WO2017018748A1 - Optical tracking marker, optical tracking system, and optical tracking method - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a marker for optical tracking, an optical tracking system and an optical tracking method.
- the present invention also relates to a method of forming an image on an optical tracking marker.
- An optical tracking system can be used as one method for tracking the object.
- an optical tracking system may be used to track the location or coordinates and posture or orientation of the affected area or surgical robot or surgical tool.
- the position of the object may be defined as spatial coordinates such as, for example, coordinates on the X, Y, and Z axes in the rectangular coordinate system.
- the posture of the target may be defined as a roll, pitch, yaw. For accurate tracking of the object, it is important to know exactly the position and posture corresponding to the six degrees of freedom of the object, as described above.
- a reference object called a marker is attached to an object, and then the position and attitude of the object can be measured by tracking the marker.
- a structure having three or more markers attached thereto may be attached to the object to measure the position and posture of the object.
- the method of using three or more markers has a problem that miniaturization of the tracking reference body is difficult.
- the size and weight thereof may interfere with the use of the user's tool or the user may feel uncomfortable.
- the problem to be solved by the present invention is to provide an optical tracking marker that can be reduced in weight or downsized.
- the problem to be solved by the present invention is to provide an optical tracking system and method that can measure both the position and the posture of the object using a lightweight or compact marker.
- the present invention provides an optical tracking system and tracking method for tracking the position and posture of an object to which at least one marker is attached.
- Another object of the present invention is to provide a method for forming an image having at least two feature points on a marker for an optical tracking system having a three-dimensional shape.
- the marker for measuring position and posture may include an image having a random shape formed so that a plurality of feature points can be arbitrarily selected, and a lens for enlarging and transmitting the image.
- the image may be located on a surface on which the focal point of the lens is formed.
- the lens may be coated such that only light of a specific wavelength range may be transmitted.
- the plurality of feature points in the image may be formed of a light emitting material.
- the image may be formed of two or more materials having different reflectances for light incident to the marker, and the plurality of feature points in the image may reflect a difference in reflectances of the two or more materials. It can be formed using.
- the image may be formed of two or more materials having different transmittances to light incident on the marker, and the plurality of feature points in the image may indicate differences in transmittances of the two or more materials. It can be formed using.
- the random shape may be unique for each marker.
- the surface where the focal point of the lens is formed may be an outer surface of the surface reflected from the lens after light is incident on the lens.
- the surface where the focal point of the lens is formed may be spaced apart from the lens, and the image may be spaced apart from a material having a refractive index different from that of the lens.
- the image may be formed on an outer portion of a surface where light is reflected after the light is incident on the lens and passes through the material having the different refractive index.
- the surface on which the focal point of the lens is formed may be formed inside the lens.
- light may be irradiated onto the image by including a light source that is brighter than the inside of the marker.
- the image may be a predetermined shape instead of a random shape.
- the image may be formed by printing an image material.
- the image may be formed by lithography using an image material.
- An optical tracking system includes a first image having a random shape and a first lens for enlarging and transmitting the first image having a random shape formed so that a plurality of feature points can be arbitrarily selected.
- an imaging unit including one or more imaging elements for forming the first image into a second image at a focal length of the second lens and the second lens, and optionally selecting a plurality of feature points from the first image. The object to which the marker is attached can be tracked.
- the first image may be positioned on a surface on which the focal point of the first lens is formed.
- the optical tracking system may determine a posture based on first information related to the first image and second information related to the second image, and the first information is included in the first image.
- the coordinates may be coordinates of two or more feature points among the plurality of feature points, and the second information may be detected in the second image as coordinates corresponding to the two or more feature points.
- the first image may be formed of two or more materials having different reflectances to light, and the plurality of feature points included in the first image may indicate a difference in reflectances of the two or more materials. It can be formed using.
- the first image may be formed of two or more materials having different transmittances to light, and the plurality of feature points included in the first image may indicate a difference between transmittances of the two or more materials. It can be formed using.
- the random shape of the first image may be unique for each marker.
- the first image may be a predetermined shape instead of the random shape.
- the optical tracking method comprises the steps of: imaging the first image of a random shape included in a marker that is extended and transmitted through the first lens into a second image at a focal length of the second lens; And determining a posture of the marker based on the first information related to the first image and the second information related to the second image, wherein the randomly shaped first image has a plurality of feature points selected arbitrarily. It may be formed to be able to be, and to track a target to which the marker is attached by selecting a plurality of arbitrary feature points from the first image.
- the determining of the pose of the marker based on the first information related to the first image and the second information related to the second image may include determining coordinates of two or more feature points from the second image. Detecting as second information and detecting coordinates of a feature point corresponding to two or more feature points detected from the second image as the first information among the plurality of feature points included in the first image stored in advance; And determining the posture from a relational expression between the coordinates as the first information and the coordinates as the second information.
- the method of forming an image on a marker for an optical tracking system may include preparing a marker including a lens and forming an image on the marker. Forming may include forming a portion of the image with a material having a first reflectance and forming a remainder of the image with a material having a second reflectance different from the first reflectance in the marker,
- the image may be formed in a random shape such that a plurality of feature points may be arbitrarily selected from the difference between the first reflectance and the second reflectance, and the plurality of feature points may be arbitrarily detectable by the optical tracking system.
- the forming of the image on the marker may be forming the image on a surface on which the focal point of the lens is formed.
- a portion formed of a material having the first reflectance or the second reflectance may form the feature point.
- the marker according to an embodiment of the present invention may be implemented in a small size.
- the position and posture corresponding to six degrees of freedom of the object to which the marker is attached may be measured using at least one marker.
- the trackable distance can be increased.
- an image having at least two feature points may be simply formed on a small marker having a three-dimensional shape.
- FIG. 1 is a view showing a surgical scene as an application of the optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing an example in which a marker according to an embodiment of the present invention is attached to a surgical tool and used.
- FIG. 3 is a block diagram of an optical tracking system including a marker according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram illustrating a process of transmitting image information included in a marker to the outside according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a diagram for describing a case where a focus is formed according to characteristics of a ball lens when a marker according to an embodiment of the present invention is implemented using a ball lens.
- FIG. 6 is a view for explaining the position of the surface on which the image is formed on the marker according to the focal position of the ball lens when implementing the marker according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 7 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two hemispherical lenses.
- FIG. 8 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two identical hemispherical lenses.
- FIG. 9 illustrates a drum lens as a lens for a marker according to an exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses as lenses for a marker according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 11 illustrates a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, in which two spherical dome lenses having the same inner radius are combined.
- FIG. 12 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two spherical dome lenses having the same outer radius.
- FIG. 13 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses having the same shape as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 14 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses and one ball lens as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows two spherical dome lenses and one ball lens which are not spherical.
- FIG. 16 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one optical medium having a concentric surface.
- FIG. 17 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one spherical dome lens.
- FIG. 18 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one spherical dome lens instead of the hemisphere.
- FIG. 19 is a view showing a GRIN ball lens as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
- 20 is a diagram illustrating an image formed on one surface of a ball lens and feature points included in the image according to an embodiment of the present invention.
- 21 is a diagram illustrating a case in which an image included in a marker has a predetermined shape according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 22 is a diagram illustrating a marker including a light source therein according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 23 is a diagram illustrating a marker including a light source therein according to one embodiment of the present invention.
- 24 is a view illustrating a positional relationship between a lens and an imaging device in an imaging unit in an optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
- 25 is a diagram for describing a process of detecting a posture of a marker, according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 26 is a diagram exemplarily illustrating a change in a feature point in an image of a marker formed in an image forming unit as a marker moves in an optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 27 is a block diagram of an optical tracking system in which an imaging unit includes two imaging devices in order to measure the position of a marker in the optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 28 is a flowchart illustrating a method of determining a pose of a marker in an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- 29 is a flowchart illustrating a method of determining a posture of a marker from image information included in the marker in the optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 30 is a flowchart illustrating a method of determining the position of a marker in an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 31 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- the image is formed on the marker by a spraying technique.
- 32 is a flowchart illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 33 is a diagram illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and illustrating an image on a marker by a printing technique.
- FIG. 34 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention and forming an image on the marker by a technique of injecting a substance.
- FIG. 35 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
- the image is formed on the marker by a stencil technique.
- FIG. 36 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, wherein the image is formed on the marker by a stamping technique.
- FIG. 37 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and implementing the marker using a 3D printer.
- FIG. 38 illustrates a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and illustrates a method of forming an image on a marker by a lithography technique.
- FIG. 39 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and a method of forming an image on the marker by a lithography technique.
- FIG. 40 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and a method of forming an image on the marker by a lithography technique.
- the markers 110 and 130 are attached to an object such as an affected part or a surgical tool, and then the markers 110 and 130 of the markers 110 and 130 are based on the information about the markers 110 and 130 obtained through the imaging unit 150.
- the object to which the markers 110 and 130 are attached can be tracked.
- a structure having three or more markers attached thereto may be attached to the object.
- all six degrees of freedom of the object to which the marker is attached may be determined by only attaching one marker.
- the marker 210 according to an embodiment of the present invention is attached to the surgical tool 230 and used.
- the marker may be attached or detached to the object to be tracked.
- a removable method may be convenient.
- the detaching process may be simple.
- the time and effort required to disinfect the markers can be reduced.
- an optical tracking system that can use a small number of markers as in the present invention can be conveniently used.
- the optical tracking system of the present invention briefly described with reference to FIGS. 1 and 2 will be described in more detail.
- the optical tracking system 300 may include a marker 310, an image forming unit 330, a light source 350, and a processor 370.
- the marker 310 may include an image 312 and a lens 314 for enlarging and transmitting the image 312.
- the imaging unit 330 may include an imaging device 334 and a lens 332 capable of imaging an image transmitted from the marker 310.
- the imaging unit 330 may include two or more imaging devices 334. Alternatively, two or more imaging units 330 may be included in the optical tracking system 300.
- the image 312 transmitted from the marker 310 may pass through the lens 332 and may be formed into another image in the imaging device 334.
- the light source 350 may be arranged to irradiate light toward the marker 310 to help the image 312 included in the marker 310 form an image in the image forming unit 330.
- the light source 350 may be disposed outside the marker 310, and in this case, the marker 310 may operate as a passive marker. According to another embodiment, the light source 350 may be disposed inside the marker 310, in which case the marker 310 may operate as an active marker.
- the processor 370 is hardware or software capable of calculating the position and posture of the marker 310 by receiving image information of the marker 310 formed by the imaging unit 330.
- the processor 370 may be a CPU (central processing unit).
- the processor 370 may be used independently of the optical tracking system 300 or installed in the imaging unit 330.
- the processor 370 may distribute functions for calculating the position and attitude of the marker 310 to various components such as the image forming unit 330 in order to reduce the load on the calculation amount.
- the processor 370 may be located at a different place far from where the optical tracking system 300 is installed, and may exchange data with the optical tracking system 300 through a wired or wireless network. . As such, when the functions of the processor 370 are distributed, the burden on the amount of computation or the speed of the optical tracking system 300 itself may be reduced. In this case, the high speed processor 370 may not be required.
- the marker 310 is an object to be measured position and posture through the optical tracking system 300. By measuring the position and posture of the marker 310, the position and posture of the object to which the marker 310 is attached may be measured.
- the marker 310 to be used in the present invention will be described in more detail.
- the marker 310 may operate in a passive manner or an active manner. Either way, by causing the light emitted from the light source 350 to be reflected on the image 312 included in the marker 310, the image 312 information may be transmitted to the outside of the marker 310 via the lens 314. . By allowing the light emitted from the light source 350 to be reflected on the image 312 included in the marker 310, the discriminating power of the image 312 of the marker 310 formed in the image forming unit 330 may be increased. According to another embodiment, the light irradiated to the image 312 is transmitted through the image 312, so that the image 312 information may be transmitted to the outside via the lens 314.
- image 312 may be formed of a material having a high or low reflectivity or a material having a high or low transmittance for light emitted to image 312.
- the reflectance may mean the ratio of the energy of the reflected light and the energy of the incident light
- the transmittance may mean the ratio of the energy of the transmitted light and the energy of the reflected light. The reason for distinguishing the reflectance from the transmittance is to consider the case where the energy of light is absorbed in the image.
- the marker 310 may include a lens 314 that enlarges the image 312 and transmits the image to the outside.
- the type of the lens 314 is not particularly limited, and any type of lens capable of magnifying and transferring the image 312 included in the marker 310 may be used.
- the image 312 may be positioned on the marker 310 where the image 312 may be identified outside the marker 310 through the lens 314.
- the lens 314 and the image 312 may be disposed such that the image 312 may be transmitted to the outside of the marker 310 in the form of parallel emission light. This is a condition that can be combined with the optical system of the image forming unit 330 side of the optical tracking system 300 to implement an infinite optical system.
- the imaging unit 330 may obtain an imaging image of the enlarged marker 310. Therefore, even if the position of the marker 310 is far from the image forming unit 330, it may be easy to obtain information on the image 312 included in the marker 310 from the image forming image.
- the arrangement relationship between the image 312 and the lens 314 in the marker 310 will be described in more detail.
- the ball lens 500 focuses the light incident on the ball lens 500 on the surface P 0 , inside P 2 , or outside P 1 of the ball lens 500. Can bear.
- the position where the focal point of the lens 314 is formed may vary depending on the material or appearance of the lens 314.
- the image 312 may be transmitted in the form of parallel output light through the lens 314. .
- FIG. 6 illustrates a position of a surface on which an image 312 is to be formed according to a position at which the ball lens 500 is focused when the lens 314 is used as the ball lens 500 according to an exemplary embodiment.
- the image 312 may be formed on the surface 510 of the ball lens 500.
- the image 312 may be formed on the outer surface of the surface reflected from the lens 314 after light is incident on the lens 314.
- the image 312 is a focal plane 530 spaced apart from the ball lens 500.
- the focal plane 530 may form a concentric circle with the ball lens 500.
- the surface on which the image 312 is formed and the spaced space on the lens 312 may be filled with a material having a refractive index different from that of the lens 312. Spaces may be filled with gas.
- the image 312 may be formed on the inner surface 550 of the ball lens 500.
- the inner surface 550 may be concentric with the ball lens 500.
- embodiments of the marker 310 using various kinds of lenses may be considered based on the arrangement relationship between the lens 314 and the image 312.
- the lens 314 may be implemented by combining two optical media.
- the lens 314 may be implemented by combining two hemispherical lenses 510c and 530c.
- the lens 314 may be implemented by combining a hemispherical lens 510c having a radius of R1 and a hemispherical lens 530c having a radius of R2.
- the two hemispherical lenses 510c and 530c may be concentric with each other.
- the lens 314 may be implemented by combining two identical hemispherical lenses 510c and 530c.
- at least one of the two hemispherical lenses 510c and 530c may have a shape that forms a part of the ball lens instead of the lens of the hemispherical shape.
- the two lenses to be combined may be located on concentric circles with each other.
- the focus of light irradiated to the hemispherical lens 510c from the outside may be formed on the inside, the surface, or the outside of the hemispherical lens 530c, and the image 312 may be formed in any one of them.
- image 312 may be formed at any location within hemispherical ball lens 530c.
- the refractive indices of the two optical media to be combined may be the same or different from each other, and the focal position of the incident light may be determined according to the refractive indices.
- the refractive index by changing the refractive index, the position where the image 312 is to be formed in the marker 310 can be adjusted, and also the recognition rate for the image 312 can be adjusted when the image 312 is imaged.
- an optical adhesive may be used to couple between the first optical medium and the second optical medium, such as between hemispherical lenses 510c and 530c or lenses that form part of a ball lens.
- an optical adhesive may be used to couple between the first optical medium and the second optical medium, such as between hemispherical lenses 510c and 530c or lenses that form part of a ball lens.
- by placing another optical medium between the first optical medium and the second optical medium it is possible to combine between the optical media.
- 9 illustrates an embodiment in which portions 510d and 530d of a ball lens and another optical medium 550d are combined to form a lens 314.
- the portions 510d and 530d of the ball lenses have the same radius, that is, the same radius of curvature, and may be located on concentric circles with each other.
- portions 510d and 530d of the ball lens and another optical medium 550d may be formed integrally.
- the lens 314 may be a drum lens.
- the drum lens can be made by machining the ball lens into a cylindrical shape, or by processing the optical medium to have two curved surfaces of the same radius of curvature and to have a thickness twice the radius of curvature.
