KR100933705B1

KR100933705B1 - 계측 시스템의 데이터 필터링 방법

Info

Publication number: KR100933705B1
Application number: KR1020070083032A
Authority: KR
Inventors: 이정환
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-12-24
Also published as: KR20090018535A

Abstract

본 발명은 계측 시스템의 데이터 필터링 방법에 관한 것으로, 계측 시스템 자체적으로 마이너 클러스터(노이즈(Noise))에 대하여 필터링 선행화 작업을 수행함으로써, 기존에서와 같이 모델링 제어기에 의해 수행됨에 따라 발생되는 3차원 표면 모델링 시간의 부하와 모델링 제어기에 걸리는 프로세서 부하를 줄일 수 있어 계측시스템을 최적화시킬 수 있다.

클러스터, 3D 데이터 필터링, 멀티-LVS, 3차원 계측

Description

계측 시스템의 데이터 필터링 방법{DATA FILTERING METHOD IN MEASURING SYSTEM }

본 발명은 계측 시스템의 데이터 필터링 방법에 관한 것으로, 특히 멀티 레이저 비전 시스템(Multi Laser Vision System, 이하, 멀티-LVS라 함)을 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템에 있어서, 계측시스템 자체적으로 마이너(Minor) 클러스터에 대하여 필터링 선행화 작업을 수행하여 3차원 표면 모델링 시간을 줄일 수 있는 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 선박의 외부 패널은 추진저항을 감소시켜 수중을 항해하도록 하기 위해 복잡한 비전개성 곡면을 갖는다. 이 비전개성 곡면은 곡판(Curved-plate) 부재로 이루어져 있으며, 이 곡판 부재의 두께는 대략 10㎜∼30㎜이다.

이러한 선박의 외부 패널은 열간 가공을 통해서 형성한다. 즉, 가공법은 가스 토치 등을 이용하여 평판의 표면을 국부적으로 가열해서 발생되는 소성변형으로 인한 평판의 면외각 변형 또는 면내 수축변형을 통해 원하는 형상으로 가공한다.

다시 말하여, 선박의 외부 패널을 제작하기 위해서는 평판에 열을 가하여 원하는 곡면을 얻게 되며, 이렇게 얻은 곡면으로 제작된 곡판 부재는 설계에서 의도 한 곡면과 동일한 형상을 이루어야 하며, 이를 위해 열간가공시 계속적으로 계측 후 가열작업을 반복한다.

즉, 곡면의 형상을 계측시, 도 1에 도시된 바와 같이 레일(rail)(210)을 따라 곡판 부재(206)가 존재하는 영역 뿐만 아니라 곡판 부재(206)가 놓여지는 겐트리 로봇 바닥 플레이트(bottom plate)(208)내 스캐닝 시작위치(L1)로부터 스캐닝 종료위치(L2) 까지 전체를 스캐닝하여 도 2에 도시된 바와 같이 로(RAW) 파일을 생성한다.

RAW 데이터가 생성된 다음에, LAN(Local Area Network, 이하, LAN이라 함)을 통해 OLP(Off-Line PC, 이하, OLP라 함) 모델링 제어기로 전송된 후 이곳에서 생성된 RAW 데이터를 3차원 표면(Surface) 모델링으로 변환하게 된다. 여기서, OLP 모델링 제어기는 생성된 RAW 데이터를 3차원 표면 모델링으로 변환하기 전에 도 3에 도시된 바와 같이 독립적인 필터링 과정을 따로 거쳐야 한다.

