KR101642480B1 - 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치에 관한 것으로, 영상 획득 대상인 대상체에 조명광을 조사하는 광원 및 상기 대상체에 대응한 영상을 획득하는 영상센서가 내재 된 카메라를 구비하는 영상획득부 및 상기 대상체에 대응한 영상 획득 환경의 저시정 정도에 따라 상기 조명광의 광량을 제어하고 상기 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 카메라는 상기 제어부의 제어를 받아 저시정 환경에서도 상기 대상체에 대응한 영상을 획득한다.

Description

저시정 환경에 강한 영상 획득 장치{APPARATUS FOR CAPTURING IMAGES IN LOW VISIBILITY ENVIRONMENT}
본 발명은 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 분야에서는 영상 획득 대상인 대상체에 거리 정보인 깊이(depth) 형상 정보를 실시간으로 신뢰성 있게 추출할 수 있는 시스템에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
그래서 깊이 영상 추출 시스템 및 방법을 제공하기 위한 특허문헌 1의 기술이 제안되어 있고, 이 문헌의 기술은 4개의 2차원 영상을 획득하여 포토메트릭 스테레오 기법으로 대상 물체의 깊이 형상을 추출할 수 있도록 하고 있다.
그러나 특허문헌 1을 비롯한 종래의 깊이 영상 추출 시스템은 연무나 안개가 자욱한 환경 등과 같은 저시정(low visibility) 환경에서는 대상체의 2차원 영상이나 대상체의 깊이 영상 정보를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
여기서, 상기 저시정 환경은 카메라의 가시도가 떨어져서 대상체의 2차원 영상이나 대상체의 깊이 영상 정보를 얻을 수 없는 환경이다. 예를 들어, 연기가 자욱한 화재 현장에서는 연기에 의해 가시광선이 차단되어 사람은 눈앞의 물체를 볼 수 없으며, 또한 로봇 전방향 카메라의 영상에서도 물체를 구분할 수 없게 된다. 이는 카메라 센서가 동작하는 가시광선이나 적외선 광선이 연기에 의해 차단되어 카메라의 영상센서에 물체로부터 반사되는 광선이 유입되지 않기 때문이다.
특허문헌 1 : 국내등록특허 10-1087172호 공보(2011. 11. 21.)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 연무나 안개가 자욱한 환경 등의 저시정 환경에서도 대상체의 2D 영상과 깊이(depth) 영상을 획득할 수 있는 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 영상 획득 대상인 대상체에 조명광을 조사하는 광원 및 상기 대상체에 대응한 영상을 획득하는 영상센서가 내재 된 카메라를 구비하는 영상획득부 및 상기 대상체에 대응한 영상 획득 환경의 저시정 정도에 따라 상기 조명광의 광량을 제어하고 상기 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 카메라는 상기 제어부의 제어를 받아 저시정 환경에서도 상기 대상체에 대응한 영상을 획득한다.
또한, 상기 광원은 광량 조절 기능과 스펙클 잡음 감소 기능을 갖는 가변 광조사 광학모듈을 거쳐서 상기 조명광을 상기 대상체에 조사하는 극초단 조명광 모듈일 수 있다.
또한, 상기 가변 광조사 광학모듈은 상기 광량 조절 기능을 갖는 가변광량 조절필터와, 상기 스펙클 잡음 감소 기능을 갖는 스펙클감소기 및 상기 조명광이 확산 되거나 집속되는 광집속/확산 조사기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가변광량 조절필터는 회전각도에 따라 다양한 강도로 상기 조명광의 광량을 감쇠시키는 회전형 광 감쇠 필터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 상기 제어부의 제어를 받아 상기 조명광의 폭 길이를 측정하는 조명광 폭 측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 조명광 폭 측정부는 상기 조명광을 경사진 측정판에 조사하여 경사진 측정판 영상을 획득하는 경사측정판 영상획득모듈과 상기 경사진 측정판 영상으로부터 상기 조명광의 폭 길이를 측정하는 조명광 길이 측정모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 조명광 길이 측정모듈은 하기 수학식에 따라 상기 조명광의 폭 길이를 측정할 수 있다.
Dx=(1/2)×mCosθ
여기서, 상기 Dx는 상기 조명광의 길이이고, 상기 m은 상기 경사진 측정판에서 측정되는 조명광 영상 폭의 강도 프로파일 형태의 중앙값이 가장 큰 삼각형태 또는 가우시안 형태의 강도 패턴을 가질 때 상기 경사진 측정판에서의 영상 폭 길이이며, 상기 θ는 상기 조명광의 진행 방향에 대해 상기 경사진 측정판의 경사 각도이다.
