KR101088597B1

KR101088597B1 - 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치 및 측정방법

Info

Publication number: KR101088597B1
Application number: KR1020090054727A
Authority: KR
Inventors: 강철권
Original assignee: 강철권
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-12-06
Also published as: KR20100136588A

Abstract

본 발명은 종래 기술에 있어서 3차원 측정장치의 투광기의 광원에서 나온 빛은 투광렌즈를 통과할 때 렌즈굴절로 인해 각기 다른 방향으로 투사되며, 각 투사각도에 따라서 광원의 위치도 제각각이기 때문에 3차원 측정의 스캔단계에서 측정 오차를 유발하게 되었고, 정밀도에 따라 고부가가치를 가지는 3차원 측정장치에 있어서 치명적인 결함으로 작용하는 문제가 있었는 바, 3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서 직교 줄무늬패턴을 이용함으로써 보다 정밀한 3차원 측정을 할 수 있는 3차원 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 미크론(micron) 단위의 고정밀 3차원 측정분야에서 사용할 수 있게 되었고, 1대의 카메라만을 사용함으로써 고가의 카메라 2대를 사용하는 스테레오 비전 측정방식에 비해 경제적이며, 카메라가 1대이기 때문에 전체 시스템의 크기를 줄여 가볍고 휴대가 간편해졌다.

직교 줄무늬패턴, 3차원 측정, 투광기 캘리브레이션

Description

직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치 및 측정방법 {DEVICE FOR MEASURING 3-D SHAPE USING ORTHOGONAL FRINGE PATTERNS AND METHOD FOR THE SAME}

도 1은 카메라 1대와 투광기 1대를 사용한 3차원 측정장치의 구성도를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 세로줄무늬패턴들의 일예를 나타낸 도면이다.

도 3은 카메라 1대와 투광기 1대를 사용한 3차원 측정장치를 다중캘리브레이션패널을 이용하여 캘리브레이션하는 도면이다.

도 4는 카메라 1대와 투광기 1대를 사용한 3차원 측정장치를 이용하여 3차원 점데이터를 구하는 도면이다.

도 5는 광원에서 나온 빛이 투광렌즈(프로젝션렌즈)를 통과하는 모습을 나타낸 도면이다.

도 6은 종래의 카메라 2대와 투광기 1대(가운데)를 사용한 3차원 측정장치를 나타낸 도면이다.

도 7은 가로줄무늬패턴들의 일예를 나타낸 도면이다.

도 8은 직교줄무늬패턴들을 다중캘리브레이션패널에 투사하는 도면이다.

도 9는 서로 직교하는 세로아이디선들과 가로아이디선들을 구하는 도면이다.

도 10은 서로 직교하는 아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 도면이다.

도 11은 본 발명의 일실시예로서 세로줄무늬패턴들과 가로줄무늬패턴들의 조합을 도시한 도면이다.

도 12는 다중줄무늬패턴에 본 발명의 직교줄무늬패턴(다중줄무늬패턴에 직교하는 패턴)을 1개씩 추가한 것으로서, 본 발명의 일실시예를 도시한 도면이다.

도 13은 종래의 세로줄무늬패턴들만 적용한 3차원 데이터와 본 발명의 직교 줄무늬패턴들을 적용한 3차원 데이터를 비교한 사진이다.

본 발명은 카메라 1대와 투광기 1대를 사용한 3차원 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서 직교 줄무늬패턴을 이용함으로써 보다 정밀한 3차원 측정을 할 수 있는 3차원 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

3차원 물체의 형상을 측정하기 위한 종래 기술의 일예로서, 1대 또는 2대 이상의 카메라와, 카메라에 고정적으로 또는 분리착탈이 가능하도록 부착되는 프로젝터 등이 결합된 3차원 측정장치가 제안된 바 있다. 도 1은 카메라 1대를 사용한 일반적인 3차원 측정장치의 일예를 나타낸 도면이다. 3차원 측정장치를 구현하기 위해서는 먼저 카메라와 투광기의 캘리브레이션(calibration)을 해야 하고, 그 캘리 브레이션 결과값을 이용하여 측정대상물을 3차원으로 스캔(scan)하여 3차원 점데이터를 구하는 과정을 거치게 된다. 일반적인 3차원 측정과정은 공지(등록특허 10-0332995, 공개특허 10-2006-0118680 참조)되었는 바, 그 과정을 간략히 살펴본다.

