입체영상 시스템의 원리 및 활용

Report
입체영상 기술의 최신 현황
2012. 6.
3차원 입체영상의 개요
■ 3차원 vs. 3차원입체
 컴퓨터그래픽에서는 2차원적인 평면에 물체의 위치를 바꾸어가며,
혹은 그 밖의 효과를 주어 3차원적 형상을 표현
 3차원 입체 혹은 입체라 부르는 영상은 인간의 시각특성을 이용하
여 실제로 우리가 자연에서 보고 느끼는 현실감, 깊이감을 그대로
표현
 입체를 지각할 수 있는 가장 중요한 요인은 우리가 두눈을 가지고
있기 때문에 가능
 물체를 바라볼때 좌우 두 눈의 망막의 상에는 약간의 차이가 생기는
데 이 차이에 의해서 입체를 느끼게 됨
3D입체영상 특징 및 적용효과
3D 입체영상의 원리
■ 입체시의요인
양안에 의해 생기는 입체감(1)
■ 폭주(convergence)
 어떤 대상을 바라볼때, 양쪽 눈의
시선이 대상을 향해 모이는것
 폭주각의 차이로 인해 입체감 형
성
■ 양안시차(binocular disparity)
 양쪽 눈의 망막에 생기는 상의 차
이로 인해 입체감 형성
양안에 의해 생기는 입체감(2)
■ Two eyes + Brain process = Three dimensions(3D) !
■ 양안시차(binocular disparity)
 인간이 깊이감을 지각하는 가장 큰 실마리는 하나의 물체에대해 좌
우의 눈이 다른 피사체를 봄으로써 생기는 좌우 망막상의 공간적인
차이의 효과
단안에 의해 생기는 입체감(1)
■ 초점조절:
 수정체의 두께 조절을 통한 입체감 형성(2-3m), 먼 곳을 볼때는 얇
게, 가까운 곳을 볼때는 두껍게
단안에 의해 생기는 입체감(2)
■ 운동시차(Motion Parallax) :
 관찰자와 대상자의 상대적 위치 차이에 의한 거리감.
 움직일때, 먼 곳은 느리게, 가까운 곳은 빠르게 변화.
단안에 의해 생기는 입체감(3)
■ 시야의크기(Visual Field Size) :
 한번에 볼 수 있는 범위 크기에 따른 임장감 (Sensation of reality)
형성
단안에 의해 생기는 입체감(4)
■ 망막상의크기:
 크게 보이면 가까운 곳에 있는 것처럼 느끼고 작게 보이면 먼곳에
있는 것처럼 느끼는 것(기억에 의한 효과)
단안에 의해 생기는 입체감(5)
■ 공기투시효과(Aerial Perspective)
 가까운 곳은 선명하게, 먼 것은 흐리게
단안에 의해 생기는 입체감(6)
■ 선원근법(Linear Perspective)
 멀수록 선이 조밀
■ 텍스쳐구배(Texture Gradient)
 멀 수록 시야에 들어오는 상이 조밀하고 많아짐
단안에 의해 생기는 입체감(7)
■ 그림자: 물체에 생기는 명암을 통해 입체감을 형성
 접시에 생긴 그림자에 의해 왼쪽의 작은접시는 움푹하게 들어가 보
이고, 오른쪽의 큰접시는 볼록하게 나와 보임
단안에 의해 생기는 입체감(8)
■ 중복의효과(Overlapping)
 뒤쪽의 것은 앞쪽의 것에 의해서 일부가 덮임
■ 진출색, 후퇴색(advancing color, receding color) 효과
 적색은 가깝게, 청색은 멀게 느껴짐
3D 입체영상 제작 기법
■ 3D 입체영상 제작기법은 인간의 눈이 가로방향으로 약
65mm 떨어져서 존재하는 양안시차(binocular disparity)
는 입체감의 가장 중요한 요인.
