KR20130019581A - 비점수차가 적용된 패턴 빔을 이용하는 3차원 이미지 촬영 장치 및 방법 - Google Patents

비점수차가 적용된 패턴 빔을 이용하는 3차원 이미지 촬영 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패턴 빔을 이용하는 3차원 이미지 촬영 장치에 관한 것으로서, 오브젝트에 대한 2차원 이미지를 획득하는 이미지 카메라, 비점수차가 적용된 패턴 빔을 상기 오브젝트에 조사하는 패턴 빔 조사부, 상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집하는 패턴 수광부, 및 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하여, 3차원 이미지를 생성하는 신호처리부를 포함한다.

Description

비점수차가 적용된 패턴 빔을 이용하는 3차원 이미지 촬영 장치 및 방법{3-DIMENSION CAMERA USING PATTERN BEAM ASTIGMATISM IS APPLIED AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 패턴 빔을 이용하는 3차원 이미지 촬영 장치에 관한 것으로서, 정해진 패턴 빔을 오브젝트에 조사하여 발생하는 패턴 변화를 관측하고, 상기 관측된 패턴 변화를 2차원 이미지에 반영하여 3차원 이미지를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
3차원 영상(3-dimensional image)은 2차원 영상보다 현실감이 뛰어나 멀티미디어 시대의 차세대 영상 시스템으로 점차 활용도가 높아지고 있다.
이러한 3차원 영상은, 우선적으로 3DTV 및 입체영화로 구현되어 활용될 것이며, 원격 제어용 영상, 훈련 시뮬레이션, 입체 화상통신 등에도 유용하게 응용될 것으로 예상된다.
3차원 입체 영상을 재현하는 가장 기본적인 방법은 두 눈과 같이 좌우 두 대의 카메라를 이용하여 영상을 얻고 이 각각의 영상을 양 눈에 보여 주는 것인데, 이를 양안 또는 스테레오(stereo) 입체 영상이라고 한다.
이러한 입체 영상 획득용 카메라를 양안 카메라 또는 스테레오 카메라(stereoscopic camera)라 한다.
상술한 입체 영상 획득용 카메라를 이용하는 양안 입체 영상에서는 촬영된 입체 영상만을 수동적으로 볼 수 밖에 없으며, 시청자가 움직임에 따라, 다른 입체 면을 볼 수 있는 운동시차(Motion parallax)는 주어지지 않는 문제점이 있으나, 양안 카메라 시스템의 단순성 때문에 널리 사용되고 있다.
입체 카메라가 사람의 눈에서와 같이 자연스럽고 선명한 양질의 입체 영상을 획득하기 위해서는 인간의 주요 시각 기능 중 최소한 세가지 기본 기능인 양안 시차(binocular parallax) 제어 기능, 초점(focus) 제어 기능, 그리고 주시각 제어(vergence control) 기능이 유기적으로 자동 제어 되도록 설계 및 구현되어야만 한다.
현재, 3차원 영상의 제작에 사용되는 대부분의 입체 카메라는 수동으로 조작하거나 정해진 거리로 미리 맞추어 놓고 한정된 영역에서 촬영하고 있으므로 자동화된 시스템이 요구되고 있다.
즉, 촬영 시 시간이 많이 소요되고 이동 촬영에 불편하며, 좌우 카메라의 주시각 조정 및 정렬에 대한 정확도가 떨어지기 때문에 실제와 같은 3차원 영상을 재현하지 못하게 되며, 또한 이러한 영상은 시청시 시각 피로감을 유발하는 문제를 야기시킬 수 있다.
따라서, 시청 피로감이 없도록 주시각이 자동 제어되고, 카메라 조작이 편리한 양안 입체 카메라의 제작이 절실히 요구되고 있다.
이러한 요구에 힘입어, 양안식 입체 카메라에 관한 연구로, 미국의 경우에는 Columbia, Carnegie-Mellon대학 등 많은 대학에서 양안 입체 카메라 장치 연구가 있었다. 오스트레일리아의 Curtin University에서는 수평 이동축 카메라 연구를 통하여 수중 탐사용 카메라를 연구 제작하고 있다.
영국의 원자력 관련 연구 기관인 AEA에서는 수동에 의하여 카메라의 초점 및 주시각이 제어되고 있는 SD(Standard Definition)급의 원격 작업용 수평 이동 축 입체 카메라를 개발하였다.
일본은 TAO에서 학연산 공동으로 대학 및 NHK, Ikegami 카메라 회사 등이 정부의 지원 하에 양안 및 다안식 입체 카메라를 연구하고 있다. 여기에서 초점 및 주시각이 별도 제어되는 방식이며 양안식 교차 축 형태의 방송용 HDTV화질의 입체 카메라(3D-HDTV Camera)를 제작하였으며, 현재는 수평 축 카메라 개발이 진행 중이다.
네덜란드 필립스 연구소에서도 교차축 방식을 개발하였고 최근 수평이동축의 개발을 추진하고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치는 오브젝트에 대한 2차원 이미지를 획득하는 이미지 카메라, 비점수차가 적용된 패턴 빔을 상기 오브젝트에 조사하는 패턴 빔 조사부, 상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집하는 패턴 수광부, 및 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하여, 3차원 이미지를 생성하는 신호처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 상기 신호처리부는 상기 비점수차에 의한 패턴의 왜곡 현상을 고려하여 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 각 부분별 깊이 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 패턴 빔 조사부는, 레이져 다이오드(Laser Diode), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode) 및 LCD(Liquid Crystal Display) 패널 중에서 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 