[논문]초고해상도의 기가픽셀 디지털이미지 획득을 위한 로봇 카메라의 시차연구

임천석

doi:10.3807/kjop.2020.31.1.026

초록
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로봇 카메라를 이해하고 제작하기 위해서는 로봇 카메라의 회전이나 공간 이동에 의해 발생하는 인접 이미지 간의 영상 왜곡에 대한 이해가 우선적으로 진행되어야 한다. 본 논문에서는 영상 왜곡에 관한 수학적인 해석과 이 수학적인 해석을 렌즈 시스템과 연결하여 일반화하고 결국 로봇 카메라에서 일어나는 영상의 왜곡인 parallax 오차에 대한 유용한 해석 방정식을 얻었다. 이 방정식으로부터 로봇 카메라의 구조설계가 가능하게 되고 한 예로서 기존 구글의 ART 로봇 카메라에 대한 분석과 이해가 확장될 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

First, if we want to design and construct a robotic camera, we need to understand the parallax errors between adjacent images, caused by rotation and movement of the robotic camera system. In this paper, we try to derive the mathematical formulation of parallax error and connect it to a conventional...

First, if we want to design and construct a robotic camera, we need to understand the parallax errors between adjacent images, caused by rotation and movement of the robotic camera system. In this paper, we try to derive the mathematical formulation of parallax error and connect it to a conventional lens system, to obtain a useful, generalized, analytic algebraic expression for the parallax error. Utilizing this expression, we can structurally design a robotic camera, and study the Google ART camera as an example of a robotic camera.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Parallax error.
그림 Fig. 2. Mathematical formulation for parallax error.
그림 Fig. 3. Generalized analytical equation of parallax error (%) considering the entrance pupil and the exit pupil.
그림 Fig. 4. Array camera system.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 로봇 카메라를 이해하고 제작하기 위해서는 로봇 카메라의 회전이나 공간 이동에 의해 발생하는 인접 이미지 간의 영상 왜곡에 대한 이해가 우선적으로 진행되어야 하기 때문에 영상 왜곡에 관한 수학적인 해석을 진행하고자 한다. 수학적인 해석은 렌즈 시스템과 연결되어 일반화되고 결국 로봇 카메라에서 일어나는 영상의 왜곡인 parallax에 대한 해석 방정식이 얻어진다.

제안 방법

Parallax 오차에 대한 수학적인 해석은 렌즈 시스템과 연결되어야 하기 때문에, 렌즈 시스템을 일반화시킬 수 있는 입사동과 출사동을 도입한다. 그림 3에서 보듯이 입사동과 출사동 간에는 각배율이 존재하고 이 각배율은 라그랑주 불변량에 의해서 입사동의 직경(D_en)과 출사동의 직경(D_ex) 비로서 식 (10)과 같이 다시 표현될 수 있다.
로봇 카메라에서 흔히 일어날 수 있는 parallax 오차(%)에 대한 해석 방정식을 구하였고 이로부터 로봇 카메라의 구조설계가 가능하게 된다. 본 논문에서는 이의 활용에 대한 한 예로서 기존 구글의 ART 로봇 카메라에 대한 분석과 이해의 확장을 시도한다. 구글의 ART 카메라는 유명작가, 유명박물관의 유화 페인팅을 기가픽셀 급의 고해상도로 디지털이미지화하는 작업을 주로 진행하였는데, 유화 페인팅에 대해서는 물감의 두께에 의한 약간의 높낮이가 있을 수가 있지만 작품 촬영거리 L에 비해서 깊이 D가 매우 작기 때문에 D≈ 0로 둘 수 있다.
본 논문에서는 parallax 오차가 일어나는 근본적인 원인으로부터 parallax 오차에 대한 정의를 도출하였고 이로부터 3차원 공간에서 parallax 오차에 대한 수학적인 해석을 진행하였다. 이 수학적인 해석은 입사동과 출사동을 도입함에 의해 일반화된 렌즈 시스템으로 확장하였고 또 나아가 개별 렌즈 시스템의 특성에 영향을 받지 않는 parallax 오차를 표현하기 위해 퍼센트 parallax의 개념을 도입하였다. 결과적으로 다루기 쉽고 일반화된 parallax 오차에 대한 표현식이 얻어졌고, 이를 활용해서 로봇 카메라의 구조설계에 활용할 수 있었다.

성능/효과

이 수학적인 해석은 입사동과 출사동을 도입함에 의해 일반화된 렌즈 시스템으로 확장하였고 또 나아가 개별 렌즈 시스템의 특성에 영향을 받지 않는 parallax 오차를 표현하기 위해 퍼센트 parallax의 개념을 도입하였다. 결과적으로 다루기 쉽고 일반화된 parallax 오차에 대한 표현식이 얻어졌고, 이를 활용해서 로봇 카메라의 구조설계에 활용할 수 있었다. 우선 구글의 ART 로봇 카메라에 적용하여 보았고 결과적으로 ART 카메라에 대한 다양한 이해와 어레이 방식의 새로운 카메라에 대한 아이디어도 탐구해 볼 수 있었다.
로봇 카메라에서 흔히 일어날 수 있는 parallax 오차(%)에 대한 해석 방정식을 구하였고 이로부터 로봇 카메라의 구조설계가 가능하게 된다. 본 논문에서는 이의 활용에 대한 한 예로서 기존 구글의 ART 로봇 카메라에 대한 분석과 이해의 확장을 시도한다.

