KR100419177B1 - 씨씨디카메라를이용한폭계에서의측정오차보상방법과그장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CCD 카메라를 이용한 폭계에서 불규칙한 측정거리의 변화로 인한 측정오차를 보상하여 정확한 측정이 가능하도록 하는 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법과 그 장치에 관한 것으로, CCD 카메라(2)의 양측에 설치된 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)를 사용하여 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)를 각각 측정하여 상기 측정물체(1)가 측정기준면에서 평행으로 이동하여 발생되는 측정오차를 보상하고, 상기 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)간의 거리(WS)와 상기 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)간의 관계로부터 상기 측정물체(1)가 측정기준면을 중심으로 회전이동하여 발생되는 측정오차를 보상하여, 보다 정확한 치수측정이 가능하기 때문에 정밀한 치수 측정에 아주 유용하게 활용될 수 있다.

Description

씨씨디 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법과 그 장치
본 발명은 CCD 카메라를 이용한 폭계에서 불규칙한 측정거리의 변화로 인한측정오차를 보상하여 정확한 측정이 가능하도록 하는 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법과 그 장치에 관한 것이다.
CCD 카메라를 이용한 폭계의 산업체에서의 응용분야는 매우 다양한데, 특히 재질의 치수측정이 중요한 변수로 작용하는 공정을 중심으로 많이 사용되고 있고, 철강관련 공정에서는 열연, 후판, 냉연공정에서의 슬라브와 스트립의 폭 계측에 많이 사용하고 있다. 그 외에도 치수측정이 중요한 소재산업에서 많이 사용하고 있다.
종래의 CCD 카메라를 이용한 폭계에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 하나의 CCD 카메라(2)를 이용하여 측정물체(1)의 화상정보로부터 측정물체(1)의 폭 W를 측정하게 되는데, 이 때 측정물체(1)는 선분를 지나는 기준면에 있는 것으로 가정하고 측정하게 된다.
그런데 만약 측정물체(1)가 선분를 지나는 기준면에서 벗어나서 선분를 지나는 면이나 선분를 지나는 면으로 평행이동하거나, 또는 측정물체(1)가 선분를 지나는 면이나 선분를 지나는 면으로 회전한 경우, 그리고 위의 두 경우가 중첩되어 있는 경우에는 측정물체의 폭 측정에 오차를 수반하게 된다.
기존 방법의 측정오차를 간단히 개념적으로 설명하면, 측정물체(1)가 측정 기준면에서 CCD 카메라(2) 방향으로 근접한 경우에는 측정값이 실제의 폭보다 크게 나타나고, 반대로 CCD 카메라(2)의 반대방향으로 이동한 경우에는 측정값이 실제의폭보다 작게 나타나게 된다. 그리고 측정물체가 회전하게 되면 이로 인해서 측정값이 실제폭보다 작게 나타나게 되는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 측정물체가 측정 기준면에서 벗어난 경우에 기존의 CCD 카메라를 이용한 폭계가 갖고 있는 측정오차를 자동으로 보상하여 정확한 폭 측정이 가능하도록 하는 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법과 그 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
도 1은 기존의 CCD 카메라를 이용한 폭계에 대한 개략적 구성도,
도 2는 본 발명에서의 CCD 카메라를 이용한 폭계에 대한 개략적 구성도,
도 3 및 도 4는 본 발명에서 CCD 카메라를 이용한 폭계의 측정거리 변화에 따른 오차 보상방법을 설명하기 위한 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 CCD 카메라를 이용한 폭계의 측정거리 변화에 따른 오차 보상방법에 대한 플로우차트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 측정물체 2 : CCD 카메라
3 : 제어장치 4 : 신호처리장치
5 : 컴퓨터 10, 11 : 비접촉식 레이저 거리측정센서
12 : 제어 및 출력장치 13 : 제어 및 전원공급장치
14 : 디지털 화상처리장치 15 : 마이크로프로세서
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법은, CCD 카메라(2)의 양측에 설치된 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)를 사용하여 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)를 각각 측정하여 상기 측정물체(1)가 측정기준면에서 평행으로 이동하여 발생되는 측정오차를 보상하고, 상기 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)간의 거리(WS)와 상기 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)간의 관계로부터 상기 측정물체(1)가 측정기준면을 중심으로 회전이동하여 발생되는 측정오차를 보상함을 특징으로 한다.