■ 좌·우의 눈은 각각 서로 다른 2차원의 상을 보게 되고 이 두
상이 망막을 통해 뇌로 전달되면, 뇌는 이를 정확히 서로 융
합하여 3차원 영상의 원근감과 실재감을 재생하는 것.
 이러한 구조를 스테레오스코피(stereoscopy) 라고 한다.
■ 3D 입체영상을 촬영할 수 있는 기술원리는 양안시차를 이
용하여 두 개의 카메라 렌즈로 담은 두개의 2차원 상을 좌
안과 우안에 따로따로 분리 제시하여 평면의 전후에 입체
감이 있는 공간을 제한하는 것.
3D 입체영상 제작 기법
입체영상 생성기술
■ 입체영상 생성기술은 3차원 계측, 3DTV 카메라, 컴퓨터 그
래픽 기술등이 있음
카메라 방식
3차원 계측기술
레이저 방식
기타 방식
카메라 제작기술
3DTV 카메라
영상획득 기술
모델링 기술
컴퓨터 그래픽
렌더링 기술
애니메이션
[표 1] 입체영상 획득 및 생성 기술
입체영상 생성기술
■ 입체 영상 디스플레이 기술로는 영상을 표시하는 기술 안
경,무안경, 완전 3차원 기술등을 필요로 함
편광 방식
안경 방식
시분할 방식
랜티큘러
무안경 방식
패럴랙스베리어
초다시점
Integral Photography
완전 3차원 방식
Volumetric
홀로그래피
인터랙티브 방식
시점 추적기술
HMD
시스템 기술
CAVE
3D 입체영상 디스플레이 방식
입체영상 획득 및 생성 기술
■ 3차원 계측기술
 입체영상 생성 기술은 크게 입체계측 분야와 입체영상 생성 분야로
나뉨
 입체영상 생성장치 분야는 다시 非광학식과 광학식으로 구분
• 非광학식으로 자주 이용되는 자기 유도법은 자장속의 검출코일
에 유도되는 전류를 가지고 계측하는 것으로 비교적 정확한 측
정이 가능하다.
• 그러나 측정점을 기계적으로 이동해야 하므로 측정하는데 시간
이 많이 걸리는 단점이 있다.
• 광학식에는 능동형과 수동형이 있음. 두 방식의 대부분은 3각
측량의 원리를 사용하고 있다. 즉, 입체 공간상의 두 점에서 물
체상의 점을 생각하는 각도를 어떤 수단으로 계측하여 그것들의
예상각과 두 점 사이의 거리에서 그 점까지의 거리를 계측한다.
입체영상 획득 및 생성 기술
 능동형 계측 방법
• 대상물에 거리 계측의 단서가 되는 패턴을 투영하고 물체 표면
위에 비춰진 그 패턴을 카메라로 촬영하는 것에 의해서 대상물
까지의 거리를 얻는 방법
• 광 spot법, 광 슬릿트법, 광 그리드법, 광 패턴법
 수동 계측법
• 복수의 카메라를 이용해서 대상물을 관찰하여 거리를 구하는 것
• 3각 계측법의 원리를 이용한 것이므로 2대의 카메라 사이 간격
과 2대의 카메라에서 얻어진 좌우의 두 개의 화상에 있어서 대
상물 위의 특징점의 위치에서 그 특징 점의 3차원 위치를 구함
• 경관(경치)화상 등의 옥외 대상물에 대한 거리 계측이 가능
• 그러나 대상물상의 특징 점을 계측 대상으로 하기 때문에 계측
점을 자유로 설정할 수 없으며, 벽면 등과 같은 특징점이 없는
대상물의 위치는 계측할 수 없는 결점이 있음
