KR20140132044A - 영상 획득 장치 및 이의 영상 획득 방법 - Google Patents

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KR20140132044A
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Abstract

실시 예에 따른 영상 획득 장치는, 물체에 복수의 광을 출사하는 발광부; 및 상기 발광부를 통해 출사된 복수의 광 중 어느 하나를 이용하여 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 수광부를 포함하며, 상기 발광부는, 서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 출사한다.

Description

영상 획득 장치 및 이의 영상 획득 방법{DEVICE AND METHOD OF OBTAINING IMAGE}
본 발명은 영상 획득 장치에 관한 것으로, 특히 하나의 카메라를 이용하여 컬러 영상과 깊이 정보를 동시에 획득할 수 있는 영상 획득 장치 및 이의 영상 획득 방법에 관한 것이다.
3D 동작 인식에 사용되는 카메라에는 여러 가지 요소들이 필요하다.
대표적인 3가지가, 물체의 형태, 색깔 및 깊이 정보이다. 이때, 상기 물체의 형태나 색깔은 일반적인 2D 카메라로부터 획득될 수 있다. 그러나, 상기 깊이 정보는 상기 2D 카메라와는 별도의 적외선 카메라로부터 얻을 수 있다.
따라서, 3D 동작 인식에는 기본적으로 물체의 형태나 색깔을 획득하는 제 1 카메라와, 깊이 정보를 획득하는 제 2 카메라와 같은 2개의 카메라가 이용된다.
하지만, 종래 기술에 따른 3D 동작 인식 방법은 상기와 같이 2개의 카메라를 이용함으로써, 2배의 부품 비용 및 카메라 간의 조립 오차로 인한 영상 품질 저하 및 보상 알고리즘을 필요로 하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 3D 영상 획득 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 3D 영상 획득 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 3D 영상 획득 장치는 물체의 형태나 색깔 정보를 획득하는 제 1 카메라(11)와, 깊이 정보를 획득하는 제 2 카메라(12)와, 적외선 광을 발생하는 발광부(13)로 구성된다.
도 1에 의한 3D 영상 획득 장치는, 상기와 같이 별도의 독립적인 제 1 카메라(11)와 제 2 카메라(12)로 구성되며, 이를 토대로 3D 동작 인식을 위한 영상을 획득하게 된다.
이때, 상기 제 1 카메라(11)와 제 2 카메라(12)는 도면에서와 동일 축 상에 존재하지 않으며, 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치된다.
이에 따라, 상기 제 1 및 2 카메라(11, 12)를 이용하여 동일한 객체에 대한 영상을 획득하여도, 상호 간의 베이스 라인으로 인한 시차가 발생하게 된다. 다시 말해서, 상기와 같이 제 1 및 2 카메라가 일정 거리 떨어진 상태로 배치되기 때문에, 상기 제 1 및 2 카메라는 서로 다른 초점으로 동일한 객체에 대한 정보를 획득하게 된다.
이로 인해, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 위치가 정확히 매칭된 정보를 얻는 과정을 거치게 되는데, 상기 과정은 연산이 복잡할 뿐만 아니라, 연산 과정에서의 오차가 발생하여, 정확한 3D 영상을 획득하는데 한계가 있다.
또한, 도 2는 도 1의 3D 영상 획득 장치의 문제점을 해결하기 위해 고안되었다.
즉, 도 2는 도 1에서 발생하는 복수의 카메라 사이의 시차를 극복하기 위해 고안되었다.
다시 말해서, 도 2는 물체의 형태나 색깔 정보를 획득하는 제 1 카메라(22)와, 깊이 정보를 획득하는 제 2 카메라(23)를 프리즘(21) 혹은 플레이트를 이용하여 동축으로 합침으로써, 도 1에서 나타나는 시차에 대한 문제점을 해결한 구성이다.
그러나, 도 2에 도시된 종래 기술도, 단지 제 1 카메라(21)와 제 2 카메라(22)가 동축에 형성될 뿐, 별도의 각각의 렌즈 2개와 센서 2개를 사용하는 시스템은 도 1에서와 같으며, 이에 따라 조립 오차, 제 1 및 2 카메라 간의 서로 다른 시스템(예를 들어, 렌즈 화각, AE, AWB 조건) 등으로 인한 스케일 불일치, AE/AWB 불일치 등의 문제점이 그대로 남아있다.
