KR101064161B1 - 스테레오 카메라 세트를 갖는 스캐닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 스캐닝 시스템은 물체(40)의 정성적 및 정량적 이상(anomaly)들을 검출하기 위한 하나 이상의 스테레오 카메라 세트(10)들을 포함한다. 각각의 스테레오 카메라 세트(10)는 두 개의 카메라(12, 14)와 프로젝터(16)를 포함한다. 각각의 카메라(12, 14)는 광학계의 결합들과 CCD 매트릭스 어레이(18)의 오정렬로 인한 모든 수차(distortion)를 수정하도록 보정된다. 프로젝터(16)는 측정될 물체(40) 상에 절대 인코딩된(absolute encoded) 패턴(32, 34, 36)을 투사하고, 방출된 전자기 에너지의 강도를 적외선, 가시광선 및 자외선 스펙트럼에서 변화시킬 수 있다. 다수의 카메라 세트(10)가 3차원 공간(26; 3-dimensional room) 내의 물체(40)의 이상들을 검출할 수 있는 스캐닝 시스템 매트릭스(42, 44)로 조합될 수 있다. 3차원 공간(26)은 스테레오 카메라 세트(10)의 개수에 따라 임의의 원하는 사이즈일 수 있다. 카메라(12, 14)들로부터의 데이터는 디지털 신호 처리기(66)들을 통해 측정 표시를 위해 컴퓨터 인터페이스(64)로 송신되기 전에 게이트 어레이(62)들에 의해 사전-처리된다. 결과적으로, 전송되는 데이터의 양이 간소화되어, 작업 시간을 단축하고 스캐닝 시스템이 매우 짧은 시간동안에 물체(40)의 이상들을 매우 정확하게 검출할 수 있게 한다.
카메라, 스캐닝, CCD, 적외선, 자외선, 수차

Description

스테레오 카메라 세트를 갖는 스캐닝 시스템{SCANNING SYSTEM WITH STEREO CAMERA SET}
본 발명은 일반적으로 표면 검사 시스템에 대한 것이고, 특히 하나 이상의 스테레오 카메라 세트를 사용하여 고정밀도로 물체의 이상들을 검출하기 위한 고속 스캐닝 시스템에 대한 것이다.
많은 양의 광학 정보를 포착하는 뛰어난 능력을 갖는 인간의 눈조차도 매우 정밀한 공차를 요구하는 부품들의 품질관리를 위해 충분한 정밀도 및 정확도로 측정할 수는 없다. 적절한 측정을 달성하는데 실패하면 광범위한 문제들이 발생할 수 있다. 예를 들어, 자동차 엔진의 부품들에 대한 치수 공차들을 유지하는데 실패하면 시스템 수명 감소로부터 정상 상태로부터 벗어나 고장날 가능성이 증가하는 것까지 다양한 문제들이 일어날 수 있다. 제조 시설에서 시험하는 레이저 시스템이 치수 공차들을 만족하는데 실패한 것으로 인한 문제들을 검출할 수 있는 경우에도, 결함있는 시스템들로 인한 용납할 수 없이 높은 반품율이 발생할 수 있다.
또한, 인간의 눈이 요구되는 검사를 수행할 수 있을 때에도, 피로, 조명, 주의 산만 등과 같은 요인들이 인간에 의한 검사를 신뢰할 수 없게 한다.
현대에는, 피로, 주의 산만 등의 요인들로 인한 종종 예측불가능한 문제들을 회피하기 위해 인간의 눈에 의한 검사가 사용되는 응용예들을 최소화하고자하는 시도로서, 산업계는 컴퓨터화된 검사 시스템들의 구현 쪽으로 점점 전환되고 있다. 그러나, 이러한 시스템들에서, 광학 검사 장치의 분해능이 인간의 눈보다 훨씬 낮다.
