KR100230447B1 - 2차원 연속영상의 3차원 영상 변환 장치 및 방법 - Google Patents

2차원 연속영상의 3차원 영상 변환 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차원 연속영상을 3차원영상으로 변환하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 디지털로 변환된 영상신호를 소정의 블록크기로 나누는 영상블록부, 각 블록의 평균 움직임의 양 및 방향을 측정하는 블록움직임 측정부, 원영상 이전의 소정의 갯수의 프레임을 저장하는 이전 프레임저장부, 각 블록의 움직임의 양에 따라 이전 프레임중에서 한 프레임을 선택하는 블록별 프레임결정부, 블록에 상응하는 선택된 프레임의 블록 데이터를 저장하고, 각 블록의 저장된 데이터를 합성하여 지연영상을 생성하는 블록 데이터 저장 및 합성부, 각 블록의 움직임 벡터를 합성해서 현재 프레임 전체의 움직임벡터를 결정하는 전체움직임 결정부, 영상을 좌우로 이등분할 때, 움직임 방향이 좌/우측이면 원영상을 좌/우측 영상신호로서 출력하고 지연영상을 우/좌측 영상신호로서 결정하는 좌/우측영상결정부 및 좌/우측 영상신호를 아날로그 신호로 변환하는 좌/우측 디지털/아날로그변환기로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 현재 영상 이전의 어느 한 프레임에 의해 지연영상을 생성하지않고 여러 프레임으로부터 영역별 지연영상을 얻고 이들을 합성하여 지연영상을 생성하므로써, 움직임이 적은 영역에 대해서도 입체감을 느낄 수 있는 입체영상을 얻을 수 있다.

Description

2차원 연속영상의 3차원영상 변환장치 및 방법
본 발명은 2차원 영상에서 입체영상을 추출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 연속적인 2차원 영상에서 움직임(motion)을 추출하여, 원영상이외에 또 한장의 지연영상을 만들어 두 장의 영상으로 구성된 입체영상을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 두개의 카메라 즉 입체 카메라(stereoscopic camera)를 사용하지 않고, TV, VCR, CD, HDTV, DVD 등에 있어서 한개의 카메라로 찍은 2D(2-dimension) 영상을 직접 3D(3-dimension) 영상으로 볼 수 있게 하는 기술이다. 더우기, 본 발명의 상업적 이용 범위는 상술한 가전 분야 뿐만 아니고, 초음파, 내시경 등의 비디오 화면을 입체로 볼 수 있게 하는 분야를 포함하여 많은 영역에 사용될 수 있다.
본 발명과 비교되는 종래기술은 일본 산요(SANYO)전기에서 개발한 수정 시간차(Modified Time Differnce:이하에서 MTD라 한다) 방법이다. 도 1은 산요전기가 개발한 MTD 방법의 흐름도를 보여준다. 도 1에 도시된 과정을 자세히 설명하면 다음과 같다.
100단계, 움직이는 영역이 추출된다.
110단계, 움직임의 속도 및 방향이 결정된다.
120단계, 상술한 움직임의 속도 및 방향에 의해, 이전의 한 프레임으로부터 지연방향(delay direction) 및 지연시간(delay time)이 결정된다.
130단계, 결정된 지연방향(delay direction) 및 지연시간(delay time)에 따라 지연된 영상(delay image)이 어떤 쪽의 눈에 보여지는지가 결정된다.
도 2는 카메라의 움직임없이 물체(■)가 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이고 있을 때 왼쪽/오른쪽 영상을 결정하는 방법을 설명하는 도면이다. 즉, MTD 방법에 의하면, 물체(■)가 오른쪽으로 날아가는 도 2에서 보는 바와 같이 왼쪽 눈에 원영상을 보여주고, 오른쪽 눈에 시간 지연된(time-delayed) 영상을 보여줌으로써 양눈 시차를 제공한다. 만일 물체(■)가 왼쪽으로 날아갈 때는 상술한 바와는 반대의 양눈 시차를 제공한다.
