KR20140115062A

KR20140115062A - 수중물체 형상측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140115062A
Application number: KR1020130029659A
Authority: KR
Inventors: 손성호; 김혁제; 이종문; 김보라; 전순익; 최형도
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-30
Also published as: US20140285655A1

Abstract

본 발명에서는 수중에 존재하는 물체의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 수중에 존재하는 대상물에 레이저 포인트(또는 레이저 라인)을 비추고 이를 수조 외부에 구비된 CCD 카메라를 통해 촬영하며, CCD 카메라를 통해 촬영된 이미지로부터 실제 대상물에 비쳐진 레이저 포인트를 인식한 후, 레이저 포인트의 픽셀좌표와 실제 절대좌표와의 관계식으로부터 실제 절대좌표 정보를 획득하여 형상측정 대상물에 대한 3차원 형상을 복원함으로써, 수중에 존재하는 피검자의 3차원 유방 등의 형상을 정확히 측정할 수 있도록 한다.

Description

수중물체 형상측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SHAPE OF OBJECT UNDER WATER}

본 발명은 수중에 존재하는 물체(object)의 3차원 형상을 측정하는 장치에 관한 것으로, 특히 수중에 존재하는 대상물에 레이저 포인트(laser point)(또는 레이저 라인)을 비추고 이를 수조 외부에 구비된 CCD(charge-coupled device) 카메라(camera)를 통해 촬영하며, CCD 카메라를 통해 촬영된 이미지로부터 실제 대상물에 비쳐진 레이저 포인트를 인식한 후, 레이저 포인트의 픽셀좌표와 실제 절대좌표와의 관계식으로부터 실제 절대좌표 정보를 획득하여 형상측정 대상물에 대한 3차원 형상을 복원함으로써, 수중에 존재하는 피검자의 3차원 유방 등의 형상을 정확히 측정할 수 있도록 하는 수중물체 형상측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재, 물체의 3차원 형상을 측정하기 위해서다양한 방법들이 이용되고 있다. 예를 들면, 레이저(또는 초음파, 마이크로파 등)를 송출하고 그 것이 대상물로부터 반사되어 나오는 시간을 측정하여 계산된 거리로부터 대상물의 형상을 복원하는 방법, 대상물에 소정의 광(패턴광, 슬릿광, 포인트광 등)을 비추고 이를 카메라로 촬영한 뒤 광삼각법 등의 방법으로 대상물의 형상을 복원하는 방법, 또는 스트레오 카메라를 이용하여 직접 대상물의 형상 정보를 얻는 방법 등이다.

하지만, 이러한 방법들은 측정하고자 하는 대상물이 수중에 존재할 경우 적용이 곤란하다. 왜냐하면 대상물이 수중에 담겨 있기 때문에 이중매질 투과로 인한 굴절 왜곡, 또는 수조 외벽에서 발생하는 반사, 수조 수면의 거울효과에 의한 허상 등의 상당한 문제가 야기되 때문이다.

한편, 마이크로파를 이용한 유방암 영상진단 장치는 피검자의 유방이 소정의 액체 속에 담긴 있는 상태에서 단층촬영이 실시된다. 이 경우 고정밀의 유방 단층영상을 고속으로 복원하기 위해서는 피검자의 유방형상 정보가 상당히 유용하다. 하지만 피검자의 유방이 소정의 액체 속에 담겨 있기에 지금까지의 방법으로 그 3차원 형상을 정확히 측정하기에는 한계가 있다.

대한민국 등록특허번호 10-1141045호 등록일자 2012년 04월 23일에는 X-선 유방암진단 장치의 좌표측정 시스템 및 그 방법에 관한 기술이 개시되어 있다.

따라서, 본 발명은 수중에 존재하는 대상물에 레이저 포인트(또는 레이저 라인)을 비추고 이를 수조 외부에 구비된 CCD 카메라를 통해 촬영하며, CCD 카메라를 통해 촬영된 이미지로부터 실제 대상물에 비쳐진 레이저 포인트를 인식한 후, 레이저 포인트의 픽셀좌표와 실제 절대좌표와의 관계식으로부터 실제 절대좌표 정보를 획득하여 형상측정 대상물에 대한 3차원 형상을 복원함으로써, 수중에 존재하는 피검자의 3차원 유방 등의 형상을 정확히 측정할 수 있도록 하는 수중물체 형상측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 수중물체 형상측정 장치로서, 수중에 위치한 측정 대상물의 표면에 레이저를 조사하는 레이저 송출기와, 상기 레이저 송출기에 의해 상기 측정 대상물의 표면에 생성되는 레이저 포인트를 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에 의해 촬영된 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 절대 좌표값으로 변환하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원시키는 형상 복원기를 포함한다.

