KR20140098556A

KR20140098556A - 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템

Info

Publication number: KR20140098556A
Application number: KR1020130011362A
Authority: KR
Inventors: 정기훈; 이민석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-08
Also published as: KR101439246B1; WO2014119923A1

Abstract

본 발명은 3차원 영상의 획득을 위한 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 센서를 기반으로 복수의 이미지 획득을 통해 초소형화가 가능한 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템에 관한 것이다.

Description

스테레오 스코픽 영상 획득 시스템{Stereo-scopic Type Image Capture System}

최근 게임, 광고, 의료영상, 교육, 군사 등 여러 분야에서 입체 영상을 제공하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 필요성이 크게 요구되고 있으며, 이에 따라 3차원 영상 획득을 위한 다양한 기술의 제안되고 있다.

3차원 영상의 획득을 위해서는 물체를 두 가지 시야를 통해 관찰하여야 하며, 각각의 시야에 대응되는 한 쌍의 센서를 통해 3차원 영상을 구현하는 것이 가장 보편적인 방법이다.

최근에는 단일 센서를 통해 3차원 영상을 획득하는 기술이 제안된 바 있으며, 단일 센서를 통해 3차원 영상을 획득하는 방식은 크게 공간 분할 방식과, 시간 분할 방식으로 나뉜다.

공간 분할 방식은, 두 개의 렌즈(시야)를 사용하며, 센서 하나에 두 개의 영상을 획득하는 방법으로, 상기 방식은 실시간 영상획득에는 유리하나, 렌즈 각각의 영상을 하나의 센서를 통해 획득하게 되어 해상도가 떨어지는 단점이 있다.

시간 분할 방식은, 두 개의 렌즈(시야) 영상을 시간차를 두고 단일의 센서에 전달되도록 하여 각각의 영상이 순차적으로 센서 전체에 전달되어 높은 해상도의 영상 획득이 가능한 장점이 있으나, 각각의 영상이 실시간으로 센서에 전달되지 않아 실시간 영상 전달이 어려운 단점이 있다. 그러나 영상 전달 속도를 빠르게 구현하면 육안으로는 실시간 영상획득이 가능하기 때문에 높은 해상도로 실시간에 가까운 영상 획득이 가능한 시간 분할 방식이 단일 센서 기반의 3차원 영상 획득 기술분야에서 각광받고 있다.

도 1에는 종래의 시간 분할 방식을 이용한 단일 센서 기반의 3차원 영상 획득 장치가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 종래의 시간 분할 방식을 이용한 3차원 영상 획득 장치는, 렌즈(25)를 통해 전달되는 영상을, 제1 홀(28)과 제2 홀(29)을 통해 2가지 시야로 나누고, 셔터(30)를 통해 2가지 시야로 전달되는 영상을 시간차를 두고 센서(22)에 전달하는 구성이 도시되어 있다.

상기와 같은 구성의 영상 획득 장치는 센서 전체에 2가지 시야의 영상이 순차적으로 전달되어 높은 해상도의 영상획득이 가능하기는 하나, 셔터(30)를 통해 제1 홀(28)과, 제2 홀(29)로 전달되는 영상을 선택적으로 개폐하기 때문에 시야각이 감소되는 문제가 있다.

따라서 높은 해상도와, 넓을 시야각을 갖는 시간 분할 방식을 이용한 단일 센서 기반의 3차원 영상 획득 시스템의 기술 개발이 요구되고 있다.

미국등록특허 제5222477호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 두께가 있는 글라스 평판을 통해 영상을 단일 센서에 전달하되, 평판을 회전시켜 평판의 굴절을 통해 복수의 영상을 단일 센서에 전달하게 되는 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템을 제공함에 있다.

특히 평판의 회전을 위한 구동 수단으로는 정전기 방식, 압전소자 방식, 전자기 방식, 또는 열팽창 방식을 적용한 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템은, 평판 형상의 렌즈부; 상기 렌즈부에서 전달되는 영상을 획득하는 센서부; 및 상기 렌즈부의 굴절에 의해 복수의 영상을 상기 센서부에 전달하도록 상기 렌즈부의 영상 입사각을 가변시키는 구동부; 를 포함한다.

