KR101642975B1 - 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법 - Google Patents

객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법 Download PDF

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Abstract

객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법이 개시된다. 상기 방법은 (a) 특정 촬영 공간내에서, 좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축으로 구성된 3차원 공간의 좌표계에서 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영하는 단계; (b) 상기 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영한 후, 고정된 위치에서 소정 각도씩 연속적으로 카메라를 수직회전하여 객체를 촬영하면서 원의 궤도를 따르는 곡면을 형성하며 카메라의 수직 회전을 통해 촬영한 영상을 정합하여 3차원 공간 좌표계에서 입체적인 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링하는 단계; 및 (c) 객체 파노라마 공간 모델시에 카메라의 수직 및 수평회전을 통해 촬영한 객체의 정합 영상을 파노라마 공간모델에 매핑(mapping) 시킴으로써, 객체 내부의 중심과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된 나팔 형태의 객체 파노라마 영상을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법{Panorama Space Modeling Method for Observing an Object}
본 발명은 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 객체를 관찰하는 카메라를 기준으로 한 수직회전과 연속적으로 객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전이동을 통하여 객체 촬영 시에 나팔 형태의 카메라의 공간 모델링함으로써 객체를 관찰하는 파노라마의 생성 기법을 제안하는, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법에 관한 것이다.
1. Introduction
CG(컴퓨터 그래픽스)와 Web3D 또는 VRML 서비스를 위한 저작 도구인 Cult3D, Pulse3D, Java3D, Open GL, Direct3D 브라우저를 사용하여 3차원 그래픽스 소프트웨어를 구현하며, 이미지 기반의 파노라마 영상이 적용되고 있다,
파노라마 공간 모델링은 카메라의 위치, 수직 및 수평 각도와 같은 촬영환경에 매우 밀접하다. 배경을 관찰하기 위한 파노라마의 공간모델과 같은 경우에는 고정된 카메라의 위치에서 주위의 영상들을 촬영하기 때문에, 모델링 시에 촬영 각도만을 고려하여 원통이나 구와 같은 단순한 형태의 파노라마 공간을 생성할 수 있다. 그러나, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간모델과 같은 경우 배경 파노라마와는 다르게 카메라의 촬영 각도[도 6 (a)]뿐만 아니라 카메라가 이동하는 위치[도 6(b)]를 고려하여 공간의 형태를 모델링 해야 한다.
배경 파노라마는 사용자의 시점에서 배경을 현실감 있게 관찰할 수 있도록 많은 정보와 적합한 환경을 제공해 줄 수 있는 장점이 있는 반면에, 가상공간 내 특정 객체에 대해서는 극히 적은 정보만을 제공한다. 객체 파노라마는 이러한 배경 파노라마의 단점을 보완하기 위해 고안되었다. 그러나, 객체 파노라마를 위한 공간 모델링은 단순히 배경 파노라마의 공간모델을 사용하고 있으며, 특정한 촬영 공간 내에서 객체를 회전해가며 영상을 촬영한 후, 이를 순차적으로 보여주는 수준에 머물러 있다. 이러한 객체 파노라마 생성 방법은 단순한 소형 모델에 대해서는 쉽게 파노라마를 생성할 수 있지만, 대형 모델이나 석탑 및 박물관의 전시품과 같이 가치성이 높은 모델들에 대하여 촬영을 위한 공간을 설치하기 어렵고, 특히 모델 자체를 회전시킬 수가 없기 때문에 객체 파노라마 영상을 생성할 수가 없다.
기존의 객체를 관찰하기 위한 파노라마 방법에서는 객체를 촬영하기 위해 객체의 크기에 적절한 특수촬영 공간을 먼저 구성한 뒤, 공간 내에서 객체를 회전해가며 영상을 획득하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방법은 객체의 크기와 그 크기에 따른 촬영공간을 구성해야 하는 어려움 때문에, 객체 파노라마의 다양성을 매우 국한시키는 문제점이 있다.
