KR100379948B1 - Three-Dimensional Shape Measuring Method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테레오 카메라를 이용한 3차원 형상 측정에 대한 것이다. 레이저 스트립 라인을 피 측정 물체에 조사하여 좌우 영상의 매칭을 용이하게 하며, 피 측정 물체는 스테핑 모터에 의해 360도 회전한다. 카메라로부터 피 측정 물체까지의 거리 정보에서 월드좌표를 구하고, 피 측정 물체의 회전각도 보상과 원점의 이동에 의하여 모델좌표를 구한다. 모델좌표의 위치정보로부터 면을 생성하고 각 면에 대한 속성을 구하여 모델테이블을 구축한다. 모델테이블은 DXF등의 데이터 파일로 변환하여 CAD 소프트웨어에서 사용할 수 있다. 본 발명은 비접촉식 측정방식의 3차원 측정방식으로 측정대상에 접촉되지 않고 측정이 가능하여 측정대상이 손상되지 않으며 또한 고온물체 등의 악조건에서도 측정이 가능하고 또한 포터블용으로도 사용이 용이하며, 저가의 비용으로 정밀도 높은 3차원을 측정을 할 수 있다.The present invention relates to three-dimensional shape measurement using a stereo camera. The laser strip line is irradiated onto the object to be measured to facilitate matching of left and right images, and the object to be measured is rotated 360 degrees by a stepping motor. The world coordinate is obtained from the distance information from the camera to the measured object, and the model coordinate is obtained by the rotation angle compensation and the movement of the origin of the measured object. A model table is constructed by creating faces from the positional information of model coordinates and obtaining attributes for each face. Model tables can be converted into data files such as DXF and used in CAD software. The present invention is a three-dimensional measuring method of a non-contact measuring method, it is possible to measure without contact with the measuring object is not damaged and also can be measured under adverse conditions such as high-temperature objects and also easy to use for portable, low cost High-precision three-dimensional measurement can be performed at the cost of

Description

3차원 형상 측정방법 {Three-Dimensional Shape Measuring Method}Three-Dimensional Shape Measuring Method

3차원 형상측정은 기존 접촉방식을 많이 이용한다. 이 방식은 측정할 물체를 일정 구획으로 나누고 일정한 순서에 따라 탐침을 접촉함으로서 측정 물체의 공간좌표를 입력한다. 그러나 이 방식은 입력하는 데 시간이 많이 소요되고 복잡한 형상의 입력이 어렵다. 다른 방식으로 모아레를 이용하는 방법은 모아레 패턴형성을 위한 작업공간이 많이 필요하여 소형의 포터블 스캐너 시스템에는 적합하지 않다. 레이저와 카메라 1대를 이용하는 방식은 공간상의 상대적인 위치만을 알 수 있으므로 형상의 모델 생성시에 컴퓨팅 코스트가 높다. 본 발명에서는 2대의 카메라를 사용하므로 기준 원점으로부터 절대좌표를 얻을 수가 있으며 형상의 모델생성이 용이하다.3D shape measurement uses many existing contact methods. This method inputs the spatial coordinates of a measuring object by dividing the object to be measured into sections and touching the probes in a certain order. However, this method is time-consuming to input and difficult to input complicated shapes. Alternative moiré methods are not suitable for small portable scanner systems because they require a lot of workspace for moiré patterning. Using a laser and one camera can only know the relative position in space, which leads to a high computing cost when generating a model of the shape. In the present invention, since two cameras are used, absolute coordinates can be obtained from a reference origin, and shape model generation is easy.

3차원 형상측정을 위해 2대의 카메라와 레이저를 이용하여 3차원 상의 거리를 측정하고 측정의 데이터로부터 피 측정 물체의 형상 모델을 생성하는 방법에 대한 것이다.For three-dimensional shape measurement, two cameras and a laser are used to measure the distance in the three-dimensional image and to generate a shape model of the object under measurement from the data of the measurement.

