KR20030092213A - 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 카메라와 광학 어댑터, 컴퓨터를 사용하여 기존의 단안식 입체 카메라로 동영상 또는 정지 영상을 얻을 때 문제가 되는 가로와 세로간의 비가 달라짐으로 인해 생기는 해상력의 손실 문제와 상의 왜곡으로 인한 문제를 개선하기 위한 것으로, 바이프리즘을 사용하여 바이프리즘의 각 부분에 의해서 빛이 꺾이는 방향이 달라지는 것을 이용하여 좌측상과 우측상을 분리해내며, 해상력의 손실을 최소화하기 위하여 복수의 실린드리컬 렌즈로 구성되는 아나모픽 광학계를 바이프리즘의 앞에 설치하여 수평방향의 시계각을 확장해주는 방법을 사용하고, 이로 인해 입체상을 재생할 때 생기는 영상신호가 없는 화소에 대해서는 인접한 두 화소의 가중 평균값으로 보간하며, 바이프리즘의 사용으로 인해 좌측상과 우측상에 서로 반대방향으로 왜곡이 발생하는 현상을 프로그램을 사용하여 보정함으로써 상의 왜곡 현상을 감소시킬 수 있는 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템을 제공한다.

Description

일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템{Single lens stereo camera and stereo image system using the same}

본 발명은 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입체 동영상 및 정지 영상을 촬영 녹화하고 컴퓨터 프로그램에 의한 상처리를 한 후 이를 재생하여 디스플레이할 수 있는 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템에 관한 것이다.

입체상을 얻는 종래 기술의 대표적인 것은 도 1에 도시된 바와 같이 2대의 카메라를 사용하는 양안식 카메라로 입체영상을 얻는 원리에 충실하고, 촬상소자 2개(3, 4)를 사용하므로 해상력이 높다는 장점이 있으나, 카메라 2대(3, 4)를 사용하기 때문에 가격이 비싸지고, 부피 및 무게가 크며, 입체감을 얻기 위해서는 주시각(2)이라 불리우는 일정한 각도로 카메라가 물체를 향하도록 하거나, 촬상소자(3, 4) 중 하나를 평행이동 시켜야 하기 때문에 복잡한 조정장치를 필요로 하여 장치가 매우 복잡해진다는 단점이 있다. 또한 사용되는 카메라 2대(3, 4) 간의 특성 차이를 보정하기가 쉽지 않고, 사용 방법이 복잡하여 일반인이 다루기에 쉽지 않다는 문제점을 갖고 있다. 도 1에서 미설명된 참조부호 '1' 및 '5'는 각각 '피사체' 및 '좌우측 카메라를 연결해주는 가대'를 지칭한다.

양안식 카메라가 갖는 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 여러 종류의 단안식 카메라가 제안되었는 데, 단안식에서는 하나의 카메라 만을 사용하므로 가격이 싸며, 양안식에서와 같이 두 카메라 간 특성 차이를 보정해주어야 할 필요가 없고, 가볍고 사용이 손쉽다는 장점을 가지고 있다.

이러한 단안식 카메라에 대해서 살펴보면, 다음과 같은 것들이 있다. 먼저 도 2에 도시된 바와 같이 하프미러(13), 미러(16), 셔터(14, 15)를 사용하여 우측상을 얻기 위한 셔터(14)와 좌측상을 얻기 위한 셔터(15)를 교대로 열고 닫음으로써 좌측과 우측의 상을 얻는 방식이 있다. 이 방식에서는 좌측상과 우측상을 번갈아 얻기 때문에 동영상 촬영시에 프레임을 얻는 속도가 1/2로 느려지며, 특히 빠르게 움직이는 물체에 대해서는 좌측과 우측의 상을 얻는 시간차이로 인해 서로 다른 위치에 있는 상을 얻게 되므로 입체감이 나빠지게 된다. 또한, 우측상은 빛이 똑바로 오는 데 대해서 좌측상은 미러(16)에서 반사되어 오게 되므로 미러(16)에서 반사되어 오는 광선의 경로가 미러(16)를 통하지 않는 광선에 비해서 길어지게 되고 이러한 광로정 차이로 인해 촬상소자에 맺히는 상에 배율의 차이가 발생하게 된다. 특히, 피사체가 가까이 있는 경우에는 이러한 배율 차이가 심해져서 입체감을 얻을 수 없는 경우도 발생한다. 도 2에서 미설명된 참조부호 '11' 및 '12'는 각각 '카메라 보디' 및 '카메라 렌즈'를 지칭한다.