따라서, 현재의 객체 파노라마의 한계점을 극복하기 위해 일반적인 카메라 촬영 환경에서 객체의 크기에 상관없이 객체에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있는 새로운 형태의 파노라마 공간을 모델링하고, 이를 기반으로 객체 파노라마를 생성하는 방법이 필요하다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 기존의 객체에 대한 파노라마를 생성하는 방법에서는 특수촬영 환경을 구축해야만 하는 큰 제약이 있었으므로, 객체를 관찰하는 카메라의 촬영환경을 기하학적으로 모델링함으로써, 특수촬영 환경 없이도 객체를 관찰할 수 있는 파노라마의 생성 기법을 제안하며, 객체를 관찰하는 카메라를 기준으로 한 수직회전과 연속적으로 객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전이동을 통하여 객체 촬영 시에 나팔 형태의 카메라의 공간 모델링함으로써 객체를 관찰하는 파노라마의 생성 기법을 제안하는, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법은 (a) 특정 촬영 공간내에서, 좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축으로 구성된 3차원 공간의 좌표계에서 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영하는 단계; (b) 상기 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영한 후, 고정된 위치에서 소정 각도씩 연속적으로 카메라를 수직회전하여 객체를 촬영하면서 원의 궤도를 따르는 곡면을 형성하며 카메라의 수직 회전을 통해 촬영한 영상을 정합하며, 파노라마 공간모델에 영상을 매핑할 시에 수직 회전각이 중복 적용되지 않게 정합하여 3차원 공간 좌표계에서 입체적인 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링하는 단계; 및 (c) 객체 파노라마 공간 모델시에 카메라의 수직 및 수평회전을 통해 촬영한 객체의 정합 영상을 파노라마 공간모델에 매핑(mapping) 시킴으로써, 객체 내부의 중심과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된 나팔 형태의 객체 파노라마 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법은 객체에 대한 파노라마를 생성하는 방법에서는 특수촬영 환경을 구축해야만 하는 큰 제약이 있었으므로, 이를 해결하기 위해 객체를 관찰하는 카메라의 촬영환경을 기하학적으로 모델링함으로써, 특수촬영 환경 없이도 객체를 관찰할 수 있는 파노라마의 생성 기법을 제안하며, 실험평가에서는 제안한 방법을 통해 기존의 방법으로는 생성할 수 없었던 대형 객체에 대한 파노라마 생성 결과를 입증하였다.
이상과 같은 본 발명의 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외에 구체적인 사항들은 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 후술하는 실시예들을 참조하면 설명될 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 객체를 관찰하는 파노라마 공간의 형태 결정 과정을 나타낸 도면: (a) 고정된 위치에서의 카메라의 수직회전 변환. (b) 객체를 중심으로 한 카메라의 수평회전 변환. (c) 객체를 관찰하는 카메라의 연속적인 수직 및 수평 회전 변환. (d) 나팔 형태의 파노라마 공간의 형태 결정.
도 2는 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링을 나타낸 도면이다: (a) 원의 집합으로 형성한 파노라마 공간, (b) 기하학적 공간 모델링.
도 3은 수평 및 수직회전을 통해 촬영한 영상들의 정합 영상을 나타낸 사진이다.
도 4는 파노라마 공간에 정합영상들을 매핑한 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 객체에 대한 파노라마 영상을 나타낸 사진이다.
도 6은 객체를 관찰하는 카메라의 촬영 환경을 나타낸 도면: (a) 카메라의 수직 회전, (b) 객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전 이동.
도 7은 나팔 형태의 파노라마 공간 모델: (a) 수직회전 촬영 영상, (b) 객체에 대한 카메라의 수평회전 이동 촬영 영상, (c) 카메라의 연속적인 수직 및 수평 회전을 기반으로 한 나팔형 파노라마 공간 형태 형성.
도 8은 원을 집합으로 형성한 객체 파노라마를 나타낸 도면이다.
도 9는 객체 파노라마 공간 모델링을 나타낸 도면이다.
도 10은 수직 촬영된 영상들의 기하학적 관계: (a) 수직회전 촬영 영상, (b) 수직 회전 촬영된 영상의 정합 경계선, (c) 정합 영상의 기하학적 관계.
도 11은 공간모델의 단면에 대한 정합영상의 변환 과정: (a)파노라마 공간 모델의 단면 추출 및 확장, (b)확장된 공간 모델의 단면에 대한 정합영상의 확장.
도 12는 정합영상과 공간 모델 간의 매핑 과정을 나타낸 도면이다.
도 13은 객체 파노라마 영상 생성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
2. Panorama Space Modeling Method for Observing an Object
본 발명은 객체 파노라마를 생성하기 위해 먼저 카메라의 촬영환경을 고려하여 객체를 중심으로 한 파노라마의 공간 형태를 결정하고, 이를 컴퓨터의 가상환경에 적용할 수 있도록 기하학적으로 모델링하는 과정을 보여준다.
2.1 객체 관찰을 위한 파노라마 공간의 형태 결정
일반적으로, 파노라마 공간 모델링은 카메라의 위치나 객체를 바라보는 카메라의 각도와 같은 촬영환경에 매우 밀접하다. 배경을 관찰하기 위한 파노라마의 공간모델과 같은 경우 고정된 카메라의 위치에서 주위의 영상들을 촬영하기 때문에, 모델링 시에 촬영 각도만을 고려하여 원통이나 구와 같은 단순한 형태의 파노라마 공간을 생성할 수 있다. 그러나, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간모델과 같은 경우 배경 파노라마와는 다르게 고정된 위치에서의 촬영각도 뿐만 아니라, 객체를 바라보는 방향을 고려하여 공간 형태를 모델링해야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간의 형태 결정 과정을 나타낸 도면이다: (a) 고정된 위치에서의 카메라의 수직회전 변환. (b) 객체를 중심으로 한 카메라의 수평회전 변환. (c) 객체를 관찰하는 카메라의 연속적인 수직 및 수평 회전 변환. (d) 나팔 형태의 파노라마 공간의 형태 결정.
좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축일 때, 객체를 관찰하기 위한 촬영환경에서 카메라의 기하학적 변환은 크게 고정된 위치에서 객체를 바라보는 카메라의 수직회전과 객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전으로 나눌 수 있다. 먼저, 객체를 촬영한 영상 평면은 카메라의 초점거리에 위치하게 되는데, 이 때, 도 1의 (a)에 보인 바와 같이 고정된 위치에서 연속적인 수직회전을 통해 객체를 촬영한 영상 평면들은 도 1의 (c)에 보인 바와 같이 카메라의 위치에서 x-z 평면을 기준으로 회전시킨 곡면을 형성한다. 다음으로 도 1의 (b)에 보인 바와 같이 객체의 중심점을 기준으로 동일한 거리를 유지하며 수평회전 이동을 한 후, 연속적인 수직회전을 통해 객체를 촬영하면, 최종적으로 도 1의 (d)와 같은 형태의 입체적인 파노라마 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법은 (a) 특정 촬영 공간내에서, 좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축으로 구성된 3차원 공간의 좌표계에서 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영하는 단계; (b) 상기 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영한 후, 고정된 위치에서 소정 각도씩 연속적으로 카메라를 수직회전하여 객체를 촬영하면서 원의 궤도를 따르는 곡면을 형성하며 3차원 공간 수직 회전을 통해 촬영한 영상을 정합하며 파노라마 공간모델에 영상을 매핑할 시에 수직 회전각이 중복 적용되지 않게 정합하여 좌표계에서 입체적인 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링하는 단계; 및 (c) 객체 파노라마 공간 모델시에 카메라의 수직 및 수평회전을 통해 촬영한 객체의 정합 영상을 파노라마 공간모델에 매핑(mapping) 시킴으로써, 객체 내부의 중심과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된 나팔 형태의 객체 파노라마 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
2.2 파노라마 공간 모델링
도 2는 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링을 나타낸 도면이다: (a) 원의 집합으로 형성한 파노라마 공간. (b) 기하학적 공간 모델링.
도 1의 (d)에 보인 파노라마 공간은 도 2의 (a)에서 보인 바와 같이 객체의 중심점과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된다. 이 때, 객체 내부의 최하단의 원에 대한 반지름(r)은 지면과 수평하게 객체를 바라보며 촬영한 영상의 평면 너비(Iw)로 결정할 수 있다. 그리고, 고정된 위치에서 카메라의 수직회전에 의해 변화되는 객체 내부의 원에 대한 반지름은 카메라의 초점거리(Fc, Focal length)를 이용하여 다음의 수학식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00001
여기서, r은 객체 내부의 원에 대한 반지름, Fc는 카메라의 초점거리, θ는 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도, Iw는 거리 촬영한 영상의 평면 너비를 나타낸다.
그리고, 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도는 최소 0 °부터 최대 90° 사이임으로 수학식(1)과 다음의 수학식(2)를 이용하면, 도 2의 (b)에 보인 바와 같은 파노라마 공간을 모델링 할 수 있다. 수학식(2)에서 x, y, z는 좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축일 때, 3차원 공간의 좌표를 나타낸다.
Figure 112015040865935-pat00002
따라서, 본 파노라마 공간 모델에 카메라의 수직 및 수평회전을 통해 촬영한 객체의 영상을 매핑(mapping) 시킴으로써, 객체를 관찰할 수 있는 나팔 형태의 파노라마 영상을 생성할 수 있다.
도 2는 파노라마 공간 모델링을 나타낸 도면이다: (a) 원의 집합으로 형성한 파노라마 공간. (b) 기하학적 공간 모델링.
3. Experiment and Evaluation
본 발명에서 제안하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법을 실험하기 위하여 기존의 방법으로는 생성할 수 없는 대형 객체인 국내의 문화재 천수사 5층 석탑(약 5m)을 찰영 대상으로 선정하였고, 촬영한 영상을 가상환경에서 관찰하기 위하여 C++ 및 OpenCV를 기반으로 컴퓨터 프로그램을 구현하였다.
도 3은 수평 및 수직회전을 통해 촬영한 영상들의 정합 영상을 나타낸 사진이다. 도 4는 파노라마 공간에 정합영상들을 매핑한 결과를 나타낸 사진이다.
먼저, 도 3은 석탑의 한 면을 기준으로 0°부터 90°까지 카메라를 약 22.5°(객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전 각도)씩 수평회전 이동을 한 후, 이동한 위치에서 약 5°(카메라의 수직회전 각도)씩 수직회전 각도를 높여가며 촬영한 영상들의 정합 결과를 보여준다.
도 4는 수학식(1)과 수학식(2)를 통해 모델링 한 파노라마 공간에 앞서 정합한 영상들을 매핑한 결과를 보여준다. 이 때, 파노라마 공간을 모델링하기 위해 필요한 반지름(r)과 초점거리(Fc)는 영상의 크기와 카메라의 파라미터[8]를 이용하여 산출하였다. 그리고. 도 5는 생성한 파노라마를 관찰하기 위해 가상환경 내에서 사용자의 위치를 카메라의 위치와 동일하게 한 후, 객체를 관찰한 결과를 보여준다.
