KR101802894B1 - Tof 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템 - Google Patents

Tof 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TOF 방식과 구조광 방식의 스캔기술이 융합된 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것이다. 상기 3차원 영상 시스템은 광에미터와; 상기 광에미터에서 방출된 후 측정대상물에 반사된 신호를 감지하는 카메라와; 상기 카메라에서 수신된 신호를 분석하여 3차원 입체 영상을 생성하는 프로세서를 포함하며, 상기 광에미터는 구조광(Structured light) 및 TOF(Time of Flight) 정보를 획득하기 위하여 빛을 조사하고, 상기 프로세서는 상기 구조광 정보 및 상기 TOF 정보를 기반으로 3차원 입체 영상을 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템 {3D image obtaining system}
본 발명은 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 TOF 방식과 구조광 방식의 스캔기술이 융합된 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것이다.
최근 깊이감 있는 영상을 표시할 수 있는 3D 디스플레이 장치의 발전 및 수요 증가와 함께 3D 컨텐츠의 중요성이 부각됨에 따라 인식 대상체로부터 3차원 영상을 획득하는 다양한 기술 및 제품들이 개발되고 있다.
피사체의 표면들과 3D 카메라 사이의 거리에 관한 깊이 정보는, 두 대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 깊이 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 깊이 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 기술은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다.
TOF 기술에 따르면, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 조명 광학계를 이용하여 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 피사체에 투사하고, 피사체로부터 반사된 동일한 파장의 빛을 수광부에서 수광한 후, 기지의 이득 파형을 갖는 변조기로 상기 수광된 빛을 변조하는 등 깊이 정보를 추출하기 위한 일련의 처리 과정을 거치게 된다. 이러한 일련의 광 처리 과정에 따라 다양한 TOF 기술이 소개되어 있다.
또한 TOF 기술의 깊이 정보 추출을 위한 광처리 과정에서, 광원과 광변조 소자를 펄스 구동하는 방법, 삼각형파(예컨대, 램프(ramp) 파형) 등의 특별한 파형을 이용하는 방법, 또는 사인파를 사용하는 방법 등이 소개되었다.
각각의 사용 파형에 따라 광원과 광변조 소자의 다양한 구동 방법이 소개되어 있으며, 촬영된 세기 값으로부터 깊이 정보를 추출하기 위한 다양한 알고리즘이 소개되어 있다.
그런데 상술한 TOF 방법의 경우, 다음의 2가지 요인에 의해 깊이 정보에 오차가 발생할 수 있다. 먼저, 광의 파형의 구조적인 왜곡(structural distortion)에 의한 오차이다. 통상적으로, 광의 파형은 펄스, 삼각형파, 사인파 등과 같은 이상적인 파형을 갖는 것으로 가정하고 깊이 정보를 추출한다. 그러나 실제로는, 광원 또는 광변조 소자의 작동 오차 및 비선형성 등으로 인하여 정확한 이상적인 파형의 구현이 어려울 수 있다. 이상적인 파형과 실제 사용된 파형 사이의 차이는 깊이 정보를 계산하는데 있어서 오차의 요인으로 작용한다.
또한, 실제의 광원, 광변조기, CCD와 같은 촬상소자 등에서는 전원의 불안정, 열, 외부의 전자기파 등과 같은 다양한 원인으로 인해 불규칙 잡음(random noise)이 항상 존재한다. 이러한 불규칙 잡음은 깊이 정보를 추출하는 과정에서 오차를 발생시키는 원인이 된다. 불규칙 잡음을 제거하기 위하여, 한 프레임의 시간 주기 내에서 다수의 영상들을 얻고, 상기 다수의 영상들을 평균하여 하나의 영상을 만드는 것이 통상적이다. 그러나 CCD와 같은 촬상소자는 수십만에서 수천만의 매우 많은 화소를 갖기 때문에 통상적인 평균화 방법의 경우, 메모리의 사용량 및 연산량이 기하급수적으로 증가할 수 있다.
