KR20230123628A - 계층적 정현파 구조광 패턴의 생성방법 및 그 방법을 이용한 구조광 시스템 - Google Patents
계층적 정현파 구조광 패턴의 생성방법 및 그 방법을 이용한 구조광 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법에서는, 레이어 수 결정부가 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수를 결정할 수 있다. 주파수 결정부가 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수를 결정할 수 있다. 패턴 제공부가 레이어 개수 및 공간 주파수에 기초하여 계층적 정현파 패턴을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
Description
본 발명은 계층적 정현파 구조광 패턴의 생성방법 및 그 방법을 이용한 구조광 시스템에 관한 것이다.
3차원 기하정보를 획득하는 광학적 방법은 크게 수동(passive) 방식과 능동(active) 방식으로 나눌 수 있으며, 일반적으로 능동 방식은 수동 방식에 비해 보다 정확하고 빠른 3차원 기하 정보 획득을 가능하게 한다. 능동 방식은 특수한 조명을 채용하는 것이 일반적이며, 레이저나 LCD/DLP 프로젝터 등을 사용하여 대상 표면에 식별 가능한 조명 패턴을 조사하고, 이를 촬영하여 3차원 기하 정보를 추출하는 방식이다.
이 때 조사하는 조명 패턴은 단일 점 또는 단일 선일 수도 있고, 아주 복잡한 패턴이 될 수도 있다. 조사하는 조명 패턴이 단일 점 또는 단일 선인 경우에는 조명 패턴이 담을 수 있는 정보가 부족하여 한 영상으로부터 획득 가능한 3차원 정보가 적은 단점이 있고, 많은 수의 점, 선 또는 띠 모양의 패턴을 한꺼번에 조사하는 경우에는 각 부분패턴(subpattern)들을 서로 구분하기가 어려운 단점이 있다.
많은 수의 패턴을 한꺼번에 조사하고 부분패턴들을 효과적으로 구분하기 위해 무지개 패턴([Tajima and Iwakawa 1990])과 같은 다양한 연속 구조광들과 컬러 순열 패턴([Je et al. 2004b], [Je and Lee 2011], [Je et al. 2012])과 단색 순열 패턴([Je and Park 2020])과 같은 다양한 불연속 구조광들이 제안되었다. 관련 기술들은 아래와 같다.
컬러 순열 구조광 기술들: [Je et al. 2004b], [Je and Lee 2011], [Je et al. 2012].
단색 순열 구조광 기술: [Je and Park 2020]
무지개 구조광 기술: [Tajima and Iwakawa 1990]
정현파 구조광 기술들: [Je et al. 2004a], [제창수 2006], [제창수 2007], [Je and Park 2021]
특히 연속 구조광들 중에서는 정현파 구조광([Je et al. 2004a], [제창수 2006], [제창수 2007], [Je and Park 2021])이 널리 이용되고 있으며, 대표적인 3개 위상천이 정현파 패턴은 도 17과 같다. 3개 위상천이 정현파 패턴의 광도 및 위상 해는 아래 수식으로 표현할 수 있다.
정현파 구조광은 연속 구조광이기 때문에 이론적으로는 매우 많은 부분패턴들을 한꺼번에 식별하는 것이 가능하지만, 저주파 정현파 패턴을 사용하는 경우에는 낮은 SNR로 인해 식별 정확도가 낮게 되므로, 고주파 정현파 패턴을 사용해야 충분한 정밀도의 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 정현파 패턴을 사용할 때, 넓은 영역의 깊이 정보를 한꺼번에 얻고자 하는 경우에는 고주파 패턴을 공간적 또는 시간적으로 반복해서 사용해야 할 필요가 있다. 정현파 패턴을 공간적으로 반복해서 사용하면 복수의 주기를 구분해야 하는 문제가 생기며(언래핑, unwrapping), 시간적으로 반복해서 사용하면 깊이 정보 획득의 비용(시간, 에너지 등)이 증가하게 되는 문제가 있다.