도 4에서 (a), (b), (c), (d)는 카메라의 수직회전 각도를 5° 단위로 점차적으로 증가시켰을 때의 파노라마 영상들을 나타내고 있으며, 각도가 증가할수록 원근감이 더해져 객체를 정면에서 위로 바라보는 것과 같은 현장감을 확인할 수 있다. 또한, 사용자의 위치를 객체를 기준으로 0°부터 90°까지 수평회전이동을 하였을 때를 나타내는 (e), (f), (g), (h), (i)까지의 영상에서는 객체에 대한 세부정보를 확인할 수 있다.
기존의 객체를 관찰하기 위한 파노라마 방법에서는 객체를 촬영하기 위해 객체의 크기에 적절한 특수촬영 공간을 먼저 구성한 뒤, 공간 내에서 객체를 회전해가며 영상을 획득하는 방법을 이용하였다. 그러나 이러한 방법은 객체의 크기와 그 크기에 따른 촬영공간을 구성해야 하는 어려움 때문에, 객체 파노라마의 다양성을 매우 국한시키는 문제가 있었다. 하지만, 제안한 방법에서는 고정된 객체를 기준으로 카메라의 촬영환경을 기하학적으로 모델링함으로써, 객체의 크기와 이를 촬영하기 위한 공간에 제약적이지 않은 파노라마 영상을 생성할 수 있었다.
4. 나팔 형태의 객체 파노라마 영상 생성
객체 파노라마 영상을 생성하기 위해 먼저 카메라의 촬영환경을 고려하여 객체를 중심으로 한 파노라마의 공간 형태를 결정하는 방법과 이를 모델링 하는 과정을 설명한다. 다음으로 객체를 촬영한 영상들을 정합하고, 정합한 영상을 파노라마 공간모델에 매핑(mapping)시켜 사용자가 관찰할 파노라마 영상을 생성하는 방법을 설명한다.
4.1 객체 관찰을 위한 파노라마 공간의 형태 결정
일반적으로 파노라마 공간 모델링은 카메라의 위치, 수직 및 수평 각도와 같은 촬영환경에 매우 밀접하다. 배경을 관찰하기 위한 파노라마의 공간모델과 같은 경우에는 고정된 카메라의 위치에서 주위의 영상들을 촬영하기 때문에, 모델링 시에 촬영 각도만을 고려하여 원통이나 구와 같은 단순한 형태의 파노라마 공간을 생성할 수 있다. 그러나, 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간모델과 같은 경우에는 배경 파노라마와는 다르게 카메라의 촬영 각도[도 6(a)]뿐만 아니라 카메라가 이동하는 위치[도 6(b)]를 고려하여 공간의 형태를 모델링 해야만 한다.
객체를 관찰하기 위한 촬영환경에서 카메라의 기하학적 변환은 도 7에 보인 바와 같이, 크게 카메라를 기준으로 한 수직회전[도 7(a)]과 객체를 기준으로 한 카메라의 수평회전 이동[도 7(b)]으로 나눌 수 있다. 먼저, 고정된 위치에서 카메라의 수직회전을 통하여 객체를 촬영할 시에는 영상들은 카메라의 초점거리 위치에 생성된다. 그리고 연속적인 수직회전을 통해 촬영한 영상들은 도 7의 (c) 좌측영상에 나타낸 바와 같이 원의 궤도를 따르는 곡면을 형성한다. 또한, 이러한 영상들을 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리에서 연속적으로 수평회전 이동을 하여 촬영하면, 최종적으로는 도 7의 (c) 우측영상과 같은 나팔형태의 입체적인 파노라마 공간을 형성하게 된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 카메라의 촬영환경에 의해 나타나는 나팔형태의 파노라마 공간을 모델링 하고, 이를 기반으로 객체 파노라마 영상을 생성하는 방법을 제시한다.
4.2 나팔 형태의 객체 파노라마 공간 모델링
나팔형태의 파노라마 공간은 도 8에 도시된 바와 같이, 객체 내부의 중심과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된다. 이 때, 객체 내부의 최하단의 원에 대한 반지름은 객체를 지면과 수평하게 촬영한 영상의 너비(I w )로 결정할 수 있다. 그리고 고정된 카메라의 수직회전에 의해 높이별로 변화되는 객체 내부의 원에 대한 반지름은 카메라의 초점거리(F c )를 이용하여 다음의 식3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00003
여기서, r은 객체 내부의 원에 대한 반지름, Fc는 카메라의 초점거리, θ는 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도, Iw는 거리 촬영한 영상의 평면 너비를 나타낸다.
또한, 객체를 촬영하는 수직 회전 각도는 최소 0°부터 최대 90°사이임으로 식3을 이용하면, 식4와 같이 나팔 형태의 파노라마 공간을 모델링 할 수 있다. 다음의 수식에서 x, y, z는 3차원 공간의 좌표 값을 나타낸다.
