KR102081778B1 - 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 객체의 3차원 깊이를 측정할 수 있는 동작 영역을 늘리고, 동작 영역에서 깊이 분해능을 고르게 분포하도록 할 수 있는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법을 제공한다.

Description

객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법{DEVICE FOR ESTIMATING THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF OBJECT AND METHOD THEREOF}
본 발명은 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구조광을 이용하여 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 인간이나 기타 사물 등 객체에 대한 이미지화에 있어서, 실제 객체의 형태를 반영하여 3차원 이미지로 구현하려고 하는 시도가 계속되고 있다.
객체의 3차원 형상이미지로 구현하는 방법과 관련하여, 두 장 이상의 가시광 영상을 이용한 방법, 능동 광원을 이용한 적외선 영상을 이용한 방법 등이 제안되고 있다.
전통적인 스테레오 비전(stereo vision) 방식에 의하면, 좌안, 우안 촬영 영상은 상기 영상을 촬영한 두 센서 사이의 거리(Baseline)에 의하여, 시차(disparity)가 발생하게 되고, 이러한 시차를 이용하여 3차원 깊이 정보를 산출한다.
구조광(structured light) 시스템의 경우, 스테레오 비젼 시스템에서의 카메라 하나를 이미 알고 있는 형상을 투사하는 조명계로 전환하는 방식을 이용하여 3차원 깊이 정보를 산출한다. 이를 통하여 구조광 시스템은 구조광이 촬영되는 전 영역에서 깊이 정보를 산출한다.
이러한 종래의 구조광 방식에서는, 미리 정해진 베이스라인에 따라 거리에 따른 깊이 분해능(depth resolution)이 달라지게 되어, 객체와의 거리가 따라 상기 객체의 3차원 깊이 정보의 산출을 위한 깊이 분해능이 원하는 수준으로 확보되지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치에서 객체의 3차원 깊이를 측정할 수 있는 동작 영역을 늘리고, 동작 영역에서 깊이 분해능을 고르게 분포하도록 할 수 있는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치는 제1 패턴이 부가된 제1 구조광(structured light)을 객체에 투사하는 제1 프로젝터, 제2 패턴이 부가된 제2 구조광을 상기 객체에 투사하는 제2 프로젝터, 상기 객체에서 반사된 상기 제1 구조광 및 상기 제2 구조광을 감지하는 센서 및 소정의 기준 이미지와 비교하여, 상기 감지되는 제1 구조광 및 제2 구조광 중 적어도 하나의 이미지에서 패턴의 변화에 따라 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 프로젝터와 상기 센서 사이의 거리는 상기 제2 프로젝터와 상기 센서 사이의 거리와 서로 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기준 이미지는 상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터에서 투사된 각 구조광이 상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치로부터 소정의 거리에 있는 기준 면에서 반사되어, 상기 센서에서 감지된 이미지인 것을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치로부터 소정의 거리에 있는 영역이 설정되면, 상기 설정된 영역에서의 깊이 분해능(depth resolution)에 따라 하나의 프로젝터를 선택하고, 상기 선택된 프로젝터를 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 객체가 감지되는 영역에서의 깊이 분해능에 따라 하나의 프로젝터를 선택하고, 상기 선택된 프로젝터를 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 프로젝터 및 제2 프로젝터를 소정의 시간 간격에 따라 교대로 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터는 상기 센서와의 거리에 따라 투사하는 광량을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터는 상기 센서와의 거리에 따라 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴을 이루는 무늬의 크기 또는 간격 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함할 수 있다.
