KR102310994B1 - 3차원 상호작용 컴퓨팅 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
3D 상호작용적인 사용자 경험을 제공하는 컴퓨팅 장치가 제시된다. 장치는 입체 영상의 객체의 제1 포인트가 사용자에게 인식되는 위치인 제1 좌표를 계산하는 객체 위치 추정부를 포함한다. 장치의 포인팅 판단부는 포인팅 위치에 대응하는 제2 좌표를 상기 제1 좌표와 비교하여 상기 제1 포인트에 사용자 포인팅이 이루어지고 있는지를 판단한다.
Description
디바이스와 사용자 간의 3D 상호작용(3-dimensional interaction) 효과를 제공하는 장치 및 방법이 제공된다. 보다 상세하게는 3D 디스플레이 디바이스에서 출력되는 영상에 대한 사용자의 포인팅 입력 및 조작을 처리하는 장치 및 방법에 연관된다.
3차원 상호작용적인(3D interactive)기술 활용의 일예로 사용자가 입체 영상의 객체를 선택하고 움직일 수 있는 등의 사용자 경험(UX: User eXperience)을 제공하는 기술이 있다.
일측에 따르면, 제1 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 상기 제1 오브젝트 포인트의 위치로서 인식되는 제1 좌표 값을 계산하는 객체 위치 추정부; 및 사용자 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부를 포함하는 컴퓨팅 장치가 제공된다. 상기 영상은 좌영상과 우영상을 포함하는 스테레오스코픽 영상일 수 있다. 상기 포인팅 판단부는, 상기 제2 좌표 값과 상기 제1 좌표 값의 거리가 임계치 미만인 경우, 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트인 것으로 결정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 객체 위치 추정부는, 상기 좌영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 좌안 위치로의 제1 직선과, 상기 우영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 우안 위치로의 제2 직선의 교점의 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산한다. 한편, 상기 교점이 생기지 않는 경우에, 상기 객체 위치 추정부는 상기 제1 직선에 직교하고 및 상기 제2 직선에 직교하는 선분의 중점 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산할 수 있다.
일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함한다. 상기 적어도 하나의 식별 요소는 복수 개의 마커에 대응할 수 있다. 그러면, 상기 포인팅 위치 추정부는 영상 인식된 상기 복수 개의 마커의 방향 및 상기 복수 개의 마커 상호간의 변위 정보를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산한다. 일실시예에 따른 상기 포인팅 위치 추정부는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산한다. 다른 일실시예에 따르면, 상기 포인팅 위치 추정부는, 현재 프레임에 선행하는 적어도 하나의 이전 프레임에 대응하여 계산된 제2 좌표 값을 이용하여, 현재 프레임에서 계산되는 제2 좌표 값을 보정한다. 그리고 포인팅 위치 추정부가 상기 보정된 제2 좌표 값을 상기 포인팅 위치로 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소가 영상 인식된 제1 모양을, 미리 주어진 상기 식별 요소의 모양인 제2 모양과 비교하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 적어도 하나의 식별 요소는 광원 또는 광원에 의해 빛을 내는 발광 요소를 포함한다. 광원 또는 발광 요소는 상기 사용자 디바이스에 포함되는 스위치의 온-오프 변경에 따라 켜지거나 또는 꺼질 수 있다. 따라서, 이러한 온-오프 상태에 따라 식별 요소가 인식가능 상태에 있거나 또는 인식불가능 상태에 있을 수 있다.
다른 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 계산하고, 상기 적어도 하나의 식별 요소와 포인팅 위치의 상대적 변위를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함한다. 상대적 변위는 설정되는 값일 수 있으며, 사용자 조작에 의해 변경될 수 있다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은 상기 사용자 디바이스에 포함되는 휠 조작에 의해 식별될 수 있다. 또한, 상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은, 상기 사용자 디바이스에 포함되는 감압 센서의 센싱 값에 의해 식별될 수도 있다.
다른 일측에 따르면, 사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하는 객체 위치 추정부; 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부를 포함하는 컴퓨팅 장치가 제공된다. 상기 포인팅 판단부는, 상기 제2 좌표 값과 상기 제1 좌표 값의 거리가 임계치 미만인 경우, 상기 포인팅 위치를 상기 제1 오브젝트 포인트로 결정할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하는 객체 위치 추정부; 포인팅 위치인 제2 좌표 값에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 제3 좌표 값을 결정하고, 상기 제3 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부를 포함하는 컴퓨팅 장치가 제공된다.
또 다른 일측에 따르면, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 장치가 3D 상호작용적인 사용자 경험을 제공하는 컴퓨팅 방법이 제공된다. 상기 방법은, 제1 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 상기 제1 오브젝트 포인트의 위치로서 인식되는 제1 좌표 값을 계산하는 단계; 사용자 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 계산하는 단계; 및 상기 제1 좌표 값과 상기 제2 좌표 값을 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 일실시예에 따르면 상기 사용자 양안의 위치 및 상기 사용자 포인팅 위치는 하나의 카메라의 영상으로부터 계산될 수 있다. 한편 상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 객체 위치 추정부는, 상기 좌영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 좌안 위치로의 제1 직선과, 상기 우영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 우안 위치로의 제2 직선의 교점의 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산한다. 한편, 상기 교점이 생기지 않는 경우에, 상기 객체 위치 추정부는 상기 제1 직선에 직교하고 및 상기 제2 직선에 직교하는 선분의 중점 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산할 수 있다.
일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함한다. 상기 적어도 하나의 식별 요소는 복수 개의 마커에 대응할 수 있다. 그러면, 상기 포인팅 위치 추정부는 영상 인식된 상기 복수 개의 마커의 방향 및 상기 복수 개의 마커 상호간의 변위 정보를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산한다. 일실시예에 따른 상기 포인팅 위치 추정부는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산한다. 다른 일실시예에 따르면, 상기 포인팅 위치 추정부는, 현재 프레임에 선행하는 적어도 하나의 이전 프레임에 대응하여 계산된 제2 좌표 값을 이용하여, 현재 프레임에서 계산되는 제2 좌표 값을 보정한다. 그리고 포인팅 위치 추정부가 상기 보정된 제2 좌표 값을 상기 포인팅 위치로 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소가 영상 인식된 제1 모양을, 미리 주어진 상기 식별 요소의 모양인 제2 모양과 비교하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 적어도 하나의 식별 요소는 광원 또는 광원에 의해 빛을 내는 발광 요소를 포함한다. 광원 또는 발광 요소는 상기 사용자 디바이스에 포함되는 스위치의 온-오프 변경에 따라 켜지거나 또는 꺼질 수 있다. 따라서, 이러한 온-오프 상태에 따라 식별 요소가 인식가능 상태에 있거나 또는 인식불가능 상태에 있을 수 있다.
다른 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 계산하고, 상기 적어도 하나의 식별 요소와 포인팅 위치의 상대적 변위를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부를 더 포함한다. 상대적 변위는 설정되는 값일 수 있으며, 사용자 조작에 의해 변경될 수 있다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은 상기 사용자 디바이스에 포함되는 휠 조작에 의해 식별될 수 있다. 또한, 상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은, 상기 사용자 디바이스에 포함되는 감압 센서의 센싱 값에 의해 식별될 수도 있다.
다른 일측에 따르면, 사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하는 객체 위치 추정부; 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부를 포함하는 컴퓨팅 장치가 제공된다. 상기 포인팅 판단부는, 상기 제2 좌표 값과 상기 제1 좌표 값의 거리가 임계치 미만인 경우, 상기 포인팅 위치를 상기 제1 오브젝트 포인트로 결정할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하는 객체 위치 추정부; 포인팅 위치인 제2 좌표 값에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 제3 좌표 값을 결정하고, 상기 제3 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부를 포함하는 컴퓨팅 장치가 제공된다.
또 다른 일측에 따르면, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 장치가 3D 상호작용적인 사용자 경험을 제공하는 컴퓨팅 방법이 제공된다. 상기 방법은, 제1 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 상기 제1 오브젝트 포인트의 위치로서 인식되는 제1 좌표 값을 계산하는 단계; 사용자 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 계산하는 단계; 및 상기 제1 좌표 값과 상기 제2 좌표 값을 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 일실시예에 따르면 상기 사용자 양안의 위치 및 상기 사용자 포인팅 위치는 하나의 카메라의 영상으로부터 계산될 수 있다. 한편 상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는 사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 사용자 경험 제공 장치의 응용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 객체의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는 객체 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
도 5b는 포인팅 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 6d는 일실시예에 따른 포인터 디바이스의 구조와 동작을 도시한다.
도 7a 및 7b는 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 8b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조와 동작을 도시한다.