Figure 112015040865935-pat00004
결과적으로 정의한 수식들을 통하여 도 9에 도시된 바와 같이 객체를 촬영하는 카메라의 환경을 고려한 나팔형태의 파노라마 공간(이하, 객체 파노라마 공간 또는 공간모델)을 모델링 할 수 있다.
4.3 카메라의 수직회전을 통해 촬영한 영상들의 정합
객체 파노라마 공간을 모델링 시에 카메라의 수직 회전 각도에 대한 촬영환경을 적용하였다. 이는 파노라마 영상을 생성하기 위하여 촬영한 영상을 시점변환 없이 정합하여 사용할 경우, 영상에 공간모델의 수직 회전각과 실제 촬영 시의 수직 회전각이 중복되어 적용됨으로써 영상에서 왜곡이 발생됨을 나타낸다. 따라서 이러한 왜곡을 방지하기 위해 도 10를 참조하여 다음의 식5부터 식7까지의 과정을 통하여 카메라의 수직 회전각을 산출하고, 산출한 회전각을 기반으로 객체 영상들을 x-y 평면에 사영하여 왜곡이 발생하지 않도록 정합한다.
객체를 기준으로 고정된 위치에서 수직 회전하여 촬영한 영상들[도 10(a)]은 도 10(b)에 보인 바와 같이 각 영상들의 중심으로부터 같은 거리에 있는 경계선을 기준으로 정합된다. 그리고 이는 도 10(c)와 같은 기하학적 관계를 가지게 되며, 다음의 수학식5를 통하여 카메라의 위치에서부터 두 영상(I 0 , I 1 )이 정합된 경계선까지의 거리(d C-D )를 산출할 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00005
수학식(5)에서 D o 는 수직 촬영한 두 영상의 중첩영역에 대한 길이를 나타내고, I h 와 F c 는 각각 영상의 높이와 카메라의 초점거리를 나타낸다. 수식(5)의 과정을 통하여 카메라의 위치부터 경계선까지의 거리를 산출함으로써, 다음의 식6를 통하여 카메라의 수직회전 각도(θ x )를 도출할 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00006
그리고 도출한 θ x 를 식7에 적용하여 영상 I 1 을 x-y 평면에 사영하여 I P 를 생성한다.
Figure 112015040865935-pat00007
식5부터 식7까지의 과정을 통하여 I 1 을 사영한 영상인 I P 를 생성하고, 이를 x-y 평면과 평행한 I 0 에 정합함으로써, 파노라마 공간모델에 영상을 매핑할 시에 수직 회전각이 중복 적용되지 않게 하는 정합 영상을 획득할 수 있다. 이를 기반으로 고정된 위치에서 수직회전을 통하여 촬영한 영상들을 모두 정합한 영상을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00008
식8에서 I는 고정된 위치에서 객체를 수직 회전하여 촬영한 영상들을 모두 정합한 영상(이하, 정합영상)을 나타내며, I 0 는 최초의 카메라 시전에서 객체를 촬영한 영상으로 정합의 기준이 된다. 그리고 I n 은 순차적으로 수직회전각을 높여가며 촬영한 영상을 나타내고, θ n 은 I 0 과 I n 이 이루는 사이각을 나타낸다.
4.4 객체 파노라마 공간과 정합영상의 매핑
장방형의 정합영상을 나팔형태의 공간모델에 대해 매핑하면, 모델을 구성하는 원의 둘레가 정합된 영상의 너비보다 크고, 모델의 상층부로 갈수록 원의 지름이 영상의 너비보다 커지기 때문에 파노라마 공간 표면에는 복수의 홀(hole)이 발생하게 된다. 따라서 이러한 홀의 발생을 방지하기 위하여 도 11을 기준으로 다음의 과정을 통하여, 장방형의 정합영상을 파노라마 공간모델의 표면에 적합하게 매핑할 수 있는 형태로 변환한다.
먼저 파노라마 공간모델의 표면을 생성하기 위하여 공간모델로부터 단면을 추출한다. 그리고 식3을 이용하여 각각의 높이에 대한 원의 둘레(원주)를 산출하고, 추출한 단면의 너비를 높이별(Fcsinθ)로 산출한 각각의 원주에 맞추어 확장시킨다(도 11(a)). 확장된 단면은 파노라마 공간모델의 전체 표면을 나타낸다. 이 때, 카메라의 가시영역은 공간모델을 바라보는 시점을 기준으로 공간모델 표면의 법선벡터가 최대 ±90°인 표면들만을 볼 수 있고, 이는 원주의 절반에 해당함으로 확장한 모델 단면의 너비를 절반으로 줄인다. 다음으로 정합한 영상을 확장한 모델 단면에 맞추어 너비를 확장시킴으로써, 공간모델의 표면 형태와 동일하게 변형한 정합영상을 생성할 수 있다[도 11(b)]. 그리고 변환된 정합영상 내에 발생하는 홀들은 쌍일차보간을 수행하여 채운다.
