[논문]피사체 계측을 위한 스마트 폰 카메라 모듈 특성 연구

오선진

doi:10.7236/jiwit.2012.12.5.99

문제 정의

따라서 이러한 어플을 개발하려면 우선 선행 연구로 시판 중인 스마트 폰들의 카메라 모듈 특성을 정확히 분석하고 적용할 수 있는 특성연구가 절실히 요구된다. 본 논문에서는 스마트 기기의 카메라 모듈로 촬영한 피사체의 크기에 영향을 미치는 카메라 모듈의 다양한 특징들을 알아보고, 스마트 폰 기종과 버전에 따른 차이를 비교 분석하여, 스마트 폰 카메라 모듈을 이용한 피사체 크기 계측 어플을 개발하는데 응용하고자 한다.
우리는 스마트 폰의 카메라 모듈을 이용 피사체의 크기를 측정하는 어플을 개발하는 과정에서 국내에서 시판되는 안드로이드 기반 스마트 폰의 기종이나 시스템 버전에 따라 피사체의 이미지의 크기나 모양이 매우 상이하게 나타난다는 점을 알게 되었다. 본 논문에서는 이러한 스마트 기기의 카메라 모듈로 촬영한 피사체의 크기에 영향을 미치는 다양한 특징을 알아보고 스마트 폰 기종과 버전에 따른 차이점을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 스마트 폰의 카메라 모듈을 이용한 정밀한 피사체 계측 어플 구현을 위한 선행 연구 단계로 위에 서술한 문제점들을 해소하도록 국내에서 시판되는 스마트 폰의 제조사별 기종의 특징을 분석하고 이것이 카메라 영상에 미치는 영향과 정도를 면밀히 고찰하여 정확한 피사체 계측 앱을 구현하는데 응용하고자 한다.
이와 같은 방법을 이용함으로써 피사체 계측을 위해 매번 사용되는 카메라 모듈의 실제 화소나 해상도에 따른 이미지 상의 화소 수나 좌표 값 상의 달라지는 문제와는 상관없이 촬영 이미지 내의 특정 피사체의 실물 사이즈를 비교적 정확하게 계측하고자 하는 것이 이 어플의 목표이다. 그림 1은 피사체 크기 계측을 위한 Smart CamRuler 앱 모델의 동작원리를 보여준다.

