을 풀면, 각 n번째 상호반사를 구할 수 있으므로, 각 항의 상호반사를 분리해 낼 수 있다. If the computing unit 130 solves the linear system of Equation (9), each n-th mutual reflection can be obtained, so that the mutual reflection of each term can be separated.

예를 들어, 29개 채널인 경우, 수학식 9에서

Figure 112015023065051-pat00040
의 row-rank는 상호반사 회수 n보다 높다. 따라서, 수학식 9의 선형 시스템은 과잉 제한(over-constrained) 상태이므로, least-square 최적화나, QR decomposition 또는 SVD를 통해 풀 수 있다. For example, in the case of 29 channels,
Figure 112015023065051-pat00040
Is higher than the number of mutual reflection n. Thus, the linear system of equation (9) is over-constrained and can be solved through least-square optimization, QR decomposition or SVD.

컴퓨팅부(130)는 다분광 이미징 채널수(예를 들면 29개)만큼의 상호반사를 구분해서 제거할 수 있지만, 반사 횟수가 어느 정도를 넘어서면 물리적으로나 수치적으로 의미가 없어진다. 따라서, 컴퓨팅부(130)는 특정 값을 정하고, 특정 값 이후의 다항식 항을 잘라내서 해를 구할 수 있다.The computing unit 130 can remove the mutual reflection as many as the number of multispectral imaging channels (for example, 29), but if the number of reflections exceeds a certain degree, it is physically and numerically meaningless. Accordingly, the computing unit 130 can determine a specific value, and cut the polynomial term after a specific value to obtain a solution.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 3차원 형상 획득 방법의 흐름도이다.6 is a flowchart of a method for acquiring a three-dimensional shape of a multispectral photometric stereo system according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참고하면, 이미징 시스템(100)은 각각의 광원을 이용해서 촬영 대상을 촬영하여 다분광 이미지들을 획득한다(S110). 이때, 반사 함수를 구하기 위한 기준 물체(Spectralon)를 촬영 대상 옆에 두고, 촬영 대상과 기준 물체를 함께 촬영한다. 다분광 이미지들로부터 파장별 반사 방사휘도(

Figure 112015023065051-pat00041
)를 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the imaging system 100 acquires multi-spectral images by photographing an object to be imaged using each light source (S110). At this time, a reference object (Spectralon) for obtaining a reflection function is placed next to the object to be photographed, and the object to be photographed and the reference object are photographed together. Reflection radiance by wavelength from multi-spectral images (
Figure 112015023065051-pat00041
).

이미징 시스템(100)은 다분광 이미지들을 이용하여 촬영 대상의 파장별 반사함수(

Figure 112015023065051-pat00042
)를 계산한다(S120). 촬영 대상의 파장별 반사함수는 파장 채널별 분광 이미지에서 추출된 촬영 대상과 기준 물체의 밝기 비율이다. 특히, 반사함수는 촬영 대상의 볼록한 부분과 기준 물체의 밝기 비율일 수 있다.The imaging system 100 uses the multi-spectral images to determine the reflection function
Figure 112015023065051-pat00042
(S120). The reflection function for each wavelength is the ratio of the brightness of the object and the reference object extracted from the spectral image of each wavelength channel. In particular, the reflection function may be a ratio of the brightness of the reference object to the convex portion of the object to be imaged.

이미징 시스템(100)은 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도(

Figure 112015023065051-pat00043
)를 계산한다(S130). 파장별 조도(
Figure 112015023065051-pat00044
)는 Spectralon을 이용하여 구할 수 있다. The imaging system 100 uses multi-spectral images to measure the illuminance
Figure 112015023065051-pat00043
(S130). Illuminance by wavelength (
Figure 112015023065051-pat00044
) Can be obtained by using Spectralon.

