KR101219778B1 - 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 레이저 스캐닝을 통해 데이터를 취득함에 있어서 대상물에 대한 표면정보를 보다 정확하고 상세하게 표현하기 위한 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템에 과한 것으로, 유물 형상을 3차원 데이터로 생성하는 3D 스캐너와; 상기 3D 스캐너에 의한 스캔 작업 시에 광원을 공급하도록 3D 스캐너 양 측에서 유물을 중심으로 45도 각도의 1.5m 거리에 위치하여 6~7의 광원세기(딤머값)를 조사하는 조명과; 상기 3차원 데이터의 색상과 표면 오차율을 최소화 하도록, 상기 3D 스캐너 및 조명과 유물의 사이에 위치하는 편광필터와; 상기 유물을 바닥으로부터 일정 높이에 올려놓으며, 상기 편광필터가 유물에 조사되는 조명의 광원을 간접적으로 가리도록, 상기 편광필터를 거치시키는 받침대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템에 관한 것이다.

Description

3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템{Lighting system for Extracting optimal Data through three-dimension scanning}

본 발명은 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 문화재(무형문화재 제외)등에 새겨진 문양이나 문자 원형을 3차원 스캐닝으로 스캔함에 있어서 최적의 데이터 추출을 위한 조명의 배치 상태를 도출하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템에 관한 것이다.

최근 다양한 분야에서 여러 대상체에 대한 3차원 측정 및 형상화에 대한 요구가 급증함에 따라 3차원 레이저 스캐닝의 활용이 활성화되고 있다.

그 중에서도 유물이나 문양 등의 3차원 대상체에 대한 스캐닝을 통해 문화제를 형상화 하여 이를 보존하기 위한 노력이 지속되고 있다.

이에 동일 출원인에 의해 출원된 출원번호 제10-2009-0122407호인 "3차원 스캐닝을 통한 디지털 탁본 기법"에서는 3차원 레이저 스캐닝방식을 적용하여 유물이나 물체표면에 접촉하지 않고 외부에서 표면정보를 취득하도록 하는 3차원 스캐닝을 통한 디지털 탁본 방법을 제공하고자 한다.

그러나 이러한 종래기술은 3차원 레이저 스캐너로 스캔하여 획득한 데이터에 있어서 많은 원인에 의한 오차율이 나타나고 있다.

이에 오차발생의 가장 큰 원인으로는 대상물의 표면 반사율에 따른 오차율인 바, 그 대상물 표면반사율의 오차율을 줄일 수 있는 가장 큰 방법으로는 최적의 조명시스템을 갖추는 것이다.

따라서 상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 3차원 레이저 스캐닝방식을 적용하여 유물이나 물체표면에 접촉하지 않고 외부에서 최적의 표면정보를 취득하도록, 최적의 조명 장치 배치를 구축하기 위한 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템을 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 목적은 유물 대상과 조명간의 거리와 조도값을 통해 최적의 딤머값을 획득하도록 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템을 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 입사되는 빛의 양을 조절하고 반사광선을 제거하도록, 최적의 편광필터를 사용한 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템을 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 조명의 설치각도와 삼각대 배치를 최적화시키기 위한 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템을 제공하기 위함이다.