이렇게 3차원 영상 획득을 위해 종래에 주로 사용되던 구조광 방식의 영상 획득 방법은 높은 정밀도를 가지지만 많은 이미지를 촬영하고 분석해야 하기 때문에 스캔 속도가 느리고, 광시간비행법에 따른 측정방식의 경우 구조광 방식에 비해 상대적으로 정밀도가 낮은 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0066638호 : 3차원 영상 획득 방법 및 장치 대한민국 공개특허 제10-2013-0091194호 : 3차원 영상 획득 장치 및 상기 3차원 영상 획득 장치에서 깊이 정보를 추출하는 방법
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 광시간비행(TOF) 방식과 구조광 방식이 융합되어 효율적으로 3차원 영상을 생성할 수 있는 3차원 영상 획득 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 제1 실시예로, TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템이 개시된다. 상기 3차원 영상 시스템은 광에미터와; 상기 광에미터에서 방출된 후 측정대상물에 반사된 신호를 감지하는 카메라와; 상기 카메라에서 수신된 신호를 분석하여 3차원 입체 영상을 생성하는 프로세서를 포함하며, 상기 광에미터는 구조광(Structured light) 및 TOF(Time of Flight) 정보를 획득하기 위하여 빛을 조사하고, 상기 프로세서는 상기 구조광 정보와 및 상기 TOF 정보를 기반으로 3차원 입체 영상을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세서는 TOF 정보를 통해 깊이정보를 1차적으로 획득하고, 측정 대상물의 경계부 또는 정밀 분석이 필요한 지점에서 상기 구조광 정보를 통해 미세 구조광 패턴을 조사하여 정밀도를 보완하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 광에미터는 구조광, TOF 신호 중 선택된 어느 하나의 신호 또는 상기 구조광 및 상기 TOF 신호가 융합된 신호를 송출하도록 형성된 것이 바람직하다.
한편, 상기 3차원 영상 획득 시스템은, 복수개의 엘이디가 소정 간격으로 이격되게 배열되어 있는 엘이디어레이와, 상기 엘이디어레이의 전방에 위치하는 고정패턴부를 포함하며, 상기 고정패턴부는 상기 엘이디어레이의 각 엘이디에서 순차적으로 발광하여 빛을 조사하면 각 엘이디의 위치에 따라 구조광의 위치가 이동하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 광에미터와 카메라가 장착되는 스캐너본체의 위치와 방향, 이동거리 및 속도를 측정하는 센서부를 더 구비하고, 상기 프로세서는 상기 센서부의 측정정보를 통해 이미지의 정합을 위한 카메라의 위치 정보를 획득하도록 형성될 수 있다.
상기 센서부는 6축 가속도센서, 지자기센서, 자이로센서 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제2 실시예에 의하면, TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템은 TOF(Time of Flight) 방식으로 깊이 정보를 측정하는 제1 스캐너와, 구조광(Structured light) 방식으로 깊이 정보를 측정하는 제2 스캐너와, 상기 제1 스캐너와 제2 스캐너의 측정정보를 전달받아 3차원 입체 영상을 생성하는 프로세서를 포함한다.
상기 프로세서는 상기 제1 스캐너를 통해 깊이정보를 1차적으로 획득하고, 인식 대상물의 경계부 또는 정밀 분석이 필요한 지점에 상기 제2 스캐너를 통해 미세 구조광 패턴을 조사하여 정밀도를 보완하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 프로세서는 상기 제1 스캐너와 제2 스캐너 중 어느 하나를 선택하여 입체 영상을 획득하는 것이 바람직하다.
상기 제2 스캐너는 복수개의 엘이디가 소정 간격으로 이격되게 배열되어 있는 엘이디어레이와, 상기 엘이디어레이의 전방에 위치하는 고정패턴부를 포함하며, 상기 고정패턴부는 상기 엘이디어레이의 각 엘이디에서 순차적으로 발광하여 빛을 조사하면 각 엘이디의 위치에 따라 구조광의 위치가 이동하도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템에 따르면, 광비행시간 방식과 구조광 방식의 융합을 통해 3차원 이미지 생성 속도 및 정밀도가 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템의 구성도,
도 2는 TOF 방식의 3차원 입체영상 측정방식을 도시한 개념도,
도 3은 엘이디어레이를 포함하는 구조광 투영방식의 일 실시예를 도시한 개념도,
도 4는 일반적인 TOF 광원의 투영 방식을 도시한 개념도,
도 5는 본 발명에 구조광에 TOF 광원을 투영하는 방식을 도시한 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템(1)은 측정대상물(2)의 구조 측정을 위한 광을 조사하는 광에미터(10)(Light Emitter)와, 측정대상물(2)에서 반사된 신호를 감지하는 카메라(20)와, 카메라(20)에서 수신된 신호를 분석하여 3차원 입체 영상을 생성하는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템은 TOF 방식 및 구조광 방식의 융합을 통해 신속하고 정밀한 3차원 측정 및 3차원 영상을 획득하는 것이며, 이를 위해 상기 광에미터(10)는 TOF(Time of Flight) 정보와 구조광(Structured light) 정보를 획득할 수 있도록 모듈레이션 된 빛을 조사한다.
