KR101746724B1 - 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 형상 계측 시스템은, 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 영상 촬영부; 상기 대상체의 3차원 그래픽 표준 모델을 저장하고 있는 모델 저장부; 및 상기 영상 촬영부에 의해 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터와 상기 모델 저장부에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부;를 포함한다.

Description

동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법{3-DIMENSIONAL SHAPE MEASUREMENT SYSTEM FOR ANIMAL AND SHAPE MEASUREMENT METHOD THEREFOR}

본 발명은 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다시점의 순간 촬영된 영상 데이터와 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여 비접촉 방식에 의해 동물의 3차원 형상 계측을 가능하도록 하는 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법에 관한 것이다.

축산농가의 소나 돼지 등의 체형 변화 측정 혹은 애완 동물의 체형 변화 측정이 왕왕 요구되고 있다.

그런데 정지 동작의 연출이 안 되는 살아있는 동물의 경우, 정지 상태에서의 측정만이 가능한 레이저 스캐닝 방식을 이용하여 3차원 형상을 계측하는 것에는 어려움이 있다.

아울러, 주요 부위의 크기를 접촉 방식에 의해 측정하여 3차원 형상을 복원하는 것은, 많은 시간과 노력이 요구되는 데 반해, 부정확한 형상이 복원될 가능성이 크다. 예를 들면, 한우의 경우, 체적치를 직접 측정하여 각 부위의 수치를 대입하여 등급을 분류하고 있다. 그런데 직접 측정을 하게 되면 측정해야 할 부위가 많고 시간이 오래 소요됨에 따라, 소가 움직이게 되어 실제값과 측정값 사이에 차이가 발생하는 등 여러 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 다시점(多視點)의 순간 촬영된 영상 데이터와 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여 비접촉 방식에 의해 동물의 3차원 형상 계측을 가능하도록 하는 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 3차원 형상 계측 시스템은, 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 영상 촬영부; 상기 대상체의 3차원 그래픽 표준 모델을 저장하고 있는 모델 저장부; 및 상기 영상 촬영부에 의해 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터와 상기 모델 저장부에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부;를 포함한다.

상기 영상 촬영부는, 상기 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라; 및 상기 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라와 상기 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 상기 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치되는 것이 바람직하다.

구체적으로 상기 3차원 형상 생성부는, 상기 영상 촬영부에 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터의 윤곽을 각각 추출하고, 상기 모델 저장부에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 상기 영상 촬영부에 촬영된 시점별 영상 데이터의 촬영 시점과 동일한 시점들로 2차원 투영하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 3차원 형상 생성부는, 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 2차원 투영한 데이터를 결합하고, 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 2차원 투영한 데이터 사이의 차이를 이용하여, 상기 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 보간은, 상기 3차원 그래픽 표준 모델을, 수축 또는 팽창에 의해 보정하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 3차원 형상 계측 방법은, (a) 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 촬영되어 저장된 상기 대상체의 시점별 영상 데이터와 미리 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계;를 포함한다.

구체적으로 상기 (a) 단계는, 상기 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라; 및 상기 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라;를 이용하여 촬영하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라와 상기 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 상기 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (b) 단계는, (b-1) 상기 (a) 단계에서 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터의 윤곽을 각각 추출하는 단계; (b-2) 미리 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 상기 (b-1) 단계의 촬영 시점과 동일한 시점들로 2차원 투영하는 단계; 및 (b-3) 상기 (b-1) 단계의 상기 촬영 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 (b-2) 단계의 2차원 투영한 데이터 사이의 차이를 이용하여, 상기 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 보간은, 상기 3차원 그래픽 표준 모델 데이터를, 수축 또는 팽창에 의해 보정하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법에 따르면, 다시점의 순간 촬영된 영상 데이터와 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여 비접촉 방식에 의해 동물의 3차원 형상 계측을 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템의 구성도.
도 2는 영상 촬영부에 의한 영상 촬영 방법의 설명도.
도 3은 영상 촬영부에 의해 촬영된 시점별 영상의 예시도.
도 4는 모델 저장부에 저장될 모델 제작 과정의 설명도.
도 5의 (a) 및 (b)는 각각, 동일 시점으로 얻어진 윤곽 추출기에 의한 윤곽 데이터와 2차원 투영기에 의한 모델 투영 데이터의 예시도.
도 6은 [수학식 1]에서의 보정 전 모델 좌표와 보정 후 모델 좌표, 그리고 보정을 위한 차이를 보여주는 설명도.
도 7은 한우의 특정 부위의 선정도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 방법의 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템 및 그 형상 계측 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.