도 3에 보인 또 다른 방식의 일안 입체 카메라인 바이프리즘을 사용하는 방식에서는 바이프리즘(21)이라고 하는 일종의 프리즘을 사용하여 프리즘의 모서리를 기준으로 하여 좌우로 입사하는 광속을 프리즘을 통과한 후 서로 다른 각도를 갖는 광속으로 분리하고, 이들 각각 부분의 중심과 피사체(1)를 연결하는 직선이 이루는 각도가 다름을 이용하여 카메라 렌즈(12)에 의해서 각 좌측상과 우측상을 얻도록 하고 있다. 이 방식에서는 좌우측상이 서로 대칭적인 경로를 통해서 얻어지므로 앞서 말한 것과 같은 배율 변화시 문제가 없다. 종래에는 한 개의 광학부품 만으로 이루어진 바이프리즘(21)을 사용하며, 이로 인해 색수차가 발생하고, 프리즘의 각도가 클수록 색수차가 커져서 흔히 무시할 수 없는 수준에 도달하게 되고, 이로 인해 해상력이 저하된다. 이러한 색수차 발생의 문제를 해결하기 위하여 조명을 단색파장으로 하기도 한다. 또한, 이 방식에서는 하나의 촬상소자를 세로 방향의 반으로 나누어 각각 좌측상과 우측상을 얻기 때문에 영상을 디스플레이 할 때에 화면의 가로와 세로 비를 맞추기 위해서 얻어진 상의 아래 위 부분을 잘라내고 약 절반 밖에 사용할 수 없다는 단점이 있고, 바이프리즘을 사용하는 데 따라 근원적으로 좌우측상에 서로 반대 방향으로 왜곡이 발생하여 이것이 입체감을 떨어뜨리는 요인이 된다. 도 3에서 미설명된 참조부호 '11'은 '카메라 보디'를 지칭한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 바이프리즘을 좌우측상의 분리수단으로 사용하는 일안 입체 카메라에서 발생하는 색수차 문제, 얻어지는 좌우측상의 가로 대 세로의 비가 디스플레이의 가로 대 세로의 비와 맞지 않아서 해상력의 손실이 일어나는 문제, 바이프리즘의 존재로 인해 좌우측상에 서로 반대 방향으로 생기는 왜곡 문제를 해결할 수 있는 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템을 제공함에 있다. 즉, 서로 다른 종류의 광학재료 재질로 만들어진 복수의 프리즘을 결합하여 색수차를 보정시킨 형태의 바이프리즘을 사용하여 하나의 카메라에서 입체 영상을 얻을 때 생기는 색수차를 없애거나 그 발생량을 감소시키고, 카메라 화면의 각각 반쪽으로 얻어지는 좌측상과 우측상을 일련의 실린드리컬 렌즈로 구성되는 아나모픽 광학계를 써서 가로 방향의 시야각을 2배로 하여 카메라 화면상에 얻어진 영상을 재생시 다 활용할 수 있도록 하며, 바이프리즘을 사용함으로 인해 발생하는 좌측상과 우측상의 서로 다른 방향의 왜곡을 소프트웨어적인 보정을통하여 감소시킬 수 있는 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템을 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻거나 저장한 영상을 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고, 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 입체 영상을 볼 수 있는 입체 영상 시스템을 제공함에 있다. 또한, 상기 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 입체 영상으로 만들고, 이를 인쇄하여 입체 사진을 만들 수 있는 입체 영상 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 양안식 입체 카메라를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 종래의 일안식 입체 카메라를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 종래의 바이프리즘식 일안 입체 카메라를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일안식 입체 카메라를 설명하기 위하여 도시한 구성도이다.

도 5는 프리즘에서 발생하는 분산 현상을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 좌우측상을 분리하는 광학장치로서 사용되는 바이프리즘을 도시한 도면들이다.

도 7은 접합형 바이프리즘에서 빛의 경로를 계산하기 위하여 도시한 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 실린드리컬 렌즈들로 구성되는 아나모픽 렌즈의 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

도 9a 및 도 9b는 카메라에 의한 상과 입체상을 디스플레이한 상에서 각 화소의 대응 관계를 설명하기 위한 도면들이다.

도 10은 바이프리즘에 의한 왜곡 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 왜곡된 상의 기하학적 위치를 나타내는 도면이다.

도 12는 프로그램에 의해 왜곡이 보정된 상을 나타내는 도면이다.