상기한 본 발명의 목적은, 3차원 형상 스캐닝을 위한 조명 시스템에 있어서,유물 형상을 3차원 데이터로 생성하는 3D 스캐너와; 상기 3D 스캐너에 의한 스캔 작업 시에 광원을 공급하도록 3D 스캐너 양 측에서 유물을 중심으로 45도 각도의 1.5m 거리에 위치하여 6~7의 광원세기(딤머값)를 조사하는 조명과; 상기 3차원 데이터의 색상과 표면 오차율을 최소화 하도록, 상기 3D 스캐너 및 조명과 유물의 사이에 위치하는 편광필터와; 상기 유물을 바닥으로부터 일정 높이에 올려놓으며, 상기 편광필터가 유물에 조사되는 조명의 광원을 간접적으로 가리도록, 상기 편광필터를 거치시키는 받침대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템에 의해 달성된다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 조명은, 조명의 하부에 위치하여 조명을 지지하는 삼발 형태의 지지대이며, 조명의 방향과 다리 한 쪽 방향이 일치되도록 설치되어 있는 삼각대와; 상기 조명의 테두리를 따라 형성되어 있는 판재들이며, 조명으로부터 조사되는 광원량을 조절하는 조절판을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 조명은 수직을 기준으로 유물 방향으로 15도 각도 기울어져 있는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면, 유물과 조명 사이에 편광필터가 거치되도록 상기 받침대는 그 측면과 후면에 프레임이 설치되어 있되, 상기 조명의 광원이 유물에 직접 조사되지 않도록 상기 평광필터는 상기 받침대의 측면 및 측면으로부터 연장되게 설치되어 있는 프레임까지 거치되어 있는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면 상기 편광필터는 회색 트레팔지인 것이 바람직하다.

따라서 상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명의 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템은 3차원 레이저 스캐닝을 통해 데이터를 취득함에 있어서 대상물에 대한 표면정보를 보다 정확하고 상세하게 표현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템 구성도,
도 2는 도 1에 따른 배치도,
도 3은 삼각대와 조명의 연결부위 확대도,
도 4는 삼각대 상의 조명의 높이를 나타내기 위한 상태도,
도 5는 조명의 조절판 사시도,
도 6은 조명의 편광필터 설치도.

이하 본 발명의 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템의 실시예를 첨부되는 도면들을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템의 구성도이다.

도면에서 보는 바와 같이, 본 발명은 유물을 스캔하기 위한 3D 스캐너(10), 조명(20), 받침대(30), 편광필터(40)로 구성된다.

상기 3D 스캐너(10)는 Minolta사의 VIVID 910으로 광삼각법을 사용하는 스캐너이다. 광삼각법은 간단한 삼각법원리를 이용한 방법이며, 레이저가 점이나 선으로 대상 물체 표면에 투영 되는 것으로 하나 또는 그 이상의 광전소자(CCD: Charge Coupled Device) 카메라로 물체의 위치를 기록한다.

이때, 레이저 빔의 각도는 3D 스캐너(10)가 내부적으로 기록하게 된다.

또한 상기 3D 스캐너(10)는 고정된 기선길이로부터 기하학적으로 대상 물체와 장비의 거리가 결정되는 정밀한 측량 방법으로서, 특히 가까운 거리에서의 정밀도가 높다.

상기 3D 스캐너(10)로 문화원형의 다양한 색깔과 형상 그리고 재질 등을 획득하기 위해 조명(20)과의 거리에 따른 조도의 변화를 하기와 같이 데이터화 함으로써 최적의 거리 값을 얻어내도록 한다.

또한 색상좌표(R,G,B)를 이용하여 문화원형의 3차원 데이터의 색깔을 획득함에 있어, 최적의 환경에서 색상 왜곡을 최소화 시키도록 한다.

상기 3D 스캐너(10)를 이용하여 문화원형의 3차원 데이터를 확보함에 있어, 측정 데이터가 가지는 순수 RGB 좌표값은 CCD 화면의 캘리브레이션을 통해 광원상태에 따른 외부환경에서의 캘리브레이션을 선행하도록 한다.

이때, 색 공간의 영역을 최적화 시키고 일괄적인 RGB 좌표값이 유지될 수 있도록 한다.

도 2에서 보는 바와 같이, 상기 3D 스캐너(10)와 유물의 중심선을 기준으로 45ㅀ 위치에 1.5m의 거리의 조명(20)을 기준으로 라이트의 딤머, 즉 광원의 세기에 따른 RGB 좌표값의 변화를 테스트 하였다.

상기 조명(20)은 조명(20)을 지지하는 삼각대(21)와, 조명(20)의 테두리를 따라 형성되어 있는 조절판(22)을 포함한다.