도 1은 3차원 형상의 측정원리 및 좌표시스템 상호간의 관계1 shows the relationship between measurement principle and coordinate system of three-dimensional shape

도 2는 패러렐 카메라 모델로 본 발명에서 사용하는 카메라 모델2 is a camera model used in the present invention as a parallel camera model

[도 1]은 본 발명의 3차원형상 측정원리 및 좌표계를 보인 것이다. 본 발명의 3차원 측정 방법은 다음과 같다. 피 측정 물체를 월드좌표 원점()으로부터위치에 위치시키고 피측정 물체를 스텝핑 모터의 구동에 의하여 360도 회전한다. 월드좌표의 원점에 레이저 라인 발생기를 피측정 물체표면에 수직방향으로 조사하고 월드좌표의 원점으로부터 좌우로 각각위치에 2대의 카메라를 위치한다. [도 2]는 2대의 카메라를 베이스 라인 위에 설치하여 피사체를 촬영하는 페러렐 모델을 보인 것이다. 왼쪽과 오른쪽 카메라에 각각 투영된 영상좌표는 카메라 영상 중심(Center)을 기준으로 한다.Figure 1 shows the three-dimensional shape measurement principle and coordinate system of the present invention. The three-dimensional measuring method of the present invention is as follows. Measure the object to the world coordinate origin ( From Position and rotate the object under test 360 degrees by the driving of the stepping motor. Irradiate the laser line generator to the origin of the world coordinates in the direction perpendicular to the surface of the object under test. Position two cameras in position. 2 shows a parallel model for photographing a subject by installing two cameras on a base line. The image coordinates projected on the left and right cameras respectively are the center of the camera image (Center ) Is based on.

[도 2]에서 월드좌표의 한 점에 있는 광은 왼쪽 카메라와 오른쪽 카메라영상좌표에 각각 투영된다. 투영되는 영상평면의 좌표는 투영변환(Perspective Transform)에 의하여 계산한다. 수식 (1)은 투영평면의 좌표를 계산한 것이다. 패러렐 카메라 모델은 수식 (1)에서 알 수 있는 바와 같이 수직축의 변위(Disparity)는으로 월드 좌표의 한 점은 투영평면의 같은 수직 축에 존재한다. 즉 대응되는 지점은 같은 수직 축에 존재함으로 대응되는 위치를 찾기가 다른 카메라 모델에 비하여 용이하다는 장점이 있다.One point of world coordinate in [Figure 2] The light on the left is the camera With right camera Projected onto the image coordinates respectively. The coordinates of the projected image plane are calculated by a perspective transform. Equation (1) calculates the coordinates of the projection plane. In parallel camera model, the vertical axis Disparity is Thus, a point in world coordinates exists on the same vertical axis of the projection plane. In other words, since the corresponding point exists on the same vertical axis, it is easier to find the corresponding position than other camera models.

수평축의 변위(: Disparity)는 (2)와 같이 거리에 반비례한다. 즉 영상의 좌표로부터를 구하면 측정대상의 거리를 계산할 수 있다. 측정 대상이 무한 거리에 존재하는 경우 변위는 영이 된다.Displacement of the horizontal axis ( Disparity is the distance as shown in (2) Inversely proportional to From the coordinates of the image If we find, distance of measurement object Can be calculated. Displacement if the measured object is at an infinite distance Becomes zero.

그러나 영상이 도립영상이고 베이스 라인 후방 위치에 있는 경우를 사용하여야 한다. 두 개의 카메라 영상의 대응점으로부터 월드좌표를 구하면 수식 (3)와 같다.However, if the image is inverted and located behind the baseline Should be used. World coordinates from the corresponding points of two camera images Is given by Equation (3).

