KR20100018800A - 물체의 반사율을 측정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

물체의 반사율을 측정하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

물체의 반사율을 측정하는 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 물체의 반사율 측정 시스템은 상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 포함하는 광원부; 상기 광원부의 위치와 방향을 조절하는 광원 위치 조절부; 상기 물체로부터 반사된 빛을 감지하여 이미지 데이터를 획득하는 비디오 센서; 및 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 반사율 획득부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면 물체의 반사율을 보다 빠른 시간에 보다 정밀하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
실감 이미지, 반사율, BRDF

Description

물체의 반사율을 측정하는 시스템 및 방법{System and method for measuring reflectance of an object}
본 발명은 컴퓨터 그래픽스에 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 물체의 실감 이미지를 모델링하기 위하여 물체의 반사율을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
물체의 실감 이미지를 모델링하고자 할 때 광원으로부터 나온 빛의 입사각과 반사각을 이용하여 표면의 특성을 나타내는 함수를 양방향 반사분포함수(BRDF: Bi-directional Reflectance Distribution Function)라 한다. 이 BRDF는 입사되는 에너지량(energy flux)과 물체의 표면에서 반사되는 빛의 양(radiance)의 비로서 정의된다.
물체의 반사율 정보는 흔히 양방향 반사분포함수(BRDF)로 나타내며, 물체의 반사율에 의해 광원에 대한 물체의 반사 에너지를 계산함으로써 물체에 대한 이미지를 시뮬레이션할 수 있다. 즉, 광원이 있는 곳에서 사진이나 사람에 의해 보여지는 흔히 주변에 존재하는 물체의 이미지를 시뮬레이션할 수 있다.
통상 물체의 반사율(BRDF)을 측정하기 위해서는 물체에 영향을 줄 수 있는 모든 위치에 광원을 배치하고, 각각의 위치에서 물체의 반사 에너지를 측정한다. 물체의 반사율은 모든 방향으로 입사하는 광원에 대한 모든 반사 에너지를 측정하여 계산된 결과를 극좌표계(또는 구면 좌표계)에서 예를 들어 다음 수학식과 같이 표현되는 4차원 함수로 표현할 수 있다.
Figure 112008056780840-PAT00001
통상적인 BRDF 측정 시스템은 2개의 입사 각도와 반사 각도로 이루어진 4 자유도 시스템으로 구성된다. 그러나 이러한 시스템은 모든 방향각에 대한 정보를 얻기 위하여 수 시간에서 또는 수십 시간의 과도한 측정 시간과 대용량 측정 데이터로 인해 많은 비용이 드는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 물체의 반사율을 보다 빠른 시간에 보다 정밀하게 획득할 수 있는 물체의 반사율 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 물체의 반사율을 측정하는 시스템은, 상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 포함하는 광원부; 상기 광원부의 위치와 방향을 조절하는 광원 위치 조절부; 상기 물체로부터 반사된 빛을 감지 하여 이미지 데이터를 획득하는 비디오 센서; 및 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 반사율 획득부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반사율 획득부는 미리 얻어진 상기 비디오 센서와 상기 비디오 센서의 위치에서의 분광방사휘도계 간의 상관관계를 이용하여 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 것이 바람직하다.
이때 상기 상관관계는, 상기 물체의 위치에 컬러패치를 세팅하고 상기 비디오 센서에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하고 상기 분광방사휘도계에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득한 후 상기 획득된 인식값들을 비교함으로써 얻어질 수 있다.
