KR20100104328A

KR20100104328A - 3차원 입체영상 시청에서 유발되는 3차원 깊이 및 모양 지각 왜곡을 측정할 수 있는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100104328A
Application number: KR1020090022665A
Authority: KR
Inventors: 이형철; 김용석; 서준호
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-29

Abstract

3차원 디스플레이에 입체영상으로 제시되는 대상을 지각할 때 시청자가 경험하는 대상의 깊이감/모양감 지각왜곡을 정량적으로 측정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것으로서, (a) 3D 깊이감/모양감 왜곡 측정에 사용될 3차원 모형의 수리적 함수를 결정하는 단계; (b) 깊이감/모양감 왜곡측정에 사용될 표준 RDS 자극과 표준 RDS 주변자극을 구성하는 단계; (c) N명 피험자를 대상으로 표준자극에 대한 탐지 훈련 단계; (d) 표준자극 탐지 정답률에 기초하여 훈련 타당성 및 깊이감/모양감 보고의 타당성을 평가하는 단계; (e) 표준자극 포함 깊이감/모양감 왜곡측정용 RDS 자극을 재구성하는 단계; (f) 제시된 자극의 수리적 모형에 따라 깊이감/모양감에 대한 이상적 측정치를 결정하는 단계; (g) N명 피험자를 대상으로 시청환경 파라미터 변화에 따른 깊이감/모양감 왜곡을 측정하는 단계; (h) 이상적 측정치 대비 실제 깊이감/모양감 보고치 비율(깊이감/모양감 왜곡)을 계산하여 깊이감/모양감 왜곡 정도를 결정하는 단계로 구성되는 절차를 마련한다.

상기와 같은 깊이감/모양감 지각왜곡을 측정하는 방법 및 장치를 이용하는 것에 의해, 수리적 모형에 의해 구현된 대상의 이상적인 깊이감/모양감에 비해 실제 경험되는 대상의 깊이감/모양감이 어느 정도 왜곡되어 지각되는지를 계산함으로써 평가되는 3D 디스플레이와 컨텐츠가 얼마나 실감있게 실제대상을 시청자에게 적절하게 전달하는지를 평가할 수 있다.

3차원, 디스플레이, 깊이감, 모양감, 지각왜곡, 측정

Description

3차원 입체영상 시청에서 유발되는 3차원 깊이 및 모양 지각 왜곡을 측정할 수 있는 방법 및 장치 {A system and method measuring perceptual distortion of 3D depth and shape induced by watching 3D images}

본 발명은 특정 깊이와 모양을 갖는 대상이 3차원 디스플레이를 통하여 제시될 때 시청환경, 특히 관찰거리와 관찰방위에 따라서 사용자에게 발생하는 것으로 알려진 깊이감/모양감 왜곡을 정량적으로 측정할 수 있는 측정 장치 및 방법에 관한 기술분야에 속한다.

3D 디스플레이는 인간의 두 눈이 약 6.5cm 떨어져 있음으로써 발생하는 이미지 위상의 차이, 즉 양안시차를 시청자에게 전달하여 실감 있게 3차원 영상을 감상하도록 하는 장치이다. 3차원 영상을 시청자에게 전달하는 것을 목적으로 하는 3D 디스플레이는 자연환경에서 접하는 3D 경험과 구별할 수 없을 정도로 실감 있는 3D 경험을 시청자에게 전달하여야 한다. 아쉽게도 현재의 3D 방송기술은 자연환경에서 인간이 접하는 3D 대상과 3D 디스플레이를 통하여 간접적으로 접하는 3D 대상에 대한 지각에서 뚜렷한 차이를 유발한다. 가장 큰 차이는, 실제 자연 3D 환경에서 접하는 3D 대상은 관찰거리, 관찰시점, 관찰환경에 관계없이 동일한 3D 깊이와 3D 모 양을 갖는 것으로 지각되는데 반하여 3D 디스플레이를 통하여 지각되는 3D 대상은 관찰거리, 관찰시점 및 관찰환경에 따라서 3D 깊이감과 3D 모양감이 체계적으로 왜곡되어 지각된다는 점이다. 3D 디스플레이가 제공하는 3차원 영상이 실제 자연환경에서 접하는 실감 있는 3차원 경험을 하도록 구현하기 위해서는 현재의 3D 디스플레이가 유발하는 3D 깊이와 모양 지각의 왜곡이 객관적이고도 안정성 있게 수량화되어 측정되어야 한다. 현재까지 깊이감 왜곡이 발생할 수 있다는 인식이 있기는 하였으나 깊이감 지각 왜곡을 체계적이고도 정량적으로 측정하는 방법은 제안되지 않았다.

