OpenCV 강좌, 카메라 왜곡 보정과 캘리브레이션

안녕하세요! 이번 강좌에서는 OpenCV를 활용하여 카메라 왜곡을 보정하는 방법과 카메라 캘리브레이션에 대해 자세히 알아보겠습니다. 컴퓨터 비전 분야에서 카메라 보정은 다양한 응용프로그램에서 중요한 역할을 합니다. 다채로운 이미지를 정확하게 처리하기 위해서는 왜곡된 이미지를 올바르게 보정할 필요가 있습니다. 그럼 이 과정을 시작해보겠습니다.

1. 카메라 왜곡 개념

카메라 왜곡은 물체의 이미지를 왜곡시키는 여러 요인으로 인해 발생합니다. 이 요인은 다음과 같습니다:

렌즈 왜곡: 주로 볼록 렌즈나 오목 렌즈의 사용으로 인해 발생합니다. 이러한 왜곡은 실물의 모양을 변형시키고, 이는 대칭적이지 않은 형태를 만들어냅니다.
소실점 효과: 이미지를 생성할 때, 다양한 각도와 거리에서 물체가 표현되기 때문에 소실점 효과가 발생할 수 있습니다.
카메라와 물체 간의 거리: 카메라가 물체와 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 왜곡 정도가 달라질 수 있습니다.

2. 카메라 왜곡 보정의 필요성

카메라 왜곡을 보정하는 것은 여러 가지 컴퓨터 비전 작업에서 필수적입니다. 이를 통해 우리가 바라는 이미지의 정확한 형태를 얻을 수 있습니다.

측정 정확도 향상: 왜곡이 있는 이미지를 사용하여 물체의 크기나 거리 등을 측정하기 어려울 수 있습니다. 보정을 통해 측정의 정확도를 높일 수 있습니다.
정확한 이미지 분석: 객체 인식, 이미지 스티칭, 3D 재구성 등에서는 왜곡된 이미지를 사용하면 결과에 영향을 줄 수 있습니다.
시각적 품질 향상: 특히 게임, 영화 제작 등의 분야에서는 시각적 품질이 중요합니다. 왜곡을 보정하여 보다 자연스럽고 매끄러운 이미지를 만들어낼 수 있습니다.

3. OpenCV를 이용한 카메라 캘리브레이션

카메라 캘리브레이션은 카메라의 내부 파라미터와 외부 파라미터를 계산하여 왜곡을 보정하는 과정입니다. OpenCV에서는 이 과정을 수행하기 위한 다양한 함수를 제공하고 있습니다.

3.1. 카메라 캘리브레이션을 위한 준비

먼저, 카메라 캘리브레이션을 위해 장치, 촬영할 이미지, 그리고 체스보드 패턴이 필요합니다. 체스보드 패턴은 코너 포인트를 찾는데 도움을 주며, 다음과 같은 규칙에 따라 만들어질 수 있습니다:

검정과 흰색이 번갈아 가며 배열된 정사각형으로 이루어져야 합니다.
정사각형의 크기는 일관되게 유지해야 하며, 각 정사각형의 크기는 캘리브레이션 후 조정할 파라미터를 위한 기준으로 사용됩니다.

3.2. 캘리브레이션 과정

체스보드 이미지를 여러 장 촬영합니다. 각 이미지는 서로 다른 각도와 위치에서 촬영해야 합니다.
촬영한 이미지를 통해 코너 포인트를 찾아냅니다.
찾은 코너 포인트를 이용해 카메라의 내부 및 외부 파라미터를 계산합니다.
계산된 파라미터를 사용하여 이미지 왜곡을 보정합니다.

3.3. OpenCV 코드 예제

아래는 Python과 OpenCV를 사용하여 카메라 캘리브레이션을 수행하는 간단한 예제 코드입니다.

import numpy as np
import cv2
import glob

# 체스보드 내의 정사각형 수
CHECKERBOARD = (7, 6)

# 3D 포인트와 2D 포인트 저장
objp = np.zeros((CHECKERBOARD[0] * CHECKERBOARD[1], 3), np.float32)
objp[:, :2] = np.mgrid[0:CHECKERBOARD[0], 0:CHECKERBOARD[1]].T.reshape(-1, 2)

# 3D 포인트 및 2D 포인트를 담을 리스트 설정
objpoints = []  # 3D 포인트
imgpoints = []  # 2D 포인트

# 이미지 파일을 찾는다
images = glob.glob('path/to/your/images/*.jpg')

# 각 이미지에 대해 반복
for fname in images:
    img = cv2.imread(fname)
    gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # 코너 찾기
    ret, corners = cv2.findChessboardCorners(gray, CHECKERBOARD, None)

    # 코너가 발견되었다면
    if ret:
        objpoints.append(objp)
        imgpoints.append(corners)

# 카메라 보정
ret, mtx, dist, rvecs, tvecs = cv2.calibrateCamera(objpoints, imgpoints, gray.shape[::-1], None, None)

# 보정된 이미지 저장하기
img = cv2.imread('path/to/your/test/image.jpg')
dst = cv2.undistort(img, mtx, dist, None, mtx)

cv2.imwrite('calibrated_image.jpg', dst)

print("카메라 보정 완료! 보정된 이미지를 확인해주세요.")

4. 카메라 왜곡 보정 결과 확인하기

위의 코드에서 우리는 카메라 모델(mtx)과 왜곡 계수(dist)를 구한 후, cv2.undistort() 함수를 사용하여 원본 이미지를 보정했습니다. 보정 작업이 완료되면, 결과 이미지를 확인하여 왜곡이 얼마나 잘 보정되었는지 살펴보십시오. 또한, 왜곡이 있는 원본 이미지와 비교하여 어떤 변화가 있었는지를 확인하는 것이 좋습니다.

4.1. 왜곡 전후 이미지 비교

아래는 왜곡 전후 이미지를 비교하는 방법을 나타내는 코드입니다.

import matplotlib.pyplot as plt

# 이미지를 표시합니다
original_image = cv2.imread('path/to/your/test/image.jpg')
calibrated_image = cv2.imread('calibrated_image.jpg')

# 이미지를 표시
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.title('Before Correction')
plt.imshow(cv2.cvtColor(original_image, cv2.COLOR_BGR2RGB))

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.title('After Correction')
plt.imshow(cv2.cvtColor(calibrated_image, cv2.COLOR_BGR2RGB))

plt.show()

5. 결론

이번 강좌를 통해 OpenCV를 사용하여 카메라 왜곡 보정과 캘리브레이션의 기본 개념과 방법을 익히셨기를 바랍니다. 카메라 캘리브레이션은 실제 컴퓨터 비전 프로젝트에서 매우 중요한 절차이며, 왜곡이 없는 정확한 이미지를 얻기 위해 필수적입니다.

OpenCV는 이 과정을 간편하게 수행할 수 있는 훌륭한 도구입니다. 앞으로도 OpenCV를 활용하여 다양한 컴퓨터 비전 응용 프로그램을 개발하시기 바랍니다. 질문이 있으시면 댓글로 남겨주세요!