KR20080096148A - Ｐｓｄ센서를 이용한 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 마커의 정확한 3차원 위치를 측정하기 위한, 소정의 일정한 거리(M)를 유지하며 동일한 특성의 광을 발광하는 한 쌍의 발광 마커; 측정면에서의 상기 발광 마커 각각이 발광하는 광의 광량(I1, I2) 및 상기 광에 의해 결상된 상의 위치(P'1, P'2)에 대응하는 감지 신호를 출력하는 PSD 센서; 및 상기 감지 신호에 기초하여, 상기 PSD 센서에 대한 상기 발광 마커의 실제 위치를 산출하는 컴퓨터;를 포함하는 위치 측정 장치를 제공한다.
PSD 센서, 위치 측정, 마커

Description

ＰＳＤ센서를 이용한 위치 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING POSITION USING PSD SENSOR}
도 1(a) 내지 1(c)는 PSD 센서의 형태 및 이용 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 이용 형태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3(a) 내지 (c)는 본 발명의 PSD 센서를 이용한 3차원 위치 측정 장치를 이용하기 위한 가정을 설명하기 위한 도면.
도 4(a) 내지 4(b)는 PSD 카메라를 설명하기 위한 도면.
도 5 내지 8은 본 발명의 위치 측정 장치를 이용하여 한 쌍의 발광 마커의 실제 위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 PSD 센서를 이용한 3차원 위치 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍을 1조로 하여 구성된 발광 마커 및 PSD 센서를 이용하여 상기 발광 마커의 3차원 위치를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
모션 캡쳐는 최초로 의학용으로 개발되어 사용되다가 최근 디지털 방식으로 표현되는 가상현실과 애니메이션 분야에서 더욱 큰 발전을 이루어냈으며, 현재 영화, 게임, 3D 애니메이션, 사이버 캐릭터, 웹 3D등 멀티미디어 콘텐츠 분야에 컴퓨터를 이용한 애니메이션 제작이 붐을 이루고 있다.
모션캡쳐 기술이 중요해지고 있는 이유는, 기존의 많은 시간과 비용으로 작업을 했던 가상 캐릭터 모션을 더욱 현실감 있게 효과적으로 표현해낼 수 있기 때문이다. 특히, 모션캡쳐 기술을 가장 유용하고 활발하게 이용할 수 있는 분야 중 하나가 엔터테인먼트 산업으로서 모션캡쳐 기술을 적용하면, 사용자가 보다 직관적인 인터페이스를 통해, 더 몰입하여 현실과 같은 게임을 즐길 수 있다. 따라서 최근 몇 년 사이에, 게임에서의 모션캡쳐 기술의 중요성 및 수요가 급성장하고 있다.
현재 영화나 게임에 이용되는 모션캡쳐 장치는 장비가 크고 상당히 고가이기 때문에 간단한 가정용 게임에는 적용하기 어렵다. 요즘 흔히 사용되는 USB CCD카메라를 이용한 모션캡쳐 게임은 모션 인식 속도가 느리거나 2차원만을 인식할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
이에 비해, PSD(Position Sensitive Detector) 센서를 사용하면 저가이면서 속도가 빠른 모션캡쳐를 실현할 수 있게 된다. 또한, 최근 PSD에 대한 지속적인 연구를 통해 3차원 측정이 가능한 장치를 개발하게 되었다.
PSD 센서를 이용한 모션캡쳐 장치로는, 이전에 2개 이상의 PSD를 사용하는 스테레오 비젼을 동일하게 이용하는 장치와 빛의 세기와 거리와의 관계를 이용하여 하나의 PSD만을 사용한 단일 PSD 모션캡쳐 센서를 이용하는 장치 등이 소개되었다. 후자의 단일 PSD 모션캡쳐 센서를 이용한 장치는 본 발명의 동일 출원인에 의한 대한민국 특허출원번호 제2005-13211호, "PSD 센서를 이용한 3차원 위치 측정 장치 및 방법"에 상세히 기재되어 있다.