(1) 3차원 측정의 캘리브레이션(calibration) 단계

카메라(camera) 캘리브레이션, 투광기(projector) 캘리브레이션의 2단계로 진행하며, 본 발명에서는 투광기 캘리브레이션 위주로 설명한다.

ㄱ) 카메라 캘리브레이션은 기준좌표계로부터 카메라의 중심(CC: camera center)좌표와 초점거리 및 렌즈 왜곡계수(내부 변수)등을 구하는 것이다.

ㄴ) 투광기(프로젝터) 캘리브레이션은 투광기(프로젝터)의 광원(LS: light source)의 3차원 위치와 투광기에서 투사한 줄무늬패턴의 3차원 공간상의 아이디평면(ID plane) 방정식(ax+by+cz=1)들을 중요 결과값으로 구하는 것이다.

도 3의 (A)는 단일패널(단일캘리브레이션패널; single calibration panel)을 앞뒤로 소정의 거리만큼 평행이동하면서 투광기 캘리브레이션하는 것을 측면과 위에서 바라본 그림을 도시하였고, 도 3의 (B)는 도 3의 (A)의 구현 모습으로 카메라 및 투광기의 뒤쪽에서 세로줄무늬패턴이 투사된 다중캘리브레이션패널을 바라본 도면이고, 도 3의 (C)는 단일패널을 임의의 각도를 가진 여러 위치(ex: 5위치)에 두고서 투광기 캘리브레이션하는 것을 위에서 바라본 그림을 도시한 것이다. 상기 단일패널은 캘리브레이션용 평판(주로 사각형 모양)으로서 2이상의 위치에서 평행하게 이동(도 3의 (A))하거나 2이상의 위치에서 임의의 각도로 위치(도 3의 (C))할 수 있는데, 이러한 단일패널의 조합을 이하 '다중캘리브레이션패널(Multi calibration panel)'이라 칭하기로 한다.

그리고, 본 발명에서 설명하는 줄무늬패턴이란 1이상의 밝은색선들(bright color lines)과 1이상의 어두운색선들(dark color lines)의 조합을 의미하는 것으로, 밝은색선들은 빛이 투과되는 영역으로 광원에 따라 흰색(백색광 광원), 빨강색(레이저 광원), 초록색(레이저 광원)이 될 수 있고, 어두운색선들은 빛이 투과되지 않는 영역이다. 이하에서는 편의상 밝은색선들은 흰색, 어두운색선들은 검정색으로 표시하기로 한다.

도 2는 종래의 세로줄무늬패턴들(VP: vertical patterns)의 일예로서 그레이코드(graycode)를 도시하였는 바, 도 11에서 보는 바와 같이 다양한 세로줄무늬패턴들(VP)을 사용하는 것도 가능하다. 도 2의 (A)내지(F)의 조합으로 각 줄무늬의 경계(edge)의 아이디(ID: identifier) 또는 각 줄무늬경계들의 중심(center)선의 아이디를 구할 수 있다. 이하 본 발명에서는 줄무늬 아이디는 편의상 줄무늬의 경계를 기준으로 설명한다. 상기 아이디는 동일한 간격의 줄무늬들을 서로 식별하게 해주는 것으로서, 이에 대한 자세한 내용은 등록특허 10-0332995 에 대응성(correspondence)이란 표현으로 공지된 바 있고, 3차원 측정분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자라면 그레이코드의 의미를 알고 있기에 자세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 아이디를 구하는 세로줄무늬들의 조합은 도 2의 (A)내지(F) 중에서 1개만을 선택하거나 2이상을 선택하더라도, 서로 식별할 수 있는 방법만 있다면 그 갯수는 제한되지 않는다. 도 3의 (B)에는 도 2의 (B) (또는 도 2의 (A)+(B)의 조합)로부터 줄무늬 경계(edge)의 아이디(ID)를 1 내지 5까지 도시하고 있다.

