KR20010005577A

KR20010005577A - 물체의 3차원 식별 방법

Info

Publication number: KR20010005577A
Application number: KR1019997008640A
Authority: KR
Inventors: 귄터 되멘스; 페터 룸멜; 리하르트 슈나이더
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2001-01-15
Also published as: EP0970435A2; WO1998043216A2; KR100320626B1; DE19712844A1; WO1998043216A3; ATE255744T1; DE59810342D1; EP0970435B1; ES2212294T3

Abstract

본 발명은 물체를 3차원적으로 식별하는 방법에 관한 것이다. 출입 권한을 위해 예를 들어 얼굴 특징을 검출하고 검사하는 공지된 안전 장치는 지금까지 2차원적 하프톤 화상의 평가를 토대로 한다. 얼굴의 3차원적 형태의 추가 검출 및 평가는 식별에 대한 신뢰성을 현저히 높힌다. 이에 따라, 짧은 시간내에 정보 수집을 실행하기 위해 그리고 식별 장치에 대한 비용을 현저히 높히지 않기 위해, 코딩된 조명이 디지털 마이크로 미러 장치에 의해 상이한 색깔로 비춰지며, 컬러 이미지 처리에 의해 얼굴의 형태가 결정된다.

Description

물체의 3차원 식별 방법 {METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL OBJECT IDENTIFICATON}

오늘날 이미 다양한 필드 검사(field test) 안전 장치가 있다. 여기에는 예를 들어 소유자 얼굴의 다수의 특징들이 저장될 수 있는 체크 카드 또는 칩카드가 언급될 수 있다. 사용자는, 예를 들어 코딩 넘버 및 자동 안전 장치에 의해 식별된 얼굴 특징이 저장된 데이터와 일치할 때만 출입 또는 접근할 수 있다. 코딩 넘버는 예를 들어 개인 식별 번호(PIN, Personal Identification Number)이다. 얼굴 특징은 카메라에 의해 찍힌 하프톤 화상(halftone picture)으로부터 얻어진다. 이 경우에는, 예를 들어 눈사이의 간격, 입과 안축 사이의 간격 등과 같은 평면에서의 간단한 형태적 특성값이 다루어진다. 2차원적 하프톤 화상과 실제로 3차원적으로 뚜렷하게 나타나는 원래의 얼굴 형태 사이의 비교적 매칭되지 않는 관계에도 불구하고, 예를 들어 신경망에 의한 공지된 평가 방법으로도 이미 매우 우수한 결과가 얻어질 수 있다. 식별 안전성은 지금까지 약 98%이다. 지금까지의 방법의 주요 단점은, 상기 방법이 예를 들어 정면 얼굴 사진에 의해서 비교적 쉽게 혼동될 수 있다는 것이다.

3차원적 물체 식별에 있어서, 3각 측량과 관련된 코딩된 빛 투사 원리를 이용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 측정 원리의 주요 특성은 측정될 작업 공간, 즉 물체 표면의 공간-시간적 코딩에 있다. 작업 공간은 예를 들어 스트라이프 패턴(stripe pattern)의 시간적 순서에 따른 투사에 의해 조명이 비춰진다(그레이-코딩-스트라이프 패턴(Gray-coded-stripe pattern)). 이 경우, 상기 스트라이프 패턴은 밝음(bright)-어두움(dark)-반복 특성을 특징으로 하는 상이한 투사 방향의 구분을 가능하게 한다. 물체 영상을 3차원적으로 측정하기 위해, 투명 LCD(Liquid Crystal Device)의 도움으로 생성되고 영상 물체로 변형된 패턴이 조명 방향과 다른 방향에서 카메라로 관찰된다.

카메라, 투사기 및 물체 영상 사이의 공지된 위치에 있어서 관찰되는 영상의 3차원 좌표는 종래의 방식으로 3각 측정에 의해 계산된다.

지금까지 공지된, 선택적으로 투명한 광변조(light modulation) 소자로서 투명 LCD를 사용하는 것은 비교적 긴 검출 시간과 관련된다. 왜냐 하면, LCD가 매우 긴 스위칭 시간을 갖기 때문이다. 신속한 검출(예를 들어 0.1 초만의 개인 식별)을 위해서는 상기 방식이 적합하지 않다.