하지만, 현재 개발되어진 장치들을 저렴하고 손쉽게 이용하기에는 다음과 같은 문제가 있다. 스테레오 비전의 경우에는 두 개 이상의 PSD 센서를 사용해야 하기 때문에 가격이 고가이고 두 개의 카메라 사이의 기하학적, 광학적 정보를 구하기 위한 일련의 보정작업이 필요하게 된다는 번거로움이 있다.
또한, 종래의 단일 PSD 모션캡쳐 센서의 경우에는, 단순히 발광 마커의 빛의 세기를 통해 거리를 추정하기 때문에, 같은 거리에서는 발광 마커가 향할 수 있는 모든 방향에 대해서 상기 발광 마커가 향하는 방향과 관계없이 동일한 광량을 나타내야만 한다는 광 특성이 요구되어진다. 또한, 여러 개의 발광 마커를 사용하는 경우 사용하는 모든 발광 마커가 동일한 광 특성을 갖도록 제작하고, 사용시마다 모든 발광 마커의 거리에 대한 광량 특성이 동일하도록 보정하여야 한다.
따라서, 발광 마커가 방출하는 광의 세기가 모든 방향(Omni-Direction)으로 일정해야한다는 가정을 만족하는 이상적인 발광 마커를 구현하기 어렵고, 모든 발광 마커의 광 특성 및 주변 환경적 요인에 의한 캘리브레이션이 매번 필요하다는 문제점을 내포한다.
따라서, 본 발명은, 하나의 PSD 모션캡쳐 센서를 이용하면서도 상기한 문제점을 해결하여 발광 마커의 정확한 3차원 위치를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 서로 동일한 발광 특성을 가지며 미리 결정된 일정한 거리(M)를 유지하여 배치된 한 쌍의 발광 마커; 측정면에서의 상기 발광 마커마다에서 발광하는 광에 의해 결상된 각각의 상에 대한 위치(P'1, P'2) 및 광량(I1, I2)을 나타내는 감지 신호를 출력하는 PSD 센서; 및 상기 각각의 상에 대한 각각의 감지 신호 및 상기 거리(M)에 기초하여 상기 발광 마커마다의 실제 위치를 산출하는 컴퓨터;를 포함하는 위치 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 미리 결정된 일정한 거리(M)를 유지하여 배치된 한 쌍의 발광 마커와, 상기 발광 마커의 광이 결상되는 PSD 센서와, 및 상기 결상된 상에 의하여 상기 발광 마커마다의 실제 위치를 산출하는 컴퓨터를 포함하여 이루어지는 위치 측정 장치에 있어서, i) 상기 한 쌍의 발광 마커가, 각각 광을 발광하는 단계; ii) 상기 광이 상기 PSD 센서에 결상된 상의 위치(P'1, P'2) 및 상기 상의 광량(I1, I2)을 나타내는 감지 신호를 출력하는 단계; 및 iii) 상기 감지 신호 및 상기 거리(M)를 이용하여 상기 발광 마커 각각의 실제 위치(P1, P2)를 산출하는 단계;를 포함하는 위치 측정 방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1(a) 내지 1(c)를 이용하여 PSD 센서의 형태 및 이용 원리에 대해 설명한다. 도 1(a)는 PSD 센서의 기본 구조를 나타낸 측단면도이다. 도면을 참조하면 반도체 계층은 평판상의 실리콘 표면에 P층, I층, N층이 각각 구성되어 있다. N층에는 캐소드 전극이 형성되고 이것이 PSD의 공통전극으로 작용한다. 표면의 P층에 스폿 광이 입사되면 스폿 위치에 광전 변환된 전하가 발생한다. 발생된 전하는 P층을 흘러 수광 전류 Ix1 및 Ix2로서 각 전극으로부터 흘러나온다. PSD의 표면은 저항체로 되어 있기 때문에 상기의 스폿에 발생한 전하가 각 전극에서 흘러나왔을 때의 비율은 전극까지의 거리에 반비례하게 된다. 따라서, 이 전하에 의한 수광 전류를 측정함으로써 상기 스폿의 위치를 측정할 수 있게 된다.
