KR102150288B1 - 3차원 얼굴 스캐닝 장치 - Google Patents

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Abstract

3차원 얼굴 스캐닝 장치에 관련된다. 3차원 얼굴 스캐닝 장치는 내부에 형성된 암실과 암실의 전면에 개구되게 형성되어 사용자의 얼굴을 삽입시키는 얼굴 삽입부를 구비하는 하우징 본체와, 암실의 후면에 장착되어 얼굴을 스테레오 촬영하는 카메라 모듈, 및 암실에 장착되어 얼굴을 조명하는 조명 모듈을 포함한다. 이에 따라, 일반인도 손쉽게 3차원 얼굴을 스캐닝할 수 있고 콤팩트화된 구조로 이동성을 높일 수 있다.

Description

3차원 얼굴 스캐닝 장치{APPARATUS FOR SCANNING 3-DIMENSIONAL FACE}
본 발명은 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사람의 얼굴을 3차원 모델로 얻기 위한 3차원 얼굴 스캐닝 장치에 관한 것이다.
최근 사람의 얼굴을 3차원으로 표현하기 위한 모델링과 렌더링에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 얼굴의 3차원 정보는 얼굴 인식, 표정 인식, 얼굴 모델링 등과 같은 컴퓨터 비전 분야에서 다양하게 활용되고 있다.
얼굴은 3차원의 비선형적인 곡면체이기 때문에 얼굴의 3차원 회전에 따라 투영되는 영상에서의 얼굴 형태가 크게 변하고 얼굴의 표정 변화는 동일한 얼굴 포즈에 대해서도 다양한 얼굴 형태로 표현될 수 있다. 따라서, 2차원 영상으로부터 3차원의 얼굴 형태를 추정하는 것은 얼굴이나 표정 인식, 영상 모델링 등 다양한 컴퓨터 비전 분야에서 중요하다.
얼굴을 촬영하여 3차원 모델을 만들기 위한 방법 중 여러 장의 사진을 촬영해서 3차원 모델로 복원하는 기술이 있다. 이 경우, 동시에 여러 장의 사진을 촬영하기 위한 장치가 필요하다. 특히, 3차원 모델에서 정확한 얼굴 피부색을 표현하기 위해서는, 제한된 조명과 환경에서 전문가가 촬영하여야 품질이 우수하다. 사진 기반으로 3차원 모델을 복원하는 종래의 장치는 크기가 크거나, 외부 조명의 영향으로 정확한 얼굴 피부색을 촬영하기에는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 일반인도 손쉽게 3차원 얼굴을 스캐닝할 수 있고 콤팩트화된 구조로 이동성을 높일 수 있는 3차원 얼굴 스캐닝 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 3차원 얼굴 스캐닝 장치는 내부에 형성된 암실과 암실의 전면에 개구되게 형성되어 사용자의 얼굴을 삽입시키는 얼굴 삽입부를 구비하는 하우징 본체와, 암실의 후면에 장착되어 얼굴을 스테레오 촬영하는 카메라 모듈, 및 암실에 장착되어 얼굴을 조명하는 조명 모듈을 포함한다.
본 발명에 따르면, 일반인도 손쉽게 3차원 얼굴을 촬영하여 3차원 모델을 얻을 수 있다. 또한, 콤팩트화된 구조로 이동성을 높일 수 있고 정확한 얼굴 피부색을 촬영할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사용자는 자신의 얼굴을 3차원 모델로 만들어 제품 또는 콘텐츠에 적용해 다양하게 활용할 수 있을 것으로 예상된다. 소비자의 얼굴을 3차원 모델링해서 홍보할 수 있고, 3차원 모델을 생성하여 메이크업 시뮬레이션을 해줄 수 있다. 또한, 최근 3차원 프린터가 활성화되면서 3차원 프린터 사업과 접목하여 다양하고 개성이 있는 나만의 제품을 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 얼굴 스캐닝 장치에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1에 대한 측단면도이다.
도 3은 도 1에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 있어서, 공기 흐름을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1에 대한 정면도이다.
도 6은 얼굴 가림막이 구비된 예를 도시한 정면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 얼굴 가림막의 사용 예를 도시한 배면도이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 얼굴 스캐닝 장치에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 대한 측단면도이다. 도 3은 도 1에 대한 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)는 하우징 본체(110)와, 카메라 모듈(120), 및 조명 모듈(130)을 포함한다.