- the image 312 may be formed on a portion 530d of the other ball lens. Specifically, if light is incident on the portion 510d of the ball lens, the image 312 is inside, on the surface of, the portion 530d of the ball lens focused by the portion 510d of the ball lens and the optical medium 550d. Or it may be formed on at least one of the outside. At least one of the refractive indexes of the portions 510d and 530d of the ball lens and the optical medium 550d may be different or the same. By adjusting the refractive indices of the optical media, the position at which the image 312 will be formed in the marker 310 can be adjusted. Also, the recognition rate for the image 312 when the image 312 is imaged may be adjusted.
- the optical medium 550d may further include a convex portion or groove for easily attaching the marker 310 to the object to be tracked.
- the lens 314 of the marker 310 may be implemented by combining two spherical dome lenses.
- FIG. 10 illustrates a lens 314 implemented by combining hemispherical dome lenses 510e and 530e among spherical dome lenses according to an embodiment of the present invention.
- the hemispherical dome lens 510e may have a shape having an inner radius of R1 and an outer radius of R2
- the hemispherical dome lens 530e may have a shape having an inner radius of R3 and an outer radius of R4.
- the inner radii R1 and R3 of the two hemispherical dome lenses may be the same, or as in the embodiment shown in FIG.
- the outer radii R2 and R4 may be the same.
- the two hemispherical dome lenses 510e and 530e may have the same shape. These spherical dome lenses 510e and 530e may be located on concentric circles.
- the two spherical dome lenses are not limited to hemispherical dome lenses but may be any dome lens that forms part of a sphere.
- the image 312 may be formed on another hemispherical dome lens 530e. Specifically, if light is incident on the hemispherical dome lens 510e, the image 312 may be formed on at least one of the surface, inside or outside of the hemispherical dome lens 530e to which the hemispherical dome lens 510e is focused. . In this case, the refractive indices of the hemispherical dome lens 510e and the hemispherical dome lens 530e may be different or the same. By adjusting the refractive indices of these optical media, the position where the image 312 is to be formed in the marker 310 can be adjusted, and also the recognition rate for the image 312 when the image 312 is imaged can be adjusted.
- the space between the two spherical dome lenses may be filled with a material having a refractive index different from at least one of the refractive indices of the two spherical dome lenses.
- the material to be filled may be a gas or an optical resin.
- it may have another optical medium between two spherical dome lenses.
- FIG. 14 shows a lens 314 with a ball lens 550f between two hemispherical dome lenses 510f and 530f as two spherical dome lenses, as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
- the two hemispherical dome lenses 510f and 530f may have the same inner radius.
- the hemispherical dome lenses 510f and 530f and the ball lens 550f may be located on concentric circles.
- the dome lens to be coupled to the ball lens 550f may be any spherical dome lens that is not hemispherical.
- FIG. 15 shows a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, in which two spherical dome lenses 510f and 530f and one ball lens 550f are combined.
- image 312 may be formed on another hemispherical dome lens 530f.
- the image 312 is either of the surface, interior or exterior of the hemispherical dome lens 530f focused by the hemispherical dome lens 510f and the ball lens 550f. It may be formed in at least one. In this case, at least one of the refractive indices of the hemispherical dome lenses 510f and 530f and the ball lens 550f may be different or the same.
- FIG. 16 illustrates a combination of one ball lens 510g and one optical medium 530g having a sphere surface 550g concentrically spaced apart from the ball lens 510g.
- the lens 312 is shown.
- the spaced space between the ball lens 510g and the optical medium 530g may be filled with a material having a refractive index different from that of at least one of the ball lens 510g or the optical medium 530g.
- the material to be filled may be a gas or an optical resin.
- the surface of the ball lens 510g may be in contact with the spherical surface 550g of the optical medium 530g without a space between the ball lens 510g and the optical medium 530g. have.
- the image 312 may be formed on the optical medium 530g. Specifically, if light is incident on the ball lens 510g, the image 312 may be formed on at least one of the spherical surface 550g, the inside or the outside of the optical medium 530g to which the ball lens 510g is focused. . In this case, the refractive indexes of the ball lens 510g and the optical medium 530g may be different or the same.
- the optical medium 530g may be filled with a material having a refractive index different from that of the ball lens 510g or the optical medium 530g in a space spaced between the ball lens 510g and the optical medium 530g.
- the location at which the image 312 is formed can be adjusted.
- the refractive index of the ball lens 510g by adjusting the refractive index of the ball lens 510g, the position where the image 312 is to be formed in the optical medium 530g may be adjusted. By adjusting the refractive index in this manner, not only the position where the image 312 is to be formed can be adjusted, but also the recognition rate for the image 312 when the image 312 is imaged can be adjusted.
- the optical medium 530g may include convex portions 570g and 572g for coupling with the ball lens 510g.
- the optical medium 530g may include convex portions or grooves that can easily attach to the object to be tracked to the marker 310.
- the hemispherical dome lens 530h may have an inner radius R1 and an outer radius R2.
- the radius of the ball lens 550h may be the inner radius R1 of the hemispherical dome lens 530h, and the ball lens 550h may contact the surface of the hemispherical dome lens 530h.
- the ball lens 550h and the hemispherical dome lens 530h may be spaced apart. In this case, an optical medium having a refractive index different from at least one of the ball lens 550h or the hemispherical dome lens 530h may be included between the spaces.
- the spherical dome lens to be combined with the ball lens 550h may be any spherical dome lens 530h that is not hemispherical.
- Ball lens 550h and any spherical dome lens 530h may be located concentrically.
- FIG. 18 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, and shows a lens 314 implemented by combining one ball lens 550h and one spherical dome lens 530h that is not hemispherical.
- the image 312 may be formed in the hemispherical dome lens 530h. Specifically, if light is incident on the ball lens 550h, the image 312 may be formed on at least one of the surface, inside or outside of the hemispherical dome lens 530h to which the ball lens 550h is focused. According to one embodiment, the surface of the hemispherical dome lens 530h may be a surface formed by the inner radius R1 or the outer radius R2.
- the refractive indexes of the ball lens 550h and the hemispherical dome lens 530h may be the same or different. By adjusting the refractive indices of these optical media, the position at which the image 312 is to be formed in the marker 310 can be adjusted, and the recognition rate for the image 312 when the image 312 is imaged can be adjusted.
- the GRIN ball lens may refer to a ball lens in which layers of different refractive indices are stacked 510i, 530i, 550i, and 570i.
- FIG. 19 it is assumed that the GRIN ball lens is implemented with materials having four refractive indices, but the number of materials may vary depending on the lens.
- each material forming the GRIN ball lens may have a different color.
- the image 312 can be located on either the surface, inside or outside of the GRIN ball lens to which the GRIN ball lens is focused, as when using a ball lens.
- the surface of the GRIN ball lens may be an outer surface of the surface reflected from the GRIN ball lens after light enters the GRIN ball lens.
- the inside or outside of the GRIN ball lens to which the GRIN ball lens is focused may be concentric with the GRIN ball lens. Since the GRIN ball lens can make a spot size smaller than a general spherical lens, when the image 312 is formed, the resolution of the formed image can be increased.
- the image 312 included in the marker 310 may provide information for measuring the position and pose of the marker 310.
- the image 312 is a shape including a plurality of feature points, and the shape may be a random shape or a predetermined shape.
- the image 312 in the present invention may be formed so that two or more feature points can be detected from the detected image when the image 312 is detected by the imaging unit 330. This is because information about at least two of the plurality of feature points included in the image 312 is required as the minimum information for measuring the position and the attitude corresponding to the six degrees of freedom of the marker 310.
- the image 312 may have a random shape.
- the feature points in the present invention may be represented by points on the image 312.
- the feature points in the present invention may represent points 610, 612, 614, 616 that represent the characteristic regions, as shown in FIG. 20.
- the feature points 610, 612, 614, 616 may be the field of view of the characteristic region.
- the feature points 610, 612, 614, and 616 exemplarily shown in FIG. 20 may be formed of a material having a high reflectance with respect to light irradiated to the image 312 in order to increase discrimination on the image 312.
- the feature points 610, 612, 614, and 616 may be formed of a material having a high transmittance for light emitted to the image 312.
- the feature points 610, 612, 614, 616 may be formed of a light emitting material. In this case, the feature points 610, 612, 614, and 616 may be detected at the image forming unit 330 even in a dark environment or a condition in which there is no light source irradiated to the image 312.
- the image 312 may be formed of two or more materials having different reflectances for light irradiated with the marker 310.
- the feature points 610, 612, 614, and 616 in the image 312 may be formed using differences in reflectances of two or more materials.
- the feature points 610, 612, 614, 616 are formed of one material having a high reflectance for light irradiated with the marker 310, and the rest of the image 312 has a high transmittance so that light is transmitted. The amount to be formed can be formed with one more material.
- the feature points 610, 612, 614, and 616 are formed of one material having a higher transmittance with respect to the light irradiated with the marker 310 and having a larger amount of light transmitted therethrough, and the image 312.
- the rest of can be formed of a material with high reflectance.
- FIG. 21 illustrates a case where an image 312 included in the marker 310 has a predetermined shape according to an embodiment of the present invention.
- the marker 310 of the present invention may have an image having a random shape, and a predetermined shape having a regular pattern or the like may be formed as in the image shown in FIG. 21.
- the imaging unit 330 when the image 312 formed on the marker 310 is detected by the imaging unit 330, at least two feature points of the plurality of feature points included in the image 312 may be detected.
- a plurality of markers may be used since the marker 310 should be attached to each object.
- two or more markers may be attached to one object for the purpose of broadening the tracking range or angle. In this case, it is necessary to distinguish between a plurality of markers attached to the object.
- different markers may be formed by differently forming images for each marker. If the markers are manufactured so that the image has a random shape, it may be possible to distinguish between the markers by using random characteristics of the image formed on each marker.
- the information about the plurality of feature points may be coordinates of the feature points. Therefore, the surface on which the image 312 is formed may be shaped to minimize distortion of coordinates of feature points detected from the image formed when the image 312 is formed in the image forming unit 330.
- the shape of the surface on which the image 312 is formed may be a spherical surface or a curved surface close to the spherical surface.
- the light source 350 when the marker 310 is used as the active marker, the light source 350 may be included in the marker 310. Although the light source 350 is included in the marker 310, its role is not significantly different from the case where the light source 350 is located outside the marker 310. Accordingly, the above descriptions regarding the marker 310 may be equally applied even when the light source 350 is inside the marker 310.
- FIG. 22 illustrates that the light emitted from the light source 350 passes through the image 312 included in the marker 310, so that the information of the plurality of feature points included in the image 312 may be changed into a lens. 314) is transmitted to the outside.
- the plurality of feature points included in the image 312 may be formed of a material that transmits or reflects light emitted from the light source 350. This depends on whether the image of the feature point is bright or dark when the image 312 is imaged on the image forming unit 330 side. On the contrary, FIG.
- the light irradiated from the light source 350 is reflected from the image 312 according to an embodiment of the present invention, so that information of a plurality of feature points included in the image 312 may be applied to the lens 314. It is shown to be transmitted to outside.
- the plurality of feature points included in the image 312 may be formed of a material that transmits or reflects light emitted from the light source 350.
- the wavelength of the light can be a wavelength in the visible region where the user can recognize a particular color or a wavelength in the infrared band where the user can not recognize the presence of light. It may be.
- the wavelength of the infrared band may be used so as not to obstruct the view of the doctor or nurse in the surgical environment.
- the surface of the lens may be coated such that only light of a specific wavelength range is transmitted to the lens 314 used for the marker 310 to reduce the influence on other external light.
- the lens 314 may be coated on the surface of the lens 314 such that only light of the wavelength in the infrared band is transmitted.
- the marker 310 may further include an additional optical filter such that only light of a specific wavelength can convey image 312 information included in the marker 310.
- the image 312 included in the marker 310 is included in the image forming unit 330 after passing through the lens 314. It may be formed in the imaging device 334.
- the imaging unit 330 may be implemented with a lens 332 and an imaging device 334.
- the image 312 of the marker 310 may be imaged in the imaging device 334 via the lens 332.
- the imaging unit 330 may be implemented using a camera, a camcorder, or the like as an image forming apparatus.
- the imaging device 334 is a device for converting image information transmitted through light into an electrical signal, and may be implemented using a CMOS image sensor or a CCD.
- the imaging unit 330 may obtain a clear image by detecting an image formed at a distance apart from the lens 332 by a focal length. Therefore, the imaging unit 330 may adjust or focus the distance between the imaging device 334 and the lens 332 such that the imaging device 334 is positioned at the focal length of the lens 332 when the image is detected. . However, if the imaging unit 330 repeats the focus adjustment every time the marker 310 moves to detect the image 312 included in the marker 310, the detection speed of the image 312 may be slowed down. In addition, in order to accurately detect the feature points of the image 312 included in the marker of very small size and to increase the recognition rate, it is necessary to form an image 312 in an enlarged form in the image forming unit 330.
- the imaging device 334 may be fixed to the focal length of the lens 332. If the imaging device 334 is positioned at the infinite focus which is a focal point formed by the lens 314 of the marker 310 and the lens 332 of the imaging unit 330, the change in distance according to the movement of the marker 310 may occur. Regardless, the image 312 may be enlarged and imaged in the imaging device 334. As shown in FIG. 24, the -f c point, which is the focal length of the lens 332 in which the imaging device 334 is located, may be a position at which infinite focus is provided.
- the image 312 in the marker 310 may be located on the surface where the focus of the lens 314 is formed.
- the imaging unit 330 may image the image 312 included in the marker 310 without adjusting the focus even if the marker 310 moves, and also may include an image included in the small marker 310. 312) can be formed in an enlarged form. Therefore, the imaging unit 330 may accurately detect the image 312 included in the small size marker 310 and the plurality of feature points included therein at high speed.
- the burden on the size of the image 312 included in the marker 310 can be reduced, it is possible to miniaturize the marker 310 attached to the object.
- the processor 370 of the optical tracking system 300 may obtain information related to the image 312 included in the marker 310 and the image 312 by forming an image on the image forming unit 330.
- the posture of the marker 310 may be determined based on the information related to the.
- the information related to the image 312 may be coordinates (first coordinates) on the marker 310 of the plurality of feature points included in the image 312.
- the information related to the imaged image may be coordinates (fourth coordinates) on the imaged image corresponding to the plurality of feature points included in the image 312.
- the processor 370 may determine the posture of the marker 310 based on a relation between the first coordinate and the fourth coordinate.
- the first coordinate may be obtained in advance through a calibration process of the marker 310, and then stored in a memory accessible by the processor 370.
- the processor 370 determines the posture of the marker 310 based on the relational expression of the first coordinate and the fourth coordinate will be described.
- a detailed description of the algorithm for determining the pose of the marker 310 is disclosed in Korean Patent Application No. 10-2014-0065168, which is incorporated by reference.
- FIG. 25 is a diagram for describing a process of detecting a posture of the marker 310 based on a relational expression between first coordinates and fourth coordinates, according to an exemplary embodiment.
- Point A represents the first coordinate
- point B is the coordinate (second coordinate) for lens 314 of the first coordinate
- point C is the coordinate (third coordinate) for lens 332 of the second coordinate.
- Point D represents the fourth coordinate.
- the point O is a reference point of the first to fourth coordinates and is a point indicating the center of the lens 332.
- the transformation matrix for converting the first coordinate to the second coordinate is defined as C
- the transformation matrix for converting the third coordinate to the fourth coordinate is defined as A
- the matrix representing the attitude of the marker is R If defined as, the matrix R can be calculated through the following equations (1) to (3).
- (( , ) Is the coordinate on the image detected by the imaging unit 330 corresponding to the center of the image 312, Is the distance that the imaging element 334 is separated from the lens 332, Is the width of the pixels in the image, Is the height of the pixels in the image
- At least two of the plurality of feature points of the image 312 may be formed in the image forming unit 330. have. As the number of feature points detected on the formed image increases, an error between the calculated posture of the marker 310 and the actual posture of the marker 310 may be reduced.
- the matrix R can also be calculated through the following equation (4).
- the processor 370 may use a relationship between a feature point on the image 312 and the feature point formed in the image forming unit 330 corresponding to the feature point to determine the posture of the marker 310.
- the pose of the marker 310 may be determined by detecting a change in the geometric relationship between the markers in a structure to which three or more markers are attached.
- the pose of the marker may be determined using only one marker by determining the pose through an equation based on the information of the feature points of the image 312. Therefore, in the optical tracking system 300, even if only one marker is attached to the object, all posture calculations of the object can be performed, and thus the number of markers to be used can be reduced even if there are many tracking objects.
- the marker 310 of the present invention may be conveniently used.
- FIG. 26 exemplarily illustrates changes in feature points when the optical tracking system 300 according to an exemplary embodiment detects an image 312 included in the marker 310 according to the movement of the marker 310. Indicates. As shown in FIG.
