KR100371897B1 - 3차원 영상측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 영상 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서 본 발명의 구성은 측정 대상물에 패턴을 투영하는 투영수단; 상기 투영 수단의 전면에 위치하여 일측 단부가 가이드 되어있는 패턴 필름; 상기 투영 수단의 전면 상단에 위치하여 상기 패턴 필름의 이송위치를 감지하기 위한 포토센서; 상기 포토센서의 감응을 차단하는 포토센서 감응 차단부와 상기 포토센서를 감응하는 포토센서 감응부가 상기 패턴 필름에 일정 간격으로 이격되어 배열되어 있으며, 상기 포토센서에 의해서 소정 장치의 상단에 상기 패턴 필름이 결합되어 있으며, 상기 투영 수단에서 조사되는 광원이 투과될 수 있도록 상기 패턴 필름을 상기 투영수단에 대하여 좌우로 이송시키는 모터; 및 상기 모터의 동작에 의하여 상기 패턴 필름의 종단부까지 이송되었음을 확인한 후, 상기 패턴 필름의 이송을 중단시키기 위해 상기 투영수단의 좌우에 일정간격으로 이격되어 위치한 리미트 스위치를 포함한다.

본 발명에 따르면, 종래 기술인 LCD 방식의 패턴 투영장치는 고가의 LCD 의 정해진 해상도가 있어 해상도 조절이 자유롭지 못하고, LCD 프로젝터 같은 경우 전기적 신호로 인해 투영된 영상이 떨려 노이즈가 있는 영상을 얻게 되므로 이를 보정하기 위해 측정시간이 많이 걸리는 반면, 본 발명을 적용하여 3차원 측정을 수행하면, 패턴 필름을 사용하므로 깨끗한 패턴의 영상을 얻을 수 있어 그 3차원 데이터도 정밀하게 얻을 수 있고, 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 기존의 모든 비접촉식 3차원 측정 분야에서 사용되는 프로젝터에서의 핵심 구성요소로 이용될 수 있고, 측정시간을 상당히 단축시킴으로 정지된 대상뿐만 아니라 움직이는 대상(예: 사람의 얼굴, 동물, 인체 등)의 측정에 아주 적합한 장점이 있다.

Description

3차원 영상측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring three demensional image}

본 발명은 3차원 영상 측정 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 3차원의 영상을 측정하는데 있어서, 포토센서와 모터와 리미트 스위치를 이용하여 측정 대상물의 영상을 중간에 멈춤이 없이 신속하게 측정하여 오차가 상대적으로 적은 데이터를 획득할 수 있는 3차원 영상측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

3차원 측정에 있어서 보편적으로 사용되는 알고리즘은 도 1과 같다.

제어부(14)에 의해 제어되는 투영 수단(12)을 통해 일련의 패턴을 측정 대상물(11)에 투영하고 그 영상을 촬영 수단(13)인 CCD카메라를 통해서 획득하고, 획득한 영상을 연산부(15)에서 조합하여 3차원 데이터를 얻어낸다.

상기 투영 수단(12)은 주로 LCD프로젝터나 슬라이드 프로젝터와 동일한 원리를 이용한 방식(이하 '프로젝터식'이라 함)을 사용하여 일련의 패턴을 투영하게 되는데, 프로젝터식에서 주로 이용되는 내부 이송 장치는 이송식과 회전식이 있다. 상기 이송식은 3차원 측정용 프로젝터에 있어서 스텝 모터(step motor)를 이용하여 패턴이 새겨진 패턴 필름(또는 유리, 이하 '필름'이라 함)을 상하 또는 좌우로 이송하는 방법을 주로 사용한다.

상기 LCD 방식의 패턴 투영장치는 고가의 LCD 의 정해진 해상도가 있어 해상도 조절이 자유롭지 못하고, LCD 프로젝터 같은 경우 전기적 신호로 인해 투영된영상이 떨려 노이즈가 있는 영상을 얻게 되는 반면, 본 발명을 적용하여 3차원 측정을 수행하면, 패턴 필름을 사용하므로 깨끗한 패턴의 영상을 얻을 수 있어 그 3차원 데이터도 정밀하게 얻을 수 있고, 비용이 절감되는 효과가 있다.

상기 회전식은 회전할 수 있는 로터리 휠에 필름을 장착하고 회전의 중심에 광원(램프)을 고정하여 패턴을 투영하는 방법을 취하였으나, 패턴 필름이 곡면을 형성하므로 초점이 고르지 않게 되는 단점을 갖고 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 3차원의 영상을 측정하는데 있어서, 패턴 필름과 포토센서와 모터와 리미트 스위치를 이용하여 깨끗한 패턴의 영상을 얻을 수 있어 오차가 상대적으로 적은 데이터를 획득할 수 있는 3차원 영상측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

도 1은 3차원 측정 알고리즘을 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따라 구현된 3차원 영상측정 장치의 블록도,

도 3은 본 발명에서 사용된 패턴 필름의 예를 나타내는 예시도,

도 4는 본 발명에 따라 구현된 3차원 영상측정 장치의 평면도,

도 5는 본 발명에 따라 구현된 3차원 영상 측정 장치의 좌측면도,

도 6은 본 발명에 따라, 3차원 영상 측정 방법을 나타내는 순서도이다.