하우징 본체(110)는 내부에 암실(111)이 형성된다. 하우징 본체(110)는 암실(111)의 전면(front)에 개구되게 형성되어 사용자의 얼굴을 삽입시키는 얼굴 삽입부(112)를 구비한다. 암실(111)은 전면을 제외한 면들이 막힌 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 사용자의 얼굴이 얼굴 삽입부(112)에 삽입된 상태에서 암실(111)은 외부의 빛을 차단하도록 밀폐될 수 있다.
얼굴 삽입부(112)의 개구는 얼굴을 삽입시키도록 형성된다. 얼굴 삽입부(112)의 개구는 사람의 평균 머리 크기를 고려한 크기로 이루어질 수 있다. 얼굴 삽입부(112)의 개구는 얼굴 형상과 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 얼굴 삽입부(112)의 개구는 사각 형상에서 각 코너 부위가 크게 라운링진 형상으로 이루어질 수 있다. 얼굴 삽입부(112)는 암실(111)의 전면으로부터 돌출된 형태로 이루어질 수 있다. 얼굴 삽입부(112)는 입구가 출구보다 확장된 형태로 이루어져 얼굴 둘레를 감쌀 수 있다. 사용자는 편안한 자세로 얼굴 삽입부(112)에 얼굴을 기대어 고정할 수 있다.
일 예로, 하우징 본체(110)는 내측 하우징(113) 및 외측 하우징(114)을 포함할 수 있다. 내측 하우징(113)은 내부에 암실(111)을 형성한다. 내측 하우징(113)의 상면은 후방으로 갈수록 곡면지면서 낮아지는 형태로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 대류에 의해 내측 하우징(113)의 상면으로 올라간 공기는 내측 하우징(113)의 상면을 따라 후방으로 원활하게 이동할 수 있다. 내측 하우징(113)의 하면은 후방으로 갈수록 곡면지면서 높아지는 형태로 이루어질 수 있다.
외측 하우징(114)은 내측 하우징(113)의 둘레를 간격을 두고 감싸는 형태로 이루어질 수 있다. 외측 하우징(114)의 내측 하면에는 복수의 리브(115)들이 돌출되어 내측 하우징(113)을 지지할 수 있다. 외측 하우징(114)은 제1 통풍구(114a)를 갖는다. 제1 통풍구(114a)는 외측 하우징(114)의 후면에 내측 하우징(113)의 상면보다 높은 위치에 형성될 수 있다. 이에 따라, 공기는 대류에 의해 내측 하우징(113)의 하부로부터 내측 하우징(113)의 측면을 거쳐 내측 하우징(113)의 상면으로 흐른 후, 제1 통풍구(114a)를 통해 배출될 수 있다. 후술하겠지만, 카메라 모듈(120)이 복수 개의 카메라(121)를 포함하고, 조명 모듈(130)은 수십 개의 LED(Light Emitting Diode)들, 및 자외선 램프를 포함하는 경우, 구동 과정에서 많은 열을 발생시킬 수 있다. 공기는 내측 하우징(113)과 내측 하우징(114) 사이의 공간을 흐르면서 제1 통풍구(114a)를 통해 배출되므로, 열 배출이 용이할 수 있다.
외측 하우징(114)은 좌측 하단 및 우측 하단에 각각 받침다리(116)가 형성될 수 있다. 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)는 테이블 위에 거치되고, 사용자는 의자에 앉아서 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)에 얼굴을 삽입할 수 있다. 이 경우, 받침다리(116)들의 높이는 사용자의 얼굴 높이를 고려해서 사용자가 편안한 자세로 얼굴을 얼굴 삽입부(112)에 삽입시킬 수 있게 설정될 수 있다. 받침다리(116)들에는 손잡이(117)가 각각 형성될 수 있다. 손잡이(117)는 받침다리(116)들에 함몰된 홈의 형태로 이루어질 수 있다.