현재, 많은 전자 촬상 카메라들이 종종 광검출기(photodetector)로서, 전하전송소자(CCD)로 알려진 타입의 광 감지 소자들의 2차원 어레이들을 사용한다. 영상 촬영을 위해 입수 가능한 여러 가지 비교적 저렴한 컬러 및 흑백 어레이 CCD 검출기가 있지만, 이들은 상술한 바와 같이 낮은 품질의 영상을 만들어낸다. 보다 상세하게는, CCD 검출기들 및 다른 화상 촬상 장치들은 비교적 낮은 화소수의 문제를 겪는다. 예를 들어, CCD 광검출기 어레이는 약 2048 대 2048 화소의 분해능을 갖는 품질의 화상들을 만드는 능력을 갖는다. 그러나, 이들 어레이는 현재 매우 고가이다. 또한, 이들 매우 큰 어레이들은 비-작동 화소, 비-작동 화소 클러스터, 또는 비-작동 화소 라인과 같은 결함들을 갖는 경향이 있다. 매우 높은 품질의 화상들이 요구될 때, 이러한 타입의 전자 촬상 시스템은 매우 고가일 뿐만 아니라, 이러한 시스템들은 고품질, 고정밀도 측정을 수행할 수도 없을 수 있다.
선형 광검출기들은 어레이 검출기들보다 훨씬 싼데 왜냐하면 이들은 훨씬 적은 화소를 가져 따라서 훨씬 높은 제조 수율을 갖기 때문이다. 그러나, 명백히 선형 광검출기들은 임의의 주어진 시점에서 이들이 갖고 있는 광 감지 장치들의 단일 라인을 사용하여 화상의 정보의 단 하나의 라인을 촬상할 수 있다. 따라서, 선형 광검출기는 전체 화상을 한줄씩 스캔해야 한다.
카메라의 화상 면에 걸쳐 선형 광검출기를 이동하기 위한 기계적 스캐닝 조립체를 사용하여 동일한 사항이 달성된다. 일반적으로 이러한 타입의 시스템들은 1) 기계적 스캐닝 조립체의 정상 상태 작동의 정밀도에 의존하여, 2) 스캔 개시 중에 동일한 과도 병진 운동을 가정하고, 3) 병진 운동이 시간에 걸쳐 균일하다고 가정하여 화상 데이터를 유도한다. 이러한 시스템은 상업용 사진을 위한 고품질 디지털 화상들을 만드는데는 적합하지만, 고정밀 측정을 하는데 사용하기에는 부적절하다.
보다 상세하게는, 스캐닝 조립체의 기계적 불규칙성은 고정밀 화상 정보의 생성, 즉 이러한 시스템들에 의해 정밀 제조 환경에서 치수 공차를 확인하기 위해 적합한 화상 데이터를 포착할 수 없게 한다.
따라서, 이러한 부품의 특징부들을 정밀하게 측정할 수 있게 충분한 정밀도로 부품의 단일 화상을 포착하는 장치를 만드는 것이 유익하다.
본 발명의 일 실시예들에서, 스캐닝 시스템은 한 쌍의 카메라 및 프로젝터를 포함하는 스테레오 카메라 세트를 포함한다. 각각의 카메라는 도트 매트릭스 참조 시스템에 근거하여 수차(distortion)에 대해 수정되는 광학 시스템 및 CCD 매트릭스 어레이를 갖는다. 프로젝터는 가변 광원과 인쇄된(engraved) 절대 인코딩된(absolute encoded) 패턴을 갖는 글래스 슬라이드(glass slide)를 포함한다. 스캐닝 시스템은 물체가 3차원 공간 내에 배치되었을 때 물체의 표면 상의 이상들을 검출한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 스캐닝 시스템에서 데이터를 프로세싱하는 방법은:
계층적 배치를 사용하여 스테레오 카메라 세트로 물체의 표면을 스캐닝한 데이터의 어레이를 프로세싱하고, 스테레오 카메라 세트의 카메라에 연결된 게이트 어레이는 데이터의 어레이로부터의 데이터가 물체의 인식에 필요한지 판정하고, 데이터의 어레이로부터의 데이터가 컴퓨터와 상호작용하는 작업에 필요한지 판정하는 단계;
컴퓨터와 상호작용하는 작업에 필요한 데이터의 어레이로부터의 데이터만을 디지털 신호 프로세서를 통해 컴퓨터에 전송하는 단계; 및
컴퓨터에서 컴퓨터와 상호작용하는 작업에 필요한 데이터를 표시하는 단계들을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오 카메라 세트를 포함하는 스캐닝 시스템의 평면도.