(특허문헌 1) KR 10-2011-0071528 A
본 발명에 따른 실시 예에서는 하나의 카메라를 이용하여 물체의 형태나 색깔 정보의 획득뿐만 아니라, 깊이 정보도 함께 획득할 수 있는 영상 획득 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 레이저 다이오드를 X축과 Y축의 중간 각도로 회전시켜 이미지 센서에 전달되는 광 점(spot)의 점유 픽셀 수를 증가시킬 수 있는 영상 획득 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 하나의 카메라를 이용하여 다양한 거리에 있는 객체에 대한 깊이 정보를 효율적으로 획득할 수 있는 영상 획득 장치를 제공하도록 한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 영상 획득 장치는, 물체에 복수의 광을 출사하는 발광부; 및 상기 발광부를 통해 출사된 복수의 광 중 어느 하나를 이용하여 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 수광부를 포함하며, 상기 발광부는, 서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 출사한다.
또한, 상기 발광부는, 복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)와, 상기 복수의 발광 소자를 통해 방사된 광을 각각 회절시키는 회절 광학 소자를 포함한다.
또한, 상기 회절 광학 소자는, 상기 복수의 발광 소자에 대응되게 복수 개로 구성되어, 해당 발광 소자를 통해 방사된 광이 서로 다른 위치에서 포커싱되도록 한다.
또한, 상기 복수의 발광 소자 각각은, 서로 다른 파장을 가지는 광을 발생시키며, 상기 서로 다른 파장을 가지는 광이 발생함에 따라 상기 회절 광학 소자를 통해 회절된 광은 서로 다른 위치에서 포커싱된다.
또한, 상기 표면 광 레이저는, X축과 Y축의 중간 지점에 있는 특정 각도로 회전된 상태에서 상기 광을 발생시킨다.
또한, 상기 수광부는, R, G, B 및 IR 픽셀을 가지는 센서를 포함한다.
한편, 실시 예에 따른 영상 획득 장치의 영상 획득 방법은 서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 발생시키는 단계; 및 상기 발생된 복수의 광 중 어느 하나를 이용하여 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 단계를 포함하며, 상기 획득하는 단계는, 상기 복수의 광 중 대상 물체에서 포커싱되는 광을 이용하여 상기 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 복수의 광을 발생시키는 단계는 복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)에서 동일한 특성의 광을 발생시키는 단계와, 상기 발생한 복수의 광이 서로 다른 위치에서 포커싱되도록 서로 다른 조건 내에서 상기 복수의 광을 각각 회절시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 복수의 광을 발생시키는 단계는 복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)에서 서로 다른 파장을 가지는 광을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예에서는 하나의 카메라를 이용하여 물체의 형태나 색깔 정보의 획득뿐만 아니라, 깊이 정보도 함께 획득함으로써, 부품비용을 절감할 수 있으며, 카메라 간의 조립 오차로 인한 영상 품질 저하 및 보상 알고리즘 적용 등의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 레이저 다이오드를 X축과 Y축의 중간 각도로 회전시켜 이미지 센서에 전달되는 광 점을 대각으로 만들어줌으로써, 상기 이미지 센서에 전달되는 광 점(spot)의 점유 픽셀 수를 증가시켜 깊이 인식률을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 복수의 표면 광 레이저 어레이를 적용하여 카메라를 구성하고, 상기 각각의 표면 광 레이저가 가지는 포커싱 거리를 서로 다르게 적용함으로써, 물체와의 거리에 따라 최적화된 표면 광 레이저를 이용하여 용이하게 깊이 정보를 획득할 수 있다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 3D 영상 획득 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 발광부(110)와 수광부(120)를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 발광부(110)의 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광부를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5 및 6에 도시된 발광 소자(111)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래 기술에 따른 카메라에 입사되는 광 점을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 카메라에 입사되는 광 점을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 획득 장치의 영상 획득 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 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 발명의 실시 예에서의 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.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 영상 획득 장치는, 발광부(110), 수광부(120), 영상 처리부(130) 및 인터페이스부(140)를 포함한다.
발광부(110)는 LD/LED를 사용하는 액티브 발광계이다.