PSD 센서는 그 사용 목적에 따라 1축 상의 위치를 검출하는 1차원 PSD와 2축 상의 위치를 검출하는 2차원 PSD로 구분할 수 있다. 2차원 PSD의 경우에도 위의 기본원리에 기인하여 동작한다. 2차원 PSD에는 Duo-lateral type, Tetra-lateral type, 그리고 Pin-cushion type 등이 있다. 각각의 PSD는 장단점을 가지고 있는데 Duo-lateral Type은 왜곡이 적고, 분해능이 높다. Tetra-lateral Type은Duo-lateral Type에 비하여 왜곡은 더 심하지만, 바이어스를 가할 수 있어 암전류(Dark Current)가 적고, 고속 응답 특성을 갖는다. Pin-cushion Type은 Tetra-lateral Type을 향상시킨 센서로서 Tetra-lateral Type의 장점을 모두 가지고 있으며, 동시에 측정 영역의 바깥 부분에서의 왜곡도 많이 감소시킬 수 있다.
도 1(b)는 Pin-cushion Type의 센서의 표면에 개략적으로 나타낸 평면도이 다. 도 1(c)는 Pin-cushion Type의 센서의 표면에 스폿 광이 입사되는 것을 나타낸 개략적인 사시도이다. 이때, Pin-cushion Type의 2차원 PSD에서 스폿 광의 위치를 측정하기 위한 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
즉, X, Y축 상의 x, y 위치에 입사된 광량이 각각의 전극에서 Ix1, Ix2, Iy1, Iy2로 나타날 때의 관계식은 다음과 같다.
X방향은 수학식 1로써, Y방향은 수학식 2로써 나타낼 수 있다.
Figure 112007031961797-PAT00001
Figure 112007031961797-PAT00002
여기에서,
Ix1 : 전극 X1에서의 전류
Ix2 : 전극 X2에서의 전류
Iy1 : 전극 Y1에서의 전류
Iy2 : 전극 Y2에서의 전류
Lx : X축상의 수광면 폭
Ly : Y축상의 수광면 폭
x : 좌표축을 수광면 중심으로 잡았을 때의 입사위치의 X 좌표
y : 좌표축을 수광면 중심으로 잡았을 때의 입사위치의 Y 좌표이다.
위의 수학식 1 및 2에서, x, y는 PSD 센서의 측정면의 중심을 원점으로 하여 직각 좌표계를 설정하였을 때의 입사점의 좌표계에서의 위치를 표시하고, Ix1, Ix2, Iy1, Iy2는 PSD의 각 출력 단자(전극)에서의 출력 전류를 나타낸다.
본 발명에서는 이와 같은 Pin-cushion Type의 PSD 센서를 사용하며, 이후 별도의 수식어를 사용하지 않고, PSD 센서로써 기재한다.
도 2는 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 이용 형태를 개략적으로 나타낸다. 본 도면에 따르면, 위치 측정 장치는, 복수 조 구비된, 두 개씩 쌍을 이루는 발광 마커(10), 상기 발광 마커(10)로부터의 광을 수집하여 소정의 신호를 출력하는 PSD 센서를 탑재한 PSD 카메라(20), 상기 PSD 카메라(20)와 연결되어 상기 신호를 수신하고 상기 신호에 기초하여 상기 발광 마커(10)의 위치를 산출하는 컴퓨터(30)를 포함하여 이루어지며, 상기 복수 조의 발광 마커(10)에 대해 발광 타이밍을 제공하는 동기화 신호 송신부(50)를 더 포함할 수도 있다.
발광 마커(10)는, 실제 적용에 있어서 동기화 신호 송신부(50)에 의한 타이밍으로 순차적으로 발광하게 되지만, 이하에서는 이에 대한 설명을 생략하여 유연하게 설명하도록 한다. 본 발명에서의 PSD 센서를 이용한 3차원 위치 검출 방법에 있어서 먼저, 다음과 같은 네가지의 가정을 설정한다.
