KR20000016663A - 3차원 형상 묘사 획득용 시스템 및 방법 - Google Patents

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마르크 라파엘 안툰 브리지뜨 프로에스망스
루크 세라피나 야코부스 판 굴
앙드레 율레스 요셉 오스트링크
필립 피터 데푸르트
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에이치. 클라에스; 레이몽 드 봉
케이.유. 로이벤 리써치 앤드 디벨롭프먼트
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Abstract

씬의 3차원 형상 또는 이미지를 획득하기 위한 방법에 있어서, 선정된 라인들의 패턴은 씬 상에 투영되고 형상은 상기 라인들 간의 상대적인 거리 및/또는 상기 패턴의 라인들의 교차점들에 기초하여 획득된다.

Description

3차원 형상 묘사 획득용 시스템 및 방법
통상적으로, 3차원 형상 묘사는 2개 이상의 카메라 또는 레이저 시스템을 사용하여 얻어진다. 지금의 시스템은 그 가격이 매우 높고, 시간을 많이 소비하는 눈금 절차가 필요할 수 있으며, 또는 전송에 어려움이 있는데, 어떤 경우에는 씬(scene)이 정이미지가 되는 동안에, 그 씬에 대한 작업용 메모리 용량이 판단되거나, 그 형상의 토폴로지(topology)에 관한 불충분한 정보가 얻어진다.
관련된 연구 중 하나는 1993년 패턴 분석 및 기계 지능에 관한 IEEE 회보 Vol. 15, No. 5, pp. 477-483 에 있는 에이. 블래이크(A. Blake) 등의 논문인 "트리노큘라 액티브 래인지-센싱(Trinocular active range-sensing)" 이 있다. 이 방법에 따르면, 2개의 연속된 평행선들이 순차적으로 투영된다. 이 투영된 라인들 및 에피폴라 라인들이 측면에서 교차하는 것을 보증함으로써 이미지의 선들이 식별될 수 있다. 그러므로, 이 라인들은 서로 근접하게 될 수 없다.
다른 예로서는 1997년 전자 이미지 저널 6(1), pp. 140-144 에 있는 뷰오리 및 스미스의 논문인 "Three dimensional imaging system with structured lighting and practical constraints" 이 있다. 이 방법에 따르면, 단일한 패턴이 투영되지만, 기록용 씬의 차원 및 패턴 소자 사이의 상대 거리에 그 한계점이 있다. 이것은 개개의 패턴 요소가 투영되는 이미지면의 일부를 예측하는 것을 가능하게 한다.
또한, 기존의 시스템들 및 방법들은 언제나 절대 측정 및 크기로부터 시작하는데, 이것은 늘 필요한 것이 아니며, 특히 그 응용이 물체의 크기 측정이 아닌 도시에 목적이 있을 때는 더욱 그렇다.
인터넷 상에서의 물체 도시, 가상 현실, 영화 산업 등의 새로운 응용들에 대해 3차원 이미지 또는 형상 이용의 중요성이 증가되고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 도시하는 개략적인 도면.
도 2는 도 1의 배열로 얻어진 이미지의 상세한 예를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3d는 라인 검출기의 결과 및 제1 정정 단계 후에 이들의 조합을 상세하게 도시하는 도면.
도 4는 검출된 패턴으로 비연속적인 예를 도시하는 도면.
도 5a 내지 도 5c는 격자의 구조를 설명하는 다이어그램.
도 6a 및 6b는 격자 위치의 개선을 설명하는 다이어그램도.
도 7은 라벨과 함께 제공되는 격자 포인트를 설명하는 도면.
도 8a 및 도 8b는 세부적인 이미지에 대하여 격자 추출 처리를 완료한 결과를 도시하는 도면.
도 9a 및 도 9b는 표면 질감을 얻기 위한 단계를 설명하는 2개의 이미지를 도시한 도면.
도 10a 내지 도 10h는 얻어진 결과의 예를 도시한 도면.