본 과정을 통하여 생성한 정합영상은 도 12를 기준으로 다음의 식9부터 식12까지의 과정을 통하여 공간모델의 표면에 홀이 생기지 않게 픽셀 단위로 매핑이 가능하다.
도 12는 x-z 평면에 대해 확장된 정합영상과 공간모델간의 기하학적 관계를 보여준다. 이를 기반으로 정합영상과 공간모델을 매핑할 기준점을 생성하기 위해, 먼저 정합영상의 좌우 끝의 두 점(P I1 , P I2 )과 이 두 점이 공간모델을 구성하는 원에서 매핑될 지점인 두 점(P O1 , P O2 )을 기준으로 다음의 식9와 같은 직선들(l 1 , l 2 )을 생성한다.
Figure 112015040865935-pat00009
그리고 식9의 두 직선을 x에 관해 정리하면 식10과 같이 두 직선의 교차점(P C )을 정의할 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00010
다음으로 산출한 교차점 P C 와 P I1 부터 P I2 사이의 픽셀을 나타내는 임의의 점 P x 와의 직선의 방정식을 다음의 식11과 같이 도출하고,
Figure 112015040865935-pat00011
이를 식12의 x-z 평면 위에서 공간모델을 구성하는 원의 방정식에 적용함으로써, 정합영상의 픽셀을 모델 표면에 위치시킬 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00012
결과적으로, 본 과정을 객체를 구성하는 원들과 정합영상에 대해 높이별(Fcsinθ)로 적용함으로써, 정합영상을 공간모델의 표면에 홀이 발생하지 않게 매핑시킬 수 있다.
3.5 객체 파노라마 영상 생성
카메라의 위치에서 볼 수 있는 객체 파노라마 공간의 표면 정보는 카메라의 시점 벡터와 공간모델의 표면 법선 벡터와의 사이각이 0°부터 ±90°인 영역으로 제한된다. 즉, 이는 도 13을 기준으로 카메라의 위치(P c )에서 관찰할 수 있는 파노라마 공간모델의 영역은 점 P l1 과 점 P r1 사이임을 나타낸다. 따라서 사용자가 관찰할 객체 파노라마 영상을 생성하기 위해 점 P l1 과 점 P r1 의 x축 좌표를 산출한다.
먼저 도 13에서 삼각형 oPcPr1 과 삼각형 oPr2Pr1 은 직각삼각형의 닮음 조건을 만족한다. o는 원을 이루는 객체의 중심점, Pr1는 Pc(0, ysinθ, r + Fc)에서 카메라의 초점거리(Fc) 인 반지름(r)과 수직을 이루는 교차점, Pr2는 Pc(0, ysinθ, r + Fc)과 Pr1의 직선을 그었을때 x축과의 교차점, θ A 는 직선 OPr2와 OPr1의 각도, θ A 는 직선 OPc와 OPr1의 각도이다. 이는 θ A 와 θ C 가 동일한 크기의 각도임을 보여주며, 이를 사용하여 Pr1 의 x축 좌표는 rcosθ A 또는 rcosθ C 로 나타낼 수 있다. 따라서, 삼각형 oPcPr1 에 피타고라스의 정리를 적용하여 cosC 를 다음의 식13과 같이 반지름(r)과 초점거리(Fc )로 나타낼 수 있으며,
Figure 112015040865935-pat00013
이를 이용하여 점 P r1 과 점 P l1 의 x축 좌표 값을 식14와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112015040865935-pat00014
최종적으로 객체에 대해 사용자가 관찰할 파노라마 영상은 파노라마 공간모델을 구성하는 원들에 대해 높이별(Fcsinθ)로 Pl1 과 Pr1 의 사이에 있는 픽셀들을 도 13에 보인 바와 같이 객체 파노라마 영상평면에 사영시켜 객체 파노라마 영상을 생성한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터의 소프트웨어를 이용하여 읽을 수 있는 형태로 기록매체(CD-ROM, RAM, ROM, 플래시 메모리, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
r: 객체 내부의 원에 대한 반지름,
Fc: 카메라의 초점 거리,
θ: 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도,
Iw: 거리 촬영한 영상의 평면 너비

Claims (5)

  1. (a) 특정 촬영 공간의 좌측 하단 방향이 x축, 수직 방향이 y축, 우측 방향이 z축으로 구성된 3차원 공간의 좌표계에서 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영하는 단계;
    (b) 상기 객체의 중심점을 기준으로 동일 거리를 유지하며 x-z 방향으로 일정 각도씩 카메라의 수평회전 이동하여 객체를 촬영한 후, 고정된 위치에서 소정 각도씩 연속적으로 카메라를 수직회전하여 촬영하면서 원의 궤도를 따르는 곡면을 형성하며 카메라의 수직 회전을 통해 촬영한 영상을 정합하며, 파노라마 공간모델에 영상을 매핑할 시에 수직 회전각이 중복 적용되지 않게 하도록 정합하여 3차원 공간 좌표계에서 입체적인 나팔 형태의 파노라마 공간 모델링하는 단계; 및