발광부(110)는 깊이 정보, 즉 IR(적외선) 근접광 정보를 취득하는데 필요한 패턴을 뿌려주는 역할을 한다. 이때, 발광부(110)는 일정한 규칙을 가지는 패턴을 3차원으로 복원하고자 하는 객체에 투사한다.
즉, 발광부(110)는 공간적으로 규칙 배열을 가지도록 설계된 IR 근접광 패턴을 뿌려주는 역할을 한다.
수광부(120)는 상기 발광부(110)를 통해 뿌려진 근접광 패턴을 이용하여 컬러 영상과 깊이 정보를 획득한다. 여기에서, 상기 깊이 정보는 IR(적외선) 정보이다.
이때, 상기 수광부(120)는 카메라이며, 본 발명에서는 한 대의 카메라만을 이용하여 상기와 같이 컬러 영상과 함께 IR 영상을 획득한다.
이는, 상기 카메라가 가지는 이미지 센서의 픽셀 배열을 변경시킴에 따라 가능하다.
다시 말해서, 본 발명에서의 수광부(120)는 R, G, B 및 IR 픽셀을 가지게 된다. 이때, 일반적인 이미지 센서의 픽셀은 하나의 R, G 픽셀 당 2개의 G 픽셀을 가지는데, 본 발명에서는 상기 2개의 G 픽셀 중 하나의 픽셀을 상기 IR 픽셀로 변경함으로써 가능하다.
그러나, 이는 본 발명의 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 R, G, B 및 IR 픽셀의 배치는 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
이에 따라, 상기 수광부(120)는 현재 일반적으로 제공되는 RGB 카메라에서 획득되는 컬러 영상보다 하나의 G 픽셀 정보가 부족한 RGB 영상을 획득하게 된다.
또한, 상기 수광부(120)는 IR 영상을 획득하게 된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 수광부(120)는 입사된 광을 감지하고, 상기 감지된 광의 양을 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 방식으로 광을 검출하는 포토 다이오드가 사용될 수 있으며, 상기 수광부(120)에서 검출되는 광은 서로 다른 복수의 종류의 광을 포함할 수 있다.
즉, 상기 수광부(120)에서 수광하는 광은 예를 들어, 가시 영역의 특정 영역에 해당하는 광과, 적외 영역에 해당하는 광을 포함한다.
이에 따라, 상기 수광부(120)는 광 스펙트럼의 가시 영역의 특정 영역에 해당하는 빛, 구체적으로는 적색광, 녹색광, 및 청색광에 대한 색 정보를 추출하는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 색 정보는 RGB 신호 또는 CMY 신호 등이 될 수 있다. 이때, 상기 수광부(120)에는 광에 대한 RGB 신호를 검출하는 RGB 센서가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖에도 광에 대한 색 정보를 검출할 수 있는 광센서가 다양하게 이용될 수 있다.
또한, 상기 수광부(120)는 적외 영역에 해당하는 광(예를 들어, IR 근접광)를 검출하는 포토 다이오드를 더 포함할 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 수광부(120)는 적색광, 녹색광, 청색광 및 IR 근접광에 대응하는 광을 각각 검출할 수 있으며, 이에 따른 RGB 영상과, IR 근접광 영상을 출력할 수 있다.
한편, 상기 수광부(120)는 이미지 센서의 전체 해상도의 1/4에 해당하는 IR 근접광 정보를 획득할 수 있다.
영상 처리부(130)는 상기 수광부(120)를 통해 획득된 RGB 영상과, IR 영상을 이용하여 실질적인 컬러 영상을 획득하고, 이를 처리한다.
이때, 상기 영상 처리부(130)는 demosaicing 기술을 이용하여, 저조도 영상을 개선하기 위한 RGBW 센서를 적용한 기술과 유사하게 상기 G 픽셀이 감소한 정보를 이용하여 컬러 영상을 복원할 수 있다.
즉, 영상 처리부(130)는 IR 근접광 영상을 이용한 깊이 정보 보간 및 상기 IR 근접광 영상과 RGB 영상을 결합하는 역할을 한다.
인터페이스부(140)는 상기 영상 처리부(130)와 다양한 전자기기 사이를 연결한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 영상 획득 장치에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 도 3에 도시된 발광부(110)와 수광부(120)를 나타낸 도면이다.
도 4에서와 같이, 인쇄회로기판(P) 위에는 다양한 소자들이 부착되어 있으며, 상기 다양한 소자들과 함께 발광부(110)와 수광부(120)가 일정 간격을 두고 배치되어 있다.