이미징 시스템(100)은 촬영 대상의 파장별 반사함수(

Figure 112015023065051-pat00045
) 그리고 파장별 조도(
Figure 112015023065051-pat00046
)를 이용하여 파장별 반사 방사휘도(
Figure 112015023065051-pat00047
)에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분한다(S140). 즉, 이미징 시스템(100)은 파장별 반사함수(
Figure 112015023065051-pat00048
) 그리고 파장별 조도(
Figure 112015023065051-pat00049
)를 이용하여 파장별 반사 방사휘도(
Figure 112015023065051-pat00050
)에 관계된 n(여기서, n은 파장 채널수보다 작은 자연수이다)차 다항식의 해를 구함으로써, 빛의 1차 반사부터 n차 반사 각각에 의한 에너지를 구분할 수 있다.The imaging system 100 measures the reflection function
Figure 112015023065051-pat00045
) And illuminance by wavelength
Figure 112015023065051-pat00046
) Was used to measure the reflected emission luminance per wavelength
Figure 112015023065051-pat00047
(S140). In the case of the reflection brightness, In other words, the imaging system 100 is able to determine the wavelength-
Figure 112015023065051-pat00048
) And illuminance by wavelength
Figure 112015023065051-pat00049
) Was used to measure the reflected emission luminance per wavelength
Figure 112015023065051-pat00050
(N is a natural number smaller than the number of wavelength channels), which is related to the n-th order reflections of the first order light to the n-th order light.

이미징 시스템(100)은 직접반사에 의한 방사휘도를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행한다(S150).The imaging system 100 performs the photometric stereo using the radiation luminance by direct reflection (S150).

이미징 시스템(100)은 포토메트릭 스테레오로 구한 표면 법선 벡터들을 이용해서 촬영 대상의 3차원 형상을 복원한다(S160).The imaging system 100 reconstructs the three-dimensional shape of the object to be imaged using the surface normal vectors obtained by the photometric stereo (S160).

도 7부터 도 11 각각은 본 발명과 종래 기술을 비교한 결과이다.7 to 11 are the results of comparing the present invention with the prior art.

도 7은 시뮬레이션을 통해 이미징 시스템(100)의 상호반사 제거 알고리즘을 평가한 결과이다. 시뮬레이션은 다분광 경로추적(path-tracing) 렌더러와 미쓰바(Mitsuba)를 사용하였다.FIG. 7 is a result of evaluating the mutual reflection elimination algorithm of the imaging system 100 through simulation. The simulation uses a multi-spectral path-tracing renderer and Mitsuba.

가상의 환경을 구축하고, 물체에 오렌지 색을 입힌 후, 방향성 빛을 조사한다. 시뮬레이션 조명의 스펙트럼은 실험에 사용된 LED 광원의 스펙트럼과 같게 한다. 파장별 반사함수를 구하기 위해, 촬영 대상(해피 부다와 구) 이외에 가상의 흰색 물체(기준 물체)를 추가한다. 이미징 시스템(100)은 4번째 상호반사까지 제거하였다. Build a virtual environment, apply an orange color to the object, and then illuminate the directional light. The spectrum of the simulated illumination is the same as the spectrum of the LED light source used in the experiment. To obtain the reflection function by wavelength, a virtual white object (reference object) is added in addition to the object to be imaged (Happy Body and Ward). The imaging system 100 has removed up to the fourth interreflections.

도 7의 (a)는 입력된 렌더링 이미지로서, 오복한 부분들(벽과 벽사이)은 상호반사로 인해 주위보다 더 밝다. 도 7의 (b)와 (c)는 이미징 시스템(100)이 상호반사를 제거하여 출력한 결과이다. 도 7의 (d)는 가상으로 만들어낸 기준 이미지이다. Fig. 7 (a) is an input rendered image in which the opaque portions (between the wall and the wall) are brighter than the surrounding due to mutual reflection. 7 (b) and 7 (c) are the results of the imaging system 100 removing the mutual reflection. Figure 7 (d) is a virtual reference image.

도 7의 (e)는 이미징 시스템(100)이 상호반사를 제거하여 출력한 결과 이미지(b)와 가상으로 만들어낸 기준 이미지(d) 사이의 PSNR이다. 이미지(b)는 3번째 상호반사까지 제거했을 때부터, 기준 이미지(d)와 거의 동일한 결과를 보인다.Figure 7 (e) is the PSNR between the resulting image (b) produced by the imaging system 100 with mutual reflection removed and the virtually created reference image (d). The image (b) shows almost the same result as the reference image (d) when the third mutual reflection is removed.

도 7의 (e)는 Liao와 동료들의 방법에 의한 PSNR을 보여준다. 도 7의 (e)를 참고하면, 이미징 시스템(100)에 의한 결과가 종래 기술보다 낫다는 것을 보여준다. Figure 7 (e) shows the PSNR by the method of Liao and colleagues. Referring to Figure 7 (e), the results by imaging system 100 are shown to be better than in the prior art.

도 8은 본 발명에 의해 획득된 3D 형상의 정확성을 보여준다.Figure 8 shows the accuracy of the 3D shape obtained by the present invention.