그런데, MTD 방법은 움직임 정보에 의해 이전의 K개 프레임(frame) 중에서 1장을 지연된 영상(delayed image)으로 선택하므로, 영상 영역별로 가지고 있는 다른 깊이는 무시된다는 문제점이 있다. 이와같이 영역별로 가지고 있는 다른 깊이를 무시함으로써 결과적으로 입체 영상을 감상할 때 깊이감이 없게 되기 때문에, 예를 들면, 움직이는 물체에 대해서는 입체감이 있으나, 장면의 배경(background)과 같은 움직임이 적은 물체에 대해서는 입체감을 느낄 수 없다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 현재 영상을 소정의 크기를 갖는 블록으로 나누고, 각 블록에 상응하는 수 개의 이전 프레임의 블록 데이터를 합성하여 지연 영상을 생성하므로써, 영상에서 움직임이 적은 부분에서도 입체감을 느끼도록하는 2차원 연속영상의 3차원영상 변환장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 기술에 의한 수정 시간차 방법의 흐름도이다.
도 2는 카메라의 움직임없이 객체가 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이고 있을 때 왼쪽/오른쪽 영상을 결정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 2차원 연속영상의 3차원 변환장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 2차원 연속영상의 3차원 변환 방법의 흐름도이다.
도 5는 저장된 이전 프레임으로부터 지연영상의 생성방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 영상 전체의 움직임 방향에 대한 분리도이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차원 연속영상의 3차원영상 변환장치는 아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 디지털로 변환된 영상신호를 소정의 블록크기로 나누는 영상블록부; 나누어진 각 블록의 평균 움직임의 양 및 방향을 측정하는 블록움직임 측정부; 아날로그/디지털 변환기의 출력인 원영상 이전의 소정의 갯수의 프레임을 아날로그/디지털 변환기로부터 받아서 저장하는 이전 프레임저장부; 블록움직임 측정부에서 측정된 각 블록의 움직임의 양에 따라 저장된 이전 프레임중에서 한 프레임을 선택하는 블록별 프레임결정부; 블록에 상응하는 선택된 프레임의 블록 데이터를 저장하고, 각 블록의 저장된 데이터를 합성하여 지연영상을 생성하는 블록 데이터 저장 및 합성부; 블록움직임 측정부에서 측정된 각 블록의 움직임 벡터를 합성해서 현재 프레임 전체의 움직임벡터를 결정하는 전체움직임 결정부; 영상을 좌우로 이등분할 때, 전체움직임 결정부에서 결정된 전체 움직임 벡터에 의해 결정된 움직임 방향이 좌측이면, 아날로그/디지털 변환기의 출력신호인 원영상을 좌측 영상신호로서 출력하고 블록 데이터 저장 및 합성부의 출력인 지연영상을 우측 영상신호로서 출력하며, 전체 움직임 방향이 우측이면, 원영상을 우측 영상신호로서 출력하고 지연영상을 좌측 영상신호로 출력하도록 결정하는 좌/우측영상결정부; 및 좌/우측영상 결정부에서 출력되는 좌/우측 영상신호를 아날로그 신호로 변환하는 좌/우측 디지털/아날로그변환기를 포함함이 바람직하다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차원 연속영상의 3차원영상 변환방법은 연속되는 2차원 아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 디지털 신호로 변환된 원영상을 소정의 크기의 블록으로 나누고, 나뉘어진 블록에 대한 평균 움직임 벡터를 결정하는 단계; 소정의 이전 영상 프레임을 저장하여 두고, K를 저장된 이전 프레임 갯수, MVj를 현재 영상 프레임에서 각 블록의 움직임 벡터의 크기, MVmax는 현재 영상 프레임의 최대 움직임 벡터의 크기일 때, 수학식 k=K*(MVj/MVmax) 와 같이 결정되는 k번째 이전 영상 프레임을 저장된 이전 영상 프레임으로부터 선택한 다음, j번째 블록에 상응하는 선택된 프레임의 블록 데이터를 저장하는 단계; 저장된 블록 데이터를 합성하여 지연영상을 생성하는 단계; 현재 영상 프레임의 각 블록의 움직임 벡터를 합하여 전체 움직임벡터로 두고, 영상을 좌우로 이등분할 때, 전체 움직임벡터의 방향이 우측방향이면 원영상은 좌측 영상신호로 지연영상은 우측 영상신호로 출력하고, 전체 움직임벡터의 방향이 좌측방향이면 원영상은 우측 영상신호로 지연영상은 좌측 영상신호로 출력하도록 결정된 후, 각각 아날로그 신호로 변환되는 단계를 포함함이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 2차원 연속영상으로부터 3차원영상 생성장치이다. 도 3에 도시된 장치는 아날로그/디지털 변환부(300), 영상블럭부(310), 블록움직임 측정부(320), 이전 프레임 저장부(330), 블록별 프레임 결정부(340), 블록 데이터 저장 및 합성부(350), 전체움직임 결정부(360), 좌/우측영상 결정부(370) 및 좌/우측 디지털/아날로그 변환부(380, 390)로 이루어진다.
