KR100255500B1

KR100255500B1 - 3차원 물체의 색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법

Info

Publication number: KR100255500B1
Application number: KR1019970025146A
Authority: KR
Inventors: 이성덕; 김창용
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2000-05-01
Also published as: KR19990001721A

Abstract

본 발명은 두 물체간 혹은 한 물체 내에서 표면색의 균일도 또는 색일치 정도를 물체의 형상과 조명색에 독립적으로 파악할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 3차원 물체가 갖는 분광 반사도를 기술하는 가중치를 보다 정확히 구한 후, 3차원 물체 형상에 독립적인 색도 공간으로 변환하여 다양한 광원하에서 색일치를 판단하는 방법을 사용함으로써, 3차원 물체의 색인식 및 제품의 표면색을 정밀하게 관리 및 색조절을 해야하는 곳에 쉽게 적용할 수 있도록, 측정대상의 물체(10)에 순차적으로 조사하기 위한 분광 특성이 다른 두 개의 조명(E1, E2)과 ; 상기 두 개의 조명(E1, E2)을 일정시간 동안 교번적으로 온/오프시키는 조명 제어부(20) ; 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 만들어지는 분광 색신호를 집속하고, 분광응답 특성에 따라 전기적인 신호(RGB)를 출력하는 센서 감지부(30) ; 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 이용하여 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행하는 색 변환부(40) ; 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하고, 3차원 물체의 색을 인식 또는 평가하는 마이콤(50) 및 ; 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어 신호를 받아 상기 색 변환부(40)에서 변환된 색좌표계(xy)를 디스플레이하는 디스플레이부(60)를 포함하여 구성한 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 물체의 색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법

본 발명은 두 물체간 혹은 한 물체 내에서 표면색의 균일도 또는 색일치 정도를 물체의 형상과 조명색에 독립적으로 파악할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 3차원 물체가 갖는 분광 반사도를 기술하는 가중치를 보다 정확히 구한후, 3차원 물체 형상에 독립적인 색도공간으로 변환하여 다양한 광원하에서 색일치를 판단하는 방법을 사용함으로써, 3차원 물체의 색인식 및 제품의 표면색을 정밀하게 관리 및 색조절을 해야하는 곳에 쉽게 적용할 수 있도록 한, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 2차원 평면에서 표면색에 대한 정의와 사용은 측색계(Colorimetry) 분야에서 폭넓게 발전되어 왔으나, 극히 제한된 환경하에서만 이용 가능하며, 보다 일반적이고 현실적인 3차원 물체 즉, 곡면과 불규칙적인 형상을 갖는 물체에 대해서는 여러 요인들 즉, 광원의 세기, 물체 거리, 광원과 물체의 표면법선 간의 각도, 카메라 각도, 조리개 개폐정도, 물질의 매질특성(albedo) 등에 의해 두 물체 또는 한 물체 내에서 위치에 따른 색일치(color matching) 정도 및 색균일도를 판별하는 데에는 어려움이 많았다.

국제 조명 위원회(CIE) 권고 색좌표계(XYZ) 또는 장치의 색신호(RGB) 등의 3자극치(tristimulus value)를 기본으로 하는 색공간의 경우, 동일한 표면색(surface color)이 칠해진 물체라 하더라도, 상기 요인들에 의해 절대 휘도량이 변하므로 카메라의 출력값은 물체의 위치마다 다르게 나타난다.

그러나 이들 값들의 실제 표면색들은 서로 같으며, 따라서 3차원 물체의 측정에 대한 결과도 동일하게 나타나야 한다.

그리고, 색신호(RGB) 혹은 색좌표계(XYZ)와 같은 3자극치(tristimulus value)를 기본으로 하는 색공간의 경우, 색온도(color temperature) 또는 분광 파워 분포(Spectral Power Distribution 이하 SPD 라 칭함)가 다른 광원이 물체에 조사되는 경우 동일해 보이던 표면색이 달라보이는 조건등색(metamerism) 현상이 발생하며, 3차원 물체의 측정 및 색조절(color control)을 위해서는 이러한 문제들도 해결되어야 한다.