- the change in the information of the feature point obtained for each detection time may mean that the marker 310 is moving, and that only the information of the same feature point is detected may mean that the marker 310 is not moving.
- some of the feature points detected at each view point may be the same, and only two or more of the feature points changed in this way may be determined to determine the posture of the marker 310 at each view point.
- the optical tracking system 300 may not calculate the posture of the marker 310 based only on the same feature points detected while the marker 310 is moving. Accordingly, since the optical tracking system 300 does not need to keep track of the same object change as in the conventional optical tracking system, the marker 310 can be stably tracked even when a problem such as a part of the object is blocked. have.
- the optical tracking system 300 may determine the position of the marker 310 using triangulation.
- the imaging unit 330 may include two or more imaging devices or two or more imaging units 330. This is because in order to use the trigonometry, information related to the image of the marker 310 formed at different positions or the image 312 included in the marker 310 is required.
- FIG. 27 is a block diagram of an optical tracking system 300 in which the imaging unit 330 includes two imaging devices 334 and 1234 according to an embodiment of the present invention.
- the imaging elements 334 and 1234 may image the marker 310 or the image 312 included in the marker 310 at different positions. This information is passed to the processor 370, which can determine the location of the marker 310 through trigonometry based on information obtained from the transferred image.
- the processor 370 may coordinate with the two imaging elements and the coordinates on the marker 310 of the plurality of feature points included in the image 312, similar to the method of determining the pose of the marker 310 described above.
- the position of the marker 310 may be determined based on a relationship between coordinates of the plurality of feature points detected from the images formed at 334 and 1234. A detailed description thereof is disclosed in Korean Patent Application No. 10-2014-0065178, which is incorporated by reference.
- the pose of the marker 310 may also be determined based on the images detected by the two imaging devices 334 and 1234.
- the processor 370 detects coordinates of two or more arbitrary feature points corresponding to each other from the images formed by the two imaging devices 334 and 1234, and is included in the detected coordinates and the previously stored image 312.
- the attitude of the marker 310 may be determined through a relationship with the coordinates of the plurality of feature points.
- step S1310 The first image having a random shape included in the marker may be enlarged and transmitted through the first lens.
- an image 312 having a random shape included in the marker 310 may be enlarged and transmitted through the lens 314.
- the image 312 may be formed on the surface where the lens 314 is focused in the marker 310.
- the image 312 may be formed inside or on the surface of the lens 314, or may be formed at a location remote from the lens 314, depending on where the lens 314 is to be in focus.
- the optical tracking system 300 may further include a light source 350 for irradiating light to the image 312.
- the light source 350 may be located inside or outside the marker 310.
- the image 312 may include a plurality of feature points.
- the plurality of feature points may be formed of a material that reflects or transmits light emitted to the image 312.
- the image 312 may be formed of two or more materials having different reflectances for light irradiated onto the image 312.
- the plurality of feature points included in the image 312 may be formed using differences in reflectances of two or more different materials.
- the plurality of feature points may be formed of a material having a high reflectance to reflect light irradiated onto the image 312, or may be formed of a material having a low reflectance to transmit light emitted to the image 312.
- the image 312 may have a predetermined shape instead of a random shape.
- the first image may pass through the second lens and may be imaged as a second image at a position spaced apart from the focus of the second lens.
- the image 312 may be imaged by the imaging device 334 at a position spaced apart from the focal point of the lens 332 after passing through the lens 332.
- the imaging element 334 may be positioned at an infinite focal point formed by the lens 314 and the lens 332 to form an image 312 included in the marker 310.
- the imaging unit 330 Since the imaging element 334 is positioned at the infinite focus formed by the lens 314 and the lens 332, the imaging unit 330 focuses whenever imaging the image 312 included in the moving marker 310. no need. Thus, regardless of the movement of the marker 310, the information contained in the image 312 can be obtained accurately and quickly. In addition, when the optical system is used, the imaging unit 330 may enlarge the image 312 to form an image. Therefore, even when the small marker 310 is used, it is easy to obtain information on the feature point. The image information formed by the imaging unit 330 may then be transferred to the processor 370.
- the processor 370 may be configured based on the first information related to the first image and the second information related to the second image. Determine your posture. For example, referring to FIG. 3, the processor 370 may determine a posture based on first information related to the image 312 and second information related to the image formed by the image forming unit 330.
- step S1351 the processor 370 may detect coordinates of two or more feature points from the second image as second information.
- step S1352 the processor 370 may detect, as the first information, coordinates of the feature points corresponding to two or more feature points detected from the second image among the plurality of feature points included in the first image stored in advance.
- the processor 370 may detect, as information related to the image 312, coordinates of the feature points corresponding to the coordinates of the feature points detected from the image formed among the coordinates of the plurality of feature points included in the image 312. have.
- the processor 370 determines the first information associated with the first image and The posture may be determined based on the second information related to the second image. For example, the processor 370 may determine the marker 310 based on a relationship between the coordinates of two or more arbitrary feature points corresponding to each other extracted from the image 312 and the image formed by the image forming unit 330. Determine your posture.
- a first image of a random shape included in a marker may be imaged at two different positions.
- the imager elements 334 and 1234 may image the images 312 at different positions.
- the image information imaged at each different position is transferred to the processor 370.
- the processor 370 may determine the position of the object to which the marker is attached through trigonometry based on the two imaged images. According to an embodiment, trigonometry based on information about an image in which an image of the marker 310 itself is formed may be used instead of the image 312.
- At least one marker 310 may be attached to the object in an exchangeable form.
- two or three or more markers may be attached to the object.
- a plurality of markers may be used.
- the markers may be distinguished from each other by having a unique random shape image for each marker.
- the image 312 may include a plurality of feature points, and the processor 370 may be configured to form an image 312 in the image forming unit 330. Any two or more feature points can be detected.
- a method of forming such an image 312 on the marker 310 is described.
- a randomly shaped image 312 may be formed on the marker 310 using a spraying technique.
- the marker 310 may be the ball lens 1610 itself, in which case an image 312 may be formed on the surface of the ball lens 1610.
- the image of the random shape on the surface of the ball lens 1610 312 may be formed. This is based on the granularity of the material, and the image 312 having a random shape may be formed by simply spraying the spray 1630 with a material having a high reflectance on the surface of the ball lens 1610. In this case, regions 1612, 1614, 1616, and 1618 on which particles with high reflectance are deposited may be characteristic points.
- the ball lens 1610 is sprayed with a spray 1630 spraying on the surface of the ball lens 1610 material having a low reflectance for light incident to the ball lens 1610 and having a high property of transmitting the light.
- a random shape image 312 may be formed on the surface.
- regions 1612, 1614, 1616, and 1618 on which a material having a low reflectance (ie, a material having a high transmittance) are deposited may be characteristic points.
- a material having a high reflectance for light incident on the ball lens 1610 is sprayed on the surface of the ball lens 1610 through a spray 1630, and after being dried and deposited, the material having a low reflectance By spraying through spray 1630, an image 312 of random shape may be formed.
- the features 1616, 1614, 1616, and 1618 may be regions in which a material having high reflectance is deposited or regions in which a material having low reflectance is deposited.
- the low reflectance material may be sprayed first with a spray 1630 and then the high reflectance material may be sprayed with a spray 1630.
- the recognition rate of the feature points included in the image formed by the imaging unit 330 may be increased by using the difference in reflectance between these materials.
- the size of the particles of material to be sprayed with the spray 1630 is small enough that feature points can be formed when sprayed on the marker 310, and proportionally according to the size of the marker 310. Can change.
- larger markers 310 may be used for larger particles, and smaller markers 310 may be used for smaller particles.
- the lens 314 may be any lens surface capable of magnifying and transferring the image 312 formed on the marker 310 to the outside.
- a ball lens may be used as shown in the example of FIG. 31, and in particular, a marker 310 having an image 312 formed on a surface of the lens 314 may be implemented using a ball lens having a refractive index of 2. have.
- a marker including a lens may be prepared.
- a marker 310 including a lens 314 may be prepared.
- the lens 314 itself may be the marker 310.
- the marker 310 may further include a surface on which the image 312 is to be formed in addition to the lens 314.
- an image may be formed on the prepared marker.
- a portion of the image 312 may be formed of a material having a first reflectance in step S1750.
- a region in which a part of the image 312 is formed may be a feature point, and conversely, a region in which a material having a first reflectance is not coated may be a feature point.
- the first reflectance may be a material that mainly reflects the irradiated light due to its high reflectance with respect to the light irradiated onto the marker 310, or may be a material that mainly transmits the irradiated light with a low reflectance. .
- an image 312 having a random shape having a plurality of feature points may be formed in the marker 310.
- the image may be formed as a material having a second reflectance different from the first reflectance in the marker 310.
- the remainder of 312 may be further formed.
- the first reflectance is a reflectance for the purpose of reflecting light
- the second reflectance may be a low reflectance for the purpose of transmitting light.
- the first reflectance is a reflectance for the purpose of transmitting light
- the second reflectance may be a high reflectance for the purpose of reflecting light.
- the surface on which the image 312 is formed on the marker 310 may be a surface on which the lens 314 is focused.
- the drying and / or deposition step may be further subjected to the material and formation method used.
- the material and formation method used may be further subjected to the material and formation method used.
- the image 312 is formed on the marker 310 by a printing technique.
- a material having a first reflectance or a material having a second reflectance may be printed on the surface of the marker 310 such as a ball lens using an inkjet printer or the like. If the printing method is used as described above, an image having a random shape or a predetermined shape may be freely formed on the surface of the marker 310.
- the image 312 is formed on the marker 310 by a technique of injecting a substance. After filling the syringe or the like with a material having a first reflectance or a material having a second reflectance, the materials 312 are displayed on the surface of the marker 310 by scanning the materials through the needle 1910 onto the surface of the marker 310. ) May be formed. If such a scanning method is used, a precise image representing a random shape or a predetermined shape may be formed on the surface of the marker 310. In addition, the scanning method may be a method suitable for forming an image on the surface of the marker 310 when the size of the marker 310 is small.
- FIG. 35 illustrates a method of forming the image 312 on the marker 310.
- the image 312 is formed on the marker 310 by a stencil technique.
- Stencil frame 2010 having a random shape or a predetermined shape is prepared in advance so that it can be attached to the outline of the marker 310, and then sprayed on the surface of the marker 310 to spray 2030 or the like thereon.
- a material having a first reflectance or a material having a second reflectance a desired image 312 can be formed on the surface of the marker 310.
- the stencil technique may be in a manner suitable for forming the same image 312 continuously on the surface of the marker 310.
- FIG. 36 illustrates a method of forming the image 312 on the marker 310.
- the image 312 is formed on the marker 310 by a stamping technique.
- a stamping technique By embedding a material having a first reflectance or a material having a second reflectance on the flexible stamp 2110 and stamping the material on the surface of the marker 310, a random shape or a predetermined shape is formed on the surface of the three-dimensional marker 310.
- Image 312 may be formed. If the image 312 is formed on the surface of the marker 310 in such a stamping manner, the image 312 may be formed on the surface of the marker 310 in a large area at one time.
- FIG. 37 illustrates a method of forming an image 312 on the marker 310, wherein the marker 310 itself including the image 312 and the lens 314 is integrally formed using the 3D printer 2210. Indicates. If the 3D printer 2210 is used, the shape of the marker 310, the shape of the image 312, and the like may be freely expressed. In addition, a material having a first reflectance or a material having a second reflectance may be easily formed on the marker 310. In addition, the image 312 may be formed inside the marker 310 or the lens 314 without any special assembly process.
- 38 to 40 illustrate a method of forming an image 312 on the marker 310, and show an image of forming an image 312 on the marker 310 by lithography.
- a material 2314 having a high reflectance or high transmittance may be first deposited on a surface 2312 on which an image 312 is to be formed. Then, as shown in FIG. 39, material 2314 may be removed at a location 2316 where the image 312 will not be formed. Only the process up to FIG. 39 may form an image 312 for tracking on the marker 310.
- a material having a reflectance or transmittance different from that of the material 2314 at a location 2316 where the image 312 is not formed to increase the recognition rate of the image 312 2318 may be filled.
- an image 312 having two or more feature points using the difference in reflectance or transmittance of the material 2314 and the material 2318 may be formed.
- a very sophisticated image 312 can be formed on the surface of the marker 310.
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Abstract
Description
본 발명은 옵티컬 트래킹용 마커, 옵티컬 트래킹 시스템 및 옵티컬 트래킹 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a marker for optical tracking, an optical tracking system and an optical tracking method.
또한, 본 발명은 옵티컬 트래킹용 마커에 이미지를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of forming an image on an optical tracking marker.
목적물을 트래킹하기 위한 하나의 방법으로서 옵티컬 트래킹 시스템(optical tracking system)이 사용될 수 있다. 구체적으로, 환부나 수술 로봇 또는 수술도구의 위치(location 또는 coordinate) 및 자세(posture 또는 orientation)를 트래킹하기 위해서, 옵티컬 트래킹 시스템이 사용될 수 있다. 목적물의 위치는, 예컨대 직교 좌표계에서 말하는 X, Y, Z 축 상에서의 좌표와 같은 공간 좌표로서 정의될 수 있다. 목적물의 자세는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)로서 정의될 수 있다. 목적물의 정확한 트래킹을 위해서, 위에서 설명한 것과 같은, 목적물의 6 자유도(Degree of Freedom)에 해당하는 위치 및 자세를 정확히 파악하는 것이 중요하다.An optical tracking system can be used as one method for tracking the object. Specifically, an optical tracking system may be used to track the location or coordinates and posture or orientation of the affected area or surgical robot or surgical tool. The position of the object may be defined as spatial coordinates such as, for example, coordinates on the X, Y, and Z axes in the rectangular coordinate system. The posture of the target may be defined as a roll, pitch, yaw. For accurate tracking of the object, it is important to know exactly the position and posture corresponding to the six degrees of freedom of the object, as described above.
옵티컬 트래킹 시스템에서는 예를 들어 마커(marker)라는 기준체를 목적물에 부착한 후, 이 마커를 트래킹함으로써 목적물의 위치 및 자세가 측정될 수 있다. 예를 들어, 3개 이상의 복수의 마커가 부착된 구조물을 목적물에 부착하여 목적물의 위치 및 자세가 측정될 수 있다. 3개 이상의 복수의 마커를 사용하는 방식은 트래킹 기준체의 소형화가 어렵다는 문제점이 있다. 특히, 수술도구와 같이 사람이 직접 사용하는 도구에 복수의 마커를 부착하여 사용할 경우, 그 크기 및 무게로 인해 사용자의 도구의 사용이 방해되거나 사용자가 불편함을 느낄 수 있다.In an optical tracking system, for example, a reference object called a marker is attached to an object, and then the position and attitude of the object can be measured by tracking the marker. For example, a structure having three or more markers attached thereto may be attached to the object to measure the position and posture of the object. The method of using three or more markers has a problem that miniaturization of the tracking reference body is difficult. In particular, when a plurality of markers are attached to a tool used directly by a person, such as a surgical tool, the size and weight thereof may interfere with the use of the user's tool or the user may feel uncomfortable.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 경량화 또는 소형화가 가능한 옵티컬 트래킹용 마커를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an optical tracking marker that can be reduced in weight or downsized.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 경량 또는 소형의 마커를 이용하여 목적물의 위치 및 자세를 모두 측정할 수 있는 옵티컬 트래킹 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 예를 들어, 본 발명은, 적어도 1개의 마커가 부착된 목적물의 위치 및 자세를 트래킹하는 옵티컬 트래킹 시스템 및 트래킹 방법을 제공한다.In addition, the problem to be solved by the present invention is to provide an optical tracking system and method that can measure both the position and the posture of the object using a lightweight or compact marker. For example, the present invention provides an optical tracking system and tracking method for tracking the position and posture of an object to which at least one marker is attached.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 입체적 형상을 갖는 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 적어도 2개 이상의 특징점을 갖는 이미지를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for forming an image having at least two feature points on a marker for an optical tracking system having a three-dimensional shape.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 측정용 마커는 복수의 특징점이 임의로 선택될 수 있도록 형성된 랜덤한 형상의 이미지 및 상기 이미지를 확대하여 전송하기 위한 렌즈를 포함할 수 있다.The marker for measuring position and posture according to an embodiment of the present invention may include an image having a random shape formed so that a plurality of feature points can be arbitrarily selected, and a lens for enlarging and transmitting the image.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 상기 렌즈의 초점이 형성되는 면에 위치할 수 있다.According to an embodiment, the image may be located on a surface on which the focal point of the lens is formed.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 특정 파장 범위의 빛만이 투과 가능하도록 코팅될 수 있다.According to one embodiment, the lens may be coated such that only light of a specific wavelength range may be transmitted.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지에서의 상기 복수의 특징점은 발광 물질로써 형성될 수 있다.According to an embodiment, the plurality of feature points in the image may be formed of a light emitting material.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 상기 마커로 입사된 빛에 대한 반사율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있고, 상기 이미지에서의 상기 복수의 특징점은 상기 2개 이상의 물질의 반사율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다.According to an embodiment, the image may be formed of two or more materials having different reflectances for light incident to the marker, and the plurality of feature points in the image may reflect a difference in reflectances of the two or more materials. It can be formed using.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 상기 마커로 입사된 빛에 대한 투과율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있고, 상기 이미지에서의 상기 복수의 특징점은 상기 2개 이상의 물질의 투과율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다.According to an embodiment, the image may be formed of two or more materials having different transmittances to light incident on the marker, and the plurality of feature points in the image may indicate differences in transmittances of the two or more materials. It can be formed using.