상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치는 상기 센서를 기준으로 하여, 상기 제1 프로젝터까지의 거리 및 상기 제2 프로젝터까지의 거리와 다른 거리에 위치하는 적어도 하나의 프로젝터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따라 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법은, 제1 패턴이 부가된 제1 구조광을 객체에 투사하는 단계, 상기 제1 구조광을 투사하는 위치와 다른 위치에서 제2 패턴이 부가된 제2 구조광을 상기 객체에 투사하는 단계, 상기 객체에서 반사된 상기 제1 구조광 및 상기 제2 구조광을 감지하는 단계 및 소정의 기준 이미지와 비교하여, 상기 감지되는 제1 구조광 및 제2 구조광 중 적어도 하나의 이미지에서 패턴의 변화에 따라 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치에서 객체의 3차원 깊이를 측정할 수 있는 동작 영역을 늘리고, 동작 영역에서 깊이 분해능을 고르게 분포하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 센서를 기준으로 하여, 센서로부터의 거리에 따라 프로젝터의 광량을 조절함으로써, 보다 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 센서를 기준으로 하여, 센서로부터의 거리에 따라 프로젝터에서 투사되는 구조광에 부가된 패턴을 이루는 무늬의 크기 또는 간격 중 어느 하나를 조절함으로써, 보다 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 사용자가 설정한 영역에 가장 적합한 깊이 분해능을 갖는 프로젝터를 이용함으로써, 보다 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 객체가 감지되는 영역에 가장 적합한 깊이 분해능을 갖는 프로젝터를 이용함으로써, 보다 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치의 블럭 구성도(block diagram)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법의 흐름도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 객체의 3차원 형상을 산출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치에 복수의 프로젝터가 포함된 것을 도시한 블럭 구성도이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치의 블럭 구성도(block diagram)이다.
상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)는 프로젝터(110_1, 110_2), 센서(130), 제어부(150) 및 메모리(170) 등을 포함할 수 있다. 상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)는 도 1에 도시된 구성요소들 이외에 다른 구성요소들을 더 갖는 형태로 구현될 수도 있다.
이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.
프로젝터(110_1, 110_2)는 구조광(structured light)을 3차원 깊이 측정의 목적으로 객체에 대해 투사할 수 있다. 광을 투사하는 것은 특정 객체에 대하여 광을 발하는 것을 의미할 수 있다. 상기 구조광에는 임의의 패턴(pattern)이 부가될 수 있다.
일 예에 따라, 상기 광은 적외선을 의미할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 가시광, 적외선, 자외선 및 방사선 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.
프로젝터(110_1, 110_2)는 광을 발하는 광원 및 광원으로부터 나오는 광이 입사되어 임의의 패턴이 부가되는 회절 광학 소자(diffraction optical element: DOE) 등을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 아니하며, 프로젝터(110_1, 110_2)는 광에 패턴을 부가하여 투사할 수 있는 것이라면 공지의 다른 구성을 포함할 수 있다.
일 예에 따라, 상기 임의의 패턴은 일정 크기의 점(spot)들이 어떠한 규칙 없이 무작위적으로 배치되는 패턴일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 아니하며, 상기 임의의 패턴을 이루는 무늬는 3차원 깊이 측정에 이용될 수 있는 다른 형태가 적용될 수 있다.
센서(130)는 객체에 투사되어 반사된 구조광을 감지하고, 감지한 구조광의 패턴을 이미지화하여, 전기적인 영상신호로 변환할 수 있다. 상기 영상신호로의 변환의 경우 센서(130)는 프레임 단위로 처리할 수 있다. 센서(130)는 상기 변환된 영상신호를 제어부(150)로 출력할 수 있다.
센서(130)는 그 용어에 한정되지 않고, 객체로 투사된 구조광의 패턴을 감지하고, 이미지화하여 전기적인 영상신호로 변환할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 적용될 수 있다.
제어부(150)는 센서(130)에 의하여 이미지화된 상기 구조광의 패턴으로부터 패턴의 변화를 측정할 수 있다. 제어부(150)는 임의의 기준면(reference plane)에 대하여 투사된 구조광의 패턴을 이미지화한 것을 기준으로 하여, 상기 객체에 투사되어 이미지화된 구조광의 패턴의 변화를 측정할 수 있다.
제어부(150)는 상기 측정한 구조광 패턴의 변화로부터 상기 객체의 3차원 깊이를 산출할 수 있다. 이를 통하여 제어부(150)는 상기 객체의 3차원 형상을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 상기 구조광 패턴의 변화와 프로젝터(110_1, 110_2)의 위치 및 센서(130)의 위치를 이용하여 삼각측량 기법을 토대로 상기 객체의 3차원 형상을 산출할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 구조광 패턴의 변화로부터 객체의 3차원 형상을 산출할 수 있다면, 공지의 어떠한 방식도 적용될 수 있다.
메모리(170)는 제어부(150)가 상기 객체의 3차원 형상을 산출하기 위한 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(170)는 상기 기준면에 대한 구조광 패턴의 이미지를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(170)는 상기 센서(130)로부터 변환된 구조광 패턴에 대한 영상신호를 저장할 수 있다.