먼저, 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템(100)의 구성도를 나타낸다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템(100)은, 영상 촬영부(10), 모델 저장부(20), 3차원 형상 생성부(30) 및 크기 계측부(40)를 포함한다.

영상 촬영부(10)는, 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상, 즉 다시점(多視點)의 영상을 순간적으로 촬영하는 역할을 한다.

도 2는 영상 촬영부(10)에 의한 영상 촬영 방법의 설명도를 나타낸다.

도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 영상 촬영부(10)는, 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 일정 각도 간격으로 배치된 다수의 카메라 및 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 일정 각도 간격으로 배치된 다수의 카메라를 포함하여 다시점의 시점별 영상을 촬영한다. 여기서 대상체는, 소 및 돼지 등의 가축뿐만 아니라, 개 및 고양이 등의 애완 동물을 비롯한 다양한 동물을 포함한다.

이때, 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라 및 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치될 필요가 있다.

도 3은 영상 촬영부(10)에 의해 촬영된 시점별 영상의 예시도이다.

모델 저장부(20)는, 대상체의 3차원 그래픽 표준 모델, 즉 표준 모델 데이터를 저장하고 있다.

도 4는 모델 저장부(20)에 저장될 모델 제작 과정의 설명도이다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 모델 저장부(20)에는 제작 완료되어 텍스처 매핑한 대상 동물의 3차원 그래픽 표준 모델이 저장되어 있는 것이 바람직하다.

모델 저장부(20)는, 메모리 또는 하드 디스크와 같은 저장 매체를 이용할 수 있다.

3차원 형상 생성부(30)는, 영상 촬영부(10)에 의해 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터와 모델 저장부(20)에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 대상체의 3차원 형상을 생성하는 역할을 한다.

아울러, 크기 계측부(40)는, 3차원 형상 생성부(30)에 의해 생성된 대상체의 3차원 형상을 이용하여, 대상체의 각 부위의 크기를 측정하는 역할을 한다.

구체적으로 3차원 형상 생성부(30)는, 윤곽 추출기(31), 2차원 투영기(32) 및 형상 생성기(33)를 포함한다. 3차원 형상 생성부(30)는, 컴퓨터 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수 있고, 프로세서에 의해 실시될 수 있다.

윤곽 추출기(31)는, 영상 촬영부(10)에 촬영된 시점별 영상 데이터의 윤곽을 각각 추출하는 역할을 한다. 아울러, 2차원 투영기(32)는, 모델 저장부(20)에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델, 즉 해당 대상체의 표준 모델을 영상 촬영부(10)에 의한 촬영 시점과 동일한 시점들로 각각 2차원 투영하는 역할을 한다.

도 5의 (a) 및 (b)는 각각, 동일 시점으로 얻어진 윤곽 추출기(31)에 의한 윤곽 데이터와 2차원 투영기(32)에 의한 모델 투영 데이터의 예시도를 나타낸다.

형상 생성기(33)는, 윤곽 추출기(31)에 의한 촬영 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 2차원 투영기(32)에 의한 2차원 투영 데이터를 결합하여 그 정합의 차이를 이용하여, 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 대상체의 3차원 형상을 생성한다.