도 13은 왜곡된 상이 만드는 원호의 반지름을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 부호의 설명>

11: 카메라 보디12: 카메라 렌즈

31: 아나모픽 광학계32: 바이프리즘

33: 통신 케이블34: 통신용 카드

35: 컴퓨터41: 프리즘

51: 바이프리즘52: 색수차가 보정된 바이프리즘

53: 플린트 유리로 만들어진 프리즘54: 크라운 유리로 만들어진 프리즘

71: 아나모픽 광학계72: 아나모픽 광학계의 오목렌즈군

73: 아나모픽 광학계의 볼록렌즈군81: 카메라에 의해 촬영된 픽셀

82: 촬영된 픽셀이 없는 디스플레이 상의 픽셀

91: 좌측상에 대응하는 픽셀92: 우측상에 대응하는 픽셀

101: A 원점102: 좌측상의 한 픽셀

103: 우측상의 한 픽셀104: 왜곡된 상

111: 매핑된 좌측상의 한 픽셀112: 매핑된 우측상의 한 픽셀

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 입체 영상을 동영상 또는 정지 영상으로 얻는 입체 카메라에 있어서, 상의 가로 대 세로의 비를 바꿔주기 위한 광학적 수단과, 좌우측상을 분리해주기 위한 광학적 수단과, 상이 카메라의 촬상소자에 맺히도록 하는 카메라 렌즈 및, 촬영된 영상신호를 컴퓨터로 전송하는 카메라 보디를 포함하는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라를 제공한다.

상기 좌우측상을 분리하기 위한 광학적 수단은 바이프리즘이다. 상기 바이프리즘은 색수차를 보정할 수 있도록 굴절률과 분산값이 다른 적어도 2가지 종류의 광학재료로 만든 것이다.

상기 상의 가로와 세로의 비를 바꿔주기 위한 광학적 수단은 실린드리컬 렌즈를 사용한 아나모픽 렌즈이다. 상기 아나모픽 렌즈는 적어도 2가지 종류의 광학재료를 사용하여 색수차를 보정한 렌즈이다.

상기 카메라 보디에서 나온 영상신호를 처리해주기 위한 컴퓨터를 더 포함할 수 있다.

상기 바이프리즘에 의해 생긴 좌우측 상에 생긴 왜곡을 서로 반대 방향에 곡률 중심이 위치하는 원호 또는 기타 곡선으로 근사한 후 이 원호 또는 기타 곡선을 직선으로 만들어주는 방식을 이용하여 왜곡이 보정되도록 하는 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있을 수 있다.

상의 가로 대 세로의 비를 바꿔주기 위한 상기 광학적 수단에 의해 좌우로 압축된 상을 좌우로 확대시켜 상의 가로 대 세로의 비율을 원래의 비율로 복원하는 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있을 수 있다.

상기 좌우측상을 분리해주기 위한 광학적 수단에 의하여 분리된 좌측과 우측의 상을 애너글리프 방식 또는 편광장치를 이용하여 입체 영상으로 만들거나 재생하는 상처리 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고, 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 실시간으로 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 입체 영상 시스템을 제공한다.

또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 일안식 입체 카메라를 이용하여 저장한 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고, 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 입체 영상 시스템을 제공한다.

또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 입체 영상으로 만들고, 이를 인쇄하여 입체 사진을 만들 수 있는 입체 영상 시스템을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일안식 입체 카메라를 설명하기 위하여 도시한 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일안식 입체 카메라는 화면의 가로 대 세로의 비를 바꿔주기 위한 광학적 수단인 아나모픽 광학계(31)와, 좌우측상을 분리해주기 위한 광학적 수단인 바이프리즘(32)과, 렌즈(12)와, 카메라 보디(11)를 포함한다. 카메라 보디(11)는 촬영된 영상신호를 컴퓨터(35)로 전송하며, 카메라 보디(11)와 통신 케이블(33)을 통해 연결된 컴퓨터(35)는 영상신호를 처리한다. 한편, 컴퓨터(35)에는 좌측과 우측의 상을 분리해주기 위한 프로그램, 상처리 프로그램, 좌우측상의 왜곡 보정 프로그램 등이 설치되어 있다. 도 4에서 미설명된 참조부호 '34'는 '통신용 카드'를 지칭한다.

먼저 색수차에 대해서 설명하면 다음과 같다.

색수차는 일반적으로 하나의 광학적 투명 물질이 빛의 파장에 따라서 서로 다른 굴절률을 가지는 데에서 발생한다. 즉, 여러 파장의 빛으로 이루어진 자연광이 프리즘을 통과할 경우를 생각해보면, 각 파장마다 프리즘 재료가 갖는 굴절률이 다르기 때문에 프리즘에서 빛이 꺾이는 각도가 다르게 되고, 그 결과 각각의 색이 분리되어 나타나는 분산 현상을 나타낸다. 이러한 분산 현상에 의해서 분리된 서로 다른 진행방향을 갖는 빛들은 카메라의 촬영렌즈에서 볼 때 마치 각 파장마다 카메라에서 물체까지의 거리가 다른 것처럼 작용하게 하여 결과적으로 각 파장마다 서로 다른 공간적 위치에 상을 맺게 하고, 그 결과 카메라 촬상소자의 상면에서 상의 주변에 색의 번짐이 나타나게 되는 데, 이것을 색수차라 한다.