또한, 상기 레이저 송출기는, 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카메라는, 상기 레이저 송출기와 대응되게 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상 복원기는, 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 레이저 송출기와 카메라를 통해 상기 측정 대상물에 대한 다수의 형상 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상 복원기는, 상기 절대 좌표값을 보간하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상 복원기는, 기저장된 변환 관계식을 이용하여 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 상기 절대 좌표값으로 변환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수중물체 형상측정 장치는, 상기 레이저 송출기와 카메라를 상기 측정 대상물의 주위로 이동시키는 이동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정 대상물은, 수조에 담긴 피검자의 유방인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 수중물체 형상측정 방법으로서, 레이저 송출기에 의해 수중에 위치한 측정 대상물의 표면에 레이저를 조사하는 단계와, 카메라를 이용하여 상기 레이저의 조사에 의해 상기 측정 대상물의 표면에 생성되는 레이저 포인트를 촬영하는 단계와, 상기 촬영된 영상에서 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 추출하는 단계와, 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 절대 좌표값으로 변환하는 단계와, 상기 변환된 절대 좌표값을 이용하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 복원시키는 단계에서, 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 레이저 송출기와 카메라를 통해 상기 측정 대상물에 대한 다수의 형상 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복원시키는 단계에서, 상기 절대 좌표값을 보간하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절대 좌표값으로 변환하는 단계에서, 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 기저장된 변환 관계식에 따라 상기 절대 좌표값으로 변환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 수중에 존재하는 물체의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 수중에 존재하는 대상물에 레이저 포인트(또는 레이저 라인)을 비추고 이를 수조 외부에 구비된 CCD 카메라를 통해 촬영하며, CCD 카메라를 통해 촬영된 이미지로부터 실제 대상물에 비쳐진 레이저 포인트를 인식한 후, 레이저 포인트의 픽셀좌표와 실제 절대좌표와의 관계식으로부터 실제 절대좌표 정보를 획득하여 형상측정 대상물에 대한 3차원 형상을 복원함으로써, 수중에 존재하는 피검자의 3차원 유방 등의 형상을 정확히 측정할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상 측정장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상측정에 적용되는 굴절보상 관계도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중물의 형상을 측정하는 동작 제어 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상측정 방법이 적용된 마이크로파 유방암 단층촬영 장치의 정면도와 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 포인트의 픽셀 좌표를 실제 절대좌표로 변환한 그래프 예시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 포인트의 픽셀 좌표 값(u)과 실제 절대 좌표(x, z) 값과의 변환 관계도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상 측정장치의 구성을 도시한 것으로, 본 발명의 수중물체 형상 측정장치는 레이저 송출기(120), 카메라(camera)(150), 형상 복원기(190) 등을 포함할 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 수중물체 형상 측정장치의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 레이저 송출기(120)는 수중에 존재하는 측정 대상물(110)의 표면에 레이저를 송출하여 레이저 포인트(laser point) 등과 같은 비접촉식 표식(A)을 생성한다. 이때, 이와 같은 측정 대상물(110)은 예를 들어 유방암 측정을 위한 피검자의 유방 등이 될 수 있다.

카메라(150)는 레이저 송출기(120)에 의해 측정 대상물(110)에 생성된 표식(A)을 활영한다.

이러한 레이저 송출기(120)와 카메라(150)는 3차원 형상 측정을 위해 측정 대상물(110)의 주위에 다수개가 구비될 수 있으며, 레이저 송출기(120)와 카메라(150)를 측정 대상물(110)의 주위를 움직이며 측정할 수 있도록 하는 이동장치(도시하지 않음) 등이 더 포함될 수 있다.