또한, 상기 구동부는, 정전기력에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 정전기 방식, 또는 압전소자의 변위에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 압전기 방식, 또는 전자기력에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 전자기 방식, 또는 열팽창 소자에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 열팽창 방식 중 선택되는 어느 하나이다.

또한, 상기 구동부는, 상기 렌즈부가 수용되도록 상기 렌즈부 둘레를 따라 소정거리 이격 형성되는 지지프레임; 및 상기 렌즈부와 상기 지지프레임을 연결하며, 전압 또는 열에 의해 변위가 발생하는 구동기; 를 포함한다.

또한, 상기 구동기는, 하단에 형성되는 제1 층과, 상단에 형성되는 제2 층으로 이루어지며, 상기 제1 층과 제2 층은 열팽창 계수가 서로 다른 재질로 이루어진다.

또한, 상기 구동부는, 저항의 증가를 위해 지그재그 형으로 이루어진다.

아울러, 상기 구동부는, 상기 렌즈부의 둘레에 적어도 하나 이상 구비되며, 복수 개 구비될 경우, 상기 렌즈부의 둘레를 따라 방사상으로 배치된다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템은, 평판 전체에 전달되는 영상을 단일 센서 전체에 전달하며, 평판의 굴절을 통해 복수의 영상을 시간차를 두고 단일 센서에 전달하기 때문에 높은 해상도와 넓은 시야각을 갖는 3차원 영상의 획득이 가능한 효과가 있다.

특히 평판의 회전을 위한 구동수단으로 정전기 방식, 압전소자 방식, 전자기 방식, 또는 열팽창 방식을 적용하여 장치의 소형화가 가능하기 때문에 초소형 영상 획득 장비에 적용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 영상 획득 시스템 단면도
도 2는 본 발명의 영상 획득 시스템 개념도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 영상 획득 시스템 개략도
도 4는 본 발명의 구동부 및 렌즈부 평면도
도 5는 본 발명의 구동부 부분 사시도
도 6은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 구동부 및 렌즈부 평면도
도 7은 본 발명의 구동부 및 렌즈부 제작 방법 단면도

본 발명의 일실시 예에 따른 영상 획득 시스템을 설명하게에 앞서 본 발명의 영상 획득 시스템에 적용된 평판 글라스를 이용한 3차원 영상 획득의 원리에 대해 간단히 언급하기로 한다.

도 2에는 평판 글라스의 영상 굴절을 이용해 단일 센서(카메라)에 두 가지 시야를 전달하도록 하는 영상 획득 시스템의 개념도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 평판 글라스(G)의 두께(t), 회전각도(I) 및 굴절률(n)에 따라 사물(O)의 상기 두 가지 시야의 거리 차(d)가 발생하게 된다. 따라서 상기 거리 차(d)를 갖는 복수의 영상이 평판 글라스(G)의 위치에 따라 시간차를 두고 센서(S)에 전달되며, 센서(S)에 전달되는 복수의 영상을 통해 3차원 영상 획득이 가능하다.

이때, 평판 글라스(G)의 두께(t), 회전각도(I) 및 굴절률(n)에 따른 두 가지 시야의 거리 차(d)는 아래의 식으로 정의될 수 있다.

상기와 같은 원리를 실현하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 영상 획득 시스템에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 영상 획득 시스템(100)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 영상 획득 시스템(100)은, 사물의 영상을 전달하는 렌즈부(110), 렌즈부(110)의 회전을 위한 구동부(120) 및 렌즈부(110)에서 전달되는 영상을 감지하는 센서부(150)를 포함하여 구성된다.

렌즈부(110)는 소정의 두께를 갖는 평판 상으로 이루어지며, 재질은 유리와 같이 영상을 투과시킬 수 있는 투명 재질로 이루어질 수 있다.