이때, 수광부(120)는 종래 기술과는 다르게 하나의 단일 개로 구성되어 있으며, 이를 토대로 RGB 영상과 IR 근접광 영상을 모두 획득하게 된다.
도 5는 도 3에 도시된 발광부(110)의 상세 구성도이다.
도 5를 참조하면, 발광부(110)는 발광 소자(111), 렌즈(112) 및 회절 광학 소자(113)를 포함한다.
발광 소자(111)는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode)로 구성될 수 있다.
이때, 바람직하게 상기 발광 소자(111)는 복수 개의 어레이로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 발광 소자(111)는 제 1 발광 소자(1111), 제 2 발광 소자(1112), 제 3 발광 소자(1113), ... , 제 N 발광 소자(111N)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 제 1 내지 N 발광 소자를 포함하는 발광 소자(111)는 표면에서 수직으로 광을 각각 방사한다.
이때, 상기 발광 소자(111)는 표면광레이저(Vcsel)로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 표면광레이저는 다수 개의 광점의 2D 어레이로 구성된 레이저를 의미하며, 이에 따라 상기와 같이 제 1 내지 N 발광 소자를 포함하게 된다.
렌즈(112)는 상기 발광 소자(111)를 통해 방사된 광의 조건을 변경한다. 이때, 렌즈(112)는 콜리메이트 렌즈로 구성될 수 있다.
상기와 같은 렌즈(112)는 후술할 회절 광학 소자(113)와 발광 소자(111) 사이에 형성되며, 그에 따라 상기 광학 소자(113)에서 방사된 광에 대해 상기 회절 광학 소자(113)로 입사하는 광 조건을 평행광으로 만들어준다.
상기 렌즈(112)는 상기 발광 소자(111)를 구성하는 제 1 내지 N 발광 소자의 각각에 대응하게 제 1 내지 N 렌즈(1121, 1122, 1123, ... , 112N)를 포함할 수 있다.
한편, 도면상에는 상기 발광 소자(111)와 회절 광학 소자(113) 사이에는 필수적으로 상기 렌즈(112)가 형성된다고 도시하였으나, 실시 예에 따라 상기 렌즈(112) 없이 상기 발광 소자(111)에서 방사된 빛이 상기 회절 광학 소자(113)에 직접 입사되도록 할 수도 있을 것이다.
회절 광학 소자(113)는 상기 렌즈(112)를 통해 전달되는 광을 회절시켜 출사한다.
상기 회절 광학 소자(113)도, 상기 발광 소자(111) 및 렌즈(112)에 대응하게, 제 1 내지 N 회절 광학 소자(1131, 1132, 1133, ... , 113N)를 포함할 수 있다.
다시 말해서, 제 1 발광 소자(1111)를 통해 출사된 광은, 상기 제 1 렌즈(1121)로 입사되며, 상기 제 1 렌즈(1121)를 통해 출사된 광은 상기 제 1 회절 광학 소자(1131)로 입사된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 발광부(110)는 광을 발생하는 다수 개의 군으로 이루어져 있으며, 그에 따라 상기 다수 개의 군은 각각 상기 설명한 패턴에 대응하는 광을 각각 방사하게 된다.
상기와 같은 발광 소자(111), 렌즈(112) 및 회절 광학 소자(113)를 통해 출사되는 광의 특징을 살펴보면 다음과 같다.
상기 발광 소자(111)는 X-축 방향으로 크고, Y-축 방향으로는 작은 광을 출사한다. 이에 따라, 상기 발광 소자(111)에서 출사된 광은 X축으로 긴 타원형으로 이루어잔다.
상기 렌즈(112)는 상기 발광 소자(111)를 통해 입사된 광을 평행광으로 변경하는데, 이때, 상기 렌즈(112)를 통해 출사되는 광은 상기 발광 소자(11)에서 출사된 광과 마찬가지로 X축의 광 강도분포가 크게 나타난다. 이때, 실시 예에서는 상기 발광 소자(111)와 렌즈(112) 사이에 미러를 형성하고, 이를 토대로 상기 렌즈(112)로 입사되는 광을 사전에 한번 꺾어줌으로써 전체 모듈 크기를 줄일 수도 있을 것이다.
