KR102241060B1 - 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법 - Google Patents

미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법 Download PDF

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Abstract

본발명은 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 시스템에 관한 것으로,
집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본발명은 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 집적 영상 구성에 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행할 수 있는 미소거울배열소자를 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생하는 것으로,
본발명은 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되어, 상기 미소미러배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가짐으로써 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행되고, 오쏘스코픽 영상이 얻어지므로 올바른 영상을 제공하는 현저한 효과가 있다.

Description

미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법{Non-eyeglass integrated image display method using micro mirror}
본 발명은 미소미러배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법 및 시스템에 관한 것으로 더욱 상세히는 렌티큘러 렌즈나 렌즈어레이를 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방식에 있어서 미소미러배열 소자를 사용하여 깊이 반전된 영상을 공간 홀로그램 영상으로 표시하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
지난 한세기 동안 3차원(Three-dimensional: 3D) 정보를 기록하고 재생하는 3D 이미징 기술이 큰 관심을 받았다. 그중에서도 특히 집적영상(Integral imaging: InIm) 기술이 이를 대표하는 차세대 기술로 각광받고 있다. 이 컨셉은 G. Lippmann 에 의해 1908년에 처음으로 제안 되었다. 그는 구체형 디옵터(Spherical diopter) 배열을 활용하여 3D 정보를 획득 및 재구성 할수 있는 방법을 제시 하였으며, 이러한 그의 연구는 인테그럴 포토그래피(Integral Photography: IP) 라고도 잘 알려져있다 [Lippmann ]. 최근에는 구체형 디옵터 대신, 반구형의 볼록렌즈들이 가로세로 배열을 이루는 렌즈어레이(Lens array) 를 활용하고, 2차원(Two-dimensional: 2D) 이미징 센서(e.g: CMOS, CCD) 로 3D 영상을 획득하는 방식으로 발전되어 현재까지도 꾸준한 연구가 진행되고 있다.
이렇게 획득 된 영상은 작은 영상들의 배열로 이루어져있는데, 각각의 작은 영상들을 요소영상 이미지 (Elemental image: EI), 그리고 이들의 배열을 집적영상 이미지(Integral image: II) 라고 한다. 흥미로운점은 획득된 모든 요소영상 이미지들은 공간정보(spatial information) 와 각도정보(angular information)를 동시에 가지고 있다. 즉, 요소영상 이미지 각각의 픽셀은 렌즈어레이를 통과한 빛의 다양한 입사를 통해 기록되는 빛의 세기들을 모은 다차원 정보이기 때문이다. 한편, 이렇게 기록된 집적영상 이미지는 촬영의 역순으로 재생이 된다. 촬영된 집적영상 이미지를 재생할 디스플레이 장치 앞에 렌즈어레이를 배치함으로써 실상과 허상으로 구성된 3차원 정보가 복원된다. 이렇게 재생된 영상은 상하좌우의 연속적인 시점과 깊이감을 가지는 다시점 3D 컬러영상이 된다.
일반적으로 3차원 물체에 대해서 렌즈배열 (렌티큘러 시트도 사용가능함)을 카메라에 앞에 위치시켜서 3차원 영상의 정보를 픽업하는 영상픽업부, 상기 영상픽업부에서 픽업된 요소영상을 렌즈배열(또는 렌티큘러시트)이 부착된 디스플레이패널로 구성되며 슈도스코픽 3D 영상을 재생하는 집적영상 재생부 및 상기 슈도스코픽 3D 영상에 대해서 깊이 반전 기능을 통하여 올바른 오쏘스코픽 3D 영상을 공간에 투영하는 미소거울배열소자부로 구성된다.
특히, 종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1238824호의 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에는, 디스플레이패널로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널이 상기 디스플레이패널의 전방에 배치되며, 상기 개구를 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼게 하는 무안경식 3차원 영상표시장치; 상기 무안경식 3차원 영상표시장치로부터 상기 디스플레이패널의 크기, 해상도, 단위화소의 폭(p), 각 단위화소 사이에 위치한 전극의 폭(M) 및 상기 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리(d), 개구폭(A) 및 장벽의 폭(B)에 대한 디스플레이 정보를 비롯하여 기설정된 총 시점수, 각 단위화소당 점광원의 수, 상기 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리(V) 및 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리(B.D)에 대한 시점 정보를 제공받아 디스플레이의 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원에서 출발하는 광이 개구를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭(Intensity distribution)을 연산하여 기설정된 관찰면에서 수평방향의 관찰범위내의 시역분포데이터를 획득하는 제어장치; 및 상기 제어장치로부터 획득된 시역분포 데이터를 제공받아 상기 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 출력하는 빔 프로젝트 장치를 포함하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템이라고 기재되어 있다.