종래의 물체에 대한 색측정 및 색일치(color matching) 여부를 판별하기 위하여 널리 사용되었던 방법으로 대표적인 것은 분광방사메터(spectroradiometer)와 같은 계측기가 있다.

분광방사메터(Opto Research MSR-7000 Manual)의 경우 정의된 조명하에 주어진 물체 영역에서 회절격자를 이용하여 조명과 반사도의 합성 성분인 분광 색신호(Spectral Color Signal)를 출력한다.

컴퓨터를 이용하여 분광 색신호(Spectral Color Signal)로부터 사용된 조명의 분광 파워(Spectral Power) 성분을 제거하면 매우 정확한 물체의 분광 반사도를 얻는 것이 가능하지만, 한번에 근거리에서 평면에 가까운 작은 영역 하나만을 측정할 수 있으므로 시간적, 공간적 측면에서 제약이 따르며, 측정대상 물체 상태가 평면이 아닌 물체에서 측정 영역이 커질수록 또는 곡면도가 크거나 불규칙성이 클수록 정확성이 떨어지고, 가격이 매우 비싼 단점이 있다.

측색기(Colorimeter)의 경우, 조명에 종속적 색좌표계인 국제조명위원회(CIE) 권고 색좌표계(xyY)를 사용하므로, 조명에 종속적인 결과를 산출하여 측정조명 이외의 환경에서 호환성이 떨어지며, 역시 분광방사메터(spectroradiometer)의 시간적, 공간적인 단점을 모두 갖고 있다.

최근 물체의 측정을 위한 공간적인 측면을 고려하여 카메라(Camera)와 같은 2차원 센서 어레이(sensor array)를 이용하여 3차원 물체에서 표면색의 분광 반사도를 복원하는 종래 방법들이 있으며, 대표적인 것이 완델(Wandell)등의 미국 특허 제 4648051호(USP No. 4,648,051[JOSA A3(1);29-33, 1986])로서 분광 감도가 다른 다수의 센서와, 표면에 의해 반사된 빛을 해석하기 위하여 프로그램된 컴퓨터를 포함하는 시스템을 고안하였다.

여기서, 하나의 조명만을 사용하여 조명 정보가 주어질 때 물체가 갖는 분광 반사도를 유한차원 선형모델(Finite-Dimensional Linear Model)을 이용하여 근사적으로 구하였다.

그러나, 분광 반사도를 표현하는 기저 함수(Basis Function)의 가중치 차원이 센서 차원(예를 들어 RGB 센서의 경우 센서 차원은 3)이상이 될 수 없으므로, 정확도가 높은 물체 반사도를 기술하기 위해서는 센서 차원 즉, 분광 감도가 다른 센서의 종류를 늘려야 하는 단점이 나타난다.

또한, 분광 반사도 정보의 사용은 한 픽셀(pixel)당 31(10nm, 400-700nm) 이상의 데이터를 사용해야 하므로 시스템의 복잡도를 증가시키고, 센서 응답 특성과 조명의 분광 특성의 개입으로 인해 분광 반사도에서의 오차와, 색좌표계(XYZ)와 같은 3자극치(tristimulus value)에서의 오차는 일치하지 않을 수 있으므로, 두 색간의 색일치(color matching) 정도를 판별할 수 있는 값이 되지 못한다.

또한, 색좌표계(XYZ)와 같은 3자극치(tristimulus value) 계열은 광원에 종속적인 색공간이므로 조건등색(metamerism) 현상이 발생하여 다른 조명에서의 색일치(color matching)를 추정하기 어려운 단점을 가지고 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제 문제점을 해소시키기 위하여 창안된 것으로, 3차원 물체가 갖는 분광 반사도를 기술하는 가중치를 보다 정확히 구한 후, 3차원 물체 형상에 독립적인 색도공간으로 변환하여 다양한 광원하에서 색일치를 판단하는 방법을 사용함으로써, 3차원 물체의 색인식 및 제품의 표면색을 정밀하게 관리 및 색조절을 해야하는 곳에 쉽게 적용할 수 있도록 한, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 하나의 조명을 사용하고, 대신에 두 개의 서로 다른 분광 투과도를 갖는 필터를 사용하여 두 개의 조명이 갖는 효과를 갖도록 한 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치 및 판단 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 제 1 목적을 위해서, 물체 표면색의 정확도를 향상시키기 위해 분광분포가 서로 다른 두 개의 정의된 조명을 이용하여, 순차적으로 촬영된 3차원 물체 정보가 투영된 2차원 화상들로부터 각각의 색신호(RGB) 정보를 구하고, 두 색신호(RGB) 쌍을 이용하여 물체의 분광 반사도를 기술하는 6차원 기저 함수(Basis Function)의 가중치를 구하며, 간편한 색일치(color matching) 정도의 판별을 위해 기저 함수(Basis Function)의 가중치를 이용하여 다수의 각기 다른 조명하에서의 색도 정보를 생성하여 색일치(color matching) 및 색조절 파라메터로 사용하였다.