그리고 상기 물체는 구형이며 등방성 성질을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원 위치 조절부는 상기 광원부의 위치를 연속적으로 이동시키고 상기 비디오 센서는 상기 광원부의 위치가 연속적으로 변화하는 동안에 소정 간격으로 상기 이미지 데이터를 획득하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원으로부터 상기 물체에 조사되는 빛은 일정 영역에서 균일하고 평행성을 가지는 것이 바람직하며, 상기 광원부는 상기 광원으로부터 상기 물체의 반대측에 마련되는 반사경과, 상기 광원으로부터 상기 물체 측에 마련되는 디퓨져, 제1 렌즈, 조리개, 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 물체의 반사율을 측정하는 방법은 동일한 위치에서의 비디오 센서와 분광방사휘도계 간의 상관관계를 얻는 단계; 상기 물체에 빛을 조사하는 단계; 상기 물체로부터 반사된 빛을 상기 비 디오 센서를 이용하여 감지하여 이미지 데이터를 획득하는 단계; 상기 상관관계를 이용하여 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상관관계를 얻는 단계는, 상기 광원의 위치에 컬러패치를 세팅하는 단계; 상기 비디오 센서에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하는 단계; 상기 분광방사휘도계에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 인식값들을 비교하여 상기 상관관계를 구하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이미지 데이터를 획득하는 단계는, 상기 빛을 조사하는 광원의 위치를 연속적으로 이동시키면서 소정 간격으로 상기 이미지 데이터를 획득하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 의하면, 물체의 반사율을 보다 빠른 시간에 보다 정밀하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물체의 반사율을 측정하는 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반사율 측정 시스템은 반사율 측정의 대상이 되는 물체(10), 물체(10)에 빛을 조사하는 광원(21)을 포함하는 광원부(20), 물체(10)로부터 반사된 빛을 감지하여 이미지 데이터를 획득하는 비디오 센서(30), 광원부(20)의 위치와 방향을 조절하는 광원 위치 조절부(40), 비디오 센서(30)에서 획득된 이미지 데이터를 이용하여 물체(10)의 반사율을 구하는 반사율 획득부(50) 등을 포함하여 이루어진다. 그리고 도시되지는 않았으나 본 실시예에 따른 반사율 측정 시스템은 물체(10)의 위치를 조절하는 물체 위치 조절부를 더 포함할 수도 있다.
물체(10)는 구형이며 등방성 성질을 가지며, 광원부(20)는 광원(21)으로부터의 빛을 균일하고 직진성을 가지는 빛으로 변화시켜 물체(10)에 조사한다. 광원 위치 조절부(40)는 물체(10)를 중심으로 광원부(21)를 회전시켜 그 위치와 방향을 조절한다. 광원 위치 조절부(40)는 광원부(21)의 위치를 정지시키지 않고 연속적으로 이동시키며 비디오 센서(30)는 광원부(21)의 위치가 연속적으로 변화하는 동안에 소정 간격으로 이미지 데이터를 획득한다. 비디오 센서(30)는 일반적인 CCD 센서보다 넓은 영역에서 빛을 감지하여 이미지 데이터를 획득할 수 있으므로 광원(21)을 매번 정지시키지 않고서도 반사율을 획득할 수 있게 된다. 또한, 비디오 센서(30)가 이미지 데이터를 획득하는 간격을 조밀하게 함으로써 정밀한 BRDF를 획득할 수 있다. 비디오 센서(30)로는 예를 들어 HDR(High Dynamic Range) 카메라가 채용될 수 있으며, 비디오 센서(30)의 앞에 고배율 렌즈를 설치함으로써 분해능을 높여 보다 정확한 측정값을 얻도록 할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따라 측정되는 물체의 반사율에 관한 반사 관계를 표현하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 광원(21)으로부터 조사된 빛이 피측정 물체(10)에 반사되어 비디오 센서(30)에 의해 감지되는데, 물체(10)는 등방성 성질을 가지므로 빛의 방향에 관계없이 물체(10) 표면 위의 한 점의 법선 벡터를 기준으로 입사면과 반사면을 함께 회전시켜도 반사 특성이 변하지 않으므로 반사율은 등방성 BRDF로 표현될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 법선 벡터(Z)를 중심으로 물체를 회전시켜도 반사 특성이 변하지 않으므로, 반사율은 다음 수학식과 같이 입사되는 빛의 에너지(Ei)와 반사되는 빛의 에너지(Lr)의 비율로 기술되는 3차원 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112008056780840-PAT00002
여기서, θi는 입사되는 빛의 법선 벡터에 대한 수직각이며 θr는 반사되는 빛의 법선 벡터에 대한 수직각이고, Φdiff는 입사되는 빛 및 반사되는 빛의 접평면으로의 투영각의 차이이다. 일반적으로 3차원의 등방성 BRDF를 측정하기 위해서는 3 자유도의 측정 시스템이 요구되나 본 실시예와 같이 물체(10)가 구형인 경우 1 자유도의 측정 시스템으로 단순화될 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이 물체(10)를 중심으로 광원부(21)를 회전시키기만 해도 고정된 비디오 센서(30)를 이용하여 BRDF를 획득할 수 있는 것이다.