신속하게 스위칭될 수 있으며 다중으로 트리거링될 수 있는 광변조 소자는 하기에 언급되는 Texas-Instrument사의 간행물에 공지되어 있다: "Larry J.Hornbeck의 Digital Light Processing And MEMs: Timely Convergence For A Bright Future, Texas Instruments Digital Imaging Components, Dallas/Texas 75265, 1995년 10월 23일 부터 24일", Austin,Texas,USA.

상기 간행물에 설명된 디지털 마이크로 미러 장치(DMD, Digital Micromirror Device)는 디지털 광 처리(DLP, Digital Light Processing)를 수행할 수 있다. 상기 광변조 소자는 집적 회로(칩)에 마이크로 메카닉적으로 제공된 다수의 미러(mirror)로 이루어지며, 상기 미러는 개별적으로 또는 그룹으로 트리거링될 수 있다. 미러의 수는 칩당 480,000개 까지 될 수 있다. DMD-칩은 통상적으로 8-비트-워드로 트리거링될 수 있으며, 그 결과 256개의 하프톤 화상단이 산출된다. 이러한 광변조 소자가 텔레비젼용 또는 비디오용으로 사용된 후에는, 추가 데이터는 상응하게 텔레비젼 기술적 장치에 의존한다. 그러나 중요한 특징은, 스위칭 시간이 마이크로초 범위에 있다는 것이다. 이에 따라 텔레비젼 화상의 재생이 예를 들어 칩의 3색 조명을 사용함으로써 가능해지며, 이 경우 DMD-칩은 상응하게 전자적으로 트리거링된다. 상응하게 트리거링된 다수의 미러에 의해 나타나는 화상은 스크린상에 투사될 수 있다. 따라서, 전술한 방식의 광학 소자는 높은 해상도 및 매우 우수한 콘트라스트를 생성할 수 있다.

본 발명은 물체, 특히 얼굴의 신속한 3차원 식별 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 건물의 특정 공간에 대한 출입 권한 또는 특정 자동 안전 장치에 대한 접근 권한을 검사할 때 사용될 수 있다.

예를 들어 현금 인출기와 같은 특정 기계에 대한 액세스 권한과 관련하여 매우 안전한 모니터링 장치에 대한 요구가 증가하고 있다. 이 경우, 각각 개인 고유의 다수의 특징이 검사된다. 그 특징들 중에서 얼굴 식별이 중요한 역할을 한다.

도 1은 디지털 광처리 장치 및 컬러 화상 처리 장치를 갖는 3차원적 얼굴 식별을 위한 구성 부품의 배치에 대한 개략도이며,

도 2는 형태적 데이터에 의한 3차원적 얼굴 식별을 위한 예를 도시한다.

본 발명의 목적은, 장치에 대한 비용을 현저히 상승시키지 않으면서, 코딩된 조명 및 텔레비젼 화상 처리에 의해 3차원적 물체의 형태(topography)를 매우 빠르게 검출하는 것이다.

상기 목적은,

- 광원에 의해 디지털 마이크로 미러-장치에 조명을 비추며,

- 하나 또는 다수의 코딩된 조명 패턴이 순서대로 물체 표면에 투사되도록 디지털 마이크로 미러-장치를 트리거링하고,

- 이러한 방식으로 조명이 비춰진 물체를 조명 방향과 다른 방향의 카메라로 찍으며, 이것으로부터 제어 유닛 및 평가 유닛에서 물체의 형태를 매우 정확하게 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체 식별 방법에 의해 달성된다.

바람직한 실시예는 종속항에서 다루어진다.