    (c) 객체 파노라마 공간 모델시에 카메라의 수직 및 수평회전을 통해 촬영한 객체의 정합 영상을 파노라마 공간모델에 매핑(mapping) 시킴으로써, 객체 내부의 중심과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성된 나팔 형태의 객체 파노라마 영상을 생성하는 단계;
    를 포함하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 객체의 중심점과 카메라의 초점거리(Fc)에 의해 서로 다른 반지름을 가지는 원들의 집합으로 형성되며, 객체 내부의 최하단의 원에 대한 반지름(r)은 지면과 수평하게 객체를 바라보며 촬영한 영상의 평면 너비(Iw)로 결정할 수 있으며, 고정된 위치에서 카메라의 수직회전에 의해 변화되는 객체 내부의 원에 대한 반지름은 카메라의 초점거리(Fc, Focal length)를 이용하여 다음의 식(1)과 같이 나타내며,
    -
    Figure 112015040865935-pat00015
    식(1)- 단, r은 객체 내부의 원에 대한 반지름, Fc는 카메라의 초점, θ는 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도, Iw는 거리 촬영한 영상의 평면 너비를 의미하며, 그리고,
    객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도는 최소 0 °부터 최대 90° 사이임으로 식(1)과 다음의 식(2)를
    -
    Figure 112015040865935-pat00016
    식(2)-
    사용하여 파노라마 공간을 모델링하는 것을 특징으로 하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b)의 상기 카메라의 수직회전을 통해 촬영한 영상들의 정합은
    객체 파노라마 공간을 모델링 시에 카메라의 수직 회전 각도에 대한 촬영을 적용하여 파노라마 영상을 생성하기 위해 촬영한 영상을 시점변환 없이 정합하여 사용할 경우, 영상에 공간모델의 수직 회전각과 실제 촬영 시의 수직 회전각이 중복되어 적용됨으로써 영상에서 왜곡을 방지하기 위해 다음의 식5부터 식7까지의 과정을 통하여 카메라의 수직 회전각을 산출하고, 산출한 회전각을 기반으로 객체 영상들을 x-y 평면에 사영하여 왜곡이 발생하지 않도록 정합하며,
    객체를 기준으로 고정된 위치에서 수직 회전하여 촬영한 각 영상들의 중심으로부터 같은 거리에 있는 경계선을 기준으로 정합되며, 다음의 식5를 통하여 카메라의 위치에서부터 두 영상(I 0 , I 1 )이 정합된 경계선까지의 거리(d C-D )를 산출하며,
    -
    Figure 112015040865935-pat00017
    (식5) -
    식(5)에서 D o 는 수직 촬영한 두 영상의 중첩영역에 대한 길이, I h 와 F c 는 각각 영상의 높이와 카메라의 초점거리를 나타내며, 식(5)의 과정을 통하여 카메라의 위치부터 경계선까지의 거리를 산출함으로써, 다음의 식6를 통하여 카메라의 수직회전 각도(θ x )를 도출할 수 있으며,
    -
    Figure 112015040865935-pat00018
    식(6) -
    그리고 도출한 θ x 를 식7에 적용하여 영상 I 1 을 x-y 평면에 사영하여 I P 를 생성하며,
    -
    Figure 112015040865935-pat00019
    식(7) -
    식5부터 식7까지의 과정을 통하여 I 1 을 사영한 영상인 I P 를 생성하고, 이를 x-y 평면과 평행한 I 0 에 정합함으로써, 파노라마 공간모델에 영상을 매핑할 시에 수직 회전각이 중복 적용되지 않게 하는 정합 영상을 획득할 수 있으며, 이를 기반으로 고정된 위치에서 수직회전을 통하여 촬영한 영상들을 모두 정합한 영상을 다음 식8과 같이 나타내며,
    -
    Figure 112015040865935-pat00020
    식(8) -
    식8에서 I는 고정된 위치에서 객체를 수직 회전하여 촬영한 영상들을 모두 정합한 영상(이하, 정합영상)을 나타내며, I 0 는 최초의 카메라 시전에서 객체를 촬영한 영상으로 정합의 기준이 되며, I n 은 순차적으로 수직회전각을 높여가며 촬영한 영상을 나타내고, θ n 은 I 0 과 I n 이 이루는 사이각을 나타내는 것을 특징으로 하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(c)의 객체 파노라마 공간과 정합영상의 매핑은
    장방형의 정합영상을 나팔형태의 공간모델에 대해 매핑하면, 모델을 구성하는 원의 둘레가 정합된 영상의 너비보다 크고, 객체 파노라마 모델의 상층부로 갈수록 원의 지름이 영상의 너비보다 커지기 때문에 파노라마 공간 표면에는 복수의 홀(hole)이 발생하게 되며, 이러한 홀의 발생을 방지하기 위해 장방형의 정합영상을 파노라마 공간모델의 표면에 매핑할 수 있는 형태로 변환하며,