도 3은 광원부(20)의 구체적인 일 실시예를 나타낸다. 반사율을 정확하고 조밀하게 측정하기 위해서는 광이 일정 영역 내에서 균일해야 하며 시간에 따라 광 특성이 변하지 않는 것이 바람직하다. 그리고 본 실시예에 의하면 비디오 센서(30)를 이용하여 넓은 영역의 빛을 감지하므로 빛이 일정 영역에서 평행하게 조사되어야 한다. 그리고 조사되는 빛은 밝고 가시광선 영역인 300nm에서 800nm 정도의 파장을 가지는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광원부(20)는 광원(21)으로부터 물체(10)의 반대측에 광원 (21)에서 발생되는 열을 식혀 주는 냉각부(22)가 마련된다. 냉각부(22)로는 예컨대 도시된 바와 같이 팬(fan)이 채용될 수 있다. 그리고 광원(21)으로부터 물체(10)의 반대측에 반사경(21)을 마련하여 빛의 효율을 높인다. 또한, 광원(21)으로부터 물체(10) 측에는, 원하지 않는 빛을 제거하기 위한 디퓨저(23)(diffuser), 빛을 모아서 점광원을 만들기 위한 제1 렌즈(24)(예컨대, 비구면 렌즈), 노이즈로 작용하는 빛을 차단시키기 위한 조리개(25), 빛을 평행광으 로 만들기 위한 제2 렌즈(26)(예컨대, 카메라 렌즈), 색온도, 광량 등과 같은 광특성을 바꾸기 위한 필터(예컨대, 색온도 필터 또는 ND 필터 등)가 마련된다.
이러한 광원부(20)의 구성에 의하면 일정 영역에서 시간에 따라 광특성이 변하지 않고 균일하며 평행성을 가지는 빛을 발생시킬 수 있다.
비디오 센서(50)에서 획득된 이미지 데이터로부터 물체(10)의 반사율을 얻기 위해서는 비디오 센서(50)의 캘리브레이션(calibration)이 요구된다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 비디오 센서(50)의 캘리브레이션을 수행하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
우선 광원(21)을 특정 위치에 위치시키고 물체(10)의 위치에 물체(10) 대신에 소정의 컬러 패턴을 가지는 컬러패치를 세팅한다(410단계).
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 120단계에서 비디오 센서(30)를 이용하여 컬러 패치로부터 반사되는 빛을 감지하여 인식값을 획득하고(420단계), 비디오 센서(30)의 위치에 비디오 센서(30) 대신 분광방사휘도계(60)를 설치하고, 분광방사휘도계(60)를 이용하여 컬러 패치로부터 반사되는 빛을 감지하여 인식값을 획득한다(430단계).
다음으로 비디오 센서(30)에서 획득된 인식값과 분광방사휘도계(60)에서 획득된 인식값을 비교하여 비디오 센서(30)와 분광방사휘도계(60)의 상관관계를 구한다(440단계). 본 440단계를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
비디오 센서(30)에서는 R,G,B 채널 별로 각 픽셀의 값이 얻어지고 분광방사휘도계(60)에서는 빛의 스펙트럼 분포가 얻어지게 된다. 빛의 스펙트럼 분포는 잘 알려진 컬러 변환 공식을 이용하여 삼자극치(tristimulus) 값인 CIE XYZ 값으로 변환하고, 이 CIE XYZ 값을 잘 알려진 컬러 변환 공식을 이용하여 R,G,B 값으로 변환한다. 그러면 최종적으로 비디오 센서(30)로부터 컬러 패치의 각 포인트마다 R,G,B 각 채널에 대하여 BRDF를 구할 수 있고 분광방사휘도계(60)로부터 각 포인트마다 R,G,B 각 채널의 값을 얻을 수 있다. 보다 정확한 상관관계를 얻기 위하여 여러 번 측정한 후, 예를 들어 최소 자승 피팅(least square fitting) 기법을 이용, 두 값을 비교하여 비디오 센서(30)와 분광방사휘도계(60)의 상관관계를 얻는다.
도 6은 비디오 센서(30)와 분광방사휘도계(60)가 피팅된 결과의 예를 나타내는 그래프이다. 각 컬러 채널은 동일하지 않으므로 비디오 센서(30)의 절대 캘리브레이션(absolute calibration)은 R,G,B 채널에 대하여 별도로 결정된다. 분광방사휘도계(60)는 각 샘플의 휘도(Y)와 색도(x,y)를 제공하고, 이 값들은 삼자극치(tristimulus) 값인 CIE XYZ로 변환된다. 이 XYZ 값들은 sRGB 변환 행렬을 사용하여 RGB 절대값들로 변환될 수 있다. 그러면 비디오 센서(50)의 출력값들은 휘도와 색도 값들로 피팅될 수 있다. 예컨대 도시된 바와 같이 각 R,G,B 채널에 대하여 최소 자승 피팅(least square fitting) 기법을 이용하여 대수(logarithmic) 함수 y i =a＊log 10 (x i )+b의 파라미터 a, b를 결정한다. 도시된 바와 같이 이러한 세 대수 함수를 이용하여 R,G,B 각 채널에 대한 절대 응답 커브가 결정될 수 있다.
