KR101266115B1 - 반사면의 형상을 측정하는 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사면(14)의 형상을 측정하는 방법과 상기 방법에 대응하는 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 상기 반사면(14)에서의 반사를 위한 하나 이상의 패턴(15)과, 상기 표면(14)에서 반사된 상기 패턴(15)을 픽셀 바이 픽셀 방식으로 관측하는 하나 이상의 카메라(1)를 포함하는 시스템을 가지며; 상기 시스템에서 상기 카메라(1)와 상기 패턴(15)의 위치 및 방향이 측정되는; 반사면(14)의 형상을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 적은 수의 장비 복잡성으로도 반사면의 형상을 신뢰도 높게 측정하기 위하여, 픽셀(8)에서 측정된 상기 카메라(1)의 관측 방향과, 상기 카메라(1)의 픽셀(8)에서의 반사된 패턴(15)의 매핑에 대응하는 상기 패턴(15)의 위치가 상기 형상을 측정하기 위하여 표면 각도와 표면 높이를 산정하는데 사용된다.

반사면, 반사 표면, 패턴 지지대, 픽셀 바이 픽셀 방식, 삼각 측량법, 시간 코드화 방법, 주파수 코드화 방법, 전역 좌표계

Description

반사면의 형상을 측정하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING THE SHAPE OF A REFLECTIVE SURFACE}

본 발명은 반사면의 형상을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상기 방법 및 시스템에는 상기 반사면에서 반사하는 하나 이상의 패턴과 픽셀 바이 픽셀 방식으로 상기 반사면을 관측하는 하나 이상의 카메라가 제공되고, 여기서 상기 카메라와 상기 패턴의 위치와 방향이 제공된다. 게다가, 상기 시스템을 교정하는 방법이 기재되어 있고, 상기 시스템의 교정 방법은 특히 카메라와 패턴의 위치 및 방향을 산정하기 위해 사용될 수 있다. 또한 상기 반사면의 형상의 측정과 교정은 공통된 방법의 범위 내에서 실시될 수 있다.

반사면의 형상을 측정하기 위해, 형상과 위치를 알고 있는 패턴이 반사면에서 반사되고, 이러한 거울 이미지(mirror image)가 카메라로 관측되고 평가되는, 방법들이 공지되어 있다. 예를 들어, 독일특허공보 DE 197 57 106 A1은 구면 또는 비구면 표면 영역을 자동으로 측정하는 장치를 기재하고 있다. 이를 위해, 조명이 달린, 확산 산란 패턴이 측정하고자 하는 표면 영역의 반대 면에 배열되고, 이러한 반사면 영역을 통하여 생성된 패턴의 이미지(image)는 전자 카메라에 의해 기록된다. 카메라의 이미지 센서 위에 거의 직선이면서 등거리인 스트립들로 구성된 이미지가 생성되고, 이러한 이미지가 특히 높은 정확도를 가지는 이산 퓨리에 변환기(discrete Fourier transformation)에 의해 평가될 수 있도록, 상기 패턴이 선택된다. 모든 공간적 방향에서 반사면을 측정할 수 있도록 하기 위하여, 상기 이미지 센서에 생성되는 스트립 시스템은 서로 직교하도록 배열된 스트립들을 가져야만 한다.

독일특허공보 DE 103 45 586 A1에서는, 표면의 구조를 측정하는 방법 및 장치가 공지되어 있고, 상기 방법 및 장치에서는 평면 패턴이 이미지 생성기에 의해 생성되고 상기 평면 패턴이 표면에서 반사된다. 이렇게 반사된 패턴은 이미지 기록기로 기록되고 순차적으로 제어기로 평가된다. 물체의 표면을 간단하고, 저렴하며 빠르게 면적 측정하기 위하여, 면적 구조를 가지는 복수의 면적 패턴이 이미지 생성기에 의해 픽셀 바이 픽셀 방식으로 순차적으로 생성되고, 두 개의 패턴의 구조는 상이한 크기를 가지며 두 개의 패턴의 각 픽셀은 각각 한정된 위치를 가진다. 이러한 방법을 사용해서는 스트립 패턴의 미세 스트립들이 더 이상 기록될 수 없기 때문에, 만곡형(sinus-shaped)의 명암 거동(brightness behavior)을 가지는 상대적으로 넓은 스트립들이 스트립 패턴으로 사용된다. 이러한 패턴들은 TFT 모니터에 생성된다.

독일특허공보 DE 101 27 304 A1은 물체의 반사 표면의 3차원 윤곽을 측정하는 방법 및 장치를 기재하고 있고, 상기 방법 및 장치에서는 물체의 표면에서의 제 공된 격자(grid)에서 이미지 시스템으로 수신기에 반사하고, 상기 생성된 이미지를 평가한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 반사 평면으로부터 두 개 이상의 상이한 거리의 제공된 격자를 사용하는 것이 제안되었고, 여기서 상기 격자와 상기 수신기의 공간에서의 서로에 대한 상대 위치를 제공해야 한다.