상기 회절 광학 소자(113)에서 출사되는 광은, 상기와 같은 회절에 의해, 입사 광에 대한 광 강도 분포와 다르게 나타난다. 즉, 회절 광학 소자(113)에서 출사되는 광은, 광 강도 분포가 상기 발광 소자(111)나 렌즈(112)에서의 출사 광 강도 분포에 대비하여 X-Y축이 서로 바뀌게 된다.
즉, 상기 회절 광학 소자(113)는 Y축의 광점이 X축보다 길어진 광을 출사한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광부를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광부는, 도 5에 도시된 발광부와 동일하게 제 1 내지 N 발광 소자(1111, 1112, 1113, ... , 111N)와, 제 1 내지 N 렌즈(1121, 1122, 1123, ..., 112N)를 포함한다.
그러나, 회절 광학 소자(210)는 도 5에 도시된 회절 광학 소자와는 달리 상기 다수 개의 렌즈를 통해 출사된 광을 모두 입사할 수 있는 단일 개로 구성된다.
즉, 상기 회절 광학 소자(210)는 단일 개로 구성될 수 있으며, 그에 따라 상기 다수 개의 렌즈를 통해 출사되는 광을 입사 받아 이를 각각 회절시킨다.
한편, 도 6에서도 상기 렌즈가 다수 개로 구성된다고 도시하였으나, 상기 회절 광학 소자(210)와 마찬가지로 단일 개로 구성될 수도 있을 것이다.
다시 말해서, 상기 발광 소자만이 다수의 어레이로 구성된 근접광레이저를 사용함에 따라 다수 개로 구성될 수 있으며, 상기 렌즈나 회절 광학 소자는 단일 개로 구성될 수 있다.
도 7은 도 5 및 6에 도시된 발광 소자(111)를 설명하기 위한 도면이다.
상기와 같이, 발광 소자(111)는 표면광 레이저(VCSEL ; Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이 모듈로 구성된다.
이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이 발광 소자(111)는 인쇄회로기판(P) 위에 다수 개의 표면광 레이저가 부착되어 있으며, 그에 따라 상기 다수 개의 표면광 레이저 각각에서 광이 출력된다.
즉, 기존의 일반적인 레이저는 측면으로 빛을 방사하는 레이저로, X와 Y축의 방사각이 서로 다른 특징을 가진다. 이로 인하여 근접광 방식의 깊이 카메라(IR 카메라)에서 광 점 사이즈의 X-Y 비대칭 광 분포가 발생하게 된다.
이에 반하여, 상기 표면광레이저는 표면에서 수직으로 빛을 방사하는 레이저로, X-Y축의 방사각이 서로 대칭인 특징을 가진다. 상기와 같은 표면광 레이저는 여러 개의 광점이 2D 어레이로 구성된 레이저이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
제 1 실시 예에 따른 발광부에 의하면, 발광 소자(111), 렌즈(112) 및 회절 광학 소자(113)가 모두 표면광 레이저에 대응하게 복수 개로 구성된다.
이에 따라, 제 1 발광 소자(1111), 제 1 렌즈(1121) 및 제 1 회절 광학 소자(1131)가 제 1 군을 이루고, 제 2 발광 소자(1112), 제 2 렌즈(1122) 및 제 2 회절 광학 소자(1132)가 제 2 군을 이루며, 제 3 발광 소자(1113), 제 3 렌즈(1123) 및 제 3 회절 광학 소자(1133)가 제 3 군을 이룬다.
이때, 상기 제 1 군에서 출사되는 제 1 광과, 제 2 군에서 출사되는 제 2 광과, 제 3 군에서 출사되는 제 3 광은 서로 다른 특성을 가진다.
다시 말해서, 상기 제 1 발광 소자(1111), 제 2 발광 소자(1112) 및 제 3 발광 소자(1113)에서는 모두 동일한 광이 출사된다.
그러나, 제 1 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자와, 제2 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자와, 제 3 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자의 특성이 각각 다르며, 이에 따라 최종적으로 상기 제 1 광과, 제 2 광과 제 3 광이 서로 다른 특성을 가지며 출사된다. 이때, 상기 특성은 상기 광이 포커싱되는 물체와의 거리이다.