    -
    Figure 112016063364362-pat00040
    식(3) -
    r은 객체 내부의 원에 대한 반지름, Fc는 카메라의 초점거리, θ는 객체를 촬영하는 카메라의 수직회전 각도, Iw는 거리 촬영한 영상의 평면 너비이며,
    먼저 파노라마 공간모델의 표면을 생성하기 위하여 공간모델로부터 단면을 추출하고 식3을 이용하여 각각의 높이에 대한 원의 둘레(원주)를 산출하고, 추출한 단면의 너비를 높이별(Fcsinθ)로 산출한 각각의 원주에 맞추어 확장시키며, 확장된 단면은 파노라마 공간모델의 전체 표면을 나타내고, 이 때, 카메라의 가시영역은 공간모델을 바라보는 시점을 기준으로 공간모델 표면의 법선벡터가 최대 ±90°인 표면들만을 볼 수 있고, 이는 원주의 절반에 해당함으로 확장한 모델 단면의 너비를 절반으로 줄이고, 다음으로 정합한 영상을 확장한 모델 단면에 맞추어 너비를 확장시킴으로써, 공간모델의 표면 형태와 동일하게 변형한 정합영상을 생성하며, 그리고 변환된 정합영상 내에 발생하는 홀들은 쌍일차보간을 수행하여 채우며,
    생성한 정합영상은 다음 식9부터 식12까지의 과정을 통하여 공간모델의 표면에 홀이 생기지 않게 픽셀 단위로 매핑이 가능하며, x-z 평면에 대해 확장된 정합영상과 공간모델간의 기하학적 관계를 기반으로 정합영상과 공간모델을 매핑할 기준점을 생성하기 위해, 정합영상의 좌우 끝의 두 점(PI1, PI2 )과 이 두 점이 공간모델을 구성하는 원에서 매핑될 지점인 두 점(PO1, PO2 )을 기준으로 다음의 식9와 같은 직선들(l1, l2 )을 생성하고,
    -
    Figure 112016063364362-pat00021
    식(9)-
    식9의 두 직선을 x에 관해 정리하면 식10과 같이 두 직선의 교차점(PC )을 정의하며,
    -
    Figure 112016063364362-pat00022
    식(10) -
    다음으로 산출한 교차점 PC 와 PI1 부터 PI2 사이의 픽셀을 나타내는 임의의 점 Px 와의 직선의 방정식을 식11과 같이 도출하고,
    -
    Figure 112016063364362-pat00023
    식(11) -
    이를 식12의 x-z 평면 위에서 공간모델을 구성하는 원의 방정식에 적용함으로써, 정합영상의 픽셀을 모델 표면에 위치시킬 수 있으며,
    -
    Figure 112016063364362-pat00024
    식(12)-
    결과적으로, 객체를 구성하는 원들과 정합영상에 대해 높이별(Fcsinθ)로 적용함으로써, 정합영상을 공간모델의 표면에 홀이 발생하지 않게 매핑시키는 것을 특징으로 하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 객체 파노라마 영상 생성은
    상기 카메라의 위치에서 볼 수 있는 객체 파노라마 공간의 표면 정보가 카메라의 시점 벡터와 공간모델의 표면 법선 벡터와의 사이각이 0°부터 ±90°인 영역으로 제한되며, 이는 카메라의 위치(Pc )에서 관찰할 수 있는 파노라마 공간모델의 영역은 점 Pl1 과 점 Pr1 사이임을 나타내며, 사용자가 관찰할 객체 파노라마 영상을 생성하기 위해 점 Pl1 과 점 Pr1 의 x축 좌표를 산출하며,
    삼각형 oPcPr1 과 삼각형 oPr2Pr1 은 직각삼각형의 닮음 조건을 만족하며,
    o는 원을 이루는 객체의 중심점, Pr1는 Pc(0, ysinθ, r + Fc)에서 카메라의 초점거리(Fc) 인 반지름(r)과 수직을 이루는 교차점, Pr2는 Pc(0, ysinθ, r + Fc)과 Pr1의 직선을 그었을때 x축과의 교차점, θ A 는 직선 OPr2와 OPr1의 각도, θ A 는 직선 OPc와 OPr1의 각도일 때, 이는 θ A 와 θ C 가 동일한 크기의 각도임을 보여주며, Pr1 의 x축 좌표는 rcosθ A 또는 rcosθ C 로 나타낼 수 있으며, 삼각형 oPcPr1 에 피타고라스의 정리를 적용하여 cosC 를 다음의 식13과 같이 반지름(r)과 초점거리(Fc )로 나타내며,
    -
    Figure 112016063364362-pat00025
    식(13) -
    이를 사용하여 점 Pr1 과 점 Pl1 의 x축 좌표 값을 식14와 같이 정의하고,
    -
    Figure 112016063364362-pat00026
    식(14) -
    최종적으로 객체에 대해 사용자가 관찰할 파노라마 영상은 파노라마 공간모델을 구성하는 원들에 대해 높이별(Fcsinθ)로 Pl1 과 Pr1 의 사이에 있는 픽셀들을 객체 파노라마 영상평면에 사영시켜 객체 파노라마 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 객체를 관찰하기 위한 파노라마 공간 모델링 방법.

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