도 8을 참고하면, 단일색상의 L자 형태의 물체를 이용해서 본 발명의 기하학적 정확도를 측정한다.Referring to FIG. 8, the geometric accuracy of the present invention is measured using a monochromatic L-shaped object.

도 8의 (a)는 상호반사가 포함된 3D 형상 복원결과이고, 도 8의 (b)는 상호반사가 제거된 3D형상 복원결과이다. FIG. 8A shows a 3D shape restoration result including mutual reflection, and FIG. 8B shows a 3D shape restoration result in which mutual reflection is removed.

도 8의 (a)는 직각보다 덜 오목한 형태를 보여주지만, 도 8의 (b)에서는 평평한 표면과 곧은 모서리, 그리고 정확한 내각을 가지고 있다. 내각을 구할 때는 표면 법선 벡터 지도상에서 마주보는 두 면의 대칭점들의 사이의 각도를 평균하여 계산할 수 있다. 상호반사가 제거되었을 때, 내각의 정확도는 3가지 테스트 색 (노랑, 빨강, 초록, 파랑)에 대해서 평균적으로 16.75% 향상되었다. 8 (a) shows a less concave shape than a right angle, but FIG. 8 (b) has a flat surface, a straight edge, and an accurate cabinet. When calculating the cabinet, the angle between the symmetry points of two opposing surfaces on the surface normal vector map can be calculated by averaging the angles. When the mutual reflections were removed, the cabinet accuracy improved by 16.75% on average for the three test colors (yellow, red, green, and blue).

도 8의 (c)는 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법과 RGB 카메라를 이용한 상호반사 제거방법, 그리고 빔 프로젝터를 이용한 능동적 상호반사 제거방법을 비교한 결과이다.FIG. 8 (c) is a result of comparing the method of removing multi-spectral mutual reflection according to the present invention, the method of removing mutual reflection using an RGB camera, and the method of removing active mutual reflection using a beam projector.

RGB카메라는 앞서 기술한 방사보정을 그대로 적용하여 보정한다. The RGB camera is calibrated by applying the above-mentioned radiation correction as it is.

본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법이 91.59의 평균 내각과 6.51의 작은 표준편차로 가장 높은 정확도를 보여준다. 능동적 상호반사 제거방법은 96.01의 평균내각과 18.35의 표준편차로 낮은 정확도를 가진다. 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법은 픽셀당 내각을 계산하기 때문에 높은 표준편차는 노이즈가 더 많다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법이 다른 방법들보다 더 잘 동작한다는 것을 의미한다. The multi-spectral antireflectance method of the present invention shows the highest accuracy with an average cabinet of 91.59 and a small standard deviation of 6.51. The active antireflective method has low accuracy with an average cabinet of 96.01 and a standard deviation of 18.35. Since the multi-spectral antireflective method of the present invention calculates the internal angle per pixel, a high standard deviation means that there is more noise. This means that the multi-spectral antithrombia method of the present invention works better than other methods.

도 9는 입력 스펙트럼 채널수에 따른 상호반사 제거 방법의 성능차이를 보여준다. 3차원 물체 스캐닝을 설명하고, 촬영 대상은 오목한 형태의 비누이다. 오목한 형태는 상호반사 효과를 극대화 시켜준다. 비누는 거울반사 특성을 가지고 있기 때문에, 편광 필터를 센서와 광원앞에 각각 달아서 거울반사가 센서로 직접 들어오는 것을 막아준다. 9 shows the performance difference of the mutual reflection elimination method according to the number of input spectrum channels. Three-dimensional object scanning is described, and the subject to be photographed is concave soap. The concave shape maximizes the mutual reflection effect. Since soap has a mirror reflection characteristic, the polarizing filter is stitched in front of the sensor and the light source, respectively, to prevent mirror reflection from coming directly into the sensor.

도 9의 (a)는 3D 레이저 스캐너를 이용해서 얻은 3차원 형상으로서, 기준 이미지이다. 9 (a) is a three-dimensional shape obtained by using a 3D laser scanner, and is a reference image.

도 9의 (b)는 상호반사를 제거하지 않은 순수한 포토메트릭 스테레오 결과물인 표면 법선 벡터지도와 복원된 3D 형상이다. 복원된 3D 형상은 기준 이미지에 비해 평평한 모습을 보인다. Figure 9 (b) shows a surface normal vector map, which is a pure photometric stereo result without removing the mutual reflection, and a reconstructed 3D shape. The reconstructed 3D shape is flat compared to the reference image.