다시 말해서, 상기 제 1 군에서 출사된 제 1 광은 상기 제 1 군과 Z1만큼 떨어진 위치에서 포커싱되고, 상기 제 2 군에서 출사된 제 2 광은 상기 제 2 군과 Z2만큼 떨어진 위치에서 포커싱되며, 상기 제 3 군에서 출사된 제 3 광은 상기 제 3군과 Z3만큼 떨어진 위치에서 포커싱된다. 이때, 상기 Z1, Z2 및 Z3는 모두 다른 위치인 것을 특징으로 한다.
결론적으로, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 1 군은 Z1에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 1 렌즈(1121)와 제 1 회절 광학 소자(1131)가 설계된다.
또한, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 2 군은 Z2에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 2 렌즈(1122)와 제 2 회절 광학 소자(1132)가 설계된다.
또한, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 3 군은 Z3에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 3 렌즈(1123)와 제 3 회절 광학 소자(1133)가 설계된다.
한편, 상기와 같은 군의 수는 임의 조합이 가능하다.
상기와 같은 방법으로, 여러 군의 발광 소자, 렌즈 및 회절 광학 소자의 조합을 통하여 특정 물체 거리에서 포커싱되어 되돌아오는 광 패턴을 확인함으로써 깊이를 인식할 수 있다.
따라서, Z1 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 1 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 하고, Z2 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 2 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 하고, Z3 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 3 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 한다.
이때, 물체의 거리에 따라 상기 각각의 광에 대한 포커싱 상태가 다르므로, 상기 제 1 내지 3 광의 대한 상태를 확인하여 현재 물체의 거리에 최적화되어 포커싱된 광을 확인하고, 이를 토대로 깊이 정보를 획득할 수 있다. 상기 상태는 에지 검출 방법 등을 통해 화질 상태를 확인함으로써 판단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
제 2 실시 예에 따른 발광부에 의하면, 발광 소자(111), 렌즈(112)가 복수 개로 구성될 수 있으며, 회절 광학 소자(210)는 단일 개로 구성될 수 있다.
이에 따라, 제 1 발광 소자(1111), 제 1 렌즈(1121) 및 회절 광학 소자(210)가 제 1 군을 이루고, 제 2 발광 소자(1112), 제 2 렌즈(1122) 및 회절 광학 소자(210)가 제 2 군을 이루며, 제 3 발광 소자(1113), 제 3 렌즈(1123) 및 회절 광학 소자(210)가 제 3 군을 이룬다.
이때, 상기 제 1 군에서 출사되는 제 1 광과, 제 2 군에서 출사되는 제 2 광과, 제 3 군에서 출사되는 제 3 광은 서로 다른 특성을 가진다.
다시 말해서, 상기 제 1 발광 소자(1111), 제 2 발광 소자(1112) 및 제 3 발광 소자(1113)는 모두 서로 다른 특성을 가지며, 이로 인해 상기 제 1 내지 3 발광 소자에서는 서로 다른 광이 출사된다. 이때, 상기 특성은 파장(λ)이다.
즉, 상기 제 1 발광 소자(1111)의 파장은 λ1이고, 상기 제 2 발광 소자(1112)의 파장은 λ2이며, 상기 제 3 발광 소자(1113)의 파장은 λ3이다.
이에 따라, 제 1 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자와, 제2 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자와, 제 3 군에 포함된 렌즈 및 회절 광학 소자를 토대로 최종적으로 출사되는 상기 제 1 광과, 제 2 광과 제 3 광이 서로 다른 특성을 가지며 출사된다. 다시 말해서, 상기 제 1 광, 제 2 광 및 제 3 광이 포커싱되는 거리는 서로 다르게 나타난다.
다시 말해서, 상기 제 1 군에서 출사된 제 1 광은 상기 제 1 군과 Z1만큼 떨어진 위치에서 포커싱되고, 상기 제 2 군에서 출사된 제 2 광은 상기 제 2 군과 Z2만큼 떨어진 위치에서 포커싱되며, 상기 제 3 군에서 출사된 제 3 광은 상기 제 3군과 Z3만큼 떨어진 위치에서 포커싱된다. 이때, 상기 Z1, Z2 및 Z3는 모두 다른 위치인 것을 특징으로 한다.
결론적으로, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 1 군은 Z1에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 1 발광 소자(1111)가 설계된다.
또한, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 2 군은 Z2에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 2 발광 소자(1112)가 설계된다.
