KR100264393B1

KR100264393B1 - 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템

Info

Publication number: KR100264393B1
Application number: KR1019980002787A
Authority: KR
Inventors: 권인소; 이두현
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2000-08-16
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: US6411327B1; KR19990068886A

Abstract

본 발명은 프리즘과 1대의 카메라를 사용하여 한 프레임으로 스테레오 영상(stereo image)을 얻고 카메라로부터 대상물까지의 거리를 측정할 수 있는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 3차원 거리정보를 측정하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 있어서, CCD 카메라(1,1a ; Charge Coupled Device Camera)와, 상기 CCD 카메라(1,1a)의 전방에 배치되어 있으며 3차원 공간상의 점들을 같은 물리적 특성을 갖는 변환된 다수의 점들로 상기 CCD 카메라(1,1a)에 투영시키는 프리즘(2,3 ; prism)을 포함하고, 상기 프리즘(2,3)에 의해 상기 CCD 카메라(1,1a)에 투영되어 형성된 스테레오 영상(stereo image)에서 대응되는 상기 다수의 점들로부터 3차원 거리정보를 측정할 수 있으며, 상기 프리즘(2,3)은 베이스면(21)과, 상기 베이스면(21)에 대해 제1경사각(α1)을 갖는 제1경사면(22) 및, 상기 베이스면(21)에 대해 제2경사각(α2)을 갖는 제2경사면(23)을 갖는 바이프리즘(2 ; biprism)이 사용되거나, 베이스면(31)과 상기 베이스면(31)에 대해 120。간격으로 경사각을 갖는 3개의 경사면(32,33,34)을 갖는 트라이프리즘(3 ; triprism)이 사용되는 것을 특징으로 하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템이 제공된다.

Description

프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템

본 발명은 프리즘(prism)에 의한 스테레오 카메라 시스템(stereo camera system)에 관한 것이며, 특히, 컴퓨터 비전 등에 스테레오 영상(stereo image)을 제공하는데 사용되는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 컴퓨터 비전에 사용되는 스테레오 카메라 시스템은 2대의 CCD 카메라(11,12 ; charge coupled device)를 이용하고 있다. 즉, 각각의 CCD 카메라(11,12)로부터 영상을 얻어 대상물체의 한점(13)까지의 거리를 측정하는 방법을 사용하고 있다. 또한, 이런 방법은 CCD 카메라(11,12) 및 대상물체의 한점(13)과의 기하학적인 관계와 삼각측정법을 이용하여 대상물체의 한점(13)까지의 거리를 측정하고 있다. 이렇게 기하학적인 방법을 이용하여 거리를 측정하기 위해서는 각각의 CCD 카메라(11,12)의 변수인 초점거리 및 CCD 사양을 알아야 하고 또한 CCD 카메라(11,12)의 기하학적인 관계를 알아야 한다. 또한, 이런 종래기술의 카메라 시스템은 비전보드에 의해 하나의 CCD 카메라(11)로부터 영상을 잡은 후 다른 CCD 카메라(12)의 영상을 순차적으로 잡도록 구성되어 있다.

이렇게 구성된 종래기술의 카메라 시스템을 이용한 영상은 도 2에 도시되어 있다. 도 2 좌측부위의 영상은 한 쪽의 CCD 카메라(11)로부터 잡은 것이고, 우측부위의 영상은 다른 쪽의 CCD 카메라(12)로부터 잡은 것으로서, 대응점이 같은 열(row)상에 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다. 즉, 이렇게 대응점이 같은 열(row)상에 존재하지 않기 때문에 대응점을 찾는데 큰 탐색영역을 가지고 찾아야 하며, 또한 2대의 CCD 카메라(11,12)의 렌즈의 광학특성 및 빛의 양을 조절하는 조리개의 양도 서로 다르기 때문에 영상의 밝기차를 유발하게 된다. 이로 인해, 대응점을 찾는 시간이 많이 소요되고 서로 대응되는 점간의 신뢰성이 떨어지며, 이런 시스템을 이용하는 장비의 구성이 복잡해진다는 단점이 있다.