상기한 바와 같이 독립적인 필터링 과정을 따로 거칠 경우, 부재가 놓여있는 정반상의 다양한 노이즈가 포함된 RAW 데이터가 그대로 3차원 표면 모델링으로 변환됨에 따라 계측된 RAW 데이터의 파일크기 및 전송시간이 증가하고, 또한 노이즈가 포함된 RAW 데이터가 독립적으로 필터링되어 필터링 처리 시간이 증가하며, 이를 처리하는 모델링 제어기의 프로세서에 부하가 걸리게 되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출한 것 으로서, 계측시스템 자체적으로 마이너(Minor) 클러스터(예컨대, 노이즈(Noise))에 대하여 필터링 선행화 작업을 수행하여 3차원 표면 모델링 시간을 줄일 수 있고, 모델링 제어기에 걸리는 프로세서 부하를 줄일 수 있는 계측시스템의 데이터 필터링 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 계측시스템의 필터링 방법은 피계측물을 계측하는 단계와, 계측된 RAW 데이터에 대하여 유클리디안 거리를 이용하여 클러스터링을 수행하는 단계와, 수행된 각 클러스터의 집합 중심과 경계값을 계산하는 단계와, 기설정된 횟수만큼 반복시켜 최대 크기를 갖는 클러스터 그룹을 찾는 단계와, 수행된 각 클러스터를 탐색하여 마이너 클러스터를 찾아내어 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 계측시스템 자체적으로 노이즈 필터링 선행화 작업을 수행함으로써, 기존에서와 같이 모델링 제어기에 의해 수행됨에 따라 발생되는 3차원 표면 모델링 시간의 부하와 모델링 제어기에 걸리는 프로세서 부하를 줄일 수 있어 계측시스템을 최적화시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 사시도이다.

도 4를 참조하면, 선박의 곡판 부재(206)에 대하여 3차원 형상 계측을 수행하는 비접촉식 3차원 형상 계측시스템은, 피계측물인 곡판 부재(206)가 놓여지는 바닥 플레이트(plate)(208) 양측에 일정한 길이의 레일(rail)(210)이 형성되어 있으며, 이 레일(210)의 상부에는 레일(210)을 따라 이동할 수 있는 겐트리 로봇(200)이 형성되어 있다.

여기서, 겐트리 로봇(200)의 Y축 사각빔의 하부면에는 피계측물인 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 스캐닝하기 위한 멀티 레이저 비전 시스템(202)이 다수개(일예로, 4개) 배치되어 있고, 이 멀티 레이저 비전 시스템(202)은 레이저빔(205)을 출사하는 레이저빔 출사부(204)와 피계측물(206)에 조사되어 나타나는 레이저빔 영상을 촬영하는 CCD 카메라(도시되지 않음)로 구성되어 있다.

다시 말하여, 비접촉식 3차원 형상 계측시스템은 일 예로, 4개의 레이저 비전 시스템을 등간격으로 일렬 배치되도록 하여 상대적으로 면적이 큰 피계측물인 선박 등의 곡판 부재(206)를 3차원으로 스캐닝하여 피계측물(206)의 3차원 형상을 도 2에 도시된 바와 같이 RAW 데이터로 생성시키게 된다.

한편, 겐트리 로봇(200)의 Y축 사각빔의 중앙에는 곡판 부재(206)로의 가공이 필요한 1차 냉간가공 부재에 대해 원하는 곡면으로의 가공을 수행하기 위한 열가공 로봇(212)이 Y축 사각빔을 따라 이동 가능하게 배치되어 있는데, 이 열가공 로봇(212)은 선박 등의 곡판 부재로 사용될 냉간가공 부재에 대해 선형 가열을 통해 원하는 모양의 곡판 부재로의 가공을 수행하며, 필요에 따라서는 작업자에 의해 1차 가공된 곡판 부재에 대한 3차원 형상 계측 결과에 기반하여 정확한 곡판 부재로 형성시키기 위한 2차 가공을 수행할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 필터링 방법을 위한 블록 구성도로서, 피계측물인 곡판 부재(206)가 놓여지는 바닥 플레이트 양측에 일정한 길이의 레일(210)이 형성되어 있으며, 이 레일(210)의 상부에는 레일(210)을 따라 이동할 수 있는 겐트리 로봇(200)이 형성되어 있으며, 이 겐트리 로봇(200)의 Y축 사각빔의 하부면에는 피계측물인 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 스캐닝하여 로(RAW) 파일을 생성하기 위한 멀티 레이저 비전 시스템(202)과, 카메라로 측정한 영상을 처리하기 위한 영상처리부(250), 캘리브레이션 부(252), 처리된 결과데이터를 저장하기위한 데이터 저장부(254), 이 계측된 RAW 데이터에서 노이즈 데이터를 제거하기 위한 데이터 필터링 부(256)를 포함한다.