입체영상 획득 및 생성 기술
■ 3DTV 카메라
 3DTV 카메라의 원리
• 3DTV 카메라는 카메라 몸통 좌우에 7cm 정도의 간격을 두고, 2
개의 촬영용 렌즈를 설치하여 같은 피사체를 촬영하여 동시에 2
장의 화상을 얻을 수 있게 한 특수 카메라이며, 스테레오
Stereo) 카메라라고도 불림
• 두 렌즈는 초점 조절과 노출 조절, 그리고 셔터의 작동이 연동되
도록 설계되어 있다. 입체 카메라로 촬영한 슬라이드나 사진을
스테레오 뷰어로 보면 두 렌즈의 시점 차로 인한 시차로 인해 입
체적으로 피사체의 상이 보이게 됨
입체영상 획득 및 생성 기술
 영상획득 기술
• 영상 획득 기술은 크게 한 대의 카메라를 이용해 촬영된 영상을
획득하는 방법과 한 대 이상의 카메라를 통해 영상을 획득하는
방법으로 나눌 수 있음
• 한 대의 Depth 카메라를 이용한 영상 획득 기술
 한 대의 카메라에 depth센서를 추가시켜 오류 없이 실시간
Depth 맵을 생성하고 이를 이용하여 모델 기반 입체 영상을
획득할 수 있는 방식
 일반적으로 사용하는 방송용 ENG 카메라에서 획득한 RGB
신호와 Z-버퍼 내의 depth 맵을 이용하여 대상 물체와 배경
을 실시간으로 분리 할 수 있음
• 여러 대의 카메라를 이용한 방법
 여러 대의 카메라를 통해 얻어진 영상들을 기하학적으로 교
정하거나 공간적인 합성 등을 통하여 인위적으로 입체감을
느끼게 한 뒤 이를 영상으로 합성하는 방법
입체영상 디스플레이 기술
■ 안경 방식
 장점
• 입체용 특수 안경을 이용한 방식은 비교적 간단하게 입체영상을
구현할 수 있고 색재현성 및 해상도가 우수하며 천연색의 입체
방송영상 구현이 가능하고 동시에 많은 사람이 관람할 수 있음
 단점
• 반드시 특수 안경을 착용해야만 하므로 이용이 번거롭고 입체
관찰 방향은 촬영 방향에만 국한되며, 양안의 시차에 따른 피로
감이 발생한
• 또한 편광 필터로 인하여 밝기가 반 이하로 줄어들기 때문에 화
면이 어둡고, 셔터의 개폐로 인한 깜박거림이 발생
입체영상 디스플레이 기술
 편광방식(Polarized Filter)
• 특정한 방향으로 편광 된 빛만을 통과시키는 기능을 가진 소자
를 편광자라고 함
• 임의의 방향을 가진 빛이 편광자를 만나게 되면 특정한 방향의
편광을 가진 빛만 통과됨
• 빛의 이러한 특성을 이용하여 우리가 보는 영상에 입체감을 갖
도록 하는 방법이 바로 편광 방식임
• 수직 편광 필터의 경우는 빛의 수직 성분만을 통과시키고, 수평
성분은 필터를 통과하지 못하게 됨. 반대로 수평 편광 필터의 경
우는 빛의 수평 성분만을 통과시키고, 수직 성분은 필터를 통과
하지 못하게 됨
• 이를 통해 우리는 각각 원하는 빛의 성분만을 제한적으로 선택
할 수 있다. 영사기 또는 프로젝터 등과 같은 장비의 렌즈 부위
에 각기 직교하는 편광 필터를 부착하고, 관람자도 같은 종류의
필터가 부착된 편광 안경을 사용해야만 사실적인 입체감을 느낄
수 있다.