[Je and Park 2021] Changsoo Je and Hyung-Min Park, "Value probability analysis for linear phase estimation in sinusoidal structured-light range imaging," Optics Letters, Volume 46, Issue 3, pp. 476-479, February 1, 2021.
[Je et al. 2004a] Changsoo Je, Sang Wook Lee, and Rae-Hong Park, "Color-Phase Analysis for Sinusoidal Structured Light in Rapid Range Imaging," Proc. 6th Asian Conference on Computer Vision (ACCV 2004), vol. 1, pp. 270-275, Jeju Island, Korea, January 27, 2004.
[Je et al. 2004b] Changsoo Je, Sang Wook Lee, and Rae-Hong Park, "High-Contrast Color-Stripe Pattern for Rapid Structured-Light Range Imaging," Computer Vision - ECCV 2004, LNCS 3021, pp. 95-107, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, May, 2004.
[Je et al. 2012] Changsoo Je, Sang Wook Lee, and Rae-Hong Park, "Colour-Stripe Permutation Pattern for Rapid Structured-Light Range Imaging," Optics Communications, Volume 285, Issue 9, pp. 2320-2331, May, 2012.
[Tajima and Iwakawa 1990] Tajima, J. and Iwakawa, M., 1990, June. 3-D data acquisition by rainbow range finder. In [1990] Proceedings. 10th International Conference on Pattern Recognition (Vol. 1, pp. 309-313). IEEE.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 정현파 구조광을 사용하면서, 고해상도 위상 정보를 정확하게 고속으로 얻기 위해, 계층적 정현파 패턴을 생성하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법 및 시스템을 제공하고, 또한 계층적 정현파 패턴으로부터 위상을 추정하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법 및 시스템을 제공하고, 또한 본 발명은 계층적 정현파 패턴을 이용하여 깊이정보를 획득하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법에서는, 레이어 수 결정부가 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수를 결정할 수 있다. 주파수 결정부가 상기 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수를 결정할 수 있다. 패턴 제공부가 상기 레이어 개수 및 상기 공간 주파수에 기초하여 상기 계층적 정현파 패턴을 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 계층적 정현파 패턴은, 한 주기를 초과하는 정현파 패턴 하나 이상이 포함된 정현파 패턴 레이어와 상기 정현파 패턴과 상기 공간 주파수가 다른 하나 이상의 정현파 패턴이 포함된 하나 이상의 정현파 패턴 레이어를 포함하여, 총 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 계층적 정현파 패턴은, 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상을 이용하여 다른 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상의 중복성을 부분적으로 또는 완전히 제거하는 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 계층적 정현파 패턴을 사용하여 인코딩 또는 디코딩 하고자 하는 최종 패턴 해상도와 상기 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수 및 최저주파수 레이어를 구성하는 하나의 정현파 패턴에 인코딩 하는 주기 개수로부터 하나 이상의 스케일 팩터(인접 레이어간 주파수 비율)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 주파수 결정부는 상기 최저주파수와 상기 스케일 팩터로부터 하나 이상의 상기 공간 주파수를 결정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 계층적 정현파 패턴을 구성하는 하나 이상의 레이어는 주파수는 같고 위상이 서로 천이된 두 개 이상의 정현파 패턴을 포함할 수 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법에서는, 프로젝터가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사할 수 있다. 카메라가 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부가 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 위상 복원부가 상기 영상으로부터 각각의 레이어 별로 위상을 복원하여 복원위상을 제공할 수 있다. 주기 결정부가 최저주파수 레이어부터 최고주파수 레이어까지 주파수 순으로, 상기 복원위상으로 구하는 두 인접 레이어간 위상차로부터 위상의 산출주기를 계층적으로 결정하여, 최종 위상을 결정할 수 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법에서는, 프로젝터가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사할 수 있다. 카메라가 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부가 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출할 수 있다. 깊이 산출부가 상기 최종 위상으로부터 상기 대상체의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보를 제공할 수 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴 생성장치는 레이어 수 결정부, 주파수 결정부 및 패턴 제공부를 포함할 수 있다. 레이어 수 결정부는 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수를 결정할 수 있다. 주파수 결정부는 상기 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수를 결정할 수 있다. 패턴 제공부는 상기 레이어 개수 및 상기 공간 주파수에 기초하여 상기 계층적 정현파 패턴을 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴 생성장치는 위상 천이부를 더 포함할 수 있다. 위상 천이부는 상기 계층적 정현파 패턴의 하나 이상의 레이어에서 두 개 이상의 위상천이 정현파 패턴을 제공할 수 있다
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치는 프로젝터, 카메라 및 위상 산출부를 포함할 수 있다. 프로젝터는 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사할 수 있다. 카메라는 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부는 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출할 수 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치는 프로젝터, 카메라, 위상 산출부 및 깊이 산출부를 포함할 수 있다. 프로젝터는 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사할 수 있다. 카메라는 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부는 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출할 수 있다. 깊이 산출부는 상기 최종 위상으로부터 상기 대상체의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보를 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 깊이 추정장치는 계층적 정현파 패턴 생성장치를 더 포함할 수 있다. 계층적 정현파 패턴 생성장치는 상기 계층적 정현파 패턴을 생성할 수 있다.