상기 삼각대(21)는 상기 조명(20)을 지지하며 받치는 삼발 형태의 지지대이며 삼각대 중앙(23)이 받침대(30)의 가장 가까운 모서리(31)를 기준으로 가로 방향 79cm, 세로방향 73 cm의 위치에 두게 된다.

또한 삼각대(21)의 다리가 삼각대와 가장 가까운 받침대의 모서리(31)를 향하도록 하여 조명(20)이 앞에서부터 전체 세트 중앙쪽을 비치도록 한다.

도 3에서 보는 바와 같이 삼각대와 조명(20)의 연결에 있어서 조명의 방향이 삼각대의 다리 한 쪽의 방향과 일치되도록 한다.

또한 도 4에서 보는 바와 같이 상기 삼각대로부터 조명(20)의 설치는 바닥으로부터 83cm 지점에 설치하도록 하며, 라이트 기울기는 15도 각도로 수직으로부터 편향되게 기울도록 한다.

또한 도 5에서와 같이 라이트 테두리에 설치되어 있는 조절판(22)은 상기 조명(20)으로부터 날개형으로 벌려서 유물이 올려져 있는 받침대 전체 너비에 맞게 조명이 비춰지도록 한다.

또한 도 6에서 보는 바와 같이 조명(20)의 앞부분에 회색 트레팔지인 편광필터(27)를 부착하도록 한다.

상기 받침대(30)는 유물을 올려놓기 위한 테이블이며 측면과 후면에 편광필터(40)가 위치하도록 프레임(35)이 설치되어 있다.

특히 측면은 조명(20)의 빛을 조절하기 위한 편광필터(40)가 위치하여야 하므로 측면으로부터 연장되게 프레임(35)이 설치되어 있어 측면 편광필터(40)가 프레임(35)에 의해 걸려 있을 수 있도록 한다.

표 1은 테스트의 결과 중 일부로서, 하드웨어적인 캘리브레이션과 소프트웨어적인 캘리브레이션 Eye-On s/w: 을 시행하여 최적의 환경요인에서 도출해낸 데이터들이다.

표 1은 광원의 세기 즉 딤머의 단계적 상승에 따른 조도의 변화와 이에 따른 RGB 좌표값의 변화추이를 나타낸 것이다.

표 1에서 1-1.5m의 데이터 값과 같이, 1.5m 거리에서 딤머의 세기가 강해질수록 조도가 상승했으며, RGB 좌표값들도 상승했다.

<표 1>

하지만 순수 RGB 좌표값의 접근에는 무리가 있었으므로, 이에 같은 환경에서 편광필터를 설치하여 빛의 양을 조절하였다.

하기의 도표들은 여러 테스트 중 최적의 거리환경에서, 딤머의 단계적 상승을 통한 조도의 변화 추이와 이를 통한 RGB 좌표값을 추출한 것이다.

도표 1은 테스트 1로서, 1.5m 거리에서 3D 스캐너와 스캔 셋팅 장비에만 편광필터장치를 설치하여, 딤머의 세기에 따른 RGB 값들의 변화추이를 나타낸 것이다.

도표에서와 같이 순수 RGB 접근에는 무리가 있었으며, 딤머의 세기에 따른 RGB 값의 변화가 나타났다.

하지만 표에서나 도표에서 알 수 있듯이 딤머의 세기는 전반적으로 6~7정도가 적당함을 알 수 있다.

<도표 1>

이때, 딤머의 세기는 RBG값을 가지고 표현을 하였으므로, 화이트 보드를 가지고 사진을 찍을 경우 화이트 보드의 색상과 가장 유사한 색상값을 가져오는 셋트가 되고, 셋트안의 빛의 세기는 카메라의 노즐 값인 조도와 감도를 가지고 딤머 6~7에 대한 세기를 표현하는 것이다.
즉, 화이트 카드를 놓고 카메라 노출계로 측정 시, 트레싱지 없을 시에 딤머값 7일 때 조리개는 4.05, 셔터는 125 / 1 속도, 감도는 400의 측정값인 경우를 뜻한다.
또한 트레싱지 있을 시에 딤머값 7일 때 조리개는 2.08, 셔터는 125 / 1, 감도는 400의 측정값인 경우를 뜻하고, 상기와 같은 빛의 세기를 갖추어진 상태에서 유물 촬영을 하게 되는 것이다.
또한, 같은 환경에서 편광필터(40)의 사용에 따른 변화값도 측정함으로써 문화원형의 3차원 데이터 확보에 순수 RGB 좌표값에 접근하도록 한다.