(1) PSD 카메라(20)에서 측정되어지는 발광 마커(10)의 광량은 거리의 제곱에 반비례한다. 도 3(a)에 이러한 가정을 그래프로 도시하였으며, 여기에서, I는 PSD에서 측정된 빛의 세기이고, d는 발광 마커(10)와 PSD 카메라(20) 사이의 거리를 나타낸다. a는 주변광과 구동회로 등을 고려한 상수 값이고, k는 게인 값으로 실험적으로 결정한 측정된 광량과 실제 거리에 대한 상수 값이다.
(2) 발광 마커(10)에서 방사되는 광의 세기는 모든 방향에 대하여 완만하게 변화하는 특성을 갖는다. 도 3(b)에는 이러한 가정을 도시하였다. 좌측의 도면은 광의 세기에 대한 방사각 I(θ)가 연속적인 함수로 표현되며 급격한 변화를 갖지 않는 예(Δθ≒0)이다. 그러나 우측의 도면에서는 I(θ)가 불연속적인 광량 분포를 갖는 것을 나타내고 각도 변화에 따라 광량 변화가 미소하지 않은 예(|Δθ|≫0)를 보이고 있다. 본 발명에서는 이러한 불연속적인 광량 분포를 갖는 발광 마커는 고려하지 않는다.
(3) 각각의 발광 마커(11, 12)는 서로 동일한 광학적 특성(방사각에 따른 광량분포)을 갖는다. 도 3(c)에 이러한 가정을 도시하였다. 본 발명에서는 모든 발광 마커가 반드시 동일한 광학적 특성을 가질 필요는 없으며, 적어도 쌍을 이루는 발광 마커(11, 12)에서만 동일한 광학적 특성을 가지면 된다. 이 점이 본 발명과 종래의 기술과의 명확한 차이점이 된다. 이러한 가정 및 도면을 참조하면, 일정한 거리를 두고 이격된 두 발광 마커(11, 12)는 같은 k 상수(게인 값) 값을 갖게 된다. 그 이유는 P1, P2 사이의 거리(M)가 d에 비해 매우 작기 때문에, 각 발광 마커(11, 12)의 게인은 동일하다고 간주할 수 있기 때문이다. 다시 말하면, PSD 카메라(20)의 위치와 M의 방향에 대해서 P1과 P2가 이루는 입사각(θ1,θ2) 사이의 차이가 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에 입사각(θ1,θ2)은 서로 같다고 볼 수 있고, 따라서 각각의 발광 마커(11, 12)의 게인 값은 동일하다고 가정할 수 있게 되는 것이다.
(4) 두 발광 마커(11, 12)의 위치(P1, P2) 사이의 거리(M)는 발광 마커의 설계시 결정되어 진다. 본 발명은, 한 쌍을 이루는 발광 마커 사이의 일정한 거리(M)를 기초로 하여 PSD 카메라(20)로부터 발광 마커(10)의 실제 위치를 산출하는 것이기 때문에, 상기 거리(M)는 최초 결정된 일정한 값을 유지하여야만 한다. 이를 위해서 두 발광 마커(10)는 일정 형태의 틀에 고정되어 설치될 수 있다.
PSD 카메라(20)는 도 4(a) 내지 4(b)를 참조하여 설명된다. 도면을 참조하면, PSD 카메라(20)는 외부의 광을 수집하여 PSD 센서의 측정면 상에 초점이 맺히도록 하는 광학계(22), 상기 광학계(22)에 의해 맺힌 상을 전기적인 신호로서 변환하여 출력하는 PSD 센서(24) 및 PSD 센서에서 감지하여 출력하는 신호를 처리하여 후술할 컴퓨터(30)로 출력하는 신호 처리부(26)를 포함하여 이루어진다.