제안 방법

세 번째로는 촬영하는 높이를 눈높이에 맞추고 기울기를 90도, 회전 각도를 0도로하여 특정 길이의 피사체를 촬영하였을 때 피사체 간의 촬영 거리에 따른 촬영 결과 이미지 상의 피사체 크기의 변화를 관찰 하였다. 네 번째로 촬영한 이미지 내의 특정 피사체를 계측할 때 터치스크린을 이용하게 되는데 손가락을 사용하여 계측할 때 오차 정도의 차이를 관찰하였다. 마지막으로 촬영된 이미지 내의 특정 피사체를 선택하여 그 크기에 따른 좌표 값의 차이를 스마트폰의 기종에 따라 어떻게 달라지는지 그 정도를 분석하였다.
두 번째 카메라 특성 연구에서는 스마트 폰 기종 별 같은 거리와 높이에서 동일한 피사체를 촬영하였을 때의 카메라 모듈의 기울기 각도와 회전각도가 결과 영상 이미지의 사이즈에 미치는 영향을 분석해 보았다. 실험은 동일한 거리에서 가로와 세로 길이가 같은 정사각형의 0점 조절 카드를 각 스마트 폰 기종 별로 회전 각도를 0도로 고정하고 기울기 각도 0도, 30도, 45도, 60도로 하단의 가로선을 기준으로 촬영했을 때의 상단 x1과 하단 x2의 가로길이, 좌측 y1과 우측 y2의 세로길이, 그리고 0점 조절 카드 정사각형의 중심선 세로 c1과 가로 c2의 길이들의 좌표 값의 변화 추이를 관찰하였고, 또한 기울기 각도를 90도로 고정하고 회전 각도를 0도, 30도, 45도, 60도로 각각 좌측의 세로선을 기준으로 촬영했을 때의 상단 x1과 하단 x2의 가로길이, 좌측 y1과 우측 y2의 세로길이, 그리고 0점 조절 카드 정사각형의 중심선 세로 c1과 가로 c2의 좌표 값의 변화를 관찰하였다.
이들에 대한 첫 번째 특징 분석은 카메라 모듈을 이용한 화상 이미지를 촬영 시, 촬영 전 액정 화면에 나타난 이미지와 촬영 후 보여 지는 결과 이미지 간의 차이를 비교하였다. 두 번째로 피사체를 촬영할 때 피사체와 촬영하는 스마트 폰 간의 기울기와 회전 각도에 따른 촬영 결과 이미지의 변화를 관찰하였다. 세 번째로는 촬영하는 높이를 눈높이에 맞추고 기울기를 90도, 회전 각도를 0도로하여 특정 길이의 피사체를 촬영하였을 때 피사체 간의 촬영 거리에 따른 촬영 결과 이미지 상의 피사체 크기의 변화를 관찰 하였다.
네 번째로 촬영한 이미지 내의 특정 피사체를 계측할 때 터치스크린을 이용하게 되는데 손가락을 사용하여 계측할 때 오차 정도의 차이를 관찰하였다. 마지막으로 촬영된 이미지 내의 특정 피사체를 선택하여 그 크기에 따른 좌표 값의 차이를 스마트폰의 기종에 따라 어떻게 달라지는지 그 정도를 분석하였다.
두 번째로 피사체를 촬영할 때 피사체와 촬영하는 스마트 폰 간의 기울기와 회전 각도에 따른 촬영 결과 이미지의 변화를 관찰하였다. 세 번째로는 촬영하는 높이를 눈높이에 맞추고 기울기를 90도, 회전 각도를 0도로하여 특정 길이의 피사체를 촬영하였을 때 피사체 간의 촬영 거리에 따른 촬영 결과 이미지 상의 피사체 크기의 변화를 관찰 하였다. 네 번째로 촬영한 이미지 내의 특정 피사체를 계측할 때 터치스크린을 이용하게 되는데 손가락을 사용하여 계측할 때 오차 정도의 차이를 관찰하였다.
두 번째 카메라 특성 연구에서는 스마트 폰 기종 별 같은 거리와 높이에서 동일한 피사체를 촬영하였을 때의 카메라 모듈의 기울기 각도와 회전각도가 결과 영상 이미지의 사이즈에 미치는 영향을 분석해 보았다. 실험은 동일한 거리에서 가로와 세로 길이가 같은 정사각형의 0점 조절 카드를 각 스마트 폰 기종 별로 회전 각도를 0도로 고정하고 기울기 각도 0도, 30도, 45도, 60도로 하단의 가로선을 기준으로 촬영했을 때의 상단 x1과 하단 x2의 가로길이, 좌측 y1과 우측 y2의 세로길이, 그리고 0점 조절 카드 정사각형의 중심선 세로 c1과 가로 c2의 길이들의 좌표 값의 변화 추이를 관찰하였고, 또한 기울기 각도를 90도로 고정하고 회전 각도를 0도, 30도, 45도, 60도로 각각 좌측의 세로선을 기준으로 촬영했을 때의 상단 x1과 하단 x2의 가로길이, 좌측 y1과 우측 y2의 세로길이, 그리고 0점 조절 카드 정사각형의 중심선 세로 c1과 가로 c2의 좌표 값의 변화를 관찰하였다.
이 장에서는 안드로이드 기반 스마트 폰을 이용하여 카메라 모듈을 통해 촬영된 피사체 사이즈에 영향을 미치는 요소들을 실험한 결과를 분석, 고찰한 결과를 보여준다. 우선 카메라 모듈들의 특성을 알아보기 위해 카메라 모듈을 이용해서 피사체를 촬영하기 전과 후의 촬영 이미지 간 차이를 분석해 보았다. 실험에 사용된 스마트 폰들 중에서 갤럭시 S2와 S3 모델을 제외한 모든 기종에서 촬영 전 액정에 표시되는 피사체의 이미지가 촬영 후 액정에 나타나는 결과 이미지와 매우 차이가 남을 알 수 있었다.
이 장에서는 안드로이드 기반 스마트 폰 카메라 모듈을 이용한 피사체 계측 어플 구현을 위해 국내에서 시판되는 주요 스마트 폰의 기종과 시스템 버전에 따른 촬영 화상 이미지 결과의 차이를 나타내는 카메라 모듈 특성을 체계적이고 면밀하게 분석하기 위한 실험 방법을 제시하고 실제 스마트 폰을 이용한 촬영 결과를 항목별로 비교 분석하여 평가한다.
표에서 보인 바와 같이 특징 분석을 위해 사용한 스마트 폰은 크게 세 종류로 삼성전자의 갤럭시, 엘지의 옵티머스, 그리고 펜택 SKY의 베가 기종이다. 이들에 대한 첫 번째 특징 분석은 카메라 모듈을 이용한 화상 이미지를 촬영 시, 촬영 전 액정 화면에 나타난 이미지와 촬영 후 보여 지는 결과 이미지 간의 차이를 비교하였다. 두 번째로 피사체를 촬영할 때 피사체와 촬영하는 스마트 폰 간의 기울기와 회전 각도에 따른 촬영 결과 이미지의 변화를 관찰하였다.