아날로그/디지털 변환부(ADC,300)는 2차원 아날로그 영상을 디지털로 변환한다. 영상블럭부(310)는 영상을 NxN 픽셀 크기를 갖는 블록으로 나누는데, 바람직한 N의 값은 3이다. 블록움직임 측정부(320)에서는 각 픽셀의 움직임의 양과 방향을 결정한다. NxN 블록이면 N2개의 픽셀이 있으므로 N2개 픽셀의 움직임을 결정한다. 이전 프레임 저장부(330)에서는 현재 영상 이전 K개의 프레임을 저장한다. 블록별 프레임 결정부(340)는 블록움직임 측정부(320)에서 측정된 각 블록별 움직임에 따라, 각 블록에 대해 이전 프레임 저장부(330)에 저장되어 있는 K개의 프레임중 하나를 결정한다. 블록 데이터 저장 및 합성부(350)는 블록별 프레임 결정부(340)에서 결정된 이전 프레임의 해당 블록 데이터들을 추출, 저장 및 합성하여 지연영상을 만든다. 전체 움직임결정부(360)에서는 각 블록의 움직임을 합하여 전체 영상의 움직임벡터를 구한다. 좌/우측 영상 결정부(370)는 전체 움직임결정부(360)에서 구해진 움직임 벡터에 의해 결정되는 움직임 방향에 따라 ADC(300)의 출력인 원 영상과 블록합성부(350)의 출력인 지연영상중에서 어느 영상을 어느 쪽 눈에 보일 것인지를 결정한다. 좌/우측 디지털/아날로그 변환기(DAC, 380, 390)는 좌/우측 영상결정부(370)에서 출력되는 좌/우측 영상을 아날로그 영상신호로 변환한다.
한편, 도 1에 도시된 장치의 동작을 도4에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다. 먼저, 2D 영상신호는 ADC(300)를 거쳐서 디지털 신호로 변환되고(400단계), 영상블럭부(310)를 통해 NxN크기를 갖는 블록으로 나누어진다(410단계). 나누어진 각 블록은 블록움직임 측정부(320)를 통해 공지의 광류(optical flow) 측정법 또는 MPEG(Motion Picture coding Experts Group)1,2에서 사용되는 블록매칭 방법등을 사용하여 각 블록의 픽셀에 대한 움직임의 양과 방향이 결정된다(420단계). 본 발명에서는 각 블록의 N2개의 픽셀에 대한 움직임의 평균을 그 블록의 움직임값으로 사용한다. i번째 블록의 움직임의 평균은 다음과 같다.
[수학식1]
Figure kpo00001
영상크기가 WxH라면 블록번호 i는 i=1,…,(W/N)x(H/N)이다.