위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법, 계층적 정현파 패턴으로부터 위상을 추정하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법 및 계층적 정현파 패턴을 이용하여 깊이정보를 획득하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법을 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
이 밖에도, 본 발명의 실시 예들을 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 새롭게 파악될 수도 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 및 3은 도 1의 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 8은 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴 생성장치를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 계층적 정현파 패턴 생성장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 15의 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 3개 위상천이 정현파 패턴을 나타내는 도면이다.
도 18은 최고주파수 패턴 일부 영역 확대 영상을 나타내는 도면이다.
도 19는 중간 레이어 위상 복원 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 최종 위상 복원 결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 평판 3차원 좌표 복원 결과의 두 개의 점구름(point cloud) 뷰로서, 적당한 뷰(좌) 및 측면 뷰(우)를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3은 도 1의 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 8은 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴 생성장치를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 계층적 정현파 패턴 생성장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 15의 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 3개 위상천이 정현파 패턴을 나타내는 도면이다.
도 18은 최고주파수 패턴 일부 영역 확대 영상을 나타내는 도면이다.
도 19는 중간 레이어 위상 복원 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 최종 위상 복원 결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 평판 3차원 좌표 복원 결과의 두 개의 점구름(point cloud) 뷰로서, 적당한 뷰(좌) 및 측면 뷰(우)를 나타내는 도면이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성 요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하는 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 및 3은 도 1의 계층적 정현파 패턴 생성 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 명세서에서, 계층적 정현파 패턴은 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 것을 특징으로 한다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴 생성 방법에서는, 레이어 수 결정부(100)가 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴(GPT)의 레이어 개수(NL)를 결정할 수 있다(S100). 예를 들어, 계층적 정현 패턴의 레이어의 개수는 4일 수 있고, 레이어의 개수가 4인 경우, 두 개 이상의 레이어는 제1 레이어(L1), 제2 레이어(L2), 제3 레이어(L3) 및 제4 레이어(L4)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(L1)는 제1 정현파 패턴(PT1)이 포함할 수 있고, 제2 레이어(L2)는 제2 정현파 패턴(PT2)을 포함할 수 있다. 또한, 제3 레이어(L3)는 제3 정현파 패턴(PT3)을 포함할 수 있고, 제4 레이어(L4)는 제4 정현파 패턴(PT4)을 포함할 수 있다. 제1 정현파 패턴(PT1) 내지 제4 정현파 패턴(PT4) 각각의 공간 주파수(FR)는 상이할 수 있다. 이 경우, 계층적 정현파 패턴(GPT)은 제1 정현파 패턴(PT1) 내지 제4 정현파 패턴(PT4)을 각각 포함하는 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4)로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴(GPT)은, 한 주기를 초과하는 정현파 패턴 하나 이상이 포함된 정현파 패턴 레이어와 정현파 패턴과 공간 주파수(FR)가 다른 하나 이상의 정현파 패턴이 포함된 하나 이상의 정현파 패턴 레이어를 포함하여, 총 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴(GPT)은, 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상을 이용하여 다른 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상의 중복성을 부분적으로 또는 완전히 제거하는 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 가질 수 있다.