제1도는 본 발명에 의한 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치에 대한 블럭 구성도.

제2도는 제1도의 색 변환부에 대한 상세 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 조명의 분광 파워 분포 예시도.

제4도는 본 발명에 따른 전하결합소자 센서 어레이의 분광 응답 특성 예시도.

제5도는 본 발명에 따른 물체의 분광반사 예시도.

제6도는 본 발명에 따른 3차원 물체의 예시도.

제7도는 조명벡터 대 표면법선벡터의 위상도.

제8도는 색도공간에서 조명별 다크 스킨 칼라의 위치 예시도.

제9도는 본 발명에 의한 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치의 다른 실시예시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 물체 20 : 조명 제어부

30 : 센서 감지부 40 : 색 변환부

50 : 마이콤 60 : 디스플레이부

25 : 필터 제어부 27 : 필터

41 : RGB 신호 래치 및 분배기 42 : RW 행렬 연산기

43 : 메모리 44 : WX 연산기

45 : 2-D 변환기

상기한 바와 같은 제 1 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치는 제1도에 도시한 바와 같이, 측정대상의 물체(10)에 순차적으로 조사하기 위한 분광 특성이 다른 두 개의 조명(E1, E2)과 ; 상기 두개의 조명(E1, E2)을 일정시간 동안 교번적으로 온/오프시키는 조명 제어부(20) ; 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 만들어지는 분광 색신호를 집속하고, 분광응답 특성에 따라 전기적인 신호(RGB)를 출력하는 센서 감지부(30) ; 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 이용하여 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행하는 색 변환부(40) ; 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하고, 3차원 물체의 색을 인식 또는 평가하는 마이콤(50) 및 ; 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어 신호를 받아 상기 색 변환부(40)에서 변환된 색좌표계(xy)를 디스플레이하는 디스플레이부(60)를 포함하여 구성함을 특징으로 한다

상기의 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치는 제9도에 도시한 바와 같이, 조명(E1)으로부터 측정대상의 물체(10)에 조사된 분광을 필터링하는 분광 투과도가 다른 두 개의 필터(27)와 ; 상기 두 개의 필터(27)를 일정시간 동안 교번적으로 온/오프 작동시키는 필터 제어부(25) ; 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 만들어지는 분광 색신호를 집속하고, 분광응답 특성에 따라 전기적인 신호(RGB)를 출력하는 센서 감지부(30) ; 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 이용하여 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행하는 색 변환부(40) ; 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하고, 3차원 물체의 색을 인식 또는 평가하는 마이콤(50) 및, 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어 신호를 받아 상기 색 변환부(40)에서 변환된 색좌표계(xy)를 디스플레이하는 디스플레이부(60)를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 색 변환부(40)는 제2도에 도시한 바와 같이, 두 개의 조명(E1, E2)이 순차적으로 조사되었을 때 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 동시에 사용하기 위하여 RGB1 신호를 래치한 후, RGB2 신호의 입력시 두 신호(RGB1, RGB2)를 동시에 출력시키는 RGB 신호 래치 및 분배기(41)와 ; 상기 RGB 신호 래치 및 분배기(41)로부터 입력된 신호(RGB1, RGB2)를 기저함수의 가중치(Wj)로 변환시켜주는 RW 행렬 연산기(42) ; 연산에 필요한 행렬 계수를 제공하기 위하여 저장하는 메모리(43) ; 상기 RW 행렬 연산기(42)로부터 변환된 가중치(Wj)를 3개의 서로 다른 광원하의 3차원 색신호(XYZ) 값으로 변환시키는 WX 연산기(44) 및 ; 상기 WX 연산기(44)로부터 변환된 3차원 색신호(XYZ)를 2차원 색신호(xy)로 투영시켜, 서로 다른 광원하에서의 물체에 대한 색값을 출력하는 2-D 변환기(45)를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