또한, 이런 종래기술의 카메라 시스템은 하나의 CCD 카메라(11)에서 잡은 영상을 기준으로 다른 CCD 카메라(12)에서 잡은 영상을 비교하도록 구성되어 있으므로 대상물체의 한점(13)의 위치가 변경되면 삼각측정법을 적용할 수가 없기 때문에, 고정된 물체에 대해서는 적용이 가능하지만 움직이는 물체에 대해서는 적용할 수가 없다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 프리즘과 1대의 카메라를 사용하여 한 프레임으로 스테레오 영상(stereo image)을 얻고 카메라로부터 대상물까지의 거리를 측정할 수 있는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스테레오 카메라 시스템의 구성도이고,

도 2는 도 1에 도시된 스테레오 카메라 시스템에 의해 얻은 영상을 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성도이고,

도 4는 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성요소인 바이프리즘의 사시도이고,

도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 바이프리즘에 의해 스테레오 영상을 얻는 원리를 도시한 도면이고,

도 6은 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 의해 얻은 영상을 도시한 도면이고,

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성도이고,

도 8은 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성요소인 트라이프리즘의 사시도이며,

도 9는 도 7에 도시된 트라이프리즘에 의해 스테레오 영상을 얻는 원리 및 얻은 영상을 도시한 도면.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : CCD 카메라 2 : 바이프리즘

21,31 : 베이스면 22,23,32,33,34 : 경사면

24,24a,25,25a,26,26a,26b : 한점

α1,α2 : 경사각 D,d : 거리

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 3차원 거리정보를 측정하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 있어서, CCD 카메라와, 상기 CCD 카메라의 전방에 배치되어 있으며 3차원 공간상의 점들을 같은 물리적 특성을 갖는 변환된 다수의 점들로 상기 CCD 카메라에 투영시키는 프리즘을 포함하며, 상기 프리즘에 의해 상기 CCD 카메라에 투영되어 형성된 스테레오 영상에서 대응되는 상기 다수의 점들로부터 3차원 거리정보를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 프리즘은 베이스면과, 상기 베이스면에 대해 제1경사각을 갖는 제1경사면 및, 상기 베이스면에 대해 제2경사각을 갖는 제2경사면을 갖는 바이프리즘으로서, 3차원 공간상의 한점을 같은 물리적 특성을 갖는 변환된 두점으로 상기 CCD 카메라에 투영시키므로써 형성된 스테레오 영상에서 대응되는 상기 두점으로부터 3차원 거리정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 프리즘은 베이스면과 상기 베이스면에 대해 120。간격으로 경사각을 갖는 3개의 경사면을 갖는 트라이프리즘으로서, 3차원 공간상의 한점을 같은 물리적 특성을 갖는 변환된 세점으로 상기 CCD 카메라에 투영시키므로써 형성된 스테레오 영상에서 대응되는 상기 세점으로부터 3차원 거리정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템이 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

<제1실시예>

도면에서, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성요소인 바이프리즘의 사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 프리즘에 의해 스테레오 영상을 얻는 원리를 도시한 도면이며, 도 6은 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 의해 얻은 영상을 도시한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템은 1개의 바이프리즘(2)과 1대의 CCD 카메라(1)로 구성되어 있다. 여기에서, 바이프리즘(2)은 CCD 카메라(1)의 앞에 설치되어 있다. 이렇게 배치된 바이프리즘(2)은 베이스면(21)과, 이런 베이스면(21)에 대해 제1경사각(α1)을 갖는 제1경사면(22) 및, 베이스면(21)에 대해 제2경사각(α2)을 갖는 제2경사면(23)을 갖도록 형성되어 있다. 이런 형상을 갖는 바이프리즘(2)에 의해 CCD 카메라(1)로부터 한 장의 영상으로 스테레오 영상을 얻을 수가 있다.

상기와 같은 형상을 갖는 바이프리즘(2)과 CCD 카메라(1)를 이용하여 한 장의 스테레오 영상이 얻어지는 원리를 도 5a 내지 도 5c를 참조로 하여 설명하겠다.

도면에서, 도 5a는 바이프리즘(2)의 베이스면(21)과 제1경사각(α1)을 갖는 제1경사면(22)에 의해 변환되는 영역을 나타낸 것으로서, 3차원 공간상의 한점(24)이 바이프리즘(2)의 제1경사면(22)에 의해 다른 한점(24a)으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5b는 바이프리즘(2)의 베이스면(21)과 제2경사각(α2)을 갖는 제2경사면(23)에 의해 변환되는 영역을 나타낸 것으로서, 3차원 공간상의 한점(25)이 바이프리즘(2)의 제2경사면(23)에 의해 다른 한점(25a)으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 바이프리즘(2)에 의해 가상의 두점으로 변환되는 영역은 도 5c에서 해칭된 부분으로 표시된다. 이런 영역에 있는 대상물체의 한점(26)은 바이프리즘(2)의 제1경사면(22) 및 제2경사면(23)에 의해 두점(26a,26b)으로 변환된다. 즉, 바이프리즘(2)에 의해 3차원 공간상의 한점(26)이 두점(26a,26b)으로 변환되어 CCD 카메라(1)에 투영된다. 이렇게 3차원 공간상의 한점(26)이 두점(26a,26b)으로 변환되어 CCD 카메라(1)에 투영되면 한 장의 영상에 대응점을 이루는 두점(26a,26b)이 존재하게 된다. 이 때, 바이프리즘(2)에 의해 변환된 두점(26a,26b)간의 거리(D)는 바이프리즘(2)으로부터 거리(d)가 크면 클수록 커지게 된다.