광학계(22)는 수광량과 수광 각도 범위를 고려하여 복수의 렌즈를 포함하여 이루어진다. 이 렌즈의 내부에 850nm이상의 파장만 통과시키는 적외선 필터를 삽입하여 가시광선 영역의 광은 차단하고 발광 마커(10)의 펄스 점등에 의한 신호만을 캡쳐하도록 할 수도 있다.
본 발명에 따른 위치 측정 장치에 사용된 2차원 PSD 센서(24)는 HAMAMATSU사 의 Pin-cushion Type의 S5991-01을 사용하였다. Pin-cushion Type의 S5991-01은 상술한 PSD 센서의 원리에서와 같이 바이어스를 가할 수 있어 암 전류가 적고, 고속 응답 특성을 가지며, 신호의 왜곡이 적다는 장점이 있어, 다른 2차원 PSD 센서와 비교하였을 때 성능이 우수하다.
한편, PSD 센서(24)는 가시광선 영역으로부터 적외선 영역까지 감지 영역이 분포되어 있어, 본 위치 측정 장치에 사용되는 발광 마커(10)의 파장 외의 다른 파장의 광에 영향받을 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 상술한 바와 같이 광학계(22)의 렌즈 내부에 850nm의 적외선 필터를 내장할 수 있으며, 이에 의해 주변 환경으로부터의 850nm 이하의 파장을 갖는 가시광선은 차단된다.
광학계(22)에 의해서 PSD 센서(24)의 측정면 표면에 집광된 발광 마커(10)로부터의 광은 전기적 형태로 변화되어 아날로그 신호가 된다. 이러한 아날로그 신호를 컴퓨터(30)에서 처리할 수 있도록 하기 위해 적절히 디지털 신호로 바꾸어 주어야 하는데, 신호 처리부(26)가 이런 역할을 하고 있다. 신호 처리부(26)는 전류-전압 변환, 하이패스 필터링, 신호 증폭, 피크 디텍팅, 아날로그-디지털 변환(A/D Converting)의 다섯 가지 처리 동작을 이 순서에 따라 수행한다.
PSD의 신호는 수학식 1 및 2에서 언급한 바와 같이 전류를 가지고 계산하게 되어 있다. 하지만, 전류를 가지고 하이패스 필터링, 신호 증폭, 피크 디텍팅, A/D변환의 신호처리를 하기에는 어려움이 있기 때문에 전압으로 변환해 주어야 한다.
PSD 센서(24)를 이용한 위치 측정 장치는 주변광의 영향을 많이 받는다. 실 제로 PSD 센서(24)에서 출력되는 신호에는 발광 마커(10)의 광에 의한 신호뿐만 아니라 실내 조명과 같은 주변광에 의한 신호도 포함되어 있다. 따라서, 주변광을 차단하기 위한 하이패스 필터 회로를 추가 설치할 수 있다.
PSD에서의 신호에서 전류-전압 변환 및 하이패스 필터링 과정을 통해 발광 마커(10)에 의한 적외선 광만을 추출하였더라도, 신호의 크기는 매우 작아서 분석하기에 용이하지 않다. 따라서 반전 증폭 회로를 통해 적절한 크기로 신호를 변환한다. 일반적인 증폭 회로가 아닌 반전 증폭 회로를 사용하는 이유는 전류-전압 변환회로에 의해 신호가 변환되는 과정에서, 출력되는 전압이 반전되기 때문에, 이를 보상하기 위함이다.
증폭된 발광 마커(10)의 광에 의한 신호는 최대값을 가질 때 A/D 변환을 해야 일관성 있게 신호가 측정될 수 있으며, 정확한 측정이 가능하게 된다. 따라서 A/D변환에 앞서서 신호의 최대값을 감지하고 이를 홀드시키는 피크 디텍팅 처리를 수행한다.
마지막으로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정을 행하고, 이에 의해 생성된 디지털 신호를 USB 단자 등을 이용하여 컴퓨터(30)로 전송하게 된다.