종래에 하나의 아이디(ID)에 대하여 하나의 아이디평면(ID plane)만 존재하는 단일아이디평면(single ID plane) 방정식(ax+by+cz=1)을 구하는 것을 살펴보면, 도 3의 (B)에서 세로줄무늬 2번 아이디에 대하여 앞패널(front panel)의 2번 아이디선(ID line)상에 존재하는 임의의 2점(F1, F2)과 뒤패널(rear panel)의 2번 아이디선(ID line)상에 존재하는 임의의 2점(R1, R2)을 연결하여 하나의 평면 방정식(ax+by+cz=1)을 구할 수 있고, 이 단일아이디평면은 광원(LS)을 지나가는데, 이것이 2번 줄무늬에 대한 단일아이디평면 방정식이다.

(2) 3차원 측정의 스캔(scan) 단계

3차원 측정결과로 얻는 3차원 점 데이터(X, Y, Z)는 도 4에서 도시된 바와 같이 3차원 공간상에서 카메라에서 뻗어나온 3차원 벡터(Vc)와 상기 캘리브레이션 단계에서 구한 단일아이디평면(ex: ID 2)과의 교점을 구하면 된다. 모든 단일아이디평면들에 대하여 동일한 과정을 수행하면 3차원 물체 표면의 점 데이터들을 구할 수 있는 것이다.

이러한 종래 기술이 가지고 있는 문제점은 도 1, 도 5, 도 6을 참고하여 설명한다. 종래에는 투광기(Projector)에서 투사된 모든 줄무늬들은 하나의 단일광원(single light source)에서 투사된 것이므로 투광기의 광원(LS: light source)을 이상적으로 단순화시켜 1개의 단일광원만 존재하는 것으로 가정하였고, 모든 단일아이디평면들은 상기 단일광원을 지나가는 것으로 가정하였으며, 이 단일광원의 3차원 위치를 구할 때, 도 1의 (B)에서 카메라중심(CC: camera center)을 지나가는 가로방향 점선을 보면 투광기와 카메라는 물리적으로 같은 높이에 있으므로 3차원 상의 투광기 광원의 Y좌표는 카메라중심과 동일한 Y값으로 설정하였다.

그러나, 도 5의 (A),(B)에서 보면 광원(LS: light source)에서 나온 빛은 투광렌즈(projection lens)를 통과할 때 렌즈굴절로 인해 각기 다른 방향으로 투사되고, 각 투사각도에 따라서 광원의 위치(LS1, LS2)도 제각각인 것을 확인할 수 있다. 광원의 위치가 수미크론(microns)만큼 달라도 3차원 측정의 스캔단계에서는 그만큼의 측정오차가 발생하기 마련이다.

따라서, 투광기 캘리브레이션 단계에서 단일광원이라는 가정과 투광기의 Y좌표값의 가정은 3차원 측정의 스캔단계에서 측정 오차를 유발하게 되는 것이며, 정밀도에 따라 고부가가치를 가지는 3차원 스캐너(3차원 측정기, 3차원 측정장치)에는 치명적인 결함으로 작용한다. 상기 측정 오차로 인해 1대의 카메라와 1대의 투광기를 사용하는 3차원 측정장치는 미크론(micron) 단위의 고정밀 측정분야에서 사용되지 못하는 문제가 있었고, 고정밀 측정분야는 카메라 1대가 아닌 2대를 사용하며, 카메라 2대와 투광기 1대를 사용하는 스테레오(stereo) 비전 측정방식(등록특허 10-0332995 참조)이 널리 사용되고 있는 바, 도 6에 그 실제 사진이 나타나 있다. 이러한 카메라 2대를 사용하는 스테레오 비전 측정방식은 시스템 구성이 카메라 1대보다 복잡하고, 고가의 산업용 카메라를 1대 더 사용하므로 비경제적이라는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 카메라 1대만을 사용하여 카메라 2대를 사용하는 스테레오 비전 측정방식과 같은 고정밀도의 3차원 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이러한 3차원 측정장치를 구현하기 위한 측정방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서, 다중캘리브레이션패널의 표면에 세로줄무늬패턴들과 상기 세로줄무늬패턴들에 직교하는 가로줄무늬패턴들을 각각 투사하는 투광부와, 상기 투광부에 고정 연결되어 있고, 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들이 투사된 상기 다중캘리브레이션패널의 영상을 획득하는 촬영부와, 상기 투광부와 촬영부를 제어하는 제어부와, 상기 다중캘리브레이션패널의 표면에서 상기 세로줄무늬패턴들로부터 구한 세로아이디선들과 상기 가로줄무늬패턴들로부터 구한 가로아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 연산부를 포함한다.

