KR100919166B1 - 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법 - Google Patents

스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법

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KR100919166B1
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Abstract

이 발명은 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 빛을 주기적으로 주사하는 디지털 패턴 주사기와, 상기 디지털 패턴 주사기의 빛에 의해 투영된 프린지 무늬를 각각 검출하는 제1, 제2 카메라, 및 상기 디지털 패턴 주사기와 상기 제1, 제2 카메라들의 작동을 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 제1, 제2 카메라에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구한 후, 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 한 쌍의 정합점을 구하고 이들 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하도록 구성된다. 이 발명은 두 대의 카메라를 사용하는 스테레오 정합 방법을 도입함과 더불어 새로운 스테레오 위상 해석 방법을 적용함으로써, 3차원 측정에 사용되는 종래의 모아레 방법에서 문제가 되는 2π 모호성 문제를 해결할 수 있다.

Description

스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법{Stereo Moire Measurement Apparatus and Method}
이 발명은 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 기존의 PMP(Phase Measuring Profilometry) 방법에 두 대의 카메라를 사용하는 스테레오 정합 방법을 도입함과 더불어 새로운 스테레오 위상 해석 방법을 적용함으로써, 모아레 방법의 2π 모호성을 해결할 수 있는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
3차원 형상 측정기술은 레이저를 이용하는 광삼각법, 스테레오를 이용하는 측정방법, 모아레 원리를 이용하는 측정방법 등이 개발 사용되고 있다. 그 중에서도 모아레 원리를 이용하는 3차원 형상 측정방법이 널리 사용되고 있고, 더 상세하게는 PMP(Phase Measuring Profilometry) 방법이 더욱 널리 사용되고 있다. 이들 측정방법은 광학을 이용하기 때문에 빠르고, 또한 정확한 3차원 형상을 얻어낼 수 있다.
하지만, 모아레 원리를 이용하는 3차원 형상 측정방법은 주사되는 패턴의 주기보다 2π 이상이 되는 높이를 갖는 측정 대상물의 경우에는 측정이 되지 않는 2π 모호성이 존재한다. 그래서, 종래에는 측정하고자 하는 지점의 위상변위가 주변 지점에 비해 2π 이상으로 차이가 나는 경우, 측정지점의 높이값에 2π를 보정하고서 이를 결과값에 반영하는 방식으로 2π 모호성의 문제점을 해결하였다. 하지만, 종래기술에 따른 모아레 원리를 이용하는 3차원 형상 측정방법은 2개의 측정 대상물들이 2π 이상으로 상호 떨어져 위치하는 경우, 그 측정 결과값이 2π 모호성에 의한 결과인지 아니면 2π 이상의 깊이를 갖는 측정 대상물인지를 구분하기가 어려워서, 부정확한 결과가 발생될 수 있는 문제점이 여전히 존재하였다. 즉, 모아레 방법은 2π 모호성을 가지고 있어 상대적인 3차원 정보를 얻을 수는 있지만, 정확한 3차원 정보를 얻는다는 것은 불가능하였다. 그래서, 종래에는 다른 방식에 의해 2π 모호성을 해결하기 위한 노력이 있었다.
그 중에서, 대한민국 특허공개 제2005-0031328호에는 "스테레오 비전과 모아레를 이용한 3차원 검사방법 및 장치"에 대해 공개되어 있다. 이 공개기술은 광투영부가 일정한 패턴을 수차례 주사하고 측정 대상물을 모터로 위상천이 시키면, 매 시점마다 두 대의 카메라가 측정 대상물을 각각 측정하고, 이렇게 측정된 수많은 3차원 형상정보들을 상호 비교함으로써 최종적으로 측정 대상물의 3차원 형상정보를 측정하도록 구성하였다. 하지만, 이 공개기술 또한 2π 모호성을 완벽하게 해결하지 못하였다. 즉, 좌우 위상정보의 배수가 되는 위치에서 다시 2π 모호성이 발생하였다. 또한, 정합점 찾기 문제를 해결하지 못하였다.