메모리(170)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ReadOnly Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory), PROM(Programmable ReadOnly Memory) 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
도 1의 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)의 구현에 있어서, 절차나 기능과 같은 실시예들은 적어도 하나의 기능 또는 작동을 수행하게 하는 별개의 소프트웨어 모듈과 함께 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어 코드는 메모리(170)에 저장되고, 제어부(150)에 의해 실행될 수 있다.
이하 본 발명의 실시 예들을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법의 흐름도이다. 도 3 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 객체의 3차원 형상을 산출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법은, 도 1을 참조하여 설명한 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)에서 구현될 수 있다. 이하 필요한 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법과, 이를 구현하기 위한 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제어부(150)는 제1 프로젝터(110_1)를 통하여 제1 패턴이 부가된 제1 구조광을 객체에 투사할 수 있다[S100].
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝터(110-1, 110_2) 및 센서(130)의 배치가 개략적으로 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 프로젝터(110_1)에서 객체(200)로 구조광을 투사할 수 있다. 이 경우, 제1 프로젝터(110_1)의 구동에 대해서는 제어부(150)의 제어에 의할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(150)는 상기 제1 구조광을 투사하는 제1 프로젝터(110_1)의 위치와 다른 위치에 배치되는 제2 프로젝터(110_2)를 통하여 제2 패턴이 부가된 제2 구조광을 객체(200)에 투사할 수 있다[S110].
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 프로젝터(110_2)에서 객체(200)로 구조광을 투사할 수 있다. 이 경우, 제2 프로젝터(110_2)의 구동에 대해서는 제어부(150)의 제어에 의할 수 있다.
도 3을 참조하면, 센서(130)를 기준으로 하여 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)는 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 일 예에 따라, 종래에 하나의 프로젝터(1)만 사용되는 경우에 비하여 볼 때, 제1 프로젝터(110_1)는 센서(130)에 더 가깝게, 제2 프로젝터(110_2)는 센서(130)로부터 더 멀리 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)는 센서를 기준으로 서로 다른 거리를 가지면 족할 것이다.
또한, 도 3에서는 센서(130)를 기준으로 왼쪽에 상기 두 개의 프로젝터가 모두 위치하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 두 개의 프로젝터는 센서(130)를 기준으로 오른쪽에 위치할 수 있다. 또는, 상기 두 개의 프로젝터는 센서(130)를 기준으로 각각 왼쪽과 오른쪽에 하나씩 위치할 수 있다. 이 경우 센서(130)로부터 각 프로젝터까지의 거리는 서로 다르게 배치될 수 있다.
상기 제1 구조광에 부가되는 제1 패턴 및 제2 구조광에 부가되는 제2 패턴의 경우, 패턴을 이루는 무늬의 크기나 형태는 서로 제한을 받지 않을 수 있다. 제1 패턴과 제2 패턴은 서로 상이한 형태로 적용될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 센서(130)에서는 상기 객체(200)에서 반사된 상기 제1 구조광 및 상기 제2 구조광을 감지할 수 있다[S120].
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 프로젝터(110_1) 및 제2 프로젝터(110_2)에서 객체(200)로 투사된 구조광을 센서(130)에서 감지할 수 있다. 센서(130)에서는 각각 감지된 구조광의 패턴을 이미지화하고, 이를 제어부(150)로 전송할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(150)는 소정의 기준 이미지와 비교하여, 상기 감지되는 제1 구조광 및 제2 구조광 중 적어도 하나의 이미지에서 패턴의 변화에 따라 상기 객체의 3차원 깊이를 산출할 수 있다[S130].
상기 소정의 기준 이미지라 함은 임의의 기준면에 대하여 제1 프로젝터(110_1) 및 제2 프로젝터(110_2)로부터 구조광을 투사하고, 상기 기준면에서 반사되는 구조광을 센서(130)에서 감지하여 각각 이미지화한 영상을 의미할 수 있다.
이에 대하여 구체적으로 설명하기 위하여, 도 4를 보면, 일 예에 따라 구조광을 이용하여 3차원 깊이를 측정하는 방법이 도시되어 있다.