구동부(120)는 렌즈부(110)를 지지하기 위한 지지프레임(130)과, 렌즈부(110)와 지지프레임(130)을 연결하며, 전압 또는 온도차에 의해 변위를 발생시키는 구동기(140)로 구성된다. 구동기(140)는 크기의 소형화를 위해 멤스(MEMS, micro electro mechanical systems)로 구성될 수 있다. 일예로, 정전기력(electrostatic force)에 의해 렌즈부(110)를 회동시키는 정전기 방식, 또는 압전소자(piezoelectric element)의 변위에 의해 렌즈부(110)를 회동시키는 압전기 방식, 전자기력(electromagnetic force)에 의해 렌즈부(110)를 회동시키는 전자기 방식, 또는 열팽창 소자(Thermal expansion element)에 의해 렌즈부(110)를 회동시키는 열팽창 방식 등이 적용될 수 있다. 본실시 예에서는 상기 열팽창 방식 중 하나인 바이몰프 방식을 적용한 구동기(140)에 대하여 설명하기로 한다.

센서부(150)는 단일 구성으로 이루어지며, 렌즈부(110)에서 전달되는 영상을 획득하기 위한 통상의 카메라의 구성이 적용될 수 있다. 일예로 센서부(150)는 씨씨디 카메라(charge-coupled device camera)의 구성이 적용될 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명의 일실시 예에 따른 영상 획득 시스템(100)은 지지프레임(130)에 고정된 렌즈부(110)를 구동기(140)를 통해 회전 시켜 렌즈부(110)의 굴절을 통해 두 가지 시야를 확보하고, 상기 두 가지 시야를 센서부(150)에 전달하여 3차원 영상을 획득하게 된다. 따라서 렌즈부(110) 전체에 전달되는 영상을 센서부(150)의 입사면 전체에 전달하도록 하여 높은 해상도와 넓은 시야각을 갖는 3차원 영상의 획득이 가능한 장점이 있다.

도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈부(110) 및 구동부(120)의 결합상태 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 구동부(120)는 지지프레임(130)과, 구동기(140)로 구성된다.

렌즈부(110)는 원형의 평판으로 도시되어 있으나, 영상 획득 시스템의 형상에 따라 다각형 또는 타원형의 평판으로도 이루어질 수 있음은 자명하다.

지지프레임(130)은 구동기(140)가 연결되는 메인프레임(131)과, 메인프레임(131)에서 연장 형성되며, 렌즈부(110)가 수용되도록 렌즈부(110) 둘레에서 소정거리 이격 형성되는 수용프레임(132)과, 렌즈부(110)의 둘레를 감싸도록 형성되는 렌즈프레임(133)으로 이루어진다. 지지프레임(130)은 관찰하고자 하는 부분의 빛만을 통과시키는 조리개 역할을 수행하며, 지지프레임(130)을 토대로 센서부(150)와 렌즈부(110) 간의 정렬을 돕는다.

구동기(140)는 지지프레임(130)의 메인프레임(131)에 결합 고정되는 지지구동기(141)와, 지지구동기(141)에서 연장되어 끝단이 지지프레임(130)의 렌즈프레임(133)에 연결되는 메인구동기(142)로 이루어진다.

이하 바이몰프 방식이 적용된 구동기(140)의 구동 원리에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 메인구동기(142)의 부분 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 메인구동기(142)는, 하단에 형성되는 제1 층(142a)과 상단에 형성되는 제2 층(142b)으로 구성된다. 제1 층(142a)은 평판으로 이루어지며, 제2 층(142b)은 저항을 증가시키기 위해 지그재그 형으로 이루어질 수 있다. 제2 층(142b)의 저항이 증가되면, 낮은 전류에도 발열이 용이한 장점이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 일실시 예에 따른 메인구동기(142)는 바이몰프 방식으로 구성된다. 바이몰프 방식에 대해 설명하면, 열팽창 계수가 다른 두 물체를 결합하고, 전압을 인가하여 발열에 따른 두 물체에 발생하는 응력을 이용해 변위가 발생한다. 바이몰프 방식의 구동기는 변위 회전각이 큰 장점이 있다. 본실시 예에서 제1 층(142a)의 재질은 나이트라이드(Nitride)로 구성되며, 제2 층(142b)의 재질은 알루미늄(Al)으로 구성될 수 있다. 상기와 같은 메인구동기(142)의 구성에 의해 구동기(140)에 전압을 가하게 되면, 메인구동기(142)에 변위가 발생하고, 변위 발생에 따라 렌즈부(110)가 회전하게 된다. 또한 구동기(140)를 바이몰프 방식으로 구현함에 따라 크기의 소형화가 가능한 장점이 있다. 특히 구동기(140)를 센서부(150)와 연동하여 구동기(140)의 미세 제어가 가능함에 따라 연속적인 영상획득이 가능하도록 구성할 수 있다.