도 5는 프리즘에서 발생하는 분산 현상을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같은 프리즘(41)이 있다고 하면 파장이 짧은 빛에 대해서 더 높은 굴절률을 갖는 일반적인 광학재료의 특성에 따라 파장이 짧은 보라색 빛이 파장이 긴 빨간색 빛보다 더 많이 꺾이게 되고 그 결과 각 색들이 나아가는 방향이 서로 다르게 된다.

도 6a 및 도 6b는 좌우측상을 분리하는 광학장치로서 사용되는 바이프리즘을 도시한 도면들이다. 도 6a는 일반적인 바이프리즘을 도시한 도면이고, 도 6b는 색수차가 보정된 바이프리즘을 도시한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 입체상을 구성하기 위한 좌측상과 우측상을 분리하는 수단으로 사용되는 바이프리즘(51, 52)을 보이고 있는데, 이 프리즘은 도 5에 보인 것과 같은 프리즘 2개를 서로 붙여준 것과 같은 형상으로 프리즘의 가운데에 있는 모서리를 경계로 입사한 빛의 꺾어지는 방향을 서로 반대로 만들어주는 역할을 하게 되며, 이로 인해 카메라의 촬상소자면에서 좌측상과 우측상이 각각 화면의 절반씩을 차지하며 상이 맺도록 하면 화면의 가운데에 있는 선을 기준으로 하여 컴퓨터 프로그램에 의해 좌측상과 우측상을 분리할 수 있게 된다.

이와 같이 바이프리즘을 써서 좌측상과 우측상을 분리하는 과정에서 하나의 광학부품으로 이루어진 통상적인 바이프리즘을 사용하면, 앞서 말한 빛의 파장에 따른 굴절률 차이에 의해서 각 광선이 나아가는 방향이 달라지고, 그 결과 카메라의 상면에서 색수차가 발생하게 된다. 이러한 색수차를 없애주는 방법으로는 굴절률과 분산값이 서로 다른 물질 2 종류를 사용하여, 이들간의 서로 다른 분산값에 의해서 발생하는 색수차를 상쇄하도록 하는 방법이 보편적으로 사용된다. 이하에서, 색수차를 상쇄하는 방법에 대하여 설명한다.

도 7은 접합형 바이프리즘에서 빛의 경로를 계산하기 위하여 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 접합형 바이프리즘에서 첫번째 프리즘 재료의 굴절률을 n₁, 두번째 프리즘 재료의 굴절률을 n₂, 첫번째 프리즘의 각도를 α, 두번째 프리즘의 각도를 β라 하고, 맨 처음 광선이 첫번째 면에 수직으로 입사한다고 가정하자.

두번째 면에서,

입사광선에 대한 편각은 θ-(α-β)이 된다.

예를 들어, α=10°, β=5°, n₁=1.6, n₂=1.8인 경우,

θ-(α-β)=6.9948°-(10°-5°)=1.9948°

가 된다.

색수차 보정을 하지 않은 프리즘의 편각은

γ-α(단, n₁sinα=sinγ)

예를 들어, 굴절률 1.6이고 프리즘 각도가 5도인 경우

γ=sin^-1(1.6sin5°)=8.016°

편각 γ-α=3.016°

가 된다. 값의 1차 근사를 취했을 때의 나머지 고차항 생략에 따른 오차에 대해 알아보면,

sinθ=θ-θ³/(3！)+θ⁵/(5！)…

이 되므로 θ의 3차항은 1차항에 비해 매우 작음을 알 수 있다. 따라서 이후 계산에서는 sinθ=θ로 근사하여 계산한다. 따라서 이들간의 관계를 선형적인 관계로 생각할 수 있다.

일반 프리즘의 편각계산 결과를 다음과 같이 1차식으로 가정하자.

5°×k=3.016°

이것은 대략

5°×(n-1)≒3.016°

5°×0.6≒3.016°

이것을 색수차 보정프리즘의 계산에도 적용해 보면

10×0.6-5×0.8=6-4=2°

계산 결과가 정확한 굴절의 법칙을 사용한 결과와 크게 다르지 않음을 알 수 있다.

이 결과를 이용해서 다음의 근사식을 생각할 수 있다.

2개의 유리를 서로 엇갈리는 각도로 붙인 경우에 그 편각을 다음과 같이 적을 수 있다.

편각

이 식을 사용하여 색수차에 관한 부분을 계산해 보면 다음과 같다.

편각을 프라운호퍼 C, F, d-선에 대해서 계산하면

여기서 n_d는 황색 d 선에 대한 굴절률, n_F는 청색 F 선에 대한 굴절률, n_c는빨간색 F 선에 대한 굴절률을 나타낸다.