보다 바람직하게, 상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구성되며, 상기 가로줄무늬패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 소정의 거리만큼 평행하게 이동하는 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사한다.

보다 바람직하게, 상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구 성되며, 상기 가로줄무늬패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 임의의 각도로 위치한 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사한다.

보다 바람직하게, 상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수의 아이디평면들을 구한다.

보다 바람직하게, 상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수광원들을 구한다.

또다른 측면에 의한 본 발명은, 3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서, 투광부를 이용하여 다중캘리브레이션패널의 표면에 세로줄무늬패턴들과 상기 세로줄무늬패턴들에 직교하는 가로줄무늬패턴들을 각각 투사하는 단계와, 상기 투광부에 고정 연결되어 있는 촬영부가 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들이 투사된 상기 다중캘리브레이션패널의 영상을 획득하는 단계와, 제어부는 상기 투광부와 촬영부를 제어하는 단계와, 연산부는 상기 다중캘리브레이션패널의 표면에서 상기 세로줄무늬패턴들로부터 구한 세로아이디선들과 상기 가로줄무늬패턴들로부터 구한 가로아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하 첨부도면 도 7내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하며, 본 발명의 필수구성요소인 투광부, 촬영부, 제어부, 연산부를 순서대로 설명한다.

먼저, 투광부에 관해 설명한다.

투광부는 광원(LS: light source)에서 나온 빛이 패턴 마스크(pattern mask, pattern film)를 투과하여 일련의 렌즈를 통과할 때 패턴 마스크에 생성된 줄무늬가 외부로 투사되는 장치를 말하며, 본 발명에서는 '투광기(프로젝터, projector)'와 같은 의미로 사용한다. 상기 투광부는 아래에서 설명할 제어부에 의해 제어된다. 상기 광원은 할로겐램프, 레이저, LED, IR LED 기타 여러 광원을 사용할 수 있으며, 상기 패턴 마스크는 반도체 기판에 줄무늬패턴을 생성(ex: 에칭, 인쇄)한 것을 일예로 들수 있고, 상기 패턴 마스크 대용으로 LCD, DLP, 슬라이드필름을 사용하면 상기 투광부는 각각 빔프로젝터(LCD프로젝터, DLP프로젝터), 슬라이드 프로젝터(환등기)를 의미한다. 상기 패턴마스크가 다중패턴마스크(여러패턴들을 긴 마스크에 순서대로 생성시킨 것)인 경우 등록특허 10-0455348 에 설명된 바와 같이 이송장치에 의해 상기 다중패턴마스크를 이송하는 것도 본 발명의 투광기의 패턴마스크에 포함된다고 할 것이다. 본 발명의 일 실시예로 빔프로젝터로 패턴을 투사하는 도면을 도 3의 (B)와 도 8의 (A)에서 도시한다. 이하 편의상 투광부는 빔프로젝터를 기준으로 설명하기로 한다.

본 발명의 다중캘리브레이션패널은 도 3의 (A),(B)에 도시된 앞뒤패널(front, rear)의 2위치 뿐만 아니라 뒤로 소정의 거리만큼 평행이동하여 3위치 이상이 될 수 있다. 도 3의 (C)처럼 2 이상의 여러 위치에서 임의의 각도로 단일패널을 위치시키는 것도 가능하다. 이하에서는, 도 3의 (A),(B)에 도시된 소정거리를 가진 앞뒤패널(front, rear)의 2위치에서 평행이동하여 투사하는 것을 일실시예로 설명한다.

