KR20020014493A - 초점과 주시각을 동시에 조절할 수 있는 입체영상 카메라및 입체영상 카메라의 초점과 주시각 동시 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 좌, 우 영상을 획득하는 입체카메라의 초점과 주시각을 연동시켜 초점과 주시각 제어중 한 요소를 제어했을 때 동시에 나머지 한 요소가 제어되도록 한 입체 카메라 및 입체영상 카메라의 초점과 주시각 동시 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라는 렌즈를 고정시키는 렌즈 베이스; 좌, 우 영상센서를 고정시키는 좌, 우 영상센서 베이스; 상기 렌즈 베이스를 상하로 조정하고, 상기 렌즈 베이스와 연동되어 소정의 비율로 좌, 우 영상센서 베이스를 수평방향으로 조정하는 베이스 구동수단을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 초점 및 주시각의 동시제어는 수평이동축 입체카메라가 원격작업에 사용될 경우에 관측자가 관심물체의 원근에 따라 주시각을 조절과 별도로 초점을 조절해야 하는 이중 조작의 불편함을 제거하여 카메라의 조작을 간편하게 한다.

Description

초점과 주시각을 동시에 조절할 수 있는 입체영상 카메라 및 입체영상 카메라의 초점과 주시각 동시 제어방법{Stereo camera capable of controlling focus and vergence simultaneouly and method for controlling focus and vergence of stereo camera simultaneouly}

본 발명은 입체영상 카메라에 관한 것으로, 특히 좌, 우 영상을 획득하는 입체카메라의 초점과 주시각을 연동시켜 초점과 주시각 제어중 한 요소를 제어했을 때 동시에 나머지 한 요소가 제어되도록 한 입체영상 카메라 및 입체영상 카메라의초점과 주시각 동시 제어방법에 관한 것이다.

종래의 입체영상 카메라는 좌, 우 두 대의 카메라를 나란히 하여 입체영상을 획득하는 단순한 현태로 되어 있다. 따라서 관심물체의 거리에 따라 각각의 카메라의 초점과 수렴각을 조절하도록 되어 있어 조작이 어렵고 정밀한 제어가 어렵다.

또한, 두 카메라의 교차각이 생겨 입체영상의 왜곡이 많이 발생하는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 좌,우 영상을 획득하는 입체카메라의 초점과 주시각을 연동시켜 초점과 주시각 사이의 관계식을 도출하고, 상기 관계식에 의해 초점과 주시각을 동시에 제어하는 입체영상 카메라 및 초점과 주시각 동시 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 초점과 주시각을 동시에 조절할 수 있는 입체영상 카메라의 기하학적 구조를 도시한 것이다.

도 2는 렌즈의 기하학적 표현을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라의 개념도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라의 구조를 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법은 좌,우 영상센서를 구비하는 입체카메라의 초점과 주시각을 제어하는 방법에 있어서, (a)상기 입체카메라의 주시각제어를 위하여, 관측물체에 대하여 좌,우 영상센서에 맺히는 상에 대한 시차를 이용하여 상기 입체카메라와 상기 관측물체 사이의 거리정보를 구하는 단계; (b)상기 입체카메라의 초점제어를 위하여, 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리를 구하는 단계; 및 (c)상기 입체카메라의 초점거리 변화량과 주시각 제어용 렌즈 수평이동량을 이용하여 주시각과 초점을 동시에 제어하는 관계식을 도출하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 (a)단계에서 상기 입체카메라와 상기 관측물체 사이의 거리는

(여기서, i는 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리, t는 좌,우 영상센서 사이의 거리, h는 렌즈의 수평이동량을 의미한다.)

로 표현됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b)단계에서 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리는

(여기서, f는 렌즈의 초점거리를 의미한다.)

로 표현됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 (c)단계에서 주시각과 초점을 동시에 제어하는 관계식은

(여기서, dh는 주시각 제어용 렌즈 수평 이동량, di는 초점거리 변화량, s는 (t-2h)로 영상센서 사이의 간격을 의미한다.)