도 9a 및 9b는 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 10b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조 및 응용을 도시한다.
도 11은 일실시예에 따른 컴퓨팅 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 일실시예에 따른 사용자 경험 제공 장치의 응용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 객체의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는 객체 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
도 5b는 포인팅 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 6d는 일실시예에 따른 포인터 디바이스의 구조와 동작을 도시한다.
도 7a 및 7b는 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 8b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조와 동작을 도시한다.
도 9a 및 9b는 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 10b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조 및 응용을 도시한다.
도 11은 일실시예에 따른 컴퓨팅 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 권리범위가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
장치(100)는 객체 위치 추정부(110)를 포함한다. 객체 위치 추정부(110)는 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 자각되는 오브젝트 위치를 계산한다. 예시적으로 상기 영상은 스테레오스코픽 영상일 수 있다. 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치는 특정 포인트가 스테레오스코픽 영상의 좌영상(left image)과 우영상(right image)에서 각각 표시되는 위치에 대응한다. 그리고, 사용자 양안의 위치는 카메라를 통해 사람의 눈을 촬영한 영상으로부터 계산될 수 있다. 일실시예에서 장치(100)는 사용자 양안 위치를 추정하는 추정부(도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다. 객체 위치 추정에 대해서는 도 3 내지 도 4b를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
그리고 포인팅 판단부(120)는 사용자 포인팅 위치를 상기 오브젝트 위치와 비교하여, 어디가 포인팅되고 있는지 계산한다. 예시적으로, 공간 좌표 값을 고려하여, 오브젝트 포인트 중 제1 포인트와 포인팅 위치인 제2 포인트가 임계치 미만의 거리에 있을 때 상기 제1 포인트가 포인팅 되고 있는 것으로 결정할 수 있다. 일실시예에 따르면, 사용자 포인팅 위치는 별도로 계산되어 장치(100)에 주어지는 값일 수 있다. 그리고 사용자 포인팅 위치는 사용자가 쥐거나 손에 끼는(wearable) 포인터 디바이스를 영상 인식함으로써 추정될 수 있다. 이에 대해서는 도 5a 내지 도 9b를 참조하여 상세히 후술한다.
한편, 입체 영상에서 제공되는 오브젝트 좌표가 사용자 시점에서 어떻게 자각(인식)되는 지를 판단하는 것은 좌표 이동 또는 좌표 변환으로 이해될 수도 있다. 고정된 좌표를 전역 좌표라 할 수 있다. 이를테면, 디스플레이 스크린 중심을 원점으로 하고 중심에서의 법선 방향을 z축으로 하는 고정된 좌표를 생각해 볼 수 있다. 어느 한 순간의 입체 영상에서 오브젝트 위치는 이 전역 좌표에서 일정한 좌표 값을 갖는다. 그런데 사용자 시청 위치에 따라 사용자가 인식 하는 객체의 좌표 값은 바뀔 수 있다. 이를 사용자 인식 좌표계로(coordinating system) 표현할 수 있다. 그러면 객체 위치 추정부(110)의 역할은 전역 좌표계에서의 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값으로 좌표 변환하는 것으로 이해할 수 있다. 그리고, 포인팅 판단부(120)는 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환된 오브젝트 포인트를, 포인팅 위치의 좌표와 비교하여 포인팅 위치를 판단하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 객체 위치 추정부(110)가 상기 좌표 변환에 대응하는 변환 함수를 결정하는 것으로 본다면, 포인팅 판단부(120)는 사용자 인식 좌표에서의 포인팅 위치에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 포인팅 위치를 찾을 수 있다. 그리고 전역 좌표계 내에서 오브젝트 포인트와 포인팅 위치를 비교함으로써 포인팅 여부를 판단할 수도 있다. 이하에서는 구체적인 실시예들을 설명한다.
도 2는 일실시예에 따른 사용자 경험 제공 장치의 응용을 설명하기 위한 도면이다.
디스플레이(200)를 통해 입체 영상이 제공될 수 있고 입체 영상을 제공하는 방식은 다양한 것이 있을 수 있다. 이를테면, 스테레오스코픽 타입, 멀티-뷰 타입 등 다양한 방식이 가능하다. 또한 입체 영상 제공 방식은 안경식 또는 무안경식 방식의 어느 쪽도 가능하다. 이러한 디스플레이(200)를 통해 제공되는 3D 영상에 객체(210)가 포함되어 있다.
실시예들에 따르면, 사용자(220)는 포인팅 장치(230)을 통해 객체(210)의 특정 포인트(211)를 포인팅할 수 있다. 이러한 포인팅 입력 인식은, 객체(210)를 선택하고, 움직이거나 돌리고, 객체(210)에 그림을 그리는 등의 응용에 이용될 수 있다. 예를 들어, 의료 분야에의 응용에서, 심장의 특정 혈관을 지정하거나, 마킹을 해 두거나, 원격에 있는(remote) 수술 장비로 심장을 절개하는 등의 인터페이싱이 가능하다. 이러한 응용이 활성화 되고, 여러 분야에 적용되기 위해서는, 사용자(220)가 포인팅 하는 곳이 어디인지를 정확하고 정교하게 인식하는 것이 중요하다.
그런데, 동일한 입력 3D 영상과 디스패러티(disparity) 정보에 의해 입체 영상이 제공되더라도, 사용자(220)가 자각하는 객체(210)의 위치는 변한다. 이를테면, 제공되는 영상이 변하지 않더라도(static). 사용자 눈의 위치(221)가 상하좌우로 변함에 따라 사용자(220)에게는 객체(210)의 위치도 변하는 것으로 인지된다. 사용자는 자신이 인지하는 객체(210)의 위치에 기초하여, 특정한 포인트(211)를 포인팅 하려 하는데, 이 부분이 실제 객체(210)의 어느 부분인지를 파악하는 것이 필요하다. 일실시예에 따르면, 하나의 카메라(201)에 의해 식별되는 사용자 양안 위치와 포인터(230)의 위치에 기초하여, 사용자가 객체(210)의 어느 부분을 포인팅 하는 것인지를 판단한다. 구체적인 내용은 도 3 이하를 참조하여 설명한다.
도 3은 일실시예에 따라 객체의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
여기서 도시된 예는 도 2의 입체 영상에 대응하며, 표시된 좌표축들은 디스플레이 스크린 중심을 원점으로 하는 3차원 좌표계에 연관된다. 위치(300)의 카메라로부터 사용자의 양안 위치 벡터가 인식될 수 있다. 벡터 eL 은 좌안(321)의 위치 벡터이고, 벡터 eR 은 우안(322)의 위치 벡터이다. 포인트(311)는 좌영상(left image)에서 위치(301)에서 표시되고 우영상(right image)에서 위치(302)에 표시되는 점이다. iL 은 위치(301)의 위치 벡터이고, iR 은 위치(302)의 위치 벡터이다. 벡터 iL 의 포인트(301)가 좌안에 보여지고, 벡터 iR 에 포인트(302)가 우안에 보여짐으로써, 사용자에게는 공간 상의 위치(311)에 객체가 있는 것으로 자각한다. o는 이 포인트(311)의 위치 벡터이다. 포인트(311)는 객체(310)의 일부일 수 있다. 그리고 p는 사용자가 포인팅 디바이스(330)을 이용하여 입력하는 포인팅 위치(331)의 위치 벡터이다.
실시예들에 따르면, 이 포인트(311)의 위치 벡터 o와 포인팅 위치(331)의 위치 벡터 p를 추정한다. 또한 추정된 벡터 o와 벡터 p의 상대적 위치 차이에 기초하여 사용자가 포인팅 하는 위치를 결정한다. 한 대의 카메라가 촬영하고 촬영한 영상으로부터 눈의 위치를 식별하여 좌안 위치 벡터 eL 과 우안 위치 벡터 eR 이 추정될 수 있다. 그러면, 영상 내에 좌안과 우안의 2차원 좌표가 도출된다. 인간의 평균적인 양안 사이 거리(Inter Pupil Distance: IPD)는 - 성별이나 나이 및 인종에 따라 편차가 있지만 - 대략 6cm 정도이다. 이 IPD 값이 위에서 도출된 좌안 및 우안 위치를 통해 3차원 위치 벡터 eL 과 eR 을 결정하는 데에 이용될 수 있다. 위치 벡터 eL 과 eR 이 구해지면 오브젝트 포인트(311)의 위치 벡터 o를 구할 수 있다. 도 4a 및 4b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4a 및 4b는 객체 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
양안의 위치(411 및 412)와 영상에 포인트의 위치(401 및 402)가 모두 동일 평면 상에 있는 경우가 도 4a에서 도시되었다. 이렇게 포인트들과 양안이 모두 동일 평면에 있는 경우에는 포인트(401)로부터 포인트(411)로의 제1 직선과, 포인트(402)로부터 포인트(412)로의 제2 직선은 한 점에서 교차한다. 이 점(400)이 사람에 의해 인식되는 오브젝트 포인트이다. 좌안의 위치(411) 벡터 eL 에서 포인트(401)의 위치 벡터 iL 을 빼서 구하는 벡터 L과, 우안의 위치(412) 벡터 eR 에서 포인트(402)의 위치 벡터 iR 을 빼서 구하는 벡터 R을 이용하여 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o를 구하는 것은 아래 수학식 1 및 2에서 제시된 방정식을 푸는 것으로 이해될 수 있다.