컴퓨터(30)는 상기 PSD 카메라(20)로부터 전송되는 디지털 신호를 이용하여 PSD 카메라(20)로부터 발광 마커(10)의 실제 위치를 산출한다. 이때 사용하는 방법 및 수학식은 후술하기로 한다.
동기화 송신부(50)는 복수의 발광 마커(10)를 이용하는 경우, 각각의 발광 마커(10)들을 하나씩 순차적으로 발광시키기 위한 제어 신호를 생성하여 송신한다.
복수의 발광 마커(10)를 이용하는 경우, PSD 센서(24)에서는 한 번에 하나의 스폿만을 인식할 수 있기 때문에, 순차적 펄스 점등을 위한 발광 마커(10)의 동기화가 필요하다. 실제 각 발광 마커(10)의 모션 캡쳐가 이루어지기 전에 발광 마커(10)들을 동기화시키기 위해서 PSD 카메라(20)에서 동기화 신호를 모든 발광 마커(10)에 송신하게 된다. 각각의 발광 마커(10)는 이 동기화 신호를 수신하고 각 발광 마커(10)마다 이미 설정되어진 일정한 지연 시간 후에 펄스 점등하게 되고, PSD 카메라(20) 또한 연기자의 신체 각부에 부착된 각 발광 마커(10)의 위치를 순차적으로 파악할 수 있게 되는 것이다. 이러한 기능의 구현을 위해, 발광 마커(10)에는 동기화 신호를 수신하기 위한 동기화 신호 수신부 및 발광을 제어하는 발광 제어부가 구비될 수 있다(도시하지 않음).
물론, 상기의 동기화 송신부(50), 동기화 신호 수신부 및 발광 제어부는 필요에 따라 제거할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 위치 측정 장치가 상기 일정한 거리(M)를 유지하는 한 쌍의 발광 마커(10)의 실제 위치를 산출하는 방법 및 관계식을 도 5 및 6을 이용하여 설명한다. 도 5를 참조하면, 원점 O에 대해서 렌즈의 초점 거리(f) 만큼 떨어진 곳에 PSD 측정면이 위치한다. 또한, 원점에서 d1만큼 떨어진 발광 마커1(11)과 d2만큼 떨어진 곳에 발광 마커2(12)의 위치를 P1, P2라 하면 PSD 센서(24)의 측정면에 투영된 점은 P'1, P'2로 표시된다. xy평면에 놓인 PSD 측정면의 중심에 대해서 각 투영점 P'1, P'2이 X축과 이루는 각을 θ1, θ2로 표시하고, Z축과 이루는 각을 φ1, φ2로 표시하였다. 3차원 공간상에 위치하는 두 개의 이격된 발광 마커 P1, P2는 아래의 수학식 3 및 4와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 P1, P2 사이의 거리(M) 또한 수학식 5로 표현할 수 있다.
발광 마커1의 3차원 위치는 d1, θ1, φ1에 의해 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112007031961797-PAT00003
발광 마커2의 3차원 위치는 d2, θ2, φ2에 의해 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112007031961797-PAT00004
발광 마커1과 발광 마커2와의 벡터m의 각 성분과 거리(M)는 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112007031961797-PAT00005
PSD 상의 스폿광의 위치 및 렌즈와 PSD 사이의 거리(f)로부터 θ1, φ1, θ2, φ2의 값을 구할 수 있기 때문에, 수학식 3 및 4에서 d1, d2를 구할 수 있다면 발광 마커(10)의 위치 P1, P2를 구할 수 있게 된다. 한편, d1 과 d2 는 가정 (1)의 빛의 세기와 거리의 관계에 의해서 수학식 6을 통하여 구할 수 있다.
Figure 112007031961797-PAT00006
I1과 I2는 PSD에서 각각 발광 마커1과 발광 마커2의 광을 측정한 광량을 나타낸다. 그리고 게인 k1 과 k2 는 각 발광 마커(11, 12)의 광학적 특성이 서로 동일하다는 가정 (3)에 의해서 동일한 값을 갖는다. 따라서, k1 과 k2 를 모두 k로 표시한다(k= k1= k2). 오프셋 값 α1, α2 또한 같은 이유로 α로 표시한다(α= α1= α2).