본 발명은 씬의 3차원 형상이나 이미지를 포착하기 위한 방법을 제공하는 데 있는데, 여기서는 소정의 패턴이 씬 위로 투영되고, 그 형상이 하나 이상의 이미지로 검출된 패턴의 상대적인 변형의 기초 하에 얻어진다.
또한, 본 발명은 씬의 3차원 형상이나 이미지를 얻기 위한 시스템을 제공하는데 있는데, 상기 시스템은:
- 상기 씬 상에 패턴을 투영하기 위한 하나 이상의 패턴 발생기;
- 상기 씬의 이미지 또는 이미지들을 만들기 위한 하나 이상의 카메라;
- 상기 씬의 형상을 결정하기 위한 계산 수단
을 포함한다.
이것에 필요한 하드웨어는 간단하므로, 본 발명에 따른 시스템은 매우 경제적이다.
본 발명에 따르면, 패턴 자체의 코드에 의하거나 씬 및/또는 배열에 의해 또는 그것에 관한 선행 지식에 의해 주어진 제한 조건들에 의해, 선 또는 점과 같은 투영된 패턴의 구성 요소들을 개별적으로 식별하는 것은 더 이상 필요하지 않다. 본 발명에 따른 방법에서, 형상은 패턴에서의 구성 요소들의 상대적 위치에 의해, 예를 들어 패턴 라인의 상대적 순서를 판단함에 의해서 얻어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 3차원 이미지 또는 3차원 형상 묘사를 포착하는데 단일 이미지로 충분하며, 포착 시간은 단일 이미지를 만드는데 필요한 시간 보다 짧은 시간이 요구된다.
단일 이미지의 기록 시간이 제한될 수 있고, 신속하게 연속되는 다른 이미지들에 대해 복원이 이루어질 수 있기 때문에, 이동 물체 및 이들의 3차원적인 이동 및 형성의 변화가 복원될 수 있다.
본원 발명에 따르면, 교정 절차는 간단하게 이루어질 수 있고 패턴 발생기 및 카메라의 상대적인 위치에 대한 제한이 거의 필요하지 않다.
본원 발명에 따르면, 투영된 패턴은 매우 간단히 그리고 하나의 격자 거리 정도로 강하게 상호 연결될 수 있다. 패턴의 해상도가 단순하기 때문에, 3차원 복원이 높게 유지될 수 있다. 패턴의 강한 상호 연결에 기인해서, 출력의 구성 성분으로서 교정 표면 토폴로지(topology)를 명확하게 결정하는 것이 가능하게 된다.
본원 발명에 따르면, 전체적인 패턴 내의 패턴의 구성 성분의 절대적인 위치는 부차적으로 중요하다. 3차원적인 형상 묘사는 패턴 프로젝션 및 이미지 형성의 입체적인 (의사-) 직교 모델을 가정함으로써, 스케일 인자를 제외하고는 이러한 정보없이 생성될 수 있다. 이러한 입체에 있어서의 원근적인 효과는 제한된 상태로 바람직하게 유지된다.
3차원-형상 및 씬의 표면 구조 모두가 결정될 수 있다. 여기에서는 동일한 카메라를 사용하여 형상 및 구조가 결정되기 때문에 형상 및 구조의 배열에 관한 문제점을 제거할 수 있다. 구조를 가지는 또는 가지지 않는 3차원 형상이 될 수 있기 때문에 최종 출력은 그래픽 워크-스테이션 또는 인터넷(graphic work-stations or Internet)에 대한 적절한 포맷을 포함하여 임의의 바람직한 포맷으로 만들어질 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 표면 구조는 3차원 형상을 결정하기 위해 사용되는 동일한 이미지로부터도 또한 얻어질 수 있다. 하나의 패턴이 구성 부분의 절대적인 정의를 갖고 사용되는 경우에 유사한 방법들이 또한 사용될 수 있다. 채색된 또는 다중 스펙트럼의 표면 구조를 얻기 위한 구조, 즉 다른 베이스의 이미지들로 이루어진 구조를 얻기 위한 절차는 하나의 베이스 이미지를 얻기 위한 것과 본질적으로 다르지 않다는 것은 명백하다.