후속연구

이를 통해 parallax의 원인에 대한 고찰이 이루어지고 parallax의 보정 및 관리방안이 수립될 수 있다. 또 나아가 이를 통해 로봇 카메라의 “구조설계”^[6-8]가 가능하게 되고 한 예로서 기존 구글의 ART 카메라에 대한 분석과 이해의 확장 및 다채로운 ART 로봇 카메라에 대한 탐구가 가능하게 된다.
또 나아가 화성탐사 로봇인 큐리오시티에 장착된 로봇 카메라도 함께 다루어 볼 수 있는 기회가 되었다. 앞으로 이 유용한 parallax 표현식으로부터 어레이 방식의 스마트폰 카메라의 구조설계에 대해서도 적용해 볼 계획이고 다채로운 로봇 카메라에 대해서도 적용해 볼 계획이다.
이 경우 식 (23)과 같이 parallax 오차도 0이 되기 때문에 피사체들의 다양한 깊이에 의해 나타나는 제각각의 parallax 오차들이 매우 효과적으로 제거된다. 화성탐사 로봇인 “큐리오시티”에 장착된 로봇 카메라도 입사동점을 회전축으로 활용하고 있다고 보이고 이로 말미암아 화성 전경 파노라마를 매우 정밀하게 촬영할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇 카메라란 무엇인가?	로봇 카메라 기술은 전장에서 적군을 감시하기 위한 고해상도 실시간 영상 촬영에도 활용될 수 있고 무인드론에 탑재되어 스파이 활동에도 활용될 수 있다. 로봇 카메라라 함은 단일 카메라에 구동 메커니즘이 탑재되어 3축 방향의 이동이나 자유로운 회전이 가능한 카메라 시스템을 말하거나 수십 수백 개의 카메라와 짐벌 및 이동수단이 하나의 시스템으로 구성되는 카메라를 말한다. 예를 들면, 미항공우주국(NASA)의 화성탐사 로봇 “큐리오시티 로버”에 탑재된 로봇 카메라를 들 수 있다[1,2].
	영국에서 개발된 로봇 카메라 ARGUS-IS의 특징은?	8기가픽셀의 로봇 카메라를 개발하였다[3,4]. 이 카메라는 멀티구경렌즈와 수백 개의 센서 어레이 및 6축 영상안정화 짐벌마운팅 시스템으로 구성되어 있고 무인드론에 탑재되어 20,000피트 상공에서 직경 7킬로미터의 전 영역을 15센티미터 분해능으로 실시간 관찰할 수 있다. 예술분야에 사용되고 있는 로봇 카메라로는 대표적으로 구글의 ART 카메라를 들 수 있다[5].
	로봇 카메라 기술은 어디에 활용될 수 있는가?	이미지 센서의 픽셀한계를 극복하기 위한 로봇 카메라 기술은 현재 우주나 예술분야를 비롯하여 다양한 분야에서 그 활용도가 높아지고 있다. 로봇 카메라 기술은 전장에서 적군을 감시하기 위한 고해상도 실시간 영상 촬영에도 활용될 수 있고 무인드론에 탑재되어 스파이 활동에도 활용될 수 있다. 로봇 카메라라 함은 단일 카메라에 구동 메커니즘이 탑재되어 3축 방향의 이동이나 자유로운 회전이 가능한 카메라 시스템을 말하거나 수십 수백 개의 카메라와 짐벌 및 이동수단이 하나의 시스템으로 구성되는 카메라를 말한다.

참고문헌 (11)

E. Howell, NASA's New Mars 2020 Car May Look Like the Curiosity Rover, But It's No Twin (Space.com, Jan. 3 2020), https://www.space.com/nasa-mars-2020-rover-no-curiositytwin.html.
M. W. Powell, R. A. Rossi, and K. Shams, "A scalable image processing framework for gigapixel Mars and other celestial body images," in Proc. IEEE Aerospace Conference (MT, USA, Mar. 2010).
B. B. Leininger, J. Edwa rds, J . Antoniades, D. Chester, D. Haas, E. Liu, M. Stevens, C. Gershfield, M. Braun, J. D. Targove, S. Wein, P. Brewer, D. G. Madden, and K. H. Shafique, "Autonomous real-time ground ubiquitous surveillance - imaging system (ARGUS-IS)," Proc. SPIE 6981, 69810H (2008).
S. J. Noh, Y. C. Choi, H. J. Moon, H. K. Kang, and C. S. Rim, "The study for gigapixel image utilizing robot panoramic head and image stitching technique," in Proc. Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (Busan, Korea, Aug. 2015).
B. Katz, Lin-Manuel Miranda Teams Up With Google to Digitize Puerto Rico's Art (Smithsonian Magazine, Nov. 11 2019), https://www.smithsonianmag.com/smart-news/lin-manuelmiranda-teams-google-digitize-puerto-ricos-artworks-180973525/.
H. J. Moon and C. S. Rim, "Designing the optical structure of a multiscale gigapixel camera," Korean J. Opt. Photon. 27, 25-31 (2016).

원문보기 상세보기
C. S. Rim, "Optical structural design using Gaussian optics for multiscale gigapixel camera," Korean J. Opt. Photon. 24, 311-317 (2013).

원문보기 상세보기
C. S. Rim, "The design of telecentric lenses and fly-eye lenses by utilizing $f{\theta}$ formula," Korean J. Opt. Photon. 24, 9-16 (2013).

원문보기 상세보기
W. J. Smith, Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems, 3rd ed. (McGraw-Hill, NY, USA, 2000).
E. J. Tremblay, D. L. Ma rks, D. J. Brady, and J . E. Ford, "Design and scaling of monocentric multiscale imagers," Appl. Opt. 51, 4691-4702 (2012).

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D. J. Brady and N. Hagen, "Multiscale lens design," Opt. Express 17, 10659-10674 (2009).

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