본 발명의 제 1 목적에 따른 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치의 작동 원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 분광 특성이 다른 두 개의 조명(E1, E2)이 측정대상의 물체(10)에 순차적으로 조사되면 분광 색신호(spectral color signal)가 만들어지며, 이 신호는 카메라와 센서 감지부(30)에 집속된다.

세개의 분광 응답 특성을 갖는 상기 센서 감지부(30)는, 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 조사되는 빛을 입력받아서 전기적인 세개의 색신호(RGB)를 출력한다.

한편, 조명 제어부(20)는 마이콤(50)으로부터 출력되는 제어신호(CNT1)를 받아서 상기 두개의 조명(E1, E2)을 일정시간 동안 교번적으로 온/오프시킨다.

상기 두 개의 조명(E1, E2)을 순차적으로 온/오프 작동시키기 위하여 제어신호(CNT1)를 출력하는 마이콤(50)은, 제어신호(CNT1)와 연동하여 색 변환부(40)로 또다른 제어신호(CNT2)를 출력시킨다.

상기 제어신호(CNT2)가 입력된 색 변환부(40)는, 두 개의 조명(E1, E2)으로 부터 조사된 후 센서 감지부(30)를 통하여 출력되는 두개의 신호(RGB)를 이용함으로써, 색 변환부(40)에서는 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행한다.

상기 색 변환부(40)의 RGB 신호 래치 및 분배기(41)는 제2도에 도시한 바와 같이, 두 개의 조명(E1, E2)이 순차적으로 조사되었을 때 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호 즉, 제 1 조명(E1)이 턴-온되고 제 2 조명(E2)이 턴-오프시 출력되는 제 1 신호(RGB1)와, 반대로 제 1 조명(El)이 턴-오프되고 제 2 조명(E2)이 턴-온시 출력되는 제 2 신호(RGB2)를 동시에 사용하기 위하여 먼저 제 1신호(RGB1)를 래치한 후, 제 2 신호(RGB2)가 상기 RGB 신호 래치 및 분배기(41)에 입력되었을 때 두 신호(RGB1, RGB2)를 동시에 RW 행렬 연산기(42)로 출력시킨다.

이때, 상기 RGB 신호 래치 및 분배기(41)의 래치 및 출력은 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어신호(CNT2)의 제어를 받는다.

상기 RW 행렬 연산기(42)는 메모리(43)로부터 6 ×6 행렬계수를 버스 라인을 통하여 다운로드(download) 받아서 6개의 입력신호인 제 1 신호(RGB1)와 제 2 신호(RGB2)를 기저 함수(Basis Function)의 가중치(Wj, 여기서 j=1~6)로 변환시켜 준다.

상기와 같이 RW 행렬 연산기(42)로부터 변환되어 출력된 가중치(Wj)는, 메모리(43)에 저장된 6×3 행렬계수 3쌍을 버스라인을 통하여 WX 연산기(44)의 3개의 WX 연산기(44A-44C)에 각각 제공받아 3개의 서로 다른 광원하에서의 색좌표계(XYZ) 값으로 변환된다.

상기 WX 연산기(44)로부터 변환된 3차원 색좌표계(XYZ)는, 3개의 2-D 변환기(45A - 45C)를 통하여 2차원 색좌표계(xy)로 투영됨으로써, 서로 다른 광원하에서의 물체에 대한 색값들 즉, 세 개의 xy신호(xy_a, xy_b, xy_c)를 출력시킨다.

따라서, 상기 색 변환부(40)의 2-D 변환기(45)로부터 변환되어 출력되는 세개의 xy신호(xy_a, xy_b, xy_c)는, 디스플레이부(60)를 통하여 그 값들이 표시된다.