월드좌표에 있는 물체의 이미지는 카메라의 렌즈에 의해 CCD Array 평면에 투영되고 CCD는 빛의 세기를 전기 신호로 변환한다. CCD-Array 평면에서 발생되는 전기신호는 이미지 그래버(Grabber)에 의해 이미지 평면으로 변환된다. 일반적으로 이미지 평면상의 좌표는 좌측 상단을 원점으로 하므로 이미지 평면의 좌표와 카메라 파라미터와의 관계는 수식(4)과 같다.The image of the object in world coordinates is determined by the lens of the camera Projected onto the CCD, the CCD converts the light intensity into an electrical signal. Electrical signals generated in the CCD-Array plane are transferred to the image plane by the image grabber. Is converted to. In general, the coordinate on the image plane is the origin of the upper left, so the coordinate on the image plane is The relationship between and the camera parameter is shown in Equation (4).

디지털 영상평면에서의 픽셀 변위( Disparity)와 영상평면의 변위 와의 관계는 (5)과 같다.The relationship between the pixel disparity in the digital image plane and the image plane displacement is shown in (5).

그러므로조건을 만족하여야 거리측정이 가능하며 이 조건은 월드좌표의 거리()에 따라 달라진다. 이를 심도분해능이라 하며 거리에 따른 측정 심도분해능은 (6)과 같다.therefore The distance can be measured only if the condition is met. This condition depends on the distance () of the world coordinate. This is called depth resolution, and the measured depth resolution with distance is as shown in (6).

피 측정 대상의 3차원 형상을 얻기 위해 카메라로부터 일정거리 위치에 피측정 대상을 360도 회전하면서 카메라로부터 물체까지의 월드좌표 거리를 측정한 후, 월드좌표를 물체의 내부를 원점으로 하는 모델좌표로 변환한다. 다음은 본 발명의 3차원 스캐닝 알고리즘의 원리 및 알고리즘을 설명한다.To obtain the three-dimensional shape of the object to be measured, measure the world coordinate distance from the camera to the object by rotating the object to be measured 360 degrees at a certain distance from the camera, and then convert the world coordinate to the model coordinate with the origin inside the object. Convert. The following describes the principle and algorithm of the three-dimensional scanning algorithm of the present invention.

3차원의 거리정보를 얻기 위해 피 측정 물체에 레이저 스트립 라인을 조사하고 좌우 카메라 영상으로부터 레이저 스트립 라인의 위치를 검색하여 검색된 위치의 좌우 변위를 추출함으로서 월드좌표의 정보를 얻게된다. 본 발명에서는 패러렐 모델을 사용하므로 수직축의 변위(Disparity)는으로 월드 좌표의 한 점은 투영평면의 같은 수직 축에 존재함으로 매칭을 위해 수직 축을 탐색하지 않고 같은수평의 에피폴라 라인만을 검색한다. 또한 패러렐 모델에서는 월드좌표에 있는 점이 왼쪽 카메라와 오른쪽 카메라에 투영될 때의 제한 조건을 만족한다. 매칭을 위한 검색조건에 이를 적용하면 탐색시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 매칭의 오류를 줄일 수 있다. 또한 측정 물체의 크기를 알고 있는 경우 검색 창의 크기는 더 제한 할 수가 있다. 피 측정 물체의 모델을 얻는 방법은 다음과 같다. 좌/우 카메라의 영상좌표를 월드좌표로 변환하여 피 측정 물체의 월드좌표를 구한다. 다음은 월드좌표로부터 모델좌표를 계산한다. 모델좌표의 원점은 피 측정 물체의 중심과 월드좌표의인 평면이 교차하는 부분으로 정한다. 피 측정물체가 회전하므로 모델좌표와 월드좌표와의 관계는 (7)와 같다. 즉 월드좌표를로 좌표이동하고 물체가 회전한 각도만큼 좌표를 보상한다.In order to obtain the three-dimensional distance information, the information of the world coordinate is obtained by irradiating the laser strip line on the object to be measured and extracting the left and right displacements of the retrieved position by searching the position of the laser strip line from the left and right camera images. In the present invention, since the parallel model is used, the disparity of the vertical axis is Since one point of world coordinates is on the same vertical axis of the projection plane, we search only the same horizontal epipolar line without searching the vertical axis for matching. Also in world model, world coordinate The point on the left camera With right camera When projected to Satisfies the constraints. Applying it to a search condition for matching not only saves search time, but also reduces matching errors. Also, if the size of the measurement object is known, the size of the search window can be further limited. The method of obtaining the model of the measured object is as follows. World coordinate of the measured object by converting the image coordinates of the left and right cameras into world coordinates Obtain Next is the world coordinate Model coordinates Calculate The origin of the model coordinate is the center of the measured object and the world coordinate It is decided to the part where the planes intersect. Since the measured object rotates, the relationship between the model coordinate and the world coordinate is as shown in (7). World coordinates Move the coordinates to and compensate the coordinates by the angle the object is rotated.