일 실시예에 따르면, 복수 개의 마커가 사용될 경우, 상기 랜덤한 형상은 상기 마커마다 고유할 수 있다.According to an embodiment, when a plurality of markers are used, the random shape may be unique for each marker.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈의 초점이 형성되는 상기 면은 빛이 상기 렌즈에 입사된 후 상기 렌즈에서 반사되는 면의 바깥쪽 표면일 수 있다.According to an embodiment, the surface where the focal point of the lens is formed may be an outer surface of the surface reflected from the lens after light is incident on the lens.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈의 초점이 형성되는 상기 면은 상기 렌즈로부터 이격되어 있을 수 있고, 상기 이미지는 상기 렌즈의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 물질로써 이격되어 있을 수 있다.According to an embodiment, the surface where the focal point of the lens is formed may be spaced apart from the lens, and the image may be spaced apart from a material having a refractive index different from that of the lens.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 빛이 상기 렌즈에 입사되고 상기 다른 굴절률을 갖는 물질을 통과한 후 반사되는 면의 바깥 부분에 형성될 수 있다.According to an embodiment, the image may be formed on an outer portion of a surface where light is reflected after the light is incident on the lens and passes through the material having the different refractive index.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈의 초점이 형성되는 상기 면이 상기 렌즈의 내부에 형성될 수 있다.According to an embodiment, the surface on which the focal point of the lens is formed may be formed inside the lens.
일 실시예에 따르면, 상기 마커의 내부에 외부보다 더 밝은 광원을 포함하여 상기 이미지에 빛을 조사할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, light may be irradiated onto the image by including a light source that is brighter than the inside of the marker.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 랜덤한 형상 대신 미리 정해진 형상일 수 있다.According to an embodiment, the image may be a predetermined shape instead of a random shape.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 이미지용 물질을 프린팅(printing)하여 형성할 수 있다.According to an embodiment, the image may be formed by printing an image material.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지는 이미지용 물질을 이용한 리소그래피(lithography) 기법으로 형성할 수 있다.According to an embodiment, the image may be formed by lithography using an image material.
본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템은, 복수의 특징점이 임의로 선택될 수 있도록 형성된 랜덤한 형상의 제1 이미지와 상기 제1 이미지를 확대하여 전달하기 위한 제1 렌즈를 포함하는 마커 및 제2 렌즈와 상기 제2 렌즈의 초점 거리에서 상기 제1 이미지를 제2 이미지로 결상하는 1개 이상의 결상소자를 포함하는 결상부를 포함할 수 있고, 상기 제1 이미지로부터 상기 특징점을 임의로 복수 개 선택하여 상기 마커가 부착되어 있는 대상을 트래킹할 수 있다.An optical tracking system according to an embodiment of the present invention includes a first image having a random shape and a first lens for enlarging and transmitting the first image having a random shape formed so that a plurality of feature points can be arbitrarily selected. And an imaging unit including one or more imaging elements for forming the first image into a second image at a focal length of the second lens and the second lens, and optionally selecting a plurality of feature points from the first image. The object to which the marker is attached can be tracked.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 이미지는 상기 제1 렌즈의 초점이 형성되는 면에 위치할 수 있다.In example embodiments, the first image may be positioned on a surface on which the focal point of the first lens is formed.
일 실시예에 따르면, 상기 옵티컬 트래킹 시스템은 상기 제1 이미지와 관련된 제1 정보 및 상기 제2 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 자세를 결정할 수 있고, 상기 제1 정보는 상기 제1 이미지에 포함된 상기 복수의 특징점 중에서 2개 이상의 특징점의 좌표일 수 있으며, 상기 제2 정보는 상기 2개 이상의 특징점에 대응하는 좌표로서, 상기 제2 이미지에서 검출될 수 있다.According to an embodiment, the optical tracking system may determine a posture based on first information related to the first image and second information related to the second image, and the first information is included in the first image. The coordinates may be coordinates of two or more feature points among the plurality of feature points, and the second information may be detected in the second image as coordinates corresponding to the two or more feature points.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 이미지는 빛에 대한 반사율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있고, 상기 제1 이미지에 포함된 상기 복수의 특징점은 상기 2개 이상의 물질의 반사율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다.According to an embodiment, the first image may be formed of two or more materials having different reflectances to light, and the plurality of feature points included in the first image may indicate a difference in reflectances of the two or more materials. It can be formed using.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 이미지는 빛에 대한 투과율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있고, 상기 제1 이미지에 포함된 상기 복수의 특징점은 상기 2개 이상의 물질의 투과율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다.In example embodiments, the first image may be formed of two or more materials having different transmittances to light, and the plurality of feature points included in the first image may indicate a difference between transmittances of the two or more materials. It can be formed using.
일 실시예에 따르면, 상기 마커가 복수의 대상에 부착되는 경우, 상기 제1 이미지의 상기 랜덤한 형상은 상기 마커마다 고유할 수 있다.According to an embodiment, when the marker is attached to a plurality of objects, the random shape of the first image may be unique for each marker.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 이미지는 상기 랜덤한 형상 대신 미리 정해진 형상일 수 있다.According to an embodiment, the first image may be a predetermined shape instead of the random shape.
본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 방법은, 제1 렌즈를 통해 확대되어 전달된 마커에 포함된 랜덤한 형상의 제1 이미지를 제2 렌즈의 초점거리에서 제2 이미지로 결상시키는 단계 및 상기 제1 이미지와 관련된 제1 정보 및 상기 제2 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 상기 마커의 자세를 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 랜덤한 형상의 제1 이미지는 복수의 특징점이 임의로 선택될 수 있도록 형성될 수 있고, 상기 제1 이미지로부터 임의의 특징점을 복수 개 선택하여 상기 마커가 부착되어 있는 대상을 트래킹할 수 있다.The optical tracking method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: imaging the first image of a random shape included in a marker that is extended and transmitted through the first lens into a second image at a focal length of the second lens; And determining a posture of the marker based on the first information related to the first image and the second information related to the second image, wherein the randomly shaped first image has a plurality of feature points selected arbitrarily. It may be formed to be able to be, and to track a target to which the marker is attached by selecting a plurality of arbitrary feature points from the first image.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 이미지와 관련된 제1 정보 및 상기 제2 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 상기 마커의 자세를 결정하는 단계는 상기 제2 이미지로부터 2개 이상의 특징점의 좌표를 상기 제2 정보로서 검출하는 단계, 미리 저장되어 있는 상기 제1 이미지에 포함된 상기 복수의 특징점 중에서, 상기 제2 이미지로부터 검출된 2개 이상의 특징점에 대응하는 특징점의 좌표를 상기 제1 정보로서 검출하는 단계 및 상기 제1 정보로서의 좌표와 상기 제2 정보로서의 좌표간의 관계식으로부터 상기 자세를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the determining of the pose of the marker based on the first information related to the first image and the second information related to the second image may include determining coordinates of two or more feature points from the second image. Detecting as second information and detecting coordinates of a feature point corresponding to two or more feature points detected from the second image as the first information among the plurality of feature points included in the first image stored in advance; And determining the posture from a relational expression between the coordinates as the first information and the coordinates as the second information.
본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법은, 렌즈를 포함하는 마커를 준비하는 단계 및 상기 마커에 이미지를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 마커에 이미지를 형성하는 단계는 제1 반사율을 갖는 물질로써 상기 이미지의 일부를 형성하는 단계 및 상기 마커에 상기 제1 반사율과 다른 제2 반사율을 갖는 물질로써 상기 이미지의 나머지를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 이미지는 상기 제1 반사율 및 상기 제2 반사율의 차이로부터 복수의 특징점이 임의로 선택될 수 있도록 랜덤한 형상으로 형성되어, 상기 복수의 특징점이 상기 옵티컬 트래킹 시스템에 의해 임의로 검출 가능할 수 있다.The method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention may include preparing a marker including a lens and forming an image on the marker. Forming may include forming a portion of the image with a material having a first reflectance and forming a remainder of the image with a material having a second reflectance different from the first reflectance in the marker, The image may be formed in a random shape such that a plurality of feature points may be arbitrarily selected from the difference between the first reflectance and the second reflectance, and the plurality of feature points may be arbitrarily detectable by the optical tracking system.
일 실시예에 따르면, 상기 상기 마커에 이미지를 형성하는 단계는 상기 렌즈의 초점이 형성되는 면에 상기 이미지를 형성하는 단계일 수 있다.According to an embodiment, the forming of the image on the marker may be forming the image on a surface on which the focal point of the lens is formed.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 반사율 또는 상기 제2 반사율을 갖는 물질로써 형성된 부분이 상기 특징점을 이룰 수 있다.In example embodiments, a portion formed of a material having the first reflectance or the second reflectance may form the feature point.
본 발명의 일 실시예에 따른 마커는 소형으로 구현될 수 있다.The marker according to an embodiment of the present invention may be implemented in a small size.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 이용하는 옵티컬 트래킹 시스템에 의하면, 적어도 1개의 마커를 이용하여 마커가 부착된 목적물의 6 자유도에 해당하는 위치 및 자세가 측정될 수 있다.In addition, according to the optical tracking system using a marker according to an embodiment of the present invention, the position and posture corresponding to six degrees of freedom of the object to which the marker is attached may be measured using at least one marker.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 이용하는 옵티컬 트래킹 시스템에 의하면, 트래킹 가능한 거리가 늘어날 수 있다.In addition, according to the optical tracking system using the marker according to an embodiment of the present invention, the trackable distance can be increased.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 이용하는 옵티컬 트래킹 시스템에 의하면, 빠른 속도의 트래킹이 가능하다.In addition, according to the optical tracking system using a marker according to an embodiment of the present invention, a high speed tracking is possible.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법에 의하면, 입체적 형상을 갖는 소형의 마커에 적어도 2개 이상의 특징점을 갖는 이미지가 간단히 형성될 수 있다.In addition, according to the method for forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, an image having at least two feature points may be simply formed on a small marker having a three-dimensional shape.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템의 응용 예로서 수술 장면을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a surgical scene as an application of the optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커가 수술 도구에 부착되어 사용되는 예를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing an example in which a marker according to an embodiment of the present invention is attached to a surgical tool and used.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 포함하는 옵티컬 트래킹 시스템의 블록도이다.3 is a block diagram of an optical tracking system including a marker according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마커에 포함된 이미지 정보가 외부로 전달되는 과정을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a process of transmitting image information included in a marker to the outside according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 볼렌즈를 이용하여 구현할 경우, 볼렌즈의 특성에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라짐을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a diagram for describing a case where a focus is formed according to characteristics of a ball lens when a marker according to an embodiment of the present invention is implemented using a ball lens.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 볼렌즈를 이용하여 구현할 경우, 볼렌즈의 초점 위치에 따라 마커에 이미지가 형성되는 면의 위치가 달라짐을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining the position of the surface on which the image is formed on the marker according to the focal position of the ball lens when implementing the marker according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 두 개의 반구형 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.7 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two hemispherical lenses.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 동일한 두 개의 반구형 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.8 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two identical hemispherical lenses.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 드럼 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 9 illustrates a drum lens as a lens for a marker according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses as lenses for a marker according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 내부 반지름이 동일한 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 11 illustrates a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, in which two spherical dome lenses having the same inner radius are combined.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 외부 반지름이 동일한 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.12 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows a lens combining two spherical dome lenses having the same outer radius.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 형상이 동일한 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 13 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses having the same shape as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 두 개의 구형 돔 렌즈와 하나의 볼렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 14 is a view illustrating a lens combining two spherical dome lenses and one ball lens as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 구형이 아닌 두 개의 구형 돔 렌즈와 하나의 볼렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 15 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which shows two spherical dome lenses and one ball lens which are not spherical.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 하나의 볼렌즈와 이와 동심원을 이루는 표면을 갖는 하나의 광학 매체를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 16 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one optical medium having a concentric surface.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 하나의 볼렌즈와 하나의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 17 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one spherical dome lens.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 하나의 볼렌즈와 반구형이 아닌 하나의 구형 돔 렌즈를 결합한 렌즈를 나타내는 도면이다.FIG. 18 is a lens for a marker according to an embodiment of the present invention, which illustrates a lens combining one ball lens and one spherical dome lens instead of the hemisphere.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, GRIN 볼렌즈를 나타내는 도면이다.19 is a view showing a GRIN ball lens as a lens for a marker according to an embodiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라, 볼렌즈의 어느 한 표면에 형성된 이미지 및 이 이미지에 포함된 특징점들을 나타내는 도면이다.20 is a diagram illustrating an image formed on one surface of a ball lens and feature points included in the image according to an embodiment of the present invention.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라, 마커에 포함된 이미지가 미리 정해진 형상인 경우를 나타낸 도면이다.21 is a diagram illustrating a case in which an image included in a marker has a predetermined shape according to an embodiment of the present invention.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라, 내부에 광원을 포함하는 마커를 나타내는 도면이다.22 is a diagram illustrating a marker including a light source therein according to one embodiment of the present invention.
도 23은 본 발명이 일 실시예에 따라, 내부에 광원을 포함하는 마커를 나타내는 도면이다.23 is a diagram illustrating a marker including a light source therein according to one embodiment of the present invention.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서 결상부 내의 렌즈와 결상소자 간의 위치 관계를 나타내는 도면이다.24 is a view illustrating a positional relationship between a lens and an imaging device in an imaging unit in an optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마커의 자세를 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.25 is a diagram for describing a process of detecting a posture of a marker, according to an embodiment of the present invention.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서, 마커가 움직임에 따라 결상부에서 결상된 마커의 이미지에서의 특징점의 변화를 예시적으로 나타내는 도면이다.FIG. 26 is a diagram exemplarily illustrating a change in a feature point in an image of a marker formed in an image forming unit as a marker moves in an optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서, 마커의 위치를 측정하기 위해 결상부가 2개의 결상소자를 포함하는 옵티컬 트래킹 시스템의 블록도이다.27 is a block diagram of an optical tracking system in which an imaging unit includes two imaging devices in order to measure the position of a marker in the optical tracking system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서, 마커의 자세를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.28 is a flowchart illustrating a method of determining a pose of a marker in an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서, 마커에 포함된 이미지 정보로부터 마커의 자세를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.29 is a flowchart illustrating a method of determining a posture of a marker from image information included in the marker in the optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서, 마커의 위치를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.30 is a flowchart illustrating a method of determining the position of a marker in an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 스프레잉 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 31 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention. The image is formed on the marker by a spraying technique.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.32 is a flowchart illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 프린팅 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 33 is a diagram illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and illustrating an image on a marker by a printing technique.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 물질을 주사하는 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 34 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention and forming an image on the marker by a technique of injecting a substance.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 스텐실 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 35 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention. The image is formed on the marker by a stencil technique.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 스탬핑 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 36 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, wherein the image is formed on the marker by a stamping technique.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 3D 프린터를 이용하여 마커를 구현하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 37 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and implementing the marker using a 3D printer.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 리소그래피 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 38 illustrates a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and illustrates a method of forming an image on a marker by a lithography technique.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 리소그래피 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 39 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and a method of forming an image on the marker by a lithography technique.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템용 마커에 이미지를 형성하는 방법으로서, 리소그래피 기법에 의해 마커에 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.40 is a view illustrating a method of forming an image on a marker for an optical tracking system according to an embodiment of the present invention, and a method of forming an image on the marker by a lithography technique.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, in the following description, when there is a risk of unnecessarily obscuring the gist of the present invention, a detailed description of well-known functions and configurations will be omitted.
