KR20110087407A - 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법 - Google Patents

카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법 Download PDF

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Abstract

카메라 시뮬레이션 시스템은, 이미지에서 미리 설정된 색상의 마커를 인식하는 인식부, 상기 인식부에서 인식된 마커의 파라미터를 추출하여, 카메라 좌표축에 대한 상기 마커의 3차원 위치를 검출하는 검출부 및 상기 검출부의 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 변환부를 포함한다. 또한, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 감지 방법은, 이미지에서 미리 설정된 마커를 인식하는 단계, 상기 인식된 마커의 파라미터를 추출하는 단계, 상기 추출된 파라미터를 이용하여 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 검출하는 단계 및 상기 검출된 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계를 포함한다.

Description

카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법{CAMERA SIMULATION SYSTEM AND LOCALIZATION SENSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 한대의 카메라를 이용하여, 마커가 부착된 하나 이상의 3차원 위치를 감지하는 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법에 관한 것이다.
최근 약 120Hz 이상의 빈도로 화면 재생이 가능한 모니터 디스플레이와 3D TV의 출시로 3차원 입체 영상이 보편화되고 있다. 따라서 3차원 입체 영상 속의 가상 물체와 사용자와의 인터랙션의 필요가 증대되고 있다. 사용자가 가상의 3차원 물체를 직관적으로 조작하기 위해서, 시뮬레이션 시스템은 사용자의 손 또는 각 손가락의 3차원 위치 정보를 인식할 필요가 있다. 동일 좌표축에 의한 가상의 물체의 3차원 위치 정보와 사용자 손 또는 손가락의 3차원 위치 정보를 이용하여, 사용자는 상기 시뮬레이션 시스템을 통해 가상의 3차원 물체를 조작할 수 있게 된다. 종래에는, 상기 사용자의 손 또는 손가락의 위치 정보를 감지하기 위한 특수한 장치인 데이터 장갑(data glove)을 장착하여, 위치 정보를 제공받을 수 있었다. 다만, 상기 데이터 장갑과 같은 별도의 3차원 입력 장치는 고가이며, 사용자가 착용하여야 하므로, 가상 물체의 직관적인 조작에 어려움이 있었다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명은, 한대의 카메라를 이용하여, 마커가 부착된 하나 이상의 3차원 위치를 감지하는 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 카메라 시뮬레이션 시스템은, 이미지에서 미리 설정된 색상의 마커를 인식하는 인식부, 상기 인식부에서 인식된 마커의 파라미터를 추출하여, 카메라 좌표축에 대한 상기 마커의 3차원 위치를 검출하는 검출부 및 상기 검출부의 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 변환부를 포함한다.
또한, 이미지를 촬영하는 촬영부를 더 포함하고, 상기 인식부는 상기 촬영부에서 촬영된 이미지를 인식하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템의 평면 호모그래피에 관한 내부 파라미터가 저장되는 저장부를 더 포함하고, 상기 검출부는 상기 저장된 평면 호모그래피를 이용하여 상기 인식된 마커의 2차원 파라미터를 통한 3차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법은, 이미지에서 미리 설정된 색상의 마커를 인식하는 단계, 상기 인식된 마커의 파라미터를 추출하는 단계, 상기 추출된 파라미터를 이용하여 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 검출하는 단계 및 상기 검출된 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계는, 하나 이상의 가상의 3차원 기준 지점을 표시하는 단계, 사용자 조작에 따른 마커의 이동으로, 상기 3차원 기준 지점으로 마커의 위치가 등록되는 단계 및 마커가 위치 등록되면, 카메라 좌표축과 가상 물체의 좌표축 사이의 관계를 추출하여, 상기 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계를 더 포함한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법은, 별도의 장비를 추가하지 않고 카메라를 이용하여 마커가 부착된 물체의 위치를 검출할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커와 대응하는 이미지를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용하여 5개의 마커 위치를 감지하는 카메라 좌표축을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용하여 가상 물체의 좌표축에 대한 입체 영상과의 인터랙션을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 인식 과정을 도시하는 도면.
이하, 본 발명과 관련된 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법에 대해서 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명이 속한 기술 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도면을 참조 또는 변형하여 상기 구성에 대한 다양한 실시예를 유추할 수 있을 것이나, 본 발명은 상기 유추되는 다양한 실시예를 포함하며 이루어지며, 아래 도면에 도시된 실시예로 그 기술적 특징이 한정되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템(100)은 촬영부(110), 인식부(120), 검출부(130), 변환부(140) 및 저장부(150)를 포함한다.
상기 촬영부(110)는, 물체를 이미지로 촬영하여, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템(100)에 이미지를 제공하는 기능을 수행한다. 상기 물체는 물체의 움직임을 감지할 수 있도록 표시 장치인 마커가 부착된다.
상기 인식부(120)는 상기 촬영부(110)에서 촬영된 이미지로부터 미리 설정된 색상의 마커를 인식한다. 상기 마커란, 물체에 부착된 것으로, 물체의 위치 정보 또는 움직임에 대한 정보를 제공할 수 있는 표시 기준이 된다. 예를 들어, 물체가 사용자의 손가락에 해당하는 경우, 상기 마커는 손가락 끝에 부착되는 스티커가 될 수 있다. 상기 마커는 다양한 형태 및 색상 특정을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 손가락 끝에 부착되는 원형 마커를 이용하여, 손가락 끝의 3차원 위치를 감지하도록 한다. 상기 인식부(120)는 상기 원형 마커를 타원 형상으로 인식하게 된다. 상기 인식부(120)는 이미지 상에서 마커의 위치를 인식하기 위하여, 특정 색상으로 정의된 마커를 검출한다. 따라서, 상기 마커가 부착된 지점의 위치를 검색할 수 있다.