상기 카메라(20)는 광에미터(10)에서 조사된 빛이 측정대상물(2)에 충돌한 뒤 반사되어 되돌아오는 파장을 감지한다.
카메라(20)에서 측정된 광에미터의 TOF 구조광 정보는 프로세서로 전달되며, 프로세서에서는 TOF 정보와 구조광 정보를 융합해 측정대상물(2)의 구조를 3차원 입체 영상으로 생성한다.
즉, 프로세서에서는 TOF 정보와 구조광 정보를 통해 측정대상물(2)의 깊이정보를 획득하게 되는데, TOF 방식으로 3차원 영상 스캔을 하는 경우 빠른 스캔 처리가 이루어질 수는 있지만 구조광 방식에 비해 상대적으로 정밀도가 낮다. 특히 이미지의 경계부분에서의 정밀도가 낮다.
구조광 방식을 통해 3차원 영상 스캔의 경우 TOF 방식에 비해 상대적으로 정밀한 3차원 영상획득이 가능하기는 하지만 많은 이미지를 촬영하고, 촬영된 많은 이미지들을 분석하여 경계선을 추출하고 처리하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 연산량이 많아짐에 따라 입체 영상의 생성 속도가 늦다.
따라서 본 발명의 경우 프로세서가 TOF 정보와 구조광 정보를 모두 융합해 신속하고 정밀한 입체영상을 생성한다. 즉, TOF 정보를 통해 측정대상물의 이미지에서 깊이정보를 빠르게 취득하고, 경계부와 같이 TOF 정보로는 정밀한 깊이정보 분석이 어려운 부분의 경우 구조광 정보를 통해서 3차원 영상을 분석함으로써 TOF 정보에 의한 이미지 생성의 정밀도를 보완한다.
이와 같이 TOF 방식과 구조광 방식의 3차원 영상 획득 방법을 함께 적용함에 따라 구조광 패턴의 수를 줄여 빠른 스캔이 이루어지면서도 TOF 방식을 단독으로 적용하는 것에 비해 정밀도가 향상된다.
본 발명은 신속하고 정밀한 3차원 입체 영상의 측정 및 생성을 위해 TOF 정보와 구조광 정보를 함께 분석하는 방식으로 운용되지만, 설정되는 조건에 따라 TOF 방식과 구조광 방식을 단독으로 적용할 수도 있다. 이 경우 프로세서는 TOF 정보와 구조광 정보 중 어느 하나만을 취득하고 한가지 방식으로만 3차원 입체 영상을 측정 및 생성하도록 구동될 수 있다. 이렇게 하면 스캔 속도가 중요한 경우에는 TOF 정보만을 이용해 입체영상을 획득하고, 정밀한 스캔이 중요한 경우에는 구조광 정보를 이용해 다소 시간이 소요되더라도 정밀한 입체영상을 획득하도록 선택할 수 있다.
도 3에는 구조광 투영방법의 다른 실시예가 도시되어 있다.
통상적으로 구조광의 조사를 위해 프로젝터가 많이 사용되지만 도 3에 도시된 것처럼 엘이디어레이(31)와 고정패턴부(34)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예의 경우 엘이디어레이(31)는 기판(32)에 복수개의 엘이디(33)가 상호 소정간격 이격되도록 배열되어 있다.
