Stereo mini 카메라용 광학 필터#
구체적으로 다양한 필터 타입의 광학적 특성을 조사하고, 적절한 광학 필터를 사용하여 까다로운 조명 조건에서 카메라 성능을 최적화합니다. 향상된 Image Quality는 Test Images에서 확인할 수 있습니다.
소개#
Stereo mini 카메라의 성능은 스테레오 이미지 쌍의 Quality와 직결됩니다. 따라서 특정 시나리오에서는 추가 광학 부품을 사용하여 스테레오 카메라의 이미징 Quality를 향상시키고, 결과적으로 깊이 인식 성능을 개선하는 것이 유리합니다. 이 문서에서는 적절히 적용할 경우 심각한 이미징 문제를 방지할 수 있으며 일반적으로 합리적인 비용으로 구할 수 있는 광학 필터에 초점을 맞춥니다.
광학 필터란 무엇인가요?#
광학 필터는 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과시키거나 차단하도록 설계된 광학 부품입니다. 일반적으로 특정 소재로 제작되거나 필름이 코팅되어 원하는 광학적 Property를 달성하며, 즉 광학 시스템에서 빛의 전파를 제어하는 데 사용됩니다.
광학 필터의 종류#
중성 밀도 필터#
이 필터들은 입사광의 강도를 줄이도록 설계되었습니다. 이 필터링 동작은 비선택적이어서 모든 파장의 빛의 강도를 동일하게 줄이므로, 빛의 스펙트럼 분포에 영향을 주지 않고 투과된 빛의 강도를 감소시킵니다. 사진 분야에서는 고동적 범위(HDR) 이미지의 포화를 방지하기 위해 주로 사용됩니다. 레이저 응용 분야에서는 레이저 출력을 제어하는 데 주로 사용됩니다.
광대역 필터#
이 필터들은 특정 파장 대역의 빛은 선택적으로 투과시키고 다른 파장은 차단합니다. 단파장 통과, 대역 통과, 장파장 통과 필터로 분류되며, 각각 특정 파장 범위는 통과시키고 나머지는 감쇠시킵니다. 관심 있는 스펙트럼에 걸쳐 원하는 투과 특성에 따라 다양한 대역 통과 필터가 선택됩니다. 다음 다이어그램은 다양한 유형의 대역 통과 필터의 스펙트럼 분포 곡선을 보여줍니다.
대역 통과 필터#
이 필터는 통과 대역 외의 파장을 감쇠시키면서 통과할 특정 파장 대역을 선택합니다. 다음 이미지는 그 예를 보여줍니다.
단파장 통과 필터#
이 필터는 선택된 파장보다 짧은 빛은 통과시키고 그 파장보다 긴 빛은 차단합니다. 다음 이미지에서 볼 수 있듯이 일반적인 예로는 가시광선 통과 필터가 있습니다.
장파장 통과 필터#
이 필터는 선택한 값보다 긴 파장의 빛은 통과시키고, 선택한 값보다 짧은 파장의 빛은 차단합니다. 대표적인 예로 가시광선이 차단되는 IR pass filter가 있습니다. 다음 이미지는 그 예시를 보여줍니다.
대역 차단 필터#
이 필터는 특정 파장대의 빛만 차단하며 본질적으로 대역 통과 필터(bandpass filter)의 반대 역할을 합니다. 특정 파장의 빛을 제거하는 데 주로 사용되며 형광 현미경 이미징 같은 과학 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.
편광 필터#
이러한 유형의 필터는 입사광의 편광 상태를 조절하는 데 사용됩니다. 일반적인 편광 유형에는 선형 편광, 원형 편광, 타원 편광이 있습니다. 이 필터는 레이저 편광 이미징, 액정 디스플레이, 선글라스 등의 응용 분야에 사용됩니다.
Stereo mini 카메라의 과제#
주변광에 대한 민감도#
스테레오 비전은 일반적으로 주변광과 함께 한 쌍의 이미지를 캡처합니다. 그러나 좌우 카메라 간의 광량 및 입사광 각도 차이로 인해 스테레오 이미지 쌍의 좌우 이미지 간에 상당한 밝기 차이가 발생할 수 있으며, 이는 알고리즘 매칭 효율의 급격한 저하로 이어집니다.
단조롭고 텍스처가 없는 장면에서의 저조한 성능#
스테레오 비전은 이미지 매칭을 위해 시각적 특징에 의존합니다. 따라서 하늘이나 흰 벽과 같이 시각적 특징이 부족한 장면은 매칭에 어려움을 초래하여 심각한 매칭 실패나 오류로 이어질 수 있습니다. 레이저 스페클 투정을 추가하면 텍스처가 부족한 장면의 특징을 강화할 수 있습니다. 그러나 특정 상황에서는 주변광이 레이저 스페클의 대비를 낮추거나 그레이스케일 정보를 모호하게 만들 수 있습니다.
필터 사용#
주변광 필터링#
실내 장면의 주변광 대부분은 가시광선으로 구성되며, 스펙트럼은 400~600 nm 범위에 집중되어 있습니다. Stereo mini 카메라의 경우 밝기가 높거나 반사율이 높은 물체가 있는 영역은 과도한 주변광으로 인해 잘못된 깊이 계산을 초래할 수 있습니다. IR pass filter를 추가하면 주변광으로 인한 과다 노출 영역을 효과적으로 억제하여 깊이 계산의 정확도를 보장할 수 있습니다. 다음 이미지는 IR pass filter 추가 전후의 비교를 보여줍니다. 필터를 추가함으로써 바닥의 뎁스 성능이 크게 향상되었습니다.
스펙클 신호 대 잡음비(SNR) 향상#
Stereo mini 카메라에서 레이저 스페클의 신호 대 잡음비(SNR)는 Quality에 큰 영향을 미칩니다. 주변광은 레이저 스페클에 배경 노이즈를 유발하여 SNR을 저하시키거나 심지어 스페클 밝기를 가리게 됩니다. 가시광선을 제거하기 위해 IR pass filter를 추가하면 특히 텍스처가 부족한 장면에서 스페클 SNR이 효과적으로 향상되어 Quality가 향상됩니다. 다음 이미지는 IR pass filter 추가 전후의 비교를 보여줍니다. 필터를 추가함으로써 전선관과 카트의 뎁스 성능이 크게 향상되었습니다.