이에 의해 발광 마커1(11)의 위치 P1은 수학식 7과 같이 나타내어진다.
Figure 112007031961797-PAT00007
벡터m에 대해 정리하면,
Figure 112007031961797-PAT00008
여기에서, 벡터m의 각 좌표 성분을 분리하여 정리하면 다음 수학식 9와 같이 표현된다.
Figure 112007031961797-PAT00009
여기에서,
Figure 112007031961797-PAT00010
이다.
도 6은, 벡터m을 3차원으로 표현한 도면으로서, 벡터m은 PSD 측정면에 점 P'1, P'2로 투영되며, 벡터m의 x, y성분이 이루는 각(my/mx)은 PSD 측정면에서의 점 P'1, P'2가 이루는 각(ψ)으로 근사화할 수 있다. 다음의 수학식 10과 같이 표현가능하다.
Figure 112007031961797-PAT00011
상기 수학식 10을 α에 관하여 정리하면, 다음의 수학식 11과 같다.
Figure 112007031961797-PAT00012
여기에서, E1 및 E2는 다음과 같이 정리된다.
Figure 112007031961797-PAT00013
Figure 112007031961797-PAT00014
여기에서, A=tanψ이다.
또한, 수학식 5 및 9를 이용하면,
Figure 112007031961797-PAT00015
이고, 이를 상수 k에 대해 정리하면, 다음의 수학식 13과 같이 된다.
Figure 112007031961797-PAT00016
수학식 9에서 Cx, Cy, Cz는 수학식 11에서의 α와 발광 마커1 및 2의 측정된 광량 I1 및 I2과, θ1, φ1, θ2, φ2의 관계식에 의해 결정될 수 있으며, 결과적으로 상기 발광 마커1 및 2의 실제 위치를 산출해낼 수 있게 된다. 즉, PSD에서 스폿광의 위치와 두 발광 마커1 및 2의 광량을 측정할 수 있다면, 수학식 13으로부터 게인 k를, 수학식 11로부터 오프셋 α를 구할 수 있고, 측정 광량 I1, I2와 k 및 α를 이용하여 수학식 6에 대입하여 발광 마커1 및 2의 각각에 대한 거리 d1, d2를 구할 수 있다.
그리고 거리 d1, d2를 수학식 3 및 4에 대입하면, 다음과 같은 수학식 14에 의해 각각의 발광 마커1 및 2의 실제적인 3차원 위치를 산출해 낼 수 있게 된다.
Figure 112007031961797-PAT00017
이러한 계산 절차를 도 7에서 블록으로 나타내었다.
다음으로는 상술한 바와 같은 장치를 이용하여, 발광 마커(10)의 위치를 측정하는 방법에 대하여, 도 8을 참조하여 설명한다.
우선, 컴퓨터(30)에서 위치 측정 개시 신호가 발생하면(S10), USB & Controller를 통해 동기화 신호 송신부에서 모든 발광 마커(10)에 동기화 신호를 예를 들면 적외선 통신 방식을 통해 전송한다(S20). 발광 마커(10)의 동기화 신호 수신부에서는 전송되는 동기화 신호를 수신한 후(S30), 동기화 신호 수신 시점을 기준으로 각각의 발광 마커(10)마다 미리 설정되어 있는 일정한 지연시간 후에 순차적으로 펄스 점등하게 된다(S40). PSD 카메라(20)에서는 각각의 발광 마커(10)의 펄스 점등에 의한 광을 광학계(22)에 의해 PSD 측정면에 집광한다. 집광된 광에 의해 PSD 센서에서 생성된 신호는 신호 처리부(26)에 의해 적절한 형태의 디지털 데이터로 변환되고, USB 컨트롤러에 의해 컴퓨터(30)로 전송되고, 컴퓨터(30)에서는 전송된 데이터를 이용하여 발광 마커(10)의 위치를 측정한다(S50)
PSD 센서(24)는 동시에 여러 스폿에 대한 위치 정보를 가져오지 못하기 때문에, 각 발광 마커(10) 마다의 위치 검출 시간을 시 분할하여 할당하여야 한다. 즉, 첫번째 발광 마커(11)가 동기화 신호를 받고나서 첫번째로 점등하게 되면 PSD 카메라(20)에서 그 신호를 캡쳐하여 처리하게 되고, 두번째 발광 마커(12)는 첫번째 발광 마커(11)의 신호 처리 시간을 고려한 지연시간 후에 점등하여 같은 방법으로 위치 검출이 이루어진다. 다음 발광 마커(10) 역시 같은 방식으로 처리되어 마지막 N개의 발광 마커(10)에 대한 위치 검출이 끝나는 시점이 모션 캡쳐의 한 사이클을 이루게 된다(S60).