<< 옵티컬Optical 트래킹Tracking 시스템> System>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템의 응용 예로서 수술 장면을 나타낸다. 옵티컬 트래킹 시스템에서는 환부나 수술도구와 같은 목적물에 마커(110, 130)를 부착한 후, 결상부(150)를 통해 얻은 마커(110, 130)에 관한 정보에 기초하여 마커(110, 130)의 위치 및 자세를 결정함으로써, 마커(110, 130)가 부착된 목적물이 트래킹될 수 있다. 일반적으로, 트래킹하고자 하는 목적물의 6 자유도에 해당하는 위치 및 자세를 모두 결정하기 위해서, 마커가 3개 이상 부착된 구조물이 목적물에 부착될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템에서는 1개의 마커를 부착하는 것만으로 마커가 부착된 목적물의 6 자유도가 모두 결정될 수 있다.1 illustrates a surgical scene as an application of an optical tracking system according to an embodiment of the present invention. In the optical tracking system, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커(210)가 수술도구(230)에 부착되어 사용되는 모습을 나타낸다. 마커는 트래킹하고자 하는 목적물에 탈부착될 수 있다. 의료용으로 마커를 사용할 경우에는 마커를 소독하여 사용해야 하므로, 탈부착 가능한 방식이 편리할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마커(210)의 경우, 적은 수의 마커를 목적물에 탈부착하여 사용할 수 있으므로, 탈부착 과정이 간단할 수 있다. 또한, 소독할 대상이 적으므로, 마커들을 소독하는데 드는 시간 및 노력도 줄일 수 있다. 마커가 부착될 목적물이 많다면, 본 발명과 같이 적은 수의 마커를 사용할 수 있는 옵티컬 트래킹 시스템이 편리하게 이용될 수 있다. 이하에서는 도 1 및 2의 예를 통해 간단히 설명한 본 발명의 옵티컬 트래킹 시스템에 관해 보다 구체적으로 설명한다.2 shows a state in which the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)의 블록도이다. 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 마커(310), 결상부(330), 광원(350) 및 프로세서(370)를 포함할 수 있다. 마커(310)는 이미지(312) 및 이미지(312)를 확대하여 전송하기 위한 렌즈(314)를 포함할 수 있다. 결상부(330)는 마커(310)로부터 전송된 이미지를 결상할 수 있는 결상소자(334)와 렌즈(332)를 포함할 수 있다.3 is a block diagram of an
일 실시예에 따라, 결상부(330)는 결상소자(334)를 2개 이상 포함할 수 있다. 또는, 옵티컬 트래킹 시스템(300)에 결상부(330)가 2개 이상 포함될 수 있다. 마커(310)로부터 전송된 이미지(312)는 렌즈(332)를 거친 후 결상소자(334)에서 다른 이미지로 결상될 수 있다.According to an embodiment, the
광원(350)은 마커(310)에 포함된 이미지(312)가 결상부(330)에서 결상되는 것을 돕기 위해, 마커(310)를 향해 빛을 조사할 수 있도록 배치될 수 있다. 광원(350)은 마커(310) 외부에 배치될 수 있으며, 이 경우 마커(310)는 패시브 마커로써 동작할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 광원(350)은 마커(310) 내부에 배치될 수 있으며, 이 경우 마커(310)는 액티브 마커로써 동작할 수 있다.The
프로세서(370)는 결상부(330)에서 결상된 마커(310)의 이미지 정보를 전달받아 마커(310)의 위치 및 자세를 계산할 수 있는 하드웨어 또는 소프트웨어이다. 예를 들어, 프로세서(370)는 CPU(중앙처리장치)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(370)는 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서 독립적으로 사용되거나 또는 결상부(330) 내에 설치되어 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 프로세서(370)는 연산량에 대한 부담을 줄이기 위해, 마커(310)의 위치 및 자세를 계산하는 기능들을 결상부(330)와 같은 여러 구성들에 분산시킬 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 프로세서(370)는 옵티컬 트래킹 시스템(300)이 설치되어 있는 곳과 멀리 떨어진 다른 곳에 위치하여, 유선 또는 무선 네트워크를 통해 옵티컬 트래킹 시스템(300)과 데이터를 주고 받을 수도 있다. 이와 같이 프로세서(370)의 기능이 분산된다면, 옵티컬 트래킹 시스템(300) 자체의 연산량 또는 연산 속도에 대한 부담이 줄어들 수 있다. 이 경우, 고속의 프로세서(370)가 필요하지 않을 수 있다.The
<< 마커Marker (310)>(310)>
마커(310)는 옵티컬 트래킹 시스템(300)을 통해 위치 및 자세를 측정하게 될 대상이다. 마커(310)의 위치 및 자세를 측정함으로써, 마커(310)가 부착된 목적물의 위치 및 자세가 측정될 수 있다. 이하에서는 본 발명에서 사용하게 될 마커(310)에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마커에 포함된 이미지 정보가 렌즈(314)를 거쳐 외부로 전달되는 과정을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마커(310)는 패시브 방식 또는 액티브 방식으로 동작할 수 있다. 어느 방식이든 광원(350)에서 조사된 빛이 마커(310)에 포함된 이미지(312)에 반사되도록 함으로써, 이미지(312) 정보가 렌즈(314)를 거쳐 마커(310) 외부로 전달될 수 있다. 광원(350)에서 조사된 빛이 마커(310)에 포함된 이미지(312)에 반사되도록 함으로써, 결상부(330)에서 결상된 마커(310)의 이미지(312)에 대한 식별력이 높아질 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 이미지(312)로 조사되는 빛이 이미지(312)에서 투과되도록 함으로써, 이미지(312) 정보가 렌즈(314)를 거쳐 외부로 전달될 수 있다.4 illustrates a process of transmitting image information included in a marker to the outside through the
이미지(312)에서 빛을 반사시키거나 투과시키기 위해서 이미지(312)는 이미지(312)로 조사되는 빛에 대한 반사율이 높거나 낮은 물질 또는 투과율이 높거나 낮은 물질로써 형성될 수 있다. 여기에서, 반사율이란 반사된 빛의 에너지와 입사된 빛의 에너지의 비율을 의미할 수 있고, 투과율이란 투과된 빛의 에너지와 반사된 빛의 에너지의 비율을 의미할 수 있다. 이와 같이 반사율과 투과율을 구분하는 이유는 빛의 에너지가 이미지에 흡수되는 경우를 고려하기 위해서이다.In order to reflect or transmit light in
마커(310)는 이미지(312)를 확대하여 외부로 전달할 수 있는 렌즈(314)를 포함할 수 있다. 렌즈(314)의 종류에 대해서는 특별한 제한은 없으며, 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 확대하여 전달할 수 있는 어떠한 종류의 렌즈도 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이미지(312)는 마커(310) 상에서 렌즈(314)를 통해 이미지(312)가 마커(310) 외부에서 식별될 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 구체적으로, 이미지(312)가 평행 출사광 형태로 마커(310) 외부로 전달될 수 있도록 렌즈(314)와 이미지(312)가 배치될 수 있다. 이는 옵티컬 트래킹 시스템(300)의 결상부(330) 측의 광학계와 결합되어 무한 광학계를 구현할 수 있는 조건이다. 무한 광학계가 구현되면, 이를 통해 결상부(330)는 확대된 마커(310)의 결상 이미지를 얻을 수 있다. 따라서, 마커(310)의 위치가 결상부(330)에서 멀리 떨어져 있더라도, 마커(310)에 포함된 이미지(312)에 대한 정보를 결상된 이미지로부터 획득하는 것이 용이할 수 있다. 이하에서는, 마커(310)에서 이미지(312)와 렌즈(314)의 배치 관계에 관해 더욱 상세히 설명한다.The
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈(314)를 볼렌즈(500)로 사용할 경우, 볼렌즈(500)의 여러 초점 위치를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 볼렌즈(500)는 볼렌즈(500)에 입사되는 빛의 초점이 볼렌즈(500)의 표면(P0), 내부(P2) 또는 외부(P1)에 맺힐 수 있다. 렌즈(314)의 초점이 형성되는 위치는 렌즈(314)의 재료 또는 외형 등에 따라 달라질 수 있다. 이와 같은 렌즈(314)의 초점 특성에 맞춰 이미지(312)를 렌즈(314)의 초점이 맺히는 면에 위치시킬 경우, 이미지(312)는 렌즈(314)를 통해 평행 출사광 형태로 전달될 수 있다.5 illustrates various focal positions of the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈(314)를 볼렌즈(500)로 사용할 경우, 볼렌즈(500)의 초점이 맺히는 위치에 따라 이미지(312)가 형성될 면의 위치를 나타낸다. 일 실시예에 따라, 볼렌즈(500)의 초점이 볼렌즈(500)의 표면(P0)에 맺힌다면, 이미지(312)는 볼렌즈(500)의 표면(510)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 이미지(312)는 빛이 렌즈(314)에 입사된 후 렌즈(314)에서 반사되는 면의 바깥쪽 표면에 형성될 수 있다.6 illustrates a position of a surface on which an
또 다른 실시예에 따라, 볼렌즈(500)의 초점이 볼렌즈(500)로부터 이격된 외부(P1)에 맺힌다면, 이미지(312)는 볼렌즈(500)로부터 이격된 초점면(530)에 형성될 수 있다. 이때, 초점면(530)은 볼렌즈(500)와 동심원을 이룰 수 있다. 이미지(312)가 형성된 면과 렌즈(312) 상의 이격된 공간은 렌즈(312)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 물질로써 채워질 수 있다. 이격된 공간이 기체로 채워질 수도 있다. 이격된 공간에 채워질 물질의 굴절률을 조정함으로써, 결상부(330) 측에서의 이미지(312)에 대한 인식률의 조정이 가능하다. 또한, 렌즈(314)와 이미지(312)간의 이격 거리를 조정하는 것도 가능하다.According to another embodiment, if the focal point of the
또 다른 실시예에 따라, 볼렌즈(500)의 초점이 볼렌즈(500)의 내부(P2)에 맺힌다면, 이미지(312)는 볼렌즈(500)의 내부 면(550)에 형성될 수 있다. 내부 면(550)은 볼렌즈(500)와 동심원 상에 있을 수 있다. 한편, 이와 같은 렌즈(314)와 이미지(312)의 배치관계에 기초하여, 다양한 종류의 렌즈를 이용한 마커(310)의 실시예들이 고려될 수 있다.According to another embodiment, if the focal point of the
일 실시예에 따르면, 렌즈(314)는 두 개의 광학 매체를 결합하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 반구형 렌즈(510c, 530c)를 결합하여 렌즈(314)가 구현될 수 있다. 구체적으로, 렌즈(314)는 반지름이 R1인 반구형 렌즈(510c)와 반지름이 R2인 반구형 렌즈(530c)를 결합하여 구현될 수 있다. 일 실시예에 따라, 두 반구형 렌즈(510c, 530c)는 서로 동심원 상에 있을 수 있다.According to one embodiment, the
또 다른 실시예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 렌즈(314)는 동일한 두 개의 반구형 렌즈(510c, 530c)를 결합하여 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 두 개의 반구형 렌즈(510c, 530c) 중 적어도 하나는 완전한 반구 형태의 렌즈가 아니라 볼렌즈의 일부분을 이루는 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 두 개의 결합될 렌즈는 서로 동심원 상에 위치할 수 있다. 외부에서 반구형 렌즈(510c)에 조사된 빛의 초점은 반구형 렌즈(530c)의 내부, 표면 또는 외부에 맺힐 수 있으며, 이미지(312)는 이들 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 이미지(312)는 반구형 볼렌즈(530c) 내의 임의의 위치에 형성될 수도 있다.According to another embodiment, as shown in FIG. 8, the
일 실시예에 따르면, 결합될 두 개의 광학 매체의 굴절률은 서로 같거나 다를 수 있으며, 굴절률에 따라 입사된 빛의 초점 위치가 결정될 수 있다. 따라서, 굴절률을 변경함으로써 마커(310)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있고, 또한 이미지(312)가 결상되었을 때 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.According to one embodiment, the refractive indices of the two optical media to be combined may be the same or different from each other, and the focal position of the incident light may be determined according to the refractive indices. Thus, by changing the refractive index, the position where the
일 실시예에 따르면, 제1 광학 매체 및 제2 광학 매체간의 결합, 예컨대 반구형 렌즈들(510c, 530c) 또는 볼렌즈의 일부분을 이루는 렌즈들 간을 결합하기 위해서, 광학 접착제가 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 다른 광학 매체를 제1 광학 매체와 제2 광학 매체 사이에 둠으로써, 광학 매체들 간을 결합시킬 수 있다. 도 9는 볼렌즈의 일부분들(510d, 530d)과 또 다른 광학 매체(550d)가 결합되어 렌즈(314)를 형성한 실시예를 나타내고 있다. 일 실시예에 따라 볼렌즈의 일부분들(510d, 530d)은 동일한 반지름, 즉 동일한 곡률반경을 갖고, 서로 동심원 상에 위치할 수 있다.According to one embodiment, an optical adhesive may be used to couple between the first optical medium and the second optical medium, such as between
또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈의 일부분들(510d, 530d) 및 또 다른 광학 매체(550d)는 일체로서 형성될 수 있다. 이 경우 렌즈(314)는 드럼 렌즈가 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 드럼 렌즈는 볼렌즈를 원통형으로 가공함으로써 만들어지거나, 또는 광학 매체가 동일한 곡률반경의 두 곡면을 갖고, 두께가 곡률반경의 두 배가 되도록 가공함으로써 만들어질 수 있다.According to another embodiment,
이미지(312)가 형성되는 위치와 관련하여, 빛이 볼렌즈의 일부분(510d)으로 입사된다면, 이미지(312)는 다른 볼렌즈의 일부분(530d)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 빛이 볼렌즈의 일부분(510d)으로 입사된다면, 이미지(312)는 볼렌즈의 일부분(510d) 및 광학 매체(550d)에 의해 초점이 맺히는 볼렌즈의 일부분(530d)의 표면, 내부 또는 외부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이때 볼렌즈의 일부분들(510d, 530d) 및 광학 매체(550d)의 굴절률 중 적어도 하나는 상이하거나 또는 모두 동일할 수 있다. 광학 매체들의 굴절률을 조정함으로써, 마커(310)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있다. 또한, 이미지(312)를 결상했을 때의 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.With respect to the location where the
일 실시예에 따르면, 광학 매체(550d)는 마커(310)를 트래킹하고자 하는 대상에 용이하게 부착시키기 위한 볼록부 또는 홈을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the optical medium 550d may further include a convex portion or groove for easily attaching the
일 실시예에 따르면, 마커(310)의 렌즈(314)는 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합하여 구현될 수 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 구형 돔 렌즈 중 반구형 돔 렌즈(510e, 530e)가 결합되어 구현된 렌즈(314)를 나타낸다. 일 실시예에 따라, 반구형 돔 렌즈(510e)는 내부 반지름이 R1이고 외부 반지름이 R2인 형상을 가지고, 반구형 돔 렌즈(530e)는 내부 반지름이 R3이고 외부 반지름이 R4인 형상을 가질 수 있다. 이때, 도 11에 도시된 실시예와 같이, 두 반구형 돔 렌즈의 내부 반지름 R1 및 R3가 동일할 수 있고, 또는 도 12에 도시된 실시예와 같이, 외부 반지름 R2 및 R4가 동일할 수도 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이 두 반구형 돔 렌즈(510e, 530e)는 동일한 형상을 가질 수도 있다. 이들 구형 돔 렌즈(510e, 530e)는 동심원 상에 위치할 수 있다. 일 실시예에 따라 두 개의 구형 돔 렌즈는 반구형 돔 렌즈에만 제한되는 것이 아니라 구의 일부를 이루는 임의의 돔 렌즈일 수 있다.According to an embodiment, the
이미지(312)가 형성되는 위치와 관련하여, 빛이 반구형 돔 렌즈(510e)로 입사된다면, 이미지(312)는 다른 반구형 돔 렌즈(530e)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 빛이 반구형 돔 렌즈(510e)로 입사된다면, 이미지(312)는 반구형 돔 렌즈(510e)의 초점이 맺히는 반구형 돔 렌즈(530e)의 표면, 내부 또는 외부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이때 반구형 돔 렌즈(510e) 및 반구형 돔 렌즈(530e)의 굴절률은 상이하거나 또는 동일할 수 있다. 이들 광학 매체의 굴절률을 조정함으로써, 마커(310)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있고, 또한 이미지(312)를 결상했을 때의 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.With respect to the location where the