또한, 본발명의 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상장치는, CCD 카메라(2)를 사용하여 측정물체(1)의 폭을 측정장치에 있어서, 상기 CCD 카메라(2)의 양측에 설치된 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)와, 상기 각각의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)에 연결되는 제어 및 출력장치(12)와, 상기CCD 카메라(2)에 연결되는 제어 및 전원공급장치(13)와, 상기 제어 및 전원공급장치(13)에 연결되어 상기 CCD 카메라(2)로부터의 화상신호를 처리하는 디지털 화상처리장치(14)와, 상기 제어 및 출력장치(12)와 디지털 화상처리장치(14)에 연결되어 측정물체(1)의 폭에 대한 측정오차를 보상하는 마이크로프로세서(15)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
우선 CCD 카메라를 이용한 폭계의 불규칙한 측정거리에 따른 폭 측정상의 오차를 보상하기 위해서 제안한 폭 측정오차 보상장치에 대해 설명한다.
도 2에서 10, 11은 비접촉식 레이저 거리측정센서로서, 레이저를 발생시켜 측정물체(1)에 방사하고 측정물체(1)로부터 반사되어 돌아오는 레이저 신호를 검출하여 거리를 측정하는 센서이고, 이것은 CCD 카메라(2)의 전면으로부터 측정물체(1)까지의 거리를 측정하기 위한 것이다.
제어 및 출력장치(12)는 상기 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)를 제어하여 거리를 측정하고, 그 값을 출력하여 폭 계산용의 마이크로프로세서(15)와 인터페이스하기 위한 장치이다.
그리고, CCD 카메라(2)는 측정물체(1)의 화상정보를 얻기 위한 장치이고, 제어 및 전원공급장치(13)는 상기 CCD 카메라(2)의 전원을 안정적으로 공급하고, 이로부터 얻은 화상정보를 디지털 화상처리장치(14)로 중계하기 위한 것이다.
상기 디지털 화상처리장치(14)는 CCD 카메라(2)로부터 얻은 측정물체(1)의 디지털 화상정보를 이용하여 측정물체(1)의 경계를 추출하여 그때의 측정물체(1)의폭에 해당하는 화소(pixel)정보를 폭 계산용의 마이크로프로세서(15)에 전송한다.
그리고, 상기 폭 계산용의 마이크로프로세서(15)는 비접촉식 레이저 거리측정 센서(10)(11)와, 제어 및 출력장치(12)로 구성된 "레이저 거리측정장치"로부터 얻은 측정물체(1)에 대한 거리정보와, CCD 카메라(2), 제어 및 전원공급장치(13), 디지털 화상처리장치(14)로 구성된 "CCD 카메라를 이용한 화상처리장치"로부터 얻은 측정물체(1)의 폭에 대한 화소정보를 이용하여 측정물체(1)의 폭을 최종적으로 계산한다.
이하에서는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상장치를 사용하여 폭 측정오차를 보상하는 방법에 대하여 살펴보기 전에, CCD 카메라(2), 제어 및 전원공급장치(13), 디지털 화상처리장치(14)로 구성된 "CCD 카메라를 이용한 화상처리장치"를 이용하여 폭을 측정하는 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
우선 CCD 카메라(2)와 측정물체(1) 사이의 측정거리 Lref를 결정하고, 이때의 측정물체(1)의 최대 폭 측정범위 Wmax를 결정한다. 이렇게 하면 "CCD 카메라를 이용한 화상처리장치"를 이용하여 기준측정면에서의 측정물체(1)의 폭 W에 대한 화소넓이(pixel width) Pw로부터 다음의 계산식을 이용하여 쉽게 측정물체(1)의 폭 W를 계산할 수 있다.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서, W는 측정물체의 폭, PW는 측정물체의 폭에 대한 화소넓이(pixel width), Wmax는 기준측정면에서의 최대 폭 측정범위, Pmax는 최대 폭 측정범위 Wmax에 대응하는 최대 화소넓이이다.
이하에서는 측정물체(1)가 기준측정면에서 벗어나는 세가지 경우에 대해서 본 발명에 따른 폭 측정오차를 보상하는 방법을 설명한다.
(1) 측정물체가 측정 기준면으로부터 평행이동한 경우의 측정오차 보상방법
도 3에서 나타낸 바와 같이, 측정물체(1)가 기준측정면인 선분를 지나는 면으로부터 평행이동하는 경우에는 측정물체(1)의 폭을 계산하는 상기 수학식 1에서 Wmax와 PW가 변화하게 된다.