또한, 상기 마이콤(50)을 통하여 각각의 광원하에서 미리 계산된 물체의 기준 색값과, 측정을 통해 얻은 색값간의 색차(color tolerance)를 자동적으로 체크하며, 그 결과는 상기 마이콤(50)으로부터 출력되는 제어신호(CNT5)를 통하여 3차원 물체의 색인식 및 평가가 이루어지므로서, 표면색 도장 시스템 또는 컨베이어 벨트에서 표면색의 질을 평가하여 불량품을 가려낼 수 있다.

본 발명의 제 2 목적은, 하나의 조명을 사용하고, 대신에 두 개의 서로 다른 분광 투과도를 갖는 필터를 사용하여 두 개의 조명이 갖는 효과를 갖도록 한 것으로서, 이의 상세한 설명은 아래와 같다.

측정대상의 물체(10)에 조명(E1)이 조사되면, 분광 투과도가 다른 두 개의 필터(27)는, 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 조사되는 빛을 필터링하여 분광 색신호(spectral color signal)를 만들며, 이 신호는 카메라와 센서 감지부(30)에 집속된다.

세개의 분광 응답 특성을 갖는 상기 센서 감지부(30)는, 상기 필터(27)를 통하여 필터링된 빛을 입력받아서 전기적인 세개의 색신호(RGB)를 출력한다.

한편, 필터 제어부(25)는 마이콤(50)으로부터 출력되는 제어신호(CNT1)를 받아서 상기 두개의 필터(27)을 일정시간 동알 교번적으로 온/오프 동작시킨다.

상기 두 개의 필터(27)를 순차적으로 온/오프 동작시키기 위하여 제어신호(CNT1)를 출력하는 마이콤(50)은, 상기 제어신호(CNT1)와 연동되어 색변환부(40)로 또다른 제어신호(CNT2)를 출력시킨다.

상기와 같이 제어신호(CNT2)가 입력된 색 변환부(40)는, 두 개의 필터(27)로 부터 필터링된 후 센서 감지부(30)를 통하여 출력되는 두개의 신호(RGB)를 이용하여, 색신호 변환을 수행하여 2차원 색좌표계(xy)로 투영시킴으로써, 서로 다른 광원하에서의 물체에 대한 색값들 즉, 세 개의 2차원 색좌표계(xy) 신호(xy_a, xy_b, xy_c )를 출력시킨다.

따라서, 상기 색 변환부(40)로부터 변환되어 출력되는 세 개의 xy신호(xy_a, xy_b, xy_c)는, 디스플레이부(60)를 통하여 그 값들이 표시된다.

이하에서 본 발명에 대해 일실시예를 들어 설명한다.

제3도에 도시한 바와 같은 광원의 분광 파워 분포(SPD)를 E(λ)라 하고, 제4도에 도시한 바와 같은 센서 감지부(30)의 센서 어레이의 분광 응답 특성(Spectral Sensitivity)을 γ_k(λ)라 할 때, 제5도에 도시한 바와 같은 임의의 분광 반사도가 S(λ)인 평면 물체의 센서 어레이 출력 색신호(RGB)는 다음 식 1 과 같다.

[식 1]

그러나, 물체가 제6도에 도시한 바와 같이 3차원일 경우, 2차원 물체와는 다른 해석이 나타난다.

물체에 대한 조명의 방향 벡터(illuminant direction vector)를 “p”라 하고, 물체의 표면 법선 벡터(surface normal vector)를 “n”이라 할 때, 상기 식 1 은 다음 식 2 와 같이 쓸 수 있다.

[식 2]

따라서, 제7도에 도시한 바와 같이 조명의 방향 벡터(p)는 일정하다(Orthographic condition)고 할 때, 3차원 물체의 경우 위치에 따른 표면 법선 벡터(n)가 변하므로, 조명 벡터와 물체의 표면 법선 간의 각도에 따른 빛의 세기(intensity)가 달라지게 된다.

[식 3]

상기 식 2 에서와 같이 색신호(RGB)는 동일한 표면색에서 물체 표면의 위치에 따른 상대적인 값을 나타내며, 물체 고유의 색을 나타내는 분광 반사도 조차 표면 법선 벡터를 나타내는 물체의 형상과 조명 방향을 모를 경우, 물체 위치에 따른 변수(n · p)의 영향을 받게 되어 상대적인 분광 분포만을 얻을 수 있다.