본 발명의 스캐닝 알고리즘은 피 측정 물체를 360도 회전하면서 물체의 3차원 모델을 획득한다. 다음은 3차원 스캐닝 알고리즘을 설명한다.The scanning algorithm of the present invention acquires a three-dimensional model of the object while rotating the object to be measured 360 degrees. The following describes the three-dimensional scanning algorithm.

단계 1: 레이저 라인 빔을 피측정 물체에 조사하고 패러렐 모델을 사용하여Step 1: Irradiate the laser line beam to the object under test and use the parallel model

좌측과 우측 영상을 획득한다.Acquire the left and right images.

단계 2: 좌측과 우측 영상의 에피폴라 라인에서 레이저 라인의 위치를 찾고Step 2: Find the position of the laser line in the epipolar line of the left and right images

매칭점을 찾는다. 매칭점은 영상계조의 상관도를 이용하거나 특징 정보Find the matching point. Matching point uses the correlation of image gradation or feature information

를 추출하여 사용할 수 있다.Can be extracted and used.

단계 3: 매칭점의 유효성을 검사하여 잘못된 매칭 값을 버리고 무효한 매칭 값은Step 3: Validate the matching point to discard the invalid match value and invalid match value

유효한 매칭 값 으로부터 보간법으로 산출한다. 유효성 여부는 물체의Calculate by interpolation from valid matching values. Validity of the object

예상 거리정보로 부터 판단한다.Judging from the estimated distance information.

단계 4: 수식 (4),(5),(9)를 사용하여 모델좌표를 계산하고 이웃하Step 4: Model Coordinates Using Equations (4), (5), (9) And calculate

는 모델좌표로부터 모델테이블을 작성한다. 모델테이블은 모델을 렌더Creates a model table from model coordinates. Model Table Renders a Model

링하기 위한 사각 형 면(facet) 대한 정보와 면의 속성 값을 갖는다.It contains information about the rectangular facet to ring and the attribute value of the face.

단계 5: 스텝핑 모터를 구동하여 피 측정 물체를 일정한 각도로 회전한다.Step 5: Drive the stepping motor to rotate the measuring object at an angle.

단계 6: 360도 스캐닝이 완료되면 모델테이블을 저장한 후 프로그램을 종료하고Step 6: After 360 degree scanning is complete, save the model table and exit the program.

그렇지 않으면 단계 1부터 반복한다.Otherwise repeat from step 1.

단계 2의 매칭 점의 위치는위치의 기준수평좌표의 위치로부터 최대 검색 윈도우크기() 내에서 찾는다. 왼쪽 영상은사이에서 검색하고 오른쪽 영상은사이에서 검색한다. 최대 검색윈도우의 크기는 측정하려고 하는 물체의 크기()에 따라 결정된다.은 모델좌표내의값의 최대 값으로부터 수식(8)을 이용하여 구한다.의 최대 값은 파라미터로 입력받는다.The location of the matching point in step 2 is Standard horizontal coordinate of position And Maximum search window size from Find within. The left video is Search in between Search between. The maximum search window size is the size of the object Is determined by). Silver model coordinates undergarment Maximum value of the value From Eq. (8). The maximum value of is given as a parameter.