하우징 본체(110)는 외측 하우징(114)의 후방에 장착되어 카메라 모듈(120)을 수용하는 후측 하우징(118)을 포함할 수 있다. 후측 하우징(118)은 제2 통풍구(118a)를 갖는다. 제2 통풍구(118a)는 외측 하우징(114)의 제1 통풍구(114a)를 통해 배출되는 공기를 외부로 배출한다. 제2 통풍구(118a)는 후측 하우징(118)의 상측 영역에 형성될 수 있다. 후측 하우징(118)은 투명 또는 반투명과 같은 광 투과성 재질로 이루어질 수 있다. 따라서, 카메라(121)들 중 적어도 일부가 오작동하여 카메라(121)의 표시등이나 디스플레이를 통해 오작동 표시되는 경우, 사용자는 후측 하우징(118)을 통해 육안으로 손쉽게 확인할 수 있다.
카메라 모듈(120)은 암실(111)의 후면에 장착되어 얼굴을 스테레오 촬영한다. 카메라 모듈(120)은 복수 개의 카메라(121)들을 포함하여 스테레오 또는 멀티 스테레오에 의해 3차원 얼굴을 복원할 수 있다. 카메라(121)들은 좌우로 배열될 수 있다. 카메라(121)가 3개인 경우, 중앙 카메라(121)의 렌즈부는 얼굴 중앙을 향하고, 좌우 카메라(121)들의 각 렌즈부가 얼굴 중앙 쪽으로 기울어져 배치될 수 있다. 좌우 카메라(121)의 각 렌즈부의 기울어진 각도는 3차원 얼굴 복원을 위한 최적의 이미지를 촬영하도록 설정될 수 있다. 또한, 카메라(121)들의 각 위치는 이미지 센서 크기, 렌즈의 화각 등을 고려해서 설정될 수 있다.
카메라(121)들은 각 렌즈부가 카메라 지지대(122)를 관통한 상태에서 홀더(123)에 의해 카메라 지지대(122)에 각각 지지될 수 있다. 카메라 지지대(122)는 내측 하우징(113)의 후면에 고정될 수 있다. 카메라 지지대(122)는 대략 타원 형상의 판 부재로 이루어질 수 있다.
이러한 카메라(121)들은 얼굴에 대한 이미지를 다양한 각도에서 촬영할 수 있게 한다. 따라서, 카메라(121)들에 촬영된 이미지는 디스패러티(disparity)를 포함할 수 있으며, 디스패리티 정보를 이용하여 3차원 얼굴을 복원할 수 있다. 카메라(121)들은 3개로 예시되어 있으나, 2개 또는 4개 이상도 가능하다. 카메라(121)들로부터 촬영된 이미지는 운영 시스템으로 제공되어 3차원 복원 소프트웨어에 의해 3차원 모델링될 수 있다. 운영 시스템은 컴퓨터 기반의 시스템으로 이루어질 수 있다.
조명 모듈(130)은 암실(111)에 장착되어 얼굴을 조명한다. 조명 모듈(130)은 일반 광원(131)과, 편광 광원(132), 및 자외선 광원(133)을 포함할 수 있다. 일반 광원(131)은 암실(111) 내로 일반광을 조사한다. 일반 광원(131)은 암실(111)의 후면에서 카메라 모듈(120)의 상측 및 하측에 각각 대응되게 장착되어 암실(111)의 전방을 향해 일반광을 조사할 수 있다. 카메라(121)들은 일반 광원(131)으로부터 조사된 일반광에 의해 조명된 얼굴을 촬영할 수 있게 된다. 따라서, 카메라(121)들에 의해 촬영된 이미지들로부터 3차원 모델링될 수 있다.
일반 광원(131)은 복수의 LED들과, LED들의 전방에 배치된 확산판을 포함할 수 있다. LED들은 기판에 탑재될 수 있다. 내측 하우징(113)의 후면에는 일반 광원(131)을 수납하는 수납부가 형성될 수 있다. 확산판은 암실(111) 내에 노출되게 내측 하우징(113)에 장착될 수 있다. LED들로부터 발산된 광은 확산판을 통해 암실(111) 내로 고르게 확산될 수 있다.
편광 광원(132)은 암실(111) 내로 편광을 조사한다. 편광 광원(132)은 암실(111)의 상면 및 하면에 각각 대응되게 장착되어 암실(111) 내로 편광을 조사할 수 있다. 얼굴을 편광으로 조명한 상태에서 카메라(121)들에 의해 얼굴을 촬영하게 되면, 촬영된 이미지 상에 스페큘러(specular)에 의한 번들거림 등이 발생되지 않을 수 있다.