주파수 결정부(200)가 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수(FR)를 결정할 수 있다(S200). 일 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴(GPT)을 사용하여 인코딩 또는 디코딩 하고자 하는 최종 패턴 해상도와 계층적 정현파 패턴(GPT)의 레이어 개수 및 최저주파수 레이어를 구성하는 하나의 정현파 패턴에 인코딩 하는 주기 개수로부터 하나 이상의 스케일 팩터(인접 레이어간 주파수 비율, SF)를 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 주파수 결정부(200)는 최저주파수와 스케일 팩터(SF)로부터 하나 이상의 공간 주파수(FR)를 결정할 수 있다.
예를 들어, 레이어의 개수가 4일 수 있고, 4개의 레이어는 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4)를 포함할 수 있다. 이 경우, 최저주파수 레이어는 제1 레이어(L1)일 수 있고, 스케일 팩터(SF)는 제1 스케일 팩터 내지 제3 스케일 팩터를 포함할 수 있다. 제1 스케일 팩터는 제1 레이어(L1)와 제2 레이어(L2) 사이의 주파수 비율일 수 있고, 제2 스케일 팩터는 제2 레이어(L2)와 제3 레이어(L3) 사이의 주파수 비율일 수 있다. 또한, 제3 스케일 팩터는 제3 레이어(L3)와 제4 레이어(L4) 사이의 주파수 비율일 수 있다. 여기서, 제1 레이어(L1)에 포함되는 제1 정현파 패턴(PT1)의 공간 주파수(FR)가 F1이고, 제1 스케일 팩터가 5이고, 제2 스케일 팩터가 6이고, 제3 스케일 팩터가 6인 경우, 제2 레이어(L2)에 포함되는 제2 정현파 패턴(PT2)의 공간 주파수(FR)는 5ХF1이고, 제3 레이어(L3)에 포함되는 제3 정현파 패턴(PT3)의 공간 주파수(FR)는 5Х6ХF1이고, 제4 레이어(L4)에 포함되는 제4 정현파 패턴(PT4)의 공간 주파수(FR)는 5Х6Х6ХF1일 수 있다.
예를 들어, 프로젝터의 해상도가 1920Х1080 인 경우, 프로젝터 해상도를 최대로 활용하는 동시에 최고의 SNR을 달성하기 위해 프로젝터 해상도에 가까운 계층적 정현파 패턴의 해상도를 설정할 필요가 있을 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 프로젝터의 세로 해상도(1080)에 최적인 계층적 정현파 패턴을 생성할 수 있다. 따라서 세로 방향 인코딩 정현파 패턴을 생성할 수 있다. 본 실시예에서 레이어 개수를 4로 결정한 경우라면, 레이어 간 스케일 팩터(scale factor)는 3개이다. 레이어 간 스케일 팩터를 (5, 6, 6)으로 두고(주파수 오름차순), 최고 주파수 패턴의 한 파장이 프로젝터의 6픽셀에 대응되게 하면, 최종 패턴 해상도는 5Х6Х6Х6=1080 으로 된다. 따라서, 4개 레이어만을 사용하여 최고 주파수 패턴의 파장이 매우 짧으면서도 전체 세로 고해상도에 대해 유일성을 갖는 위상 인코딩 및 디코딩이 가능하다. 도 2는 4개 레이어로 구성되는 계층적 정현파 패턴의 각 레이어에 속하는 정현파 패턴 영상을 하나씩 보여준다. 도 18은 최고주파수 패턴 영상의 일부 영역을 확대하여 보여준다. 도 18을 참조하면, 최고 광도와 최저 광도 사이에 단 두 개의 광도 레벨만 존재하므로, 통상적으로 매우 높은 SNR이 구현 가능함을 알 수 있다.