그러나, 상기와 같이 포인트들과 양안이 모두 동일 평면에 있는 경우는 드물고, 도 4b와 같이 일반적으로는 양안의 위치(431 및 432)와 영상에 포인트의 위치(421 및 422)가 동일 평면에 있지 않다. 그러면, 확대도(405)에 보이는 것처럼, 포인트(421)로부터 포인트(431)로의 제1 직선과, 포인트(422)로부터 포인트(432)로의 제2 직선은 꼬인 위치에 있게 된다. 이러한 경우에는 제1 직선과 제2 직선에 가장 가까운 점(406)을 구하여, 이 점(406)을 오브젝트 포인트로 추정한다. 예를 들어, 제1 직선에도 직교하고 제2 직선에도 직교하는 선분의 중점이 오브젝트 포인트가 된다. 이러한 과정에 의해 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o를 구하는 것은 아래 수학식 3 내지 수학식 5의 방정식을 푸는 것으로 이해될 수 있다.
이러한 과정에 의해, 영상 내의 모든 점들에 대해 오브젝트 포인트 위치 벡터를 구하면, 사용자가 인식하는 입체 영상의 정확한 위치를 알 수 있다. 이것은, 좌영상과 우영상에 의해 결정되는 객체 위치를, 현재 사용자의 양안 위치에서 인식되는 위치로 좌표 이동하는 것으로도 이해될 수 있다. 이렇게 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o가 추정되면 포인팅 위치 p와 비교함으로써, 사용자가 오브젝트 포인트를 포인팅 하는지의 여부를 판단할 수 있다. 예시적으로 포인팅 위치의 위치 벡터 p를 구하는 과정을 도 5a 이하를 참조하여 설명한다.
도 5a는 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
장치(101)는 객체 위치 추정부(111) 및 포인팅 판단부(121) 외에, 포인팅 위치 추정부(131)를 포함한다. 객체 위치 추정부(111)의 동작이나 실시예들에 대해서는 도 1, 도 3 내지 도 4b를 참조하여 상술한 바와 같다. 그리고 포인팅 판단부(121)는 사용자 포인팅 위치를 상기 오브젝트 위치와 비교하여, 어디가 포인팅되고 있는지 계산한다. 사용자가 포인팅하는 곳이 오브젝트 중 어디인지를 정확하게 판단하는 것이 포인팅 판단부(121)이다. 예시적으로 포인팅 판단부(121)는 인식된 포인팅 위치와 임계 값 거리 내에 있는 오브젝트 포인트를 현재의 포인팅 위치로 결정할 수 있다. 포인팅 판단부(121)의 동작은 도 1을 참조하여 상술하였다.
본 실시예에서 장치(101)는 포인팅 위치 추정부(131)을 포함한다. 포인팅 위치 추정부(131)는 영상 인식되는 포인터 디바이스의 식별 요소를 이용하여, 사용자가 현재 포인팅을 하고 있는 위치를 계산한다. 이하에서 포인터 디바이스의 다양한 형태 및 포인팅 위치 추정부(131)가 포인팅 위치를 계산하는 내용을 상세히 설명하다. 도 5b 이하를 참조한다.
도 5b는 포인팅 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이, 카메라 위치(500)으로부터 포인팅 디바이스(510)를 촬영하면 포인팅 위치(511)의 위치 벡터 p가 포인팅 위치 추정부(131)에 의해 계산된다. 카메라가 포인팅 디바이스(510)를 촬영하면 카메라 위치(500)로부터 포인팅 위치(511)을 향한 방향 벡터 u를 알 수 있다. 실시예에 따르면, 방향 벡터 u를 이용하여 포인팅 위치(511)를 계산하고, 카메라 위치 벡터 s를 이용하여 포인팅 위치 벡터 p를 얻는다. 카메라를 두 개 이상 사용하면 포인터의 삼차원 위치를 바로 파악할 수 있으나, 구현 비용이 높아지고 카메라 간의 정교한 캘리브레이션 이슈가 있을 수 있다. 이하에서는 주어진 파라미터인 위치 벡터 s, 방향 벡터 u를 이용하여 포인팅 위치 벡터 p를 구하는 몇 가지 실시예가 제시된다.
도 6a 내지 6d는 일실시예에 따른 포인터 디바이스의 구조와 동작을 도시한다.
실시예에 따른 디바이스(600)의 측면도(side view)가 6a에 도시되었다. 이 디바이스(600)는 펜과 유사한 모양이다. 마커들(611, 612 및 613)이 부착된 링이 전단부에 설치되고, 그 앞에는 포인팅을 위한 니들(needle)(614)이 배치되었다. 이 니들의 끝부분(tip)인 포인터(615)가 포인팅 위치로 인식될 수 있다. 마커 및 니들 팁 위치의 포인터는 발광 다이오드(LED)와 같은 소자로 구현될 수 있다. 또는 마커나 포인터가 형광 도료를 이용하여 식별되는 것도 가능하다. 마커들은 서로 동일한 거리(d)를 유지하도록 구성되어 있다. 그리고 마커들의 중심에 있는 니들은 마커를 지나는 평면에 직교하는 방향으로 부착되며, h 길이 앞에 포인터가 위치한다.
도 6b는 전단부에서 포인팅 디바이스(600)를 바라본 전면도이고, 도 6c는 반대쪽에서 포인팅 디바이스를 바라본 후면도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 마커들(611, 612 및 613)은 서로 일정한 간격을 갖도록 링(630) 위에 배치되며, 포인터 위치(615)는 이 마커들 위치로부터의 변위를 통해 계산될 수 있다. 계산 과정은 도 7a 및 7b를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
다시 도 6a를 참조한다. 예시적으로, 펜 대(620) 부분에 하나 이상의 버튼(621)이 부착될 수 있다. 이 버튼(621)은 클릭을 감지하는 기계적 스위치에 의해 구현될 수도 있고, 및/또는 터치 감응 입력 모듈에 의해 구현될 수도 있다. 이 버튼(621)에 의해 사용자는 3D 공간 상에 있는 객체를 선택하거나, 마킹하거나, 움직이거나, 회전시키거나, 또는 의료용 응용에서 절개를 하는 등의 인터랙션 작업을 수행할 수 있다. 일실시예에 따르면 디바이스(600)에는 휠(wheel) 형태의 버튼(622)이 포함될 수도 있다. 이 버튼(622)은 마우스의 그것처럼, 화면의 확대나 축소, 컨텐츠 스크롤 등의 인터랙션이 가능하도록 하는 기능이 할당될 수도 있다.
그러나, 다른 실시예에서 버튼(622)은 사용자가 포인터(615)의 위치를 조정할 수 있도록 기능할당이 될 수도 있다. 이러한 위치 조정은 h 값을 버튼(622)에 의해 조정하는 것으로 이해될 수 있는데, 조정은 실제 니들(614)의 길이나 포인터(615)의 위치와 관계 없이 마커들에 대한 포인팅 위치의 상대적 변이를 조정하는 소프트웨어적 처리에 의해 구현될 수 있다. 물론, 버튼(622)으로 외부에 도출된 니들(614)의 물리적인 길이를 조정하도록 하는 것도 배제되지 않는다. 이러한 배려에 의해 사용자는 응용이나, 자신의 선호에 맞도록 포인팅 위치와 손의 거리를 조정할 수 있다. 나아가 버튼(622)도 압력을 감지하는 감압 센서에 의해 구현될 수 있다. 사용자가 세게 누르면 포인팅 위치가 사용자로부터 멀어지는 식의 인터랙션이 가능하다. 도 6d에서는 사용자가 객체(605)의 위치(606)을 포인팅 하는 모습이 도시된다.