그리고 종래에는 패턴 주사기와 두 대의 카메라를 사용하여 3차원 형상을 측정하고자 하는 연구가 있었다. [참고문헌 : M.Y. Kim and H.S. Cho, "An active trinocular vision system of sensing indoor navigation environment for mobile robots", Sensors & Actuators: A. Physical, Vol. 125, No. 2, pp. 192-209, 2006.] 이 문헌기술은 패턴 주사기를 또 다른 한 대의 가상의 카메라로 가정하여 가상의 패턴 영상을 만들어 내고, 이 영상과 획득된 나머지 두 대의 카메라 영상을 이용하여 3차원 좌표계를 구하되, 선 정합을 이용하여 3차원 좌표계를 구하도록 구성하였다. 하지만, 이 문헌기술은 선 정합을 이용하기 때문에 2π 모호성을 완전히 제거하지 못할 뿐만 아니라, 선을 이용하므로 연산시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
따라서 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 PMP 방법에 두 대의 카메라를 사용하는 스테레오 정합 방법을 도입함과 더불어 새로운 스테레오 위상 해석 방법을 적용함으로써, 모아레 방법의 2π 모호성을 해결하여 정확한 3차원 정보를 얻을 수 있는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이 발명은 디지털 패턴 주사기와 제1, 제2 카메라를 이용하여 측정 대상물에 대한 3차원 형상을 측정하는 방법으로서, 디지털 패턴 주사기에서 위상천이된 프린지 무늬를 측정 대상물에 주사하는 제1 단계와, 제1, 제2 카메라에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구하는 제2 단계와, 위상정보와 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 한 쌍의 정합점을 구하고 이들 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 단계에서, 디지털 패턴 주사기는 위치와 각도가 이미 측정(calibration)된 자연광원을 측정 대상물에 주사할 수 있다.
제3 단계는 제2 카메라를 통해 구한 위상정보와 평균위상정보에서 각각 임의의 한 점을 선택하는 단계와, 제1 카메라를 통해 구한 위상정보와 평균위상정보에서 스테레오 정합을 만족하는 후보점들을 각각 선정하는 단계와, 후보점들 중에서 위상 차이값이 최소가 되는 한 점을 정합점으로 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
이 발명의 3차원 형상 측정장치는 빛을 주기적으로 주사하는 디지털 패턴 주사기와, 디지털 패턴 주사기의 빛에 의해 투영된 프린지 무늬를 각각 검출하는 제1, 제2 카메라, 및 디지털 패턴 주사기와 제1, 제2 카메라들의 작동을 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 제1, 제2 카메라에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구한 다음, 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 한 쌍의 정합점을 구하고 이들 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.
디지털 패턴 주사기는 위치와 각도가 이미 측정(calibration)된 자연광원을 측정 대상물에 주사할 수 있다.
아래에서, 이 발명에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치는 패턴 주기를 자유롭게 조절하여 측정 대상물(40)의 표면에 주기적인 빛을 주사하는 디지털 패턴 주사기(10)와, 디지털 패턴 주사기(10)의 빛에 의해 투영된 프린지 무늬를 각각 검출하는 제1, 제2 카메라(20, 30)와, 디지털 패턴 주사기(10)의 작동을 제어하면서 제1, 제2 카메라(20, 30)에서 검출한 영상들을 비교 분석하는 제어부(60)를 구비한다.
이 실시예의 제어부(60)는 제1, 제2 카메라(20, 30)에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구한 후, 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 2개의 정합점을 구하고 이들 2개의 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하도록 구성된다.