3차원 영상을 촬영할 때 또는 3차원 애니메이션을 구현할 때 촬영방법 및 카메라 관련 파라미터의 설정에 따라서 영상자체가 체계적으로 왜곡될 수 있다는 분석은 존재한다. [문헌 1]은 입체 카메라 시스템과 디스플레이 시스템에서 화면시차 또는 궁극적으로 입체 영상에 영향을 미치는 관련 파라미터와 투사법을 기술하고 각 파라미터에 따라서 대상간의 깊이(object distance)에 비해 이에 대응하는 영상에서의 거리(image distance)가 어떻게 체계적으로 왜곡되는지, 그리고 실제 대상에서의 평행한 면이 어떻게 이미지 상에서 곡률형태로 왜곡되는지를 보여 주었다. [문헌 1]에서 분석된 바와 같이 양안시차 자체가 관련 파라미터에 따라서 왜곡된다하더라도, 이것이 깊이감의 왜곡으로 이어진다고 결론내리기는 어렵다. 왜냐하면, 실제 자연환경에 존재하는 대상과 관찰자의 거리, 즉 관찰거리가 증가함에 따라서 동일대상에 대한 양안시차는 관찰거리 제곱에 반비례하지만, [문헌 2]와 [문헌 3]에서 확인할 수 있듯이 동일상황에서의 관찰자의 깊이감 경험은 일정하게 유지되는 “깊이항상성”이 발견되기 때문이다. [문헌 4]와 [문헌 5]는 어떻게 깊이항상성이 유지되는지에 대하여 경험적인 데이터를 바탕으로 깊이항상성 이론을 구축하였다.

[문헌 1]Woods, A., Dochetry, T. & Koch, R., Image distortions in stereoscopic video systems, Proceedings of SPIE Vol.1915, pp.36~48, 1993

[문헌 2]Todd, J. T. & Norman, J. F., Distortions of perceived 3-D structure in natural vision, Annual meeting of the Psychonomic Society, November, 1995

[문헌 3]Jain,, R. A., Tsina, L. & Durgin, F. H., Stereoscopic 3-D shape constancy with real objects in the real world: effects of contextual disparity contrast, Investigative Ophthalmology and Visual Science, Vol.38, S904, 1997

[문헌 4]Johnston, E. B., Systematic distortions of shape from stereopsis, Vision Research, Vol.31, pp.1351~1360, 1991

[문헌 5]Rogers, B. J. & Cagenello, R. B., Disparity curvature and the perception of three-dimensional surfaces, Nature, Vol.339, pp.135~137, 1989

3D 깊이가 관찰자로부터 전면으로 평행한 하나의 축을 전제로 측정되는 것이라면 3D 모양은 관찰자로부터 전면으로 평행한 깊이축과 함께 관찰자의 전면과 직교하는 축인 폭축을 동시에 고려한 표면 곡률로 측정된다. 따라서, 3D 디스플레이를 통하여 입체영상을 시청할 때 관찰거리, 관찰방위에 따라서 3D 깊이감과 모양감이 왜곡되는데 이를 체계적이고 정량적으로 측정할 수 있는 방법 및 장치가 필요하 다.

본 발명의 목적은 자연 상황에서는 유발되지 않는 3D 깊이감/모양감 왜곡을 유발하는 3D 디스플레이의 깊이/모양 지각의 왜곡을 측정하는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 3D 디스플레이를 시청하는 동안에 제시되는 자극에 대한 깊이감과 모양감의 왜곡정도를 측정하는 방법에 관한 것으로서, (a) 3D 깊이감/모양감 왜곡 측정에 사용될 3차원 모형의 수리적 함수를 결정하는 단계, (b) 깊이감/모양감 왜곡측정에 사용될 표준 RDS 자극과 표준 RDS 주변자극을 구성하는 단계, (c) N명 피험자를 대상으로 표준자극에 대한 탐지 훈련 단계, (d) 표준자극 탐지 정답률에 기초하여 훈련 타당성 및 깊이감/모양감 보고의 타당성을 평가하는 단계, (e) 표준자극 포함 깊이감/모양감 왜곡측정용 RDS 자극을 재구성하는 단계, (f) 제시된 자극의 수리적 모형에 따라 깊이감/모양감에 대한 이상적 측정치를 결정하는 단계, (g) N명 피험자를 대상으로 시청환경 파라미터 변화에 따른 깊이감/모양감 왜곡을 측정하는 단계, (h) 이상적 측정치 대비 실제 깊이감/모양감 보고치 비율(깊이감/모양감 왜곡)을 계산하여 깊이감/모양감 왜곡 정도를 결정하는 단계를 포함한다.