도 4에서, b는 프로젝터(10)와 센서(20, 50) 내의 렌즈(20) 간의 거리인 베이스라인(baseline)을 의미한다. 기준면(30)은 특정 객체의 깊이를 측정하는데 있어서 기준이 되는 면을 의미한다. ZO는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)와 기준면(30) 사이의 거리에 해당하며, 미리 정해질 수 있다.
f는 초점 거리이며, 센서(20, 50) 내의 렌즈(20)와 촬상 장치의 이미지 면(50) 사이의 거리에 해당한다. 프로젝터(10)에서 투사된 광은 렌즈(20)를 통하여 유입되어 촬상 장치에서 전기적인 영상 신호로 전환된다. 상기 촬상 장치는 CCD(charge-coupled device) 등 광을 영상 신호로 전환할 수 있는 것이면 어느 것이나 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 기준 이미지를 획득하기 위하여, 프로젝터(10)에서 미리 정해진 거리 ZO만큼 떨어진 기준면(30)으로 구조광이 투사된다. 투사된 구조광은 기준면(30)에서 반사되어 센서(20, 50)에서 감지된다.
상기 기준면(30)에 투사되어 감지된 구조광의 패턴에 대한 이미지가 상기 기준 이미지가 되며, 이 경우, 상기 기준 이미지는 미리 생성되어 메모리(170)에 저장될 수 있다.
이후 객체(40)의 3차원 깊이를 측정하기 위하여, 상기 기준 이미지를 획득할 때 이용되었던 것과 동일한 패턴을 가지는 구조광이 객체(40)로 투사될 수 있다. 도 4에서 객체(40)는 하나의 면처럼 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 실제로는 객체(40)를 이루는 각 면에 구조광이 투사될 것이다.
객체(40)에서 반사된 구조광이 센서(20, 50)에서 이미지로 획득되면, 제어부(150)는 상기 기준 이미지를 기준으로 하여, 상기 획득된 이미지에서 각각 대응되는 패턴들의 위치 이동을 측정할 수 있다. 이러한 패턴의 위치 이동은 도 4에서 d에 해당되며, 이는 기준 이미지를 기준으로 하여 객체(40)의 k 점에 대응하는 시차(disparity)를 의미한다.
일 예에 따라, 도 4에서 삼각형의 닮은꼴을 이용하면, D/b=(ZO-ZK)/ZO, d/f=D/ZK의 관계에 있음을 알 수 있다. 상기 두 식을 정리하면 아래의 수학식 1이 도출될 수 있다.
Figure 112014016264187-pat00001
전술한 바와 같이, 상기 수학식 1에서 f는 초점 거리, b는 베이스라인, ZO는 기준면(30)까지의 거리로서, 미리 정해질 수 있다. 따라서, 객체(40)의 임의의 점 k에 대한 시차 d가 획득된 이미지에서 측정되면, 객체(40)까지의 거리인 3차원 깊이 ZK를 산출할 수 있다. 이러한 연산을 객체(40)의 표면에 대하여 수행함으로써, 객체(40)의 3차원 형상을 산출할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제어부(150)는 제1 프로젝터(110_1)에서 투사된 구조광에 대하여, 기준면에서 반사된 제1 패턴의 이미지(기준 이미지)와 객체(200)에서 반사된 제1 패턴의 이미지를 서로 비교할 수 있다. 제어부(150)는 기준 이미지와 객체(200)에서 반사된 제1 패턴 이미지에서 대응되는 패턴들의 위치 이동을 측정하여, 객체(200)의 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
마찬가지로 제어부(150)는 제2 프로젝터(110_2)에서 투사된 구조광에 대하여, 기준면에서 반사된 제2 패턴 이미지(기준 이미지)와 객체(200)에서 반사된 제2 패턴 이미지를 서로 비교할 수 있다. 제어부(150)는 기준 이미지와 객체(200)에서 반사된 제2 패턴 이미지에서 대응되는 패턴들의 위치 이동을 측정하여, 객체(200)의 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
각 프로젝터(110_1, 110_2)에서 구조광을 투사하여 객체(200)의 3차원 깊이를 각각 산출하는 경우에도, 제어부(150)는 각각 상기 수학식 1을 이용하여 3차원 깊이를 산출할 수 있다. 이하에서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 위치를 서로 달리하는 프로젝터를 이용하여 3차원 깊이를 산출하는 것의 효과를 기재하기로 한다.