얼굴 식별시에는 본 발명에 따라 2차원적 화상의 평가 외에도 풍부하고 확실한 정보를 포함하는 3차원 얼굴 형태의 평가도 이용된다. 이에 따른 장점은 상기 펙터 만큼 높아진 식별 안전성에 있으며, 그 결과 매우 많은 수의 사람을 구별할 수 있다. 3차원적 표면 식별의 특징으로는 상이한 평면에 있는 외부 윤곽선 또는 단면이 이용될 수 있다는 것이다. 매우 높은 식별 안전성을 갖는 신속한 식별의 기본 전제는 표면 형태의 완전하고 정확한 검출이다. 이에 대한 방법으로는 코딩된 조명과 관련된 3각 측량이 제공된다. 공지된 그레이-코드(Gray-Code) 조명에서는 스트라이프 패턴이 물체에 투사되며, 상기 투사의 주기는 변화된다. 예를 들어 라인수가 2배로 된다. n-화상의 n개의 다양한 주기에서는 본 방법으로 2ⁿ개의 음영 평면(dark picture area)을 얻는다. 이에 따라 64개의 음영 평면을 얻기 위해서는 다르게 코딩된 적어도 6개의 화상이 필요하다. 이러한 방법은 조명 화상의 빠른 변환을 필요로 한다. 왜냐 하면, 실제 얼굴 촬영시 일반적으로 사람들이 오랫 동안 정지한 상태로 서있지 않기 때문에 식별 과정이 매우 짧은 시간내에 종료되어야 하기 때문이다. 최근에 사용되는 액정 변조기(liquid crystal modulator)는 3차원적 검출에 대한 정보 수용에 약 0.1 초의 시간을 필요로 한다. 본 방법에서는 액정 변조기의 대용에 의해서 새로운 가능성이 열린다. 이것은 본 발명에 따라 마이크로 미러 변조기(DMD, Digitalmicromirror Device, DMD-Microchip)에 의해 이루어진다. 스위칭 가능하며 개별적으로 트리거링될 수 있는 다수의 마이크로 미러로 이루어진 상기 소자는 코딩된 조명을 3차원 표면에 제공할 수 있으며, 높은 해상도 및 높은 콘트라스트를 갖는 다양한 조명 패턴이 생성될 수 있다. 게다가 이것은 충분히 높은 스위칭 주파수에 의해 이루어질 수 있어서, 광코딩법에 있어서 다수의 화상이 짧은 시간 동안 연속적으로 검출될 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 다양한 색을 갖을 갖는 코딩된 조명이 문제 없이 사용될 수 있어서, 이미 하나의 텔레비젼 화면으로 동시에 3가지 음영 평면을 검출할 수 있다. 이 경우에는 색카메라의 적, 녹, 청색의 3색 채널의 평가가 이용된다.

코딩된 조명, 디지털 마이크로 미러-장치 및 컬러 화상 처리의 컴비네이션은 3차원 물체, 예를 들어 얼굴의 식별에 있어서 이상적으로 신속한 검출 및 높은 식별 안전성을 제공한다. 상기 방식의 얼굴 식별 장치는 소비자 측면에서의 저렴한 전자 부품에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 직접 검출된 사람 얼굴의 3차원적 데이터를 개인 식별에 도입하는 것을 가능하게 한다. 일반적으로 신속하고 높은 해상도를 가지며 저렴한, 사람 얼굴의 3차원적 데이터 검출 방법이 사용되며, 이 경우 코딩된 조명과 디지털 마이크로 미러 소자의 컴비네이션이 사용된다. 컬러 화상 처리는 선택적으로 이루어질 수 있으며 검출 시간을 3분의 1로 줄인다.

도 1의 우측 절반에는 물체 표면(7)이 도시된다. 이론적으로, 광원(1)에 의해 조명이 비춰지는 디지털 마이크로 미러 장치(3)에 의해 물체(7)의 위치에 임의의 화상이 형성된다. 그러나 본 발명의 의미에 따라, 코딩된 조명에 의해 상응하게 조명이 비춰지는 물체(7)가 제공되며, 이에 따라 코딩(10)이 물체(7)에 나타난다. 광원(1)에서 출발한 광선 경로는 각각 렌즈(4)를 통과하여 색필터(2) 앞뒤에 적당하게 형성된다. 상기 색필터(2)는 둘레에 유색광 투과 스트라이프를 갖는 회전판으로 이루어지며, 상기 스트라이프는 적, 녹, 청색 영역으로 균등하게 분할된다. 따라서, 컬러 화상 처리가 가능하다. 디지털 광처리 장치(9)는 디지털 마이크로 미러 장치(3)로 이루어진다. 상기 장치(3)는 소위 DMD-칩(Digital-Micromirror-Device)이다. 광처리 장치(9) 외에도 카메라(6)가 제어 유닛 및 평가 유닛(11)에 의해 제어된다. 빛은 마이크로 미러-장치(3) 뒤에서 투사 렌즈(5)를 통해 물체 표면(7)상에 투사된다. 이 경우, 디지털 마이크로 미러 장치(3)에 의해 상응하는 광코딩이 제공된다. 카메라(6)는 컬러 화상 평가를 위해 컬러 화상 카메라이어야 한다.