도 2는 이 발명에 따른 디지털 패턴 주사기의 여러 구조를 도시한 개략도이다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 디지털 패턴 주사기(10)는 그 내부에 설치되며 슬릿광인 빛을 주사하는 광원(11)과, 광원(11)에서 주사된 빛을 측정 대상물(40)의 표면 방향으로 반사시키는 회전 다면 거울(12)과, 회전 다면 거울(12)에서 반사되는 빛의 일부를 다시 다른 방향으로 반사시키는 반사 거울(13), 및 반사 거울(13)로부터 입사되는 빛의 크기를 측정하는 광검출기(14)를 포함한다. 그리고 이 실시예는 디지털 패턴 주사기(10)의 광검출기(14)에서 측정된 빛에 대한 피드백 정보가 제어부(60)로 전달되게 구성된다.
즉, 디지털 패턴 주사기(10)는 피드백 정보에 기초하여 제어부(60)에 입력된 프로그램에 따라 회전 다면 거울(12)의 회전속도와 광원(11)의 온/오프(On/Off) 작동시간이 조절되면서, 측정 대상물(40)의 표면 방향으로 주사되는 빛의 패턴 주기가 조절된다. 따라서, 디지털 패턴 주사기(10)에는 회전 다면 거울(12)의 회전속도와 광원(11)의 온/오프(On/Off) 작동시간을 조절하기 위해서, 회전 다면 거울(12)과 광원(11)에 연계되는 타이머(15, 16, 17)가 설치된다.
그리고 이 실시예의 디지털 패턴 주사기(10a, 10b)는 도 2의 (b)와 같이 공간 광변조기(18)를 이용하거나, 도 2의 (c)와 같이 마이크로 미러(19)를 이용하여 구성할 수도 있다. 즉, 이 발명은 특정 광원이 아닌 자연광원을 비롯한 일반 모든 광원을 사용하는 일반적인 디지털 패턴 주사기(10, 10a, 10b) 등을 사용할 수 있다. 이러한 디지털 패턴 주사기(10, 10a, 10b)들은 프린지 무늬를 다양화 할 수 있을 뿐만 아니라 자유롭게 위상천이 시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 디지털 패턴 주사기(10, 10a, 10b)를 이용할 경우에는 측정 대상물(40)의 표면에 수학식 1과 같은 사인형 프린지 무늬를 만들 수 있다.
수학식 1에서 는 패턴 주사기의 광원의 강도 및 외부 광원의 강도의 합에 측정 대상물의 표면 반사률을 곱한 값이고, 는 광원의 강도에 의해 결정되는 프린지 무늬의 폭을 나타내는 것으로 측정 대상물의 표면 반사률과 광원의 강도의 곱으로 계산된다. 또한, 는 참조면(50)에서의 프린지 무늬의 위상정보를 의미한다. 그리고 는 측정 대상물에 의한 위상천이를 가리킨다. 따라서 수학식 1에서 의 정보를 구하면 측정 대상물의 높이정보를 구할 수 있다. 이러한 측정 대상물의 높이정보를 구하는 유명한 방법으로는 PMP(Phase Measuring Profilometry) 방법이 있다.
수학식 1에서 알지 못하는 값(, , )이 3개이기 때문에, 최소한 3개 이상의 수식이 필요하다. 따라서 알고 있는 위상 값()을 수학식 1에 천이시켜 n의 수식을 구하면 아래의 수학식 2와 같다.
그리고 수학식 2를 이용하여 아래와 같은 위상 수식(수학식 3)을 구할 수 있다.
수학식 3에서 참조면(50)의 위상정보()가 이미 보정되어 있으면, 그 위상정보를 빼면 최종적으로 의 정보를 구할 수 있다. 그리고 아래의 수학식 4를 이용하여 평균영상을 구할 수 있다.