로 표현됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 입체카메라의 초점거리 f가 관측영사의 거리 p에 비해 아주 작은 값이기 때문에 (p-f)가 p로 대체되어 사용될 수 있음을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라는 렌즈를 고정시키는 렌즈 베이스; 좌, 우 영상센서를 고정시키는 좌, 우 영상센서 베이스; 상기 렌즈 베이스를 상하로 조정하고, 상기 렌즈 베이스와 연동되어 소정의 비율로 좌, 우 영상센서 베이스를 수평방향으로 조정하는 베이스 구동수단을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스 구동수단은 나사봉; 상기 나사봉에 연결되어 상기 나사봉의 회전을 소정의 비율로 조정하는 하모닉 드라이브; 상기 나사봉에 연결되어 상기 나사봉의 회전에 의해 상기 영상센서 베이스를 수평방향으로 조정하는 영상센서 베이스 조정수단; 및 상기 나사봉을 회전시키는 모터를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 하모닉 드라이브는 상기 렌즈 베이스와 상기 영상센서 베이스의 조정비율을 1:2로 조정하기 위하여 상기 나사봉의 회전을 감속함을 특징으로 한다.

또한, 상기 영상센서 베이스와 상기 영상센서 베이스 조정수단은 상기 영상센서 베이스 조정수단이 상기 나사봉의 회전에 의해 상하로 조정될 때 상기 영상센서 베이스가 좌우로 조정되는 구조임을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 초점과 주시각을 동시에 조절할 수 있는 입체영상 카메라의 기하학적 구조를 도시한 것이다.

도 1에서 관측하고자하는 물체 O까지의 수직거리를 p, 두 카메라 사이의 거리는 s, 주시각 제어를 위한 카메라 렌즈의 수평 이동량은 h, 카메라의 CCD와 렌즈 사이의 거리는 I, 그리고 렌즈의 초점거리를 f라 정의한다.

첫 번째, 주시각 제어 조건에 대하여 설명하기로 한다.

수평이동축 입체카메라가 O지점의 물체를 관측할 때, 이 물체는 입체영상 카메라 좌, 우 영상센서의 l과 r의 위치에 각각 상이 맺힌다. 이때 입체영상 시차 l-r은 수학식 1과 같다.

관측물체 O에 대해 주시각이 맞추어진 상태, 즉 자연스러운 입체영상을 획득하기 위해서는 시차값 l-r은 0이 되어야 한다.

입체영상의 시차(disparity)가 0으로 되는 경우에 물체까지의 거리 p는 수학식 2와 같이 변형된다.

이는 수평식 입체영상 카메라에서 관측물체의 거리정보 P는 주시각 제어를 위한 렌즈의 수평이동량 h, 영상센서와 렌즈사이의 거리 I, 그리고 영상센서사이의 간격 t로 이루어지는 수학식 2에서 간단히 구할 수 있음을 의미한다.

여기서 중요한 점은 입체영상을 관측시 관측하는 물체에 대한 영상시차는 관측 피로도에 직접적인 영향을 주는 요소로 시차가 0일 경우 자연스러운 입체영상을 획득하게 되어 입체영상 관측피로를 최소화 할 수 있다.

또한 주시각 제어된 영상정보는 입체영상 처리에 있어 유리한 알고리듬을 적용할 수 있게 한다.

두 번째, 초점제어 조건에 대하여 설명하기로 한다.

수평이동축 입체영상 카메라에서 초점제어에 관한 수식은 도 2에 나타낸 렌즈의 기하학적 표현으로부터 구할 수 있다.

도 2는 렌즈의 기하학적 표현을 도시한 것이다.

렌즈에서 관측물체까지의 거리는 p, 렌즈에서 영상센서인 CCD면까지의 거리는 i, 그리고 렌즈의 초점거리 f로 표현된다.

카메라에서 초점을 잘 맞추어 선명한 영상을 얻기 위해서는 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 간격을 조절하여 관측물체의 상이 영상센서 면에 잘 맺히도록 하여야 한다. 선명한 영상을 얻기위한 렌즈공식은 수학식 3과 같이 표현된다.

수학식 3을 렌즈와 영상센서사이의 거리 i의 식으로 변형하면 수학식 4와 같이 표현된다.

세 번째, 초점 및 주시각 관계에 대하여 설명하기로 한다.

수평이동축 입체영상 카메라로 선명하면서도 자연스러운, 즉 초점제어와 주시각 제어가 잘 이루어진 영상을 얻기 위해서는 수학식 2와 수학식 4를 만족하여야 한다. 수학식 1을 h에 관하여 표현하면 수학식 5와 같다.