또한, 본 발명의 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 상기 제어부의 제어를 받아 상기 카메라의 영상센서의 노출 상태를 조절하는 적응적 영상획득부 및 상기 제어부의 제어를 받아 상기 조명광의 광량을 조절하는 적응적 광량조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 적응적 영상획득부는 상기 카메라가 획득한 RGI(range-gated image)영상으로부터 픽셀 강도 값의 최대값 이상을 갖는 픽셀 수인 포화량을 측정하는 포화감시모듈과, 상기 포화량이 기 설정된 기준 값 이하가 되도록, 상기 카메라의 노출시간을 조절하는 영상센서 노출조절모듈 및 상기 포화량이 상기 기준 값 이하인 RGI영상들을 누적하는 RGI영상누적모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 적응적 광량조절부는 상기 카메라가 획득한 RGI영상으로부터 영상의 밝기인 광량을 측정하는 광량감시모듈과, 상기 광량이 기 설정된 최저기준 값보다 작으면 상기 조명광의 강도를 증가시키고 상기 광량이 기 설정된 최대기준 값보다 크면 상기 조명광의 강도를 감소시켜, 상기 조명광의 강도를 조절하는 광량조절모듈 및 상기 광량이 최저기준 값보다 크면서 최대기준 값보다 작은 RGI영상들을 누적하는 광량조절 RGI영상누적모듈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 상기 제어부의 제어를 받아 상기 RGI영상 누적모듈 및 상기 광량조절 RGI영상 누적모듈 각각에 누적된 RGI영상들로부터 상기 대상체에 대응한 영상을 생성하는 영상 정보생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 영상 정보생성부는 상기 대상체에 대응한 2D 영상을 생성하는 2차원 영상모듈 및 상기 대상체에 대응하며, 상기 카메라의 영상 획득 환경에 적응적으로 정밀한 정밀 깊이 영상 정보를 생성하는 정밀 깊이 영상모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정밀 깊이 영상모듈은 상기 대상체에 대응한 정밀 깊이 영상 정보를 하기 수학식을 이용하여 생성할 수 있다.
Figure 112014093980817-pat00001
여기서, 상기 r(x,y)는 영상(x, y) 위치에서의 깊이 정보를 나타내는 깊이 영상을 의미하고, 상기 d0는 측정을 시작하는 기본 최초 시작 거리를 의미하고, 상기 ΔS는 매 측정 시마다 증가 되는 측정시작 거리 증가 스텝 값이고, 상기 ρmax는 각 영상(x, y) 위치에서의 거리에 따라 순차적으로 획득한 RGI영상들 중에서 최대 픽셀 강도 값을 갖는 번호이고, 상기 Ιi(x,y)는 i번째로 획득된 RGI 영상(x,y) 위치에서의 픽셀 밝기값이고, 상기
Figure 112014093980817-pat00002
이다.
또한, 상기 영상(x,y) 위치에서의 경계값 θ(x,y)는 하기 수학식을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure 112014093980817-pat00003
여기서, 상기 픽셀 강도 Ιmax(x,y)는 거리에 따라 순차적으로 누적된 RGI영상들 중에서 상기 영상(x,y) 위치에서의 최대 픽셀 값이고, 가중치 값인 상기 β는 기 설정된 0에서 1 사이의 실수 값이다.
본 발명의 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 대상체에 대응한 영상 획득 환경의 저시정 정도에 따라 조명광의 광량을 제어하고 극초단 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어함으로써, 연무나 안개가 자욱한 환경 등의 저시정 환경에서도 대상체의 2D 영상과 깊이 영상을 선명히 얻을 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 개략도,
도 2는 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 블록도,
도 3은 도 2의 극초단 영상획득부를 나타낸 블록도,
도 4는 도 3의 극초단 조명광모듈을 나타낸 개략도,
도 5는 도 3의 조명광 폭 측정모듈을 나타낸 블록도,
도 6은 도 3의 조명광 폭 측정모듈에서 사용되는 경사진 측정판을 나타낸 개략도,
도 7은 도 3의 조명광 폭 측정모듈의 조명광 폭 길이 측정 시 사용되는 조명광의 강도 패턴의 일 예를 도시한 그래프,
도 8은 도 7의 조명광의 폭과 영상센서 감도 폭이 같은 경우의 영상을 도시한 그래프,
도 9는 도 7의 조명광의 폭보다 2배 폭의 영상센서 감도를 갖는 경우의 영상을 도시한 그래프,
도 10은 도 3의 극초단 카메라의 노출신호가 700ps인 경우 경사진 측정판에서 측정된 영상신호를 나타낸 도면,
도 11은 도 3의 극초단 카메라의 노출신호가 1.5ns인 경우 경사진 측정판에서 측정된 영상신호를 나타낸 도면,
도 12는 도 2의 적응적 영상획득부를 나타낸 블록도,
도 13은 도 2의 적응적 광량조절부를 나타낸 블록도,
도 14는 도 2의 영상 정보생성부를 나타낸 블록도,
도 15는 실시 예에 따른 영상 획득 장치의 영상 획득 방법을 나타낸 순서도,
도 16은 도 2의 영상 정보생성부에서 대상체에 대응하여 생성한 영상을 나타낸 도면,
도 17은 도 2의 영상 정보생성부에서 계단형 대상체에 대응하여 생성한 영상을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 영상 획득 장치(1)는 극초단 영상획득부(11), 적응적 영상획득부(13), 고정영상획득부(14), 적응적 광량조절부(15), 영상 정보생성부(17), 영상 디스플레이부(19) 및 제어부(21)를 포함한다. 여기서, 상기 영상 디스플레이부(19)는 영상 정보생성부(17)에서 생성된 2D 영상 및 깊이 영상을 디스플레이한다. 그리고 상기 제어부(21)는 극초단 영상획득부(11), 적응적 영상획득부(13), 적응적 광량조절부(15), 영상 정보생성부(17) 및 영상 디스플레이부(19)를 포함하여 실시 예에 따른 영상 획득 장치(1)의 구성요소를 총괄적으로 제어한다.