일 실시예에 따르면, 두 개의 구형 돔 렌즈를 결합하여 렌즈(314)를 형성할 경우, 두 개의 구형 돔 렌즈 사이의 공간은 두 구형 돔 렌즈의 굴절률 중 적어도 하나와 다른 굴절률을 갖는 물질로써 채워질 수 있다. 예를 들어, 채워질 물질은 기체이거나 광학 수지일 수 있다. 일 실시예에 따라, 두 개의 구형 돔 렌즈 사이에 또 다른 광학 매체를 가질 수도 있다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 두 개의 구형 돔 렌즈로서 반구형 돔 렌즈(510f, 530f) 사이에 볼렌즈(550f)가 있는 렌즈(314)를 나타낸다. 볼렌즈(550f)를 사이에 두고 있기 때문에 두 반구형 돔 렌즈(510f, 530f)는 동일한 내부 반지름을 가질 수 있다. 일 실시예에 따라, 반구형 돔 렌즈들(510f, 530f) 및 볼렌즈(550f)는 동심원 상에 위치할 수 있다.According to one embodiment, when two spherical dome lenses are combined to form a
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈(550f)에 결합될 돔 렌즈는 반구형이 아닌 임의의 구형 돔 렌즈일 수도 있다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 두 개의 반구형이 아닌 임의의 구형 돔 렌즈(510f, 530f)와 하나의 볼렌즈(550f)가 결합된 렌즈(314)를 나타낸다.According to another embodiment of the present invention, the dome lens to be coupled to the
이미지(312)가 형성되는 위치와 관련하여, 빛이 반구형 돔 렌즈(510f)로 입사된다면, 이미지(312)는 다른 반구형 돔 렌즈(530f)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 빛이 반구형 돔 렌즈(510f)로 입사된다면, 이미지(312)는 반구형 돔 렌즈(510f) 및 볼렌즈(550f)에 의해 초점이 맺히는 반구형 돔 렌즈(530f)의 표면, 내부 또는 외부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이때 반구형 돔 렌즈들(510f, 530f) 및 볼렌즈(550f)의 굴절률 중 적어도 하나는 상이하거나 또는 모두 동일할 수 있다. 이들 광학 매체의 굴절률을 조정함으로써, 마커(310)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있으며, 또한 이미지(312)를 결상했을 때의 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.With respect to the location at which
또 다른 실시예로서, 도 16은 하나의 볼렌즈(510g)와 이와 동심원을 이루면서 볼렌즈(510g)로부터 이격된 구면(sphere surface; 550g)을 갖는 하나의 광학 매체(530g)가 결합되어 구현된 렌즈(312)를 나타낸다. 일 실시예에 따라, 볼렌즈(510g)와 광학 매체(530g) 간의 이격된 공간은 볼렌즈(510g) 또는 광학 매체(530g) 중 적어도 하나와 굴절률이 다른 물질로 채워질 수 있다. 예를 들어, 채워질 물질은 기체 또는 광학 수지일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈(510g)와 광학 매체(530g) 간의 이격된 공간 없이, 볼렌즈(510g)의 표면과 광학 매체(530g)의 구면(550g)이 맞닿아 있을 수 있다.As another embodiment, FIG. 16 illustrates a combination of one
이미지(312)가 형성되는 위치와 관련하여, 빛이 볼렌즈(510g)로 입사된다면, 이미지(312)는 광학 매체(530g)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 빛이 볼렌즈(510g)로 입사된다면, 이미지(312)는 볼렌즈(510g)의 초점이 맺히는 광학 매체(530g)의 구면(550g), 내부 또는 외부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이때 볼렌즈(510g) 및 광학 매체(530g)의 굴절률은 상이하거나 또는 동일할 수 있다.With respect to the location where the
일 실시예에 따르면, 볼렌즈(510g)와 광학 매체(530g) 사이에 이격된 공간에 볼렌즈(510g) 또는 광학 매체(530g)와 굴절률이 다른 물질을 채워 넣음으로써, 광학 매체(530g)에서 이미지(312)가 형성되는 위치가 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈(510g)의 굴절률을 조정함으로써, 광학 매체(530g)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수도 있다. 이와 같이 굴절률을 조정함으로써, 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있을 뿐만 아니라 이미지(312)를 결상했을 때의 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.According to an embodiment, the optical medium 530g may be filled with a material having a refractive index different from that of the
일 실시예에 따르면, 광학 매체(530g)는 볼렌즈(510g)와 결합하기 위한 볼록부들(570g, 572g)을 포함할 수 있다. 또한, 광학 매체(530g)는 마커(310)를 트래킹할 목적물에 용이하게 부착할 수 있는 볼록부 또는 홈을 포함할 수도 있다.According to an embodiment, the optical medium 530g may include
도 17은 하나의 볼렌즈(550h)와 이와 동심원을 이루는 반구형 돔 렌즈(530h)가 결합된 렌즈(312)를 나타낸다. 반구형 돔 렌즈(530h)는 내부 반지름 R1 및 외부 반지름 R2를 가질 수 있다. 일 실시예에 따라 볼렌즈(550h)의 반지름은 반구형 돔 렌즈(530h)의 내부 반지름 R1이 될 수 있고, 이때 볼렌즈(550h)는 반구형 돔 렌즈(530h)의 표면과 맞닿아 있을 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 볼렌즈(550h)와 반구형 돔 렌즈(530h)는 이격되어 있을 수 있다. 이때, 이격된 공간 사이에 볼렌즈(550h) 또는 반구형 돔 렌즈(530h) 중 적어도 하나와 굴절률이 다른 광학 매체가 포함될 수 있다.17 shows a
또 다른 실시예에 따라, 볼렌즈(550h)와 결합하게 될 구형 돔 렌즈는 반구형이 아닌 임의의 구형 돔 렌즈(530h)일 수 있다. 볼렌즈(550h)와 임의의 구형 돔 렌즈(530h)는 동심원 상에 위치할 수 있다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 마커를 위한 렌즈로서, 하나의 볼렌즈(550h)와 반구형이 아닌 하나의 구형 돔 렌즈(530h)가 결합되어 구현된 렌즈(314)를 나타낸다.According to another embodiment, the spherical dome lens to be combined with the
이미지(312)가 형성되는 위치와 관련하여, 빛이 볼렌즈(550h)로 입사된다면, 이미지(312)는 반구형 돔 렌즈(530h)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 빛이 볼렌즈(550h)로 입사된다면, 이미지(312)는 볼렌즈(550h)의 초점이 맺히는 반구형 돔 렌즈(530h)의 표면, 내부 또는 외부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 반구형 돔 렌즈(530h)의 표면은 내부 반지름 R1 또는 외부 반지름 R2이 형성하는 표면일 수 있다. 볼렌즈(550h) 및 반구형 돔 렌즈(530h)의 굴절률은 동일하거나 상이할 수 있다. 이들 광학 매체들의 굴절률을 조정함으로써, 마커(310)에서 이미지(312)가 형성될 위치가 조정될 수 있으며, 또한 이미지(312)를 결상했을 때의 이미지(312)에 대한 인식률이 조정될 수 있다.Regarding the location where the
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈(314)가 GRIN (Gradation Refractive Index) 볼렌즈인 경우를 나타낸다. GRIN 볼렌즈는 굴절률이 다른 물질들(510i, 530i, 550i, 570i)로 겹겹이 쌓여 있는 볼렌즈를 의미할 수 있다. 도 19에서는 4개의 굴절률이 다른 물질들로 GRIN 볼렌즈가 구현되는 것으로 가정하였으나, 물질의 숫자는 렌즈의 따라 다를 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, GRIN 볼렌즈를 형성하는 각각의 물질은 색깔을 달리할 수 있다.19 illustrates a case in which the
GRIN 볼렌즈를 사용하면, 볼렌즈를 사용할 때와 같이 이미지(312)는 GRIN 볼렌즈의 초점이 맺히는 GRIN 볼렌즈의 표면, 내부 또는 외부 중 어느 하나에 위치할 수 있다. 예를 들어, GRIN 볼렌즈의 표면은 빛이 GRIN 볼렌즈에 입사한 후 GRIN 볼렌즈에서 반사되는 면의 바깥쪽 표면일 수 있다. 일 실시예에 따르면, GRIN 볼렌즈의 초점이 맺히는 GRIN 볼렌즈의 내부 또는 외부는 GRIN 볼렌즈와 동심원을 이룰 수 있다. GRIN 볼렌즈는 일반 구면 렌즈보다 스폿 사이즈(spot size)를 더 작게 만들 수 있으므로, 이미지(312)를 결상했을 때, 결상된 이미지의 분해능이 높아질 수 있다.Using a GRIN ball lens, the
다음으로는, 마커(310)에 포함된 이미지(312)에 관해 살펴 보도록 한다. 이미지(312)는 마커(310)의 위치 및 자세를 측정하기 위한 정보를 제공할 수 있다. 일 실시예로서, 이미지(312)는 복수의 특징점을 포함하는 형상이며, 그 형상은 랜덤한 형상이거나 또는 미리 정해진 형상일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서의 이미지(312)는 결상부(330)에서 이미지(312)를 검출했을 때, 검출된 이미지로부터 2개 이상의 특징점이 검출될 수 있도록 형성될 수 있다. 이는 마커(310)의 6 자유도에 해당하는 위치 및 자세를 측정하기 위한 최소한의 정보로서 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점 중 적어도 두 점에 관한 정보가 필요하기 때문이다.Next, the
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 볼렌즈(500)의 어느 한 표면에 형성된 이미지(312)를 나타낸다. 일 실시예로서, 이미지(312)는 랜덤한 형상을 가질 수 있다. 본 발명에서의 특징점은 이미지(312) 상에서 점으로 표현될 수 있다. 또한, 본 발명에서의 특징점은 도 20에 도시된 바와 같이, 특징적인 영역을 대표하는 지점(610, 612, 614, 616)을 나타낼 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 특징점들(610, 612, 614, 616)은 특징적인 영역의 시야 중심이 될 수 있다.20 illustrates an
도 20에 예시적으로 표시된 특징점들(610, 612, 614, 616)은 이미지(312) 상에서의 식별력을 높이기 위해서, 이미지(312)에 조사되는 빛에 대한 반사율이 높은 물질로써 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 특징점들(610, 612, 614, 616)은 이미지(312)에 조사되는 빛에 대한 투과율이 높은 물질로써 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 특징점들(610, 612, 614, 616)은 발광 물질로써 형성될 수 있다. 이 경우, 주변이 어두운 환경 또는 이미지(312)에 조사되는 광원이 없는 조건에서도 결상부(330)에서 특징점들(610, 612, 614, 616)이 검출될 수 있다.The feature points 610, 612, 614, and 616 exemplarily shown in FIG. 20 may be formed of a material having a high reflectance with respect to light irradiated to the
또 다른 실시예에 따르면, 이미지(312)는 마커(310)로 조사된 빛에 대한 반사율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있다. 이때 이미지(312)에서의 특징점들(610, 612, 614, 616)은 2개 이상의 물질의 반사율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다. 일 실시예로서, 특징점들(610, 612, 614, 616)은 마커(310)로 조사된 빛에 대한 반사율이 높은 하나의 물질로써 형성되고, 이미지(312)의 나머지는 투과율이 높아 빛이 투과되는 양이 보다 많은 하나의 물질로써 형성될 수 있다.According to another embodiment, the
또 다른 실시예로서, 특징점들(610, 612, 614, 616)은 마커(310)로 조사된 빛에 대한 투과율이 높아 빛이 투과되는 양이 보다 많은 하나의 물질로써 형성되고, 이미지(312)의 나머지는 반사율이 높은 물질로써 형성될 수 있다. 이미지(312) 형성에 사용된 물질들의 반사율 및 투과율의 차이를 극대화시켜 특징점들을 형성한 경우, 결상부(330)에서 결상된 이미지에서의 특징점들에 대한 식별력이 높아질 수 있다.In another embodiment, the feature points 610, 612, 614, and 616 are formed of one material having a higher transmittance with respect to the light irradiated with the
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라, 마커(310)에 포함된 이미지(312)가 미리 정해진 형상인 경우를 나타낸다. 도 20에 도시된 이미지와 같이 본 발명의 마커(310)는 랜덤한 형상의 이미지가 형성될 수 있고, 도 21에 도시된 이미지와 같이 규칙적인 패턴 등을 갖는 미리 정해진 형상이 형성될 수도 있다. 어느 경우이든 결상부(330)에서 마커(310)에 형성된 이미지(312)를 검출했을 때, 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점 중 적어도 2개의 특징점이 검출될 수 있다.FIG. 21 illustrates a case where an
수술 로봇과 같이 트래킹해야 할 목적물을 복수 개 가진 대상을 트래킹한다면, 목적물마다 마커(310)가 부착되어야 하므로, 복수 개의 마커가 사용될 수 있다. 또한, 트래킹 범위 또는 각도를 넓히기 위한 목적으로 2개 이상의 마커가 하나의 목적물에 부착될 수 있다. 이러한 경우, 목적물에 부착된 복수 개의 마커 간의 구별이 필요하다. 일 실시예에 따르면, 마커마다 이미지를 달리 형성함으로써 마커 간의 구별이 가능할 수 있다. 이미지가 랜덤한 형상을 갖도록 마커들이 제작된다면, 각 마커에 형성된 이미지의 랜덤한 특성을 이용하여 마커들 간의 구별이 가능할 수 있다.When tracking an object having a plurality of objects to be tracked, such as a surgical robot, a plurality of markers may be used since the
마커(310)의 위치 및 자세를 결정하기 위해서는 마커(310)에 포함된 이미지(312)가 결상부(330)에서 결상되었을 때, 결상된 이미지에 포함된 복수의 특징점에 관한 정보가 필요하다. 일 실시예에 따르면, 복수의 특징점에 관한 정보는 특징점들의 좌표일 수 있다. 따라서, 이미지(312)가 형성되는 면은 결상부(330)에서 이미지(312)를 결상했을 때 결상된 이미지로부터 검출된 특징점들의 좌표의 왜곡을 최소화하는 형상일 수 있다. 예를 들어, 이미지(312)가 형성되는 면의 형상은 구면 또는 구면에 가까운 곡면일 수 있다.In order to determine the position and posture of the
일 실시예에 따르면, 마커(310)가 액티브 마커로 사용될 경우에는 마커(310) 내부에 광원(350)을 포함할 수 있다. 마커(310) 내부에 광원(350)이 포함되더라도 그 역할은 마커(310)의 외부에 광원(350)이 있는 경우와 크게 다르지 않다. 따라서, 마커(310)에 관해 앞서 설명된 사항들은 대부분 광원이(350)이 마커(310) 내부에 있는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.According to an embodiment, when the
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 광원(350)에서 조사된 빛이 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 투과함으로써, 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점의 정보가 렌즈(314)를 거쳐 외부로 전달되는 모습을 나타낸다. 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점은 광원(350)에서 조사된 빛을 투과시키는 물질 또는 반사시키는 물질로써 형성될 수 있다. 이는 결상부(330) 측에서 이미지(312)를 결상했을 때 특징점의 이미지가 밝은 것을 원하느냐 혹은 어두운 것을 원하느냐에 따라 달라진다. 이와 반대로, 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따라, 광원(350)에서 조사된 빛이 이미지(312)에서 반사됨으로써, 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점의 정보가 렌즈(314)를 거쳐 외부로 전달되는 모습을 나타낸다. 이 경우에도 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점은 광원(350)에서 조사된 빛을 투과 혹은 반사시키는 물질로써 형성될 수 있다.FIG. 22 illustrates that the light emitted from the
도 22 및 도 23에서 사용되는 광원(350)의 빛 또는 마커(310) 외부에서 마커(310)로 조사되는 빛의 파장에 대해서는 특별히 제한은 없다. 옵티컬 트래킹 시스템(300)이 사용되는 목적에 따라, 빛의 파장은 사용자가 특정 색깔을 인식할 수 있는 가시광 영역의 파장일 수 이거나, 또는 사용자가 빛의 존재를 인식할 수 없는 적외선 대역의 파장일 수도 있다. 예를 들어, 만약 옵티컬 트래킹 시스템(300)을 의료용으로 사용한다면, 수술 환경에서 의사나 간호사의 시야를 방해하지 않도록 적외선 대역의 파장이 사용될 수 있다.There is no restriction | limiting in particular about the wavelength of the light of the
일 실시예에 따라, 외부의 다른 빛에 대한 영향을 줄이기 위해, 마커(310)에 사용되는 렌즈(314)에 특정 파장 범위의 빛만이 투과되도록 렌즈의 표면이 코팅될 수 있다. 예를 들어, 만약 적외선 대역의 광원(350)을 사용하여 마커(310)에 빛을 조사한다면, 렌즈(314)는 적외선 대역의 파장의 빛만이 투과되도록 렌즈(314)의 표면이 코팅될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 특정 파장의 빛만이 마커(310)에 포함된 이미지(312) 정보를 전달할 수 있도록, 마커(310)는 추가적인 광 필터를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the surface of the lens may be coated such that only light of a specific wavelength range is transmitted to the
<< 결상부Image (330)>(330)>