이하 구동기(140)의 배치에 따른 렌즈부(110)의 다양한 회전 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 6에는 다양한 실시 예에 따른 구동부 및 렌즈부의 결합상태 평면도가 도시되어 있다.

도 6a에는 단수개의 구동부(120)를 포함하는 렌즈부(110)의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 렌즈부(110)의 어느 한 측에 구동부(120)가 설치되면, 구동부(120)의 변위에 의해 구동부(120)의 길이방향을 회전축으로 하여 렌즈부(110)가 회전하게 된다. 상기와 같이 구동부(120)를 단수 개 구비할 경우 구성이 간단하여 장치의 소형화가 가능한 장점이 있다.

도 6b에는 한 쌍의 구동부(120, 120')를 포함하는 렌즈부(110)의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 렌즈부(110)의 어느 한 측에 제1 구동부(120)가 설치되고, 제1 구동부(120)에 대향되는 렌즈부(110)의 다른 한 측에 제2 구동부(120')가 설치되면, 제1 및 제2 구동부(120)의 변위에 의해 렌즈부(110)의 직경방향을 회전축으로 하여 렌즈부(110)가 회전하게 된다. 이때, 제1 구동부(120)와 제2 구동부(120') 각각의 변위 방향을 서로 반대가 되도록 구성하거나, 제1 구동부(120) 또는 제2 구동부(120')가 순차적으로 변위되도록 구성하는 것이 바람직하며, 단수의 구동부(120)를 갖는 구성에 비해 안정적인 렌즈부(110)의 회전이 가능한 장점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

G : 평판 글라스 O : 사물
S : 센서
100 : 영상 획득 시스템
110 : 렌즈부
120 : 구동부
130 : 지지프레임 131 : 메인프레임
132 : 수용프레임 133 : 렌즈프레임
140 : 구동기 141 : 지지구동기
142 : 메인구동기 142a : 제1 층
142b : 제2 층
150 : 센서부

Claims

평판 형상의 렌즈부;
상기 렌즈부에서 전달되는 영상을 획득하는 센서부; 및
상기 렌즈부의 굴절에 의해 복수의 영상을 상기 센서부에 전달하도록 상기 렌즈부의 영상 입사각을 가변시키는 구동부;
를 포함하는, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는,
정전기력에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 정전기 방식, 또는 압전소자의 변위에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 압전기 방식, 또는 전자기력에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 전자기 방식, 또는 열팽창 소자에 의해 상기 렌즈부를 회동시키는 열팽창 방식 중 선택되는 어느 하나 인, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 렌즈부가 수용되도록 상기 렌즈부 둘레를 따라 소정거리 이격 형성되는 지지프레임; 및
상기 렌즈부와 상기 지지프레임을 연결하며, 전압 또는 열에 의해 변위가 발생하는 구동기; 를 포함하는, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 구동기는,
하단에 형성되는 제1 층과, 상단에 형성되는 제2 층으로 이루어지며,
상기 제1 층과 제2 층은 열팽창 계수가 서로 다른 재질로 이루어지는, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 구동부는,
저항의 증가를 위해 지그재그 형으로 이루어지는, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 렌즈부의 둘레에 적어도 하나 이상 구비되며,
복수 개 구비될 경우, 상기 렌즈부의 둘레를 따라 방사상으로 배치되는, 스테레오 스코픽 영상 획득 시스템.