도 3은 이 발명에 따른 PMP 방법을 적용한 상태를 나타낸 도면들이다. 도 3의 (a)는 측정 대상물을 나타낸 것으로서, 도 3의 (a)에 표시한 점선부분을 측정에 사용하였다. 도 3의 (b)는 PMP 방법을 적용하기 위한 4장의 위상천이된 프린지 무늬를 나타낸 것으로서, 알고 있는 위상을 0, , , 만큼 이동시킨 패턴 영상(32 ~ 35)을 나타낸 것이다. 도 3의 (c)는 (b)의 프린지 무늬를 이용하여 구한 위상정보를 영상(37)으로 표현한 것이다. 도 3의 (c)에서 밝은 부분은 위상정보에서 을 가리키고, 어두운 부분은 위상정보에서 을 가리킨다. 그리고 도 3의 (d)는 (b)의 패턴 영상(32 ~ 35)들을 평균한 평균영상(36)을 표현한 것이다.
도 4는 이 발명에 따른 스테레오 모아레 측정원리를 도시한 개념도이고, 도 5는 이 발명에 따른 스테레오 모아레 알고리즘(65)의 개념도이다.
도 1, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 제1, 제2 카메라(20, 30)로부터 각각 4장의 위상천이된 패턴 영상(22 ~ 25, 32 ~ 35)을 구한다. 그런 다음, 4장의 위상천이된 패턴 영상으로부터 위상정보영상(27, 37)을 구하고 평균영상(26, 36)을 구한다. 즉, 이 발명은 4장의 정보[2장의 위상정보영상(27, 37) 및 2장의 평균영상(26, 36)]를 이용하여 최종 3차원 정보를 구할 수 있다.
그리고 도 4로부터 아래의 수학식 5를 구할 수 있다.
수학식 5에서, 은 전역좌표(world coordinates)에서 참조면(50)사이의 거리를 가리키는 것으로서, 실험을 위해 이미 값이 보정되어 있다. 는 스테레오 비전에 의해 계산되어진 깊이 정보를 가리키고, 은 모아레 측정법에 의해 구해진 깊이 정보를 가리킨다. 은 제1, 제2 카메라(20, 30)에서 각각 , 로 계산될 수 있다. 하지만 이 값()은 같은 물체에 대해서 항상 같은 값을 가지고 있어야 한다. 그리고 는 프린지 무늬의 주기를 가리키고, 과 은 제1, 제2 카메라의 정보를 각각 PMP 측정방법을 적용하여 구한 최소 위상값을 가리킨다. 따라서 적절한 상수 과 을 선택하면, 값을 구할 수 있다. 수학식 5에서 T는 제1, 제2 카메라(20, 30)사이의 거리를 나타내고, θ1은 측정 대상물(40)의 한 점(C)과 제1 카메라(20)의 중심을 잇는 광선과 전체 좌표계에서 Z축과의 각도를 나타내고, θ2는 측정 대상물(40)의 한 점(C)과 제2 카메라(30)의 중심을 잇는 광선과 전체 좌표계에서 Z축과의 각도를 나타내며, θp는 측정 대상물(40)의 한 점(C)과 디지털 패턴 주사기(10)의 중심을 잇는 광선과 전체 좌표계에서 Z축과의 각도를 나타낸다.
도 6은 이 발명에 따른 스테레오 모아레 알고리즘의 구현 방법을 나타낸 개념도이다. 먼저 위에서와 같이 2개의 위상정보영상(27, 37)과 2개의 평균영상(26, 36)을 구한 후, 제2 카메라(30)를 통해 구한 도 6의 오른쪽 영상(36, 37)에서 임의의 한 점을 선택한다. 그 후 제1 카메라(20)를 통해 구한 도 6의 왼쪽 영상(26, 27)에서 회색 부분으로 표시된 스테레오 정합을 만족하는 후보점들을 선정한다. 이때, 스테레오 정합을 만족하는 후보점들은, Depth Discontinuities by Pixel-to-Pixel Stereo 문헌(International Journal of Computer Vision 35(3), 269~293 (1999))에 공개된 내용을 통해 알 수 있듯이, 제2 카메라(30)에서 임의로 선정한 한 점보다 도 6과 같이 영상평면에서 항상 오른쪽에 있고, 또한 같은 줄에 존재한다. 따라서, 도 6과 같이 같은 줄에 있고 오른쪽 영상평면의 임의의 한 점 xri에 대해 왼쪽 영상평면에서 xri의 오른쪽에 있는 모든 점들이 후보점이 되지만, 측정 영역에 따라 스테레오 정합을 만족하는 후보점들을 상기 문헌에 공개된 일반적인 방식을 통해, 도 6에 나타낸 회색 부분으로 선정한다. 그런 다음, 아래의 수학식 6을 이용하여 가격 함수값(J)이 최소가 되는 한 점을 선택하면 그 점이 바로 정합점이 된다.