상기 검출부(130)는 상기 인식부(120)에서 인식된 마커의 파라미터 (parameter)를 추출하여, 카메라 좌표축에 대한 상기 마커의 3차원 위치를 검출한다. 상기 인식부(120)에서 검출되는 마커가 타원 형상에 해당하는 경우, 상기 검출부(130)는 상기 타원 형상의 중심점 위치, 장축의 길이, 단축의 길이 및 타원의 회전각으로 구성되는 그룹에서 하나 이상을 검출하여, 원형 마커의 카메라 좌표축에 대한 3차원 위치를 검출할 수 있도록 한다.
구체적으로, 상기 검출부(130)는 바이너리 이미지에서 미리 설정된 색상에 해당하는 마커의 모멘트 값을 상기 영역 내의 모든 픽셀(ui, vi)에 대해 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure pat00001
상기 인식부(120)를 통해 검출된 마커의 형태가 타원형에 해당하는 경우, 상기 검출부(130)는 상기 타원의 파라미터인 중심 좌표(uc, vc), 기울기(θ), 단축의 길이(w) 및 장축의 길이(l)를 아래 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
및
Figure pat00005
이다.
상기 변환부(140)는 상기 검출부(130)의 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 상기 검출부(130)는 카메라 내부 파라미터 값을 대입한 평면 호모그래피(homography)를 이용하여, 실제 물체의 특징점들과 영상에서의 대응점들의 위치를 통해 실체 물체의 특징점과 영상에서의 대응점 사이의 관계를 찾고, 회전 변환 값 및 병진 변환 값을 포함하는 물리적 변환 성분을 추출하여 가상 물체의 좌표축 값으로 변환한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커와 대응하는 이미지를 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 크기를 알고 있는 원형 마크(200)의 4개의 점의 위치와 이미지에서 수학식 2를 통해 검출된 중심 좌표(211), 장축(212), 단축(213) 및 회전각(214)을 이용한 타원 형상(210)의 4개의 점을 대응점으로 하여, 수학식 2를 이용해 마커의 3차원 좌표축 값을 계산할 수 있다. 이 후, 상기 변환부(140)의 물리적 변환 결과에 따른 가상의 물체와 충돌 검사를 통해 가상 물체와 외부 물체 사이의 인터랙션을 수행할 수 있다. 구체적으로, 입체 영상 기술을 이용하여, 디스플레이 전면으로 돌출된 가상의 3차원 물체를 조작하도록 하여, 외부 물체와 인터랙션이 가능하도록 한다. 즉, 상기 변환부(140)는 사용자 조작에 따른 마커의 이동을 통해, 상기 마커가 기준 지점에 도달하여 3차원 위치 등록이 이루어지면, 상기 카메라 좌표축과 가상 물체의 좌표축 사이의 관계를 추출하고, 상기 관계를 통한 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하여 시뮬레이션을 실행한다.
상기 저장부(150)는 카메라 시뮬레이션 시스템의 평면 호모그래피(homography)에 관한 내부 파라미터가 저장된다. 상기 평면 호모그래피란, 한 평면에서 다른 평면으로의 투영 매핑(projection mapping)을 위한 변환 행렬을 의미한다. 공간상의 점
Figure pat00006
과, 이미지의 대응점
Figure pat00007
사이의 관계는 아래 수학식 3과 같이 호모그래피(H)로 표현된다. 여기서, θ는 스케일 변수이다.
Figure pat00008
Figure pat00009
상기 수학식 4와 같이 H가 카메라 모델 성분(M)과 물리적 변환 성분(W)로 구성되어 있으므로, M을 이미 알고 있다고 가정하면, 다수의
Figure pat00010
와
Figure pat00011
의 조합으로부터 W를 계산할 수 있다. 특히,
Figure pat00012
가 평면상의 점이라면, Z 값이 0이 되어, 4개의
Figure pat00013
와 그 대응점으로서의 W를 구할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용하여 5개의 마커 위치를 감지하는 카메라 좌표축을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 5개의 원형 마커(321, 322, 323, 324 및 325)가 부착된 사용자 손가락이 포함되는 이미지(320)가 표시되고, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템을 통해 가상 물체의 좌표 상(310)에서 3차원 위치를 감지하여, 좌표축에 표시(311, 312, 313, 314 및 315) 할 수 있음을 알 수 있다. 이 경우, 상기 원형 마커는 약 9mm의 지름에 해당하는 파란 색상의 원형 스티커가 이용되었다.
상기와 같이 인식된 원형 마커의 카메라 좌표축에 대한 3차원 위치를 가상 물체의 좌표계 값으로 변환하기 위하여, 연속적으로 하나 이상의 가상의 3차원 점을 표시하고, 원형 마커를 각 가상 3차원 점에 위치시켜, 카메라 좌표축에서의 3차원 위치를 인식하고 등록하면, 가상 물체의 좌표축에 대한 가상 3차원 점의 위치와 그에 대응하는 카메라 좌표축에 대한 원형 마커의 3차원 위치 사이의 관계를 도출할 수 있다. 상기 관계를 통해, 카메라 좌표축에 대한 물체의 3차원 위치가 가상 물체의 3차원 위치로 변환될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용하여 가상 물체의 좌표축에 대한 입체 영상과의 인터랙션을 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 카메라 시뮬레이션 시스템(100)의 디스플레이 전면의 3차원 가상 세계에 가상 물체의 좌표축에 따른 시뮬레이션을 표시하여, 복수의 원형 마커가 부착된 사용자 손가락과 인터랙션을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 인식 과정을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 이미지로부터 미리 설정된 색상의 마커가 인식되면(S510), 상기 인식된 마커의 파라미터를 추출하고(S520), 추출된 파라미터를 이용하여 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 검출한다(S530). 상기 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하여(S540), 물체의 위치 감지를 통한 시뮬레이션을 실행할 수 있다.
이 때, 이미지를 촬영하는 단계를 더 포함하여, 상기 마커를 인식하는 단계가 상기 촬영된 이미지로부터 미리 설정된 마커를 인식하는 단계를 포함하게 할 수 있다.
또한, 상기 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계는, 하나 이상의 가상의 3차원 기준 지점을 표시하는 단계, 사용자 조작에 따른 마커의 이동으로, 상기 3차원 기준 지점으로 마커의 위치가 등록되는 단계, 마커가 위치 등록되면, 카메라 좌표축과 가상 물체의 좌표축 사이의 관계를 추출하여, 상기 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 설명된 카메라 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 위치 감지 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
100: 카메라 시뮬레이션 시스템
110: 촬영부
120: 인식부
130: 검출부
140: 변환부
150: 저장부