즉, 다시점 촬영한 윤곽 데이터와 표준 모델로부터 3차원 형상을 추정하기 위해서는 윤곽 데이터와 표준 모델 투영 데이터를 정합하여 비교해야 하고, 이 역할을 형상 생성기(33)가 수행하는 것이다.

정리하자면, 3차원 형상 생성부(30)에 의해, 촬영을 통해 획득한 대상체의 시점별 윤곽 데이터와 3차원 그래픽 표준 모델의 투영 데이터가 정합되고, 각 시점별 모든 윤곽에 대하여 차이가 산출된 후, 표준 모델의 각 부위를 해당 차이만큼 보간하여 촬영된 영상의 수치와 동일하게 맞추면 3차원 형상 추정이 완료된다.

[수학식 1]은 윤곽 데이터와 투영 데이터 간의 차이를 기준으로 모델 데이터를 보정하는 식이다.

[수학식 1]에서

,

,

는 t-1 단계에서의 점의 x-y-z 모델 좌표를 뜻하며

,

,

는 보정된 t 단계에서의 모델 좌표이다.

,

,

는 보정을 위한 x, y, z 방향에서의 각 변화량, i는 i번째 점을 뜻한다.

,

,

의 변화량은 시점별 윤곽 데이터와 표준 모델의 차를 구하여 해당 차이만큼 보간하여 구한다. 구체적으로 차이의 보간은, 3차원 그래픽 표준 모델을, 수축 또는 팽창에 의해 보정하여 이루어질 수 있다.

참고로, 본 발명에 사용되는 3차원 그래픽 표준 모델은, 질량-스프링 모델을 사용할 수 있다. 비정형 물체를 스프링으로 연결된 질량점들의 집합으로 모델링 한 후 스프링에 의해 질량점에 작용하는 힘을 계산하고 이를 적분하여 질량점들의 새로운 위치를 구함으로써 비정형 물체의 3차원 모델을 구하는 방법이다. 여기에 사용되는 스프링은 비록 3차원 공간상에 위치하더라도 그 동작은 1차원적이다.

도 6은 [수학식 1]에서의 보정 전 모델 좌표와 보정 후 모델 좌표, 그리고 보정을 위한 차이를 보여주는 설명도이다.

도 7은 한우의 특정 부위의 선정도이다.

본 발명의 효용성은 일부 계측 수치를 비교한 평가용 계측에서 입증된다. 평가용 계측에서는 한우 모형을 대상으로 하였고 비교가 용이한 주요 부위를 선정( 도 7에 표시된 A, B, C)하여 [표 1]로 나타내었다. 단위는 cm이며 A, B, C에 해당하는 윤곽 촬영값과 보정된 추정 모델값을 나타내었고, 차이는 이 둘의 수치를 뺀 값이다.

단위(cm)
	촬영 데이터	추정 모델	계측오차
[A]	3.975000	3.975000	0.000000
[B]	4.306354	4.306250	0.000104
[C]	13.829687	13.829687	0.000000

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 방법의 흐름도를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 방법은, 상술한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템(100)을 이용하므로, 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템(100)의 특징을 모두 포함하고 있음은 물론이다.

도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 방법은, 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 단계(S10), 대상체의 3차원 그래픽 표준 모델을 작성하는 단계(S20) 및 S10 단계에서 촬영되어 저장된 대상체의 시점별 영상 데이터와 S20 단계에서 작성되어 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계(S30)를 포함한다. 아울러, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 동물을 위한 3차원 형상 계측 방법은, S30 단계에서 생성된 대상체의 3차원 형상을 이용하여, 대상체의 각 부위의 크기를 측정하는 단계(S40)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

구체적으로 S10 단계는, 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라 및 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라를 이용하여 촬영하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라와 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치된 것이 바람직하다.