이렇게 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템을 이용한 영상은 도 6에 도시되어 있다. 도 6 좌측부위의 영상은 바이프리즘(2)의 제2경사면(23)에 의해 변환된 한점(26b)에 의한 영상이고, 도 6 우측부위의 영상은 바이프리즘(2)의 제1경사면(23)에 의해 변환된 한점(26a)에 의한 영상으로서, 대응점이 같은 열(row)상에 존재한다는 것을 알 수 있다. 또한, 좌우 영상에서 대응점(26a,26b)간의 거리가 바이프리즘(2)으로부터 대상물체의 한점(26)까지의 거리(d)에 비례하게 되고, CCD 카메라(1)의 광학 중심으로부터의 거리에도 비례하게 된다.

<제2실시예>

도면에서, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성도이고, 도 8은 도 3에 도시된 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템의 구성요소인 트라이프리즘의 사시도이며, 도 9는 도 7에 도시된 트라이프리즘에 의해 스테레오 영상을 얻는 원리 및 얻은 영상을 도시한 도면이다.

도 7 및 도 8에 보이듯이, 본 발명의 제2실시예에 따른 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템은 1개의 트라이프리즘(3 ; triprism)과 1대의 CCD 카메라(1a)로 구성되어 있다. 여기에서, 상기 트라이프리즘(3)은 CCD 카메라(1a)의 앞에 설치되어 있다. 이렇게 배치된 트라이프리즘(3)은 베이스면(31)과 이런 베이스면(31)에 대해 120。간격으로 경사각을 갖는 3개의 경사면(32,33,34)을 갖도록 형성되어 있다. 이런 형상을 갖는 트라이프리즘(3)은 제1실시예의 바이프리즘(2)과 같은 원리로 인해 세점으로 변환된다는 것을 도 9를 통해 알 수 있다. 즉, 대응점을 이루는 세점이 존재하며 이런 세점을 지나는 원의 지름이 CCD 카메라(3)로부터 거리에 비례하게 형성된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 이런 베이스면(21)에 대해 본 발명의 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템은 한 개의 프리즘과 한 대의 CCD 카메라를 사용하여 한 장의 영상에서 대응점이 같은 열(row)상에 존재하는 스테레오 영상을 얻을 수 있고, 한 대의 CCD 카메라를 사용하기 때문에 CCD 카메라 렌즈 및 CCD 카메라 셀(cell)이 같은 광학특성을 갖게 되어 서로 대응되는 점이 같은 영상의 밝기값을 가지게 되므로써, 대응점을 찾는 속도 및 신뢰성이 향상되어 실시간 구현이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에서는 대응점간의 거리가 CCD 카메라로부터의 거리에 비례하도록 구성되어 있으므로, CCD 카메라로부터 대상물까지의 거리를 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템은 한 대의 CCD 카메라를 사용하기 때문에 움직이는 물체에 대해서도 적용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템은 대응점이 같은 열(row)상에 존재하는 스테레오 영상을 얻을 수 있기 때문에, 이런 특징을 갖는 카메라 시스템을 이용하는 장치의 구성이 단순화된다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

카메라로부터 피사체까지의 거리를 측정하기 위한 스테레오 영상을 제공하는 스테레오 카메라 시스템에 있어서,

CCD 카메라(1 ; Charge Coupled Device Camera)와, 상기 CCD 카메라(1)의 렌즈의 전방에 배치되어 있으며 3차원 공간상의 점들을 같은 물리적 특성을 갖는 변환된 다수의 점들로 상기 CCD 카메라(1)에 투영시키는 프리즘(2 ; prism)을 포함하며,

상기 프리즘(2)은 베이스면(21)과, 상기 베이스면(21)에 대해 제1경사각(α1)을 갖는 제1경사면(22) 및, 상기 베이스면(21)에 대해 제2경사각(α2)을 갖는 제2경사면(23)을 갖는 바이프리즘(biprism)이며,

상기 베이스면(21)은 피사체를 향하게 배치되고, 상기 제1경사면(22) 및 상기 제2경사면(23)은 상기 CCD 카메라(1)의 렌즈를 비스듬히 향하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 프리즘에 의한 스테레오 카메라 시스템.