수학식 6에서 와 는 무게계수(weighting factor)이고, 는 영상값의 차이를 가리키고, 는 위상값의 차이를 가리킨다. 위상 차이값()은 아래의 수학식 7에 의해 계산될 수 있다.
위상 차이값()은 도 6의 좌측 위상으로부터 수학식 7을 이용하여 측정한 우측 위상값()과 PMP 방법에 의해 구한 실제 우측 위상값()의 차이에 해당한다. 최종적으로 이러한 위상의 차이값()과 영상의 차이값()를 고려한 가격 함수값(J)이 최소가 되는 좌측 영상의 한 점이 앞에서 임의로 선정한 우측 한 점에 대한 정합점이 된다. 와 가 정합 후보점들에서 각각 계산되지만, 최종적인 J의 값은 와 의 합으로 표현되어 정합점들에 대해서 한 가지의 가격 함수값(J)으로 표현이 된다. 만약, 도 6에서와 같이 제1 카메라에서의 한 점(xli, y)과 제2 카메라에서의 한 점(xri, y)이 수학식 6의 가격 함수값(J)을 최소로 한다면, 이들 두 점이 바로 최종 한 쌍의 정합점이 된다. 이와 같은 방법으로 다른 점들에 대해서도 정합점들을 구할 수 있고, 최종적으로 모든 정합점들을 구한 후 스테레오 비전의 원리를 이용하여 3차원 깊이 정보를 구할 수 있다. 만약, 제1 카메라에서 한 점(xli, y)과 제2 카메라에서 한 점(xri, y)이 정합점이 된다면, 아래의 수학식 8을 사용하여 최종 깊이 정보(zs)를 구할 수 있다.
삭제
수학식 8에서 T는 두 카메라 사이의 거리를 나타내고, f는 카메라의 초점 거리를 나타낸다. 좀 더 정밀하게 3차원 측정을 하려면 모아레 측정 원리에서 3차원 좌표를 구하는 아래의 수학식 9를 사용할 수도 있다.
아래에서는 상기와 같은 이 발명에 따른 스테레오 모아레 측정방법과 종래의 모아레 측정방법으로 다양한 측정 대상물들을 각각 실험한 결과에 대해 설명한다.
이 실험은 도 1에 도시된 바와 같은 하나의 디지털 패턴 주사기(10)와 제1, 제2 카메라(20, 30)를 구비한 측정장치를 사용하였다. 이때, 이 측정장치는 참조면(50)의 패턴 두께가 13mm이고, 참조면(50)과 제1 카메라(20)와의 거리는 681.9mm이고, 제1, 제2 카메라(20, 30)사이의 거리는 13mm이며, 제1 카메라(20)와 패턴 주사기(10) 사이의 거리는 x축 방향으로 음의 방향으로 95.3mm이고, z축 방향으로는 양의 방향으로 247.1mm에 위치시켰다. 그런 다음 아래의 3가지의 실험을 통하여 이 발명의 타당성을 검증해 보았다.
도 7은 이 발명에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치를 실험하기 위한 여러 측정 대상물을 촬영한 사진들이고, 도 8 내지 도 10은 이 발명에 따른 스테레오 모아레 측정방법과 종래의 모아레 측정방법으로 도 7에 도시된 측정 대상물을 대상으로 실험한 결과를 나타낸 도면들이다.