상기 투광부를 이용하여 본 발명에서 패턴을 투사하는 순서에 대해 설명한다. 상기 투광부는 상기 다중캘리브레이션패널의 앞면(front)위치에서 도 2에 도시한 세로줄무늬패턴들(VP: vertical patterns)중 하나 이상을 각각 투사하고, 동일한 위치(앞면위치)에서 도 7에 도시한 가로줄무늬패턴들(HP: horizontal patterns)중 하나 이상을 각각 투사한다. 다음으로, 상기 다중캘리브레이션패널의 뒷면(rear)위치에서 동일한 방법을 수행한다. 단, 상기 앞뒤패널의 위치순서, 투사패턴의 갯수 및 패턴의 투사순서를 바꾸는 것도 가능하다. 즉, 도 8의 (B)는 도 3의 (B)와 도 8의 (A)를 결합한 것으로서, 상기 투광부는 앞패널(front)위치에서 세로줄무늬패턴(81), 가로줄무늬패턴(82) 순서로 투사하고, 뒤패널(rear)위치에서 동일한 세로줄무늬패턴(83), 가로줄무늬패턴(84) 순서로 투사하는 모습이 도시되어 있으며, 상기 네가지 줄무늬패턴들(81 내지 84)의 순서를 변경(패널위치도 변경가능)하여 투사하는 것도 가능하다. 왜나하면, 카메라 영상들을 전부 획득한 이후에 이 조합을 원래 순서대로 변경하면 되기 때문이다. 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들은 서로 90도 각도로 직교하여 생성되며, 본 발명에서 투광기 또는 카메라의 회전으로 상기 세로줄무늬패턴을 가로줄무늬패턴으로 90도 회전하면, 상기 가로줄무늬패턴도 세로줄무늬패턴으로 90도 회전되며, 중요한 것은 서로 직교한다는 것이다.

도 11의 (A)에서 세로줄무늬패턴들(VP: vertical patterns)과 가로줄무늬패 턴들(HP: horizontal patterns)을 검정색 박스선으로 구별하였는 바, 상기 투광부는 먼저 세로줄무늬패턴들 중 하나 이상을 투사하고, 그 다음으로 가로줄무늬패턴들중 하나 이상을 투사하게 되는데, 본 발명에서는 다중캘리브레이션패널의 1위치에서 적어도 1개의 세로줄무늬패턴과 적어도 1개의 가로줄무늬패턴의 투사가 필요하다. 도 11의 (B),(C),(D),(E)도 동일하다. 도 11의 (A), (C)에서 가는 세로줄무늬패턴들(116, 117, 118, 119)이 4개씩 도시되었는 바, 이것은 동일굵기의 패턴이 90도씩 위상천이(phase shift)된 것이다. 120도의 위상차라면 가는 세로줄무늬패턴들을 3개만 사용하게 된다. 도 11의 (A)의 세로줄무늬패턴들은 등록특허 10-0455348 의 도 5의 (나)에 공지된 바 있다. 본 발명에서 줄무늬패턴은 균일(밝은색과 어두운색 간격이 동일) 또는 불균일(밝은색과 어두운색 간격이 동일하지 않음) 간격을 가지는 패턴들로서 일반적으로 규칙적(그레이코드(graycode), 바이너리 코드(binary code))인 패턴이나, 반드시 균일한 간격을 가질 필요는 없어 불규칙패턴(밝은색과 어두운색 간격이 동일하지 않음)이라도 가능하다. 예컨대, 도 11의 (D),(E)는 불규칙한 세로줄무늬패턴과, 불규칙한 가로줄무늬패턴을 도시하였다. 도 11의 (E)의 경우는 1개의 불규칙한 세로줄무늬패턴과, 1개의 불규칙한 가로줄무늬패턴을 전부 사용하면 된다. 이러한 세로줄무늬패턴들과 가로줄무늬패턴들은 도 11의 (A),(B),(C),(D),(E) 중에서 조합(전부 선택하거나 세로줄무늬패턴들중 1이상 및 가로줄무늬패턴들중 1이상 선택)하여 사용할 수 있므며, 이와 유사한 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 도 12의 경우 등록특허 10-0455348 의 다중줄무늬패턴(길이가 짧은 패턴을 원상회복한 단일줄무늬패턴들이 도 11의 패턴들과 같은 패턴)에 본 발명에서 설명하는 직교줄무늬패턴(VP: 다중줄무늬패턴에 직교하는 패턴)을 1개씩 추가한 것으로서, 도 12의 (A),(B),(C),(D),(E)도 본 발명의 일실시예로서 볼 것이다. 따라서, 줄무늬패턴의 실시태양이 여하한 것이라도 결과로 나온 패턴이 본 발명의 기술적 사상과 동일하다면 본 발명의 일실시예로 볼 것이다.