편광필터(27, 40) 장치는 3D 스캐너(10)의 입수되는 빛의 양을 조절하고 반사광선을 제거하기 위한 장치이며, 조명(20), 3D 스캐너(10), 받침대(30) 등에 설치될 수 있다.

이중 상기 편광필터(40)장치는 스캔 셋팅 공간과 3D 스캐너 외부에 설치되는 편광필터이며 외부환경에 의한 영향을 최소화한 상태에서 순수 RGB 좌표값을 측정하도록 하였다.

도표 2는 같은 환경에서 라이트의 광원에 직선으로 5cm 거리에서 편광필터(27)를 설치하여 나타낸 결과이다.

편광된 빛이 딤머에 의해 조절됨으로써 RGB 값의 상승이 도표 1의 첫번째 테스트와는 다르게 규칙적으로 상승하고, 순수 RGB값 접근에 하나의 방법론으로 제시되었지만 편광필터의 불투명한 재질로 인한 미세한 영향은 무시할 순 없었다.

<도표 2>

도표 3은 편광필터의 2중 사용으로 인한 결과이다.

<도표 3>

라이트의 광원으로부터 5cm, 30cm 거리에 직선으로 편광필터를 설치하였다.

딤머의 단계적인 상승에 비해, RGB 값의 변화폭이 작았다. 그리고 편광필터의 2중으로 인한 불투명한 재질의 미세한 변화로, 2중 사용에 대한 문제점이 드러났다.

3D 스캐너와 유물의 중심선을 기준으로 45도 위치에서 1.5m의 거리의 광원을 기준으로 라이트의 딤머, 즉 광원의 세기에 따른 RGB 좌표값의 변화를 테스트 하였다.

또한 같은 환경에서 편광필터의 사용에 따른 변화값도 측정함으로써 문화원형의 3차원데이터 확보에 순수 RGB 좌표값에 접근하려 한다.

표 2는 이미 구축되어있는 시스템에서 라이트 딤머와 Color level을 조절하여 적정 RGB값을 추출하기 위한 데이터이다.

<표 2>

표 2에서 보는 바와 같이, T3에 나와 있는 수치에서 정확한 RGB값은 나오지 않았지만, 비슷한 수치를 갖고 있어 T3 수치를 기준으로 TEST 실행하도록 한다.

따라서 T3에 나와 있는 수치를 기준으로 세트 내부에 구성된 편광필터의 종류를 바꿔 유물의 선명함과 뿌연 현상을 없애주는 TEST를 실행하도록 한다.

우선, 편광필터(40)로 우드락을 사용하였을 경우, 표 3에서와 같은 결과값을 얻게 된다.

<표 3>

T3에서 사용했던 내부 편광필터는 흰트레팔지 한장을 사용했던 수치를 기준으로, 현재 내부 편광필터는 흰 우드락을 사용해서 나온 RGB값이며, 전체적으로 수치가 내려간 걸 알 수 있다.

T7에 나온 수치는 20이나 내려간 수치이지만 유물의 선명함을 살려주었다.

T8에서 Color level을 0.5 정도 올려준 결과는 T7보다 전체적으로 밝아졌지만 유물 앞쪽에 검게 비쳐지는 선의 경계선은 뚜렷해졌다.

흰색 트레팔지 2장을 사용하였을 경우, 표 4와 같은 결과값을 얻게 된다.