이하에서는 상기 극초단 영상획득부(11)에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 극초단 영상획득부를 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 3의 극초단 조명광모듈을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 극초단 영상획득부(11)는 극초단 조명광모듈(31), 극초단 카메라(33), 출력펄스 발생모듈(35), 획득시간 지연모듈(37), 조명광 폭 측정모듈(39) 및 잡음조절모듈(41)을 포함한다. 여기서, 상기 잡음조절모듈(41)은 후술 될 스펙클감소기(103)를 온(on)/오프(off) 시킨다. 그리고 상기 조명광은 나노초(ns) 또는 피코초(ps) 단위의 짧은 폭을 갖는 극초단 레이저 빔 등의 조명광원일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 극초단 조명광 모듈(31)은 대상체(A)에 조명광을 조사하는 광원으로써, 광파이버(51)와 가변 광조사 광학모듈(53)을 순차적으로 거쳐서 조명광을 대상체(A)에 조사한다.
상기 가변 광조사 광학모듈(53)은 가변광량 조절필터(101), 스펙클감소기(103) 및 광집속/확산 조사기(105)를 포함하며, 조명광 폭 측정모듈(39)의 측정 등의 극초단 카메라(33)의 영상 획득 환경에 따라 광량을 조절하고 그 영상 획득 환경에 따라 스펙클 잡음(Speckle Noise) 감소 기능을 수행한다. 즉, 상기 조명광은 광파이버(51)를 통과한 후에 가변광량 조절필터(101)를 통과하면서 광량이 조절되고, 스펙클감소기(103)를 통과하면서 스펙클 잡음이 감소 되며, 광집속/확산 조사기(105)를 통과하면서 조명광이 확산 되거나 집속되어 대상체(A)에 조사된다.
상기 스펙클감소기(103)는 조명광의 스펙클 잡음을 감소시켜 측정기능을 향상시키지만 광량의 강도를 일부 감소시킬 수 있어 필요에 따라 동작 된다.
즉, 연무농도가 강한 환경과 같이 조명광 강도가 충분히 높지 않은 환경에서는 잡음조절모듈(41)이 스펙클감소기(103)를 오프(off) 상태로 두어 스펙클 감소기(103)를 동작시키지 않음으로써, 강도가 센 조명광을 사용하여 대상체(A)를 조명한다. 반면에, 연무농도가 약하거나 맑은 환경과 같이 조명광 강도가 충분히 높은 환경에서는 잡음조절모듈(41)이 스펙클감소기(103)를 온(on)상태로 두어 스펙클감소기(103)를 동작시킴으로써, 정밀도가 높은 영상을 얻도록 한다.
여기서, 상기 가변광량 조절필터(101)는 회전각도에 따라 다양한 강도로 조명광의 광량을 감쇠시킬 수 있는 회전형 광 감쇠 필터를 포함한다. 그리고 상기 스펙클감소기(103)는 확산판일 수 있다. 또한, 상기 광집속/확산 조사기(105)는 카메라의 확대기일 수 있다.
상기 극초단 카메라(33)는 도시하지는 않았지만 대상체(A)에 대응한 영상을 획득하는 영상센서를 구비하며, 여러 노출 시간을 설정하여 각각의 조건에서 RGI(range-gated image)영상을 획득한다. 여기서, 상기 극초단 카메라(33)는 나노초(ns) 또는 피코초(ps) 단위로 영상센서의 노출량를 조절할 수 있다.
이때, 상기 극초단 카메라(33)는 극초단 조명광 모듈(31)에서 조명광을 조사할 때 출력펄스 발생모듈(35)에서 출력되는 티티엘(TTL) 펄스 동기 시간을 인식하고, 그 시간을 기준으로 획득시간 지연모듈(37)에서 설정한 지연시간이 지난 후에 영상센서의 노출시간 동안 영상을 수신한다.
여기서, 상기 극초단 조명광 모듈(31)의 조명광은 저시정 환경인 연무가 자욱한 공간(K)을 통과하면서 일부분은 투과되고 나머지 일부분은 산란 되거나 반사된다. 상기 산란 되거나 반사된 빛은 잡음으로써, 상기 잡음이 극초단 카메라(33)에 영상 정보로 획득될 경우 극초단 카메라(33)의 영상은 흐려지거나 대상체(A)에 대응한 영상이 안 보이게 된다.