다른 종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1288120호의 관찰자에게 최적시청영역을 표시해주는 3차원 디스플레이 시스템에는, 개구를 포함하는 시차장벽이 디스플레이패널의 전방에 배치되는 무안경식 3차원 영상표시장치; 상기 3차원 영상표시장치의 전방에 위치한 적어도 하나 이상의 관찰자를 포함한 실제 관찰영역에 대한 배경영상정보를 획득하기 위한 카메라; 상기 카메라로부터 획득된 배경영상 정보를 제공받아 스테레오 정합을 이용하여 관찰자 위치에 대한 3차원 영상 및 위치 정보데이터를 획득하는 3차원 영상획득부; 및 상기 무안경식 3차원 영상표시장치의 각각의 광원에서 출발하는 광이 관찰면을 기준으로 수평축의 x방향 및 수직축의 z방향으로 확장된 관찰영역에서 각 시점에 도착하는 확장된 전체 시역폭(Extended intensity distribution)을 연산하여, 관찰면에서 수평 및 수직방향의 관찰범위내의 시역분포 데이터를 획득함과 아울러, 상기 시역분포 데이터를 이용하여 상기 디스플레이패널의 수평 및 수직방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 획득하며, 상기 최적시청영역 영상에 상기 3차원 영상획득부로부터 획득된 관찰자의 3차원 영상 및 위치 정보데이터를 합성하여 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 상기 디스플레이패널에 표시해주는 제어장치를 포함하는 3차원 디스플레이 시스템이라고 기재되어 있다.
한편, 이러한 집적영상 기술에는 치명적인 문제점이 존재한다. 일반적인 집적영상 재생 방식은 객체의 집적 영상이 공간상에서 표시될때, 관측자가 객체의 집적 영상을 관측하는 모습이, 관측자가 객체를 직접 관측하는 모습과는 정반대의 원근 관계로 나타나는, 즉, 멀리있는 사물이 가까이 보이거나, 가까이 있는 사물이 멀리보이는 슈도스코픽(Pseudoscopic) 현상이 발생한다.
이는 도 1에서 보여지듯이 영상의 획득과 재생이 서로 반대 방향에서 이루어지기 때문에 발생하는 현상인데, 카메라로 획득할때 가까이 있던 물체는 재생될때도 마찬가지로 디스플레이 장치의 가까운곳에 재생되고, 결과적으로 이를 바라보는 관측자는 획득된 영상의 180도 회전된 뒷면을 관측하게 된다.
따라서, 재생되는 영상은 원근감이 반전되어 보여지는 현상이 발생하게 되는것이다. 해당 문제를 해결하기 위한 방법으로 흔히 슈도스코픽의 오소스코픽 변환 기법(Pseudoscopic-to-orthoscopic conversion: PO conversion)이 제시된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 곳에서 연구와 개발이 현재까지 지속적으로 이뤄지고 있지만, 여전히 개선할점들이 많은 상황이다 [ AIRR, SPOC, Okano’s method, etc.. ].
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본발명은 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되어, 상기 미소미러배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가짐으로써 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행되고, 오쏘스코픽 영상이 얻어지므로 올바른 영상을 제공하는 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본발명은 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본발명은 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 집적 영상 구성에 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행할 수 있는 미소거울배열소자를 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생하는 것을 특징으로 하는 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법을 특징으로 한다.
따라서 본발명은 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되어, 상기 미소미러배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가짐으로써 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행되고, 오쏘스코픽 영상이 얻어지므로 올바른 영상을 제공하는 현저한 효과가 있다.