도 2는 보정 과정 후에 수정된 매트릭스 도트들과 수정되지 않은 매트릭스 도트들을 예시하는 CCD 매트릭스를 갖는 스테레오 카메라 세트에 사용되는 카메라의 2차원 도트 매트릭스 어레이의 도면.
도 3은 본 발명의 스테레오 카메라 세트의 각각의 카메라를 보정하는데 사용되는 보정 장치의 사시도.
도 4는 본 발명의 3차원 공간을 형성하는 스테레오 카메라 세트를 보정하는데 사용되는 보정 장치의 입면도.
도 5는 도 4의 보정 장치를 사용하는 본 발명의 스테레오 카메라 세트의 보정 도중의 삼각측량 방법의 평면도.
도 6은 본 발명의 스테레오 카메라 세트의 보정 도중의 각각의 선택된 높이에서 완성된 원에서 회전하는 기준 패턴의 평면도.
도 7은 본 발명의 스테레오 카메라 세트에 사용된 프로젝터의 개략도.
도 8은 본 발명의 원리들에 따라 프로젝터에 의해 측정되는 물체의 표면 상에 투사된 절대 인코딩된 줄무늬 패턴의 평면도.
도 9는 본 발명의 원리들에 따라 프로젝터에 의해 측정되는 물체의 표면 상에 투사된 절대 인코딩된 둥근 패턴의 평면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 스테레오 카메라 세트를 갖는 고정된 스캐닝 매트릭스 시스템의 사시도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 스테레오 카메라 세트를 갖는 이동가능한 스캐닝 매트릭스 시스템의 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 스캐닝 매트릭스 시스템을 보정하는데 사용되는 보정 장치의 입면도.
도 13은 본 발명의 스테레오 카메라 세트의 각각의 카메라로부터의 데이터를 처리하기 위한 계층 배치의 블록도.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스캐닝 시스템은 일반적으로 도면부호 10으로 도시된 스테레오 카메라 세트를 포함하며, 이는 카메라(12, 14)와 같은 한 쌍의 광학 장치와 프로젝터 등과 같은 조명 장치(16)를 포함한다. 스테레오 카메라 세트(10)의 카메라(12, 14)와 프로젝터(16)는 프레임(17)에 부착 또는 장착될 수 있다. 카메라(12, 14)는 바람직하게는 당업계에 공지된 타입의 전하전송소자(CCD)의 매트릭스 어레이를 갖는 카메라들이다. 또한, 본 발명은 카메라의 타입에 의해 제한되지 않고, 본 발명은 상보형 금속 산화 반도체(complementary metal oxide semiconductor; CMOS) 기술 등을 사용하는 카메라와 같은 임의의 바람직한 타입의 카메라로 실시할 수 있다.
예를 들어, CCD 매트릭스 어레이를 사용하는 이상적인 카메라는 도 2에 흰색 도트들로 도시된 바와 같은 매트릭스 도트(20)들의 도트 매트릭스 기준 시스템(18)을 "보거나" 또는 검출하는 완벽하게 배치된 CCD 매트릭스 어레이와 무-수차 광학 시스템(예를 들어, 렌즈)을 갖는다. 그러나, 실제로는, 카메라(12, 14)는 CCD 매트릭스 어레이의 배치에 결함들 및 광학 시스템(15) 내에 약간의 수차를 포함하여, 도 2에 도시된 바와 같은 매트릭스 도트(20)들의 왜곡된 위치를 검출한다. 각각의 카메라(12, 14)가 검출한 수차의 양은 CCD 매트릭스 어레이의 결함과 광학 시스템(15)의 결점들의 정도에 의존한다.
본 발명의 일 특징은 각각의 카메라(12, 14)에서 CCD 매트릭스 어레이의 배치의 결함들과 광학 시스템의 임의의 수차를 수정하기 위해 보정 절차를 사용하여 광학 시스템(15)의 각각의 카메라(12, 14)를 보정하여 각각의 카메라(12, 14)의 광학 시스템들의 수차와 결함들을 수정하는 방법이다. 보정 절차의 결과, 본 발명의 스캐닝 시스템은 여전히 약간의 수차를 포함할 수 있는 고가의 고-해상도 CCD 매트릭스 카메라가 아니라, 임의의 바람직한 비교적 저렴한 보정된 카메라를 사용할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 각각의 카메라(12, 14)의 보정은 매우 정확한 좌표 위치결정 장치(24) 상에서 각각의 카메라(12, 14)의 시야(22; field of view) 내에서 도트 매트릭스 기준 시스템(18)의 각각의 도트(20)의 위치를 측정하여 이루어진다. 상세하게는, 도트 매트릭스 기준 시스템(18)의 각각의 도트(20)의 위치는 측정된 좌표를 갖는다. 그 다음에, 도트 매트릭스 기준 시스템(18)의 각각의 도트(20)의 위치에 대해 측정된 좌표는 후술한 바와 같이 3차원 공간에서 사용된다. 각각의 측정에 대해, 카메라(12, 14)의 수차는 당업계에 공지된 삼각측정 및 통계학적 공식을 사용하여 수학적으로 완전히 수정된다.