단계 3의 유효성은 물체의 예상거리로부터 산출한다. 계산된 거리가를 만족하고, 상하 에피폴라 라인에서 구한 변위의 값과 많은 차이가 나지 않아야 한다. 또한 유효한값이 최소 크기 개수 이상이 되어야 한다. 필요한 거리 정보가 유실된 경우에는 상하방향의 에피폴라의 변위로 부터 일차원 인터폴레이션을 한다. 단계 4의 모델테이블은 하나의 면(facet)에 대한 위치 및 속성정보를 갖는다. 즉 면의 4개 꼭지점의 3차원 좌표와 속성으로서 면의 컬러 또는 영상계조 정보를 갖는다. 모델테이블은 이전 루프에서의 거리 테이블과 현재 루프의 거리테이블로부터 산출한다.The effectiveness of step 3 is calculated from the expected distance of the object. The calculated distance , And do not differ much from the displacement value obtained from the upper and lower epipolar lines. Also available The value must be greater than or equal to the minimum number of sizes. If the necessary distance information is lost, one-dimensional interpolation is performed from the displacement of the epipolar in the vertical direction. The model table of step 4 has position and attribute information for one facet. In other words, it has three-dimensional coordinates and attributes of four vertices of the face and the color or image gradation information of the face. The model table is calculated from the distance table in the previous loop and the distance table of the current loop.

본 발명은 비접촉식 측정방식의 3차원 측정장치로서 측정대상에 접촉되지 않고 측정이 가능하여 측정대상이 손상되지 않으며 또한 고온물체 등의 악조건에서도 측정이 가능하고 또한 포터블용으로도 사용이 용이하며, 저가의 비용으로 정밀도 높은 3차원을 측정을 할 수 있는 효과가 있다.The present invention is a three-dimensional measuring device of a non-contact measuring method, it is possible to measure without contact with the measurement object is not damaged and also can be measured under adverse conditions such as high-temperature objects and also easy to use for portable, low cost It is effective to measure 3D with high precision at cost.

Claims (1)

패러렐 스테레오 카메라와 레이저를 사용하여 거리를 측정하고 측정 물체의 형상 모델을 컴퓨터에 입력하는 방법에 있어서, 레이저 라인 빔을 피측정 물체에 조사하고 패러렐 모델을 사용하여 좌측과 우측 영상을 획득하는 제 1 단계와, 좌측과 우측 영상의 에피폴라 라인에서 특징 정보를 이용하여 레이저 라인의 위치를 찾고 매칭점을 구하는 제 2단계와, 매칭점의 유효성을 검사하여 잘못된 매칭 값을 버리고 무효한 매칭 값은 유효한 매칭 값으로부터 보간법으로 산출하는 제 3단계와, 수식 (4),(5),(9)를 사용하여 모델좌표를 계산하고 이웃하는 모델좌표로부터 사각형 면(facet) 대한 정보와 면의 속성 값을 갖는 모델테이블을 작성하는 제 4단계와, 스텝핑 모터를 구동하여 피 측정 물체를 일정한 각도로 회전하는 제 5단계와, 360도 스캐닝이 완료되면 모델테이블을 저장한 후 프로그램을 종료하고 그렇지 않으면 단계 1을 반복하는 제 6단계로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정방법.A method of measuring distance using a parallel stereo camera and a laser and inputting a shape model of a measuring object to a computer, the method comprising: irradiating a laser line beam to a measuring object and obtaining left and right images using the parallel model And a second step of finding the position of the laser line and finding the matching point using the feature information in the epipolar lines of the left and right images, and discarding the wrong matching value by validating the matching point. The third step of calculating the interpolation method from the matching values, calculates the model coordinates using equations (4), (5) and (9), and obtains information about the facet of the rectangle and the property values of the faces from the neighboring model coordinates. A fourth step of creating a model table having a step; a fifth step of driving a stepping motor to rotate the object to be measured at a predetermined angle; And a sixth step of terminating the program after storing the model table and repeating step 1 otherwise.
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