공지된 3차원 측정장치의 투광기에 포함된 패턴 마스크는 종래에 세로줄무늬패턴만 생성되거나 가로줄무늬패턴만 생성되었지만, 상기 패턴 마스크에 생성된 줄무늬패턴들에 1이상의 세로줄무늬패턴과 1이상의 가로줄무늬패턴이 함께 있으면 본 발명의 캘리브레이션 방법을 사용한 것으로 추정한다. 왜냐하면 캘리브레이션 단계는 3차원 측정장치 제조업체 내부에서 이루어지므로 외부에서는 본 발명의 실시를 쉽게 증명하기 어렵고, 상기 패턴마스크에 상기 직교줄무늬패턴들의 일실시예가 생성되어 있다면 정당한 이유가 없는 한 본 발명의 실시를 추정할 수 있기 때문이다. 상기 도 11, 도 12의 실시예는 단순한 예시에 지나지 않으므로 한정적으로 해석되어서는 안된다.

다음으로, 촬영부에 대해 설명한다.

촬영부는 상기 투광부에서 패턴이 투사된 대상물의 영상을 획득하는 수단으로서 주로 카메라(camera)가 사용되며, CCD카메라, CMOS카메라, 화상카메라, 웹카메라, 디지털카메라 등이 사용된다. 상기 촬영부는 아래에서 설명할 제어부에 의해 제어된다. 상기 촬영부는 상기 투광부에서 순차적으로(연속으로) 투사된 일련의 세로줄무늬패턴들과 가로줄무늬패턴들을 매패턴마다, 패널의 각위치마다 1장씩 영상 으로 획득하게 된다. 예컨대, 도 11의 (A)에 도시된 패턴을 전부 투사하고 다중캘리브레이션패널이 2위치인 경우에 전체 획득영상은 30장이 된다.

(세로줄무늬패턴 9개+가로줄무늬패턴 6개)*2위치 = 30

본 발명에서 카메라는 1대만 사용한 것을 예시했으나, 카메라 2대 이상을 사용하더라도 그 카메라 중 1대를 상기 1대의 투광기와의 관계에서 본 발명과 같이 사용한다면 그 기술적 사상은 동일하다고 볼 것이다.

다음으로, 제어부에 대해 설명한다.

제어부는 도 1에서 도시한 바와 같이 투광부(투광기, projector)를 제어하여 순차적으로 각각의 패턴을 투사할 수 있도록 하며, 촬영부(카메라)를 제어하여 순차적으로 패턴이 투사된 대상물의 영상을 각각 획득하도록 한다. 또한, 제어부는 단일패널을 다른 위치로 자동이송시키는 장치를 제어할 수도 있다. 제어부는 데스크탑 컴퓨터, 노트북, 마이크로 프로세서 또는 이와 동일한 기능을 수행하는 장치가 사용될 수 있다.

끝으로, 연산부에 대해 설명한다.

연산부는 도 1에서 도시한 바와 같이 제어부와 연결되어 있고, 데스크탑 컴퓨터, 노트북, 마이크로 프로세서 또는 이와 동일한 기능을 수행하는 장치가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 제어부와 일체로 구성된다.