[식 4]

물체의 색상(hue)과 채도(chroma)를 정의하는 xy 색공간 즉, 색도(chromaticity)를 도입하면, 다음 식 5 와 같다.

[식 5]

(n · p)항이 삭제되면, 3차원 물체에 대한 색값이 2차원 물체에 대한 색 정의와 같아진다.

따라서, 상기 식 5를 이용하면, 3차원 물체의 표면색 정의를 물체 형상에 무관하게 정의할 수 있다.

기존의 색신호(RGB) 혹은 색좌표계(XYZ) 색값들은 광원에 종속적인 색좌표계들로서 분광 분포(Spectral Distribution)가 서로 다른 광원하의 색좌표계(XYZ)로 변환시 변환 오차가 크게 나타난다.

이러한 문제는 색신호(RGB) 혹은 색좌표계(XYZ)와 같은 3자극치(tristimulus value)를 유한차원 선형모델(finite - dimensional linear model)을 이용하여 복원할 수 있다.

유한차원 선형모델의 기본 원리는 다음 식 6 과 같다.

[식 6]

여기서, B(λ)는 기저 함수(Basis Function)이고, W_j는 가중치로서 스칼라(scalar) 값이며, 분광 반사도는 몇 개의 기저 함수( B(λ))와 가중치(W_j)의 곱의 합으로서 표현 가능하다.

그리고, m은 기저 함수(Basis Function)의 차원을 나타내며, 상기 기저 함수(Basis Function)의 차원(m)이 클수록 정확도가 향상된다.

상기 식 6 을 첫 번째 식 1 에 대입하면 다음 식 7 과 같다.

[식 7]

색신호(RGB)와 분광 반사도 기술 가중치(W_j) 간의 전달 함수(Λ)의 역함수를 구하면, 색신호(RGB)로부터 분광 반사도를 기술할 수 있는 가중치(W_j)를 구할 수 있다.

여기서, 상기 기저 함수의 차원(m)이 3보다 큰 경우(m > 3), 전달 함수(Λ)의 역함수는 부정(underdetermined)이 되어 수많은 해를 갖게 된다.

따라서, 분광 반사도를 기술할 수 있는 기저 함수의 차원(m)은 3이상을 사용할 수 없으며, 결과적으로 복원된 분광 반사도는 정확도가 떨어지게 된다.

그러나, 또다른 조명을 도입할 경우, 기저 함수의 차원(m)을 6으로 높일 수 있으며, 분광 반사도의 복원 정확도 역시 향상시킬 수 있다.

그리고, 두 개의 조명을 사용함으로써, 색좌표(XYZ) 기초 색처리시 조명으로 인한 조건등색(Metamerism) 문제도 해결할 수 있다.

[식 8]

첫 번째 식 1 에서 분광 응답 특성(Spectral Sensitivity)을 시감 특성인 국제 조명 위원회(CIE) 권고 색일치(color matching) 함수(x(λ)) y(λ) z(λ))로 바꾸면, 가중치(W_j)는 표준 색공간과의 변환이 가능해진다.

[식 9]

상기 식 9 에서 두 개의 행렬은 하나의 6×6 행렬로 표현이 가능하며, 상기 식 9 를 다섯번째 식 5 와 결합하면, 센서 어레이(sensor array) 출력인 색신호(RGB) 정보로부터 광원에 독립적이고, 물체의 형상에 독립적인 xy 정보를 얻을 수 있으며, 조명의 조건등색 현상을 방지하기 위하여 최소한 3종류의 서로 분광 특성이 다른 조명의 xy 값들을 사용한다.

표 1 은 조명이 하나일때와 두 개일때 기준색값과 실제색값 간의 오차를 비교한 결과를 보여준다.

조명이 두 개일때의 결과가 하나일때보다 기타 광원에서 훨씬 좋을뿐만 아니라 더구나 최대 오차 측면에서 안정성을 가지고 있다.

표준 조명 A, D50, D75 3개를 각각 다크 스킨(dark skin) 색으로 균일하게 채색된 물체 표면을 조사할 경우, 색도공간에서 물체색의 이상적인 색좌표는 제8도에 도시한 바와 같이 나타난다.