도 5a는 프로젝터를 1개만 이용하는 경우(도 3의 프로젝터(1) 참조)에 있어서, 객체의 3차원 깊이 ZK와 시차 d 사이의 관계(곡선 PO)를 나타낸 그래프이다. 곡선 PO의 특성은 상기 수학식 1에서 미리 정해진 값들에 의해 정해진다.
우선적으로 깊이 분해능(depth resolution)의 개념을 설명하기로 한다. 3차원 깊이를 산출하는 정도를 나타내는 깊이 분해능은 Z 방향(도 4 참조)의 단위 길이에 대해 표현 가능한 이미지 면(50)에서의 픽셀의 개수로 이해할 수 있다.
즉, 구조광을 검출하는 센서(130)로 디지털화된 센서를 이용하는 경우, 이미지로 획득된 구조광 패턴의 위치 이동 값은 각 픽셀의 개수로 나타내어진다. 따라서, Z 방향으로의 동일 길이를 더 많은 개수의 픽셀로 나타낼수록 깊이 분해능이 크다고 할 수 있다.
곡선 PO를 보면, ZK=ZO인 경우 d가 0의 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 즉, 객체가 기준 이미지가 있던 거리 ZO에 있는 경우 d=0으로 나타나는 것이다. 이는 상기 수학식 1에 d=0을 대입하여서도 확인할 수 있다.
도 5a의 그래프를 살펴보면 ZK 축에서 ZO점을 기준으로 위로 갈수록 객체가 기준면보다 멀어지는 것을 의미한다. 반대로, ZO점을 기준으로 아래로 갈수록 객체가 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)와 가까워지는 것을 의미한다.
ZK가 ZO보다 큰 영역에서, 거리 ZK가 커질수록 곡선 PO의 기울기가 점점 증가하므로, 동일한 d1에 대응되는 영역 A1은 점점 커지게 된다. 따라서, 상기한 깊이 분해능은 점점 감소하게 된다. 이로 인하여 객체의 3차원 형상이 제대로 산출되지 못하게 된다.
ZK가 ZO보다 작은 영역에서, 거리 ZK가 작아질수록 곡선 PO의 기울기가 점점 감소하므로, 동일한 d1에 대응되는 영역 B1은 점점 작아지게 된다. 따라서, 상기한 깊이 분해능은 점점 증가하게 된다. 이로 인하여 객체의 3차원 형상을 산출하는데 필요한 깊이 분해능보다 더 큰 값을 갖게 되어 불필요한 연산을 하게 된다. 이는 시스템에 불필요한 부하를 주게 된다.
수학식 1의 고정된 값들인 베이스라인 b, 초점 거리 f, 기준 이미지까지의 거리 ZO는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치를 만들 때 미리 정해질 수 있다. 이에 따라 곡선 PO의 특성도 미리 정해지게 된다. 따라서 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치는 ZO와 인접한 거리에 객체가 있는 경우 적절한 깊이 분해능으로 동작할 수 있으나, 이를 벗어나게 되면 상기와 같은 문제가 발생하는 것이다.
도 5b에서는 일 실시예에 따라, 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)를 사용하는 경우, 객체의 3차원 깊이 ZK와 시차 d 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
곡선 PO는 도 5a에 도시된 것과 같은 곡선이다. 곡선 P1은 2점 쇄선으로 나타낸 곡선으로 제2 프로젝터(110_2)에 의한 특성을 나타낼 수 있다. 곡선 P2은 일점 쇄선으로 나타낸 곡선으로 제1 프로젝터(110_1)에 의한 특성을 나타낼 수 있다.
ZK가 ZO보다 큰 영역에서는, 곡선 P1과 P2 중에서 곡선 PO보다 기울기가 작은 곡선 P1의 특성에 따르면, 동일 시차 d1에 의해 표현되는 깊이 ZK가 줄어들게 되어(A1에서 A2로 줄어든다) 깊이 분해능이 더 높게 된다.
따라서, 객체가 기준면보다 원거리에 있는 경우에는 곡선 P1에 대응하는 제2 프로젝터(110_2)를 이용할 수 있다. 이로 인하여 거리 ZK가 커질수록 깊이 분해능이 점점 감소하는 문제를 해소할 수 있다.
ZK가 ZO보다 작은 영역에서, 곡선 P1과 P2 중에서 곡선 PO보다 기울기가 큰 곡선 P2의 특성에 따르면, 동일 시차 d1에 의해 표현되는 깊이 ZK가 늘어나게 되어(B1에서 B2로 늘어난다) 깊이 분해능이 더 낮게 된다.