Claims (8)

  1. 이미지에서 미리 설정된 색상의 마커를 인식하는 인식부;
    상기 인식부에서 인식된 마커의 파라미터를 추출하여, 카메라 좌표축에 대한 상기 마커의 3차원 위치를 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부의 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 변환부;를 포함하는 카메라 시뮬레이션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이미지를 촬영하는 촬영부;를 더 포함하고,
    상기 인식부는 상기 촬영부에서 촬영된 이미지를 인식하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 카메라 시뮬레이션 시스템의 평면 호모그래피에 관한 내부 파라미터가 저장되는 저장부;를 더 포함하고,
    상기 검출부는 상기 저장된 평면 호모그래피를 이용하여 상기 인식된 마커의 2차원 파라미터를 통한 3차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환부는 사용자 조작에 따른 마커의 이동으로 기준 지점에서 카메라 좌표축에서의 3차원 위치가 등록되면, 상기 카메라 좌표축과 가상 물체의 좌표축 사이의 관계를 추출하여, 상기 카메라 좌표축에 대한 검출 결과를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인식되는 마커는 타원 형상을 포함하고,
    상기 검출되는 마커의 파라미터는 상기 타원 형상의 중심점 위치, 장축의 길이, 단축의 길이 및 타원의 회전각으로 구성되는 그룹에서 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템.
  6. 이미지에서 미리 설정된 색상의 마커를 인식하는 단계;
    상기 인식된 마커의 파라미터를 추출하는 단계;
    상기 추출된 파라미터를 이용하여 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계;를 포함하는 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 감지 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    평면상의 물체를 이미지로 촬영하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 마커를 인식하는 단계는 상기 촬영된 이미지로부터 미리 설정된 마커를 인식하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 감지 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계는,
    하나 이상의 가상의 3차원 기준 지점을 표시하는 단계;
    사용자 조작에 따른 마커의 이동으로, 상기 3차원 기준 지점으로 마커의 위치가 등록되는 단계; 및
    마커가 위치 등록되면, 카메라 좌표축과 가상 물체의 좌표축 사이의 관계를 추출하여, 상기 카메라 좌표축에 대한 마커의 3차원 위치를 가상 물체의 좌표축 값으로 변환하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 시뮬레이션 시스템을 이용한 위치 감지 방법.
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