색수차는로 나타내므로

로 주어지며, 이 프리즘의 중신 편의각은 황색인 d선에 대해 정의되므로,

가 된다. 결론적으로

이다. 이때 아베수 v를

로 정의하면,

가 된다. 2개의 유리를 서로 엇갈리는 각도로 붙인 경우에 색수차를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

색수차

이제 이상에서 논의된 결과를 바탕으로 색수차가 보정된 바이프리즘의 각도를 구하는 방법을 생각해보면, 각도 θ, 두 광학재료의 굴절률과 아베수를 각각 n₁, n₂, v₁, v₂라 할 때 색수차가 보정될 조건은

∴

∴

과 같이 구해진다.

이 방법에 따라 목표 편의각을 10°로 하였을 때 재료 선정의 예는 다음의 표 1(색수차가 보정된 바이프리즘의 설계 예)과 같다.

편의각 θ = 10° 각도단위:도
설계예	n	v	α	β
BSC7F5	1.52	64	47.3	24.0
	1.61	38
LAC15FD15	1.70	56	30.8	16.5
	1.70	30
PCD4F5	1.62	64	39.7	24.0
	1.61	38
TAC6FD6	1.76	53	25.8
	1.81	26

이런 원리로 색수차를 보정할 수 있도록 만들어진 바이프리즘은 도 6b와 같은 구조를 가지게 된다. 즉, 비교적 굴절률이 낮고 분산이 적게 일어나는 크라운 유리를 사용하여 바이프리즘을 만들고, 이로 인해 발생하는 색수차를 보정해주기 위해서 비교적 굴절률이 높고 분산도 크게 일어나는 플린트 유리로 만들어진 프리즘간의 결합체를 바이프리즘으로 사용하게 된다. 실제 프리즘을 제작함에 있어서는 크라운 유리로 만들어지는 프리즘은 가급적 굴절률은 높고, 분산은 작은 것을 사용하고, 플린트 유리로 만들어지는 프리즘은 반대로 가급적 굴절률은 낮고, 분산이 큰 것을 사용하는 것이 만들어진 프리즘의 두께를 얇게 할 수 있다는 점에서 유리하다. 또한, 각 프리즘은 광학부품들을 접합하는 데 사용하는 가시광선에서 투명하고, 접착제 층이 얇게 형성되는 접착제로 접합함으로써 프리즘 간의 광축이 맞게 한 상태를 계속해서 유지할 수 있다.

바이프리즘을 사용한 일안 카메라에서 해결해야 할 또 다른 문제점은 하나의 촬상소자에 동시에 촬영되는 영상을 화면의 가운데 있는 수직선을 기준으로 하여 절반은 좌측상으로 다른 절반은 우측상으로 사용함으로써 좌측상과 우측상을 각각 카메라로 하나의 영상만을 취할 때와 영상의 가로 대 세로의 비가 달라지게 된다는 것이다. 예를 들어, 촬상소자의 가로 대 세로의 비가 4:3 이라면 바이프리즘을 사용하여 촬용하였을 때 그 절반으로 얻어지는 좌측상과 우측상의 가로 대 세로의 비는 2:3이 된다. 따라서, 입체상을 디스플레이함에 있어서는 좌측상과 우측상 모두 세로 방향으로 얻어진 상의 1/2만 사용하여 가로 세로의 비를 다시 4:3으로 맞추어서 디스플레이하게 된다. 하지만 이 경우 결과적으로 촬상소자에 의해 촬영된 전체 면적의 1/2 만을 입체상을 만드는 데 사용하는 결과가 되므로 전체적으로 해상력을 저하시키는 것이 된다. 또한, 4:3 뿐만 아니라 16:9와 같은 다른 비율의 포맷을 갖는 카메라를 사용하는 경우에도 동일한 현상이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 실린드리컬 렌즈들로 구성된 가로 세로의 비를 변화시켜줄 수 있는 아나모픽 렌즈계를 사용하고 있다. 즉, 아나모픽 렌즈계에 정사각형 형태의 광속이 입사하였다면, 이 광속은 아나모픽 렌즈계를 지난 후에 가로 세로의 비가 n:1인 직사각형으로 변하게 된다.

아나모픽 렌즈계의 구성원리는 전체적으로 보아 오목렌즈의 구실을 하는 일련의 렌즈군과 볼록렌즈의 구실을 하는 일련의 렌즈군으로 구성된다. 각각의 렌즈군은 같은 방향으로 곡률이 있는 실린드리컬 렌즈들로 구성이 되므로 곡률이 있는 방향으로는 일반적인 구면렌즈와 동일한 효과를 나타내지만 그와 수직인 방향으로는 평행평판과 같은 역할을 하게 되어 상의 크기에 영향을 미치지 않게 된다. 이와 같이 구성된 아나모픽 렌즈계에 평행광이 입사하였을 때 출사광이 평행광이 되도록 오목렌즈와 볼록렌즈의 초점을 일치시킨다. 이때 오목렌즈와 볼록렌즈의 초점거리 간의 비에 따라 카메라 화면에서 가로 대 세로의 비가 조정된다. 예를 들어, 두 초점거리의 비를 2로 하면 화면에서 시야각의 비가 2가 된다.