도 7a 및 7b는 도 6a 포인팅 디바이스 실시예에서 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a의 카메라 위치(700)의 위치 벡터를 s, 위치(700)으로부터 제1 마커의 위치(710)으로의 방향 벡터를 u1 , 제2 마커의 위치(720)으로의 방향 벡터를 u2 , 제3 마커의 위치(730)으로의 방향 벡터를 u3 으로 표현하면, 각 마커들의 위치 벡터 p1 , p2 , 및 p3 는 아래 수학식과 같이 표현된다. r, s 및 t는 카메라 위치(700)와 마커들 사이의 거리이다.
그러면, r, s 및 t는 아래 수학식 7의 연립방정식을 풀어서 구할 수 있다.
이렇게 마커의 위치 벡터들 p1 , p2 , 및 p3 가 구해지면, 포인팅 위치의 위치 벡터 p가 구해질 수 있다. 도 7b에 도시된 것과 같이, 포인터 위치(701)는 마커들 위치의 중심점(702)로부터, 노말(normal) 방향으로 h 만큼 떨어져 있다. v는 마커들 위치가 이루는 평면의 노말 벡터이다. 그리고 아래 수학식을 참조하면 마커의 위치 벡터들 p1 , p2 , 및 p3 로부터 포인팅 위치 벡터 p를 구할 수 있다.
상술한 실시예 외에 포인팅 디바이스는 다른 다양한 모양일 수 있다. 이를테면, 마커의 개수도 3개가 아니라, 4개 이상일 수도 있고, 또는 1개나 2개일 수도 있다. 나아가, 마커리스(marker-less) 영상 인식 기반으로 포인팅이 이루어질 수도 있다. 하나의 마커를 구비하는 예시적인 다른 실시예가 아래에 제시된다.
도 8a 및 8b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조와 동작을 도시한다.
도 8a에 도시된 포인팅 디바이스도 펜이나 수술용 나이프와 유사한 형태를 하고 있다. 펜 뒤쪽의 원형 구조물(810) 내에 식별 요소(811)가 원형으로 배치되어 있다. 추가로 배치될 수 있는 식별 요소(812)는 원형의 식별 요소(811)와 동일한 평면에 존재할 수 있다. 펜의 앞부분에는 니들(813)이 배치되어 있다. 본 실시예에서 버튼(830)은 포인터의 온/오프를 조작할 수 있도록 기능이 부여 된다. 버튼(830)을 누른 상태가 포인팅 디바이스가 온(ON)된 것에, 버튼(830)을 누르지 않은 상태가 오프(OFF)된 것에 각각 대응할 수 있다. 버튼(830)을 눌러서 디바이스를 활성화 시키는 것은 전파를 이용하여 전달될 수도 있다. 그러나 도시된 실시예에서는 디바이스가 온 된 경우, 원형의 식별 요소(811)부분에 LED 빛이 발광됨으로써 카메라에 의해 인식될 수 있다. 버튼에 의해 디바이스가 오프 된 경우, 식별 요소(811) 및 식별 요소(812)의 빛이 꺼질 수 있다. 도 8b에서는 이러한 실시예에 따른 사용자의 포인팅 디바이스(850) 조작이 도시되었다. 포인팅 위치(835)는 미리 지정된 식별 요소로부터의 상대적 변위에 의해 인식될 수 있고, 사용자의 조작에 의해 객체 위치(840)가 포인팅 되는 것이 감지될 수 있다. 이러한 실시예에 따른 포인팅 위치 계산은 도 9a 및 9b를 참조하여 후술한다.
도 9a 및 9b는 상기 도 8a의 포인팅 디바이스 실시예에 따라 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 식별 요소의 모양(이 예에서는 일정한 크기를 갖는 원 및/또는 원과 동일 평면에 있는 직선)이 이용된다. 도 9a에서 도시된 바를 참조하면, 크기를 알고 있는 원을 이용하여, 원의 중심의 위치와 법선 벡터 N이 구해진다.
먼저 도 9a에서, 크기를 알고 있는 공간 상의 원인 마커가 촬영되면, 촬영된 영상에서 마커는 원 또는 타원으로 투영된다. 이 때, 공간상의 원 모양의 마커를 구성하는 점들의 집합을 Pp로 정의하고, 그 점들을 카메라 중심으로 투영할 때, 영상 평면 위에 투영 된 점들의 역투사 한 집합을 아래 수학식과 같이 Pu로 정의한다.
이 때, xu, yu는 영상 평면에 투영된 마커의 점들의 위치이고, f는 카메라의 초점 거리이다. k는 스케일 파라미터이다. Pp는 원으로 정의되어 있고, Pu는 원 또는 타원의 모양이 되므로, 이 두 점들의 집합은 일반적은 2차 곡선의 방정식을 만족하며, 이 때 각각의 점들의 집합에 대한 타원 행렬을 각각 각각 Qp와 Qu로 한다.
한편, 공간상의 원과 투영된 원 또는 타원은, 투영 공간 상에서 동일한 점을 원점으로 가지므로, Pp와 Pu는 회전의 관계를 가지며 이 때의 회전 행렬을 Rp라고 한다. 따라서 수학식 11 에서 Pu값에 RpPp를 대입하면, Qu 와 Qp의 관계를 아래의 수학식 12 과 같이 얻을 수 있다.
위 수학식 13에서 V∧V는 Qu 에 고유 값 분해를 적용한 식이다. V는 고유 벡터 행렬이다. λ1 , λ2 , λ3 는 Qu의 고유 값이며, ∧는 고유 값의 대각 행렬이다. 이 식을 수학식 12에 적용하면, 최종적인 회전 행렬 R은 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
그러면, 중심점의 위치 벡터 C와 법선 벡터 N는 아래와 같이 구할 수 있다. C와 N은 각각 2개의 해이므로 모호함을 해결 하기 위해 동심원을 사용하여, 공통되는 해를 구한다.
그리고, 도 9b에서는 포인팅 디바이스의 자세를 구하기 위해서 원과 같은 평면 상에 있는 직선을 이용하여, 회전 값을 구하는 방식이 제시된다. 도시된 예에서는 원의 중심을 향하며 원과 동일 평면에 있는 직선을 이용하여, 정확한 회전 값이 구해진다. 원에 있는 빛(ray)은 아래와 같이 계산된다.
이 때, 좌표 [xp, yp, 1]는 직선상의 점의 영상 좌표 [xu, yu, 1]에 카메라 인트린식 파라미터의 역행렬을 곱하여 카메라 좌표로 변환한 후, z축의 값을 1로 정규화 한 좌표이며, w는 이 좌표의 스케일 파라미터이다. 도 9b에서 영상 평면 상의 직선은 w의 값에 따라서 다양한 공간상의 좌표 값을 가질 수 있으며, 이 중, 실제 마커가 존재하는 평면 Π 상에 직선이 존재하도록 하는 w를 찾는다. 역투사 된 점이 Π 상에 존재하는지 판단하기 위해서는, Π의 노말 벡터 n과 평면상의 점 c와 w [xp,yp,1]를 연결한 직선의 내적을 구한다. 내적 값이 0일 경우, n과 (c - w [xp,yp,1])는 수직한 관계에 있으며, 따라서 w [xp, yp, 1]은 평면 Π 상에 있다.
상기 수학식들을 참조하면, 원과 동일 평면 Π 에 있는 직선이 영상에 투영되었을 때, 영상의 직선 상에 있는 점 (xu, yu)이 역으로 투사된다. 역투사 된 빛(ray)과 평면 Π가 만나는 점을 원의 중심에 대한 j축으로 설정한다. 법선 벡터 N의 방향은 k축으로 설정하고, j축과 k축의 외적을 통해 i축이 결정된다. 이렇게 3개의 축을 열벡터(column vector)로 가지는 3x3 행렬이 카메라 좌표에 대한 모델(원형의 식별 요소)의 회전 행렬이 된다. 그리고 카메라 좌표에 대한 모델의 거리와 자세(pose) 값을 이용하여, 포인팅 팁의 최종적인 위치와 자세가 추정될 수 있다.
도 10a 및 10b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조 및 응용을 도시한다. 도 10a의 실시예에서는 포인터 디바이스(1010)가 사람의 손가락(1000)에 끼워질 수 있는 형태로 구현되었다. 니들 팁에 달려 있는 포인터(1011)을 통해 사용자는 공간 상의 포인팅 위치를 조정할 수 있다. 이러한 실시예에서 디바이스(1010)는 복수 개의 마커를 포함할 수도 있다. 도 10b에서는 사용자 손가락에 이러한 디바이스가 복수 개 사용되는 응용이 제시되었다. 디바이스들(1021, 1022, 1023 및 1024)은 각각 서로 구분되는 식별 요소를 가지고, 따라서 포인팅 위치는 서로 독립적인 4 개의 위치로 결정될 수 있다. 이러한 응용에 따르면 객체를 쥐거나(grab) 모양을 바꾸거나, 또는 움직이는 등의 인터랙션이 더욱 직관적으로 제공될 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 컴퓨팅 방법을 도시하는 흐름도이다.