도 9의 (c)와 (d)는 두 종류의 카메라(RGB 카메라와 다분광 이미징 장치)를 이용한 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법의 결과물이다. 도 9의 (c)는 기준 이미지에 비해 평평한 형상을 보이지만 모서리 부분에서의 선명함이 더 잘 표현되고 있다. 도 9의 (d)는 29 채널 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템을 이용한 결과물로서, 기준 이미지에 비해 거의 동일한 3D형상을 복원한다. 충분한 파장 채널을 사용하면, 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법은 물체 표면의 고주파 세부형상을 얻을 수 있고 이는 곧 고품질의 표면 법선 벡터지도와 3D 형상을 복원할 수 있다.Figures 9 (c) and 9 (d) are the results of the multispectral antireflective method of the present invention using two types of cameras (RGB camera and multispectral imaging device). 9 (c) shows a flat shape compared to the reference image, but the sharpness at the corner portion is better represented. FIG. 9 (d) is a result of using the 29-channel multispectral photometric stereo system, and restores the 3D shape substantially identical to the reference image. Using a sufficient wavelength channel, the multiresponse mutual reflection elimination method of the present invention can obtain a high-frequency detailed shape of an object surface, which can restore a high-quality surface normal vector map and a 3D shape.

도 10은 다비드 석고상의 표면 법선 벡터 지도와 복원된 형상을 보여준다.Fig. 10 shows a surface normal vector map and restored shape of a David plaster cast.

도 10을 참고하면, 흰색 석고상은 파장대 별로 반사함수가 거의 같은 값을 보여주기 때문에 수학식 9/수학식 10으로 표현된 선형 시스템의 안정성을 감소시킨다. 따라서 무광 빨간색 페인트를 칠하여 파장 채널별로 다른 반사 함수 값을 가지도록 한다.Referring to FIG. 10, the white plaster image reduces the stability of the linear system expressed by Equation (9) / (Equation 10) because the reflection function shows almost the same value for each wavelength band. Therefore, it is coated with a matte red paint to have different reflection function values for each wavelength channel.

도 10의 (a)는 3D 레이저 스캐너를 이용해서 얻은 3차원 형상이고, 도 10의 (b)는 Liao와 동료들의 방법을 이용해서 얻은 3차원 형상이며, 도 10의 (c)는 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법을 이용해서 얻은 3차원 형상이다. 10 (a) is a three-dimensional shape obtained by using a 3D laser scanner, FIG. 10 (b) is a three-dimensional shape obtained by a method of Liao and colleagues, and FIG. 10 (c) Dimensional shape obtained by using a multi-spectral antireflection method.

다비드 상의 구불구불한 머리모양은 상호반사로 인해 정확한 형상을 측정하기가 어렵다. 3D 레이저 스캐너는 3D 형상복원을 위해 삼각법을 사용하기 때문에, 그 결과가 상호반사에 영향을 받지 않으므로 기준 자료로 활용할 수 있다. 표면 법선 벡터 지도와 복원된 형상에서 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법이 기준 이미지만큼의 고주파 세부 정보를 잘 표현하는 것을 보여준다. It is difficult to measure the exact shape due to the mutual reflection of the twisted head shape on the david. Because 3D laser scanners use trigonometry for 3D shape restoration, they can be used as reference data because the results are not affected by mutual reflection. The method of removing multi-spectral mutual reflection of the present invention in the surface normal vector map and the reconstructed shape shows that the high-frequency detailed information as much as the reference image is well represented.

도 11은 종래의 방법과 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법을 이용해서 얻은 3차원 얼굴 형상을 보여준다.FIG. 11 shows a three-dimensional face shape obtained by using the conventional method and the multispectral mutual reflection elimination method of the present invention.

도 11을 참고하면, 도 11의 (a)와 (c)는 종래의 방법을 이용해서 얻은 3차원 형상이고, 도 11의 (b)와 (d)는 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법을 이용해서 얻은 3차원 형상이다. 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법이 종래의 방법에 비해 정확한 형상을 복원한 것을 알 수 있다. 11 (a) and 11 (c) are three-dimensional shapes obtained by the conventional method, and FIGS. 11 (b) and 11 (d) show the multi- Is a three-dimensional shape obtained by use. It can be seen that the multiresponse mutual reflection elimination method of the present invention has restored an accurate shape compared to the conventional method.