이러한 아나모픽 렌즈계의 한 예로써 오목렌즈의 역할을 하는 렌즈군을 물체를 향하는 방향으로 놓고, 볼록렌즈 역할을 하는 렌즈군을 카메라를 향하는 방향으로 놓은 경우를 생각해보자. 이때 앞에서 이미 설명한 바와 같이 오목렌즈와 볼록렌즈의 초점이 서로 일치하도록 배치하면 평행광을 입사시킬 때에 그 광속의 폭만 볼록렌즈의 초점거리를 오목렌즈의 초점거리로 나누어준 비 만큼 확대된 평행광이 나오게 된다. 이때 만일 이 비를 2로 해주면 이 아나모픽 렌즈를 통해 피사체를 촬영할 때 가로 방향의 화각이 2배로 늘어나는 효과를 얻을 수 있다. 이 이외에도 볼록렌즈군과 볼록렌즈군을 사용할 수도 있고, 오목렌즈군과 볼록렌즈군의 배치를 바꾸어 사용할 수도 있다.

도 8a 및 도 8b는 실린드리컬 렌즈들로 구성되는 아나모픽 렌즈의 원리를 설명하기 위한 도면들로서, 도 8a는 곡률이 있어서 렌즈로서 작용하는 방향을, 도 8b는 곡률이 없어 평행평판과 같은 역할을 하는 방향을 나타내고 있다.

도 8a 및 도 8b에서는 아나모픽 렌즈(71)를 이루는 오목렌즈(72)와 볼록렌즈(73)를 모두 한 장의 렌즈로 표시하였지만 실제 적용에 있어서 이들 각각은 다른 광학재료로 만들어진 여러 장의 렌즈로 구성되어 색수차나 그 밖의 수차들을 보정할 수 있도록 되어 있다.

이와 같은 아나모픽 렌즈를 통해 얻어진 상은 가로 방향의 화각이 n배로 늘어난 상태에서 촬영이 되었으므로 피사체가 실제보다 날씬한 형태로 찍히게 된다. 따라서 편광 안경을 사용하는 방식이나 애너글리프 방식으로 입체상을 디스플레이 하기 위해서는 얻어진 좌우측 상의 가로 방향의 길이를 n배로 늘려주어 원상태로 회복시키게 되는 데, 이때에 가로 방향으로 각 화소 사이에 여분의 화소가 존재하게 된다. 이 상황을 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한다.

도 9a 및 도 9b는 카메라에 의한 상과 입체상을 디스플레이한 상에서 각 화소의 대응 관계를 설명하기 위한 도면들로서, 도 9a는 카메라에 의해서 얻어지는 상을, 도 9b는 그 상들을 좌우측상으로 분리한 후 각각을 가로 방향으로 확대하고 이들을 겹쳐준 모양을 나타낸다. 도 9a 및 도 9b에서 참조부호 '81' 및 '82'는 각각 '카메라에 의해 촬영된 픽셀' 및 '촬영된 픽셀이 없는 디스플레이 상의 픽셀'을 나타낸다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 카메라의 각 화소의 위치를 (p, q)로 나타낼 수 있다고 하고, 그때 빛의 강도를 I(p, q)라 한다. 또, 이 카메라의 상으로부터 만들어지는 입체상의 위치를 (P, Q)로 나타내고 그때 빛의 강도를 I(P, Q)라 하면,

I(P, Q)=k[I(P/2+1/2, Q) + I((m+P)/2 + 1/2, Q)] ; P가 홀수일 때,

= 0 ; P가 짝수일 때

로 나타내지게 되어 만일 n=2라면 가로 방향으로 한 화소 건너 하나씩 대응하는 상 신호가 없게 된다. 이와 같이 대응하는 상 신호가 없는 점에 대해서는 상신호를 갖고 있는 좌우에 인접한 두 화소의 상 신호 간의 평균으로 상 신호를 보간해준다. 즉, I(P, Q)와 I(P+2, Q)가 상신호가 있는 화소점에서의 빛의 강도라면, 상신호가 없는 (P+1, Q)점에서의 빛의 강도 I(P+1, Q)는

I(P+1, Q) = 1/2 (I(P,Q) + I(P+2, Q))

가 된다.