도 1. 집적 영상 기술의 구성도 (픽업과 재생부)
도 2. 전체 시스템 구조
도 3. 직접영상픽업부의 구조
도 4. 직접영상재생부의 구조
도 5. 미소거울배열소자부의 구조 및 결상의 원리
도 6. 전체 디스플레이 시스템의 구조
도 7. 실험 데모를 위한 집적영상 픽업부의 3D 영상 획득 실험 구조
도 8. 집적영상재생부에서 재생된 슈도스코픽 3D영상 표시
도 9. 미소거울배열부에서 재생된 오쏘스코픽 3D영상 표시
본발명은 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 시스템에 관한 것으로,
집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 영상픽업부는 3차원 물체에 대해서 렌즈배열 또는 렌티큘러 시트를 카메라에 앞에 위치시켜서 3차원 영상의 정보를 픽업하는 것이며, 집적영상 재생부는 상기 영상픽업부에서 픽업된 요소영상을 렌즈배열 또는 렌티큘러시트가 부착된 디스플레이패널로 구성되며 슈도스코픽 3D 영상을 재생하는 것이며, 상기 미소거울배열소자부는 슈도스코픽 3D 영상에 대해서 깊이 반전 기능을 통하여 올바른 오쏘스코픽 3D 영상을 공간에 투영하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본발명은 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 집적 영상 구성에 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행할 수 있는 미소거울배열소자를 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생하는 것을 특징으로 하는 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법을 특징으로 한다.
본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1. 집적 영상 기술의 구성도 (픽업과 재생부),
도 2. 전체 시스템 구조도, 도 3. 직접영상픽업부의 구조, 도 4. 직접영상재생부의 구조도, 도 5. 미소거울배열소자부의 구조 및 결상의 원리도, 도 6. 전체 디스플레이 시스템의 구조도, 도 7. 실험 데모를 위한 집적영상 픽업부의 3D 영상 획득 실험 구조도,
도 8. 집적영상재생부에서 재생된 슈도스코픽 3D영상 표시도,
도 9. 미소거울배열부에서 재생된 오쏘스코픽 3D영상 표시도이다.
본 발명의 구성은 도 2와 같이 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성된다.
집적영상픽업부에 대해 설명하면,
집적 영상 기술을 이용하여 영상 픽업을 위해서는 도 2와 같이 구성한다. 도 3에서 픽업할 3D 물체 앞에 렌즈어레이를 배치하고, 2D 카메라로 해당 렌즈어레이에 카메라의 초점을 둔 후 영상을 획득한다. 이렇게 촬영된 영상은 요소영상 되는데, 오목렌즈의 특성상 상하좌우로 반전이 되어 획득이 된다.
집적영상재생부에 대해 설명하면,
상기에서 기록된 요소 영상을 공간 3D 영상으로 변환하기 위해서는 특정구조의 광학 디스플레이 장치가 필요하다. 도 4와 같이 디스플레이 패널에 앞에서 기록된 요소영상을 표시하고 렌즈어레이를 배치한다. 이때 렌즈어레이와 패널사이의 거리는 렌즈어레이의 기초 렌즈의 초점거리와 같다. 그러면 충분히 넓은 깊이 영역의 3D 영상을 얻을 수 있다. 한편, 획득된 요소 영상을 PO conversion을 적용하지 않은 채 그대로 사용하게 될 시, 상기에서 말한 슈도스코틱 현상이 발생하여 깊이감이 반전된 영상이 재생되는 문제점이 있다.
미소거울배열소자부에 대해 설명하면,
본 발명에서는 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행할 수 있는 미소거울배열소자를 이용한다. 미소거울배열소자의 구조는 도 5과 같은 구조를 가진다.
미소거울배열소자에 의한 PO conversion을 설명하기 위해서는 도 5와 같이 2개의 점광원 P1과 P2를 고려하자. P1과 P2는 미소거울배열소자로 부터 서로 다른 거리에 위치해 있다. 먼저 점광원 P1에서 출발하는 광원들은 미소거울배열소자에 포함되어있는 수직미러들에 의해서 도와 같이 P1'의 위치로 결상되게 된다. 그리고 광원 P2는 미소거울배열소자를 통하여 P2'의 위치로 결상된다. 이와 같이 미소거울배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 이러한 원리를 통해서 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행된다.
본 발명에서 제안하는 3D 집적 영상 디스플레이 방식의 유용함을 보이기 위한 기초 광학 실험을 수행하였다. 도 5에 나타난 PO conversion을 포함하는 집적 영상 디스플레이 시스템의 구조도는 아래 도 6과 같다. 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 전통적인 집적 영상 방식에 미소거울배열소자를 도와 같이 45도 기울여 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 결과적으로 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생할 수 있다.