단계(1110)에서, 사용자 양안 위치 벡터 eL 과 eR 이 입력된다. 그리고 포인팅 위치를 추정한 결과인 벡터 p가 입력 된다. 일실시예에 따르면, 이러한 포인팅 위치 벡터 p는 입력될 수도 있고, 직접 계산될 수도 있다. 계산되는 과정에 대해서는 도 5b 내지 도 9b를 참조하여 상술하였다.
그러면 단계(1120)에서, 객체 위치 o가 추정된다. 객체 위치 추정부는 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 자각되는 오브젝트 위치를 계산한다. 객체 위치 추정에 대해서는 도 3 내지 도 4b를 참조하여 설명하였다. 도 1에서 상술한 바와 같이, 이러한 오브젝트 위치 추정 과정은 좌표 이동 또는 좌표 변환으로 이해될 수도 있다. 고정된 전역 좌표에서의 오브젝트 포인트를 사용자 양안 위치에 따라 변하는 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환한다. 그리고, 또한 이러한 객체 위치 추정은 상기 좌표 변환에 연관되는 변환 함수(transformation function)을 찾는 과정으로 이해할 수도 있다.
단계(1130)에서는 포인팅 판단부가 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환된 오브젝트 포인트를, 포인팅 위치의 좌표와 비교하여 포인팅 위치를 판단한다. 또한 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 이 과정은 포인팅 판단부가 사용자 인식 좌표에서의 포인팅 위치에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 포인팅 위치를 찾고, 좌표 값의 차이에 따라 포인팅 여부를 결정하는 것으로 이해될 수도 있다. 이에 연관된 다양한 실시예들이 도 1 내지 도 9b를 참조하여 상술되었다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
장치(100)는 객체 위치 추정부(110)를 포함한다. 객체 위치 추정부(110)는 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 자각되는 오브젝트 위치를 계산한다. 예시적으로 상기 영상은 스테레오스코픽 영상일 수 있다. 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치는 특정 포인트가 스테레오스코픽 영상의 좌영상(left image)과 우영상(right image)에서 각각 표시되는 위치에 대응한다. 그리고, 사용자 양안의 위치는 카메라를 통해 사람의 눈을 촬영한 영상으로부터 계산될 수 있다. 일실시예에서 장치(100)는 사용자 양안 위치를 추정하는 추정부(도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다. 객체 위치 추정에 대해서는 도 3 내지 도 4b를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
그리고 포인팅 판단부(120)는 사용자 포인팅 위치를 상기 오브젝트 위치와 비교하여, 어디가 포인팅되고 있는지 계산한다. 예시적으로, 공간 좌표 값을 고려하여, 오브젝트 포인트 중 제1 포인트와 포인팅 위치인 제2 포인트가 임계치 미만의 거리에 있을 때 상기 제1 포인트가 포인팅 되고 있는 것으로 결정할 수 있다. 일실시예에 따르면, 사용자 포인팅 위치는 별도로 계산되어 장치(100)에 주어지는 값일 수 있다. 그리고 사용자 포인팅 위치는 사용자가 쥐거나 손에 끼는(wearable) 포인터 디바이스를 영상 인식함으로써 추정될 수 있다. 이에 대해서는 도 5a 내지 도 9b를 참조하여 상세히 후술한다.
한편, 입체 영상에서 제공되는 오브젝트 좌표가 사용자 시점에서 어떻게 자각(인식)되는 지를 판단하는 것은 좌표 이동 또는 좌표 변환으로 이해될 수도 있다. 고정된 좌표를 전역 좌표라 할 수 있다. 이를테면, 디스플레이 스크린 중심을 원점으로 하고 중심에서의 법선 방향을 z축으로 하는 고정된 좌표를 생각해 볼 수 있다. 어느 한 순간의 입체 영상에서 오브젝트 위치는 이 전역 좌표에서 일정한 좌표 값을 갖는다. 그런데 사용자 시청 위치에 따라 사용자가 인식 하는 객체의 좌표 값은 바뀔 수 있다. 이를 사용자 인식 좌표계로(coordinating system) 표현할 수 있다. 그러면 객체 위치 추정부(110)의 역할은 전역 좌표계에서의 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값으로 좌표 변환하는 것으로 이해할 수 있다. 그리고, 포인팅 판단부(120)는 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환된 오브젝트 포인트를, 포인팅 위치의 좌표와 비교하여 포인팅 위치를 판단하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 객체 위치 추정부(110)가 상기 좌표 변환에 대응하는 변환 함수를 결정하는 것으로 본다면, 포인팅 판단부(120)는 사용자 인식 좌표에서의 포인팅 위치에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 포인팅 위치를 찾을 수 있다. 그리고 전역 좌표계 내에서 오브젝트 포인트와 포인팅 위치를 비교함으로써 포인팅 여부를 판단할 수도 있다. 이하에서는 구체적인 실시예들을 설명한다.
도 2는 일실시예에 따른 사용자 경험 제공 장치의 응용을 설명하기 위한 도면이다.
디스플레이(200)를 통해 입체 영상이 제공될 수 있고 입체 영상을 제공하는 방식은 다양한 것이 있을 수 있다. 이를테면, 스테레오스코픽 타입, 멀티-뷰 타입 등 다양한 방식이 가능하다. 또한 입체 영상 제공 방식은 안경식 또는 무안경식 방식의 어느 쪽도 가능하다. 이러한 디스플레이(200)를 통해 제공되는 3D 영상에 객체(210)가 포함되어 있다.
실시예들에 따르면, 사용자(220)는 포인팅 장치(230)을 통해 객체(210)의 특정 포인트(211)를 포인팅할 수 있다. 이러한 포인팅 입력 인식은, 객체(210)를 선택하고, 움직이거나 돌리고, 객체(210)에 그림을 그리는 등의 응용에 이용될 수 있다. 예를 들어, 의료 분야에의 응용에서, 심장의 특정 혈관을 지정하거나, 마킹을 해 두거나, 원격에 있는(remote) 수술 장비로 심장을 절개하는 등의 인터페이싱이 가능하다. 이러한 응용이 활성화 되고, 여러 분야에 적용되기 위해서는, 사용자(220)가 포인팅 하는 곳이 어디인지를 정확하고 정교하게 인식하는 것이 중요하다.
그런데, 동일한 입력 3D 영상과 디스패러티(disparity) 정보에 의해 입체 영상이 제공되더라도, 사용자(220)가 자각하는 객체(210)의 위치는 변한다. 이를테면, 제공되는 영상이 변하지 않더라도(static). 사용자 눈의 위치(221)가 상하좌우로 변함에 따라 사용자(220)에게는 객체(210)의 위치도 변하는 것으로 인지된다. 사용자는 자신이 인지하는 객체(210)의 위치에 기초하여, 특정한 포인트(211)를 포인팅 하려 하는데, 이 부분이 실제 객체(210)의 어느 부분인지를 파악하는 것이 필요하다. 일실시예에 따르면, 하나의 카메라(201)에 의해 식별되는 사용자 양안 위치와 포인터(230)의 위치에 기초하여, 사용자가 객체(210)의 어느 부분을 포인팅 하는 것인지를 판단한다. 구체적인 내용은 도 3 이하를 참조하여 설명한다.
도 3은 일실시예에 따라 객체의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
여기서 도시된 예는 도 2의 입체 영상에 대응하며, 표시된 좌표축들은 디스플레이 스크린 중심을 원점으로 하는 3차원 좌표계에 연관된다. 위치(300)의 카메라로부터 사용자의 양안 위치 벡터가 인식될 수 있다. 벡터 eL 은 좌안(321)의 위치 벡터이고, 벡터 eR 은 우안(322)의 위치 벡터이다. 포인트(311)는 좌영상(left image)에서 위치(301)에서 표시되고 우영상(right image)에서 위치(302)에 표시되는 점이다. iL 은 위치(301)의 위치 벡터이고, iR 은 위치(302)의 위치 벡터이다. 벡터 iL 의 포인트(301)가 좌안에 보여지고, 벡터 iR 에 포인트(302)가 우안에 보여짐으로써, 사용자에게는 공간 상의 위치(311)에 객체가 있는 것으로 자각한다. o는 이 포인트(311)의 위치 벡터이다. 포인트(311)는 객체(310)의 일부일 수 있다. 그리고 p는 사용자가 포인팅 디바이스(330)을 이용하여 입력하는 포인팅 위치(331)의 위치 벡터이다.