일 실시예에 따르면, 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점에 관한 정보를 검출하기 위해서, 마커(310)에 포함된 이미지(312)는 렌즈(314)를 거친 후 결상부(330)에 포함된 결상소자(334)에서 결상될 수 있다. 결상부(330)는 렌즈(332)와 결상소자(334) 등으로 구현될 수 있다. 마커(310)의 이미지(312)는 렌즈(332)를 거쳐 결상소자(334)에서 결상될 수 있다. 결상부(330)는 이미지를 결상시키는 장치로서 카메라, 캠코더 등을 이용하여 구현될 수 있다. 결상소자(334)는 빛을 통해 전달된 이미지 정보를 전기적 신호로 변환하는 장치로서, CMOS 이미지 센서 또는 CCD 등을 이용하여 구현될 수 있다.According to an embodiment, in order to detect information about a plurality of feature points included in the
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 결상부(330) 내에서의 렌즈(332)와 결상소자(334) 간의 위치 관계를 나타낸다. 일반적으로, 결상부(330)는 렌즈(332)로부터 초점거리만큼 떨어진 곳에 형성된 상을 검출함으로써, 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 따라서, 결상부(330)는 이미지를 검출할 때 결상소자(334)가 렌즈(332)의 초점거리에 위치하도록, 결상소자(334)와 렌즈(332) 간의 거리를 조정하거나 초점을 조정할 수 있다. 그러나 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 검출하기 위해 마커(310)가 움직일 때마다 결상부(330)가 초점 조정을 반복한다면, 이미지(312)의 검출 속도가 느려질 수 있다. 더욱이, 매우 작은 크기의 마커에 포함된 이미지(312)의 특징점들을 정확히 검출하고 인식률을 높이기 위해서는 결상부(330)에서 이미지(312)가 확대된 형태로 결상되는 것이 필요하다.24 illustrates a positional relationship between the
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 결상부(330)는 결상소자(334)가 렌즈(332)의 초점거리에 고정될 수 있다. 만약 결상소자(334)가 마커(310)의 렌즈(314)와 결상부(330)의 렌즈(332)가 형성하는 초점인 무한 초점에 위치한다면, 마커(310)의 움직임에 따른 거리의 변화에 관계없이 이미지(312)가 결상소자(334)에서 확대되어 결상될 수 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 결상소자(334)가 위치한 렌즈(332)의 초점 거리인 -fc 지점이 무한 초점이 있는 위치가 될 수 있다.In order to solve this problem, in the
일 실시예에 따르면, 무한 초점이 있는 광학계를 형성하기 위해, 마커(310)에서 이미지(312)는 렌즈(314)의 초점이 형성되는 면에 위치할 수 있다. 이러한 광학계를 통해, 결상부(330)는 마커(310)가 움직이더라도 초점의 조정 없이 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 결상시킬 수 있으며, 또한 작은 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 확대된 형태로 결상할 수 있다. 따라서, 결상부(330)는 작은 크기의 마커(310)에 포함되어 있는 이미지(312) 및 그에 포함된 복수의 특징점들을 빠른 속도로 정확히 검출할 수 있다. 또한, 마커(310)에 포함되는 이미지(312)의 크기에 대해 부담을 덜 수 있어, 목적물에 부착되는 마커(310)의 소형화가 가능하다.According to one embodiment, to form an optical system with infinite focus, the
<프로세서(370)><
본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)의 프로세서(370)는 마커(310)에 포함된 이미지(312)와 관련된 정보 및 이미지(312)를 결상부(330)에서 결상시켜 얻은 이미지와 관련된 정보에 기초하여 마커(310)의 자세를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이미지(312)와 관련된 정보는 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점의 마커(310) 상에서의 좌표(제1 좌표)일 수 있다. 결상된 이미지와 관련된 정보는 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점에 대응하는 결상된 이미지 상에서의 좌표(제4 좌표)일 수 있다. 프로세서(370)는 제1 좌표 및 제4 좌표 간의 관계식에 기초하여 마커(310)의 자세를 결정할 수 있다. 이를 위해, 제1 좌표는 마커(310)의 캘리브레이션 과정을 통해 미리 획득된 후, 프로세서(370)가 접근 가능한 메모리 등에 저장될 수 있다. 이하에서는 프로세서(370)가 제1 좌표 및 제4 좌표의 관계식에 기초하여 마커(310)의 자세를 어떻게 결정하는지 설명한다. 마커(310)의 자세를 결정하는 알고리즘에 관한 상세한 설명은 한국 특허 출원 제10-2014-0065168호에 개시되어 있으며, 본 출원은 이를 참조로서 포함한다.The
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 좌표와 제4 좌표 간의 관계식에 기초하여, 상기 마커(310)의 자세를 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 점 A는 제1 좌표를 나타내며, 점 B는 제1 좌표의 렌즈(314)에 대한 좌표(제2 좌표)이고, 점 C는 제2 좌표의 렌즈(332)에 대한 좌표(제3 좌표)이며, 점 D는 제4 좌표를 나타낸다. 점 O는 제1 좌표 내지 제4 좌표의 기준이 되는 원점으로서, 렌즈(332)의 중심을 나타내는 지점이다. 일 실시예에 따르면, 제1 좌표를 제2 좌표로 변환하는 변환행렬을 C로 정의하고, 제3 좌표를 제4 좌표로 변환하는 변환행렬을 A로 정의하며, 마커의 자세를 나타내는 행렬을 R로 정의한다면, 다음 수학식 1 내지 3을 통해 행렬 R이 계산될 수 있다.FIG. 25 is a diagram for describing a process of detecting a posture of the
<수학식 1><Equation 1>
평면 이미지의 경우:For flat images:
((,), ..., (,)은 제1 좌표, (,), ..., (,)은 제4 좌표)(( , ), ..., ( , ) Is the first coordinate, ( , ), ..., ( , ) Is the fourth coordinate)
볼렌즈에 이미지가 형성된 경우:If an image is formed on the ball lens:
( 은 제1좌표, 은 볼렌즈의 반지름, (,), ..., (,)은 제4 좌표)( Is the first coordinate, Is the radius of the ball lens, ( , ), ..., ( , ) Is the fourth coordinate)
<수학식 2><
((,)는 이미지(312)의 중심에 대응하는 결상부(330)에서 검출된 이미지 상의 좌표, 는 결상소자(334)가 렌즈(332)로부터 이격된 거리, 는 결상된 이미지의 픽셀의 폭, 는 결상된 이미지의 픽셀의 높이)(( , ) Is the coordinate on the image detected by the imaging unit 330 corresponding to the center of the image 312, Is the distance that the imaging element 334 is separated from the lens 332, Is the width of the pixels in the image, Is the height of the pixels in the image
<수학식 3><Equation 3>
평면 이미지의 경우:For flat images:
((,)는 마커(310)의 이미지(312)의 중심의 좌표, 는 렌즈(314)의 초점거리)(( , ) Is the coordinate of the center of the image 312 of the marker 310, Is the focal length of the lens 314)
볼렌즈에 이미지가 형성된 경우:If an image is formed on the ball lens:
프로세서(370)가 상기 수학식 1 내지 3을 이용하여 마커(310)의 롤, 피치, 요를 계산하기 위해서, 이미지(312)의 복수의 특징점 중 적어도 2개가 결상부(330)에서 결상될 수 있다. 결상된 이미지 상에서 검출되는 특징점의 개수가 많으면 많을수록 계산된 마커(310)의 자세와 실제 마커(310)의 자세 간의 오차가 줄어들 수 있다.In order for the
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 다음 수학식 4를 통해서도 행렬 R이 계산될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the matrix R can also be calculated through the following equation (4).
<수학식 4><Equation 4>
평면 이미지의 경우: For flat images:
((,), ..., (,)은 제1 좌표, (,), ..., (,)은 제4 좌표, (,)는 이미지(312)의 중심에 대응하는 결상부(330)에서 검출된 이미지 상의 좌표, 는 결상소자(334)가 렌즈(332)로부터 이격된 거리, 는 결상된 이미지의 픽셀의 폭, 는 결상된 이미지의 픽셀의 높이)(( , ), ..., ( , ) Is the first coordinate, ( , ), ..., ( , ) Is the fourth coordinate, ( , ) Is the coordinate on the image detected by the imaging unit 330 corresponding to the center of the image 312, Is the distance that the imaging element 334 is separated from the lens 332, Is the width of the pixels in the image, Is the height of the pixels in the image
볼렌즈에 이미지가 형성된 경우:If an image is formed on the ball lens:
(은 제1좌표, 은 볼렌즈의 반지름, (,), ..., (,)은 제4 좌표, (,)는 이미지(312)의 중심에 대응하는 결상부(330)에서 검출된 이미지 상의 좌표, 는 결상소자(334)가 렌즈(332)로부터 이격된 거리, 는 결상된 이미지의 픽셀의 폭, 는 결상된 이미지의 픽셀의 높이)( Is the first coordinate, Is the radius of the ball lens, ( , ), ..., ( , ) Is the fourth coordinate, ( , ) Is the coordinate on the image detected by the imaging unit 330 corresponding to the center of the image 312, Is the distance that the imaging element 334 is separated from the lens 332, Is the width of the pixels in the image, Is the height of the pixels in the image
이상 살펴본 바와 같이, 프로세서(370)는 마커(310)의 자세를 결정하기 위해 이미지(312) 상의 특징점과 이 특징점에 대응하는 결상부(330)에서 결상된 특징점 간의 관계식을 이용할 수 있다. 종래에 마커(310)의 자세는 마커가 3개 이상 부착된 구조물에서의 마커 간의 기하학적 관계의 변화를 검출하여 결정될 수 있었다. 이에 반해, 본 발명은 이미지(312)의 특징점의 정보에 기초한 수학식을 통해 자세를 결정함으로써, 1개의 마커 만으로 마커의 자세를 결정할 수 있다. 따라서, 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서는 목적물에 1개의 마커만 부착해도 목적물의 모든 자세 계산이 가능하므로, 트래킹 대상이 많더라도 사용될 마커의 수를 줄일 수 있다. 또한, 의사가 직접 사용하는 수술도구와 같이 많은 수의 마커가 부착되면 사용자가 불편할 수 있는 경우에, 본 발명의 마커(310)가 편리하게 활용될 수 있다.As described above, the
한편, 옵티컬 트래킹 시스템(300)의 경우, 마커(310)를 트래킹하는 동안 프로세서(370)는 이미지(312)에 포함된 동일한 특징점만을 기준으로 마커(310)의 자세를 계산하지 않을 수 있다. 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서, 마커(310)의 움직임에 따라 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 검출했을 때의 특징점들의 변화를 예시적으로 나타낸다. 도 26에 도시된 바와 같이, 마커(310)가 움직이는 동안 마커(310)의 이미지(312)를 검출했을 때, t1 시간에 4개의 특징점(1110, 1112, 1114, 1116)이 검출되고, t2 시간에는 3개의 특징점(1130, 1132, 1134)이 검출되며, t3 시간에는 5개의 특징점(1150, 1152, 1154, 1156, 1158)이 검출될 수 있다. 이와 같이, 마커가(310)가 움직이는 동안에는 결상부(330)에서의 이미지 검출 시점마다 얻는 특징점의 정보가 달라질 수 있다.Meanwhile, in the case of the
각 검출 시점마다 얻는 특징점의 정보가 달라진다는 것은 마커(310)가 움직이고 있다는 것을 의미할 수 있고, 동일한 특징점의 정보만 검출된다는 것은 마커(310)가 움직이지 않고 있다는 것을 의미할 수 있다. 다만, 각 시점마다 검출된 특징점들 중 일부는 동일할 수 있으며, 각 시점마다 마커(310)의 자세를 결정하기 위해서는 이와 같이 변화되는 특징점들 중 2개 이상만 검출되면 된다. 이처럼 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 마커(310)가 움직이는 동안 검출된 동일한 특징점들만을 기준으로 마커(310)의 자세를 계산하지 않을 수 있다. 따라서, 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 종래의 옵티컬 트래킹 시스템과 같이 동일한 대상물의 변화를 계속 추적할 필요가 없으므로, 대상물의 일부가 가려지는 등의 문제점이 발생하더라도 안정적으로 마커(310)를 트래킹할 수 있다.The change in the information of the feature point obtained for each detection time may mean that the
일 실시예에 따르면, 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 마커(310)의 위치를 삼각법(triangulation)을 이용하여 결정할 수 있다. 이 경우 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 결상부(330)가 2개 이상의 결상소자를 포함하거나 결상부(330)가 2개 이상일 수 있다. 이는 삼각법을 이용하기 위해서는 각기 다른 위치에서 결상된 마커(310)의 이미지 혹은 마커(310)에 포함된 이미지(312)와 관련된 정보가 필요하기 때문이다.According to an embodiment, the
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라 결상부(330)가 2개의 결상소자(334, 1234)를 포함하는 옵티컬 트래킹 시스템(300)의 블록도이다. 일 실시예에 따르면, 결상소자(334, 1234)들은 각기 다른 위치에서 마커(310) 혹은 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 결상할 수 있다. 이러한 정보는 프로세서(370)로 전달되고, 프로세서(370)는 전달된 이미지로부터 얻은 정보에 기초한 삼각법을 통해 마커(310)의 위치를 결정할 수 있다.27 is a block diagram of an
또 다른 실시예에 따르면, 프로세서(370)는 앞서 설명된 마커(310)의 자세를 결정하는 방법과 유사하게 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점들의 마커(310) 상에서의 좌표 및 두 결상소자(334, 1234)에서 결상된 이미지들로부터 검출된 복수의 특징점의 좌표들 간의 관계식에 기초하여, 마커(310)의 위치를 결정할 수 있다. 이에 관한 구체적인 설명은 한국 특허 출원 제10-2014-0065178호에 개시되어 있으며, 본 출원은 이를 참조로서 포함한다.According to another embodiment, the
일 실시예에 따르면, 마커(310)의 자세 또한 두 개의 결상소자(334, 1234)에서 검출된 이미지에 기초하여 결정될 수 있다. 프로세서(370)는 두 개의 결상소자(334, 1234)에서 결상된 이미지들로부터 각각 서로 대응하는 2개 이상의 임의의 특징점의 좌표를 검출하고, 검출된 좌표와 미리 저장해 둔 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점의 좌표와의 관계식을 통해 마커(310)의 자세를 결정할 수 있다. 복수의 결상소자를 이용하여 검출된 특징점들의 좌표에 기초하여 마커(310)의 자세를 결정하면, 결정된 자세와 실제 마커(310)의 자세 간의 오차가 줄어들 수 있다. 이에 관한 구체적인 설명은 한국 특허 출원 제10-2014-0065178호에 개시되어 있으며, 본 출원은 이를 참조로서 포함한다.According to an embodiment, the pose of the
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마커(310)의Of
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서, 마커(310)의 자세를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 이하 도면을 참조하여 보다 구체적으로 마커(310)의 자세를 결정하는 방법이 설명된다. 먼저, 단계 S1310에서. 마커에 포함된 랜덤한 형상의 제1 이미지가 제1 렌즈를 통해 확대되어 전달될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 마커(310)에 포함된 랜덤한 형상의 이미지(312)가 렌즈(314)를 통해 확대되어 전달될 수 있다. 이미지(312)는 마커(310)에서 렌즈(314)의 초점이 맺히는 면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 이미지(312)는 사용될 렌즈(314)의 초점이 맺히는 위치에 따라, 렌즈(314)의 내부 또는 표면에 형성될 수 있고, 또는 렌즈(314)로부터 이격된 위치에 형성될 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 이미지(312)를 렌즈(314)를 통해 외부로 전달하기 위해, 옵티컬 트래킹 시스템(300)은 이미지(312)에 빛을 조사할 광원(350)을 더 포함할 수 있다. 광원(350)은 마커(310)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.28 is a flowchart illustrating a method of determining the pose of the
일 실시예에 따르면, 이미지(312)는 복수의 특징점을 포함할 수 있다. 복수의 특징점은 이미지(312)에 조사되는 빛을 반사 또는 투과시키는 물질로써 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 이미지(312)는 이미지(312)에 조사되는 빛에 대한 반사율이 서로 다른 2개 이상의 물질로써 형성될 수 있다. 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점은 서로 다른 2개 이상의 물질의 반사율의 차이를 이용하여 형성될 수 있다. 복수의 특징점은 반사율이 높은 물질로서 형성되어 이미지(312)에 조사된 빛을 반사시키거나, 또는 반사율이 낮은 물질로서 형성되어 이미지(312)에 조사된 빛을 투과시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이미지(312)는 랜덤한 형상 대신 미리 정해진 형상을 가질 수 있다.According to an embodiment, the