이러한 접근방법 모두에서는, 측정 시스템의 위치와 방향이 적절한 교정에 의해 미리 산정되어 있어야 하고 따라서 측정 시스템의 위치와 방향이 제공되어 있어야 한다는 점이 가정된다. 이는 작은 표면이 측정됨으로써 실현될 수 있다. 그러나, 현대의 생산 공정에서 요구되는 충분한 정밀도와 속도를 가지면서 더 큰 영역을 측정하여야 한다면, 바람직하게는 상기 패턴 내에 위치하는 복수의 카메라를 사용해야만 하는 것이 통상적이다. 큰 표면을 측정하기 위하여, 반사면에서 반사하는 패턴은 충분한 크기를 가져야 한다. 또한, 상기 패턴이 색 변화가 일어나도록 보여야 하기 때문에, 상기 패턴은 종종 이미지의 형태로 스크린 이미지에 투영된다. 그러나, 이를 위하여, 넓은 표면 영역으로 많은 공간이 필요하고, 이러한 공간은 종종 사용할 수 없다. 게다가, 패턴의 생성을 위하여, 평평한 스크린이 사용되고, 여기서 큰 영역을 가지는 패턴의 생성을 위해, 종종 다수의 스크린이 사용되며, 상기 스크린들은 사용된 각 카메라를 위한 복잡한 교정 방법에 의해 교정되어야만 한다. 게다가, 복수의 스크린과 카메라를 사용할 때, 하나의 카메라에서 다음 카메라 또는 다음 스크린으로의 변화가 각각 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 방법이 개발되어야만 한다.

표면에서 일정 거리에 있는 단 하나의 패턴과 단 하나의 카메라를 사용해서 는, 반사면의 형상을 최종적으로 산정할 수 없고, 또한 표면 각도와 표면 거리 또는 표면 높이 사이에 각각 모호한 관계가 형성되기 때문에 종래의 방법으로도 추가적인 정보없이는 산정할 수 없다. 이러한 문제점은 복수의 카메라가 사용되는 또는 복수의 패턴이 표면으로부터 상이한 거리에 배열되는 공지된 방법(참고. 예를 들어 독일특허공보 DE 101 27 304 A1)에 의해 해결된다. 그러나, 이러한 방법은, 측정하고자 하는 표면의 각 영역이 복수의 패턴 및/또는 카메라로 커버되어야만 하기 때문에, 고 비용의 장비가 필요하다는 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 저가의 장비를 가지는 시스템에 의하여 반사면(reflective surface)의 형상과 특히 투명한 물체의 형상의 신뢰도 높은 측정이 이루어 질 수 있는 가능성을 제공하는 것이고, 여기서 특히 상기 시스템의 교정과 상기 형상의 측정을 쉽게 조종한다.

이러한 목적을 위하여, 픽셀 바이 픽셀 방식으로 제공되는 카메라의 관측 방향과, 상기 카메라의 픽셀에 대한 반사된 패턴의 매핑(mapping; 寫像)에 대응하는 패턴의 위치로부터 반사면의 형상을 측정하도록 상기 반사면의 각도와 상기 반사면의 높이를 산정하는 방법이 청구항 제1항에 제안된다. 본 발명의 범위 내에서, 상기 반사면은 전체적으로 반사면일 뿐만 아니라 특히 부분적으로 투명한 표면도 될 수 있다. 따라서, 본 발명은 특히 차량의 전면 유리를 측정하는 경우에도 전반적으로 유용하다. 바람직하게는 제공되는 카메라의 각 픽셀에서의 관측 방향에 의해, 상기 픽셀에 대한 반사되는 패턴 영역의 위치를 사용하여, 대응하는 패턴 위치를 높은 공간 해상도(high spatial resolution)와 단순한 광학 수단으로 산정할 수 있어서, 상기 반사면을 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. 게다가, 상기 카메라가 구형 곡선 표면의 초점에 위치되어 있다면, 상기 반사면의 측정을 더욱 실행할 수 있다.

이로 인해, 특히 본 발명에 따른 형상을 측정하기 위해 제안된 시스템을 이전에 또는 이후에 교정(calibration)함으로써 상기 카메라의 각 픽셀의 관측 방향을 제공할 수 있고, 상기 교정은 본 발명의 또 하나의 핵심 내용이며 특히 아래에서 설명할 반사면의 형상을 측정하는 방법과 결합하여 실행될 수도 있다.