실시예들에 따르면, 이 포인트(311)의 위치 벡터 o와 포인팅 위치(331)의 위치 벡터 p를 추정한다. 또한 추정된 벡터 o와 벡터 p의 상대적 위치 차이에 기초하여 사용자가 포인팅 하는 위치를 결정한다. 한 대의 카메라가 촬영하고 촬영한 영상으로부터 눈의 위치를 식별하여 좌안 위치 벡터 eL 과 우안 위치 벡터 eR 이 추정될 수 있다. 그러면, 영상 내에 좌안과 우안의 2차원 좌표가 도출된다. 인간의 평균적인 양안 사이 거리(Inter Pupil Distance: IPD)는 - 성별이나 나이 및 인종에 따라 편차가 있지만 - 대략 6cm 정도이다. 이 IPD 값이 위에서 도출된 좌안 및 우안 위치를 통해 3차원 위치 벡터 eL 과 eR 을 결정하는 데에 이용될 수 있다. 위치 벡터 eL 과 eR 이 구해지면 오브젝트 포인트(311)의 위치 벡터 o를 구할 수 있다. 도 4a 및 4b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4a 및 4b는 객체 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
양안의 위치(411 및 412)와 영상에 포인트의 위치(401 및 402)가 모두 동일 평면 상에 있는 경우가 도 4a에서 도시되었다. 이렇게 포인트들과 양안이 모두 동일 평면에 있는 경우에는 포인트(401)로부터 포인트(411)로의 제1 직선과, 포인트(402)로부터 포인트(412)로의 제2 직선은 한 점에서 교차한다. 이 점(400)이 사람에 의해 인식되는 오브젝트 포인트이다. 좌안의 위치(411) 벡터 eL 에서 포인트(401)의 위치 벡터 iL 을 빼서 구하는 벡터 L과, 우안의 위치(412) 벡터 eR 에서 포인트(402)의 위치 벡터 iR 을 빼서 구하는 벡터 R을 이용하여 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o를 구하는 것은 아래 수학식 1 및 2에서 제시된 방정식을 푸는 것으로 이해될 수 있다.
그러나, 상기와 같이 포인트들과 양안이 모두 동일 평면에 있는 경우는 드물고, 도 4b와 같이 일반적으로는 양안의 위치(431 및 432)와 영상에 포인트의 위치(421 및 422)가 동일 평면에 있지 않다. 그러면, 확대도(405)에 보이는 것처럼, 포인트(421)로부터 포인트(431)로의 제1 직선과, 포인트(422)로부터 포인트(432)로의 제2 직선은 꼬인 위치에 있게 된다. 이러한 경우에는 제1 직선과 제2 직선에 가장 가까운 점(406)을 구하여, 이 점(406)을 오브젝트 포인트로 추정한다. 예를 들어, 제1 직선에도 직교하고 제2 직선에도 직교하는 선분의 중점이 오브젝트 포인트가 된다. 이러한 과정에 의해 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o를 구하는 것은 아래 수학식 3 내지 수학식 5의 방정식을 푸는 것으로 이해될 수 있다.
이러한 과정에 의해, 영상 내의 모든 점들에 대해 오브젝트 포인트 위치 벡터를 구하면, 사용자가 인식하는 입체 영상의 정확한 위치를 알 수 있다. 이것은, 좌영상과 우영상에 의해 결정되는 객체 위치를, 현재 사용자의 양안 위치에서 인식되는 위치로 좌표 이동하는 것으로도 이해될 수 있다. 이렇게 오브젝트 포인트의 위치 벡터 o가 추정되면 포인팅 위치 p와 비교함으로써, 사용자가 오브젝트 포인트를 포인팅 하는지의 여부를 판단할 수 있다. 예시적으로 포인팅 위치의 위치 벡터 p를 구하는 과정을 도 5a 이하를 참조하여 설명한다.
도 5a는 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 도시한 블록도이다.
장치(101)는 객체 위치 추정부(111) 및 포인팅 판단부(121) 외에, 포인팅 위치 추정부(131)를 포함한다. 객체 위치 추정부(111)의 동작이나 실시예들에 대해서는 도 1, 도 3 내지 도 4b를 참조하여 상술한 바와 같다. 그리고 포인팅 판단부(121)는 사용자 포인팅 위치를 상기 오브젝트 위치와 비교하여, 어디가 포인팅되고 있는지 계산한다. 사용자가 포인팅하는 곳이 오브젝트 중 어디인지를 정확하게 판단하는 것이 포인팅 판단부(121)이다. 예시적으로 포인팅 판단부(121)는 인식된 포인팅 위치와 임계 값 거리 내에 있는 오브젝트 포인트를 현재의 포인팅 위치로 결정할 수 있다. 포인팅 판단부(121)의 동작은 도 1을 참조하여 상술하였다.
본 실시예에서 장치(101)는 포인팅 위치 추정부(131)을 포함한다. 포인팅 위치 추정부(131)는 영상 인식되는 포인터 디바이스의 식별 요소를 이용하여, 사용자가 현재 포인팅을 하고 있는 위치를 계산한다. 이하에서 포인터 디바이스의 다양한 형태 및 포인팅 위치 추정부(131)가 포인팅 위치를 계산하는 내용을 상세히 설명하다. 도 5b 이하를 참조한다.
도 5b는 포인팅 위치를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이, 카메라 위치(500)으로부터 포인팅 디바이스(510)를 촬영하면 포인팅 위치(511)의 위치 벡터 p가 포인팅 위치 추정부(131)에 의해 계산된다. 카메라가 포인팅 디바이스(510)를 촬영하면 카메라 위치(500)로부터 포인팅 위치(511)을 향한 방향 벡터 u를 알 수 있다. 실시예에 따르면, 방향 벡터 u를 이용하여 포인팅 위치(511)를 계산하고, 카메라 위치 벡터 s를 이용하여 포인팅 위치 벡터 p를 얻는다. 카메라를 두 개 이상 사용하면 포인터의 삼차원 위치를 바로 파악할 수 있으나, 구현 비용이 높아지고 카메라 간의 정교한 캘리브레이션 이슈가 있을 수 있다. 이하에서는 주어진 파라미터인 위치 벡터 s, 방향 벡터 u를 이용하여 포인팅 위치 벡터 p를 구하는 몇 가지 실시예가 제시된다.
도 6a 내지 6d는 일실시예에 따른 포인터 디바이스의 구조와 동작을 도시한다.
실시예에 따른 디바이스(600)의 측면도(side view)가 6a에 도시되었다. 이 디바이스(600)는 펜과 유사한 모양이다. 마커들(611, 612 및 613)이 부착된 링이 전단부에 설치되고, 그 앞에는 포인팅을 위한 니들(needle)(614)이 배치되었다. 이 니들의 끝부분(tip)인 포인터(615)가 포인팅 위치로 인식될 수 있다. 마커 및 니들 팁 위치의 포인터는 발광 다이오드(LED)와 같은 소자로 구현될 수 있다. 또는 마커나 포인터가 형광 도료를 이용하여 식별되는 것도 가능하다. 마커들은 서로 동일한 거리(d)를 유지하도록 구성되어 있다. 그리고 마커들의 중심에 있는 니들은 마커를 지나는 평면에 직교하는 방향으로 부착되며, h 길이 앞에 포인터가 위치한다.
도 6b는 전단부에서 포인팅 디바이스(600)를 바라본 전면도이고, 도 6c는 반대쪽에서 포인팅 디바이스를 바라본 후면도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 마커들(611, 612 및 613)은 서로 일정한 간격을 갖도록 링(630) 위에 배치되며, 포인터 위치(615)는 이 마커들 위치로부터의 변위를 통해 계산될 수 있다. 계산 과정은 도 7a 및 7b를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
다시 도 6a를 참조한다. 예시적으로, 펜 대(620) 부분에 하나 이상의 버튼(621)이 부착될 수 있다. 이 버튼(621)은 클릭을 감지하는 기계적 스위치에 의해 구현될 수도 있고, 및/또는 터치 감응 입력 모듈에 의해 구현될 수도 있다. 이 버튼(621)에 의해 사용자는 3D 공간 상에 있는 객체를 선택하거나, 마킹하거나, 움직이거나, 회전시키거나, 또는 의료용 응용에서 절개를 하는 등의 인터랙션 작업을 수행할 수 있다. 일실시예에 따르면 디바이스(600)에는 휠(wheel) 형태의 버튼(622)이 포함될 수도 있다. 이 버튼(622)은 마우스의 그것처럼, 화면의 확대나 축소, 컨텐츠 스크롤 등의 인터랙션이 가능하도록 하는 기능이 할당될 수도 있다.