영상의 깊이는 움직임의 양과 관계가 있다. 카메라가 움직이고, 촬상화면(scene)의 움직임이 없을 때, 움직임의 양은 영상의 깊이와 반비례한다. 가까운 물체는 움직임이 크고 먼 물체는 상대적으로 움직임이 작다. 또한 카메라가 정지되어 있고, 영상에서 움직이는 물체가 있을 때, 가까운 물체는 빨리 움직이고, 먼 물체는 천천이 움직인다.
상기와 같이 각 블록의 움직임의 양 및 방향이 결정되면 블록별 프레임 결정부(340)를 통해 현재 프레임의 각 블록에 대해 이전 프레임 저장부(330)에 저장되어있는 K개의 이전 프레임중에서 한 프레임이 선택된다. 선택방법은 다음과 같다. (W/N)x(H/N)개의 블록들에서 얻어진 움직임의 크기중 최대값을 MVmax라고 하고 최소값은 0으로 정한다. K는 이전 프레임의 갯수를 나타낸다. 현재 프레임 Ic의 바로 전 프레임을 Ic-1이라 하면, k번째의 이전 프레임은 Ic-k가 되고, 그 때의 k는 다음식과 같이 결정된다.
[수학식2]
k=K*(MVi/MVmax)
여기서 i는 블록의 번호이며, k는 소수점이 반올림된 값이다.
블록 데이터 저장 및 합성부(350)를 통해서 현재 프레임의 각 블록에 대해, 수학식 2에 의해 결정되는 이전 프레임 Ic-k의 해당 블록 데이터가 저장된다. 영상크기가 WxH라 하면 (W/N)x(H/N)개의 블록 데이터가 저장된 다음(430단계), 합성되어 입체영상에 필요한 지연영상으로 만들어진다. 도 5는 지연영상의 예를 도시한 것으로서, K=6인 경우에 6개의 이전 프레임으로부터 각 블록 데이터가 합성되어 지연영상이 만들어진다(440단계).
한편, 블록움직임 측정부(320)를 통해 얻어진 각 블록의 움직임의 양과 방향은 전체 움직임결정부(360)를 통해 모두 합산되어 영상 전체에 대한 움직임의 양 및 방향이 구해진다.
영상을 도 6과 같이 4등분할 때, 좌/우측 영상 결정부(370)를 통해서 전체 움직임방향이 I, IV 영역에 있으면 ADC(300)의 출력인 원영상 Ic를 왼쪽 눈에 보이고, 블록 합성부(350)의 출력인 지연영상 Ic'을 오른쪽 눈에 보이도록 결정된다. 전체 움직임방향이 II, III 영역에 있으면 원영상 Ic를 오른쪽 눈에 보이고, 지연영상 Ic'을 왼쪽 눈에 보이도록 결정된다(450단계).
상술한 바와 같이 좌/우측 영상이 결정되면, 각각의 영상신호는 좌/우측 디지털/아날로그 변환기(380,390)를 거쳐서 좌/우측 아날로그 영상신호로 변환되어 출력된다(460단계).
상술한 과정을 거쳐 모니터에 디스플레이된 입체영상을 감상하기 위해서는 입체영상과 동기시켜주는 입체안경이 필요하다.
본 발명에 의하면, 현재 영상 이전의 어느 한 프레임에 의해 지연영상을 생성하지않고 여러 프레임으로부터 영역별 지연영상을 얻고 이들을 합성하여 지연영상을 생성하므로써, 움직임이 적은 영역에 대해서도 입체감을 느낄 수 있는 입체영상을 얻을 수 있다. 이를 TV, VCR, DVD, CD등에 이용하여 입체시청가능하도록 할 수 있고, 내시경, 초음파를 이용하는 의료분야에도 적용하여 입체로 영상을 판독하므로써 진단효율을 높일 수 있다.