이에 따라, 상기 연무가 자욱한 공간(K)의 저시정 환경에서도 극초단 카메라(33)가 최적의 화질을 갖는 대상체(A)에 대응한 영상을 획득할 수 있도록, 출력펄스 발생모듈(35)은 조명광의 조사 시점에 TTL 출력 동기신호를 생성한다. 상기 극초단 카메라(33)는 이 출력 동기신호를 인식하고, 이 시간을 기준으로 획득시간 지연모듈(37)이 설정하는 시간만큼 지연 후에 영상을 획득한다. 이때, 영상을 획득하는 시간은 설정된 노출시간이며, 극초단 카메라(33)는 그만큼 영상을 획득한다.
즉, 상기 극초단카메라(33)는 획득시간 지연모듈(37)의 제어를 받아, 극초단 조명광 모듈(31)의 조명광이 연무가 자욱한 공간(K)을 통과하면서 산란 되거나 반사된 빛이 유입되는 시간 동안에는 극초단 카메라(33) 내부의 영상센서를 잠금 상태로 두어 영상을 얻지 않게 하고, 반면에 대상체(A)로부터 반사되는 빛이 유입되는 시간 동안에는 극초단 카메라(33) 내부의 영상센서를 노출 상태로 두어 극초단 카메라(33)에 대상체(A)에 대응한 영상을 얻도록 한다.
이때, 상기 극초단 카메라(33)는 연무가 자욱한 공간(K)에서 반사되거나 산란 된 빛에 대응한 영상은 없고, 대상체(A)에서 반사된 빛만을 수신하여 대상체(A)에 대응한 영상을 획득함으로써, 연무가 자욱한 공간(K)과 같은 육안으로 보이지 않는 환경에서도 최적의 화질을 갖는 대상체(A)에 대응한 영상을 획득할 수 있다.
여기서, 상기 극초단 카메라(33)의 노출 상태 시간은 극초단 조명광 모듈(31)의 조명광의 폭 길이(d)인 극초단 조명광 모듈(31)의 조명광의 노출 시간과 같을 수 있고 또한, 더 길거나 더 짧을 수도 있다.
도 5는 도 3의 조명광 폭 측정모듈을 나타낸 블록도이다. 도 6은 도 3의 조명광 폭 측정모듈에서 사용되는 경사진 측정판을 나타낸 개략도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 조명광 폭 측정모듈(39)은 조명광의 폭 길이(d)를 구하기 위하여, 경사측정판 영상획득모듈(111) 및 조명광 길이 측정모듈(113)을 포함한다. 여기서, 상기 조명광 폭 측정모듈(39)은 피코초나 나노초의 짧은 조명광의 폭 길이를 측정할 수 있는 고가의 장비가 없을 경우에 효과적으로 사용할 수 있는 기능이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 경사측정판 영상획득모듈(111)은 경사진 측정판(P)에 조명광을 조사하여 경사진 측정판 영상을 획득한다. 이때, 상기 조명광은 X축 방향을 따라 조사된다. 그리고 상기 경사측정판 영상획득모듈(111)은 극초단 카메라(33)에 여러 노출 시간을 설정하여 복수의 RGI영상을 획득한다.
상기 조명광 길이 측정모듈(113)은 경사측정판 영상획득모듈(111)에 의해 획득된 RGI영상들로부터 조명광의 폭 길이(d) 정보를 추정한다.
즉, 상기 조명광 길이 측정모듈(113)은 경사진 측정판(P)에 새겨진 눈금을 읽어 영상 폭 길이 정보를 인식하는 것으로, 조명광의 폭 길이(d) 정보를 추정하기 위하여 상기 경사진 측정판(P)에서 측정되는 조명광에 의한 영상 폭 m과 조명광의 진행 방향인 X축 방향으로의 실제 길이 성분인 Dx와의 관계를 나타내는 하기 수학식 1을 이용한다.
Figure 112014093980817-pat00004
여기서, 상기 조명광 길이 측정모듈(113)은 경사측정판(P)의 경사각도가 θ인 경우에, m/Cosθ 길이를 m 길이로 눈금을 새길 경우, 경사진 측정판(P)에서의 조명광에 의한 영상 폭 길이 m을 mCosθ로 인식한다.
이때, 상기 조명광은 반복적으로 조사하고, 경사 측정판(P)에 획득되는 영상에서 영상 폭의 강도 프로파일(intensity profile) 중앙부가 가장 큰 삼각형태나 가우시안(Gaussian) 형태가 나올 때까지 조명광 길이 측정모듈(113)은 극초단 카메라(33)의 노출 시간을 조정한다.
그러므로 영상 폭의 강도 프로파일이, 중앙부가 가장 강도가 센 삼각형태나 가우시안 형태가 되면, 그때 영상 폭 길이에 대한 눈금 값에 0.5를 곱한 값 즉 (1/2)×mCosθ가 조명광의 폭 길이(d)에 해당하기 때문에, 조명광 길이 측정모듈(113)은 경사 측정판(P)을 사용하여 쉽게 조명광의 폭 길이(d) 정보를 추정한다.
도 7은 도 3의 조명광 폭 측정모듈의 조명광 폭 길이 측정 시 사용되는 조명광의 강도 패턴의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 8은 도 7의 조명광의 폭과 영상센서 감도 폭이 같은 경우의 영상을 도시한 그래프이며, 도 9는 도 7의 조명광의 폭보다 2배 폭의 영상센서 감도를 갖는 경우의 영상을 도시한 그래프이다.