만약, 측정된 물체색을 색변환하여 3개의 색도위치(xy)를 얻었을 때, 이들 중 어느 하나라도 이상적인 색도 위치로부터 크게 이탈된다면, 그 물체의 표면색은 원래 의도한 색이 아님이 판명된다.

이는 분광 반사도 오차나, 색좌표계(XYZ) 오차를 분석하는 것보다 훨씬 쉽고 정확한 방법이다.

상기 세가지 광원하에서 물체의 기준 표면색에 대한 색도값을 각각 xy_A, xy_D50, xy_D75 라 하고, 임의의 물체의 표면색에 대하여 상기 세가지 광원으로 실제 측정을 통해 계산한 색도값을 xy_a, xy_d50, xy_d75 라 할 때, 두 색간의 색일치(color matching) 조건문은 다음 식 10 과 같다.

[식 10]

즉, 만약 에러의 한계치(Tolerance)가 제 1, 2 에러값(Err_1, Err_2)보다 크거나 같고, 제 3 에러값(Err_3)보다 큰 경우 두 색간의 표면색은 일치하고, 그렇지 않은 경우 두 색간의 표면색은 일치하지 않는다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 3차원 물체가 갖는 분광 반사도를 기술하는 가중치를 보다 정확히 구한 후, 3차원 물체 형상에 독립적인 색도 공간으로 변환하여 다양한 광원하에서 색일치를 판단하는 방법을 사용함으로써 정확도를 향상시키고 가격을 절감시킬 수 있으며, 적용시 공간적인 제약이 따르지 않으므로 3차원 물체의 색인식 및 제품의 표면색을 정밀하게 관리 및 색조절을 해야 하는 곳에 쉽게 적용시킬 수 있다.