바람직한 실시예에 따르면, 투영된 패턴은 표준이며, 직사각형 또는 정사각형과 같이 평행하고 동등한 거리의 라인들의 2개의 상호 직교하는 일련의 시리즈의 조합으로 형성되어 있는 유사한 기본 형상으로 이루어져 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 교정은, 사이각이, 예를 들어 직각인, 알려진 두 개의 평면 시스템을 보임으로써 이루어질 수 있다. 형상을 정의하기 위해 필요한 변수들은, 이미지 평면, 만약 필요한 경우, 픽셀들의 높이 및 폭에 대해서 투여된 광선의 반사각으로부터 결정될 수 있다.
본원 발명의 또 다른 장점, 특징 및 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참고로하여 바람직한 실시예의 아래의 설명을 기초로하여 설명될 것이다.
도 1의 배치에서 프로젝터에 의하여 패턴이 무대에 투영되고 카메라에 의하여 이미지 평면(image plane)에서 포착된다. 본 실시예에서는 상기 프로젝터 및 카메라는 무대로부터 약 4m 정도 떨어져서 위치한다. 투영 방향 및 관찰 방향 사이의 각도는 대략 7도이다. 투영되는 패턴은 거의 정사각형인 격자로서, 600개의 수평 방향선 및 수직 방향선이 석판 기술(lithographic techniques)에 의하여 슬라이드 상에 배치된 것인데, 10㎛의 선두께로 상호간의 거리 50㎛로 되어 있다. 본 실시예에서는 512x512의 이미지가 형성되는데, 재구성을 위하여 상기 무대의 일부에 의하여 많은 부분이 이어지며(taken up) 투영된 100개의 수평 방향선 및 100개의 수직 방향선이 실질적으로 상기 이미지에서 관찰가능한 것이 전형적이다.
도 2는 전술한 조건에서 기록된 이미지의 세부를 도시한 도면이다.
도 3a는 상기 이미지를 보다 상세히 보여주며, 도 3b 및 도 3c는 수평 방향선 및 수직 방향선 검출기의 응답을 보여주는 도면이다. 상기 응답의 중심선 및 간격의 첫 번째 채움이 결정된 후, 상기 중심선은 이미지 패턴(d)의 초기 재구성에 결합된다. 예를 들어, 노이즈 또는 다른 원인에 의하여, 검출된 패턴선의 불연속이 선 검출기의 응답이 비교적 약한 영역에서 나타날 것이다. 도 4는 2개의 선이 교차점 부근에서 중단되는 예를 도시하는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이번 실시예에서는, 선의 구획의 2개의 끝점 부근이 선폭 s인 선의 영역에서 스캔된다. 상기 처리에서 다른 선의 구획의 점이 나타나는 경우, 끝점 사이의 직선 링크에 대한 평균 강도 뿐 아니라, 상기 불연속에 인접한 선의 구획의 경사각 차이 ε, 상기 구획의 끝점까지의 거리, 주어진 끝점과 후보 구획의 끝점의 강도 차이등과 같은 특성에 근거하여 스코어가 그곳에 할당된다. 상기 스코어의 합이 최적인 경우에는 두 개의 구획이 결합된다. 이러한 결과는 도 3d에서 이미 보여졌다.
도 5는 상기 교차점 또는 교차점의 구성을 보여주는 도면이다. 도 5a에는 2개의 선의 교차점이 도시되어 있다. 이러한 교차점은 격자 표시로 나타나는데, 도 5b에 도시된 바와 같이 각각의 격자 점은 최대 4개의 인접 영역(N, E, S 및 W)을 갖는다. 완전한 사각형의 꼭지점인 격자 점은 이어지는 정정 단계(correction step)에서 특히 중요하다. 이들은 인접 영역 E, 인접 영역 S, 인접 영역 W, 및 인접 영역 N의 연속적인 선택에서 회귀점(points of return)이 된다 (c).