도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 컴퓨팅부의 블록도이다.12 is a block diagram of a computing unit according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참고하면, 컴퓨팅부(130)는 프로세서(131), 메모리 장치(133), 저장 장치(135), 그리고 입출력장치(137) 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 하드웨어와 결합되어 실행되는 다양한 소프트웨어/프로그램이 지정된 장소에 저장된다. 하드웨어는 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다.12, the computing unit 130 includes hardware including a processor 131, a memory device 133, a storage device 135, and an input / output device 137, Various software / programs are stored in designated places. The hardware has a configuration and performance capable of executing the method of the present invention.

컴퓨팅부(130)는 본 발명의 다분광 상호반사 제거 방법 그리고 이를 이용한 3D 형상 복원 방법을 실행할 수 있도록 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 하드웨어에 탑재한다. 프로세서(131)는 메모리 장치(133) 등의 하드웨어와 결합하여 프로그램을 구동함으로써, 본 발명을 실행한다. 컴퓨팅부(130)는 본 발명의 방법을 구동하기 위한 소프트웨어/프로그램을 탑재하고, 이를 실행할 수 있는 성능의 컴퓨터, 서버, 단말 등의 장치일 수 있다. The computing unit 130 loads a program written in a programming language into the hardware so as to execute the multi-spectral mutual reflection elimination method and the 3D shape restoration method using the same. The processor 131 executes the program in combination with hardware such as the memory device 133 to implement the present invention. The computing unit 130 may be a device, such as a computer, a server, a terminal, or the like, having a software / program for driving the method of the present invention and capable of executing the software / program.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiments of the present invention described above are not implemented only by the apparatus and method, but may be implemented through a program for realizing the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

Claims (13)