또, 본 발명에서 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정 방법을 개발함에 있어서 깊이/모양 지각 왜곡 측정장치는 깊이감/모양감 측정을 위해 시청자에게 제시될 훈 련자극을 생성하는 자극생성부, 제시되는 입체영상 훈련 자극에 대한 깊이감/모양감 정도를 수치적으로 입력하는 입력부, 훈련자극 제시부, 제시된 자극의 깊이감/모양감을 평가하는 피험자의 보고능력 안정성을 평가하는 훈련평가부, 깊이감/모양감 왜곡 측정을 위해 제시될 자극을 생성하는 왜곡측정 자극 생성부, 왜곡측정 자극에 대한 반응입력부, 왜곡측정용 자극 제시부, 왜곡 판별부, 시청자의 안정적인 깊이감/모양감 보고를 위한 훈련용 자극 RDS DB와 깊이감/모양감 왜곡 측정용 자극 RDS DB를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 깊이감/모양감 왜곡 측정 방법 및 장치에 의하면, 3차원 디스플레이 시청시에 시청자가 관찰거리, 관찰방향등을 바꿀 때 나타나는 깊이감/모양감 지각의 왜곡을 타당하고도 신뢰성있게 측정하는 것이 가능하도록 한다.

이하, 3D 디스플레이를 통하여 제시되는 영상을 시청할 때에 나타나는 3D 깊이 지각왜곡과 모양지각 왜곡을 측정하는 시스템과 방법에 관한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 3차원 깊이 및 모양 지각 왜곡을 측정하기 위해서 도 1과 같이 전체 시스템을 구성한다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 깊이 및 모양 지각 왜곡 측정장치(30)는 입력장치(40)와 데이터베이스(50)를 구비한다. 상기 피험자(11)들은 3D 디스플레이(20)에 제시되는 수학적인 모형을 통하여 구현된 3차원 도형을 모사한 입체영상을 시청하면서 입력장치를 통하여 피험자 본인이 지각한 깊이감 또는 모양감을 수치로 입력하고 입력된 수치는 데이터 베이스에이미 구비되어 있는 제시된 3차원 모형의 이상적인 깊이 및 모양과 비교되어 지각된 깊이와 모양이 얼마나 왜곡되었는지를 결정하는데 이용된다.

상기 3D 디스플레이는 입체영상 등 3차원 콘텐츠를 보여 주는 장치로서 상기 3차원 깊이 및 모양 지각 왜곡 측정장치에서 모사한 표준자극과 주변자극 및 측정용 자극을 제시하는데 이용되며 구체적인 표준자극/측정자극의 특성은 시각피로 측정장치에 의해 변경될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 깊이 및 모양 지각의 왜곡 측정방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 깊이/모양지각 왜곡을 정량적으로 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 3차원 깊이 및 모양 지각의 왜곡을 측정하는 방법은, (a) 3D 깊이감/모양감 왜곡 측정에 사용될 3차원 모형의 수리적 함수를 결정하는 단계(S110); (b) 깊이감/모양감 왜곡측정에 사용될 표준 RDS 자극과 표준 RDS 주변자극을 구성하는 단계(S120); (c) N명 피험자를 대상으로 표준자극에 대한 탐지 훈련 단계(S130); (d) 표준자극 탐지 정답률에 기초하여 훈련 타당성 및 깊이감/모양감 보고의 타당성을 평가하는 단계(S140); (e) 표준자극 포함 깊이감/ 모양감 왜곡측정용 RDS 자극을 재구성하는 단계(S150); (f) 제시된 자극의 수리적 모형에 따라 깊이감/모양감에 대한 이상적 측정치를 결정하는 단계(S160); (g) N명 피험자를 대상으로 시청환경 파라미터 변화에 따른 깊이감/모양감 왜곡을 측정하는 단계(S170); (h) 이상적 측정치 대비 실제 깊이감/모양감 보고치 비율(깊이감/모양감 왜곡)을 계산하여 깊이감/모양감 왜곡 정도를 결정하는 단계(S180)로 나뉜다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정 장치의 구성에 대한 블록도인데, 깊이/모양 지각 왜곡 측정 장치는 깊이감/모양감 측정을 위해 시청자에게 제시될 훈련자극을 생성하는 자극생성부(31), 제시되는 입체영상 훈련 자극에 대한 깊이감/모양감 정도를 수치적으로 입력하는 입력부(32), 훈련자극 제시부(33), 제시된 자극의 깊이감/모양감을 평가하는 피험자의 보고능력 안정성을 평가하는 훈련평가부(34), 깊이감/모양감 왜곡 측정을 위해 제시될 자극을 생성하는 왜곡측정 자극 생성부(35), 왜곡측정 자극에 대한 반응입력부(36), 왜곡측정용 자극 제시부(37), 왜곡 판별부(38), 시청자의 안정적인 깊이감/모양감 보고를 위한 훈련용 자극 RDS DB(51)와 깊이감/모양감 왜곡 측정용 자극 RDS DB(52)를 포함한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정 장치에 있어서 자극구성에 사용된 3D 모형(반타원기둥체)의 반지름(r)과 모양계수(s)의 구체적인 예인데, 본 발명에서 왜곡측정에 이용하는 기본적인 방법은 강도 추정법으로써, 표준자극(그림에서 s4)에 대한 강도를 “20”으로 예시하고 지각되는 자극의 깊이감/모양감을 표준자극의 깊이감/모양감에 비교하여 그 지각되는 정도를 표준자 극 강도“20”에 비례하여 보고하도록 한다. 도 4는 표준자극의 반지름과 모양계수와 실제 왜곡측정에 사용될 자극의 반지름과 모양계수를 포함하는데, 실제 왜곡 측정 전에 표준자극을 얼마나 잘 인식하고 그에 비례하여 지각된 강도를 적절하게 표현하는지 훈련시키기 위하여 도 4에 제시된 예시와 별도의 훈련용 자극을 구성한다.