<도면의 주요부분의 부호의 설명>

11 : 측정 대상물 12 : 투영수단

13 : 촬영수단 14 : 제어부

15 : 연산부 21 : 패턴 필름

22 : 포토센서 감응 차단부 23 : 포토센서 감응부

24 : 패턴 32 : 타이밍 밸트

33 : 포토센서 34 : 램프 장치

35 : 패턴필름 지지부 36 : 모터

37 : 리미트 스위치 38 : 풀리 마운트

39 : 풀리 구동부

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명인 3차원 영상측정 장치는 측정 대상물을 촬영하는 촬영 수단을 구비한 3차원 영상측정 장치에 있어서, 상기 측정 대상물에 패턴을 투영하는 투영수단; 상기 투영 수단의 전면에 위치하여 일측 단부가 가이드 되어있는 패턴 필름; 상기 투영 수단의 전면 상단에 위치하여 상기 패턴 필름의 이송위치를 감지하기 위한 포토센서; 상기 포토센서의 감응을 차단하는 포토센서 감응 차단부와 상기 포토센서를 감응하는 포토센서 감응부가 상기 패턴 필름에일정 간격으로 이격되어 배열되어 있으며, 상기 포토센서에 의해서 소정 장치의 상단에 상기 패턴 필름이 결합되어 있으며, 상기 투영 수단에서 조사되는 광원이 투과될 수 있도록 상기 패턴 필름을 상기 투영수단에 대하여 좌우로 이송시키는 모터; 및 상기 모터의 동작에 의하여 상기 패턴 필름의 종단부까지 이송되었음을 확인한 후, 상기 패턴 필름의 이송을 중단시키기 위해 상기 투영수단의 좌우에 일정간격으로 이격되어 위치한 리미트 스위치를 포함한다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명인 3차원 영상측정 방법은 투영수단을 작동시켜 측정 대상물에 패턴을 투영한 후, 소정 모터를 이용하여 패턴 필름을 일정간격 한쪽 방향으로 평행하게 이동하는 단계; 상기 이동 후, 상기 패턴 필름의 위치를 포토센서에서 감지하여 촬영수단을 이용하여 상기 측정 대상물을 촬영하는 단계; 상기 촬영 후, 상기 패턴 필름이 한 쪽 끝까지 움직인 것으로 소정 장치에서 판단하였을 경우, 상기 소정 모터의 구동을 중단시켜 상기 패턴 필름의 이송을 중지하는 단계; 및 상기 중지 후, 상기 소정 모터를 역회전하여 상기 패턴필름을 초기위치로 이송하는 단계를 포함한다.

이하, 상기한 본 발명의 목적들, 특징들, 그리고 장점들을 첨부된 도면에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따라 구현된 3차원 영상측정 장치의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 측정 대상물(11)에 패턴을 투영하는 투영수단(12)과 패턴필름(21)을 이송하는 모터(36)와, 모터에 의해 이송되는 패턴 필름(21)의 위치를 인식하는 포토 센서(33)와, 포토 센서(33)에 의해 패턴 필름의 위치가 인식된 순간 촬영신호에 의해 패턴이 투영된 영상을 촬영하는 촬영수단(13)으로 구성되어 있는데, 이 과정은 패턴 필름의 이송이 끝날 때까지 제어부(14)에 의해 반복된다.

그리고, 모터(36)가 이송시키는 패턴 필름(21)의 이송이 끝나는 위치를 인식하는 리미트 스위치(limit switch)(37)와, 패턴 필름 장치(21, 35)와 모터(36)를 연결하는 타이밍 벨트(32)와, 상기 타이밍 벨트의 느슨한 성질을 보완한 스프링식 풀리 마운트(38)로 구성되어 있다.

상기 패턴 필름 장치(21, 35)는 타이밍 벨트(32)에 볼트로 결합되고, 도면에 도시되지 않았지만 메인 프레임에 고정된 LM가이드(linear motion guide)에서 왕복운동을 하는 블록(block)에 부착되어, 모터(36)의 구동에 따른 직선 왕복 운동을 한다.