대상 데이터

스마트 폰 카메라 모듈의 특징 분석을 위해 본 논문에서 사용한 시판중인 스마트 폰의 종류와 그 사양들을 표1에서 보여준다. 표에서 보인 바와 같이 특징 분석을 위해 사용한 스마트 폰은 크게 세 종류로 삼성전자의 갤럭시, 엘지의 옵티머스, 그리고 펜택 SKY의 베가 기종이다. 이들에 대한 첫 번째 특징 분석은 카메라 모듈을 이용한 화상 이미지를 촬영 시, 촬영 전 액정 화면에 나타난 이미지와 촬영 후 보여 지는 결과 이미지 간의 차이를 비교하였다.

성능/효과

이들 기종들에서는 모두 이미지의 세로 길이가 가로 길이에 비해 더욱 짧게 왜곡되어 전체적으로 위에서 아래로 눌린듯한 이미지를 보였다. 그러나 촬영 후 결과 이미지에서는 이러한 현상이 모든 기종에서 나타나지 않고 가로와 세로의 비율이 비교적 정확하게 같게 나타남을 알 수 있었다. 이는 촬영 전에 액정을 통해서 나타난 이미지는 안드로이드 이미지 최적화 과정을 거친 촬영 후 결과 이미지에서의 이미지와는 전혀 다르게 보여짐을 알 수 있다.
^{[4, 5]} 첫째로, 스마트 기기마다 장착된 카메라 모듈의 해상도가 서로 다르므로 촬영된 이미지를 구성하는 화소 수가 다르고 위치를 인식하는 좌표 값 역시 매우 상이하다는 점이다. 둘째로, 촬영 시 피사체와의 거리, 방향, 촬영 각도, 높이에 따라 이미지의 형태나 모양이 달라지며 이로 인해 이미지 내 피사체의 모양이나 크기 또한 크게 달라진다는 점이다. 셋째로, 촬영 시 조명의 위치, 밝기, 개수에 따라 피사체의 외곽선의 위치, 경계가 불분명하게 나타나고 달라진다는 문제를 가지고 있다.
하지만 기울기의 각도에 따른 피사체 이미지의 크기 변화는 스마트 폰 기종에 상관없이 같은 양상을 보이고 있으며, 그 정도가 거의 동일한 규칙을 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서 촬영 결과 이미지 내의 피사체 크기를 나타내는 좌표 값은 초기 0점 조절에 의한 동일 거리 내에서 촬영한 길이가 알려진 피사체의 좌표 값에 의해 정형적으로 그 사이즈를 결정할 수 있음을 알 수 있다.
둘째로, 촬영 시 피사체와의 거리, 방향, 촬영 각도, 높이에 따라 이미지의 형태나 모양이 달라지며 이로 인해 이미지 내 피사체의 모양이나 크기 또한 크게 달라진다는 점이다. 셋째로, 촬영 시 조명의 위치, 밝기, 개수에 따라 피사체의 외곽선의 위치, 경계가 불분명하게 나타나고 달라진다는 문제를 가지고 있다. 마지막으로 터치스크린을 기반으로 하는 스마트 기기의 액정화면에 보이는 화상 이미지는 손가락 제스처에 의해 자유롭게 이동, 축소 및 확대가 가능하므로 피사체의 크기가 고정되지 않아 이들 피사체의 길이 계측을 하는데 큰 어려움이 있다.
우선 카메라 모듈들의 특성을 알아보기 위해 카메라 모듈을 이용해서 피사체를 촬영하기 전과 후의 촬영 이미지 간 차이를 분석해 보았다. 실험에 사용된 스마트 폰들 중에서 갤럭시 S2와 S3 모델을 제외한 모든 기종에서 촬영 전 액정에 표시되는 피사체의 이미지가 촬영 후 액정에 나타나는 결과 이미지와 매우 차이가 남을 알 수 있었다. 이들 기종들에서는 모두 이미지의 세로 길이가 가로 길이에 비해 더욱 짧게 왜곡되어 전체적으로 위에서 아래로 눌린듯한 이미지를 보였다.