형상 복원기(190)는 카메라(150)에서 촬영한 디지털 영상을 입력받아 데이터 처리 및 계산을 수행한다. 즉, 형상 복원기(190)는 카메라(150)에 의해 촬영된 디지털 영상으로부터 측정 대상물(110)의 표면상의 표식(A)이 맺힌 부분(A')을 인식하고, 수면 반사 등에 의해 발생한 허상(B') 등은 무시한다. 또한, 형상 복원기(190)는 이중매질 투과에 따른 소정의 굴절 보상을 수행한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상측정에 적용되는 굴절보상 관계도를 도시한 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 레이저 송출기(120)와 측정 대상물(110) 표면의 표식(A)까지의 절대 거리를 x(구하고자 하는 값)라 하고, 카메라 CCD(160)의 픽셀 기준점에서 표식(A)이 맺힌 점(A')까지의 픽셀 수를 u(측정한 값)라고 하자. 이 경우 레이저 광이 투과하면서 이중 매질투과에 따른 굴절 왜곡(130b)이 발생되어 x와 u 사이에는 비선형 특성을 가진다.

따라서, 기존의 광삼각법에 의한 계산이 불가하여 본 발명에서는 실제 절대거리(210)와 픽셀거리(220)를 실험적으로 미리 측정해 둔다. 그리고, 이 측정 데이터(230)를 지나는 소정의 함수(240)를 유도하고, 이 함수를 표식(A)의 픽셀 좌표와 실제 절대 좌표를 변환하기 위한 변환 계산식으로 적용하여 굴절왜곡을 보정하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상 측정장치에서의 수중물체에 대한 형상을 측정하는 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 수중물체에 대한 측정이 시작되는 경우, 수중물체 형상 측정장치의 레이저 송출기(120)는 예를 들어 물이 채워진 수조 등에 담궈진 수중에 존재하는 측정 대상물(110)에 대해 레이저를 송출하여 레이저 포인트 등과 같은 표식(A)을 생성시킨다(S300).

위와 같이 레이저 송출기(120)에 의해 측정 대상물(110) 표면에 표식(A)이 생성되는 경우, 카메라(150)는 측정 대상물(110)의 표면에 생성된 표식(A) 부분을 촬영하여 표식(A) 부분이 포함된 영상을 캡쳐(capture)한다(S302).

위와 같이 카메라(150)를 통해 측정 대상물(110)의 표면에 생성된 표식(A) 부분의 영상이 캡쳐된 경우, 형상 복원기(190)는 표식(A)에 대응하는 점(A')을 인식하여 해당 점(A')의 픽셀 좌표값을 추출한다(S304).

이어, 형상 복원기(190)는 기저장된 픽셀 좌표값과 실제 절대 좌표값와의 관계를 계산하여(S306), 픽셀 좌표값이 추출된 대응 점(A')의 절대 좌표값을 계산한다(S308).

위와 같이 대응 점(A')에 대한 절대 좌표값이 계산되는 경우, 레이저 송출기(120)와 카메라(150)의 위치가 이동되며, (S300)∼(S308)의 단계가 반복 수행되면서 다수의 형상 정보 데이터가 계산된다.

그러면, 형상 복원기(190)는 (S300)∼(S308)의 단계가 수행되면서 얻어진 다수의 형상 정보 데이터에 대해 데이터를 보간한다(S312).

이어, 형상 복원기(190)는 데이터 보간에 따라 생성된 측정 대상물에 대한 3차원 형상 데이터 정보를 저장한다(S314).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수중물체 형상측정 방법이 적용된 마이크로파 유방암 단층촬영 장치의 정면도와 평면도이다.

이하, 도 4의 (a)의 정면도와, 도 4의 (b)의 평면도를 참조하면, 일반적으로 마이크로파 유방암 단층촬영 장치는 소정의 액체가 든 수조(410), 피검자의 유방(420) 주위에 배치되어 있는 다수의 송수신 안테나(450, 450') 등으로 구성될 수 있다.

여기에 본 발명에 따라, 수직으로 배치된 다수의 레이저 송출기와 하나의 카메라(435)가 일체화된 형상측정모듈(430, 430')을 수조(410)의 외부 둘레로 예를 들어 16개 배치할 수 있다.

측정 순서는 앞서 설명한 것에 기초한다. 좀더 부연하면, 형상측정모듈(430, 430')이 순차적으로 피검자 유방(420)에 레이저(440)를 조사하고, 카메라(435)에서 각각의 영상을 캡쳐한다.