상술한 보정 절차를 사용하여, 광학 시스템(15)의 각각의 카메라(12, 14)의 CCD 매트릭스 어레이의 각각의 화소는 광학 시스템(15)에서의 정렬 오류들 및 결함들에 대해 수정된다. 결과적으로, 본 발명은 카메라의 타입에 의해 제한되지 않고, 본 발명은 카메라의 분해능 정도에 무관하게 임의의 바람직한 카메라를 사용하여 실시될 수 있다. 물론, 보다 높은 해상도를 갖는 카메라들이 사용될 수 있고 상술한 보정 과정에 의해 카메라를 보다 적게 수정하게 된다. 본 발명의 스캐닝 시스템과 함께 사용되는 각각의 카메라는 결과적으로 동일한 보정 절차를 사용하여 수정 및 보정된다.
이제 도 4 및 도 5를 참조하면, 일단 각각의 카메라(12, 14)가 광학 시스템(15)의 각각의 카메라(12, 14)의 CCD 매트릭스 어레이의 결함들과 정렬 오류들에 대해 보정되면, 카메라(12, 14; 스테레오 카메라들)들을 갖는 스테레오 카메라 세트(10)가 서로를 향해 배향되고 3차원 공간(26) 내에서 보정된다. 일반적으로 도면부호 70으로 도시된 보정 장치는 정렬 패드(74) 상에 장착된 플랫폼(72)을 포함한다. 코드 플레이트(76; code plate)가 코드 플레이트(76)를 완전한 원으로 정확히 회전시킬 수 있는 로터리 인코더(78; rotary encoder)에 회전가능하게 커플링된다. 코드 플레이트(76)는 기준 패턴(28), 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 기준 패턴(28)을 포함한다. 보정 장치(70)는 z-방향 E는 수직 방향에서 스테레오 카메라 세트(10)를 정확히 선형 이동시킬 수 있는 선형 인코더(80)를 또한 포함한다. 하나 이상의 안내 부재(82)가 포함되어 z-방향에서 스테레오 카메라 세트(10)의 정확한 선형 이동을 도울 수 있다.
보정 측정은 z-방향에서 선택된 높이에서 기준 패턴(28)을 검출하여 스테레오 카메라 세트(10)에 의해 취해진다. 스테레오 카메라 세트(10) 내에서의 투사의 상호영향은 도 5에 도시된 바와 같이 가상 기준면(84)을 정하기 위해 당업계에 공지된 삼각측정 함수를 사용하여 계산된다. 결과들은 당업계에 공지된 통계적 방법들을 사용하여 보다 축소되고 평가된다. 통계적 방법들은 데이터를 대량으로 감소시키는 효과를 갖고, 물체(40)의 측정을 수행하는데 필요한 시간의 양을 크게 감소시켜, 측정 속도를 증가시킨다.
각각의 보정 측정 후에, 기준 패턴(28)은 예정된 증분, 예를 들어, 5°, 10° 등만큼 회전되고, 다른 보정 측정이 취해진다. 이 과정은 기준 패턴(28)이 360°를 완전히 회전할 때까지 반복된다. 그 다음에, 스테레오 카메라 세트(10)는 z-방향에서 예정된 양, 예를 들어, 5mm, 10mm, 20mm 등만큼 이동하고, 보정 과정이 새로운 선택된 높이에서 반복된다. 보정은 일단 카메라(12, 14)가 z-방향에서 예정된 거리, 예를 들어, 700mm 등을 이동하면 완료된다. x- 및 y-방향에서 카메라의 시야에 의해 한정되는 면적, 예를 들어, 300mm 대 450mm, 카메라가 z-방향에서 이동하는 거리, 예를 들어, 700mm는 3차원 공간(26)의 체적을 정한다. 보정 과정이 3차원 공간(26)의 임의의 원하는 치수에 대해 수행될 수 있으므로, 본 발명은 3차원 공간(26)의 사이즈에 제한되지 않고, x-, y-, z-방향에서 보정 치수에 따라 임의의 원하는 사이즈일 수 있다.