예들 들어, 시간에 따른 극초단 조명광 모듈(31)의 조명광의 강도 패턴이 도 7과 같고 극초단 카메라(33) 내부의 영상센서의 감도가 도 8(a)와 같을 때, 거리에 따라 극초단 카메라(33)에 획득되는 영상은 도 8(b)와 같다. 여기서 조명광의 폭과 영상센서 감도 폭은 W로 동일하다고 가정한다. 이에 따라, 상기 극초단 카메라(33)의 획득되는 영상은 도 8(b)와 같이 영상의 X축 프로파일의 폭이 2W인 가우시안 형태이거나 삼각형태에 가까움으로, 이로부터 산출되는 조명광의 폭 길이(d)는 W이다. 만약, 영상 센서 감도를 도 9(a)와 같이 2W로 설정하면 획득되는 영상의 X축 프로파일은 도 9(b)와 같이 폭이 3W이고 중앙부가 포화 된 형태를 갖는 영상이 획득된다.
도 10은 도 3의 극초단 카메라의 노출신호가 700ps인 경우 경사진 측정판에서 측정된 영상신호를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 3의 극초단 카메라의 노출신호가 1.5ns인 경우 경사진 측정판에서 측정된 영상신호를 나타낸 도면이다.
또 예들 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 전체적인 영상 폭 길이는 중앙부가 가장 큰 삼각형태로 도시된 점선 유추선(L1)을 통해 측정될 수 있다. 즉, 상기 극초단 카메라(33)의 노출신호가 700ps인 경우 경사진 측정판(P)에서 측정된 영상신호가 도 10과 같이 삼각형태일 때, 점선 유추선(L1)이 도시되고 그 폭이 2W인 가우시안 형태이거나 삼각형태에 가까움으로, 이로부터 산출되는 조명광의 폭 길이(d)는 W이기 때문에 약 350ps로 측정된다.
즉, 상기 경사진 측정판(P)의 눈금은 m/Cosθ 길이를 m 길이로 새긴 것으로, L1 폭에 해당하는 눈금을 읽고, 그 값에 1/2을 곱하여 조명광의 길이로 인식한다.
또한, 상기 극초단 카메라(33)의 노출신호가 1.5ns인 경우 경사진 측정판(P)에서 측정된 영상신호가 도 11과 같다.
이하에서는 상기 적응적 영상획득부(13) 및 적응적 광량조절부(15)에 대하여 상세히 설명한다. 여기서, 상기 고정영상획득부(14)에 대하여는 후술한다.
도 12는 도 2의 적응적 영상획득부를 나타낸 블록도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 적응적 영상획득부(13)는 포화감시모듈(131), 영상센서 노출조절모듈(133) 및 RGI영상누적모듈(135)을 포함한다.
상기 포화감시모듈(131)은 극초단 카메라(33)에서 획득한 RGI영상으로부터 포화량을 측정한다. 여기서, 상기 포화량은 픽셀 강도 값의 최대값 이상을 갖는 픽셀 수를 의미한다.
상기 영상센서 노출조절모듈(133)은 포화량이 기준 값 이하가 되도록, 극초단 카메라(33)의 노출시간을 조절한다. 여기서, 상기 기준 값은 획득한 RGI영상 내에서 허용되며 포화 되는 픽셀 수를 의미하고, 이값은 기 설정될 수 있다.
상기 RGI영상누적모듈(135)은 포화량이 설정된 기준 값 이하인 RGI영상들을 누적한다.
도 13은 도 2의 적응적 광량조절부를 나타낸 블록도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 적응적 광량조절부(15)는 광량감시모듈(151), 광량조절모듈(153) 및 광량조절 RGI영상 누적모듈(155)을 포함하며, 조명광의 강도를 조절한다.
상기 광량감시모듈(151)은 극초단 카메라(33)에서 획득한 RGI영상으로부터 영상의 밝기인 광량을 측정한다. 여기서, 상기 광량은 RGI영상의 픽셀 강도 값의 평균값이나 실효 값 혹은 임의의 가중치를 갖는 값으로 설정할 수 있다.
상기 광량조절모듈(153)은 광량이 최저기준 값보다 작으면 조명광의 강도를 증가시키고 광량이 최대기준 값보다 크면 조명광의 강도를 감소시켜 조명광의 강도를 조절하도록, 가변 광조사 광학모듈(53)의 가변광량 조절필터(101)와 스펙클감소기(103)를 제어한다. 여기서, 상기 최저기준 값 및 최대기준 값은 기 설정될 수 있다. 이때, 상기 최대기준 값은 항상 최저기준 값보다 크게 설정한다. 또한, 상기 광량조절모듈(153)의 조명광의 강도 조절은 가변광량 조절필터(101)를 회전시켜 조절할 수 있고, 스펙클감소기(103)를 온(on)/오프(off) 시켜서 조절할 수도 있다.