계측 버튼부(100)는 3차원 형상 계측을 수행하도록 계측버튼신호를 제어부(300)에 입력한다.

제어부(300)는 계측 버튼부(100)로부터 입력되는 계측버튼신호에 따라 3차원 형상 계측을 수행하도록 하는 계측명령신호를 멀티 레이저 비전 시스템(202)에 제공한다.

3차원 계측부(222)는 계측명령신호에 대응하여 멀티 레이저 비전 시스템(202)으로부터 계측된 RAW 데이터를 데이터 저장부(254)에 제공한 다음에, 이 계측된 RAW 데이터에 대하여 도 4에서와 같이 Y축 방향(레일 길이 방향), Z축 방향(세로 높이 방향)으로 각각 유클리디안 거리(Euclidean distance)(예컨대, 도 4에 도시된 x축, y축, z축 공간상의 거리값)를 수학식 1

여기서, xi={x1,x2,...,xn}이고, yi={y1,y2,...,yn}인 행벡터라고 가정한다.

에 적용시켜 계산한 값이 기설정된 기준거리 이상이면 클러스터 그룹을 증가(i->i+1)시키면서 데이터 클러스터링(clustering)을 도 6에 도시된 바와 같이 수행하며, 수행된 각 클러스터의 집합 중심과 경계값(예컨대, 계측된 RAW 데이터의 유클리디안 거리중 Y값의 최소와 최대를 통해 각 클러스터의 중심과 경계값을 찾아내고 결정함)을 계산하여 데이터 저장부(254)에 제공하는 과정을 기설정된 횟수(예컨대, 50프레임(Frame)) 만큼 수행한 다음에 현재 프레임에서 최대 크기(Size)를 갖는 클러스터 그룹(예컨대, 면적이 넓게 분포되어 있는 클러스터 그룹을 의미함)을 데이터 저장부(254)를 통해 찾고, 이와는 반대로 현재 프레임에서 첫 번째 프레임으로 클러스터들을 탐색하면서 마이너(Minor) 클러스터(예컨대, 노이즈(Noise)(예컨대, 최대 크기를 갖는 클러스터 그룹이 아닌 클러스터 그룹을 의미함)를 데이터 저장부(254)를 통해 찾아내어 필터링(예컨대, 제거)한 다음에, 곡판 부재(206)에 해당하는 클러스터를 알고 있음에 따라 데이터 저장부(254)를 통해 X축 방향(도 4 참조)으로 계측하면서 메인 클러스터의 중심과 경계값(예컨대, 계측된 RAW 데이터의 유클리디안 거리중 Y값의 최소와 최대를 통해 메인 클러스터의 중심과 경계값을 찾아내고 결정함)을 계산하여 데이터 저장부(254)에 제공하는데, 이 과정에서 마이너(Minor) 클러스터가 발생되면 유클리디안 거리를 적용하여 발생된 마이너 클러스터를 필터링 후 제거시킨다.

멀티 레이저 비전 시스템(202)은 비전 제어부(224)와 3차원 계측부(222)로 구성되어 있고, 상기 3차원 계측부(222)는 영상처리부(250), 캘리브레이션부(252), 데이터 저장부(254), 데이터 필터링 부(256)로 구성되어있다.

비전 제어부(224)는 제어부(224)로부터 입력되는 계측명령신호에 따라 레이저빔 출사부(204)와 CCD 카메라(220), 3차원 계측부(222)를 제어하여 피계측물(206)에 대한 3차원 형상 계측이 수행되도록 제어한 다음에, 영상처리(250), 캘리브레이션 계산(252), 데이터 필터링(256)을 거쳐, RAW 데이터를 3차원 계측부(222)의 데이터 저장부(254)에 제공한다.

레이저빔 출사부(204)는 레이저 다이오드(laser diode)로 구성되어 피계측물인 곡판 부재(206)로 레이저빔을 출사시키며, CCD 카메라(220)는 레이저빔 출사부(204)와 동일 직선상 일정 거리 후면에 이격 설치되어 레이저빔 출사부(204)로부터 조사된 레이저빔이 피계측물인 곡판 부재(206) 표면에 형성하는 레이저빔 영상을 촬영한다.