또한, 상기와 같은 광 점 배열 중에 제 3 군은 Z3에 해당하는 위치의 물체에 포커싱되도록 상기 제 3 발광 소자(1113)가 설계된다.
한편, 상기와 같은 군의 수는 임의 조합이 가능하다.
이때, 근거리에는 약한 광량이 필요하므로, 상기 발광 소자의 광 점의 수가 적거나, 낮은 파워의 발광 소자를 사용할 수 있으며, 원거리에는 강한 광량이 필요하므로, 상기 발광 소자의 광 점의 수를 많게 하거나, 높은 파워의 발광 소자를 사용할 수도 있다. 또한, 이는 하나의 예시이며, 동일한 개수나 동일한 파워를 가진 발광 소자의 조합도 가능할 것이다.
상기와 같은 방법으로, 여러 군의 발광 소자, 렌즈 및 회절 광학 소자의 조합을 통하여 특정 물체 거리에서 포커싱되어 되돌아오는 광 패턴을 확인함으로써 깊이를 인식할 수 있다.
따라서, Z1 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 1 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 하고, Z2 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 2 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 하고, Z3 거리에 있는 물체에 대해서는 상기 제 3 광을 이용하여 IR 근접광 영상을 획득함으로써, 깊이 정보를 획득하도록 한다.
이때, 물체의 거리에 따라 상기 각각의 광에 대한 포커싱 상태가 다르므로, 상기 제 1 내지 3 광의 대한 상태를 확인하여 현재 물체의 거리에 최적화되어 포커싱된 광을 확인하고, 이를 토대로 깊이 정보를 획득할 수 있다. 상기 상태는 에지 검출 방법 등을 통해 화질 상태를 확인함으로써 판단할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 발광부의 광 분포를 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 11은 종래 기술에 따른 카메라에 입사되는 광 점을 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 카메라에 입사되는 광 점을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 발광 소자(111)를 통해 출사되는 광의 방사각은 X축 방향으로 크고, Y축 방향으로 작다. 따라서, 상기 발광 소자(110)를 통해 출사된 광은 X축으로 긴 타원형을 가진다.
또한, 중간의 광소자인 렌즈(112)를 통해 통과한 후의 광 분포는 상기 발광 소자(110)와 동일하게 X축으로 강도가 크게 나타난다.
이때, 상기 회절 광학 소자(113)를 통해 출사되는 광은 상기 발광 소자(111)와 렌즈(112)와는 다르게 Y축으로 강도가 크게 나타난다. 즉, Y축 광 점이 X축보다 길어진다.
이러한 광 점이 물체에 맞고 되돌아 상기 수광부(120)에 입사되는데, 일반적으로 수광부(120)의 이미지 센서의 수평 방향과, 상기 발광 소자(111)의 수평 방사각(X축)이 서로 일치하게 배치된다.
이때, 이미지 센서의 수평 배치를 상기 발광 소자(111)의 X축 혹은 Y축으로 배치하는 경우, 상기 이미지 센서에 떨어지는 광 점은 한 방향으로 과점되고, 다른 한 방향으로는 적은 픽셀을 점유하게 된다. 이 경우, 광 점이 점유하는 픽셀 수가 낮아져 깊이 정보의 인식률을 떨어뜨리게 된다.
즉, 도 11에서와 같이, 발광 소자(111)의 X축과 수광부(120, 명확하게는 이미지 센서)의 수평 방향이 일치하는 경우, 상기 광 점은 세로 방향으로 3개의 픽셀에 점유되고, 이와 반대로 상기 발광 소자(111)의 Y축과 수광부(120)의 수평 방향이 일치하는 경우, 상기 광 점은 가로 방향으로 3개의 픽셀에 점유된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 발광 소자(111)를 X축과 Y축의 중간 각도로 회전시킴으로써, 상기 수광부(120)에 점유되는 광 점을 대각으로 만들고, 이에 따라 상기 광 점이 점유하는 센서 픽셀 수를 증가시키도록 한다.
즉, 도 12에서와 같이, 상기 발광 소자(111)를 X축과 Y축 사이에 존재하는 특정 각도로 회전시키면, 상기 수광부(120)에 점유되는 광 점이 대각으로 변하고 그에 따라, 상기 광 점이 점유하는 픽셀 수도 최소 4개로 증가하게 된다.