이어, 형상측정모듈(430, 430')과 연결되는 형상 복원기(460)에서 캡쳐된 영상으로부터 형상측정모듈(430, 430')의 레이저 송출기에 의해 생성된 표식의 픽셀을 찾고 그 픽셀의 좌표를 소정의 변환 관계도를 이용하여 실제 절대좌표로 변환한다. 그리고, 최종 변환한 실제 절대좌표 값들을 보간하여 전체적인 3차원 유방 형상을 복원한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형상측정모듈에서 측정된 레이저 표식의 픽셀 좌표를 실제 절대좌표로 변환한 그래프를 도시한 것으로, 도 5의 그래프 상 둥근 마커가 카메라(435)로부터 측정된 레이저에 의한 표식의 픽셀 데이터이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 좌표 값(u)과 실제 절대 좌표(x, z) 값과의 변환 관계도를 도시한 것이다.

위 도 6에서 보여지는 바와 같은 변환 관계도를 이용하여 레이저 표식의 픽셀 좌표를 실제 절대좌표로 변환한 후, 이에 대해 데이터 보간을 수행함으로써 전체적인 3차원 유방 형상을 복원할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 수중에 존재하는 물체의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 수중에 존재하는 대상물에 레이저 포인트(또는 레이저 라인)을 비추고 이를 수조 외부에 구비된 CCD 카메라를 통해 촬영하며, CCD 카메라를 통해 촬영된 이미지로부터 실제 대상물에 비쳐진 레이저 포인트를 인식한 후, 레이저 포인트의 픽셀좌표와 실제 절대좌표와의 관계식으로부터 실제 절대좌표 정보를 획득하여 형상측정 대상물에 대한 3차원 형상을 복원함으로써, 수중에 존재하는 피검자의 3차원 유방 등의 형상을 정확히 측정할 수 있도록 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를들어 당업자는 각 구성요소를 적용분야에 따라 변경하거나, 개시된 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할것이다.

110 : 측정 대상물 120 : 레이저 송출기
150 : 카메라 160 : 카메라 CCD
190 : 형상 복원기

Claims

수중에 위치한 측정 대상물의 표면에 레이저를 조사하는 레이저 송출기와,
상기 레이저 송출기에 의해 상기 측정 대상물의 표면에 생성되는 레이저 포인트를 촬영하는 카메라와,
상기 카메라에 의해 촬영된 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 절대 좌표값으로 변환하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원시키는 형상 복원기
를 포함하는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 송출기는,
상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 수중물체 형상측정 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 카메라는,
상기 레이저 송출기와 대응되게 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 복원기는,
상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 레이저 송출기와 카메라를 통해 상기 측정 대상물에 대한 다수의 형상 정보를 획득하는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 복원기는,
상기 절대 좌표값을 보간하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원하는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 복원기는,
기저장된 변환 관계식을 이용하여 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 상기 절대 좌표값으로 변환시키는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수중물체 형상측정 장치는,
상기 레이저 송출기와 카메라를 상기 측정 대상물의 주위로 이동시키는 이동장치를 더 포함하는 수중물체 형상측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정 대상물은,
수조에 담긴 피검자의 유방인 수중물체 형상측정 장치.
레이저 송출기에 의해 수중에 위치한 측정 대상물의 표면에 레이저를 조사하는 단계와,
카메라를 이용하여 상기 레이저의 조사에 의해 상기 측정 대상물의 표면에 생성되는 레이저 포인트를 촬영하는 단계와,
상기 촬영된 영상에서 상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 추출하는 단계와,
상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 절대 좌표값으로 변환하는 단계와,
상기 변환된 절대 좌표값을 이용하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원시키는 단계
를 포함하는 수중물체 형상측정 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 레이저 송출기는,
상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 수중물체 형상측정 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 카메라는,
상기 레이저 송출기와 대응되게 상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 수중물체 형상측정 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복원시키는 단계에서,
상기 측정 대상물의 주위에 다수개 배치되는 레이저 송출기와 카메라를 통해 상기 측정 대상물에 대한 다수의 형상 정보를 획득하는 수중물체 형상측정 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복원시키는 단계에서,
상기 절대 좌표값을 보간하여 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 복원하는 수중물체 형상측정 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 절대 좌표값으로 변환하는 단계에서,
상기 레이저 포인트의 픽셀 좌표값을 기저장된 변환 관계식에 따라 상기 절대 좌표값으로 변환하는 수중물체 형상측정 방법.