3차원 계측부(222)는 CCD 카메라(220)로부터 촬영되는 피계측물(206)을 스캐닝한 레이저빔 영상을 입력받아 피계측물(206)에 대한 3차원 계측을 수행한 결과인 RAW 데이터를 3차원 계측부(222)의 데이터 저장부(254)에 제공한다.

여기서, 겐트리 로봇(200)은 피계측물(206)의 3차원 형상을 스캐닝하기 위한 멀티 레이저 비전 시스템(202)이 배치되는 겐트리 형상의 로봇으로, 피계측물(206)에 대한 3차원 형상 계측을 위한 스캐닝 동작시 레일(210)을 따라 전/후 이동을 수행하게 된다.

데이터 저장부(254)는 3차원 형상 계측 시스템의 주요 모듈에 대한 프로그램을 저장하며, 비전 제어부(224)에 의해 3차원 형상 계측 시스템의 전반적인 동작이 수행될 때 계측되는 RAW 데이터를 기 설정된 영역에 저장한다. 또한, 데이터 저장부(254)는 3차원 계측부(222)로부터 입력되는 각 클러스터의 집합 중심과 경계값을 저장하며, 그리고 메인 클러스터의 중심과 경계값을 저장한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 필터링 방법을 위한 상세 흐름도이다.

먼저, 제어부(300)는 계측 버튼부(100)로부터 계측버튼신호가 입력되는지를 판단(S701)한다.

상기 판단(S701)결과, 계측버튼신호가 입력되지 않으면 판단(S701)과정을 계속적으로 수행하는 반면에, 상기 판단(S701)결과, 계측버튼신호가 입력되면 3차원 형상 계측을 수행하도록 하는 계측명령신호를 멀티 레이저 비전 시스템(202)내 비전 제어부(224)에 제공(S703)한다.

비전 제어부(224)는 제어부(300)로부터 입력되는 계측명령신호에 따라 레이저빔 출사부(204)와 CCD 카메라(220), 3차원 계측부(222)를 제어하여 피계측물(206)에 대한 3차원 형상 계측이 수행되도록 제어(S705)한다.

그러면, 레이저빔 출사부(204)는 레이저 다이오드(laser diode)로 구성되어 피계측물인 곡판 부재(206)로 레이저빔을 출사시키며, CCD 카메라(220)는 레이저빔 출사부(204)와 동일 직선상 일정 거리 후면에 이격 설치되어 레이저빔 출사부(204)로부터 조사된 레이저빔이 피계측물인 곡판 부재(206) 표면에 형성하는 레이저빔 영상을 촬영한다.

이때, 3차원 계측부(222)는 CCD 카메라(220)로부터 촬영되는 피계측물(206)을 스캐닝한 레이저빔 영상을 입력받아 영상 처리부(250)에서 피계측물(206)에 대한 영상처리를 하고, 캘리브레이션부(252)에서 캘리브레이션 계산을 하고 데이터 필터링부(256)를 거친 RAW 데이터를 데이터 저장부(254)에 제공(S707)한다.

여기서, 3차원 계측부(222)의 데이터 필터링부(256)는 3차원 형상측정 결과인 RAW 데이터를 데이터저장부(254)에 저장(S709)한 다음에 RAW 데이터에 대하여 도 4에서와 같이 Y축 방향(레일 길이 방향), Z축 방향(세로 높이 방향)으로 각각 유클리디안 거리(Euclidean distance)를 상술한 수학식 1에 적용하여 기설정된 기준거리 이상이면 그룹을 증가시키면서 데이터 클러스터링(clustering)을 도 6에 도시된 바와 같이 수행(S711)한다.

이후, 3차원 계측부(222)의 데이터 필터링부(256)에서는 수행된 각 클러스터의 집합 중심과 경계값(예컨대, 최소와 최대 Y값)을 계산하여 데이터 저장부(254)에 저장하는 과정을 기설정된 기준 횟수(예컨대, 50프레임(Frame)) 만큼 수행되는지를 체크(S713)한다.