일 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴(GPT)을 구성하는 하나 이상의 레이어는 주파수는 같고 위상이 서로 천이된 두 개 이상의 정현파 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이어의 개수는 4일 수 있고, 제1 레이어(L1)의 공간 주파수(FR)는 F1일 수 있다. 이 경우, 제1 레이어(L1)는 주파수는 F1이고, 위상이 0, 2π/3 및 -2π/3 만큼 각각 천이된 정현파 패턴을 포함할 수 있다. 위의 방식은 제2 레이어(L2) 내지 제4 레이어(L4)에도 동일하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는, 4개 레이어로 구성되는 계층적 정현파 패턴에서, 각 레이어는 위상이 서로 천이된 3개의 정현파 패턴으로 구성할 수 있다(위상 간격은 2pi/3로 할 수 있다). 이렇게 하면 해당 계층적 정현파 패턴은 기본적으로 총 4Х3=12개의 정현파 패턴으로 구성될 수 있다. 또한, 다른 방식의 위상천이를 적용하는 것도 가능하고(2개 위상천이, 4개 위상천이, 5개 위상천이 등), 위상천이 없이 각 레이어에서 한 개의 정현파 패턴만 포함하는 것도 가능하며, 다른 참조 패턴(균일 패턴, 선형 패턴 등)을 하나 이상의 레이어에 추가하는 것도 가능하다.
패턴 제공부(300)가 레이어 개수(NL) 및 공간 주파수(FR)에 기초하여 계층적 정현파 패턴(GPT)을 생성할 수 있다(S300). 예를 들어, 레이어의 개수가 4인 경우, 계층적 정현파 패턴(GPT)은 제1 정현파 패턴(PT1) 내지 제4 정현파 패턴(PT4)을 각각 포함하는 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT) 생성 방법을 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보(DI)를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5 내지 8은 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 9는 도 4의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 위상 추정 방법에서는, 프로젝터(600)가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴(GPT)을 조사할 수 있다(S110). 예를 들어, 계층적 정현파 패턴(GPT)은 제1 정현파 패턴(PT1) 내지 제4 정현파 패턴(PT4)을 각각 포함하는 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4)로 구성될 수 있다. 이 경우, 프로젝터(600)는 계층적 정현파 패턴(GPT)을 대상체(OB)에 조사할 수 있다.
카메라(700)가 계층적 정현파 패턴(GPT)의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체(OB)에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다(S120). 예를 들어, 정현파 패턴은 제1 정현파 패턴(PT1) 내지 제4 정현파 패턴(PT4)을 포함할 수 있다. 제1 정현파 패턴(PT1)이 대상체(OB)에 조사된 장면에 해당하는 영상은 제1 영상(RPT1)일 수 있고, 제2 정현파 패턴(PT2)이 대상체(OB)에 조사된 장면에 해당하는 영상은 제2 영상(RPT2)일 수 있다. 또한, 제3 정현파 패턴(PT3)이 대상체(OB)에 조사된 장면에 해당하는 영상은 제3 영상(RPT3)일 수 있고, 제4 정현파 패턴(PT4)이 대상체(OB)에 조사된 장면에 해당하는 영상은 제4 영상(RPT4)일 수 있다.
여기서, 대상체의 표면이 정지된 또는 거의 정지된 경우에는 다수 패턴의 순차적 조사 및 영상 촬영이 위상 추정의 정확도에 크게 영향을 주지 않으나, 대상 표면이 동적인 경우에는 상대적으로 고속의 패턴 조사 및 촬영이 이루어질 필요가 있으며, 이 경우 조명과 센서 사이의 동기화가 도움이 될 수 있다.
위상 산출부(800)가 촬영한 영상으로부터 최종 위상(FP)을 산출할 수 있다(S130). 일 실시예에 있어서, 위상 복원부(810)가 영상으로부터 각각의 레이어 별로 위상을 복원하여 복원위상(PS)을 제공할 수 있다(S311). 예를 들어, 위상 복원부(810)는 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4) 각각 별로 위상을 복원하여 복원위상(PS)을 제공할 수 있다.