이하 도 9, 도 10을 참고하여 연산부의 기능에 대하여 설명한다. 도 9는 서 로 직교하는 세로아이디선들(vertical ID lines)과 가로아이디선들(H ID lines : horizontal ID lines)을 구하는 도면으로, 세로줄무늬패턴은 도 2의 (B), 가로줄무늬패턴은 도 7의 (B)를 사용하여 그 조합으로 직교아이디선들(세로아이디선들+가로아이디선들)(도 9에서 세로줄무늬들과 가로줄무늬들의 경계(edge)선들)을 구한 것이다. 상기 투광부에서 다중캘리브레이션패널에 패턴을 투사할 때 각 단일패널위치마다 세로줄무늬패턴들과 가로줄무늬패턴들을 연속하여 투사하므로 상기 직교아이디선들도 각 단일패널위치마다 존재한다. 각 단일패널위치가 2위치라면 직교아이디선들도 각단일패널 위치마다 구해야 한다.

도 10의 (A)는 서로 직교하는 아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 도면으로서, 상기 3차원교점은 다중캘리브레이션패널의 앞면(front)과 뒷면(rear)위치에서 각각 세로아이디선들 5개와 가로 아이디선들 3개가 교차하는 점들이다. 도 10의 (B)에서는 도 10의 (A)의 아이디선들중에서 세로아이디 2번, 3번, 가로아이디(H ID) 1번, 2번이 다중캘리브레이션패널의 앞뒤위치에서 각각 교차하는 도면을 나타낸 것으로서, 이 도면을 이용하면 각 아이디(ID)의 교차구간별로 다수의 아이디평면 방정식들(mutlple ID plane equations)과 다수광원들(mutlple light sources)의 위치값을 구하게 된다.

상기 투광기의 광원은 도 5에서 보는 바와 같이 실제로 다수광원들(mutlple light sources)을 가지며, 다수광원들로부터 나온빛은 굴절에 의해 각각 다양한 방향으로 투사되는데, 이러한 다양한 빛의 방향은 기존에 단일아이디평면(single ID plane)이 아닌 다수의 아이디평면들(mutlple ID planes)개념과 일치하므로 좀더 정 확한 캘리브레이션 결과값을 구할 수 있다. 다만, 본 발명에서 구하는 다수광원들의 위치는 실제 다수광원들의 위치라기보다는 직진투사된 빛으로부터 그 광원들의 위치를 역으로 구한 이상적인 위치들로 볼 것이다.

도 10의 (B)에서 세로아이디선 2번과 그에 직교하는 가로아이디선 1번,2번에 대하여 앞패널(front panel)의 3차원 교차점 F1, F2와 뒤패널(rear panel)의 3차원 교차점 R1, R2의 네 점을 연결하여 하나의 아이디평면방정식(ID plane 12: ax+by+cz=1)을 구할 수 있고, 상기 F1, R1을 연결한 직선과 상기 F2, R2를 연결한 직선의 교점이 바로 상기 아이디평면에 대한 광원(LS12)의 3차원 좌표값이다. 같은 방법으로,

F3,F4, R3, R4 --> LS34, ID plane 34

F1,F3, R1, R3 --> LS13, ID plane 13

F2,F4, R2, R4 --> LS24, ID plane 24

를 구할 수 있는 바, 세로아이디선 2개와 가로아이디선 2개로부터 다수의 아이디평면들(4개)과 다수광원들(4개)의 위치값을 구할 수 있다. 상기 세로줄무늬패턴들과 가로줄무늬패턴들을 도 11의 (A) 전부를 사용하는 것과 같이 좀더 세분화하여 사용하면 상기 다수의 아이디평면들과 다수광원들의 갯수는 그 교차점들갯수만큼 많아지게 되어 훨씬 정밀한 캘리브레이션 결과값을 구할 수 있다.

이러한 캘리브레이션 결과값(다수의 아이디평면의 방정식들, 다수광원들의 위치값)을 이용하여 각 아이디평면들의 3차원 구간별로 아이디평면들과 카메라의 3차원 벡터의 교점들을 구하면 종래보다 더 정밀한 3차원 점데이터를 구할 수 있다.