상기 광량조절 RGI영상 누적모듈(155)은 RGI영상의 밝기 광량이 최저기준 값보다 크면서 최대기준 값보다 작은 RGI영상들을 누적한다.
이하에서는 영상 정보생성부(17)에 대하여 상세히 설명한다.
도 14는 도 2의 영상 정보생성부를 나타낸 블록도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 영상정보생성부(17)는 2차원 영상모듈(171), 정밀 깊이 영상모듈(173)을 포함하며, RGI영상 누적모듈(135) 및 광량조절 RGI영상 누적모듈(155) 각각에 누적된 RGI영상들로부터 대상체(A)에 대응한 2D 영상과 깊이 영상을 생성한다.
상기 2차원 영상모듈(171)은 RGI영상 누적모듈(135) 및 광량조절 RGI영상 누적모듈(155) 각각에 누적된 영상들을 합한 다음에 누적 수로 나누어서 평균영상을 구하여 2D 영상을 생성할 수 있고, 또한 구해진 평균영상에 정규화 신호처리나 특정 구역에 대한 히스토그램 평활화(histogram equalization) 신호처리를 수행하여 2D 영상을 생성할 수 있다.
또한, 상기 2차원 영상모듈(171)은 누적된 RGI영상들 중 영상의 밝기가 지나치게 낮거나 높은 영상은 배제하고 영상의 밝기가 적당한 나머지 영상들을 합한 다음에 더한 수로 나누어서 평균영상을 구하여 2D 영상을 생성할 수 있고, 반대로 상기 2차원 영상모듈(171)은 상기 배제한 영상들을 조합하여 2D 영상을 생성할 수도 있다.
상기 정밀 깊이 영상모듈(173)은 고정된 조명광 강도와 고정된 카메라 노출시간으로 획득한 RGI영상을 이용하여 하기 수학식 2에 의해 정밀 깊이 영상 정보를 생성한다.
Figure 112014093980817-pat00005
여기서, r(x,y)는 영상(x, y) 위치에서의 깊이 정보를 나타내는 깊이 영상을 의미하고, d0는 측정을 시작하는 기본 최초 시작 거리를 의미하며, ΔS는 매 측정 시마다 증가 되는 측정시작 거리 증가 스텝 값이고, ρmax는 각 영상(x, y) 위치에서의 거리에 따라 순차적으로 획득한 RGI영상들 중에서 최대 픽셀 강도 값을 갖는 번호이고, Ιi(x,y)는 i번째로 획득된 RGI 영상(x,y) 위치에서의 픽셀 밝기 값이고,
Figure 112014093980817-pat00006
이다.
또한, 상기 깊이는 카메라와 물체와의 거리를 의미한다. 그리고 영상(x,y) 위치에서의 경계값 θ(x,y)는 하기 수학식 3을 이용하여 결정된다.
Figure 112014093980817-pat00007
여기서, 상기 픽셀 강도 Ιmax(x,y)는 거리에 따라 순차적으로 누적된 RGI영상들 중에서 영상(x,y) 위치에서의 최대 픽셀 값이고, 가중치 값인 β는 기 설정된 0에서 1 사이의 실수 값이다.
이때, 상기 영상정보생성부(17)는 정밀 깊이 영상모듈(173)에서 생성된 정밀 깊이 영상 정보로부터 깊이 영상을 생성한다.
이하에서는 실시 예에 따른 영상 획득 장치(1)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 15는 실시 예에 따른 영상 획득 장치의 영상 획득 방법을 나타낸 순서도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 영상 획득 장치(1)의 영상 획득 방법은 먼저, 상기 극초단 조명광 모듈(31)이 광파이버(51)와 가변 광조사 광학모듈(53)을 거쳐서 조명광을 대상체(A)에 조사할 때, 극초단 카메라(33)는 출력펄스 발생모듈(35)에서 출력되는 티티엘(TTL) 펄스 동기 시간을 인식하고, 그 시간을 기준으로 획득시간 지연모듈(37)에서 설정한 지연시간이 지난 후에 영상센서의 노출시간 동안 영상을 수신하여 대상체(A)에 대응한 영상을 획득한다. 이때, 상기 극초단 카메라(33)는 설정된 노출시간 조건에서 RGI영상을 획득한다.
그리고 실시 예에 따른 영상 획득 장치(1)는 기 설정된 모드선택(2D 영상모드/깊이(depth)영상모드)(S110)에 따라, 2D 영상모드가 선택되면 2D 영상 획득 기능이 동작 되고, 깊이 영상모드가 선택되면 깊이 영상 획득 기능이 동작 된다.