이하, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명인 3차원 영상측정 장치의 동작 및 3차원 영상측정 방법에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에서 구현된 장치가 서로 연결되어 있는 구체적인 구성에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

측정 대상물에 패턴을 투영하는 투영수단(12)과 투영수단(12)의 전면에 위치하여 일측 단부가 가이드 되어있는 패턴 필름(21)과 투영 수단(12)의 전면 상단에 위치하여 패턴 필름(21)의 이송위치를 감지하기 위한 포토센서(33)가 있으며, 패턴필름(21)에는 포토센서(33)의 감응을 차단하는 포토센서 감응 차단부(22)와 포토센서(33)를 감응하는 포토센서 감응부(23)가 일정 간격으로 이격되어 배열되어 있으며, 타이밍 벨트의 상단에 패턴 필름(21)이 결합되어 있으며, 투영 수단에서 조사되는 광원이 투과될 수 있도록 패턴 필름(21)을 투영수단(12)에 대하여 좌우로 이송시키는 모터(36) 및 모터(26)의 동작에 의하여 패턴 필름(21)의 종단부까지 이송되었음을 확인한 후, 패턴 필름(21)의 이송을 중단시키기 위해 투영수단(12)의 좌우에 일정간격으로 이격되어 위치한 리미트 스위치(37)를 포함하여 구성되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 3차원 영상측정 장치를 이용한 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제어부(14)는 투영수단(12)에 신호를 보내 램프장치(34)를 작동시켜 측정 대상물에 패턴을 투영한다(단계 S10). 그리고, 모터(36)를 이용하여 패턴 필름(21)을 한쪽 끝 방향으로 평행하게 이동시키게 되는데(단계 S20), 도 2의 패턴 필름(21)이 이송될 때 도 4의 포토 센서(33)는 패턴 필름(21)이 어느 위치(n)에 도달했는지, 즉, 몇 번째 포토 센서 감응부(23)에 도달했는지를 정확히 인식해 제어부(14)로 전달하는 역할을 한다(단계 S30).

여기에서, 상기 모터(36)는 DC 모터를 포함하며, 포토 센서(33)는 일명, 포토 인터럽터라고도 불리는데, 트랜스밋 타입(transmit type)으로서 두 요소(발광부, 수광부) 사이에 차단막이 생기면 신호가 전달되지 않고, 차단막이 없을 때 신호가 전달되는 원리를 갖고 있다.

즉, 패턴 필름(21)면에 포토 센서 감응 차단부(22)를 검은색으로 인쇄하고 포토 센서 감응부(23)는 투명하게 하여, 패턴 필름(21)이 이송되면서 포토 센서(33)가 포토 센서 감응부(23)를 인식하면 제어부(14)로 신호를 보내고, 제어부(14)는 촬영수단(13)인 카메라가 그 순간의 이미지를 촬영하도록 신호를 보내게 된다(단계 S40).

그리고, 다음 위치(n+1)에 대하여도 상기의 동일한 과정을 반복한다(단계 S20 ~ S40). 마지막 위치에서는 패턴 필름(21)이 포토 센서의 감응부(23)를 지나치게 되므로 패턴 필름(21)을 정지시키게 하기 위해 접촉식 리미트 스위치(37)를 부착하는데, 리미트 스위치(37)는 본 발명에서 2개가 사용되는데 도 4에서 좌우에 각각 배치되어 있다.

한쪽 끝 방향으로 전진 이송되는 패턴 필름(21)이 마지막 위치를 지나쳐 종단부의 리미트 스위치(37)에 닿는 순간 '딸깍' 소리를 내면서 작동하여 제어부(14)로 신호를 보내고(단계 S50), 제어부(14)는 모터(36)의 구동을 중단시켜 패턴 필름(21)의 이송을 멈추게 한다(단계 S60). 그리고, 동일한 원리가 적용되어 제어부(14)는 모터(36)를 역회전시켜 패턴 필름(21)을 반대 방향으로 이송시켜 패턴 필름(21)이 초기위치에 있는 리미트 스위치(37)에 닿는 순간 정지하게 되어 전 과정을 마무리한다(단계 S70).

여기에서, 리미트 스위치(37)는 포토 센서로 대체되어 동일한 역할을 수행할수 있는데, 다시 말해, 앞에 물체가 있으면 작동하는 원리를 가지고 있으므로 필름이 마지막 위치에 왔을 때 그 순간 제어부(140)에 신호를 보내 이송을 정지시키도록 한다. 또한, 상기 리미트 스위치(37)나 포토 센서를 추가로 사용하지 않고, 패턴 필름을 이송할 때 마지막 포토 센서 감응부(23)가 지나는 순간을 인식해 그 순간 제어부(140)에 신호를 보내 이송을 정지시키도록 한다.

제어부(14)의 신호에 의해 모터(36)의 구동이 시작되고, 패턴 필름(21)이 이에 따라 이송되어 마지막 정지 위치까지 연속적으로 이송되고, 이러한 일련의 과정에서 포토 센서(33)의 패턴 필름 위치의 순간적인 포착(인식)과 촬영 수단(13)의 순간 촬영이 마지막 패턴까지 연속적으로 이루어진다.