도 5는 실제 왜곡 측정에 사용된 자극 중 표준자극에 해당하는 자극의 RDS 버전이다. 표준자극 및 실험에 사용된 자극의 깊이감/모양감은 관찰거리 및 자극의 실제크기에 따라 변화한다. 중요한 것은, 인간시각시스템이 이용하는 깊이 정보 중 단안정보를 제외하고 양안시차에 의한 깊이정보만이 깊이감/모양감 평가에 이용되도록 하기 위하여 무선점입체그림(RDS, Random Dot Stereogram)을 구현한다는 점이다.

도 6은 훈련을 충분히 거친 후 실제 도 5에 예시된 반지름과 모양계수를 50cm 관찰거리를 전제로 모사한 자극을 관찰거리 50cm, 90cm, 130cm에서 피험자 10명이 관찰하였을 때의 지각된 깊이감이다. 도 6에서 굵은 실선은 시청자들이 왜곡이 없이 제시된 자극의 깊이감을 지각하였을 때 나타날 수 있는 이상적인 지각감을 나타낸다. 도 6에서 알 수 있듯이 50cm(실제 제시된 자극 모사에서 전제로 한 관찰거리)에서 이상적인 깊이지각감과 가장 일치하고 관찰거리가 증가할수록 깊이지각도 왜곡되게 과장되는 것을 확인할 수 있다. 이때 이상적인 깊이감과 실제 보고된 깊이감의 비율로 깊이감의 왜곡정도를 산출하는 것이 가능하다.

본 발명은 3D 깊이와 모양 지각 왜곡을 유발하는 3D 디스플레이가 어느 정도의 깊이지각 왜곡과 모양지각 왜곡을 유발하는지 측정하는 것을 가능하게 하고, 특히, 3D 디스플레이가 상용화되었을 때, 3D 디스플레이 시청전에 시청하고자 하는 관찰거리 및 관찰시점에서 깊이지각왜곡과 모양지각 왜곡을 최소화하도록 3D 디스플레이를 조율하는 분야에 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 깊이/모양 지각 왜곡을 체계적이고 정량적으로 측정하는 방법 및 장치를 설치하기 위한 전체 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정장치의 구성에 대한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정장치에 있어서 자극구성에 사용된 3D 모형(반타원기둥체)의 반지름(r)과 모양계수(s)의 구체적인 예이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정에 사용된 RDS자극의 스테레오버전 예이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 깊이/모양 지각 왜곡을 실제 측정치를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 피험자 그룹 11 : 피험자

20 : 3D 디스플레이 30 : 3D 깊이/모양 지각 왜곡 측정장치

40 : 입력장치 50 : 데이터베이스

Claims

3차원 디스플레이를 시청할 때에 시청자에게 발생하는 깊이감/모양감 지각의 왜곡을 양화하여 측정한 방법에 있어서,

(a) 3D 깊이감/모양감 왜곡 측정에 사용될 3차원 모형의 수리적 함수를 결정하는 단계;