따라서, 객체가 기준면보다 근거리에 있는 경우에는 곡선 P2에 대응하는 제1 프로젝터(110_1)를 이용할 수 있다. 이로 인하여 거리 ZK가 작아질수록 깊이 분해능이 높아져서 불필요한 연산을 수행하는 문제를 해소할 수 있다.
즉, 객체의 위치에 따라 적합한 프로젝터를 사용함으로써, 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)로부터의 거리 전반에 걸쳐, 깊이 분해능이 고르게 나타나게 할 수 있는 효과가 있다. 이를 통하여, 객체의 위치에 관계없이 적절한 깊이 분해능을 유지할 수 있으며, 불필요한 연산을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 객체와의 거리에 따른 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)의 이용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)에서는 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)의 교차 사용 방법이 시간축에 대해 도시되어 있다.
사용자는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)로부터 소정의 거리에 있는 영역을 설정할 수 있다. 일 예에 따라, 이러한 영역은 산출할 객체의 3차원 형상을 이용하는 애플리케이션 등의 목적에 따라 정해질 수 있다.
제어부(150)는 상기 설정된 영역을 수신하여 상기 영역에서 가장 적합한 깊이 분해능을 갖는 하나의 프로젝터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 기준면보다 원거리에 있는 영역이 설정된 경우, 제어부(150)는 원거리에서 깊이 분해능이 좋은 제2 프로젝터(110_2)를 선택할 수 있다.
제어부(150)는 상기 선택된 프로젝터를 이용하여 객체(200)의 3차원 깊이를 산출할 수 있다. 이 경우, 도 6의 (a)에서와 같이, 제2 프로젝터(110_2)의 선택 시점 t1을 기준으로 제2 프로젝터(110_2)가 이용되며, 제1 프로젝터(110_1)는 이용되지 아니할 수 있다.
다른 일 예에 따라, 제어부(150)는 객체(200)를 감지하고, 객체(200)가 감지되는 영역에서 가장 적합한 깊이 분해능을 갖는 하나의 프로젝터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 기준면보다 원거리에서 객체(200)가 감지되는 경우, 제어부(150)는 원거리에서 깊이 분해능이 좋은 제2 프로젝터(110_2)를 선택할 수 있다.
이 경우, 제어부(150)는 객체가 감지되었는지 여부를 판단할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 아니하며, 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)는 객체가 감지된 것을 판단할 수 있는 별도의 구성을 가질 수 있다.
제어부(150)는 상기 선택된 프로젝터를 이용하여 감지된 객체(200)의 3차원 깊이를 산출할 수 있다. 이 경우, 도 6의 (a)에서와 같이, 제2 프로젝터(110_2)의 선택 시점 t1을 기준으로 제2 프로젝터(110_2)가 이용되며, 제1 프로젝터(110_1)는 이용되지 아니할 수 있다.
이를 통하여, 객체의 위치에 따라 가장 적합한 깊이 분해능을 갖는 프로젝터를 사용할 수 있어, 더욱 정확한 3차원 깊이 측정이 가능할 수 있다.
또한, 일 예에 따라, 제어부(150)는 객체의 감지가 아닌 이벤트의 발생을 감지하여 적합한 프로젝터를 선택할 수 있다. 일 예에 따라, 상기 이벤트는 이미 감지된 객체의 움직임일 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 객체가 사람인 경우, 사람의 팔의 움직임을 감지하고, 상기 팔이 움직이는 영역에 따라 적합한 프로젝터를 선택할 수 있다.
도 6의 (b)는 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)를 프레임 단위로 빠르게 전환, 이용함으로써 두 프로젝터에 의한 이미지를 병합(merge)하여 사용하는 것을 시간축에 따라 도시한 것이다.
제어부(150)는 제1 프로젝터(110_1)와 제2 프로젝터(110_2)를 소정의 시간 간격에 따라 교대로 이용하여 객체(200)의 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
상기 소정의 시간 간격은 프레임 단위에 해당할 수 있다. 즉, 도 6의 (b)에서의 t2는 제2 프로젝터(110_2)에 의해 투사된 구조광에 대하여 센서(130)에서 1 프레임의 이미지가 생성될 때까지의 시간 간격에 해당될 수 있다. 마찬가지로, t3는 제1 프로젝터(110_1)에 의해 투사된 구조광에 대하여 센서(130)에서 1 프레임의 이미지가 생성될 때까지의 시간 간격에 해당될 수 있다.