입체영상 디스플레이 기술
 시분할 방식
• 편광 소자 대신에 빠르게 반복적으로 열고 닫히는 셔터를 안경
에 부착하고 그 주기를 디스플레이 되는 좌 우안용 영상과 동기
시킴으로써 두 영상을 분리하여 입체영상을 구현하는 방식
• 1대의 디스플레이로 입체영상이 표시되며, 고화질의 풀 컬러 표
시가 가능하고, 저가격으로 시스템은 손쉽게 구현할 수 있다는
장점과 여러 사람이 동시에 관찰할 수 있다는 특징이 있음
 적청 방식(Anaglyph Type)
• 눈과 색상의 특성을 이용하여 입체감을 느끼도록 한 방식으로
눈의 좌우에 들어오는 영상의 차이를 이용하여 2차원 평면을 3
차원의 입체로 보이게 하는 것
 농도차 방식
• 좌우 안에 투과율이 다른 필터를 장착하여 움직임이 있는 평면
화상을 관찰하면, 투과율의 차에 따른 지각시간의 차이로 인해
입체감을 느끼게 되는 방식. 이 방식은 운동 성분에서 입체감을
입체영상 디스플레이 기술
■ 無안경 방식
 패럴랙스배리어(parallax barrier) 방식
• 슬릿 상의 광학적인 배리어에 의해 좌우 영상을 분리 하는 방법
• 작은 구멍 혹은 배리어를 사이에 놓고 2점 좌안영상(L)과 우안영상(R)을
들 여다보는 경우를 나타내고 있음
• 양안의 위치에서 보면 우안에서는 점 R만을 좌안에서는 점 L만을 봄
• 또 배리어의 크기를 제한하여 우안에서는 점 L을 볼 수 없도록 한것은 그
림에서 쉽게 이해할 수 있음
• 점 L, R을 좌우 영상의 한 화소라고 가정하고 이 위치에 액정 등의 평면
디스플레이를 사용하며 슬릿도 한 개가 아니고 등간격의 다수의 슬릿을
가지는 패널을 놓는 것으로 무안경 입체 디스플레이를 만들 수 있음
입체영상 디스플레이 기술
 구조에 따른 방식
• 패럴랙스 일루미네이션(parallax illumination) 방식
• 액정 패럴랙스 배리어 방식
 배리어의 형상이나 위치를 다이나믹하게 바꿀 있는 방식
 두 장의 액정 패널을 적층하는 것인데, 뒤쪽 액정 패널은 영
상을 디스플레이하고 앞쪽 액정 패널은 슬릿 배리어로 사용
 사용자에 의한 2D/3D 선택적 시청 및 프로그램 편성에 의한
자동 2D/3D 변환에 대한 요구사항을 쉽게 만족하기 위해서
는 전기적 장치를 통한 2D/3D 디스플레이 변환이 가능하고
디스플레이 구현 용이성 및 가격 경쟁력이 우수한 패렐랙스
방식이 모바일 입체TV에는 유리 (Holliman, 2006).
 패럴랙스 배리어 방식의 단점으로는 반드시 정면에서만 배
리어 필터를 통해 나타난 영상을 확인 할 수 있다는 것이지
만, 단점을 보완한 방법으로 여러 장의 이미지를 사용하는
방법임.