주기 결정부(820)가 최저주파수 레이어부터 최고주파수 레이어까지 주파수 순으로, 복원위상(PS)으로 구하는 두 인접 레이어간 위상차로부터 위상의 산출주기를 계층적으로 결정하여, 최종 위상(FP)을 결정할 수 있다(S312). 예를 들어, 복수의 레이어들은 제1 레이어(L1) 내지 제4 레이어(L4)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 레이어(L1)가 최저주파수 레이어일 수 있고, 제4 레이어(L4)가 최고주파수 레이어일 수 있다. 주파수 결정부(200)는 제1 레이어(L1) 및 제2 레이어(L2) 사이의 위상차로부터 위상의 산출주기를 결정한 후, 제2 레이어(L2) 및 제3 레이어(L3) 사이의 위상차로부터 위상의 산출주기를 결정할 수 있다. 이후, 주파수 결정부(200)는 제3 레이어(L3) 및 제4 레이어(L4) 사이의 위상차로부터 위상의 산출주기를 결정할 수 있다.
보다 구체적으로 산출주기는 아래의 [수학식1]에 따라 결정될 수 있다.
[수학식1]
여기서, ф는 위상, k는 레이어 번호, s는 스케일 팩터, [ ]는 반올림(round half up) 함수일 수 있다.
도 19는 중간 레이어의 위상 복원 결과를 보여주며, 도 20은 최종 위상 복원 결과를 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 깊이 추정 방법에서는, 프로젝터(600)가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴(GPT)을 조사할 수 있다(S120). 카메라(700)가 계층적 정현파 패턴(GPT)의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체(OB)에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다(S220). 위상 산출부(800)가 촬영한 영상으로부터 최종 위상(FP)을 산출할 수 있다(S320). 깊이 산출부(900)가 최종 위상(FP)으로부터 대상체(OB)의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보(DI)를 제공할 수 있다(S420). 예를 들어, 깊이 산출부(900)는 위상 산출부(800)가 제공하는 최종 위상(FP)에 기초하여 대상체(OB)의 깊이정보(DI)를 산출할 수 있다. 본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 깊이 추정 방법을 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보(DI)를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
최종 복원된 위상 정보로부터 일반적인 기하보정을 통해 보정된 깊이정보 또는 미보정된 깊이정보 획득이 가능하다. 본 발명의 일실시예에서는, 최종 복원된 위상으로부터 1차원 프로젝터 좌표를 얻고, 1차원 프로젝터 좌표와 2차원 카메라 영상 좌표로부터 3차원 기하정보를 획득할 수 있다.
도 21은 평판의 보정된 3차원 좌표 복원 결과의 점구름(point cloud) 뷰를 보여주며 매우 정확하고 정밀한 결과가 나왔음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 하나 이상의 레이어에서 이진 패턴 등과 같은 불연속 구조광 패턴을 사용하는 동시에 하나 이상의 레이어에서 계층적 정현파 패턴을 사용하는 방식으로, 계층적 정현파 구조광을 이용한 위상 추정 및 깊이 정보 획득이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는, 하나 이상의 레이어에서 가로 및 세로 방향 각각에 대해 인코딩한 계층적 정현파 패턴을 사용함으로써 가로 및 세로 방향 각각의 위상 추정이 가능하고, 이를 이용하면 보다 정확한 깊이 정보 추정이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는, 컬러 정현파 패턴 기반 위상 복원 방법[Je et al. 2004a]을 적용하여, 하나 이상의 레이어에 컬러 위상천이 정현파 패턴을 사용하여 해당 레이어에서 컬러 정현파 패턴을 이용한 위상 추정이 가능하며, 이를 최종 위상 추정에 이용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴 생성장치를 나타내는 도면이고, 도 12는 도 11의 계층적 정현파 패턴 생성장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴 생성장치(10)는 레이어 수 결정부(100), 주파수 결정부(200) 및 패턴 제공부(300)를 포함할 수 있다. 레이어 수 결정부(100)는 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴(GPT)의 레이어 개수(NL)를 결정할 수 있다. 주파수 결정부(200)는 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수(FR)를 결정할 수 있다. 패턴 제공부(300)는 레이어 개수(NL) 및 공간 주파수(FR)에 기초하여 계층적 정현파 패턴(GPT)을 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 계층적 정현파 패턴 생성장치(10)는 위상 천이부(310)를 더 포함할 수 있다. 