일단 모든 측정이 취해지면, 측정 데이터는 스테레오 카메라 세트(10)의 전체 정밀도를 보장하기 위해 기계적 및 온도 영향들의 데이터가 고려된 참조표(lookup table)의 형태로 정돈된다. 또한, 참조표를 사용하면 오류 전파, 계통적, 및 비-계통적 오류들이 전체 스캐닝 측정에 걸쳐 회피됨을 보장한다. 스테레오 카 메라 세트(10)의 보정 후에, 스테레오 카메라 세트(10)는 40μ 이상의 정밀도를 갖는지 검증되었다. 개선된 광학장치(렌즈)와 연계하여 보다 큰 CCD 매트릭스 어레이들을 갖는 카메라들을 사용하면 정밀도가 훨씬 증가될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 스테레오 카메라 세트(10)에 사용되는 프로젝터(16)는 예를 들어, 글래스 슬라이드 상에 인쇄된 절대 인코딩된 패턴(32)과 광학 시스템(30; 즉, 렌즈 등)을 포함한다. 일 절대 인코딩된 패턴(32)은 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 줄무늬 패턴(34)을 포함할 수 있다. 다른 절대 인코딩된 패턴(32)은 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같은 둥근 패턴(36)을 포함할 수 있다. 다른 절대 인코딩된 패턴들이 본 발명에 고려됨이 이해될 것이다. 둥근 패턴(36)은 줄무늬 패턴(34)보다 바람직할 수 있는데 왜냐하면 3차원 측정을 수행하는데 단 하나의 카메라 세트(10)가 필요한 반면, 줄무늬 패턴(34)을 사용할 때는 두 개의 카메라 세트(10)가 필요하기 때문이다[하나의 스테레오 카메라 세트(10)는 x-방향에서 줄무늬 패턴(34)을 투사하고 다른 스테레오 카메라 세트(10)는 y-방향에서 줄무늬 패턴(34)을 투사함].
다시 도7을 참조하면, 프로젝터(16)는 적외선, 가시광선 또는 자외선 주파수에서 전자기 에너지를 방출할 수 있는 광원(38)을 또한 포함한다. 전자기 에너지의 강도는 광원에 의해 변할 수 있다. 전자기 에너지가 방출되는 스펙트럼(적외선, 가시광선 또는 자외선)은 측정되는 물체의 표면 특성에 따라 다르다. x-선(x-ray)과 같은 다른 주파수의 전자기 에너지도 본 발명에 의해 고려됨이 이해될 것이다.
광원(38)의 목적은 물체(40)의 표면 상에 검출가능한 광학 기준 구조를 제공 하기 위해 물체(40)의 임의의 주어진 표면 상에 절대 인코딩된 패턴(32)을 투사하는 것이다. 절대 인코딩된 패턴(32)을 투사하는 것은 물체(40)의 표면의 "정성적" 조건 및/또는 "정량적" 조건과 같은 물체(40)의 표면 상의 이상들을 수학적으로 측정할 수 있게 한다. 물체(40)의 정성적 조건은 예를 들어, 움푹한 자국, 표면 결함, 변형 등을 포함한다. 물체(40)의 정량적 조건은 예를 들어, 물체의 두 부분들 사이의 상대 높이[수평(flush)], 갭, 구멍의 직경 등을 포함한다.