(b) 깊이감/모양감 왜곡측정에 사용될 표준 RDS 자극과 표준 RDS 주변자극을 구성하는 단계;

(c) N명 피험자를 대상으로 표준자극에 대한 탐지 훈련 단계;

(d) 표준자극 탐지 정답률에 기초하여 훈련 타당성 및 깊이감/모양감 보고의 타당성을 평가하는 단계;

(e) 표준자극 포함 깊이감/모양감 왜곡측정용 RDS 자극을 재구성하는 단계;

(f) 제시된 자극의 수리적 모형에 따라 깊이감/모양감에 대한 이상적 측정치를 결정하는 단계;

(g) N명 피험자를 대상으로 시청환경 파라미터 변화에 따른 깊이감/모양감 왜곡을 측정하는 단계;

(h) 이상적 측정치 대비 실제 깊이감/모양감 보고치 비율(깊이감/모양감 왜곡)을 계산하여 깊이감/모양감 왜곡 정도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 깊이감/모양감 지각의 왜곡정도를 측정하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 (a)단계는,

3차원 모형을 구축하기 위해 (1)식을 사용하고

(1)

식 (1)에서
는
에서의 깊이를 나타내고,
는 모양계수를 나타내며,
은 원통체의 반지름을 나타내고,
는 원통체 중심에서
까지의 거리를 나타내는데,

반지름과 모양계수 s를 도 4와 같이 규정함으로써 수리적으로 이상적인 깊이감을 계산할 수 있는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 (b)단계는,

측정하고자 하는 3차원 대상의 깊이감/모양감 왜곡을 측정하기 위해, 표준자극을 예시로 제시하고 표준자극의 깊이감/모양감을 “20”이라고 시청자에게 제시하고 표준자극의 깊이감/모양감과 비교하여 목표자극의 깊이감/모양감을 보고하게 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 (d) 단계는,

표준자극과 유사자극이 혼합되어 제시될 때 표준자극을 찾아내는 정답률에 기초하여 표준자극 탐지율이 90%를 넘어서는 것을 기준으로 표준자극/목표자극에 대한 지각왜곡감을 표준자극에 할당된 값과 비교하여 보고하는 것이 타당하게 훈련 되어 있는지를 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 (f) 단계는,

수리모형에 근거하여 이상적인 깊이감/모양감을 산출하고 실제 보고된 깊이감/모양감과 이상적인 깊이감/모양감 비율을 계산하여 깊이감/모양감 왜곡정도를 산출하는 방법.
3차원 디스플레이를 시청하는 시청자가 경험하는 깊이감/모양감 왜곡 측정 장치에 있어서,

깊이/모양 지각 왜곡 측정장치는 깊이감/모양감 측정을 위해 시청자에게 제시될 훈련자극을 생성하는 훈련 자극생성부;

제시되는 입체영상 훈련 자극에 대한 깊이감/모양감 정도를 수치적으로 입력하는 반응 입력부;

훈련자극 제시부;

제시된 자극의 깊이감/모양감을 평가하는 피험자의 보고능력 안정성을 평가하는 훈련평가부;

깊이감/모양감 왜곡 측정을 위해 제시될 자극을 생성하는 왜곡측정 자극 생성부;

왜곡측정 자극에 대한 반응입력부;

왜곡측정용 자극 제시부;

깊이감/모양감 왜곡 판별부;

시청자의 안정적인 깊이감/모양감 보고를 위한 훈련용 자극 RDS DB;

깊이감/모양감 왜곡 측정용 자극 RDS DB를 포함하는 것을 특징으로 하는 깊이감/모양감 왜곡 측정 장치.
제 6항에 있어서, 상기 왜곡 측정용 자극 생성부는,

반지름과 모양계수를 변화시켜 가며 자극을 생성하되, 자극 모사에 사용되는 관찰거리는 실제 측정에 사용될 관찰거리 하나를 반드시 포함함으로써 이상적인 지각감과 실제 지각감을 비교가능하게 하는 자극생성 방법.
제 6항에 있어서, 왜곡 측정용 자극제시부는,

상기 7항에서 모사에 사용한 관찰거리를 포함하여 모사에 사용되지 않은 관찰거리까지 포함함으로써 실제 모사에 포함되지 않은 관찰거리에서 입체자극을 관찰할 때 깊이감/모양감 왜곡이 어느 정도 발생하는지 측정가능하게 하는 자극제시 방법.