위상 천이부(310)는 계층적 정현파 패턴의 하나 이상의 레이어에서 두 개 이상의 위상천이 정현파 패턴을 제공할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치를 나타내는 도면이고, 도 14는 도 13의 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 위상 추정장치(20)는 프로젝터(600), 카메라(700) 및 위상 산출부(800)를 포함할 수 있다. 프로젝터(600)는 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴(GPT)을 조사할 수 있다. 카메라(700)는 계층적 정현파 패턴(GPT)의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체(OB)에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부(800)는 촬영한 영상으로부터 최종 위상(FP)을 산출할 수 있다. 위상 추정장치(20)는 위상 복원부(810) 및 주기 결정부(820)를 포함할 수 있다. 위상 복원부(810)가 영상으로부터 각각의 레이어 별로 위상을 복원하여 복원위상(PS)을 제공할 수 있다. 주기 결정부(820)가 최저주파수 레이어부터 최고주파수 레이어까지 주파수 순으로, 복원위상(PS)으로 구하는 두 인접 레이어간 위상차로부터 위상의 산출주기를 계층적으로 결정하여, 최종 위상(FP)을 결정할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치를 나타내는 도면이고, 도 16은 도 15의 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 깊이 추정장치(30)는 프로젝터(600), 카메라(700), 위상 산출부(800) 및 깊이 산출부(900)를 포함할 수 있다. 프로젝터(600)는 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴(GPT)을 조사할 수 있다. 카메라(700)는 계층적 정현파 패턴(GPT)의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체(OB)에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영할 수 있다. 위상 산출부(800)는 촬영한 영상으로부터 최종 위상(FP)을 산출할 수 있다. 깊이 산출부(900)는 최종 위상(FP)으로부터 대상체(OB)의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보(DI)를 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 깊이 추정장치(30)는 계층적 정현파 패턴 생성장치(10)를 더 포함할 수 있다. 계층적 정현파 패턴 생성장치(10)는 계층적 정현파 패턴(GPT)을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 계층적 정현파 패턴(GPT)을 이용한 깊이 추정장치(30)를 사용하면 정현파 구조광을 통해 고해상도 위상정보 및 깊이정보(DI)를 정확하게 고속으로 획득할 수 있다.
10: 계층적 정현파 패턴 생성장치
100: 레이어 수 결정부
200: 주파수 결정부 300: 패턴 제공부
600: 프로젝터 700: 카메라
800: 위상 산출부 900: 깊이 산출부
200: 주파수 결정부 300: 패턴 제공부
600: 프로젝터 700: 카메라
800: 위상 산출부 900: 깊이 산출부
Claims (14)
- 레이어 수 결정부가 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수를 결정하는 단계;
주파수 결정부가 상기 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수를 결정하는 단계; 및
패턴 제공부가 상기 레이어 개수 및 상기 공간 주파수에 기초하여 상기 계층적 정현파 패턴을 생성하는 단계를 포함하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 계층적 정현파 패턴은, 한 주기를 초과하는 정현파 패턴 하나 이상이 포함된 정현파 패턴 레이어와 상기 정현파 패턴과 상기 공간 주파수가 다른 하나 이상의 정현파 패턴이 포함된 하나 이상의 정현파 패턴 레이어를 포함하여, 총 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 갖는 것을 특징으로 하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 계층적 정현파 패턴은, 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상을 이용하여 다른 하나 이상의 레이어에서 인코딩 또는 디코딩하는 위상의 중복성을 부분적으로 또는 완전히 제거하는 2개 이상의 정현파 패턴 레이어를 갖는 것을 특징으로 하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 계층적 정현파 패턴을 사용하여 인코딩 또는 디코딩 하고자 하는 최종 패턴 해상도와 상기 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수 및 최저주파수 레이어를 구성하는 하나의 정현파 패턴에 인코딩 하는 주기 개수로부터 하나 이상의 스케일 팩터(인접 레이어간 주파수 비율)를 결정하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 주파수 결정부는 상기 최저주파수와 상기 스케일 팩터로부터 하나 이상의 상기 공간 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 계층적 정현파 패턴을 구성하는 하나 이상의 레이어는 주파수는 같고 위상이 서로 천이된 두 개 이상의 정현파 패턴을 포함하는 계층적 정현파 패턴 생성 방법. - 프로젝터가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사하는 단계;