상기 체크(S713)결과, 기설정된 횟수만큼 수행되지 않으면 체크(S713)과정을 계속적으로 수행하는 반면에, 상기 체크(S713)결과, 기설정된 횟수만큼 수행되면 현재 프레임에서 최대 크기(Size)를 갖는 클러스터 그룹(예컨대, 면적이 넓게 분포되어 있는 클러스터 그룹을 의미함)을 데이터 저장부(254)를 통해 찾는다(S715).

데이터 필터링부(256)는 곡판 부재(206)에 해당하는 클러스터를 알고 있음에 따라 데이터 저장부(254)를 통해 X축 방향(도 4 참조)으로 계측하면서 메인 클러스터의 중심과 경계값(예컨대, 최소와 최대 Y값)을 계산하여 데이터 저장부(254)에 저장(S717)하며, 이 과정에서 마이너(Minor) 클러스터가 발생되면 상술한 수학식 1의 유클리디안 거리를 적용하여 발생된 마이너 클러스터를 필터링(S719)한다. 이러한 과정을 거쳐 필터링된 RAW 파일은 제어부(300)를 통해 메모리부(400)에 저장된 후 OLP에 제공된다.

따라서, 본 발명은 계측시스템 자체적으로 노이즈 필터링 선행화 작업을 수행함으로써, 기존에서와 같이 모델링 제어기에 의해 수행됨에 따라 발생되는 3차원 표면 모델링 시간의 부하와 모델링 제어기에 걸리는 프로세서 부하를 줄일 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 비접촉식 3차원 형상 계측시스템에서 3차원 스캐닝을 위한 겐트리 로봇 이동 거리 예시도,

도 2는 3차원 형상 계측결과를 도시한 도면,

도 3은 필터링 전 RAW 데이터의 도면,

도 4는 본 발명의 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 사시도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 필터링 방법을 위한 블록 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 클러스터링(clustering) 과정을 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예가 적용되는 멀티-LVS를 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측시스템의 필터링 방법을 위한 상세 흐름도.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

200 : 겐트리 로봇 202 : 멀티 레이저 비전 시스템

220 : CCD 카메라 204 : 레이저빔 출사부

222 : 3차원 계측부 224 : 비전 제어부

100 : 계측 버튼부 300 : 제어부

400 : 메모리부

Claims

(a)피계측물에 대하여 레이저빔 출사부 및 CCD 카메라를 통해 RAW 데이터를 계측하는 단계와,

(b)상기 계측된 RAW 데이터에 대하여 데이터 필터링부를 통해 유클리디안 거리(Euclidean distance)를 이용하여 클러스터링(clustering)을 수행하는 단계와,

(c)상기 (b)단계에서 클러스터링이 수행된 결과인 각 클러스터의 집합 중심과 경계값을 상기 데이터 필터링부를 통해 계산하는 단계와,

(d)상기 (b)단계 및 (c)단계를 기설정된 횟수만큼 반복시켜 최대 크기(Size)를 갖는 클러스터 그룹을 상기 데이터 필터링부를 통해 찾는 단계와,

(e)상기 (b)단계에서 클러스터링이 수행된 결과인 각 클러스터를 탐색하여 상기 데이터 필터링부를 통해 마이너(Minor) 클러스터를 찾아내어 필터링하는 단계

를 포함하는 계측시스템의 필터링 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 방법은,

(f)상기 데이터 필터링부에서 데이터 저장부에 저장된 클러스트를 통해 메인 클러스터의 집합 중심과 경계값을 계산하는 단계와,

(g)상기 데이터 필터링부에서 상기 메인 클러스터를 탐색하여 마이너 클러스터를 찾아내어 필터링하는 단계

를 더 포함하는 계측시스템의 필터링 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 방법은,

(h)상기 계측된 RAW 데이터를 데이터 저장부에 저장하고, 상기 계산된 각 클러스터의 집합 중심과 경계값을 상기 데이터 저장부에 저장하며, 상기 계산된 메인 클러스터의 집합 중심과 경계값을 상기 데이터 저장부에 저장하는 단계

를 더 포함하는 계측시스템의 필터링 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 피계측물은, 곡면 형상을 가지는 부재인 것을 특징으로 하는 계측시스템의 필터링 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 기설정된 횟수는, 50프레임(Frame)인 것을 특징으로 하는 계측시스템의 필터링 방법.