그리고, 본 발명에서는 구동 방식으로 타이밍 벨트(32)를 사용하고 있다. 이 타이밍 벨트는 기존의 기어 방식(예:랙 앤드 피니언)에 비해 동력 전달이 부드럽고 본 발명에서 사용되는 모터(36)의 민첩한 구동으로 인해 발생된 순간 모멘트(회전력)를 완화시키므로 안정감이 있고 가격도 저렴하다.

또한, 타이밍 벨트(32)는 느슨한 성질로 인해 정확한 위치 제동이 어려운 단점이 있는데, 이를 해결하기 위하여 고정된 스프링식 풀리 마운트(38)와 이와는 분리되어 좌우로 움직일 수 있는 풀리 구동부(39)를 이용하였다. 도 4에서 우측으로 회전한 T자 모양이 풀리 마운트(38)인데, 스프링으로 감싸져 있다.

풀리 구동부(39)는 'ㄷ' 자 모양으로 되어 있고 벨트가 감긴 풀리가 회전 가능하게 고정되어 있는데, 풀리에 걸려 있는 타이밍 벨트(32)의 인장력과 스프링의탄성력이 힘의 균형을 이루어 타이밍 벨트가 팽팽하게 유지될 수 있게 하였다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래 기술인 LCD 프로젝터에서 전기적 신호로 인해 투영된 영상이 떨려 노이즈가 있는 영상을 얻게 되므로 이를 보정하기 위해 측정시간이 많이 걸리는 반면, 본 발명을 적용하여 3차원 측정을 수행하면, 패턴 필름을 사용하므로 깨끗한 패턴의 영상을 얻을 수 있어 그 3차원 데이터도 정밀하게 얻을 수 있고, 비용이 절감되는 효과가 있다

또한, 기존의 모든 비접촉식 3차원 측정 분야에서 사용되는 프로젝터에서의 핵심 구성요소로 이용될 수 있고, 측정시간을 상당히 단축시킴으로 정지된 대상뿐만 아니라 움직이는 대상(예: 사람의 얼굴, 동물, 인체 등)의 측정에 아주 적합한 장점이 있다.

Claims (7)

1. 측정 대상물을 촬영하는 촬영 수단을 구비한 3차원 영상측정 장치에 있어서,

   상기 측정 대상물에 패턴을 투영하는 투영수단;

   상기 투영 수단의 전면 상단에 위치하여 패턴 필름의 위치를 감지하기 위한 포토센서;

   상기 포토센서의 감응을 차단하는 포토센서 감응 차단부와 상기 포토센서를 감응하는 포토센서 감응부가 일정 간격으로 이격되어 배열되어 있으며, 상기 포토센서에 의해서 일측 단부가 가이드 되어있는 패턴 필름;

   소정 장치에 상기 패턴 필름이 결합되어 있으며, 상기 투영 수단에서 조사되는 광원이 투과될 수 있도록 상기 패턴 필름을 상기 투영수단에 대하여 좌우로 이송시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 소정 장치는

   상기 패턴 필름이 결합되어 있으며, 상기 모터에 한쪽 종단이 연결되어 있고 다른쪽 종단이 스프링식 풀리 마운트로 구성되어 있어서, 상기 패턴 필름을 좌우로 이송시키는 타이밍 벨트인 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 모터의 동작에 의하여 상기 패턴 필름의 종단부까지 이송되었음을 확인한 후, 상기 패턴 필름의 이송을 중단시키기 위해 포토 센서를 더 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 모터의 동작에 의하여 상기 패턴 필름의 종단부까지 이송되었음을 확인한 후, 상기 패턴 필름의 이송을 중단시키기 위해 상기 투영수단의 좌우에 일정간격으로 이격되어 위치한 리미트 스위치를 더 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 장치.
5. 투영수단을 작동시켜 측정 대상물에 패턴을 투영한 후, 소정 모터를 이용하여 패턴 필름을 일정간격 한쪽 방향으로 평행하게 이동하는 단계;

   상기 이동 후, 상기 패턴 필름의 위치를 포토센서에서 감지하여 촬영수단을 이용하여 상기 측정 대상물을 촬영하는 단계;

   상기 촬영 후, 상기 패턴 필름이 한쪽 끝까지 움직인 것으로 소정 장치에서 판단하였을 경우, 상기 소정 모터의 구동을 중단시켜 상기 패턴 필름의 이송을 중지하는 단계; 및

   상기 중지 후, 상기 소정 모터를 역회전하여 상기 패턴필름을 반대쪽으로 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 소정 모터는

   DC 모터인 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 소정 장치는

   리미트 스위치 또는 포토 센서 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 영상측정 방법.