<표 4>

즉, T8과 T9의 수치가 일치하면서 들어온 데이터를 봤을 때 우드락을 사용했을 때보다 트레팔지를 사용했을 때의 유물 앞쪽에 비쳐지는 경계선은 트레팔지가 부드럽게 처리된다는 것이다. 하지만 유물의 뿌연 현상은 계속 나타나고 있다.

회색 우드락을 사용하였을 경우, 표 5와 같은 결과값을 얻게 된다.

<표 5>

검은 재질에 두꺼운 재질을 사용하였기 때문에 내부의 빛은 줄어들었다. 여기서 Dimmer를 높여주고, Color level을 높였으나 RGB값은 제일 낮은 수치를 나타내었다. 하지만 유물의 재질에선 지금까지 TEST한 것 중에 제일 좋은 결과를 내주었다.

회색 트레팔지(58*42)를 사용하였을 경우 표 6과 같은 결과값을 얻게 된다.

<표 6>

회색 우드락을 사용했을 때 재질 표현은 되었지만, RGB값이 낮았기 때문에 우두락 보다 얇은 회색 트레팔지를 사용했으며, 전체 RGB값이 기준치와 유사하며 선명함과 뿌연 현상이 없어진 결과가 나왔다.

또한 회색 트레팔지(87*74)를 사용하였을 경우 표 7과 같은 결과값을 얻게 된다.

트레팔지의 크기를 바꾼 RGB 값으로 라이트의 위치가 위에서 아래방향을 바라보고 있으며, VIVID가 놓여있는 방향으로 빛의 세기가 더 가게 놓여져 있다. 수치는 낮아졌어도 들어온 데이터는 T13과 일치하다.

<표 7>

따라서 결론적으로, 표 8에서와 같이 T1과 T2에 나온 RGB값에 대한 데이터는 선명함과 뿌연 현상이 없어져 보였기에 유물을 스캔할 시에 처음에 하기의 RGB 차트를 스캔하여 RGB값을 맞춰주고 스캔하게 된다.

<표 8>

10 : 3D 스캐너 20 : 조명
21 : 삼각대 22 : 조절판
30 : 받침대 27, 40 : 편광필터

Claims (5)

1. 3차원 형상 스캐닝을 위한 조명 시스템에 있어서,
   유물 형상을 3차원 데이터로 생성하는 3D 스캐너와;
   상기 3D 스캐너에 의한 스캔 작업 시에 광원을 공급하도록 3D 스캐너 양 측에서 유물을 중심으로 45도 각도의 1.5m 거리에 위치하여, 카메라 노출계가 측정한 조리개, 셔터속도, 감도의 설정값에 따라 6~7의 광원세기(딤머값)를 조사하는 조명과;
   상기 3차원 데이터의 색상과 표면 오차율을 최소화 하도록, 상기 3D 스캐너 및 조명과 유물의 사이에 위치하는 편광필터와;
   상기 유물을 바닥으로부터 일정 높이에 올려놓으며, 상기 편광필터가 유물에 조사되는 조명의 광원을 간접적으로 가리도록, 상기 편광필터를 거치시키는 받침대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 조명은,
   조명의 하부에 위치하여 조명을 지지하는 삼발 형태의 지지대이며, 조명의 방향과 다리 한 쪽 방향이 일치되도록 설치되어 있는 삼각대와;
   상기 조명의 테두리를 따라 형성되어 있는 판재들이며, 조명으로부터 조사되는 광원량을 조절하는 조절판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 조명은 수직을 기준으로 유물 방향으로 15도 각도 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   유물과 조명 사이에 편광필터가 거치되도록 상기 받침대는 그 측면과 후면에 프레임이 설치되어 있되, 상기 조명의 광원이 유물에 직접 조사되지 않도록 상기 편광필터는 상기 받침대의 측면 및 측면으로부터 연장되게 설치되어 있는 프레임까지 거치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 편광필터는 회색 트레팔지인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝을 통한 최적의 데이터 추출을 위한 조명 시스템.

Images