우선 갤럭시 기종을 제외한 거의 대부분의 스마트 폰 기종에서 촬영 전과 후의 피사체의 크기 변화가 있음을 알게 되었다. 또한, 피사체를 촬영하는 기종에 따라 결과 이미지에서의 피사체 크기를 측정한 좌표 값이 매우 상이하다는 것을 알았고, 따라서 피사체 크기 계측을 위해서는 사전에 0점 조절이 필요하다고 본다.
이 장에서는 구글의 안드로이드 OS기반 스마트 기기에 장착된 카메라 모듈을 통해 촬영된 화상 이미지 내 특정 피사체의 크기를 정밀하게 계측하여 주는 어플을 구현하는 과정에서 카메라 모듈로 촬영된 이미지가 사용한 기종이나 시스템 버전에 따라 매우 상이하게 나타나는 점을 발견하고, 이러한 특징과 차이점을 정확히 분석하여 어플 디자인에 반영하지 않고서는 어플 구현에 커다란 어려움이 있음을 알게 되었다.
이런 왜곡 현상을 보다 정확히 비교하기 위해 가로와 세로 길이가 10cm로 같은 정사각형의 0점 조절 카드를 준비하여 일정한 거리에서 기울기 90도 회전각도 0도로 촬영한 결과, 촬영 전에는 0점 조절 카드가 가로가 긴 직사각형의 형태로 보이나 촬영 후 결과 이미지에서는 정확히 정사각형의 형태로 나타나는 것을 모든 기종에서 확인 할 수 있었다. 따라서 촬영 이미지에 대한 기종에 따른 사전 0점 조절이나 오차율 계산 등은 결과 이미지가 더 중요하므로 무의미하다고 판단한다.
따라서 피사체 촬영은 기울기와 회전 각도를 고려하여 촬영을 해야 정밀한 계측결과를 기대할 수 있다. 촬영 거리에 대한 피사체의 결과 이미지 계측 결과는 규칙적이고 이에 대한 함수식 도출이 가능하여 피사체간의 거리 계측 역시 가능함을 알 수 있었다. 향후 연구 과제는 피사체 계측 결과의 정확도를 높일 수 있는 터치스크린에서의 포인팅 방법과 피사체 간의 거리를 자동으로 계측할 수 있는 알고리즘 개발에 관한 것이다.
또한, 피사체를 촬영하는 기종에 따라 결과 이미지에서의 피사체 크기를 측정한 좌표 값이 매우 상이하다는 것을 알았고, 따라서 피사체 크기 계측을 위해서는 사전에 0점 조절이 필요하다고 본다. 촬영하는 기울기와 회전각도 역시 촬영 결과 이미지의 크기에 직접적으로 영향을 주는 것으로 나타났으며 이를 한꺼번에 보정 할 수 있는 함수식 도출이 매우 어렵다고 결론을 내렸다. 따라서 피사체 촬영은 기울기와 회전 각도를 고려하여 촬영을 해야 정밀한 계측결과를 기대할 수 있다.
표2는 회전 각도를 0도로 고정하고 기울기를 변화시켰을 때의 스마트 폰 기종 별 피사체 길이의 변화에 따른 측정된 좌표 값을 보여준다. 표에서 보인 바와 같이 같은 거리에서 동일한 크기의 피사체를 촬영한 결과, 이미지에서의 각 길이에 대한 좌표 값이 스마트 폰 기종에 따라 매우 상이하게 나타남을 알 수 있다. 하지만 기울기의 각도에 따른 피사체 이미지의 크기 변화는 스마트 폰 기종에 상관없이 같은 양상을 보이고 있으며, 그 정도가 거의 동일한 규칙을 가지고 있음을 알 수 있다.
표 4는 50cm 크기를 가진 피사체를 기울기 90도, 회전 각도 0도로 하여 거리를 1m, 3m, 5m, 7m로 각각 스마트 폰 기종에 따라 촬영한 결과 이미지 내 피사체의 길이를 측정한 좌표 값을 보여준다. 표에서 보인바와 같이 실제 동일한 길이의 피사체를 같은 거리에서 촬영한 이미지임에도 불구하고 측정된 좌표 값이 스마트 폰 기종에 따라 매우 다르게 나타남을 알 수 있다. 하지만 거리가 멀어질수록 작아지는 피사체의 변화 정도는 일정한 규칙을 가지고 있어 이를 삼각 함수를 이용하면 길이가 알려진 피사체의 결과 이미지내의 좌표 값을 가지고 그 거리를 예측할 수 있게 되었다.