[ 실험 1 ]
도 1에 도시된 이 발명의 측정장치를 이용하여 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 물체의 크기가 80 x 210 x 50mm 크기의 사각형 형상의 측정 대상물(71)을 도 8의 (a)와 같이 참조면(50) 앞에 놓고 실험하였다. 도 8의 (a)는 측정 대상물(71)의 상대적인 위치를 나타내고, 도 8의 (b)는 제1 카메라(20)에서 획득한 패턴 영상(22, 23, 24, 25)을 나타낸 것이다. 그리고 도 8의 (c)는 제1 카메라(20)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 종래의 모아레 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(71)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이고, 도 8의 (d)는 제1, 제2 카메라(20, 30)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 이 발명의 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(71)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이다.
도 8의 (c), (d)에서 알 수 있는 바와 같이, 측정 대상물(71)의 두께(50mm)가 패턴 주기의 2π보다 작기 때문에, 종래의 방법과 이 발명의 방법 모두에서 거의 정확한 결과값이 도출됨을 확인할 수 있었다.
[ 실험 2 ]
도 1에 도시된 이 발명의 측정장치를 이용하여 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 물체의 크기가 222 x 400 x 80mm 크기의 사각형 형상의 측정 대상물(72)을 도 9의 (a)와 같이 참조면(50)으로부터 30mm 이격시킨 상태에서 측정하였다. 도 9의 (a)는 측정 대상물(72)의 상대적인 위치를 나타내고, 도 9의 (b)는 제1 카메라(20)에서 획득한 패턴 영상(22, 23, 24, 25)을 나타낸 것이다. 그리고 도 9의 (c)는 제1 카메라(20)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 종래의 모아레 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(72)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이고, 도 9의 (d)는 제1, 제2 카메라(20, 30)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 이 발명의 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(72)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이다.
종래의 모아레 방법의 경우에는 측정 대상물(72)이 참조면(50)으로부터 30mm 이격됨에 따라 측정 대상물(72)의 표면깊이가 패턴 주기의 2π보다 크기 때문에, 도 9의 (c)와 같이 측정 대상물(72)의 공간정보와 다르게 표시되어 깊이 값을 제대로 찾지 못하였다. 그런데, 이 발명의 방법의 경우에는 도 9의 (d)와 같이 실제와 동일한 3차원 형상 정보로 표시되어 정확한 깊이 값을 찾을 수 있었다.
[ 실험 3 ]
도 1에 도시된 이 발명의 측정장치를 이용하여 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 반지름이 95mm인 두 개의 반원이 붙어있는 측정 대상물(73)을 도 10의 (a)와 같이 참조면(50) 앞에 놓고 실험하였다. 도 10의 (a)는 측정 대상물(73)의 상대적인 위치를 나타내고, 도 10의 (b)는 제1 카메라(20)에서 획득한 패턴 영상(22, 23, 24, 25)을 나타낸 것이다. 그리고 도 10의 (c)는 제1 카메라(20)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 종래의 모아레 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(73)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이고, 도 10의 (d)는 제1, 제2 카메라(20, 30)와 패턴 주사기(10)를 이용하되 이 발명의 방법을 적용하여 구한 측정 대상물(73)에 대한 3차원 결과를 나타낸 도면이다.
종래의 모아레 방법의 경우에는 도 10의 (c)와 같이 정확한 결과를 찾지 못하고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 래핑(wrapping)방법을 통하여 물체의 형상을 찾을 수는 있으나, 정확한 물체의 위치까지 파악하는 것은 불가능함을 의미한다. 그런데, 이 발명의 방법의 경우에는 도 10의 (d)와 같이 정확한 3차원 위치가 추출됨을 알 수 있다. 따라서 이 발명의 결과로부터 모아레 방법의 2π 모호성이 해결됨을 알 수 있다.