이때 폭이 같은 측정물체(1)가 도 3의 선분를 지나는 기준면으로부터 선분를 지나는 면까지 CCD 카메라(2) 쪽으로 이동하게 되면, 최대폭 측정범위 Wmax는 감소하게 되고, 측정물체(1)의 폭에 대한 화소넓이 PW는 증가하게 된다.
그리고, 폭이 같은 측정물체(1)가 선분를 지나는 기준면으로부터 선분를 지나는 면까지 CCD 카메라(2)의 반대쪽으로 이동하게 되면, 반대현상이 나타나게 된다.
따라서, 만약 측정거리 변화에 대한 최대 폭 측정범위 Wmax를 상기 수학식 1에서 보상해 주지 않고 측정물체의 폭에 대한 화소넓이인 PW를 사용하여 측정물체의폭을 계산하게 되면, 실제 폭 측정에서는 측정오차를 수반하게 된다.
따라서, 측정거리 변화에 대한 최대 폭 측정범위 Wmax를 상기 수학식 1에서 보상해 주기 위해서, 우선 CCD 카메라(2)로부터 측정물체(1)까지의 측정거리 L과 최대 폭 측정범위 Wmax와의 상관관계를 측정거리 L의 함수로 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
상기 수학식 2에서, L은 임의의 측정거리, Lref는 기준측정면에서의 측정거리, Wmax(L)는 측정거리 L에 대한 최대 폭 측정범위, Wmax(Lref)는 기준측정면에서의 측정거리 Lref에 대한 최대 폭 측정범위이다.
상기 수학식 2를 이용하면 측정물체(1)가 기준측정면에서 평행 이동할 경우에 그때의 측정물체(1)까지의 거리 L을 측정하게 되면, 그 지점에서 최대 폭 측정범위를 구할 수 있게 된다.
위의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하면 측정물체(1)가 기준측정면에서 벗어나서 평행이동한 경우에 대한 폭 계산식을 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 3]
상기 수학식 3으로부터, 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)와, 제어 및 출력장치(12)로 구성된 "레이저 거리측정장치"를 이용하여 측정한 측정거리 L과, "CCD 카메라를 이용한 화상처리장치"를 이용하여 측정물체의 폭에 대한 화소넓이 PW를 구하게 되면, 측정물체(1)가 기준측정면에서 벗어나 평행이동한 경우에 대해서도 측정물체의 폭을 측정오차없이 구할 수 있게 된다.
(2) 측정물체가 측정 기준면으로부터 회전이동한 경우의 측정오차 보상방법
도 4에서 나타낸 바와 같이, 측정물체(1)가 기준측정면인 선분를 지나는 면으로부터 회전이동하는 경우에는 측정물체(1)의 실제 폭인 W는 측정물체(1)의 회전으로 인해서 CCD 카메라를 이용한 폭계를 통해서 측정하게 되면, WCCD로 측정되기 때문에, 측정물체(1)의 회전으로 인해서 생기는 오차를 보상해주지 않으면 이 경우에도 역시 측정오차를 수반하게 된다.
측정물체(1)의 회전으로 인한 측정오차를 보상하기 위해서 측정물체(1)의 실제 폭인 W와 CCD 카메라(2)를 이용한 폭계를 통해서 측정한 폭인 WCCD와의 상관관계를 도 4를 참조하여 나타내면 다음 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서,는 측정물체의 회전각이다. 상기 수학식 4를 이용하면 측정물체의 회전각만 측정하게 되면 측정물체의 실제폭인 W를 측정오차 없이 구할 수 있게 되므로, 측정물체(1)의 회전각를 구하는 방법에 대해서 도 4를 참고하여 설명한다.
우선 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)와, 제어 및 출력장치(12)로 구성된 "레이저 거리측정장치"를 이용하여 측정물체(1)까지 각각의 거리 L1, L2를 측정한다.
그리고, 측정거리 L1, L2와 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11) 사이의 거리 WS를 이용하여 측정물체(1)의 회전각를 구하면 다음과 같다.
[수학식 5]
상기 수학식 5에서, ABS(L1-L2)는 (L1-L2)값의 절대값이다. 상기 수학식 5를 이용하여 측정물체(1)의 회전각 θ를 구하게 되면, 상기 수학식 4로부터 측정물체(1)가 기준측정면에 대해 회전한 경우에 대해서 측정물체(1)의 폭을 쉽게 구할 수 있다.