엘이디어레이(31)의 엘이디(33)는 순차적으로 고정패턴부(34)로 광을 조사하며, 고정패턴부(34)를 통해 측정대상물에 구조광이 투영된다. 그런데 여기서 각 엘이디(33)의 위치가 서로 상이한 반면 고정패턴부(34)의 위치는 고정되어 있기 때문에 각 엘이디(33)에서 조사된 광에 의해 투영된 구조광의 위치가 각 엘이디(33)에 따라 이동하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 하나의 고정패턴부(34)를 통해 다수의 구조광 패턴을 얻을 수 있어 장치의 소형화가 가능하게 된다.
또한 본 발명의 경우 TOF 방식과 구조광 방식이 융합되기 때문에 적은 에너지로도 먼 거리의 피사체를 용이하게 측정할 수 있다.
도 4에서와 같이 프레임 전체에 빛을 투영하는 종래의 TOF 방식의 경우 인접한 픽셀들의 명암비가 낮기 때문에 멀리 떨어져 있는 피사체를 측정해야 하는 경우 높은 에너지를 갖는 빛을 투영해야만 한다.
하지만 도 5에 도시된 것처럼 구조화된 빛을 투영하면, 패턴 사이의 픽셀들의 명암비가 높기 때문에 종래 방식보다 상대적으로 적은 에너지로도 먼 거리의 피사체를 측정할 수 있다.
아울러 본 발명의 본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템(1)은 상기 광에미터(10)와 카메라(20)가 장착되는 스캐너본체(미도시)의 위치와 방향, 이동거리 및 속도를 측정하는 센서부(50)를 더 구비할 수 있다.
상기 센서부(50)는 6축 가속도센서, 지자기센서, 자이로센서 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있는데, 이렇게 센서부(50)가 스캐너본체의 위치정보를 측정해 프로세서로 전달하면, 프로세서는 이미지 정합을 위해 카메라(20)의 위치를 계산하는 연산과정을 생략해도 되므로 3차원 영상 측정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템(1)은 TOF 방식과 구조광 방식의 입체 영상 획득 방식이 융합되기 때문에 빠른 시간에 정밀한 입체 영상을 생성할 수 있다.
이러한 장점으로 정밀하면서도 신속한 3차원 측정이 필요한 구강 스캐닝과 같은 분야에 적용이 가능하며, 구강 내부 촬영을 위해 장치가 소형화되는데 활용될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
1: TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템
2: 측정대상물
10: 광에미터
20: 카메라
31: 엘이디어레이
32: 기판
33: 엘이디
34: 고정패턴부
40: 프로세서
50: 센서부

Claims (6)

  1. 구조광(Structured light) 신호, TOF(Time of Flight) 신호 중 선택된 어느 하나의 신호 또는 상기 구조광 및 상기 TOF 신호가 융합된 신호를 송출하는 광에미터;
    상기 광에미터에서 방출된 후 측정대상물에 반사된 신호를 감지하는 카메라;
    상기 광에미터 및 상기 카메라가 장착되는 스캐너본체의 위치와 방향, 이동거리 및 속도를 측정하는 센서부; 및
    상기 카메라에서 수신된 신호를 분석하여 3차원 입체 영상을 생성하는 프로세서를 포함하며,
    상기 광에미터는 구조광 정보 및 TOF 정보를 획득하기 위하여 빛을 조사하여, 상기 프로세서는, 상기 TOF 정보를 통해 깊이 정보를 1차적으로 획득하고, 측정 대상물의 경계부에서 상기 구조광 정보를 통해 미세 구조광 패턴을 조사하여 정밀도를 보완하며, 상기 센서부로부터 전달된 측정정보를 통해 이미지의 정합을 위한 카메라의 위치 정보를 획득한 후, 상기 TOF 정보 및 상기 구조광 정보를 기반으로 3차원 입체 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는,
    TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    복수개의 엘이디가 소정 간격으로 이격되게 배열되어 있는 엘이디어레이와;
    상기 엘이디어레이의 전방에 위치하는 고정패턴부를 포함하며,
    상기 고정패턴부는 상기 엘이디어레이의 각 엘이디에서 순차적으로 발광하여 빛을 조사하면 각 엘이디의 위치에 따라 구조광의 위치가 이동하도록 형성된 것을 특징으로 하는
    TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 센서부는 6축 가속도센서, 지자기센서, 자이로센서 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는
    TOF 및 구조광 방식이 융합된 3차원 영상 획득 시스템.
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