[논문]증강현실 구현을 위한 Multi-Marker에 관한 기법

김학희

doi:10.9708/jksci.2010.15.11.109

증강현실 구현을 위한 Multi-Marker에 관한 기법
Techniques on Multi-Marker for the Implementation of Augmented Reality 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.15 no.11, 2010년, pp.109 - 116

초록
AI-Helper

본 논문에서는 가상과 현실을 이어주는 하나의 방법인 마커(Marker)인식방법에서 멀티마커방법을 사용하여 복잡한 환경이나 또는 손으로 가려지는 현상에서도 추적이 가능한 기법을 제안한다. 기존의 마커인식 방법은 한 개의 마커에만 의존하기 때문에 마커가 가려짐 현상에서 객체가 깜박이는 현상을 볼 수 있는데 이 시스템에서 마커가 가려지더라도 여러 개의 마커가 가려진 마커를 대신함으로써 증강된 객체가 나타남을 확인 할 수 있다. 이러한 기술을 구현하기 위해 관점 매트릭스(perspective matrix)를 이용한 멀티 마커 추정 방법으로 다른 연산이 없기 때문에 빠르게 추정 할 수 있는 것이 특징이다. 구현된 기술은 영상으로부터 다양한 환경에서 마커를 인지하고 위치를 추정하는 기술로써 다양한 환경에서 3차원 객체를 표현 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is intended to propose a technique that can trace objects by utilizing the multimarker method in the Marker Recognition which is a bridge way connecting virtuality and reality in complex environments or in a condition hands become obstacles. In the existing marker method, the object becomes blinking when the maker is blocked since this method relies only on single marker. However, the researcher was able to confirm the appearance of augmented object when the marker was blocked for the multiple markers replaced the blocked one. In order to implement such technique, multi-marker estimation was utilized with perspective matrix. The advantage is the fast estimation process for there is no need of other calculation. The implemented technique can detect markers and locate their positions, represent 3-D object in various circumstances.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 구현된 기술은 영상으로부터 다양한 마커를 인지하고 위치를 추정하는 기술로써 다양한 환경에서 3차원 객체를 표현 할 수 있다. 따라서 본 시스템 이용하면 실제 영상에서 사용자가 조작 객체를 이용하여 다양한 3차원 가상 객체를 쉽게 합성할 수 있으며, 조정할 수 있기 때문에 방송, 게임, 영화, 특수효과, 교육 등의 여러 분야에서 널리 응용될 것으로 기대된다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해서 마커인식 방법을 멀티마커(Multi-Marker)인식을 제안한다. 제안된 방법은 마커가 일부 가려지거나 화면에서 벗어난 경우 또한 복잡한 환경에서의 경우 마커의 위치를 추정 추적하여 증강된 객체의 정합을 유지하는 장점을 가지고 있다.
따라서 본 시스템 이용하면 실제 영상에서 사용자가 조작 객체를 이용하여 다양한 3차원 가상 객체를 쉽게 합성할 수 있으며, 조정할 수 있기 때문에 방송, 게임, 영화, 특수효과, 교육 등의 여러 분야에서 널리 응용될 것으로 기대된다. 본 논문은 멀티마커 기반으로 가상 객체를 증강하는 것에 초점을 두었다. 그러나 향후 연구 과제로써 많은 객체에 대한 마커의 수를 줄여나가는 것과 실제 환경에서의 상호 조명 효과에 관한 연구 등으로 진행되어야 할 것이다.
이 논문에서는 perspective matrix를 이용한 멀티 마커 추정 방법을 소개 한다. perspective matrix를 앞에서 normalize에서 사용한 행렬을 뜻한다.

제안 방법

이렇게 구해진 점을 이용하여 각 점들간의 각도를 계산하여 그 계산량이 90도를 기준으로 일정량 이상이거나 혹은 이하의 데이터를 가질 경우 사각형으로 인식하였다. 그리고 원형도 공식을 통해서 사각형인지를 검증하게 된다. 아래는 원형도 구하는 식과 각 모양마다의 원형도 값을 표시한다.
비디오 영상으로부터 얻어진 데이터에서 이진화 및 윤곽선 검출을 통해서 사각형을 찾아내고 이미 기록된 마커의 ID과 템플링 매칭 기법을 사용하여 마커의 ID를 판단하고, 이렇게 구해진 화면상에 마커를 가지고 마커의 각 꼭지점에 대한 3차원 공간을 판단하여 멀티 마커의 위치를 판단한다.
마커위에 객체를 증강하기 위해서는 평면 영상에서 3차원의 위치 좌표를 추정 하는 것이 매우 중요하다. 여기서는 핀홀 카메라 모델의 원리를 이용하여 사각형의 꼭지점 벡터를 통해 3차원 좌표를 추정하고, 동차좌표계 행렬을 얻는 알고리즘을 사용하였다.
윤곽선이란 물체의 가장자리 선을 말하는데 물체 내부에 비어 있는 공간이 없는 경우에는 바깥쪽 윤곽선만 존재하고 도너츠 형태의 물체처럼 물체 내부에 비어 있는 부분이 있으면 물체의 바깥쪽 윤곽선과 안쪽 윤곽선이 존재한다고 말한다. 윤곽선 추적 방법으로는 여러 가지 방법이 있는데 여기서는 물체의 가장자리에 있는 한 픽셀로부터 시작하여 가장자리에 있는 픽셀을 계속 따라가다가 시작점에 도착하면 멈추는 방법을 사용하였다.
이 시스템에서는 이진화로 전처리된 영상을 Canny Edge 검출기를 통과하여 선들만 남기게 되고 이 영상을 윤곽선 추적을 통해 부분화 시켰다.
하지만 이진화에서 일반적으로 사용되는 임계값을 주는 형태는 조명이나 마커 위에 그림자가 생기는 등의 변화가 생길 때 마커의 테두리 또는 마커가 가려지는 현상이 나타 날수 있다. 이러한 특성을 고려하여 적응 이진화를 실시한다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해서 마커인식 방법을 멀티마커(Multi-Marker)인식을 제안한다. 제안된 방법은 마커가 일부 가려지거나 화면에서 벗어난 경우 또한 복잡한 환경에서의 경우 마커의 위치를 추정 추적하여 증강된 객체의 정합을 유지하는 장점을 가지고 있다.