(3) 측정물체가 기준측정면에 대해서 평행이동과 회전이동이 동시에 일어나는 경우의 측정오차 보상방법
이 경우는 위에서 설명한 두 경우가 중첩이 되어 나타난 경우로 이때의 측정오차 보상방법은 위의 두 경우를 동시에 이용하여 구할 수 있다.
우선 비접촉식 레이저 거리측정장치(10)(11)를 이용하여 측정물체(1)까지 각각의 거리 L1, L2를 측정하고, 동시에 "CCD 카메라를 이용한 화상처리장치"를 이용하여 측정물체의 폭에 대한 화소넓이 PW에 대해서 측정한다.
그리고, 측정물체(1)까지 각각의 거리 L1, L2의 평균거리 Lmean를 다음 수학식 6을 통해서 구한다.
[수학식 6]
그리고, 상기 수학식 6을 통해서 Lmean를 구하고 난 후에, 평균거리 Lmean과 측정물체(1)의 폭에 대한 화소넓이 PW를 상기 수학식 3에 대입하여 측정물체(1)가 평행이동한 경우에 대한 측정오차를 보상하여 CCD 카메라(2)를 이용해서 측정한 폭인 WCCD를 계산한다.
그리고, 이 값을 상기 수학식 4, 수학식 5를 이용하여 측정물체(1)가 회전한 경우에 대한 측정오차를 보상함으로써, 측정물체(1)의 실제 폭인 W를 최종적으로 구할 수 있다.
여기서 측정물체(1)의 회전 여부는 측정물체(1)까지 각각의 거리 L1, L2를 서로 비교하여 편차가 있는 지의 여부로 판단할 수 있다.
그리고, 세 번째 경우는 위의 첫 번째, 두 번째의 경우를 포함하고 있기 때문에 세 번째 경우에 대한 측정오차 보상방법을 이용하면 첫 번째, 두 번째의 경우도 자동으로 보상되기 때문에, 세 번째 경우의 측정오차 보상방법을 알고리즘 형태로 표현하면 도 5에 나타낸 것과 같다.
본 발명은 CCD 카메라를 이용한 폭계를 사용하여 측정물체의 폭을 측정할 때 발생할 수 있는 측정상의 오차를 보상하는 방법과 그 장치에 대한 것으로, 현재 산업체에서 치수측정에 다양하게 적용되고 있는 CCD 카메라를 이용한 폭계에 응용하여 치수측정상의 오차를 보상하여 보다 정확한 치수측정이 가능하기 때문에 정밀한 치수 측정에 아주 유용하게 활용될 수 있다.
특히 철강관련 공정에서는 열연, 후판, 냉연공정에서의 슬라브나 스트립의 폭에 대한 정밀계측은 품질의 고급화 및 원가절감에 중요한 변수 중의 하나이므로, 그 활용도가 높다.

Claims (2)

  1. CCD 카메라(2)를 사용한 측정물체(1)의 폭 측정방법에 있어서, 상기 CCD 카메라(2)의 양측에 설치된 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)를 사용하여 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)를 각각 측정하여 상기 측정물체(1)가 측정기준면에서 평행으로 이동하여 발생되는 측정오차를 보상하고, 상기 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)간의 거리(WS)와 상기 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)간의 관계로부터 상기 측정물체(1)가 측정기준면을 중심으로 회전이동하여 발생되는 측정오차를 보상함을 특징으로 하는 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상방법.
  2. CCD 카메라(2)를 사용하여 측정물체(1)의 폭을 측정장치에 있어서, 상기 CCD 카메라(2)의 양측에 설치되어 측정물체(1)까지의 거리(L1)(L2)를 각각 측정하는 두 개의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)와, 상기 각각의 비접촉식 레이저 거리측정센서(10)(11)에 연결되는 제어 및 출력장치(12)와, 상기 CCD 카메라(2)에 연결되는 제어 및 전원공급장치(13)와, 상기 제어 및 전원공급장치(13)에 연결되어 상기 CCD 카메라(2)로부터의 화상신호를 처리하는 디지털 화상처리장치(14)와, 상기 제어 및 출력장치(12)와 디지털 화상처리장치(14)에 연결되어 측정물체(1)의 폭에 대한 측정오차를 보상하는 마이크로프로세서(15)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 CCD 카메라를 이용한 폭계에서의 측정오차 보상장치.
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