여기서, t=(s-2h)이고, s는 두 영상센서 사이의 간격이다.

수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 관계는 수학식 4와 수학식 5를 이용하여 선명한 영상을 얻기 위한 초점거라 변화량 di와 자연스러운 입체영상을 억기 위한 주시각 제어용 렌즈 수평 이동량 dh로부터 구할 수 있다. 주시각 및 초점거관계는 수학식 4와 수학식 5의 미분 도함수를 이용하면 수학식 6 내지 수학식 8과 같이 전개된다.

,

수학식 8은 거리 p에 있는 관측물체의 선명하고 자연스러운 입체영상을 획득하기 위해 제어해야 할 수평이동축 입체영상 카메라의 초점과 주시각 제어 사이의 관계를 나타낸다.

수학식 8은 수평이동축 입체영상 카메라의 초점거리 f가 관측영상의 거리 p에 비해 아주 작은 값이기 때문에 (p-f)성분에서 f는 무시하고 p로 대체할 수 있다. 일반적으로 관측거리 10m정도에서 사용하는 입체영상 카메라에 사용되는 렌즈의 초점거리는 6-50mm정도이기 때문에 (p-f)를 p로 대체하는 것이 가능하다.

수학식 8의 (p-f)를 p로 대체하면 수학식 9와 같이 표현된다.

수학식 9로 표현되는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 관계를 살펴보면 선명한 영상을 얻기 위한 초점제어량 di와 자연스러운 입체영상을 얻기 위한 주시각 제어량 dh가 간단한 비례관계를 가짐을 알 수 있다. 이는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점이나 주시각 중 하나만을 제어함으로써 두가지가 모두 제어된 양질의 입체영상을 얻을 수 있음을 의미한다.

도 3은 본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라의 개념도를 도시한 것으로, 렌즈 베이스(310), 좌측 영상센서 베이스(320), 우측 영상센서 베이스(330), 나사봉(340), 하모닉 드라이브(350), 영상센서 베이스 조정수단(360) 및 모터(370)로 구성된다.

렌즈 베이스(310)는 렌즈를 고정시키는 수단이다.

좌측 영상센서 베이스(320)는 영상센서로 사용되는 좌측 카메라를 고정시키는 수단이다.

우측 영상센서 베이스(330)는 영상센서로 사용되는 우측 카메라를 고정시키는 수단이다.

나사봉(340)은 회전에 의해 렌즈 베이스(310)와 영상센서 베이스 조정수단(360)을 상하로 이동시키는 수단이다.

하모닉 드라이브(350)는 나사봉(340)에 장착되어 나사봉(340)의 회전을 소정 비율로 조정하는 수단으로, 본 발명에서는 나사봉(340)의 회전을 감속시키는 역할을 한다.

영상센서 베이스 조정수단(360)는 나사봉(340)에 장착되어 나사봉(340)의 회전에 의해 상하로 이동되어, 좌측 영상센서 베이스(320)와 우측 영상센서 베이스(330)를 좌우로 이동시키는 역할을 담당한다.

모터(370)는 나사봉(340)을 회전시키는 수단이다.

상술한 구성에 의거하여 본 발명의 동작을 설명하기로 한다.

본 발명에서는 상기 수학식 9에 의거하여 렌즈 베이스(310)와 좌,우 영상센서 베이스(320,330)를 조정하여 초점과 주시각을 동시에 제어하게 된다.

즉, 렌즈 베이스(310)를 상하로 조정하여 초점을 제어하게되고, 좌,우 영상센서 베이스(320,330)를 좌우로 동시에 조정하여 주시각을 제어하게 된다.

본 발명에서는 렌즈 베이스(310)와 좌,우 영상센서 베이스(320,330)의 조정비율을 1:2로 유지하여 이동하게 된다.

즉, 나사봉(340)의 회전을 감속하는 하모닉 드라이브(350)에 의해 렌즈 베이스(310)의 상하 이동속도를 좌,우 영상센서 베이스(320,330)의 좌우 이동속도보다 1/2로 감속하게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 초점 및 주시각 동시제어 입체영상 카메라의 구조를도시한 것이다.

참조번호 410과 415는 렌즈를 나타내고, 참조번호 420과 425는 영상센서를 나타내고, 참조번호 430과 435는 영상센서 베이스를 나타낸다.