따라서, 상기 광 점이 점유하는 픽셀 수가 증가함으로써, 깊이 인식률을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은, 본 발명에 따른 실시 예에서는 하나의 카메라를 이용하여 물체의 형태나 색깔 정보의 획득뿐만 아니라, 깊이 정보도 함께 획득함으로써, 부품비용을 절감할 수 있으며, 카메라 간의 조립 오차로 인한 영상 품질 저하 및 보상 알고리즘 적용 등의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 레이저 다이오드를 X축과 Y축의 중간 각도로 회전시켜 이미지 센서에 전달되는 광 점을 대각으로 만들어줌으로써, 상기 이미지 센서에 전달되는 광 점(spot)의 점유 픽셀 수를 증가시켜 깊이 인식률을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 복수의 표면 광 레이저 어레이를 적용하여 카메라를 구성하고, 상기 각각의 표면 광 레이저가 가지는 포커싱 거리를 서로 다르게 적용함으로써, 물체와의 거리에 따라 최적화된 표면 광 레이저를 이용하여 용이하게 깊이 정보를 획득할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 획득 장치의 영상 획득 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 먼저 발광부(110)는 복수의 근접광을 방사한다(101단계). 이때, 상기 방사되는 복수의 구조광은 모두 서로 다른 특성을 가진다. 다시 말해서, 상기 발광부(110)는 서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 방사한다.
이후, 수광부(120)는 상기 방사되는 복수의 근접광을 수신한다(102단계).
다음으로, 수광부(120)는 상기 수신된 복수의 근접광 각각에 대한 RGB 영상과, IR 근접광 영상을 획득하고 이를 전달한다. 그러면, 영상 처리부(130)는 상기 각각의 근접광에 대응하여 획득된 영상을 이용하여, 물체와의 거리에서 포커싱된 근접광을 선택하고, 이를 토대로 이에 대응하는 영상을 이용하여 입체 영상을 생성한다(103단계).
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.
110: 발광부
111: 발광소자 112: 렌즈 113: 회절 광학 소자
120: 수광부
130: 영상 처리부
140: 인터페이스부

Claims (9)

  1. 물체에 복수의 광을 출사하는 발광부; 및
    상기 발광부를 통해 출사된 복수의 광 중 어느 하나를 이용하여 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 수광부를 포함하며,
    상기 발광부는,
    서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 출사하는
    영상 획득 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)와,
    상기 복수의 발광 소자를 통해 방사된 광을 각각 회절시키는 회절 광학 소자를 포함하는
    영상 획득 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자는, 상기 복수의 발광 소자에 대응되게 복수 개로 구성되어, 해당 발광 소자를 통해 방사된 광이 서로 다른 위치에서 포커싱되도록 하는,
    영상 획득 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 발광 소자 각각은,
    서로 다른 파장을 가지는 광을 발생시키며,
    상기 서로 다른 파장을 가지는 광이 발생함에 따라 상기 회절 광학 소자를 통해 회절된 광은 서로 다른 위치에서 포커싱되는
    영상 획득 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 표면 광 레이저는,
    X축과 Y축의 중간 지점에 있는 특정 각도로 회전된 상태에서 상기 광을 발생시키는
    영상 획득 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    R, G, B 및 IR 픽셀을 가지는 센서를 포함하는
    영상 획득 장치.
  7. 서로 다른 위치에서 포커싱되는 복수의 광을 발생시키는 단계; 및
    상기 발생된 복수의 광 중 어느 하나를 이용하여 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 단계를 포함하며,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 복수의 광 중 대상 물체에서 포커싱되는 광을 이용하여 상기 컬러 영상 및 깊이 정보를 획득하는 단계를 포함하는
    영상 획득 장치의 영상 획득 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 광을 발생시키는 단계는
    복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)에서 동일한 특성의 광을 발생시키는 단계와,
    상기 발생한 복수의 광이 서로 다른 위치에서 포커싱되도록 서로 다른 조건 내에서 상기 복수의 광을 각각 회절시키는 단계를 포함하는
    영상 획득 장치의 영상 획득 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 광을 발생시키는 단계는
    복수의 발광 소자로 구성되는 표면 광 레이저(Vcsel)에서 서로 다른 파장을 가지는 광을 발생시키는 단계를 포함하는
    영상 획득 장치의 영상 획득 방법.
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