편광 광원(132)은 복수의 LED들과, LED들의 전방에 배치된 편광 필터를 포함할 수 있다. LED들은 기판에 탑재될 수 있다. 편광 필터는 LED들로부터 발산된 광을 편광된 상태로 만든다. 내측 하우징(113)의 상면 및 하면에는 편광 광원(132)을 각각 수납하는 수납부가 형성될 수 있다. 편광 광원(132)의 광 투과판은 암실(111) 내에 노출되게 내측 하우징(113)에 장착될 수 있다.
자외선 광원(133)은 암실(111) 내로 자외선을 조사한다. 자외선 광원(133)은 암실(111)의 좌면 및 우면에 각각 대응되게 장착되어 암실(111) 내로 자외선을 조사할 수 있다. 얼굴을 자외선으로 조명한 상태에서 카메라(121)들에 의해 얼굴을 촬영하게 되면, 촬영된 이미지 상에 기미, 주근깨, 색소 침착 등의 피부 정보가 얻어질 수 있다. 따라서, 피부 분석에 이용될 수 있다.
자외선 광원(133)은 자외선 램프를 포함할 수 있다. 자외선 램프는 대체로 광량이 부족하기 때문에, 광량 확보하기가 쉬운 얼굴의 좌우에 대응되게 배치될 수 있다. 내측 하우징(113)의 좌면 및 우면에는 자외선 광원(133)을 각각 수납하는 수납부가 형성될 수 있다. 자외선 광원(133)의 광 투과판은 암실(111) 내에 노출되게 내측 하우징(113)에 장착될 수 있다.
전술한 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)에 의하면, 일반인도 손쉽게 3차원 얼굴을 스캐닝할 수 있고 콤팩트화된 구조로 이동성을 높일 수 있다.
한편, 하우징 본체(110)의 외측에는 조작부(140)가 장착될 수 있다. 조작부(140)는 일반 광원(131)을 온/오프 시키는 일반 광원 버튼(141)과, 편광 광원(132)을 온/오프 시키는 편광 광원 버튼(142)과, 자외선 광원(133)을 온/오프 시키는 자외선 광원 버튼(143), 및 전원 버튼(144)을 포함할 수 있다. 따라서, 사용자는 일반 광원(131), 편광 광원(132), 자외선 광원(133)을 선택적으로 온/오프 시킬 수 있다.
조작부(140)는 하우징 본체(110), 즉 외측 하우징(114)의 외측 상면에 장착될 수 있다. 이에 따라, 사용자가 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)에 얼굴을 삽입한 상태에서, 사용자 옆에 있는 작업자가 조작부(140)에 손쉽게 접근해서 조작할 수 있다. 따라서, 3차원 얼굴 스캐닝 장치(100)에 의한 스캐닝 작업이 가장 효율적으로 이루어질 수 있다.
도 5를 참조하면, 암실(111)의 내측 후면에는 거울(124)이 형성될 수 있다. 거울(124)은 암실(111)의 전방을 향하게 배치된다. 투명 판이 암실(111)의 후면을 관통해서 설치되는 경우, 거울(124)은 투명 판에서 카메라들의 각 렌즈부와 대응되는 부위를 제외한 부위에 형성될 수 있다. 거울(124)의 중앙에 가이드 선(125)이 형성될 수 있다. 가이드 선(125)은 중앙 카메라(121)의 렌즈부의 상하측에 대응되게 세로로 각각 형성될 수 있다. 사용자는 거울(124)과 가이드 선(125)을 보고 자신의 얼굴 위치를 확인하면서 수직, 수평을 맞출 수 있다.
얼굴 삽입부(112) 쪽에는 턱 지지대(150)가 장착되어 얼굴의 턱을 지지할 수 있다. 턱 지지대(150)는 내측 하우징(113)의 전방 하단에 장착되며, 턱을 감싸는 형태로 이루어질 수 있다. 턱 지지대(150)는 사용자의 편안함을 위해 가운데 홈이 있는 형태로 이루어지며, 실리콘 등의 부드러운 재질로 이루어질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 얼굴 삽입부(112)에는 얼굴 가림막(160)이 장착될 수 있다. 얼굴 가림막(160)은 얼굴 주변을 감싼 상태로 얼굴 삽입부(112)를 폐쇄한다. 얼굴 가림막(160)은 얼굴이 얼굴 삽입부(112)에 삽입된 상태에서 외부의 빛이 암실(111)로 들어가는 것을 차단할 수 있게 한다. 따라서, 완벽한 암실(111)이 만들어진 상태에서 카메라 모듈(120)에 의해 얼굴이 촬영될 수 있으므로, 3차원 얼굴 복원 과정에서 이미지 처리의 효율성이 향상될 수 있다. 또한, 3차원 모델에서 정확한 얼굴 피부색이 표현될 수 있다.