상기한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 하나의 PSD를 이용한 저렴한 장치를 이용하면서도 발광 마커의 정확한 3차원 위치를 측정할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 미리 결정된 일정한 거리(M)를 유지하여 배치된 한 쌍의 발광 마커;
    측정면에서의 상기 발광 마커마다에서 발광하는 광에 의해 결상된 각각의 상에 대한 위치(P'1, P'2) 및 광량(I1, I2)을 나타내는 감지 신호를 출력하는 PSD 센서; 및
    상기 각각의 상에 대한 각각의 감지 신호 및 상기 거리(M)에 기초하여 상기 발광 마커마다의 실제 위치를 산출하는 컴퓨터;를 포함하는 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 쌍을 이루는 발광 마커는 서로 동일한 발광 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
  3. 미리 결정된 일정한 거리(M)를 유지하여 배치된 한 쌍의 발광 마커와, 상기 발광 마커의 광이 결상되는 PSD 센서와, 및 상기 결상된 상에 의하여 상기 발광 마커마다의 실제 위치를 산출하는 컴퓨터를 포함하여 이루어지는 위치 측정 장치에 있어서,
    i) 상기 한 쌍의 발광 마커가, 각각 광을 발광하는 단계;
    ii) 상기 광이 상기 PSD 센서에 결상된 상의 위치(P'1, P'2) 및 상기 상의 광량(I1, I2)을 나타내는 감지 신호를 출력하는 단계;
    iii) 상기 감지 신호 및 상기 거리(M)를 이용하여 상기 발광 마커 각각의 실제 위치(P1, P2)를 산출하는 단계;를 포함하는 위치 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발광 마커 각각의 실제 위치(P1, P2)를 산출하는 단계는, 아래의 수학식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
    Figure 112007031961797-PAT00018
    여기에서,
    I1, I2는 발광 마커1과 발광 마커2의 실제 발광하는 광량,
    k는 각각의 발광 마커의 게인,
    α는 각각의 발광 마커의 오프셋,
    d1, d2는 원점으로부터 각각의 발광마커까지의 실제 거리,
    θ1, θ2는 xy평면에 놓인 PSD 측정면의 중심에 대해서 각 투영점 P'1, P'2이 X축과 이루는 각,
    φ1, φ2는 xy평면에 놓인 PSD 측정면의 중심에 대해서 각 투영점 P'1, P'2이 Z축과 이루는 각,
    SC1는 sinθ1cosφ1,
    SS1는 sinθ1sinφ1,
    C1는 cosθ1,
    SC2는 sinθ2cosφ2,
    SS2는 sinθ2sinφ2,
    C2는 cosθ2.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 d1 및 d2는 각각 다음의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
    Figure 112007031961797-PAT00019
  6. 제4항에 있어서,
    상기 k 는 다음의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
    Figure 112007031961797-PAT00020
    여기에서,
    M은 발광 마커1과 발광 마커2를 연결하는 벡터 m의 길이,
    Figure 112007031961797-PAT00021
    .
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