오브젝트에 대한 2차원 이미지를 획득하는 단계, 비점수차가 적용된 패턴 빔을 상기 오브젝트에 조사하고, 상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집하는 단계, 및 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하여, 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하여, 3차원 이미지를 생성하는 단계는, 거리별로 변형되는 패턴 모양을 계산하여 상기 각 부분별 깊이 정보를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 미리 비점수차를 갖는 패턴 빔을 오브젝트에 투사함으로써, 오브젝트에 대한 깊이 정보를 수집하여 신속하고 정확하게 2차원 이미지를 3차원 이미지로 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치를 이용하여 3차원 이미지를 생성하는 실시예를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치를 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴 빔을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 비점수차의 개념을 설명하는 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 비점수차를 고려하여 거리를 추정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치를 이용하여 3차원 이미지를 생성하는 시스템(110)을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치는 피사체(오브젝트)의 2차원 이미지를 획득하고, 상기 획득한 2차원 이미지의 각 부분에 깊이 정보를 부여하여 3차원 이미지로 가공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치는 촬영부(110), 신호처리부(120), 및 영상 출력부(130)로 구분될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 촬영부(110)는 패턴 빔 조사부(111), 패턴 수광부(112), 이미지 카메라(113)를 포함할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치는 일반 카메라인 이미지 카메라(113)를 이용하여, 상기 2차원 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 패턴 빔 조사부(111)는 비점수차를 적용한 패턴 빔을 조사 한다. 이와 같이 비점수차를 적용한 패턴 빔을 조사하기 위하여 패턴 빔 조사부(111)는 비점수차 형성부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비점수차 형성부는 비구면 볼록면을 포함할 수 있다. 비구면 볼록면은 비구면으로 장초점과 단초점을 만들어 광축으로부터 떨어진 피사점들이 동일 평면상에서 상을 맺지 않고 다른 평면 상에 여러 상을 맺어 상의 왜곡 현상을 나타낼 수 있다.
패턴 수광부(112)를 통해 수집된 패턴 빔은 상기 패턴 빔이 상기 오브젝트에 의해서 왜곡되는 정도를 수집하고, 상기 신호처리부(120)는 상기 수집된 왜곡되는 정도에 기초하여 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출할 수 있다.
이렇게 산출된 각 부분별 깊이 정보는 2차원 이미지에 반영되어 3차원 이미지로 생성될 수 있다. 생성된 3차원 이미지는 영상 출력 장치(130)에 표시될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 비점수차를 적용한 빔을 오브젝트에 투사함으로써, 오브젝트에 대한 깊이 정보를 수집하여 신속하고 정확하게 2차원 이미지를 3차원 이미지로 만들 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치(200)를 설명하는 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치(200)는 이미지 카메라(210), 패턴 빔 조사부(220), 패턴 수광부(230), 및 신호처리부(240)를 포함할 수 있다.
이미지 카메라(210)는 오브젝트에 대한 2차원 이미지를 획득할 수 있다.
패턴 빔 조사부(220)는 상기 이미지 카메라(210)에 대응하여, 상기 오브젝트에 패턴 빔을 조사할 수 있다.
또한, 패턴 빔 조사부(220)는 coherent 또는 in-coherent 형태의 광원 일수 있으며, 2차원 이미지의 획득에 영향을 주지 않는 특성을 갖는 것이 바람직하기 때문에 비가시광선 영역의 빛을 이용하여 상기 패턴 빔을 조사할 수 있다.
또한, 패턴 빔 조사부(220)는 비점수차가 적용된 패턴 빔을 형성하기 위하여 비점수차 형성부(250)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비점수차 형성부(250)는 비구면 볼록면을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴 빔을 설명하기 위한 도면이다. Dot 형태의 배치가 바람직하다.
다시 도 2를 참조하면, 패턴 수광부(230)는 상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집할 수 있다.
즉, 패턴 수광부(230)는 상기 오브젝트에 투영된 후 비점 수차에 의한 왜곡이 반영되어 변화된 상기 패턴 빔을 수집할 수 있다.
일례로, 패턴 수광부(230)는 패턴의 정보만 수집할 수 있도록 하는 것이 바람직하기에 대역 통과 필터(band pass filter) 또는 컬러 필터(color filter) 등이 장착된 카메라로 해석될 수 있다.
신호처리부(240)는 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출할 수 있다.