그러나, 다른 실시예에서 버튼(622)은 사용자가 포인터(615)의 위치를 조정할 수 있도록 기능할당이 될 수도 있다. 이러한 위치 조정은 h 값을 버튼(622)에 의해 조정하는 것으로 이해될 수 있는데, 조정은 실제 니들(614)의 길이나 포인터(615)의 위치와 관계 없이 마커들에 대한 포인팅 위치의 상대적 변이를 조정하는 소프트웨어적 처리에 의해 구현될 수 있다. 물론, 버튼(622)으로 외부에 도출된 니들(614)의 물리적인 길이를 조정하도록 하는 것도 배제되지 않는다. 이러한 배려에 의해 사용자는 응용이나, 자신의 선호에 맞도록 포인팅 위치와 손의 거리를 조정할 수 있다. 나아가 버튼(622)도 압력을 감지하는 감압 센서에 의해 구현될 수 있다. 사용자가 세게 누르면 포인팅 위치가 사용자로부터 멀어지는 식의 인터랙션이 가능하다. 도 6d에서는 사용자가 객체(605)의 위치(606)을 포인팅 하는 모습이 도시된다.
도 7a 및 7b는 도 6a 포인팅 디바이스 실시예에서 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a의 카메라 위치(700)의 위치 벡터를 s, 위치(700)으로부터 제1 마커의 위치(710)으로의 방향 벡터를 u1 , 제2 마커의 위치(720)으로의 방향 벡터를 u2 , 제3 마커의 위치(730)으로의 방향 벡터를 u3 으로 표현하면, 각 마커들의 위치 벡터 p1 , p2 , 및 p3 는 아래 수학식과 같이 표현된다. r, s 및 t는 카메라 위치(700)와 마커들 사이의 거리이다.
그러면, r, s 및 t는 아래 수학식 7의 연립방정식을 풀어서 구할 수 있다.
이렇게 마커의 위치 벡터들 p1 , p2 , 및 p3 가 구해지면, 포인팅 위치의 위치 벡터 p가 구해질 수 있다. 도 7b에 도시된 것과 같이, 포인터 위치(701)는 마커들 위치의 중심점(702)로부터, 노말(normal) 방향으로 h 만큼 떨어져 있다. v는 마커들 위치가 이루는 평면의 노말 벡터이다. 그리고 아래 수학식을 참조하면 마커의 위치 벡터들 p1 , p2 , 및 p3 로부터 포인팅 위치 벡터 p를 구할 수 있다.
상술한 실시예 외에 포인팅 디바이스는 다른 다양한 모양일 수 있다. 이를테면, 마커의 개수도 3개가 아니라, 4개 이상일 수도 있고, 또는 1개나 2개일 수도 있다. 나아가, 마커리스(marker-less) 영상 인식 기반으로 포인팅이 이루어질 수도 있다. 하나의 마커를 구비하는 예시적인 다른 실시예가 아래에 제시된다.
도 8a 및 8b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조와 동작을 도시한다.
도 8a에 도시된 포인팅 디바이스도 펜이나 수술용 나이프와 유사한 형태를 하고 있다. 펜 뒤쪽의 원형 구조물(810) 내에 식별 요소(811)가 원형으로 배치되어 있다. 추가로 배치될 수 있는 식별 요소(812)는 원형의 식별 요소(811)와 동일한 평면에 존재할 수 있다. 펜의 앞부분에는 니들(813)이 배치되어 있다. 본 실시예에서 버튼(830)은 포인터의 온/오프를 조작할 수 있도록 기능이 부여 된다. 버튼(830)을 누른 상태가 포인팅 디바이스가 온(ON)된 것에, 버튼(830)을 누르지 않은 상태가 오프(OFF)된 것에 각각 대응할 수 있다. 버튼(830)을 눌러서 디바이스를 활성화 시키는 것은 전파를 이용하여 전달될 수도 있다. 그러나 도시된 실시예에서는 디바이스가 온 된 경우, 원형의 식별 요소(811)부분에 LED 빛이 발광됨으로써 카메라에 의해 인식될 수 있다. 버튼에 의해 디바이스가 오프 된 경우, 식별 요소(811) 및 식별 요소(812)의 빛이 꺼질 수 있다. 도 8b에서는 이러한 실시예에 따른 사용자의 포인팅 디바이스(850) 조작이 도시되었다. 포인팅 위치(835)는 미리 지정된 식별 요소로부터의 상대적 변위에 의해 인식될 수 있고, 사용자의 조작에 의해 객체 위치(840)가 포인팅 되는 것이 감지될 수 있다. 이러한 실시예에 따른 포인팅 위치 계산은 도 9a 및 9b를 참조하여 후술한다.
도 9a 및 9b는 상기 도 8a의 포인팅 디바이스 실시예에 따라 포인팅 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 식별 요소의 모양(이 예에서는 일정한 크기를 갖는 원 및/또는 원과 동일 평면에 있는 직선)이 이용된다. 도 9a에서 도시된 바를 참조하면, 크기를 알고 있는 원을 이용하여, 원의 중심의 위치와 법선 벡터 N이 구해진다.
먼저 도 9a에서, 크기를 알고 있는 공간 상의 원인 마커가 촬영되면, 촬영된 영상에서 마커는 원 또는 타원으로 투영된다. 이 때, 공간상의 원 모양의 마커를 구성하는 점들의 집합을 Pp로 정의하고, 그 점들을 카메라 중심으로 투영할 때, 영상 평면 위에 투영 된 점들의 역투사 한 집합을 아래 수학식과 같이 Pu로 정의한다.
이 때, xu, yu는 영상 평면에 투영된 마커의 점들의 위치이고, f는 카메라의 초점 거리이다. k는 스케일 파라미터이다. Pp는 원으로 정의되어 있고, Pu는 원 또는 타원의 모양이 되므로, 이 두 점들의 집합은 일반적은 2차 곡선의 방정식을 만족하며, 이 때 각각의 점들의 집합에 대한 타원 행렬을 각각 각각 Qp와 Qu로 한다.
한편, 공간상의 원과 투영된 원 또는 타원은, 투영 공간 상에서 동일한 점을 원점으로 가지므로, Pp와 Pu는 회전의 관계를 가지며 이 때의 회전 행렬을 Rp라고 한다. 따라서 수학식 11 에서 Pu값에 RpPp를 대입하면, Qu 와 Qp의 관계를 아래의 수학식 12 과 같이 얻을 수 있다.
위 수학식 13에서 V∧V는 Qu 에 고유 값 분해를 적용한 식이다. V는 고유 벡터 행렬이다. λ1 , λ2 , λ3 는 Qu의 고유 값이며, ∧는 고유 값의 대각 행렬이다. 이 식을 수학식 12에 적용하면, 최종적인 회전 행렬 R은 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
그러면, 중심점의 위치 벡터 C와 법선 벡터 N는 아래와 같이 구할 수 있다. C와 N은 각각 2개의 해이므로 모호함을 해결 하기 위해 동심원을 사용하여, 공통되는 해를 구한다.
그리고, 도 9b에서는 포인팅 디바이스의 자세를 구하기 위해서 원과 같은 평면 상에 있는 직선을 이용하여, 회전 값을 구하는 방식이 제시된다. 도시된 예에서는 원의 중심을 향하며 원과 동일 평면에 있는 직선을 이용하여, 정확한 회전 값이 구해진다. 원에 있는 빛(ray)은 아래와 같이 계산된다.
이 때, 좌표 [xp, yp, 1]는 직선상의 점의 영상 좌표 [xu, yu, 1]에 카메라 인트린식 파라미터의 역행렬을 곱하여 카메라 좌표로 변환한 후, z축의 값을 1로 정규화 한 좌표이며, w는 이 좌표의 스케일 파라미터이다. 도 9b에서 영상 평면 상의 직선은 w의 값에 따라서 다양한 공간상의 좌표 값을 가질 수 있으며, 이 중, 실제 마커가 존재하는 평면 Π 상에 직선이 존재하도록 하는 w를 찾는다. 역투사 된 점이 Π 상에 존재하는지 판단하기 위해서는, Π의 노말 벡터 n과 평면상의 점 c와 w [xp,yp,1]를 연결한 직선의 내적을 구한다. 내적 값이 0일 경우, n과 (c - w [xp,yp,1])는 수직한 관계에 있으며, 따라서 w [xp, yp, 1]은 평면 Π 상에 있다.