이렇게 얻어진 집적영상 이미지를 3D 영상으로 복원하는 실험을 수행하기 위하여 도 6과 같은 시스템을 구성하였다.
먼저 3D 영상을 픽업하였다. 3D 영상은 링영상과 아이콘 영상으로 구성하였으며, 아이콘 영상이 링영상보다 앞쪽에 위치하도록 하여 촬영을 하였다.
도 7에서 얻어진 요소영상을 도6의 시스템에 표시하였다. 이 경우에 집적영상재생부에서 재생되는 영상의 경우에는 도8과 같이 좌우 영상을 통해서 슈도스코픽 영상이 발생함을 알 수 있다. 슈도스코픽 영상은 올바른 영상이 아니기때문에 왼쪽으로 관측자가 이동하면 두 영상의 차이가 늘어나야하지만 줄어들게 된다.
이와는 반대로 도 9와 같이 미소거울배열부를 통과한 영상은 도8의 영상과는 반대로 동작함을 알 수 있다. 즉 오쏘스코픽 영상이 얻어진다. 그러므로 본 발명의 방식이 올바른 영상을 제공함을 알 수 있다.
따라서 본발명은 집적영상픽업부, 집적영상재생부, 미소미러배열소자부로 구성되어, 상기 미소미러배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가짐으로써 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행되고, 오쏘스코픽 영상이 얻어지므로 올바른 영상을 제공하는 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 집적 영상 구성에 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행할 수 있는 미소거울배열소자를 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생하는 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법에 있어서,
    상기 미소거울배열을 이용하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법은 무안경 집적 영상 디스플레이 시스템의 집적영상픽업부에 의해 영상을 픽업하는 단계; 집적영상재생부에 의해 요소 영상을 공간 3D 영상으로 변환하는 단계; 미소미러배열소자부로 구성되는 미소거울배열을 이용하여 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행하는 단계;를 포함하는 것으로,
    상기 집적 영상 기술을 이용하여 영상 픽업을 하는 단계는, 집적영상픽업부를 이용하는 것으로 픽업할 3D 물체 앞에 렌즈어레이를 배치하고, 2D 카메라로 해당 렌즈어레이에 카메라의 초점을 둔 후 영상을 획득하며, 이렇게 촬영된 영상은 요소영상 되는데, 오목렌즈의 특성상 상하좌우로 반전이 되어 획득이 되며,
    집적영상재생부에 의해 요소 영상을 공간 3D 영상으로 변환하는 단계는, 집적영상재생부를 이용하는 것으로, 상기 요소 영상을 공간 3D 영상으로 변환하는 것으로, 디스플레이 패널에 상기 요소영상을 표시하고 렌즈어레이를 배치하는 것으로, 이때 렌즈어레이와 패널사이의 거리는 렌즈어레이의 기초 렌즈의 초점거리와 같고,
    PO conversion을 광학적으로 수행하는 단계는, 미소거울배열소자부를 이용하여 슈도스코픽 영상을 오쏘스코픽 영상으로 올바르게 변환하는 PO conversion을 광학적으로 수행하는 것으로, 미소거울배열소자의 구조는 2개의 점광원 P1과 P2를 미소거울배열소자로 부터 서로 다른 거리에 위치해 있게 하되, 먼저 점광원 P1에서 출발하는 광원들은 미소거울배열소자에 포함되어있는 수직미러들에 의해서 P1'의 위치로 결상되게 되고 광원 P2는 미소거울배열소자를 통하여 P2'의 위치로 결상되며, 이와 같이 미소거울배열소자를 기준면으로 해서 대칭적으로 영상이 결상되는 구조를 가지므로 깊이를 180도 바꾸는 PO conversion 기능이 수행되되, 디스플레이 패널과 렌즈어레이로 구성된 집적 영상 방식에 미소거울배열소자를 45° 기울여 배치함으로써 PO converion이 광학적으로 수행되고, 결과적으로 슈도스코픽 현상이 해결된 3차원 영상을 재생하는 것을 특징으로 하는 무안경 집적 영상 디스플레이 방법
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KR101022565B1 (ko) * 2008-04-24 2011-03-16 경희대학교 산학협력단 투사형 3차원 집적 영상 시스템에 사용되는 반사형 스크린
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