이 발명은 기존의 PMP 방법에 두 대의 카메라를 사용하는 스테레오 정합 방법을 도입함과 더불어 새로운 스테레오 위상 해석 방법을 적용함으로써, 3차원 측정에 사용되는 종래의 모아레 방법에서 문제가 되는 2π 모호성 문제를 해결할 수 있다.
또한, 이 발명은 다양한 환경, 특별히 사각형 물체와 같이 끝단이 절단된 부분이 있는 경우에 대해서도 3차원 정보를 획득할 수 있으면서 빠르고 정확한 3차원 측정이 가능하다.
또한, 이 발명은 특정 광원이 아닌 자연광원을 비롯한 일반 모든 광원을 사용하는 일반적인 디지털 패턴 주사기를 사용하므로 다양한 환경에서의 측정이 가능하다.
이상에서 이 발명의 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치 및 그 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치의 개념도이고,
도 2는 이 발명에 따른 디지털 패턴 주사기의 여러 구조를 도시한 개략도이고,
도 3은 이 발명에 따른 PMP 방법을 적용한 상태를 나타낸 도면들이고,
도 4는 이 발명에 따른 스테레오 모아레 측정원리를 도시한 개념도이고,
도 5는 이 발명에 따른 스테레오 모아레 알고리즘의 개념도이고,
도 6은 이 발명에 따른 스테레오 모아레 알고리즘의 구현 방법을 나타낸 개념도이고,
도 7은 이 발명에 따른 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치를 실험하기 위한 여러 측정 대상물을 촬영한 사진들이고,
도 8 내지 도 10은 이 발명에 따른 스테레오 모아레 측정방법과 종래의 모아레 측정방법으로 도 7에 도시된 측정 대상물을 대상으로 실험한 결과를 나타낸 도면들이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
10 : 디지털 패턴 주사기 20 : 제1 카메라
30 : 제2 카메라 40 : 측정 대상물
50 : 참조면 60 : 제어부

Claims (5)

  1. 디지털 패턴 주사기와 제1, 제2 카메라를 이용하여 측정 대상물에 대한 3차원 형상을 측정하는 방법으로서,
    상기 디지털 패턴 주사기에서 위상천이된 프린지 무늬를 상기 측정 대상물에 주사하는 제1 단계와,
    상기 제1, 제2 카메라에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구하는 제2 단계와,
    상기 위상정보와 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 한 쌍의 정합점을 구하고 이들 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 디지털 패턴 주사기는 위치와 각도가 이미 측정(calibration)된 자연광원을 상기 측정 대상물에 주사하는 것을 특징으로 하는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계는, 상기 제2 카메라를 통해 구한 위상정보와 평균위상정보에서 각각 임의의 한 점을 선택하는 단계와,
    상기 제1 카메라를 통해 구한 위상정보와 평균위상정보에서 스테레오 정합을 만족하는 후보점들을 각각 선정하는 단계와,
    상기 후보점들 중에서 위상 차이값이 최소가 되는 한 점을 정합점으로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정방법.
  4. 빛을 주기적으로 주사하는 디지털 패턴 주사기와, 상기 디지털 패턴 주사기의 빛에 의해 투영된 프린지 무늬를 각각 검출하는 제1, 제2 카메라, 및 상기 디지털 패턴 주사기와 상기 제1, 제2 카메라들의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 형상 측정장치에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1, 제2 카메라에서 각각 4장씩의 프린지 영상을 얻은 후, 모아레 방법을 적용하여 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 구한 후, 상기 2개의 위상정보와 2개의 평균위상정보를 사용하여 스테레오 정합을 만족하는 대응점들 중에서 최종적인 한 쌍의 정합점을 구하고 이들 정합점을 이용하여 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 디지털 패턴 주사기는 위치와 각도가 이미 측정(calibration)된 자연광원을 상기 측정 대상물에 주사하는 것을 특징으로 하는 스테레오 모아레를 이용한 3차원 형상 측정장치.
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