이러한 프로젝터의 이용은 일 예에 따라, 객체가 기준면보다 원거리 또는 근거리 중 어느 쪽에서 주로 감지될지 알 수 없는 경우이거나, 객체가 기준면을 중심으로 하여 원거리 및 근거리에 걸쳐 있는 경우에 적용될 수 있다. 상기와 같은 경우, 제어부(150)는 두 프로젝터를 빠르게 전환하여 각 프로젝터에 의한 이미지를 병합함으로써, 가장 적합한 깊이 분해능에 따라, 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
이를 통하여, 객체의 거리에 따라 가장 적합한 깊이 분해능을 이용할 수 있어, 더욱 정확한 3차원 깊이 측정이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 프로젝터(110_1) 및 제2 프로젝터(110_2)는 센서(130)와의 거리에 따라, 투사하는 광량을 조절할 수 있다. 일 예에 따라, 프로젝터가 배치되는 위치를 기초로 미리 각 프로젝터에 대한 광량이 설정될 수 있다. 또는, 다른 일 예에 따라, 제어부(150)는 사용자의 입력을 받아 각 프로젝터의 광량을 조절할 수 있다.
객체가 기준면보다 원거리에 있는 경우, 프로젝터에서 투사되어 센서에서 감지되기까지의 구조광의 이동 경로가 길어지게 되므로, 센서에 도달되는 광량이 줄어들어 3차원 깊이 산출이 어려워질 수 있다.
반대로, 객체가 기준면보다 근거리에 있는 경우, 프로젝터에서 투사되어 센서에서 감지되기까지의 구조광의 이동 경로가 짧아, 센서에 도달되는 광량이 너무 클 수 있어 3차원 깊이 산출이 어려워질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 객체가 기준면보다 원거리에 있는 경우, 깊이 분해능 측면에서 제2 프로젝터(110_2)를 이용하므로, 제2 프로젝터(110_2)에서 투사되는 광량은 근거리에서 이용되는 제1 프로젝터(110_1)의 광량보다 강하게 조절될 수 있다.
상기한 바와 같이, 동작 영역별로 프로젝터의 광량을 조절함으로써, 객체의 거리에 적합한 광량을 투사할 수 있어, 더욱 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 프로젝터(110_1) 및 제2 프로젝터(110_2)는 센서(130)와의 거리에 따라 구조광에 부가되는 제1 패턴 및 제2 패턴을 이루는 무늬의 크기 또는 간격 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함할 수 있다.
일 예에 따라, 프로젝터가 배치되는 위치를 기초로 미리 각 프로젝터에 대한 구조광에 부가되는 패턴이 설정될 수 있다. 또는, 다른 일 예에 따라, 제어부(150)는 사용자의 입력을 받아 각 프로젝터에 대한 구조광에 부가되는 패턴을 조절할 수 있다.
객체가 기준면보다 원거리에 있는 경우, 프로젝터에서 투사되어 센서에서 감지되기까지의 구조광의 이동 경로가 길어지게 되므로, 센서에서 획득되는 패턴을 이루는 무늬가 너무 작거나, 무늬 사이의 거리가 너무 멀어 3차원 깊이 산출이 어려워질 수 있다.
반대로, 객체가 기준면보다 근거리에 있는 경우, 프로젝터에서 투사되어 센서에서 감지되기까지의 구조광의 이동 경로가 짧아, 센서에서 획득되는 패턴을 이루는 무늬가 너무 크거나, 무늬 사이의 거리가 너무 가까워 3차원 깊이 산출이 어려워질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 객체가 기준면보다 원거리에 있는 경우, 깊이 분해능 측면에서 제2 프로젝터(110_2)를 이용하므로, 제2 프로젝터(110_2)에서 투사되는 구조광에 부가된 패턴은 근거리에서 이용되는 제1 프로젝터(110_1)의 패턴보다 무늬가 크고 무늬 사이의 간격이 가깝게 조절될 수 있다.