입체영상 디스플레이 기술
 렌티큘러(Lenticular) 방식
• 반원통 형태의 두께 0.3~1.3mm, 간격 0.4mm 정도의 아래 부
분은 편평하고, 표면은 파형을 한 렌즈들이 배열된 렌즈시트에
의해 길게 잘려 규칙적으로 배열된 이미지들을 순차적으로 보게
되는 원리를 이용
• 렌즈판의 지향성에 따라 좌측 영상과 우측 영상이 분리되어 안
경이 없이도 입체감을 갖도록 함
• 디스플레이에서 렌즈의 판과 표시 화소들 사이에서 렌즈 판의
피치, 두께, 곡률 등의 광학 파라미터를 최적화함
• 렌즈판의 위치와 표시상의 위치를 정확히 맞추어야하는 어려움
입체영상 디스플레이 기술
 초다시점 입체 디스플레이(Super-multiview display)
• 다시점 입체 디스플레이 중 시점 간의 간격이 동공 크기보다 작
아, 하나의 동공 안에 여러 개의 시점 영상이 투사되도록 만들어
진 디스플레이 장치
• 일반적인 다시점 방식 3차원 디스플레이의 경우 양쪽 눈이 서로
다른 영상을 보는 양안 시차에 의하여 깊이감을 느낌
• 하지만, 각각의 눈에 투사되는 영상 자체는 하나(2차원)이므로
눈의 초점 조절(accommodation)은 3차원 영상이 있는 깊이가
아니라 디스플레이 패널면에 초점을 맞추게 됨
• 즉 양안 시차와 눈의 초점 조절이 서로 상응하지 못하는 경우로
서 입체 관측 피로감을 유발하는 주요 원인으로 생각됨
• 초다시점 3차원 디스플레이는 시점 간의 간격을 조밀하게 하여
한쪽 눈에 여러 개의 시점 영상이 동시에 투사되게 함으로써 양
안 시차 뿐만이 아니라 눈의 초점 조절도 올바른 깊이면에 맞추
도록 하는 기술임
입체영상 디스플레이 기술
■ 홀로그래피(Holography)
 레이저 빛을 사용해 물체로부터 반사되어 나오는 물체파를 또 다른
방향에서 나온 레이저 빛과 만나게 하여 사진필름에 함께 기록
 이 때 두 방향의 빛이 만나면 물체의 각 구분에서 반사된 물체파의
위상 차이에 따른 간섭무늬가 생성되고 이 간선 무늬에는 물체의 진
폭과 위상이 함께 기록
 이렇게 간섭무늬의 형태로 물체의 형상이 기록된 사진필름을 홀로
그램이라 하면, 홀로그램을 기록하는 기술을 홀로그래피라고 함
 즉 홀로그램은 두 개의 레이저광이 상호 만나 일으키는 빛의 간섭효
과를 이용, 사진용 필름과 유사한 표면에 3차원 이미지를 기록한 것
시스템의 종류
A. DVD System
시스템 구성
공통사양 : 스크린 1개, 편광안경 200개, Audio System 1식
개별사양 : 프로젝터 2대, 편광필터 2개, DVD Player 2대, DVD Controller 1대
스크린 규격 : (4:3), (16:9) ⇒ (1.33:1), (1.78:1)
당사에서 2000년 개발한
시스템으로 대부분의
입체영상관이
이 시스템을
사용하고 있음.
시스템의 종류
B. 컴퓨터 Server System (Two Projectors)
시스템 구성
공통사양 : 스크린 1개, 편광안경 200개, Audio System 1식
개별사양 : 프로젝터 2대, 편광필터 2개, AD Server 1대
스크린 규격 : (4:3), (16:9) ⇒ (1.33:1), (1.78:1)
당사에서 2003년에
공급했던 시스템으로
HD System으로
전환하기 전 과도기
상태의 system 임.
시스템의 종류
C. HD Server System (Two Projectors)
시스템 구성
공통사양 : 스크린 1개, 편광안경 200개, Audio System 1식
개별사양 : 프로젝터 2대, 편광필터 2개, AD HD Server 1대
스크린 규격 : (4:3), (16:9) ⇒ (1.33:1), (1.78:1)
당사에서 2005년부터
공급하기
시작한 시스템으로
일부 입체영상관이
이 시스템을
사용하고 있음.
3차원 영상 기술의 응용
■ 3차원 영상 기술의 응용 분야는 통신, 방송, 의료, 교육, 훈
련, 오락, 선전 등 여러 분야가 있으나 그 중에서도 특히 미
래 정보 통신 분야의 서비스 고도화를 위한 인터페이스로
의 응용
3차원 영상 기술의 발전 방향
■ 3차원영상에 익숙해지도록 현재의 시설에 큰 변화가 없이
적용할 수 있는 안경식 또는 렌티큘라 등을 이용한 무안경
방식의 입체 영상 기술 개발이 우선적으로 이루어지고 이
와 병행하여 완전 3차원 영상 기술은 장기적 안목에서 추진
되어야 한다.

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