단계 S1310을 통해 이미지(312)가 마커(310) 외부로 전달되면, 단계 S1330에서, 제1 이미지가 제2 렌즈를 거친 후 제2 렌즈의 초점으로부터 이격된 위치에서 제2 이미지로 결상될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 이미지(312)가 렌즈(332)를 거친 후 렌즈(332)의 초점으로부터 이격된 위치에서 결상소자(334)에 의해 이미지로 결상될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 결상소자(334)는 렌즈(314) 및 렌즈(332)가 형성하는 무한 초점에 위치하여 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 결상할 수 있다. 결상소자(334)가 렌즈(314) 및 렌즈(332)가 형성하는 무한 초점에 위치함으로써, 결상부(330)는 움직이는 마커(310)에 포함된 이미지(312)를 결상할 때마다 초점을 맞출 필요가 없다. 따라서, 마커(310)의 움직임에 관계없이, 이미지(312)에 포함된 정보가 정확하고 신속하게 획득될 수 있다. 또한, 이와 같은 광학계를 사용할 경우, 결상부(330)는 이미지(312)를 확대하여 결상할 수 있으므로, 소형의 마커(310)를 사용하더라도 특징점의 정보를 획득하는 것이 용이하다. 결상부(330)에서 결상된 이미지 정보는 이후 프로세서(370)로 전달될 수 있다.When the
단계 S1330을 통해 결상부(330)에서 제1 이미지가 제2 이미지로 결상되면, 단계 S1350에서, 프로세서(370)는 제1 이미지와 관련된 제1 정보 및 제2 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 자세를 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 프로세서(370)는 이미지(312)와 관련된 제1 정보 및 결상부(330)에서 결상된 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 자세를 결정할 수 있다.When the first image is formed as a second image in the
도 29는 이미지(312)와 관련된 정보 및 이를 결상한 이미지와 관련된 정보에 기초하여 마커(310)의 자세를 결정하는 구체적인 방법을 나타낸다. 먼저, 프로세서(370)는, 단계 S1351에서, 제2 이미지로부터 2개 이상의 특징점의 좌표를 제2 정보로서 검출할 수 있다. 이후, 단계 S1352에서, 프로세서(370)는 미리 저장되어 있는 제1 이미지에 포함된 복수의 특징점 중에서, 제2 이미지로부터 검출된 2개 이상의 특징점에 대응하는 특징점의 좌표를 제1 정보로서 검출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(370)는 이미지(312)에 포함된 복수의 특징점의 좌표 중에서, 결상된 이미지로부터 검출된 특징점의 좌표에 대응하는 특징점의 좌표를 이미지(312)와 관련된 정보로서 검출할 수 있다.29 illustrates a specific method of determining the pose of the
이미지(312) 및 이를 결상부(330)에서 결상한 이미지로부터 각각 서로 대응되는 2개 이상의 임의의 특징점들의 좌표가 검출된 후, 단계 S1353에서 프로세서(370)는 제1 이미지와 관련된 제1 정보 및 제2 이미지와 관련된 제2 정보에 기초하여 자세를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(370)는 이미지(312) 및 이를 결상부(330)에서 결상한 이미지로부터 각각 추출된 서로 대응하는 2개 이상의 임의의 특징점들의 좌표들 간의 관계식에 기초하여 마커(310)의 자세를 결정할 수 있다.After the coordinates of two or more arbitrary feature points respectively corresponding to each other are detected from the
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서, 마커(310)의 위치를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 먼저, 단계 S1510 에서, 서로 다른 두 위치에서 마커에 포함된 랜덤한 형상의 제1 이미지가 결상될 수 있다. 예를 들어, 도 27을 참조하면, 결상소자들(334, 1234)은 서로 다른 위치에서 이미지(312)를 각각 결상할 수 있다. 이후 서로 다른 위치에서 각각 결상된 이미지 정보는 프로세서(370)로 전달되고, 단계 S1530에서 프로세서(370)는 각각 결상된 2개의 이미지에 기초한 삼각법을 통해 마커가 부착된 대상의 위치를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이미지(312) 대신 마커(310) 자체를 결상한 이미지에 관한 정보에 기초한 삼각법이 이용될 수 있다.30 is a flowchart illustrating a method of determining the position of the
일 실시예에 따르면, 마커(310)는 목적물에 교환 가능한 형태로 적어도 1개가 부착될 수 있다. 마커(310)의 트래킹 범위 또는 각도를 넓히기 위해서 2개 혹은 3개 이상 마커가 목적물에 부착될 수 있다. 수술 로봇과 같이 트래킹해야 할 목적물이 많은 경우에는 복수의 마커가 사용될 수 있다. 복수의 마커를 사용하는 옵티컬 트래킹 시스템의 경우에는 마커들 간의 구별이 필요하다. 일 실시예에 따르면, 마커마다 고유한 랜덤한 형상의 이미지를 갖도록 함으로써 마커들 간을 구별할 수 있다.According to one embodiment, at least one
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마커(310)에On the
본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 트래킹 시스템(300)에서, 이미지(312)는 복수의 특징점을 포함할 수 있으며, 프로세서(370)는 결상부(330)에서 이미지(312)를 결상한 이미지로부터 임의의 2개 이상의 특징점을 검출할 수 있다. 이하에서는 마커(310)에 이와 같은 이미지(312)를 형성할 수 있는 방법이 설명된다.In the
일 실시예에 따르면, 도 31에 도시된 바와 같이, 스프레잉 기법을 이용하여 랜덤한 형상의 이미지(312)가 마커(310)에 형성될 수 있다. 여기서 마커(310)는 볼렌즈(1610) 자체일 수 있고, 이 경우 볼렌즈(1610)의 표면에 이미지(312)가 형성될 수 있다.According to one embodiment, as shown in FIG. 31, a randomly shaped
일 실시예에 따르면, 볼렌즈(1610) 표면에 볼렌즈(1610)에 조사되는 빛에 대한 반사율이 높은 물질을 스프레이(1630)를 통해 뿌림으로써, 볼렌즈(1610) 표면에 랜덤한 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이는 물질의 입자성을 이용한 것으로서, 볼렌즈(1610) 표면에 단순히 반사율이 높은 물질을 스프레이(1630)로 뿌리는 것만으로 랜덤한 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이때 반사율이 높은 입자가 증착된 영역들(1612, 1614, 1616, 1618)이 특징점이 될 수 있다.According to one embodiment, by spraying a
또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈(1610) 표면에 볼렌즈(1610)에 입사되는 빛에 대한 반사율이 낮아 그 빛을 투과시키는 성질이 강한 물질을 스프레이(1630)로 뿌림으로써, 볼렌즈(1610) 표면에 랜덤한 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이 경우에는 반사율이 낮은 물질(즉, 투과율이 높은 물질)이 증착된 영역들(1612, 1614, 1616, 1618)이 특징점이 될 수 있다.According to another embodiment, the
또 다른 실시예에 따르면, 볼렌즈(1610) 표면에 볼렌즈(1610)에 입사되는 빛에 대한 반사율이 높은 물질을 스프레이(1630)를 통해 뿌리고, 건조 및 증착 과정을 거친 후 반대로 반사율이 낮은 물질을 스프레이(1630)를 통해 뿌림으로써, 랜덤한 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이 역시 물질의 입자성을 이용한 이미지 형성 방법으로서, 반사율이 높은 물질이 증착된 영역들 또는 반사율이 낮은 물질이 증착된 영역들이 특징점(1612, 1614, 1616, 1618)이 될 수 있다. 반사율이 낮은 물질을 먼저 스프레이(1630)로 뿌린 후, 반사율이 높은 물질을 스프레이(1630)로 뿌릴 수 있다. 반사율이 다른 물질을 동시에 사용할 경우, 이들 물질 간의 반사율의 차이를 이용함으로써 결상부(330)에서 결상된 이미지에 포함된 특징점들에 대한 인식률이 높아질 수 있다.According to another embodiment, a material having a high reflectance for light incident on the
일 실시예에 따르면, 스프레이(1630)로 뿌리게 될 물질의 입자의 크기는 마커(310)에 뿌려졌을 때 특징점들이 충분히 형성될 수 있을 정도로 작으며, 마커(310)의 크기에 따라 비례적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 마커(310)가 크면 좀 더 큰 입자가 사용될 수 있고, 마커(310)가 작으면 좀 더 작은 크기의 입자가 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 렌즈(314)는 마커(310)에 형성된 이미지(312)를 확대하여 외부로 전달할 수 있는 렌즈면 어떠한 것이든 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 31의 예와 같이 볼렌즈가 사용될 수 있으며, 특히 굴절률이 2인 볼렌즈를 이용하여 렌즈(314)의 표면에 이미지(312)가 형성된 마커(310)가 구현될 수 있다.According to one embodiment, the size of the particles of material to be sprayed with the
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 먼저, 단계 S1710에서, 렌즈를 포함하는 마커가 준비될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 렌즈(314)를 포함하는 마커(310)가 준비될 수 있다. 일 실시예에 따라 이미지(312)가 렌즈(314)에 형성될 경우, 렌즈(314) 자체가 마커(310)가 될 수 있다. 이미지(312)가 렌즈(314)와 이격되어 형성될 경우, 마커(310)는 렌즈(314) 외에도 이미지(312)가 형성될 면을 더 포함할 수 있다.32 is a flowchart illustrating a method of forming an
이후, 단계 S1730에서, 준비된 마커에 이미지가 형성될 수 있다. 단계 S1730에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 단계 S1750에서 제1 반사율을 갖는 물질로써 이미지(312)의 일부가 형성될 수 있다. 이때, 이미지(312)의 일부가 형성된 영역이 특징점이 될 수 있고, 반대로 제1 반사율을 갖는 물질이 입혀지지 않은 영역이 특징점이 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 반사율은 마커(310)에 조사되는 빛에 대한 반사율이 높아 조사되는 빛을 주로 반사시키는 물질일 수도 있고, 반대로 반사율이 낮아 조사되는 빛을 주로 투과시키는 물질일 수 있다.Thereafter, in step S1730, an image may be formed on the prepared marker. In more detail with reference to step S1730, a portion of the
단계 S1750으로도 마커(310)에 복수의 특징점을 갖는 랜덤한 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있으나, 단계 S1770에서 마커(310)에 제1 반사율과는 다른 제2 반사율의 물질로써 이미지(312)의 나머지가 더 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 반사율이 빛을 반사시킬 목적의 반사율이라면, 제2 반사율은 빛을 투과시킬 목적의 낮은 반사율이 될 수 있다. 반대로, 제1 반사율이 빛을 투과시킬 목적의 반사율이라면, 제2 반사율은 빛을 반사시킬 목적의 높은 반사율일 수 있다. 단계 S1750 및 S1770을 통해 반사율의 차이가 큰 두 물질을 이용하여 마커(310)에 이미지(312)를 형성함으로써, 결상된 이미지에 포함된 특징점들의 인식률이 더욱 높아질 수 있다.In operation S1750, an
일 실시예에 따르면, 마커(310)에 이미지(312)가 형성되는 면은 렌즈(314)의 초점이 맺히는 면일 수 있다.According to an embodiment, the surface on which the
일 실시예에 따르면, 단계 S1750 및/또는 단계 S1770에서 서로 다른 반사율을 갖는 물질로써 이미지(312)가 형성된 후, 사용한 물질 및 형성 방법에 맞게 건조 및/또는 증착 단계를 더 거칠 수 있다. 이하에서는 도 32을 참조하여 설명된 제조방법에 기초하여 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 다른 실시예들이 설명된다.According to one embodiment, after the
도 33은 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 프린팅(printing) 기법에 의해 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 모습을 나타낸다. 볼렌즈와 같은 마커(310)의 표면에 제1 반사율을 갖는 물질 또는 제2 반사율을 갖는 물질이 잉크젯 프린터 등을 이용하여 프린팅될 수 있다. 이와 같이 프린팅 방식을 이용한다면, 랜덤한 형상 또는 미리 정해진 형상의 이미지가 자유롭게 마커(310)의 표면에 형성될 수 있다.33 illustrates a method of forming an
도 34는 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 물질을 주사(injecting)하는 기법에 의해 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 모습을 나타낸다. 제1 반사율을 갖는 물질 또는 제2 반사율을 갖는 물질을 주사기 등에 채워둔 후, 주사바늘(1910)을 통해 이 물질들을 마커(310)의 표면에 주사함으로써, 마커(310)의 표면에 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이와 같은 주사 방식을 이용한다면, 마커(310)의 표면에 랜덤한 형상 또는 미리 정해진 형상을 나타내는 정교한 이미지가 형성될 수 있다. 또한, 주사 방식은 마커(310)의 크기가 작은 경우에 마커(310)의 표면에 이미지를 형성하기 적합한 방식이 될 수 있다.34 illustrates a method of forming an
도 35는 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 스텐실(stencil) 기법에 의해 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 모습을 나타낸다. 랜덤한 형상 또는 미리 정해진 형상을 갖는 스텐실용 틀(2010)을 마커(310)의 외형에 맞게 부착 가능하도록 미리 제작해 둔 후, 이를 마커(310)의 표면에 대고 그 위에 스프레이(2030) 등을 이용하여 제1 반사율을 갖는 물질 또는 제2 반사율을 갖는 물질을 입힘으로써, 원하는 이미지(312)가 마커(310)의 표면에 형성될 수 있다. 스텐실 기법은 동일한 이미지(312)를 연속적으로 마커(310)의 표면에 형성하기에 적합한 방식일 수 있다.FIG. 35 illustrates a method of forming the
도 36은 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 스탬핑(stamping) 기법에 의해 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 모습을 나타낸다. 연성 재질의 스탬프(2110)에 제1 반사율을 갖는 물질 또는 제2 반사율을 갖는 물질을 묻히고, 이를 마커(310)의 표면에 스탬핑함으로써, 입체적인 마커(310) 표면에 랜덤한 형상 또는 미리 정해진 형상의 이미지(312)가 형성될 수 있다. 이와 같은 스탬핑 방식으로 마커(310) 표면에 이미지(312)를 형성한다면, 한 번에 넓은 영역의 마커(310) 표면에 이미지(312)가 형성될 수 있다.FIG. 36 illustrates a method of forming the
도 37은 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 이미지(312) 및 렌즈(314)를 포함하는 마커(310) 자체가 3D 프린터(2210)를 이용해서 일체로서 형성되는 모습을 나타낸다. 3D 프린터(2210)를 이용한다면, 마커(310)의 형상, 이미지(312)의 형상 등이 자유롭게 표현될 수 있다. 또한, 마커(310) 상에 제1 반사율을 가진 물질 또는 제2 반사율을 가진 물질이 손쉽게 형성될 수 있다. 또한, 특별한 조립 과정 없이, 마커(310)나 렌즈(314) 내부에 이미지(312)가 형성될 수 있다.FIG. 37 illustrates a method of forming an
도 38 내지 도 40은 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 방법으로서, 리소그래피(lithography) 기법에 의해 마커(310)에 이미지(312)를 형성하는 모습을 나타낸다. 도 38에 도시된 바와 같이, 먼저 이미지(312)가 형성될 표면(2312)에 반사율 또는 투과율이 높은 물질(2314)이 증착될 수 있다. 이후, 도 39에 도시된 바와 같이, 이미지(312)가 형성되지 않을 위치(2316)에서 물질(2314)이 제거될 수 있다. 도 39까지의 과정만으로도 마커(310)에 트래킹을 위한 이미지(312)가 형성될 수 있다.38 to 40 illustrate a method of forming an
일 실시예에 따르면, 도 40에 도시된 바와 같이, 이미지(312)의 인식률을 높이기 위해 이미지(312)가 형성되지 않을 위치(2316)에 물질(2314)과는 다른 반사율 또는 투과율을 갖는 물질(2318)이 채워질 수 있다. 이와 같은 리소그래피 기법을 이용하면, 물질(2314)과 물질(2318)의 반사율 또는 투과율의 차이를 이용한 2개 이상의 특징점을 갖는 이미지(312)가 형성될 수 있다. 또한, 리소그래피 기법에 의하면, 매우 정교한 이미지(312)가 마커(310) 표면에 형성될 수 있다.According to an embodiment, as shown in FIG. 40, a material having a reflectance or transmittance different from that of the
본 발명은 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부한 청구 범위의 사항 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.While the invention has been described and illustrated by way of preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made therein without departing from the spirit and scope of the appended claims.
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