후속연구

우리는 스마트 기기의 카메라 모듈로 촬영되는 화상내의 특정 피사체의 크기를 정확히 측정하는 어플을 개발하는 과정에서 국내에 시판되는 안드로이드 기반 스마트 폰의 기종이나 버전에 따라 촬영되는 피사체 이미지의 크기나 모양이 매우 다르게 나타나는 사실을 알게 되었다. 따라서 이러한 어플을 개발하려면 우선 선행 연구로 시판 중인 스마트 폰들의 카메라 모듈 특성을 정확히 분석하고 적용할 수 있는 특성연구가 절실히 요구된다. 본 논문에서는 스마트 기기의 카메라 모듈로 촬영한 피사체의 크기에 영향을 미치는 카메라 모듈의 다양한 특징들을 알아보고, 스마트 폰 기종과 버전에 따른 차이를 비교 분석하여, 스마트 폰 카메라 모듈을 이용한 피사체 크기 계측 어플을 개발하는데 응용하고자 한다.
이어서 촬영 이미지 내의 특정 피사체를 계측할 때 터치스크린을 통해 손가락으로 계측 시 오차 정도를 관찰하였는데, 손가락을 사용하여 계측할 때 액정의 크기가 작아 피사체의 정확한 포인팅이 쉽지 않아 스타일러스 펜을 이용했을 때와 오차 범위 내에서 차이를 보였으며 이를 보정 할 수 있는 방안이 필요하다고 판단되었다.
촬영 거리에 대한 피사체의 결과 이미지 계측 결과는 규칙적이고 이에 대한 함수식 도출이 가능하여 피사체간의 거리 계측 역시 가능함을 알 수 있었다. 향후 연구 과제는 피사체 계측 결과의 정확도를 높일 수 있는 터치스크린에서의 포인팅 방법과 피사체 간의 거리를 자동으로 계측할 수 있는 알고리즘 개발에 관한 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 폰 관련 응용들의 개발이 활발하게 이루어지고 있는 이유는?	최근 모바일 폰의 급속한 발전과 보급에 힘입어 많은 사용자들이 모바일 폰에 관심을 갖게 되고 대중화가 이루어지면서 모바일 폰 관련 응용들의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Smart CamRuler 앱 모델은 모바일 컴퓨팅 환경에서 스마트 폰이나 태블릿 PC의 장치에 내장된 카메라 모듈과 정전식 멀티 터치가 가능한 터치스크린, Wi-Fi 기반 무선 통신 기능, 그리고 스마트 기기의 컴퓨팅 능력과 DB기능을 이용한 어플이다.
	카메라 모듈의 기종과 시스템 버전에 따른 피사체 계측 결과에 미치는 영향을 해소하기 위해 해결해야 할 문제는?	따라서 카메라 모듈의 기종과 시스템 버전에 따른 피사체 계측 결과에 미치는 영향을 해소하기 위해서는 다음과 같은 해결해야 할 중요한 문제들이 있다.[4, 5] 첫째로, 스마트 기기마다 장착된 카메라 모듈의 해상도가 서로 다르므로 촬영된 이미지를 구성하는 화소 수가 다르고 위치를 인식하는 좌표 값 역시 매우 상이하다는 점이다. 둘째로, 촬영 시 피사체와의 거리, 방향, 촬영 각도, 높이에 따라 이미지의 형태나 모양이 달라지며 이로 인해 이미지 내 피사체의 모양이나 크기 또한 크게 달라진다는 점이다. 셋째로, 촬영 시 조명의 위치, 밝기, 개수에 따라 피사체의 외곽선의 위치, 경계가 불분명하게 나타나고 달라진다는 문제를 가지고 있다. 마지막으로 터치스크린을 기반으로 하는 스마트 기기의 액정화면에 보이는 화상 이미지는 손가락 제스처에 의해 자유롭게 이동, 축소 및 확대가 가능하므로 피사체의 크기가 고정되지 않아 이들 피사체의 길이 계측을 하는데 큰 어려움이 있다. 따라서 이런 문제를 극복할 수 있는 방안이 마련되어야 정밀한 피사체 크기 계측이 가능하다.
	Smart CamRuler 앱 모델은 무엇인가?	최근 모바일 폰의 급속한 발전과 보급에 힘입어 많은 사용자들이 모바일 폰에 관심을 갖게 되고 대중화가 이루어지면서 모바일 폰 관련 응용들의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Smart CamRuler 앱 모델은 모바일 컴퓨팅 환경에서 스마트 폰이나 태블릿 PC의 장치에 내장된 카메라 모듈과 정전식 멀티 터치가 가능한 터치스크린, Wi-Fi 기반 무선 통신 기능, 그리고 스마트 기기의 컴퓨팅 능력과 DB기능을 이용한 어플이다. 이 앱은 구글의 안드로이드 OS를 기반으로 하는 스마트 기기에 내장된 카메라 모듈을 통해 촬영된 화상 이미지 안에 특정 피사체의 크기를 계측하여 주는 어플로 다양한 분야에서 보조 계측장비로 사용될 수 있다.

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