스테레오 카메라 세트(10)가 물체(40)의 표면 상의 이상을 스캔 및 측정하기 전에, 물체(40)의 표면 특성이 검출되고 물체(40)의 표면 특성과 직접 관련한 적절한 조명에 대해 수정하는데 사용된다. 예를 들어, 광원의 주파수가 색상, 반사율 등과 같은 물체(40)의 표면의 광학적 특성에 따라 바뀔 수 있다. 크롬, 연마된 금속 등과 같은 반사 표면들, 흑색, 적색 등과 같은 상이한 색상은 스캔하기 어려우므로, 프로젝터(16)는 물체(40)의 표면 조건에 따라 선택된 주파수에서 전자기 에너지를 방출할 수 있다. 예를 들어, 프로젝터(16)는 회색 표면 또는 고 반사율 표면과는 상이한 주파수에서 적색 표면에 대해 전자기 에너지를 방출할 수 있다. 선택된 주파수들에서 전자기 에너지를 방출하여, 반사율, 과다노출과 같은 원하지 않은 결과들 및/또는 다른 빛-표면 측정에 관한 문제들이 회피된다. 광 주파수들을 사용하는 것과 함께, 편광 필터(도시 않음)들이 측정되는 물체의 반사율에 따라 사용될 수 있다.
예를 들어, 광원(38)은 녹색, 청색 및 적색의 색상의 3가지(또는 그 이상)의 기본 광원을 포함할 수 있다. 검출된 표면 색상 및 환경, 예를 들어, 반사율에 근 거하여, 방출된 광의 색상의 주파수가 물체에 적합한 조명을 위해 혼합되는 녹색, 청색 및 적색의 원색들을 사용하여 수정 및/또는 혼합될 수 있다. 자외선 광을 또한 포함하는 전체 광 주파수 대역이 사용될 수 있다.
광원(38)의 주파수는 컬러 필터(도시 않음)를 사용하여 바뀔 수 있다. 또한, 광원(38)으로부터 방출된 전자기 에너지의 강도와 광원(38)으로부터 방출된 전자기 에너지의 타이밍이 바뀔 수 있다. 예를 들어, 광원(38)은 스트로브(strobe) 광 등에서와 같이 예정된 시간 간격에서 전자기 에너지를 방출할 수 있다. 스테레오 카메라 세트(10)로 3차원 측정을 수행하기 위해, 절대 인코딩된 패턴(32)을 x-, 및 y-방향에서 이동할 필요가 있을 수 있다. 패턴(32)이 절대 인코딩되었기 때문에, 절대 인코딩된 패턴(32)은 스텝 모터와 캠 등과 같은 정밀한 기계적 제어 메커니즘을 사용하여 이동되어야 한다.
카메라(12, 14) 쌍과 프로젝터(16)를 포함하는 스테레오 카메라 세트(10)는 시야(26)를 커버하고, 시야가 형성된 만큼 넓게 물체(40)의 표면을 스캔하는데 사용된다. 카메라(12, 14)는 임의의 수차들을 수정하기 위해 이전에 보정되었고, 프로젝터(16)가 특수한 특징들을 가지므로, 스테레오 카메라 세트(10)는 ±50 마이크로 mm이상의 계수로 매우 정확하게 물체(40)의 정성적 및 정량적 표면 조건을 측정할 수 있다. 시험들은 줄무늬 패턴(36)에 비해 둥근 절대 인코딩 패턴(38)이 전체적 정밀도를 향상시킴을 확인하였다. CCD 카메라가 아니라 CMOS 카메라들을 사용하면 스테레오 카메라 세트의 정밀도를 약 ±5 마이크로 mm까지 증가시킨다.
본 발명의 일 특징에서, 스캐닝 시스템은 도 10에 도시한 바와 같이, 3차원 공간(26)에서 넓은 표면들을 스캐닝할 수 있는 고정된 스캐닝 매트릭스(42)를 형성하기 위해, 다수의 스테레오 카메라 세트(10), 예를 들어, 9개의 스테레오 카메라 세트(10)를 포함할 수 있다. 그러므로, 개개의 스테레오 카메라 세트(10)는 측정되는 물체(40)의 결과들을 만족시키기 위해 상이한 배치로 정렬된다. 스캐닝 매트릭스(42)는 제한되지 않은 개수의 개개의 스테레오 카메라 세트(10)를 포함할 수 있고, 측정되는 물체의 사이즈에 의해서만 제한된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 스캐닝 시스템은 도 11에 도시된 바와 같이 자동차와 같은 물체(40)의 이상들을 검출할 수 있는 이동가능한 스캐닝 매트릭스(44)를 형성하기 위해 다수의 스테레오 카메라 세트(10)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 이동가능한 스캐닝 매트릭스(44)는 3개의 개별적인 스캐닝 매트릭스(44a, 44b, 44c)를 포함한다. 스캐닝 매트릭스(44a, 44b, 44c)는 각각 화살표(46, 48)로 나타낸 바와 같이, 물체(40)의 각각의 측면 상에서 수평 방향에서 선형 왕복운동할 수 있다. 스캐닝 매트릭스(44c)는 화살표(50)로 나타낸 바와 같이 수직 방향(z-방향)에서 선형 왕복운동하고 화살표(52)로 나타낸 바와 같이 회전운동할 수 있다.