이때, 상기 깊이 영상모드가 선택되면, 획득시간 지연모듈(37)에서 초기값으로 설정한 기본 측정시작 거리 시간 값보다 일정 값을 증가시키고(S210), 상기 증가 된 측정시작 거리 시간에서 고정영상획득부(14)의 내부에 있는 RGI영상 누적모듈은 RGI영상을 획득하고 누적한다(S230). 그리고 상기 고정영상획득부(14)는 측정종료로 판단(S250)될 때까지 반복하여 이전의 측정시작 거리 시간 값에 일정 값을 증가시킨 후에, 증가 된 측정시작 거리 시간에서 RGI영상을 획득하고 이를 누적하는 과정을 반복한다. 여기서, 이전의 측정시작 거리 시간에 추가하는 일정 값은 기 설정될 수 있다. 상기 일정 값은 주로 조명광의 길이 보다 짧은 시간 값이다. 즉, 조명광의 길이 만큼 빛이 광속으로 갈 때의 시간 보다는 짧은 시간 값을 의미한다. 그 다음 측정종료로 판단되면(S250), 영상 정보생성부(17)는 상기 수학식 2를 이용하여 깊이 영상을 생성한다(S270).
한편, 상기 2D 영상모드가 선택되고, 기 설정된 제어선택(포화량제어/광량제어)(S310)에서 광량제어가 선택되면, 획득시간 지연모듈(37)에서 설정한 기본 측정시작 거리 시간 값에 일정 값을 증가시키고(S410). 상기 증가 된 측정시작 거리 시간에서 적응적 광량조절부(15)의 광량조절 RGI영상 누적모듈(155)은 RGI영상을 획득하고(S430), 광량감시모듈(151)은 광량을 측정하여(S450), 상기 측정된 광량이 최저기준값 이하이면(S470) 광량을 증가시켜서(S490) 다시 RGI영상을 측정하고, 만약 상기 측정된 광량이 최대기준값 이상이면(S510) 광량을 감소시켜서(S530) RGI영상을 다시 측정한다. 또한, 상기 측정된 광량이 최저기준값과 최대기준값 사이의 값이면(S470,S510) 그 RGI영상은 누적된다(S550). 그 다음, 측정종료로 판단(S570)될 때까지, 이전 측정시작 거리 시간 값에 일정 값을 증가시키고 나서 그 시간에서 RGI영상을 측정하고 누적하는 과정을 반복한다. 이러한 과정으로 거리에 따른 RGI영상은 획득된다. 계속해서 측정종료로 판단되면(S570), 영상 정보생성부(17)는 누적된 RGI영상들로부터 2D 영상을 생성한다(S810).
또한, 상기 2D 영상모드가 선택되고, 제어선택(S310)에서 포화량제어가 선택되면, 획득시간 지연모듈(37)에서 설정한 기본 측정시작 거리 시간 값에 일정 값을 증가시키고(S610), 상기 증가 된 측정시작 거리 시간에서 RGI영상은 획득된다(S630). 적응적 영상획득부(13)의 포화감시모듈(131)은 포화량을 측정하여(S650), 상기 측정된 포화량이 기준 값 이상이면(S670) 극초단 카메라(33) 영상센서의 노출 시간을 감소시켜서(S690) 다시 RGI영상을 측정하고 포화량을 검사한다. 만약 상기 측정된 포화량이 기준 값 이하이면(S670) RGI영상은 누적이 된다(S710). 이러한 과정은, 측정종료로 판단(S730)될 때까지, 이전 측정시작 거리 시간 값에 일정 값을 증가시키고 나서 그 시간에서 RGI영상을 측정하고 누적하는 과정을 반복하고, 이러한 과정으로 거리에 따른 RGI영상은 획득된다. 계속해서 측정종료로 판단되면(S730), 영상 정보생성부(17)는 누적된 RGI영상들로부터 2D 영상을 생성한다(S810).
도 16은 도 2의 영상 정보생성부에서 대상체에 대응하여 생성한 영상을 나타낸 도면이다.
예들 들어, 육안으로 관찰되지 않는 연무가 자욱한 공간(K) 속 대상체(A)에 조명광을 그대로 조사한 후 극초단 카메라(33)에서 획득한 영상이 도 16(a)와 같을 때, 상기 영상 정보생성부(17)에서는 도 16(b)에 도시된 바와 같은 2D 영상을 생성할 수 있고 또한, 도 16(c)에 도시된 바와 같은 깊이 영상을 생성할 수 있다.
도 17은 도 2의 영상 정보생성부에서 계단형 대상체에 대응하여 생성한 영상을 나타낸 도면이다.
또 예들 들어, 약 2㎝ 높이의 계단형 대상체에 조명광을 그대로 조사한 후 극초단 카메라(33)에서 획득한 영상이 도 17(a)와 같을 때, 상기 스펙클감소기(103)를 동작시킨 후 극초단 카메라(33)에서는 도 17(b)에 도시된 바와 같은 영상을 획득할 수 있다. 그리고 상기 극초단 카메라(33)에서 획득한 영상이 도 17(a)와 같을 때, 상기 영상 정보생성부(17)에서는 도 17(c)에 도시된 바와 같은 깊이 영상을 생성할 수 있다. 또한, 상기 극초단 카메라(33)에서 획득한 영상이 도 17(b)와 같을 때, 상기 영상 정보생성부(17)에서는 도 17(d)에 도시된 바와 같은 깊이 영상을 생성할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 실시 예에 따른 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 대상체에 대응한 영상 획득 환경의 저시정 정도에 따라 조명광의 광량을 제어하고 극초단 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어함으로써, 연무나 안개가 자욱한 환경 등의 저시정 환경에서도 대상체의 2D 영상과 깊이 영상을 선명히 얻을 수 있다.