도 13은 종래의 세로줄무늬패턴들만 적용한 3차원 데이터와 본 발명의 직교 줄무늬패턴들을 적용한 3차원 데이터를 비교한 사진이다. 도 13의 (A)와 같이 종래에는 석고상의 목부분에서 3차원 데이터가 거칠게(측정오차발생) 나왔으나, 본 발명의 캘리브레이션방법을 적용한 결과 도 13의 (B)와 같이 목부분에서 3차원 데이터가 부드럽게(정밀하게) 나온 것을 확인할 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

본 발명은 3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서 직교 줄무늬패턴을 이용함으로써 미크론 단위의 고정밀 3차원 측정분야에서 사용할 수 있게 되었고, 1대의 카메라만을 사용함으로써 고가의 카메라 2대를 사용하는 스테레오 비전 측정방식에 비해 경제적이며, 카메라가 1대이기 때문에 전체 시스템의 크기를 줄여 가볍고 휴대가 간편해졌다.

응용분야는 본 발명의 3차원 측정장치로 실제제품의 3차원 형상을 스캔하여 제품 설계에 응용하는 역설계, 문화재의 영구보존을 위한 문화재의 3차원 복원사업, 컴퓨터 그래픽스 및 컴퓨터 애니매이션, 제품의 3차원 품질검사, 사람얼굴의 수술전후를 입체적으로 비교할 수 있는 얼굴성형분야 등이 있다.

Claims

다중캘리브레이션패널의 표면에 세로줄무늬패턴들과 상기 세로줄무늬패턴들에 직교하는 가로줄무늬패턴들을 각각 투사하는 투광부와,

상기 투광부에 고정 연결되어 있고, 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들이 투사된 상기 다중캘리브레이션패널의 영상을 획득하는 촬영부와,

상기 투광부와 촬영부를 제어하는 제어부와,

상기 다중캘리브레이션패널의 표면에서 상기 세로줄무늬패턴들로부터 구한 세로아이디선들과 상기 가로줄무늬패턴들로부터 구한 가로아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구성되며, 상기 가로줄무늬패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 소정의 거리만큼 평행하게 이동하는 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구성되며, 상기 가로줄무늬패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 임의의 각도로 위치한 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수의 아이디평면들을 구하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수광원들을 구하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정장치.
3차원 측정의 캘리브레이션 단계에서,

투광부를 이용하여 다중캘리브레이션패널의 표면에 세로줄무늬패턴들과 상기 세로줄무늬패턴들에 직교하는 가로줄무늬패턴들을 각각 투사하는 단계와,

상기 투광부에 고정 연결되어 있는 촬영부가 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들이 투사된 상기 다중캘리브레이션패널의 영상을 획득하는 단계와,

제어부는 상기 투광부와 촬영부를 제어하는 단계와,

연산부는 상기 다중캘리브레이션패널의 표면에서 상기 세로줄무늬패턴들로부터 구한 세로아이디선들과 상기 가로줄무늬패턴들로부터 구한 가로아이디선들의 3차원 교점들을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정방법.
제6항에 있어서,

상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구성되며, 상기 가로줄무늬패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 소정의 거리만큼 평행하게 이동하는 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정방법.
제6항에 있어서,

상기 세로줄무늬패턴들은 1이상의 세로줄무늬패턴으로 구성되며, 상기 가로줄무늬 패턴들은 1이상의 가로줄무늬패턴으로 구성되고, 상기 다중캘리브레이션패널은 단일패널이 2이상의 위치에서 임의의 각도로 위치한 패널들로 구성되며, 상기 투광부는 상기 세로줄무늬패턴들과 상기 가로줄무늬패턴들을 상기 다중캘리브레이션패널의 각 위치마다 투사하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정방법.
제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수의 아이디평면들을 구하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정방법.
제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 연산부는 상기 세로아이디선들과 상기 가로아이디선들의 3차원 교점들로부터 다수광원들을 구하는 것을 특징으로 하는 직교 줄무늬패턴을 이용한 3차원 측정방법.