또한, 참조번호 440은 나사봉을 나타내고, 참조번호 450은 하모닉 드라이브를 나타내고, 참조번호 460은 모터를 나타내고, 참조번호 470은 리니어 가이드를 나타내고, 참조번호 480은 레벨 어드저스트(level adjust)를 나타낸다.

도 4의 동작설명은 도 3의 동작설명과 같다.

도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 초점 및 주시각의 동시제어는 수평이동축 입체카메라가 원격작업에 사용될 경우에 관측자가 관심물체의 원근에 따라 주시각을 조절과 별도로 초점을 조절해야 하는 이중 조작의 불편함을 제거하여 카메라의 조작을 간편하게 한다.

Claims (9)

1. 좌,우 영상센서를 구비하는 수평이동축 입체카메라의 초점과 주시각을 제어하는 방법에 있어서,

   (a)상기 수평이동축 입체카메라의 주시각제어를 위하여, 관측물체에 대하여 좌,우 영상센서에 맺히는 상에 대한 시차를 이용하여 상기 수평이동축 입체카메라와 상기 관측물체 사이의 거리정보를 구하는 단계;

   (b)상기 수평이동축 입체카메라의 초점제어를 위하여, 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리를 구하는 단계; 및

   (c)상기 수평이동축 입체카메라의 초점거리 변화량과 주시각 제어용 렌즈 수평이동량을 이용하여 주시각과 초점을 동시에 제어하는 관계식을 도출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계에서 상기 수평이동축 입체카메라와 상기 관측물체 사이의 거리는

   (여기서, i는 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리, t는 좌,우 영상센서 사이의 거리, h는 렌즈의 수평이동량을 의미한다.)

   로 표현됨을 특징으로 하는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 영상센서와 카메라 렌즈 사이의 거리는

   (여기서, f는 렌즈의 초점거리를 의미한다.)

   로 표현됨을 특징으로 하는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 주시각과 초점을 동시에 제어하는 관계식은

   (여기서, dh는 주시각 제어용 렌즈 수평 이동량, di는 초점거리 변화량, s는 (t-2h)로 영상센서 사이의 간격을 의미한다.)

   로 표현됨을 특징으로 하는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 수평이동축 입체카메라의 초점거리 f가 관측영사의 거리 p에 비해 아주 작은 값이기 때문에 (p-f)가 p로 대체되어 사용될 수 있음을 특징으로 하는 수평이동축 입체영상 카메라의 초점 및 주시각 동시제어방법.
6. 수평이동식 입체카메라에 있어서,

   렌즈를 고정시키는 렌즈 베이스;

   좌, 우 영상센서를 고정시키는 좌, 우 영상센서 베이스;

   상기 렌즈 베이스를 상하로 조정하고, 상기 렌즈 베이스와 연동되어 소정의 비율로 좌, 우 영상센서 베이스를 수평방향으로 조정하는 베이스 구동수단을 포함함을 특징으로 하는 초점 및 주시각 동시제어 수평이동축 입체영상 카메라.
7. 제6항에 있어서, 상기 베이스 구동수단은

   나사봉;

   상기 나사봉에 연결되어 상기 나사봉의 회전을 소정의 비율로 조정하는 하모닉 드라이브;

   상기 나사봉에 연결되어 상기 나사봉의 회전에 의해 상기 영상센서 베이스를 수평방향으로 조정하는 영상센서 베이스 조정수단; 및

   상기 나사봉을 회전시키는 모터를 포함함을 특징으로 하는 초점 및 주시각 동시제어 수평이동축 입체영상 카메라.
8. 제7항에 있어서, 상기 하모닉 드라이브는

   상기 렌즈 베이스와 상기 영상센서 베이스의 조정비율을 1:2로 조정하기 위하여 상기 나사봉의 회전을 감속함을 특징으로 하는 초점 및 주시각 동시제어 수평이동축 입체영상 카메라.
9. 제7항에 있어서, 상기 영상센서 베이스와 상기 영상센서 베이스 조정수단은

   상기 영상센서 베이스 조정수단이 상기 나사봉의 회전에 의해 상하로 조정될 때 상기 영상센서 베이스가 좌우로 조정되는 구조임을 특징으로 하는 초점 및 주시각 동시제어 수평이동축 입체영상 카메라.