도 6은 상기 격자에 적용된 정제 단계(refining step)를 도시하는 도면이다. 본 단계는 상기 격자를 링크된 선의 시스템으로 취급하여, 최초의 분리된 표시에 대하여 도 6a에 도시된 바와 같이 연속성을 끌어 내고, 상기 패턴의 선과 같은 극성의 강도를 갖으면서 상기 정제된 선 위치에 대하여 위치의 우선권을 부여하는 인력(attractive force)을 가하여 상기 위치를 정제한다. 상기 개선 단계의 결과는 도 6b에서 보여진다.
상기 격자 점들은 도 7에 도시된 바와 같이 라벨 또는 숫자를 부여 받는다. 상기 이미지의 임의의 격자 점이 기준점 O (0, 0)으로 선택된다. 다른 격자 점들은 "수평 방향" 라벨 i 및 "수직 방향" 라벨 j를 부여받는데, 이들은 상기 기준에 대한 상대적 위치를 제공한다. 수평선 부호 i는 기준점으로부터 격자점에 도달하는 데 필요한 각각의 E 단계 및 W 단계에서 증감한다. 수직선 부호 j는 기준점으로부터 격자점에 도달하는 데 필요한 각각의 N 단계 및 S 단계에서 증감한다. 라벨을 정의하는 것은 격자의 간섭을 정의하는 것이다.
도 7은 예컨대 점 P를 향한 다른 경로를 선택함으로써 부호가 달라지는 일례를 나타낸다. 우측으로 돌아가는 경로는 백색으로 표시된 격자의 잘못된 부분을 피하므로 더 신뢰성이 있다. 경로의 신뢰성은 그 경로를 따르는 개별 격자점의 신뢰성에 기초하여 결정되고, 인접한 격자점들에 대한 더 많은 연결이 손실되는 것을 감소시키며, 투시 방향에서 관측할 때 관측된 패턴 내의 개별적으로 발견되는 사각형이 많을수록 정사각형과 유사한 것들은 더 적어진다. 부호는 필요한 경우 반복적으로 보정된다. 여기서, 더 오래된 부호는 더 신뢰성 있는 새로운 부호로 재기록된다.
도 8b는 도 8a의 상세 이미지를 위한 최종적으로 발견된 격자를 나타낸다.
격자의 정의에 관한 더 자세한 사항은 본 발명자의 논문 "Active acquisition of 3D shape for moving objects"를 포함하는 동봉물을 참조하면 된다.
격자가 정확히 정의된 후, 격자의 3차원 형상이 계산될 수 있다.
패턴으로 도시된 가시면의 3차원 형상은 격자점의 3차원 위치에 기초하여 재구성된다. 바람직한 실시예에서, 격자점들의 상대 위치는 2개의 평행 광선의 교차점으로부터 얻어지는데, 평행 광선 중 하나는 패턴 투시광을 나타내고, 다른 하나는 이미지 투시광을 나타내며, 이들은 교정에 의해 정의되는 각도를 형성하고, 이들의 교차점은 이미지에서 검출된 격자점의 위치와 일치한다.
바람직한 실시예에서 사용되는 3차원 형상 묘사의 정의 및 교정에 관한 더 자세한 사항은 본 발명자의 논문 "One-shot active 3D shape acquisition"을 포함하는 동봉물을 참조하면 된다.
바람직한 실시예에서는 격자가 정확히 정의된 후, 형상 정의를 위해 사용된 상기 이미지로부터 텍스쳐가 또한 추출된다.
이미지에서 패턴 스트라이프의 강도 프로파일의 횡단면은 가우스 형태가 되는데, 이는 함수 w(x)=1- e-(x/δ)n 에 의해 근사화된다.