컬러 화상 평가시, 텔레비젼 화면에 각각 상이한 색(예를 들어 적, 녹, 청색) 및 주기를 갖는 3가지 스트라이프 패턴이 존재하도록, 우선 코딩된 조명이 디지털 미러-장치에 의해 물체 표면(7)상에 투사된다. 상이한 3가지 컬러 패턴을 분리하여 그리고 동시에 수용함으로써 하나의 텔레비젼 화면에서 3개의 음영 평면을 계산하기 위한 정보가 검출될 수 있다.

예를 들어 매우 높은 식별 안전성으로 얼굴 표면을 0.1 초내에 평가하는 것을 보장하기 위해, 상기 얼굴에 코딩된, 본 발명의 경우 스트라이프 형태로 코딩된 조명이 비춰지며, 이 경우 스트라이프는 연속되는 화상에서 상이한 주기를 갖는다. 이 경우, 얼굴은 예를 들어 2×2×2 mm의 공간 해상도를 갖는 200×200×150 화소에 의해 검출된다. 물체(7)의 높이 측정의 기본적인 원리는 예를 들어 3각 측량이다. 디지털 마이크로 미러 장치(3)의 사용으로 스트라이프 형태의 코딩(10)에 있어서 지금까지의 조명 화상의 신속한 변환의 문제점이 해결된다. 이에 따라, 물체(7) 예를 들어 얼굴을 약 0.1초내에 완전하고 확실하게 검출하기 위한 시간이 형성된다. 이것을 위해 지금까지는 약 1초가 필요했다.

도 2에는 예를 들어 얼굴의 3가지 특징이 도시되며, 상기 3가지 특징에 의해 얼굴이 특징지워지거나 더 상세한 특징이 도출된다. 이와 같은 및 유사한 식별 특징에 의해 얼굴들이 현재 사용중인 2차원적 방법보다 높은 신뢰성으로 구별될 수 있다.

도 2에서는 공간 좌표 x, y, z에 의해 얼굴의 특정 특징을 규정하는 3가지 가능성을 도시한다. 상부 다이어그램에서는 이마 영역에서의 얼굴의 선 또는 윤곽이 y-축에 대해 수직으로 놓인 평면으로 재생된다. 도 2의 하부 다이어그램에서도 이와 동일하게 적용되며, 여기서는 코 영역이 해당된다. 도 2의 3개의 다이어그램 중 중간 다이어그램은 평면에서 x-축에 대해 수직인 선을 도시한다. 이에 따라, 여기서는 얼굴의 측면 윤곽이 재생된다. 이 경우, Z_min표시는 예를 들어 얼굴 윤곽에 대한 코끝의 상대적 위치를 나타낸다.

Claims

물체(7)를 3차원적으로 식별하기 위한 방법에 있어서,

- 광원(1)으로부터 디지털 마이크로 미러-장치(3)에 조명을 비추며,

- 하나 또는 다수의 코딩된 조명 패턴이 순서대로 물체 표면(7)에 투사되도록 디지털 마이크로 미러-장치(3)를 트리거링하고,

- 이러한 방식으로 조명이 비춰진 물체(7)를 조명 방향과 다른 방향의 카메라(6)로 찍으며, 이것으로부터 제어 유닛 및 평가 유닛(11)이 물체(7)의 형태를 매우 정확하게 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 변경 가능한 색필터를 광선 경로(8)에 설치함으로써 디지털 마이크로 미러 장치(3)를 적어도 3가지의 상이한 색으로 연속적으로 비추며, 이에 따라 색카메라를 이용하여 단일 화상에서 3개의 음영 평면을 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 코딩을 스트라이프 패턴으로 이루며, 상기 스트라이프 패턴의 주기를 연속적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 본 방법을 얼굴 식별에 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.