이론/모형

이를 통해서 사각형의 각 코너점을 구할 수 있게 된다. 선분 근사화 방법에는 여러 가지가 있는데 이번에 사용된 알고리즘은 Douglas-peucker 알고리즘이라고 불리는 방법이다. 이 알고리즘은 다음과 같은 단계로 구성된다.

성능/효과

본 논문의 제안 시스템은 배경 및 밝기 값에 적응적인 임계값을 사용함으로써 음영지역에도 정확하게 마커를 획득 할 수 있다. 또한 기존의 마커인식 방법은 한 개의 마커에만 의존하기 때문에 마커가 일부 또는 마커 전체가 가려짐 현상에서 증강된 객체가 움직이지 않거나, 깜박이는 현상을 볼 수 있는데 본 연구된 시스템에서 마커가 가려지더라도 여러 개의 마커가 가려진 마커를 대신함으로써 증강된 객체가 나타나고 상호 인터페이스가 될 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.
본 논문의 제안 시스템은 배경 및 밝기 값에 적응적인 임계값을 사용함으로써 음영지역에도 정확하게 마커를 획득 할 수 있다. 또한 기존의 마커인식 방법은 한 개의 마커에만 의존하기 때문에 마커가 일부 또는 마커 전체가 가려짐 현상에서 증강된 객체가 움직이지 않거나, 깜박이는 현상을 볼 수 있는데 본 연구된 시스템에서 마커가 가려지더라도 여러 개의 마커가 가려진 마커를 대신함으로써 증강된 객체가 나타나고 상호 인터페이스가 될 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

본 논문은 멀티마커 기반으로 가상 객체를 증강하는 것에 초점을 두었다. 그러나 향후 연구 과제로써 많은 객체에 대한 마커의 수를 줄여나가는 것과 실제 환경에서의 상호 조명 효과에 관한 연구 등으로 진행되어야 할 것이다.
본 논문에서 구현된 기술은 영상으로부터 다양한 마커를 인지하고 위치를 추정하는 기술로써 다양한 환경에서 3차원 객체를 표현 할 수 있다. 따라서 본 시스템 이용하면 실제 영상에서 사용자가 조작 객체를 이용하여 다양한 3차원 가상 객체를 쉽게 합성할 수 있으며, 조정할 수 있기 때문에 방송, 게임, 영화, 특수효과, 교육 등의 여러 분야에서 널리 응용될 것으로 기대된다. 본 논문은 멀티마커 기반으로 가상 객체를 증강하는 것에 초점을 두었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증강현실이란 어떠한 공간을 의미하는가?	증강현실(AR; Augmented Reality)은 실세계의 영상과 가상세계의 데이터들이 상호작용하여 이루어진 공간을 말한다. 무엇보다 직관적 인터페이스(perceptiual interface)와 유비쿼터스 컴퓨팅(ubiquitous computing) 등에 대한 응용 가능성으로 다양한 형태의 증강현실 기반 프로그램들이 선보이고 있다.
	본 연구에서 제안한 멀티마커인식은 어떤 장점을 가지는가?	본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해서 마커인식 방법을 멀티마커(Multi-Marker)인식을 제안한다. 제안된 방법은 마커가 일부 가려지거나 화면에서 벗어난 경우 또한 복잡한 환경에서의 경우 마커의 위치를 추정 추적하여 증강된 객체의 정합을 유지하는 장점을 가지고 있다.
	마커인식방법의 단점은?	또한 마커인식 방법은 가상과 현실을 이어주는 하나의 방식으로 마커라는 것을 사용하는 것인데 이 방식은 간편하고 쉽게 처리가 가능하기 때문에 많이 사용된다. 하지만 이러한 마커인식방법은 장면 내에 마커가 존재하지 않거나, 마커의 일부가 가려짐 등으로 인해서 마커의 정보 추출이 불가능한 경우 시스템 구동이 불가능한 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (7)

Kato H., Billinghurst M., Blanding B., May R., "ARToolkit," Technical Report, Hiroshima City University, December, 1999.
M. Fiala, "ARTag, a Fiducial Marker System Using Digital Technigues," Proc. IEEE Intl. Computer Vision and Pattern Recognition Conference, pp 590-596, 2005
E. Umlauf, H. Piringer, G. Reitmayr, D. Schmalstieg, "ARLib: The Augmented Library," Poster paper in Proc. ART'02, Darmstadt, Germany, Sept. 29, 2002.
R.Y. Tsai, "A Versatile camera calibration technique for high accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses," IEEE Journal of robotics and Automation, Vol. RA-3, No. 4, Page(s): 323-344, 1987
Y. Hung, P. Yeh, D. Harwood "Passive Ranging to Known Planar Point Sets," IEEE Int'l Conf Robotics and Automation, 1985.
K. Kutulakos and J. Vallino, "Calibration-Free Augmented Reality," IEEE Trans. Visualization and Computer Graphics, Vol. 4, No. 1, pp. 1-20, 1998.

상세보기
G. Simon, M. Berger, "Registration with a Moving Zoom Lens Camera for Augmented Reality Applications," ECCV (2), pp. 578-594, 2000.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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