상기 수학식들을 참조하면, 원과 동일 평면 Π 에 있는 직선이 영상에 투영되었을 때, 영상의 직선 상에 있는 점 (xu, yu)이 역으로 투사된다. 역투사 된 빛(ray)과 평면 Π가 만나는 점을 원의 중심에 대한 j축으로 설정한다. 법선 벡터 N의 방향은 k축으로 설정하고, j축과 k축의 외적을 통해 i축이 결정된다. 이렇게 3개의 축을 열벡터(column vector)로 가지는 3x3 행렬이 카메라 좌표에 대한 모델(원형의 식별 요소)의 회전 행렬이 된다. 그리고 카메라 좌표에 대한 모델의 거리와 자세(pose) 값을 이용하여, 포인팅 팁의 최종적인 위치와 자세가 추정될 수 있다.
도 10a 및 10b는 다른 일실시예에 따른 포인터 디바이스 구조 및 응용을 도시한다. 도 10a의 실시예에서는 포인터 디바이스(1010)가 사람의 손가락(1000)에 끼워질 수 있는 형태로 구현되었다. 니들 팁에 달려 있는 포인터(1011)을 통해 사용자는 공간 상의 포인팅 위치를 조정할 수 있다. 이러한 실시예에서 디바이스(1010)는 복수 개의 마커를 포함할 수도 있다. 도 10b에서는 사용자 손가락에 이러한 디바이스가 복수 개 사용되는 응용이 제시되었다. 디바이스들(1021, 1022, 1023 및 1024)은 각각 서로 구분되는 식별 요소를 가지고, 따라서 포인팅 위치는 서로 독립적인 4 개의 위치로 결정될 수 있다. 이러한 응용에 따르면 객체를 쥐거나(grab) 모양을 바꾸거나, 또는 움직이는 등의 인터랙션이 더욱 직관적으로 제공될 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 컴퓨팅 방법을 도시하는 흐름도이다.
단계(1110)에서, 사용자 양안 위치 벡터 eL 과 eR 이 입력된다. 그리고 포인팅 위치를 추정한 결과인 벡터 p가 입력 된다. 일실시예에 따르면, 이러한 포인팅 위치 벡터 p는 입력될 수도 있고, 직접 계산될 수도 있다. 계산되는 과정에 대해서는 도 5b 내지 도 9b를 참조하여 상술하였다.
그러면 단계(1120)에서, 객체 위치 o가 추정된다. 객체 위치 추정부는 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 자각되는 오브젝트 위치를 계산한다. 객체 위치 추정에 대해서는 도 3 내지 도 4b를 참조하여 설명하였다. 도 1에서 상술한 바와 같이, 이러한 오브젝트 위치 추정 과정은 좌표 이동 또는 좌표 변환으로 이해될 수도 있다. 고정된 전역 좌표에서의 오브젝트 포인트를 사용자 양안 위치에 따라 변하는 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환한다. 그리고, 또한 이러한 객체 위치 추정은 상기 좌표 변환에 연관되는 변환 함수(transformation function)을 찾는 과정으로 이해할 수도 있다.
단계(1130)에서는 포인팅 판단부가 사용자 인식 좌표계로 좌표 변환된 오브젝트 포인트를, 포인팅 위치의 좌표와 비교하여 포인팅 위치를 판단한다. 또한 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 이 과정은 포인팅 판단부가 사용자 인식 좌표에서의 포인팅 위치에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 포인팅 위치를 찾고, 좌표 값의 차이에 따라 포인팅 여부를 결정하는 것으로 이해될 수도 있다. 이에 연관된 다양한 실시예들이 도 1 내지 도 9b를 참조하여 상술되었다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (22)
- 제1 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 상기 제1 오브젝트 포인트의 위치로서 인식되는 제1 좌표 값을 계산하는 객체 위치 추정부;
사용자 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 포인팅 판단부; 및
사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 식별 요소는 복수 개의 마커에 대응하고, 상기 포인팅 위치 추정부는 영상 인식된 상기 복수 개의 마커의 방향 및 복수 개의 마커 상호간의 변위 정보를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는,
컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 영상은 좌영상과 우영상을 포함하는 스테레오스코픽 영상이고,
상기 객체 위치 추정부는, 상기 좌영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 좌안 위치로의 제1 직선과, 상기 우영상에서 상기 제1 오브젝트 포인트가 표시되는 위치로부터 상기 양안 중 우안 위치로의 제2 직선의 교점의 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산하는 컴퓨팅 장치. - 제2항에 있어서,
상기 교점이 생기지 않는 경우, 상기 객체 위치 추정부는 상기 제1 직선에 직교하고 및 상기 제2 직선에 직교하는 선분의 중점 좌표를 상기 제1 좌표 값으로 계산하는 컴퓨팅 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 포인팅 위치 추정부는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포인팅 위치 추정부는, 현재 프레임에 선행하는 적어도 하나의 이전 프레임에 대응하여 계산된 제2 좌표 값을 이용하여, 현재 프레임에서 계산되는 제2 좌표 값을 보정하고, 상기 보정된 제2 좌표 값을 상기 포인팅 위치로 결정하는 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소가 영상 인식된 제1 모양을, 미리 주어진 상기 식별 요소의 모양인 제2 모양과 비교하여 포인팅 위치인 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부
를 더 포함하는 컴퓨팅 장치. - 제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 식별 요소는, 상기 사용자 디바이스에 포함되는 스위치의 온-오프 변경에 따라 인식가능 상태와 인식불가능 상태로 중 어느 한 가지로 변경 가능한 광원을 포함하는 것인 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 계산하고, 상기 적어도 하나의 식별 요소와 포인팅 위치의 상대적 변위를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 포인팅 위치 추정부
를 더 포함하는 컴퓨팅 장치. - 제10항에 있어서,
상기 상대적 변위는 사용자 조작에 의해 변경 가능한 컴퓨팅 장치. - 제11항에 있어서,
상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은, 상기 사용자 디바이스에 포함되는 휠 조작에 의해 식별되는 것인 컴퓨팅 장치. - 제11항에 있어서,
상기 상대적 변위를 변경하는 상기 사용자 조작은, 상기 사용자 디바이스에 포함되는 감압 센서의 센싱 값에 의해 식별되는 것인 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포인팅 판단부는, 상기 제2 좌표 값과 상기 제1 좌표 값의 거리가 임계치 미만인 경우, 상기 포인팅 위치를 상기 제1 오브젝트 포인트로 결정하는 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 객체 위치 추정부는, 사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하는,
를 포함하는 컴퓨팅 장치. - 제15항에 있어서,
상기 포인팅 판단부는, 상기 제2 좌표 값과 상기 제1 좌표 값의 거리가 임계치 미만인 경우, 상기 포인팅 위치를 상기 제1 오브젝트 포인트로 결정하는 컴퓨팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 객체 위치 추정부는,
사용자 양안 위치를 이용하여, 전역 좌표계에서의 제1 오브젝트 포인트의 좌표 값을 사용자 인식 좌표계에서의 좌표 값인 제1 좌표 값으로 변환하는 변환 함수를 결정하고,
상기 포인팅 판단부는,
포인팅 위치인 제2 좌표 값에 상기 변환 함수의 역함수를 적용하여 전역 좌표계에서의 제3 좌표 값을 결정하고, 상기 제3 좌표 값을 상기 제1 좌표 값과 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는,
컴퓨팅 장치. - 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 장치가 3D 상호작용적인 사용자 경험을 제공하는 컴퓨팅 방법에 있어서, 상기 방법은:
제1 오브젝트 포인트가 영상에서 표시되는 위치 및 사용자 양안의 위치를 이용하여, 사용자에게 상기 제1 오브젝트 포인트의 위치로서 인식되는 제1 좌표 값을 계산하는 단계;
사용자 디바이스에 연관되는 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 사용자 포인팅 위치인 제2 좌표 값을 계산하는 단계; 및
상기 제1 좌표 값과 상기 제2 좌표 값을 비교하여 상기 포인팅 위치가 상기 제1 오브젝트 포인트에 대응하는지의 여부를 판단하는 단계
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 식별 요소는 복수 개의 마커에 대응하고,
상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는,
영상 인식된 상기 복수 개의 마커의 방향 및 복수 개의 마커 상호간의 변위 정보를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계
를 포함하는 방법. - 제18항에 있어서,
상기 사용자 양안의 위치 및 상기 사용자 포인팅 위치는 하나의 카메라의 영상으로부터 계산되는 방법. - 삭제
- 제18항에 있어서,
상기 제2 좌표 값을 계산하는 단계는, 적어도 하나의 이전 프레임에서 입력된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여, 현재 프레임에서 입력되는 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 보정하고, 상기 보정된 상기 적어도 하나의 식별 요소의 위치를 이용하여 상기 제2 좌표 값을 계산하는 방법. - 삭제
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