동작 영역별로 프로젝터의 패턴을 조절함으로써, 객체의 거리에 적합한 패턴이 부가된 구조광을 투사할 수 있어, 더욱 정확한 3차원 깊이를 산출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)에 복수의 프로젝터(110_1, 110_2, ..., 110_N)가 포함되는 것을 도시한 블럭 구성도이다.
객체의 3차원 형상을 산출하는 장치(100)는 센서(130)를 기준으로 하여, 제1 프로젝터(110_1)까지의 거리 및 제2 프로젝터(110_2)까지의 거리와 다른 거리에 위치하는 적어도 하나의 프로젝터를 더 포함할 수 있다.
이 경우 전술한 바와 마찬가지로, 각 프로젝터(110_1, 110_2, ..., 110_N)의 특성에 따라 객체의 3차원 깊이 ZK와 시차 d 사이의 관계 곡선이 N개 나타날 수 있다. 센서와의 거리인 베이스라인 b 값에 따라 상기 N개의 곡선의 기울기가 결정될 수 있다.
따라서, 객체까지의 각 거리 구간에 따라 가장 적합한 곡선을 선택하고 해당 프로젝터를 이용할 수 있다. 이를 통하여 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치의 동작 영역을 늘리고, 동작 영역 전반에 걸쳐 고른 깊이 분해능으로 3차원 객체의 깊이를 산출할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 의한 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법은, 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록하여 제공될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 또한, 본 문서에서 설명된 실시예들은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치
110_1 ~ 110_N: 프로젝터 130: 센서
150: 제어부 170: 메모리

Claims (9)

  1. 제1 패턴이 부가된 제1 구조광(structured light)을 객체에 투사하는 제1 프로젝터;
    제2 패턴이 부가된 제2 구조광을 상기 객체에 투사하는 제2 프로젝터;
    상기 객체에서 반사된 상기 제1 구조광 및 상기 제2 구조광을 감지하는 센서; 및
    상기 제1 및 제2 구조광들이 상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치로부터 소정의 거리에 있는 기준 면에서 반사되어 상기 센서에서 감지된 기준 이미지와 비교하여, 상기 감지되는 제1 구조광 및 제2 구조광 중 적어도 하나의 이미지에서 패턴의 변화에 따라 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제1 프로젝터와 상기 센서 사이의 거리는 상기 제2 프로젝터와 상기 센서 사이의 거리보다 짧으며,
    상기 객체가 상기 기준면보다 원거리에 있는 경우에는 상기 제2 프로젝터를 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하고,
    상기 객체가 상기 기준면보다 근거리에 있는 경우에는 상기 제1 프로젝터를 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 특징으로 하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 객체가 감지되는 영역에서의 깊이 분해능에 따라 하나의 프로젝터를 선택하고, 상기 선택된 프로젝터를 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 포함하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터를 소정의 시간 간격에 따라 교대로 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 포함하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터는
    상기 센서와의 거리에 따라 투사하는 광량을 조절하는 것을 포함하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 프로젝터 및 상기 제2 프로젝터는
    상기 센서와의 거리에 따라 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴을 이루는 무늬의 크기 또는 간격 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서를 기준으로 하여, 상기 제1 프로젝터까지의 거리 및 상기 제2 프로젝터까지의 거리와 다른 거리에 위치하는 적어도 하나의 프로젝터를 더 포함하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치.
  9. 제1 패턴이 부가된 제1 구조광을 객체에 투사하는 단계;
    상기 제1 구조광을 검출하는 센서로부터 더 멀리 이격된 위치에서 제2 패턴이 부가된 제2 구조광을 상기 객체에 투사하는 단계;
    상기 센서를 이용하여 상기 객체에서 반사된 상기 제1 구조광 및 상기 제2 구조광을 감지하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 구조광이 상기 객체의 3차원 형상을 산출하는 장치로부터 소정의 거리에 있는 기준 면에서 반사되어 상기 센서에서 감지된 기준 이미지와 비교하고, 상기 감지되는 제1 구조광 및 제2 구조광 중 적어도 하나의 이미지에서 패턴의 변화에 따라 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 객체가 상기 기준면보다 원거리에 있는 경우에는 상기 제2 구조광을 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하고,
    상기 객체가 상기 기준면보다 근거리에 있는 경우에는 상기 제1 구조광을 이용하여 상기 객체의 3차원 깊이를 산출하는 것을 특징으로 하는 객체의 3차원 형상을 산출하는 방법.
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