Claims

측정대상의 물체(10)에 순차적으로 조사하기 위한 분광 특성이 다른 두 개의 조명(E1, E2)과 ; 상기 두 개의 조명(E1, E2)을 일정시간 동안 교번적으로 온/오프시키는 조명 제어부(20) ; 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 만들어지는 분광 색신호를 집속하고, 분광응답 특성에 따라 전기적인 신호(RGB)를 출력하는 센서 감지부(30) ; 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 이용하여 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행하는 색 변환부(40) ; 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하고, 3차원 물체의 색을 인식 또는 평가하는 마이콤(50) 및 ; 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어 신호를 받아 상기 색 변환부(40)에서 변환된 색좌표계(xy)를 디스플레이하는 디스플레이부(60)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치.
제1항에 있어서, 상기 색 변환부(40)는, 두 개의 조명(E1, E2)이 순차적으로 조사되었을 때 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 동시에 사용하기 위하여 RGB1 신호를 래치한 후, RGB2 신호의 입력시 두 신호(RGB1, RGB2)를 동시에 출력시키는 RGB 신호 래치 및 분배기(41)와 ; 상기 RGB 신호 래치 및 분배기(41)로부터 입력된 신호(RGB1, RGB2)를 기저 함수의 가중치(Wj)로 변환시켜주는 RW 행렬 연산기(42) ; 연산에 필요한 행렬 계수를 제공하기 위하여 저장하는 메모리(43) ; 상기 RW 행렬 연산기(42)로부터 변환된 가중치(Wj)를 3개의 서로 다른 광원하의 3차원 색신호(XYZ) 값으로 변환시키는 WX 연산기(44) 및 ; 상기 WX 연산기(44)로부터 변환된 3차원 색신호(XYZ)를 2차원 색신호(xy)로 투영시켜, 서로 다른 광원하에서의 물체에 대한 색값을 출력하는 2-D 변환기(45)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단장치.
조명(E1)으로부터 측정대상의 물체(10)에 조사된 분광을 필터링하는 분광투과도가 다른 두 개의 필터(27)와 ; 상기 두 개의 필터(27)를 일정시간 동안 교번적으로 온/오프 작동시키는 필터 제어부(25) ; 상기 측정대상의 물체(10)로 부터 만들어지는 분광 색신호를 집속하고, 분광응답 특성에 따라 전기적인 신호(RGB)를 출력하는 센서 감지부(30) ; 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 이용하여 다양한 광원하에서 형상에 불변하는 색좌표계(xy)로 색신호 변환을 수행하는 색 변환부(40) ; 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하고, 3차원 물체의 색을 인식 또는 평가하는 마이콤(50) 및 ; 상기 마이콤(50)으로부터 출력된 제어 신호를 받아 상기 색 변환부(40)에서 변환된 색좌표계(xy)를 디스플레이하는 디스플레이부(60)를 포함하여 이루어지는 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치.
제3항에 있어서, 상기 색 변환부(40)는, 두 개의 조명(E1, E2)이 순차적으로 조사되었을 때 상기 센서 감지부(30)로부터 출력되는 전기적인 신호(RGB)를 동시에 사용하기 위하여 RGB1 신호를 래치한 후, RGB2 신호의 입력시 두 신호(RGB1, RGB2)를 동시에 출력시키는 RGB 신호 래치 및 분배기(41)와 ; 상기 RGB 신호 래치 및 분배기(41)로부터 입력된 신호(RGB1, RGB2)를 기저 함수의 가중치(Wj)로 변환시켜주는 RW 행렬 연산기(42) ; 연산에 필요한 행렬 계수를 제공하기 위하여 저장하는 메모리(43) ; 상기 RW 행렬 연산기(42)로부터 변환된 가중치(Wj)를 3개의 서로 다른 광원하의 3차원 색신호(XYZ) 값으로 변환시키는 WX 연산기(44) 및 ; 상기 WX 연산기(44)로부터 변환된 3차원 색신호(XYZ)를 2차원 색신호(xy)로 투영시켜, 서로 다른 광원하에서의 물체에 대한 색값을 출력하는 2-D 변환기(45)를 포함하는 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 장치.
카메라와 같은 센서 어레이를 이용하여 3차원 물체의 표면색을 측정하여 색일치 여부를 판별하는 방법에 있어서, 분광 특성이 서로 다른 두 개의 조명을 순차적으로 교번하여 하나의 물체 표면색에 대해 두 종류의 3자극치를 만드는 과정과 ; 두 종류의 3자극치를 이용하여 물체 표면색이 갖는 분광 반사도를 기술하는 6차원 가중치를 구하는 과정 ; 상기 가중치를 분광 특성이 서로 다른 3쌍의 3자극치 공간(RGB 또는 XYZ)으로 변환하는 과정 ; 이들 3쌍의 3자극치를 xy 색도와 같이 색상과 채도를 표현하는 2차원 색공간으로 변환하는 과정 및 ; 3개의 광원하에서 물체 표면색의 색일치 정도를 판별하는 과정을 포함하여 이루어지는, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 방법.
제5항에 있어서, 상기 두 종류의 3자극치를 이용하여 물체 표면색이 갖는 분광 반사도를 기술하는 6차원 가중치를 구하는 과정은 다음 식을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 방법.
제5항에 있어서, 상기 가중치를 분광 특성이 서로 다른 3쌍의 3자극치 공간(RGB 또는 XYZ)으로 변환하는 과정은 다음 식을 포함하여 이루어짐을 특징으로, 하는 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 방법.
제5항에 있어서, 상기 3쌍의 3자극치를 xy 색도와 같이 색상과 채도를 표현하는 2차원 색공간으로 변환하는 과정은 다음 식을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 방법.
하나의 광원과, 상기 광원에 대해 서로 다른 분광 투과도를 갖는 두 개의 필터를 사용하여, 상기 두 개의 필터를 일정시간동안 교번으로 온/오프시켜 하나의 물체 표면색에 대해 두 종류의 3자극치를 만드는 과정과; 상기 두 종류의 3자극치를 이용하여 물체 표면색이 갖는 분광 반사도를 기술하는 6차원 가중치를 구하는 과정; 상기 가중치를 분광 특성이 서로 다른 3쌍의 3자극치 공간으로 변환하는 과정; 상기 변환된 색공간 좌표로부터 물체 표면색의 색일치 정도를 판별하는 과정으로 이루어진 3차원 물체의 표면색 측정 및 색일치 판단 방법.