실험에서 n=2가 선택되었고 함수는 가우스 형태였다. 이어서, 상기 프로파일을 추출된 격자선 위에 중첩시켜 패턴 스프라이프의 강도 감쇠를 모델링하였다. 도 8b의 격자에 대한 결과가 도 9a에 도시되어 있다. 이미지 강도는 상기 감쇠가 클수록 실제 텍스쳐를 덜 묘사하는 것으로 고려된다. 텍스쳐를 결정하기 위하여, 시작점으로서 강도의 보간(interpolation)이 취해지는데, 이때 상대적인 감쇠 및 강도가 복원되는 점까지의 거리의 고려된다. 그 결과는 강도에 대한 비선형 확산 과정을 초기화하는 데에만 사용되는데, 이는 패턴 스트라이프의 잔여 궤적을 제거한다. 도 8a의 이미지에 대한 결과가 도 9b에 도시되어 있다.
최종적으로, 추출된 텍스쳐가 표면에 배열(맵핑)된다.
표면 텍스쳐의 결정에 관한 더 자세한 사항은 본 발명자의 논문 "A sensor that extracts both 3D shape and surface texture"를 포함하는 동봉물을 참조하면 된다.
도 10은 본 실시예를 이용하여 획득된 결과를 나타낸다. 도 10a와 도 10b는 손과 얼굴에 대한 2개의 입력 이미지들을 나타낸다. 도 10c와 도 10d는 손에 대해 획득된 2개의 형상 묘사의 도면들을 나타내고, 도 10e와 도 10f는 얼굴의 형상 묘사의 도면들이다. 도 10g와 도 10h는 얼굴의 텍스처 코팅된("텍스처 매핑") 형상 묘사의 두 도면들을 나타낸다.
투영 및 관측 기하학에서의 원근 효과를 추가적인 단계로 이용하는 것이 전술된 본 방법 및 장치의 바람직한 실시예에 고려될 수 있다. 절대 치수 및 거리의 데이타 추가를 이용하여 형상 묘사의 미지의 스케일 요소가 사라지게 할 수 있다. 물론 패턴 성분들의 식별을 용이하게 하는 투영 패턴에 코드들을 부가하는 것을 가능하게 한다. 상이한 투영 및/또는 이미지들은 동시에 사용될 수 있다. 또한, 표면 텍스처는 패턴을 볼 수 없는 이미지로부터 획득될 수 있는데 - 예를 들면 비가시 파장을 사용하거나 패턴들을 스위칭 오프함으로써 획득되고 - 및/또는 텍스처는 본 실시예에 기술된 것 이외의 방법으로 패턴을 필터링함으로써 추출될 수 있다.
본 발명은 전술된 바람직한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다; 적용된 권리는 변경이 예견될 수 있는 범위 내에서 다음 청구 범위에 의해 한정된다.

Claims (11)

  1. 씬(scene)의 3차원 형상 또는 이미지를 획득하기 위한 방법에 있어서,
    선정된 라인들의 패턴은 상기 씬 상에 투영되고 상기 형상은 상기 라인들 간의 상대적인 거리 및/또는 상기 패턴의 라인들의 교차점들에 기초하여 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴은 공통 수직 라인들의 격자(grid)인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패턴 라인들은 상기 투영 이미지로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 공통 수직 투영 라인들의 교차점들이 추출되고 번호 표시와 같은 라벨이 부여되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교차점들은 화소의 사이즈 보다 큰 정확도로 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전술된 청구항들 중 한 항에 있어서, 상기 씬의 상기 표면 텍스처가 추출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 씬의 3차원 형상 또는 이미지를 획득하기 위한 시스템에 있어서:
    상기 씬 상에 라인 패턴을 투영하기 위한 패턴 발생기;
    상기 씬을 기록하기 위한 적어도 하나의 카메라; 및
    상기 씬의 형상을 결정하기 위한 연산 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 눈금 측정을 위해 알려진 형상의 물체를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 청구된 방법에 따라 획득된 이미지 및/또는 청구항 제7항 또는 제8항에 청구된 시스템.
  10. 설명 및/또는 도면에 따른 실질적인 방법 및/또는 시스템.
  11. 씬의 3차원 형상 또는 이미지를 획득하기 위한 방법에 있어서, 라인들의 패턴은 상기 씬 상에 투영되고, 상기 씬의 표면 텍스처가 추출되는 것을 특징으로 하는 방법.
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