또한, S30 단계는, S10 단계에서 촬영되어 저장된 영상 데이터를 촬영 시점별로 윤곽을 각각 추출하는 단계(S31) 및 미리 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 촬영 시점과 동일한 시점들로 2차원 투영하는 단계(S32)를 포함한다. 아울러, S30 단계는, S31 단계의 촬영 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 S32 단계의 2차원 투영한 데이터를 결합하고, 윤곽 데이터와 2차원 투영한 데이터 사이의 정합 차이를 이용하여, 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 산출된 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계(S33)를 포함한다. 여기서 보간은, 3차원 그래픽 표준 모델을, 수축 또는 팽창에 의해 보정하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 동물을 위한 3차원 형상 계측 시스템(100) 및 그 형상 계측 방법에 따르면, 다시점의 순간 촬영된 영상 데이터와 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여 비접촉 방식에 의해 동물의 3차원 형상 계측을 가능함을 알 수 있다.

100 : 3차원 형상 계측 시스템
10 : 영상 촬영부
20 : 모델 저장부
30 : 3차원 형상 생성부
40 : 크기 계측부
31 : 윤곽 추출기
32 : 2차원 투영기
33 : 형상 생성기

Claims (11)

1. 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 영상 촬영부;
   상기 대상체의 3차원 그래픽 표준 모델을 저장하고 있는 모델 저장부; 및
   상기 영상 촬영부에 의해 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터와 상기 모델 저장부에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부;를 포함하고,
   상기 영상 촬영부는, 상기 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라; 및 상기 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라;를 포함하고,
   상기 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라와 상기 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 상기 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치된 것을 특징으로 하고,
   상기 3차원 형상 생성부는, 상기 영상 촬영부에 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터의 윤곽을 각각 추출하고, 상기 모델 저장부에 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 상기 영상 촬영부에 촬영된 시점별 영상 데이터의 촬영 시점과 동일한 시점들로 2차원 투영하는 것을 특징으로 하고,
   상기 3차원 형상 생성부는, 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 2차원 투영한 데이터를 결합하고, 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 2차원 투영한 데이터 사이의 차이를 이용하여, 상기 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 것을 특징으로 하고,
   상기 보간은, 상기 3차원 그래픽 표준 모델을, 수축 또는 팽창에 의해 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터의 크기로 보정하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. (a) 다수의 카메라를 이용하여, 대상체의 시점별 영상을 촬영하는 단계; 및
   (b) 상기 (a) 단계에서 촬영되어 저장된 상기 대상체의 시점별 영상 데이터와 미리 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 이용하여, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계;를 포함하고,
   상기 (a) 단계는, 상기 대상체의 몸체 중심을 기준으로 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라; 및 상기 대상체의 몸체 중심을 지나는 수평면상에서 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라;를 이용하여 촬영하는 것을 특징으로 하고,
   상기 앙각 방향으로 배치된 다수의 카메라와 상기 방향각 방향으로 배치된 다수의 카메라는 모두, 상기 대상체의 몸체 중심으로부터 동일한 거리에 배치된 것을 특징으로 하고,
   상기 (b) 단계는,
   (b-1) 상기 (a) 단계에서 촬영되어 저장된 시점별 영상 데이터의 윤곽을 각각 추출하는 단계; (b-2) 미리 저장된 3차원 그래픽 표준 모델을 상기 (b-1) 단계의 촬영 시점과 동일한 시점들로 2차원 투영하는 단계; 및 (b-3) 상기 (b-1) 단계의 상기 촬영 시점별로 추출된 윤곽 데이터와 상기 (b-2) 단계의 2차원 투영한 데이터 사이의 차이를 이용하여, 상기 3차원 그래픽 표준 모델의 각 부위를 상기 시점별로 추출된 윤곽 데이터에 맞도록 보간하는 것에 의해, 상기 대상체의 3차원 형상을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 보간은, 상기 3차원 그래픽 표준 모델 데이터를, 수축 또는 팽창에 의해 보정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 방법.
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