비디오 센서(50)는 물체(10)로부터 반사된 빛을 감지하여 획득된 이미지 데이터를 가지고 상기와 같이 얻어진 비디오 센서(50)와 분광방사휘도계(60) 간의 상 관관계를 이용하여 BRDF를 구한다. 비디오 센서(50)로부터 획득된 이미지 데이터로부터 R,G,B 각 채널 별로 픽셀 값이 얻어지고, 이 픽셀 값들로부터 비디오 센서(50)와 분광방사휘도계(60) 간의 상관관계로부터 나오는 관계식을 이용하여 R,G,B 각 채널 별로 BRDF 값을 구할 수 있다. 도 7은 이미지 데이터로부터 BRDF가 얻어지는 모습을 설명하기 위한 참고도이다. 도 7을 참조하면, 각 픽셀 하나하나가 각 각도에서의 BRDF를 나타내게 된다. 예컨대 어떤 픽셀에 대하여 비디오 센서(50)로부터 나온 값이 (1: 2000, 1876, 2530)이라면, 그 값으로부터 상기된 상관관계를 통해 얻어진 함수를 이용하여 변환된 값이 (2: 198, 174, 254)가 된다. 변환된 값은 단위가 cd/m2으로서 절대적 값이다. 즉, 비디오 센서(50)로부터 획득된 이미지 데이터는 각 픽셀마다 픽셀 값을 가지고 있고 각 픽셀 값은 상기된 상관관계를 통해 얻어진 함수를 이용하여 절대적 값으로 변환되는 것이다. 본 실시예에 의하면 비디오 센서(50)와 분광방사휘도계(60) 간의 상관관계를 이용하기 때문에 이와 같이 절대적인 BRDF 값을 구할 수 있게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으 로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물체의 반사율을 측정하는 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시예의 일 실시예에 따라 측정되는 물체의 반사율에 관한 반사 관계를 표현하는 도면이다.
도 3은 광원부(20)의 구체적인 일 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 비디오 센서(50)의 캘리브레이션을 수행하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비디오 센서(50)의 캘리브레이션을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 비디오 센서(30)와 분광방사휘도계(60)가 피팅된 결과의 예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 이미지 데이터로부터 BRDF가 얻어지는 모습을 설명하기 위한 참고도이다.

Claims (11)

  1. 물체의 반사율을 측정하는 시스템에 있어서,
    상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 포함하는 광원부;
    상기 광원부의 위치와 방향을 조절하는 광원 위치 조절부;
    상기 물체로부터 반사된 빛을 감지하여 이미지 데이터를 획득하는 비디오 센서; 및
    상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 반사율 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 획득부는 미리 얻어진 상기 비디오 센서와 상기 비디오 센서의 위치에서의 분광방사휘도계 간의 상관관계를 이용하여 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상관관계는,
    상기 물체의 위치에 컬러패치를 세팅하고 상기 비디오 센서에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하고 상기 분광방사휘도계에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득한 후 상기 획득된 인식값들을 비교함으로써 얻는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물체는 구형이며 등방성 성질을 갖는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원 위치 조절부는 상기 광원부의 위치를 연속적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비디오 센서는 상기 광원부의 위치가 연속적으로 변화하는 동안에 소정 간격으로 상기 이미지 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 물체에 조사되는 빛은 일정 영역에서 균일하고 평행성을 가지는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 광원으로부터 상기 물체의 반대측에 마련되는 반사경과, 상기 광원으로부터 상기 물체 측에 마련되는 디퓨져, 제1 렌즈, 조리개, 제2 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
  9. 물체의 반사율을 측정하는 방법에 있어서,
    동일한 위치에서의 비디오 센서와 분광방사휘도계 간의 상관관계를 얻는 단계;
    상기 물체에 빛을 조사하는 단계;
    상기 물체로부터 반사된 빛을 상기 비디오 센서를 이용하여 감지하여 이미지 데이터를 획득하는 단계;
    상기 상관관계를 이용하여 상기 이미지 데이터로부터 상기 물체의 반사율을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상관관계를 얻는 단계는,
    상기 광원의 위치에 컬러패치를 세팅하는 단계;
    상기 비디오 센서에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하는 단계;
    상기 분광방사휘도계에서 상기 컬러패치로부터 반사된 빛을 감지하여 인식값을 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 인식값들을 비교하여 상기 상관관계를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 이미지 데이터를 획득하는 단계는, 상기 빛을 조사하는 광원의 위치를 연속적으로 이동시키면서 소정 간격으로 상기 이미지 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정 시스템.
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