다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 동작 방법으로써,
촬영 대상과 기준 물체를 촬영한 다분광 이미지들을 이용하여 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계,
상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도를 계산하는 단계,
상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거하는 단계, 그리고
상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계는
상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산하는, 동작 방법.
As a method of operating a multispectral photometric stereo system,
Calculating a reflection function for each wavelength of the object to be photographed using multispectral images of the object to be imaged and the reference object,
Calculating illuminance for each wavelength using the multi-spectral images,
Removing the mutual reflection in the multispectral images based on the reflection function for each wavelength of the object and the illuminance for each wavelength; and
Performing photometric stereo using the result of removing the mutual reflection in the multi-spectral images
Lt; / RTI >
The step of calculating the reflection function for each wavelength of the object
Extracting the brightness of the object to be imaged and the reference object in an image for each wavelength channel included in the multi-spectral images, and calculating a brightness ratio of the object to be imaged and the reference object as a reflection function for each wavelength of the object to be imaged Way.
삭제delete 제1항에서,
상기 상호반사를 제거하는 단계는
상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하고, 상기 파장별 반사 방사휘도에서 상호반사에 의한 방사휘도를 제거하는, 동작 방법.
The method of claim 1,
The step of removing the cross-
The reflection luminous intensity due to the direct reflection and the mutual reflection is distinguished from the reflection luminous intensity for each wavelength obtained from the multispectral images based on the reflection function for each wavelength of the object to be photographed and the illuminance for each wavelength, Thereby eliminating radiation brightness due to mutual reflection.
제3항에서,
상기 상호반사를 제거하는 단계는
상기 파장별 반사 방사휘도에 관계된 n차 다항식의 해를 구하여, 직접반사와 상호반사에 의한 에너지를 구분하고,
상기 n은 파장 채널수보다 작은 자연수인, 동작 방법.
4. The method of claim 3,
The step of removing the cross-
The solution of the n-th order polynomial related to the reflection radiance of each wavelength is obtained, the energy due to the direct reflection and the mutual reflection is separated,
Wherein n is a natural number less than the number of wavelength channels.
제1항에서,
상기 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계는
상기 다분광 이미지들에 포함된 직접반사를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하여 표면 법선 벡터들을 구하고,
상기 표면 법선 벡터들을 이용해서 상기 촬영 대상의 3차원 형상을 복원하는 단계
를 더 포함하는 동작 방법.
The method of claim 1,
Wherein performing the photometric stereo comprises:
Performing photometric stereo using direct reflection included in the multi-spectral images to obtain surface normal vectors,
Reconstructing the three-dimensional shape of the object to be imaged using the surface normal vectors
≪ / RTI >
다분광 포토메트릭 스테레오 시스템의 동작 방법으로써,
복수의 광원을 이용하여 촬영 대상과 기준 물체를 촬영하여 다분광 이미지들을 획득하는 단계,
상기 다분광 이미지들의 파장별 반사 정보를 기초로 상기 촬영 대상의 표면에서의 직접반사와 상호반사를 구분하는 단계, 그리고
구분한 결과를 기초로, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거하는 단계
를 포함하고,
상기 직접반사와 상호반사를 구분하는 단계는
상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도와 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계, 그리고
상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하는 단계를 포함하며,
상기 촬영 대상의 파장별 반사함수를 계산하는 단계는
상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산하는 동작 방법.
As a method of operating a multispectral photometric stereo system,
Acquiring multi-spectral images by capturing an object to be imaged and a reference object using a plurality of light sources,
Separating the direct reflection and the mutual reflection at the surface of the object to be photographed based on the reflection information for each wavelength of the multispectral images, and
Based on the distinguishing result, removing the mutual reflection in the multi-spectral images
Lt; / RTI >
The step of distinguishing the direct reflection from the mutual reflection
Calculating a reflection function for each wavelength and a reflection function for each wavelength of the object using the multi-spectral images, and
And separating the radiation luminance due to the direct reflection and the mutual reflection in the reflection radiation luminance for each wavelength obtained from the multispectral images based on the reflection function for each wavelength of the object to be photographed and the illuminance for each wavelength,
The step of calculating the reflection function for each wavelength of the object
An operation method of extracting the brightness of the object to be imaged and the reference object in an image for each wavelength channel included in the multispectral images and calculating a brightness ratio of the object to be imaged and the reference object as a reflection function for each wavelength of the object to be imaged .
삭제delete 삭제delete 제6항에서,
상기 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하는 단계는
상기 파장별 반사 방사휘도에 관계된 n차 다항식의 해를 구하여, 직접반사와 상호반사에 의한 에너지를 구분하고,
상기 n은 파장 채널수보다 작은 자연수인, 동작 방법.
The method of claim 6,
The step of distinguishing between the direct reflection and the radiation luminance by mutual reflection
The solution of the n-th order polynomial related to the reflection radiance of each wavelength is obtained, the energy due to the direct reflection and the mutual reflection is separated,
Wherein n is a natural number less than the number of wavelength channels.
제6항에서,
상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 단계
를 더 포함하는 동작 방법.
The method of claim 6,
Performing photometric stereo using the result of removing the mutual reflection in the multi-spectral images
≪ / RTI >
다분광 포토메트릭 스테레오 시스템으로서,
촬영 대상과 기준 물체를 촬영한 다분광 이미지들을 입력받고, 상기 다분광 이미지들의 파장별 반사 정보를 기초로 상기 촬영 대상의 표면에서의 직접반사와 상호반사를 구분하며, 상기 다분광 이미지들에서 상호반사를 제거한 결과를 이용하여 포토메트릭 스테레오를 수행하는 컴퓨팅부
를 포함하고,
상기 컴퓨팅부는
상기 다분광 이미지들에 포함된 파장 채널별 이미지에서 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기를 추출하고, 상기 촬영 대상과 상기 기준 물체의 밝기 비율을 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수로 계산하며,
상기 다분광 이미지들을 이용하여 파장별 조도를 계산하고, 상기 촬영 대상의 파장별 반사함수 그리고 상기 파장별 조도를 기초로, 상기 다분광 이미지들로부터 얻은 파장별 반사 방사휘도에서 직접반사와 상호반사에 의한 방사휘도를 구분하는 다분광 포토메트릭 스테레오 시스템.
As a multispectral photometric stereo system,
The method includes receiving multi-spectral images obtained by photographing an object to be imaged and a reference object, distinguishing direct reflection and mutual reflection on a surface of the object to be imaged based on reflection information of each multi-spectral image by wavelength, A computing unit that performs photometric stereo using the result of removing the reflection
Lt; / RTI >
The computing unit
Extracting the brightness of the object to be imaged and the reference object in an image for each wavelength channel included in the multi-spectral images, calculating a brightness ratio of the object to be imaged and the reference object as a reflection function for each wavelength of the object,
Based on the reflection function for each wavelength of the object to be imaged and the illuminance for each wavelength, reflection and mutual reflection at the reflection radiance of each wavelength obtained from the multi-spectral images are calculated by using the multi- Lt; RTI ID = 0.0 > photometric < / RTI > stereo system.
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