상술한 바와 같이 각각의 스테레오 카메라 세트(10)를 보정한 후, 하나 이상의 스테레오 카메라 세트(10)의 스캐닝 매트릭스(42, 44)가 도 12에 도시한 바와 같이, 매트릭스(42, 44)에서 관여하는 모든 단일 스테레오 카메라 세트(10)들을 조합하여 보정된다. 예를 들어, 24개의 스테레오 카메라 세트(10)를 위한 보정 유닛(90)이 조합되어 약 1500mm 대 1500mm의 스캐닝 매트릭스를 형성할 수 있다. 보정 은 도 4 내지 도 6에서 상술한 바와 같이, 단일 스테레오 카메라 세트(10)와 유사하게 수행된다. 1500mm × 1500mm × 700mm의 스캐닝 영역을 커버하기 위해 z-방향에서 이동하지 않고 로터리 인코더(94)를 사용하여 360° 회전하는 약 1000mm의 길이를 갖는 로터리 코드 플레이트(92)를 다시 사용한다.
스캐닝 측정을 수행할 때, 현재 사용가능한 기술[예를 들어, 프레임 그래버(frame grabber)]을 사용하여 연산되어야 하는 데이터의 양은 필요한 연산력에 매우 높은 영향을 미친다. 그러므로, 종래의 스캐닝 시스템들을 통한 화상 인식을 사용하는 많은 양의 병렬 처리는 매우 많은 시간을 소모한다.
이제 도 13을 참조하면, 속도와 데이터 처리에 관해 가능한한 효율적으로 스캐닝 매트릭스(42, 44)의 임의의 개수의 카메라(12, 14)를 연결하기 위해; 데이터 처리 및 상호작용을 위한 계층적 배치(60)가 본 발명에 의해 구현되어 있다. 본 발명에서, 계층적 배치(60)는 비제한적인 양의 카메라들[일체화된 스테레오 카메라 세트(10)]로부터의 데이터를 처리할 수 있다. 계층적 배치(60)는 각각의 카메라(12, 14)에 대해 물체 인식을 위해 처리 또는 "크런치(crunched)"될 필요가 있는 모든 데이터가 게이트 어레이(62)에서 연산됨을 보장하는 기능적 원리에 근거한다. 게이트 어레이(62)들은 연산 결과들 및 개인용 컴퓨터(64; PC)와 상호작용하는 작업을 하는데 요구되는 (즉, 디스플레이 스크린에 물체를 표시하는) 필요한 양의 데이터만이 디지털 신호 처리기(66; DSP)들을 통해 PC(64)의 입력/출력(I/O) 인터페이스에 전달됨을 보장하도록 프로그래밍된다. 카메라(12, 14)에 의한 물체 인식의 연산에 원래 필요한 모든 다른 데이터는 게이트 어레이(62)에서 연산을 완료한 후 에 무시된다. 그러므로, 무시된 데이터는 PC(64)의 I/O 인터페이스에 전송되지 않는다. 결과적으로, 전송되는 데이터의 양을 간소화하는 효과가 달성되어, PC(64)의 필요한 연산 조건들을 최소화하여, 스캐닝 시스템이 매우 짧은 시간에 물체(40)의 이상들을 정확히 검출할 수 있게 한다. 또한, 전달될 데이터의 양에 대한 감소 효과는 물체(40)의 넓은 표면들을 측정하기 위한 총 작동 시간을 감소시킨다.