즉, 실시 예에 따른 저시정 환경에 강한 영상 획득 장치는 상기 극초단 카메라의 영상센서의 노출 상태를 조절하는 적응적 영상획득부 및 상기 조명광의 광량을 조절하는 적응적 광량조절부를 포함함으로써, 상기 조명광이 연기공간을 통과하면서 발생 되는 산란 된 빛 또는 반사된 빛이 유입되는 시간 동안에는 극초단 카메라의 영상센서를 잠금 상태로 두어 영상을 얻지 않게 하고, 반면에 대상체로부터 반사되는 빛이 유입되는 시간 동안에는 극초단 카메라의 영상센서를 노출 상태로 두어 극초단 카메라에 대상체에 대응한 영상을 얻도록 극초단 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변경이나 변형 및 치환이 가능하다.
11: 극초단 영상획득부 13: 적응적 영상획득부
14: 고정영상획득부 15: 적응적 광량조절부
17: 영상 정보생성부 19: 영상 디스플레이부
21: 제어부 31: 극초단 조명광모듈
33: 극초단 카메라 35: 출력펄스 발생모듈
37: 획득시간 지연모듈 39: 조명광 폭 측정모듈
41: 잡음조절모듈 51: 광파이버
53: 가변 광조사 광학모듈 101: 가변광량 조절필터
103: 스펙클감소기 105: 광집속/확산 조사기
111: 경사측정판 영상획득모듈 113: 조명광 길이 측정모듈
131: 포화감시모듈 133: 영상센서 노출조절모듈
135: RGI영상 누적모듈 151: 광량감시모듈
153: 광량조절모듈 155: 광량조절 RGI영상 누적모듈
171: 2차원 영상모듈 173: 정밀 깊이 영상모듈

Claims (14)

  1. 영상 획득 대상인 대상체에 조명광을 조사하는 광원 및 상기 대상체에 대응한 영상을 획득하는 영상센서가 내재 된 카메라를 구비하는 영상획득부;
    상기 대상체에 대응한 영상 획득 환경의 저시정 정도에 따라 상기 조명광의 광량을 제어하고 상기 카메라의 영상센서의 노출 상태를 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어를 받아 상기 카메라의 상기 영상센서의 노출 상태를 조절하는 적응적 영상획득부를 포함하고,
    상기 적응적 영상획득부는,
    상기 카메라가 획득한 RGI(range-gated image)영상으로부터 픽셀 강도 값의 최대값 이상을 갖는 픽셀 수인 포화량을 측정하는 포화감시모듈;
    상기 포화량이 기 설정된 기준 값 이하가 되도록, 상기 카메라의 노출시간을 조절하는 영상센서 노출조절모듈; 및
    상기 포화량이 상기 기준 값 이하인 RGI영상들을 누적하는 RGI영상 누적모듈;
    을 포함하는 영상 획득 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 광량 조절 기능과 스펙클 잡음 감소 기능을 갖는 가변 광조사 광학모듈을 거쳐서 상기 조명광을 상기 대상체에 조사하는 극초단 조명광 모듈인 영상 획득 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가변 광조사 광학모듈은,
    상기 광량 조절 기능을 갖는 가변광량 조절필터;
    상기 스펙클 잡음 감소 기능을 갖는 스펙클감소기; 및
    상기 조명광이 확산 되거나 집속되는 광집속/확산 조사기;
    를 포함하는 영상 획득 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가변광량 조절필터는 회전각도에 따라 다양한 강도로 상기 조명광의 광량을 감쇠시키는 회전형 광 감쇠 필터를 포함하는 영상 획득 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부의 제어를 받아 상기 조명광의 광량을 조절하는 적응적 광량조절부를 더 포함하는 영상 획득 장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 적응적 광량조절부는,
    상기 카메라가 획득한 RGI영상으로부터 영상의 밝기인 광량을 측정하는 광량감시모듈;
    상기 광량이 기 설정된 최저기준 값보다 작으면 상기 조명광의 강도를 증가시키고 상기 광량이 기 설정된 최대기준 값보다 크면 상기 조명광의 강도를 감소시켜, 상기 조명광의 강도를 조절하는 광량조절모듈; 및
    상기 광량이 최저기준 값보다 크면서 최대기준 값보다 작은 RGI영상들을 누적하는 광량조절 RGI영상누적모듈;
    을 포함하는 영상 획득 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부의 제어를 받아 상기 RGI영상 누적모듈 및 상기 광량조절 RGI영상 누적모듈 각각에 누적된 RGI영상들로부터 상기 대상체에 대응한 영상을 생성하는 영상 정보생성부를 더 포함하는 영상 획득 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 영상 정보생성부는,
    상기 대상체에 대응한 2D 영상을 생성하는 2차원 영상모듈; 및
    상기 대상체에 대응하며, 상기 카메라의 영상 획득 환경에 적응적으로 정밀한 정밀 깊이 영상 정보를 생성하는 정밀 깊이 영상모듈;
    을 포함하는 영상 획득 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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