바이프리즘을 사용하여 입체 영상을 얻는 방식에서는 얻어지는 상에 바이프리즘으로 인한 왜곡이 발생하게 되는 데, 그 왜곡의 방향이 좌측상과 우측상이 서로 반대가 되므로 좌측상과 우측상을 겹쳐보면 도 10과 같이 된다. 이와 같이 좌측상과 우측상이 일치하지 않는 왜곡이 심해지게 되면, 좌우측상의 불일치로 인해 입체상을 보는 관찰자에게 두통을 야기하게 되고, 더 심해지면 좌우상이 분리되어 어떤 때에는 좌측상 만이 또 어떤 때에는 우측상 만이 보여서 전혀 입체감을 나타내지 않게 된다. 도 10에서 참조부호 '91' 및 '92'는 각각 '좌측상에 대응하는 픽셀' 및 '우측상에 대응하는 픽셀'을 나타낸다.

이런 문제점을 개선하기 위하여, 카메라로 얻어진 죄우측상에 생긴 왜곡을 서로 반대 방향에 곡률 중심이 위치하는 원호로 근사한 후, 이 원호를 직선으로 만들어주는 방식의 왜곡 보정을 컴퓨터 프로그램을 써서 실시해준다. 이와 같이 하면 좌측상과 우측상에 생긴 왜곡을 간단하면서도 효율적으로 보정할 수 있어서 관찰자의 두통 발생을 현저하게 완화시킬 수 있다.

이러한 방법을 설명하기 위하여 우선 화각이 확장된 바이프리즘에 의한 상의 왜곡 현상에 대해서 설명해 보면 다음과 같다.

아나모픽 광학계에 의해서 압축된 상을 얻으면, 수직으로 서 있는 상이 중앙으로 휘는 상의 왜곡현상을 보인다. 이는 결과적으로 상이 좌우 대칭적으로 휘는 현상으로 인해, 좌우상을 하나의 상으로 압축시켰을 때, 상의 각 모서리에서는 좌우상이 일치되지 않아서 입체감이 나타나지 않고 화면의 중앙에서는 물체가 볼록하게 솟아 올라와 보이는 현상이 나타나게 된다.

도 11과 같이 왜곡된 상의 데이터를 처리하여 도 12와 같이 보정하는 작업을 수행하는 프로그램의 알고리즘은 다음과 같다.

먼저, 실제로 곧게 수직으로 그려질 상이 도 11에서와 같이 점 A, J, C를 지나고 반지름이 R인 원호 형상으로 왜곡된다는 가정을 한다. 이러한 가정이 좌측상의 전면에 걸쳐 적용되어 점 B, K, D를 지나는 원호의 반지름도 R이 된다고 가정한다. 또한 우측상에도 마찬가지로 적용하여 좌측상과 대칭인 형태로 상이 왜곡된다고 가정한다. 즉 도 11에서 R₁= R₂= R₃= R₄= R 이 된다고 가정한다.

보정되기 전의 (x,y)의 좌표에 있는 어떤 한 픽셀의 RGB값을 V(x,y)로 표현한다면, 좌측상의 (x₁, y₁)에 있는 픽셀(102)의 RGB값은 V₁(x₁, y₁), 우측상의 (x₂, y₂)에 있는 픽셀(103)의 RGB값은 V₂(x₂, y₂)라 할 수 있다. 보정 과정은 어떤 위치 (x,y)에 있는 픽셀의 RGB값을 보정된 후의 위치 (x', y')로 이동하는 과정이 된다. 즉 V(x, y)를 V'(x', y')으로 매핑(mapping)하는 과정이 된다. 그런데 처음 설정한 왜곡된 상의 형태에 대한 가정에 의해 y=y' 즉, 각 픽셀이 수평방향으로 일정양(=d₁(y))을 이동하여 원호의 모양으로 왜곡된 상(104)이 수직선이 되도록 하는 것이다.

먼저, 왜곡된 상(104)이 만드는 원의 반지름은

여기에서, H는 상의 세로폭, d는최대 왜곡 거리가 된다.

점A를 원점(101)으로 하였을 때 임의의 y값에 대한 촤측상의 x좌표 d₁(y)와 우측상의 d₂(y)는

여기에서

R = 왜곡된 상이 만든 원호의 반지름

d = 최대 왜곡 거리

H = 상의 높이

가 된다.

그런데 보정하여 사용할 수 있는 각 좌우상의 폭은 W/2가 아니라 W/2-d가 되므로 이를 고려하여 x를 x'으로 매핑(mapping)하는 식을 구해보면 다음과 같다.

좌측상인 경우,

V₁(x₁, y₁)→V₁'(x₁', y₁')

가 되고, 우측상인 경우

V₂(x₂, y₂)→V₂'(x₂', y₂')

가 된다. 이와 같은 알고리즘에 의한 프로그램을 사용하면, 바이프리즘에 의해 왜곡된 상(104)을 효과적으로 보정할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 일안식 입체 카메라는 다음과 같은 입체 영상 시스템에 적용될 수 있다.