신호처리부(240)는 상기 수집된 패턴 변화에 따라 각 부분별 깊이(depth) 정보를 산출하고, 이미지 카메라(210)가 생성한 상기 2차원 이미지의 각 부분별로 깊이 정보를 부여할 수 있다.
영상 출력 장치는 상기 부여된 깊이 정보를 이용하여, 상기 2차원 이미지를 3차원 이미지로 출력할 수 있다.
즉, 영상 출력 장치는 상기 2차원 이미지의 각 부분별로 부여된 깊이 정보를 이용하여, 깊이 들어간 부분은 깊이 들어간 것으로 명암을 넣어 표시하고, 반대로 볼록 튀어나온 부분은 상대적으로 밝게하여 볼록 튀어나오게 표시할 수 있다.
신호처리부(240)는 상기 패턴의 변형을 이용하여, 각 부분별로 깊이 정보를 산출하기 위해서, 선정된 공식이 적용된 알고리즘을 이용할 수 있다.
또 다른 예로, 본 발명의 일실시예에 따른 신호처리부(240)는 패턴 빔에 따라서 촬상되는 패턴 이미지가 거리에 따라 변형되는 양상을 공식화하여 수식으로 만들고, 이러한 수식을 바탕으로 촬상된 패턴 이미지를 분석하여 거리를 계산할 수도 있다.
예를 들어, 패턴의 가로축과 세로축의 길이를 측정하여, 그 비율로 깊이 값을 산출한다. 즉, 도 3에서 도시된 바와 같이 비점수차가 적용된 빔의 경우 가로축과 세로축의 초점 거리의 차이로 인해서 거리별로 패턴의 가로축/세로축의 비율이 바뀌게 되어 모양이 변화하게 되므로, 오브젝트에 투사된 패턴의 빔형태의 가로세로 비율을 바탕으로 거리를 역 환산할 수 있다.
결국, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 장치는 피사체(오브젝트)의 2차원 이미지를 획득하고, 비점 수차 빔을 이용해서 상기 획득한 2차원 이미지의 각 부분에 깊이 정보를 산출하여 3차원 이미지로 가공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비점수차의 개념을 설명하는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비점수차를 이용하면 x축과 y축의 초점이 다르게 되므로, 거리에 따라 전체적인 모양이 바뀌게 된다. 즉, 도 6에서 오브젝트가 단초점(A)에 위치하는 경우, 단초점(A) 및 장초점(C)의 중간(B)에 위치하는 경우 및 장초점(C)에 위치하는 경우에 있어서, 패턴 형상이 변형된다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따라 거리에 따라 패턴의 전체적인 형상이 변형되는 예시를 도시한 것이다.
도 7a는 오브젝트가 단초점(A)에 위치하는 경우의 패턴 형상을 도시한 것으로서 오브젝트가 단초점(A)에 위치하는 경우에는 1사분면으로부터 3사분면에 이르는 횡단면이 길어진 패턴이 형성된다.
도 7b는 오브젝트가 단초점(A) 및 장초점(C)의 중간(B)에 위치하는 경우의 패턴 형상을 도시한 것으로서 오브젝트가 단초점(A) 및 장초점(C)의 중간(B)에 위치하는 경우에는 패턴 형상이 원형이 된다.
도 7c는 오브젝트가 장초점(C)에 위치하는 경우의 패턴 형상을 도시한 것으로서 오브젝트가 장초점(C)에 위치하는 경우에는 2사분면으로부터 4사분면에 이르는 횡단면이 길어지도록 패턴이 형성된다.
이와 같이 비점수차에 따라 패턴의 형상이 변화하는 것을 연산함으로써 오브젝트의 깊이 정보를 산출해낼 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 오브젝트에 대한 2차원 이미지를 획득할 수 있다(단계 801).
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 다양한 형태의 패턴 빔을 상기 오브젝트에 조사하고(단계 802), 상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집할 수 있다(단계 803).
또한, 상기 패턴 빔은 비점수차가 적용된 패턴 빔일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 상기 수집된 패턴 변화에 따라 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출할 수 있다(단계 804).
일 실시예에서, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하기 위해, 비점수차가 적용된 경우 패턴 빔의 형상이 변형되는 양상을 공식하여 수식으로 만들고, 이러한 수식을 바탕으로 촬상된 패턴 이미지를 분석하여 거리를 계산할 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 산출된 상기 2차원 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 이용하여, 3차원 이미지를 생성할 수 있다(단계 805).
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 촬영 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
200: 3차원 이미지 촬영 장치 210: 이미지 카메라
220: 패턴 빔 조사부 230: 패턴 수광부
240: 신호처리부

Claims (1)

  1. 비점수차가 적용된 패턴 빔을 오브젝트에 조사하는 패턴 빔 조사부로서, 상기 조사는 거리별 패턴의 횡축과 종축의 크기 비율 변화가 있는 패턴 빔 조사인, 패턴 빔 조사부;
    상기 조사된 패턴 빔에 대한 패턴 변화를 수집하는 패턴 수광부; 및
    상기 수집된 패턴 변화에 따라 오브젝트 이미지의 각 부분별 깊이 정보를 산출하는, 신호처리부
    를 포함하는, 3차원 이미지 촬영 장치
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020189923A1 (ko) * 2019-03-15 2020-09-24 엘지전자 주식회사 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기

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