프로그래밍된 게이트 어레이들이 데이터를 사전-처리하므로, DSP(66)들은 인터페이스 처리만을 위한 것이다. 오히려, DSP(66)들의 목적은 시스템 버스(system bus)로서 작용하고 게이트 어레이(62)들로부터의 데이터를 PC(64)의 I/O로 전달하는 중에 타이밍 문제가 없음을 보장하는 것이다. 데이터의 양은 물체(40)의 물리적 특성에 따라, 하나 이상의 스캐닝 매트릭스(44a, 44b, 44c)에서 원하는 개수의 스테레오 카메라 세트(10)를 선택하여 또한 감소될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 작은 물체가 측정되면, 본 발명의 스캐닝 시스템은 물체(40)를 측정할 수 있기에 충분한 양의 데이터를 제공하는 하나 이상의 스캐닝 매트릭스(44a, 44b, 44c)를 위한 적은 개수의 스테레오 카메라 세트(10)만을 선택할 수 있다. 다른 한편, 대형 물체(40)를 측정하는 경우에는, 스캐닝 시스템은 물체(40)를 측정하기 위해 보다 많은 개수의 스테레오 카메라 세트(10)를 선택할 수 있다.
본 발명은 그 특정한 한정된 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었지만, 이는 예시를 위한 것이고 한정하고자 하는 것이 아니고, 첨부된 청구범위는 종래기술이 허용하는 만큼 넓게 해석되어야 함이 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 물체(40)가 3차원 공간(26) 내에 배치될 때 상기 물체의 표면 상의 이상(anomaly)을 검출하는 스캐닝 시스템으로서,
    한 쌍의 카메라(12,14)를 갖는 보정된 스테레오 카메라 세트(10); 및
    그 위에 절대 인코딩된 패턴(32)을 가진 매체(medium)와 상기 물체(40)의 표면 상에 상기 절대 인코딩된 패턴(32)을 프로젝팅하기 위한 광원(38)을 갖는 프로젝터(16)를 포함하고,
    상기 한 쌍의 카메라(12, 14) 각각은 보정 절차에 따라 수차(distortion)가 수정되는데, 상기 보정 절차는 각각의 카메라(12, 14)의 시야(22; field of view) 내에 도트 매트릭스 기준 시스템(18)의 매트릭스 도트(20)들 각각의 위치를 측정하는 단계와, 상기 스테레오 카메라 세트(10)는 복수의 선택 가능한 수직 위치 중 하나에 위치하면서 상기 도트 매트릭스 기준 시스템(18)을 2차원에서 이동함으로써 상기 스테레오 카메라 세트(10)를 보정하고 상기 3차원 공간(26)을 정의하는 단계를 포함하는,
    스캐닝 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 공간(26) 내의 상기 물체(40)의 표면을 스캐닝하기 위해 스캐닝 매트릭스(42, 44)에 배치된 다수의 카메라 세트(10)를 추가로 포함하는 스캐닝 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로젝터(16)의 상기 광원(38)은 상기 물체(40)의 표면 상에 3개의 상이한 주파수에서 전자기 에너지를 방출할 수 있고, 상기 광원(38)은 전자기 에너지의 상기 3개의 상이한 주파수 각각의 강도를 변화시킬 수 있는 스캐닝 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광원(38)의 주파수는 상기 물체(40)의 표면의 광학 특성에 따라 선택되는 스캐닝 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 프로젝터(16)는 제 1 방향과 제 2 방향 모두에서 상기 절대 인코딩된 패턴(32)을 방출하는 스캐닝 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 가시광의 형태인 스캐닝 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 주파수 및 강도는 시간의 함수로서 변하는 스캐닝 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절대 인코딩된 패턴(32)은 줄무늬 패턴(34)를 포함하는 스캐닝 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절대 인코딩된 패턴(32)은 둥근 패턴(36)을 포함하는 스캐닝 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 물체(40)는 데이터의 어레이로부터의 어떤 데이터가 상기 물체(40)의 인식에 필요한지와 어떤 데이터가 컴퓨터 인터페이스 연산에 필요한지를 판정하는 게이트 어레이(62)에서의 계층적 배치(60)를 사용하여 상기 스테레오 카메라 세트(10)에 의해 인식되는 스캐닝 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광원(38)은 상기 광원(38)으로부터 방출되는 전자기 에너지의 강도를 변화시키는 스캐닝 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 물체(40)로부터 방출되는 전자기 에너지의 스펙트럼은 상기 물체(40)의 표면의 특성에 따라 달라지는 스캐닝 시스템.
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