즉, 본 발명의 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 실시간으로 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 시스템, 본 발명의 일안식 입체 카메라를 이용하여 저장한 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 시스템 또는 본 발명의 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 입체 영상으로 만들고 이를 인쇄하여 입체 사진을 만들 수 있는 시스템 등에 적용될 수 있다.

본 발명에 의한 일안식 입체 카메라 및 이를 이용한 입체 영상 시스템에 의하면, 바이프리즘을 좌우측상의 분리수단으로 사용하는 일안 입체 카메라에서 발생하는 색수차 문제, 얻어지는 좌우측상의 가로 대 세로의 비가 디스플레이의 가로 대 세로의 비와 맞지 않아서 해상력의 손실이 일어나는 문제, 바이프리즘의 존재로 인해 좌우측상에 서로 반대 방향으로 생기는 왜곡 문제 등을 해결할 수 있다. 즉, 서로 다른 종류의 광학재료 재질로 만들어진 복수의 프리즘을 결합하여 색수차를 보정시킨 형태의 바이프리즘을 사용하여 하나의 카메라에서 입체 영상을 얻을 때 생기는 색수차를 없애거나 그 발생량을 감소시키고, 카메라 화면의 각각 반쪽으로 얻어지는 좌측상과 우측상을 일련의 실린드리컬 렌즈로 구성되는 아나모픽 광학계를 써서 가로 방향의 시야각을 2배로 하여 카메라 화면상에 얻어진 영상을 재생시 다 활용할 수 있도록 하며, 바이프리즘을 사용함으로 인해 발생하는 좌측상과 우측상의 서로 다른 방향의 왜곡을 소프트웨어적인 보정을 통하여 감소시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (12)

1. 입체 영상을 동영상 또는 정지 영상으로 얻는 입체 카메라에 있어서,

   상의 가로 대 세로의 비를 바꿔주기 위한 광학적 수단;

   좌우측상을 분리해주기 위한 광학적 수단;

   상이 카메라의 촬상소자에 맺히도록 하는 카메라 렌즈; 및

   촬영된 영상신호를 컴퓨터로 전송하는 카메라 보디를 포함하는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
2. 제1항에 있어서, 상기 좌우측상을 분리하기 위한 광학적 수단은 바이프리즘인 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
3. 제2항에 있어서, 상기 바이프리즘은 색수차를 보정할 수 있도록 굴절률과 분산값이 다른 적어도 2가지 종류의 광학재료로 만든 것임을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
4. 제1항에 있어서, 상기 상의 가로와 세로의 비를 바꿔주기 위한 광학적 수단은 실린드리컬 렌즈를 사용한 아나모픽 렌즈인 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
5. 제4항에 있어서, 상기 아나모픽 렌즈는 적어도 2가지 종류의 광학재료를 사용하여 색수차를 보정한 렌즈임을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
6. 제1항에 있어서, 상기 카메라 보디에서 나온 영상신호를 처리해주기 위한 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
7. 제6항에 있어서, 상기 바이프리즘에 의해 생긴 좌우측 상에 생긴 왜곡을 서로 반대 방향에 곡률 중심이 위치하는 원호 또는 기타 곡선으로 근사한 후 이 원호 또는 기타 곡선을 직선으로 만들어주는 방식을 이용하여 왜곡이 보정되도록 하는 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
8. 제6항에 있어서, 상의 가로 대 세로의 비를 바꿔주기 위한 상기 광학적 수단에 의해 좌우로 압축된 상을 좌우로 확대시켜 상의 가로 대 세로의 비율을 원래의 비율로 복원하는 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
9. 제6항에 있어서, 상기 좌우측상을 분리해주기 위한 광학적 수단에 의하여 분리된 좌측과 우측의 상을 애너글리프 방식 또는 편광장치를 이용하여 입체 영상으로 만들거나 재생하는 상처리 프로그램이 상기 컴퓨터에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 일안식 입체 카메라.
10. 제1항의 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고, 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 실시간으로 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 입체 영상 시스템.
11. 제1항의 일안식 입체 카메라를 이용하여 저장한 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 디스플레이에 입체 영상으로 표시하고, 이를 입체 영상을 볼 수 있는 도구를 이용하여 입체 영상을 볼 수 있도록 하는 입체 영상 시스템.
12. 제1항의 일안식 입체 카메라를 이용하여 얻은 영상을 컴퓨터와 상처리 프로그램을 이용하여 입체 영상으로 만들고, 이를 인쇄하여 입체 사진을 만들 수 있는 입체 영상 시스템.