Claims (3)

  1. 연속되는 2차원 영상을 3차원의 입체적인 영상으로 변환하는 2차원 연속영상의 3차원 영상 변환장치에 있어서,
    아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 디지털로 변환된 영상신호를 소정의 블록크기로 나누는 영상블록부;
    상기 나누어진 각 블록의 평균 움직임의 양 및 방향을 측정하는 블록움직임 측정부;
    상기 아날로그/디지털 변환기의 출력인 원영상 이전의 소정의 갯수의 프레임을 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 받아서 저장하는 이전 프레임저장부;
    상기 블록움직임 측정부에서 측정된 각 블록의 움직임의 양에 따라 상기 저장된 이전 프레임중에서 한 프레임을 선택하는 블록별 프레임결정부;
    상기 블록에 상응하는 상기 선택된 프레임의 블록 데이터를 저장하고, 각 블록의 저장된 데이터를 합성하여 지연영상을 생성하는 블록 데이터 저장 및 합성부;
    상기 블록움직임 측정부에서 측정된 각 블록의 움직임 벡터를 합성해서 현재 프레임 전체의 움직임벡터를 결정하는 전체움직임 결정부;
    영상을 좌우로 이등분할 때, 상기 전체움직임 결정부에서 결정된 전체 움직임 벡터에 의해 결정된 움직임 방향이 좌측이면, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력신호인 원영상을 좌측 영상신호로서 출력하고 상기 블록 데이터 저장 및 합성부의 출력인 지연영상을 우측 영상신호로서 출력하며, 전체 움직임 방향이 우측이면, 원영상을 우측 영상신호로서 출력하고 지연영상을 좌측 영상신호로 출력하도록 결정하는 좌/우측영상결정부; 및
    상기 좌/우측영상 결정부에서 출력되는 좌/우측 영상신호를 아날로그 신호로 변환하는 좌/우측 디지털/아날로그변환기를 포함함을 특징으로하는 2차원 연속영상의 3차원 영상 변환장치.
  2. 연속되는 2차원 영상을 3차원의 입체적인 영상으로 변환하는 2차원 연속영상의 3차원 영상 변환방법에 있어서,
    연속되는 2차원 아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 신호로 변환된 원영상을 소정의 크기의 블록으로 나누고, 상기 나뉘어진 블록에 대한 평균 움직임 벡터를 결정하는 단계;
    소정의 이전 영상 프레임을 저장하여 두고, K를 상기 저장된 이전 프레임 갯수, MVj를 현재 영상 프레임에서 각 블록의 움직임 벡터의 크기, MVmax는 현재 영상 프레임의 최대 움직임 벡터의 크기일 때, 수학식
    k=K*(MVj/MVmax) 와 같이 결정되는 k번째 이전 영상 프레임을 저장된 이전 영상 프레임으로부터 선택한 다음, j번째 블록에 상응하는 상기 선택된 프레임의 블록 데이터를 저장하는 단계;
    상기 저장된 블록 데이터를 합성하여 지연영상을 생성하는 단계;
    상기 현재 영상 프레임의 각 블록의 움직임 벡터를 합하여 전체 움직임벡터로 두고, 영상을 좌우로 이등분할 때, 상기 전체 움직임벡터의 방향이 우측방향이면 상기 원영상은 좌측 영상신호로 지연영상은 우측 영상신호로 출력하고, 전체 움직임벡터의 방향이 좌측방향이면 원영상은 우측 영상신호로 지연영상은 좌측 영상신호로 출력하도록 결정된 후, 각각 아날로그 신호로 변환되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 2차원 연속영상의 3차원영상 변환방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 움직임벡터결정단계는
    상기 원영상을 NxN 크기의 블록으로 구분하는 블록구분단계; 및
    상기 구분된 블록마다, i번째 블록의 평균 움직임 벡터를
    Figure kpo00002
    라 하고, i번째 블록에 속한 각 픽셀 k의 움직임 벡터를
    Figure kpo00003
    라 할 때, 수학식
    Figure kpo00004
    에 의해 상기 각 구분된 블록의 평균 움직임 벡터
    Figure kpo00005
    를 구하는 움직임벡터측정단계로 이루어짐을 특징으로 하는 2차원 연속영상의 3차원영상 변환방법.
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