카메라가 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영하는 단계; 및
위상 산출부가 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출하는 단계를 포함하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 위상 추정 방법은,
위상 복원부가 상기 영상으로부터 각각의 레이어 별로 위상을 복원하여 복원위상을 제공하는 단계;
주기 결정부가 최저주파수 레이어부터 최고주파수 레이어까지 주파수 순으로, 상기 복원위상으로 구하는 두 인접 레이어간 위상차로부터 위상의 산출주기를 계층적으로 결정하여, 최종 위상을 결정하는 단계를 포함하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정 방법. - 프로젝터가 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사하는 단계;
카메라가 상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영하는 단계; 및
위상 산출부가 상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출하는 단계; 및
깊이 산출부가 상기 최종 위상으로부터 상기 대상체의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보를 제공하는 단계를 포함하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정 방법. - 두 개 이상의 레이어로 구성되는 정현파 패턴인 계층적 정현파 패턴의 레이어 개수를 결정하는 레이어 수 결정부;
상기 각 레이어의 정현파 패턴 생성에 사용될 공간 주파수를 결정하는 주파수 결정부; 및
상기 레이어 개수 및 상기 공간 주파수에 기초하여 상기 계층적 정현파 패턴을 생성하는 패턴 제공부를 포함하는 계층적 정현파 패턴 생성장치. - 제10항에 있어서,
계층적 정현파 패턴 생성장치는,
상기 계층적 정현파 패턴의 하나 이상의 레이어에서 두 개 이상의 위상천이 정현파 패턴을 제공하는 위상 천이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계층적 정현파 패턴 생성장치. - 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사하는 프로젝터;
상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영하는 카메라; 및
상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출하는 위상 산출부를 포함하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 위상 추정장치. - 하나 이상의 정현파 패턴을 포함하는 두 개 이상의 레이어로 구성된 계층적 정현파 패턴을 조사하는 프로젝터;
상기 계층적 정현파 패턴의 각 레이어를 구성하는 각 정현파 패턴이 대상체에 조사된 각 장면을 영상으로 촬영하는 카메라;
상기 촬영한 영상으로부터 최종 위상을 산출하는 위상 산출부; 및
상기 최종 위상으로부터 상기 대상체의 보정된(calibrated) 또는 미보정된(uncalibrated) 깊이정보를 제공하는 깊이 산출부를 포함하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치. - 제13항에 있어서,
상기 깊이 추정장치는 상기 계층적 정현파 패턴을 생성하는 계층적 정현파 패턴 생성장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계층적 정현파 패턴을 이용한 깊이 추정장치.
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| KR100714821B1 (ko) | 2005-10-05 | 2007-05-07 | 에이티아이 주식회사 | 단일영상을 이용한 거리영상 획득방법 |
| KR100585272B1 (ko) | 2005-10-27 | 2006-05-30 | 에이티아이 주식회사 | 단색 정현파 위상천이 기반 2개 영상을 이용한 거리영상 획득 장치 및 방법 |
| KR101733228B1 (ko) | 2016-04-28 | 2017-05-08 | 주식회사 메디트 | 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
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| [Je and Lee 2011] Changsoo Je and Sang Wook Lee, "Method for Generating Structured-Light Pattern," United States Patent, 7,929,752, April 19, 2011. |
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