얼굴 가림막(160)은 중앙 부위에 사람의 얼굴 형상과 유사한 형상의 구멍(161)을 갖고 가장자리 부위가 얼굴 삽입부(112)의 입구를 따라 고정되는 막 형태로 이루어질 수 있다. 얼굴 가림막(160)은 스판덱스(spandex) 재질과 같은 탄력 있는 재질로 이루어질 수 있다. 사용자는 얼굴을 얼굴 가림막(160)의 구멍(161)으로 밀어 넣게 되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 구멍(161)이 확장되면서 얼굴 주변을 타이트하게 감싸게 된다. 이에 따라, 외부 빛이 암실(111)로 들어가는 것을 차단할 수 있다. 다른 예로, 도시하고 있지만, 얼굴 가림막은 얼굴 주변을 감싸고 턱 밑으로 지퍼 또는 잠금 장치를 둔 형태로 이루어져 사용자의 얼굴 형상에 맞게 조절될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..하우징 본체 111..암실
112..얼굴 삽입부 113..내측 하우징
114..외측 하우징 118..후측 하우징
120..카메라 모듈 121..카메라
130..조명 모듈 131..일반 광원
132..편광 광원 133..자외선 광원
140..조작부 150..턱 지지대
160..얼굴 가림막

Claims (12)

  1. 내부에 형성된 암실과, 상기 암실의 전면에 개구되게 형성되어 사용자의 얼굴을 삽입시키는 얼굴 삽입부를 구비하는 하우징 본체;
    상기 암실의 후면에 장착되어 얼굴을 스테레오 촬영하는 카메라 모듈; 및
    상기 암실에 장착되어 얼굴을 조명하는 조명 모듈을 포함하고,
    상기 하우징 본체는,
    상기 암실을 형성하는 내측 하우징 및 상기 내측 하우징의 둘레를 간격을 두고 감싸며 제 1 통풍구를 갖는 외측 하우징을 포함하고,
    상기 제 1 통풍구는 외측 하우징의 후면에 내측 하우징의 상면보다 높은 위치에 형성되어 공기를 배출하는, 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측 하우징은 좌측 하단 및 우측 하단에 각각 받침다리가 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 받침다리들에는 손잡이가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징 본체는,
    상기 외측 하우징의 후방에 장착되어 상기 카메라 모듈을 수용하며 제2 통풍구를 갖고 광 투과성 재질로 이루어진 후측 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조명 모듈은,
    상기 암실 내로 일반광을 조사하는 일반 광원과,
    상기 암실 내로 편광을 조사하는 편광 광원, 및
    상기 암실 내로 자외선을 조사하는 자외선 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 일반 광원은 상기 암실의 후면에서 상기 카메라 모듈의 상측 및 하측에 각각 대응되게 장착되어 상기 암실의 전방을 향해 일반광을 조사하며;
    상기 편광 광원은 상기 암실의 상면 및 하면에 각각 대응되게 장착되어 상기 암실 내로 편광을 조사하며;
    상기 자외선 광원은 상기 암실의 좌면 및 우면에 각각 대응되게 장착되어 상기 암실 내로 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하우징 본체의 외측 상면에 조작부가 장착되며;
    상기 조작부는 상기 일반 광원을 온/오프 시키는 일반 광원 버튼과, 상기 편광 광원을 온/오프 시키는 편광 광원 버튼과, 상기 자외선 광원을 온/오프 시키는 자외선 광원 버튼, 및 전원 버튼을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 카메라 모듈은 좌우로 배열된 복수 개의 카메라들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 암실의 전방을 향하게 상기 암실의 내측 후면에 형성되고 중앙에 가이드 선이 형성된 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 얼굴 삽입부 쪽에 장착되어 얼굴의 턱을 지지하는 턱 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    얼굴 주변을 감싼 상태로 상기 얼굴 삽입부를 폐쇄하는 얼굴 가림막을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 스캐닝 장치.
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