제안된 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 예를 들어 구별될 수 있고 주기적으로 분포하는 두 개 이상의 패턴 요소로 구성된 패턴 시퀀스(pattern sequence)를 가지는 카메라에 의해 기록된 패턴의 분석을 위해, 위상-평가법(phase-evaluating method), 시간-코드화 방법(time-coded method) 및/또는 주파수-코드화 방법(frequency-coded method)을 사용한다. 이러한 방법은 이하에서 기술할 교정에, 또는 형상의 측정에, 또는 양 방법 모두에 적용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 패턴 시퀀스는 두 개의 상이한 광도(light intensity)를 가질 수 있다. 상기 방법에 의해 특히 고 공간 해상도가 획득될 수 있다. 따라서, 특히 패턴 내에서 픽셀에 대응되는 패턴 지점의 위치를 산정하는 것이 적합하다. 시간 및/또는 주파수 코드화 방법은, 예를 들어 연대기적 순서로 및/또는 상이한 시간 주기 동안의 상이한 패턴들을 패턴 지지대에 디스플레이(display)하고 상기 카메라에 의해 기록되도록 구성될 수 있다. 순차적인 평가에서, 패턴의 유형이 제공되었기 때문에 어떤 카메라 픽셀이 실질적으로 조합된 평가를 통하여 어떤 패턴 영역을 관측하는지가 산정된다. 가장 간단한 접근법은 모니터로 형성된 패턴 지지대의 각 모니터 픽셀을 개별적으로 제어하고 상기 각 모니터 픽셀을 각 카메라 픽셀에 할당하는 것이다. 그러나, 적절한 패턴 선택과 상이한 패턴들의 연대기적 순서에 의하여, 이러한 산정 과정을 가속화할 수 있거나 및/또는 정제(refine)할 수 있다. 또 다른 가능성은 패턴이 예를 들어 특정 명암 거동을 가지는 위상-평가법을 이용할 수 있다는 것이다. 패턴을 이동시킴으로써, 패턴 지점의 정확한 위치 측정을 위상 분석에 의해 실행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 패턴은 세 번 이상 이동된다. 또한 상기 두 방법을 조합하여 실행할 수도 있다.

제안된 방법의 바람직한 실시형태에 따르면, 반사 표면 또는 반사면 각각의 경우에 있는 하나 이상의 기준점에서의, 표면 높이 및/또는 표면 각도를 정확하게 산정한다. 이에 기초하여, 상기 기준점에 인접한 한 지점에서의 표면 높이를 순차적으로 평가할 수 있고, 이로 인해 표면 각도를 산정할 수 있다. 사실 기존의 시스템 크기에서의 각도 산정은, 즉 너무 작은 편이 아닌 측정 거리는 높이의 부정확성에 매우 민감하지 않기 때문에, 표면 각도는 이러한 방식으로 매우 정확하게 산정될 수 있다. 이때 기준점에서의, 그리고 상기 기준점에 인접한 지점들에서의 상기 표면 각도는 관측된 표면 형상에 결합될 수 있다. 여기서, 인접 지점들은, 직접적으로 경계 지점 뿐만 아니라, 표면 지점들에 인접해 있으며 인접 지점에서의 표면 높이 및/또는 표면 각도가 이미 산정된 또는 평가된 각각의 먼 지점일 수도 있다. 주로, 이때 예를 들어 관측할 표면의 중앙에 위치하는 단지 하나의 기준점에 기초하여, 전체 표면 구조 또는 형상을 각각 산정할 수 있다. 또한, 정확도를 향상시키기 위하여, 곡률을 보정하기 위해 사용되는 널리 알려져 있는 방법을 사용할 수 있다.

사실, 시작점으로서 역할을 하는 이러한 기준점에서의 표면 높이를 우선 정확하게 산정할 것이다. 이를 위하여, 정해진 패턴 지점이, 정확하게 표면 지점을 식별하기 위하여 패턴 앞에 배열된 마커(marker)로 커버될 수 있다. 제공되는 패턴이라고 간주하여, 상기 마커를 반사하는 표면 지점의 절대 표면 위치를 예를 들어 주로 기지의 삼각 측량법으로 순차적으로 산정할 수 있다.

이를 위하여, 특히 상기 마커는 직선 형상의 물체로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 마커는 패턴의 전방에, 바람직하게는 상기 반사면에 수직이 아닌 방향에 배열되는 것이 바람직하다. 표면 지점을 매핑하는 카메라 픽셀의 제공되는 관측 방향(공간 방향에서 제공되는 직선)과 커버된 패턴 지점을 이용하여, 하나의 평면을 한정하고, 상기 물체의 교차점을 상기 평면에 의해 산정한다. 또한 상기 평면에 의한 상기 물체의 교차점과 커버된 패턴 지점에 의해, 상기 패턴 지점으로부터 시작해서 반사면에 있는 표면 지점까지 뻗어 있는 직선이 산정될 수 있다. 이때 두 개의 직선의 교차점은 높은 정확도로 관측된 표면 높이를 산정한다. 물체의 형상으로서, 직선 또는 원과 같은 수학적으로 정의하기 쉬운 형상이 특히 적합하다. 사실, 이러한 것들은 패턴 전방에 위치된 얇은 막대 또는 실(twine)에 의해 실현될 수 있다.

다른 방안으로 또는 부가적으로, 표면 높이를 정확하게 산정하기 위하여, 패턴 지지대 평면에 있는 두 패턴 지점에 대해 제공되는 거리를 이용하여, 그리고 평면 거울로 간주하여, 상기 표면 높이가 동일한 것으로 평가할 수 있고, 이로부터 상기 표면의 각도를 산정할 수 있다. 이러한 방식으로 산정된 각도에 기초하여, 향상된 높이 측정을 실행할 수 있으므로, 특히 거리 오차에 대한 표면 각도의 민감성이 상대적으로 작기 때문에 이러한 방식을 반복적으로 적용함으로써 표면 높이를 충분히 정확하게 평가할 수 있고, 따라서 이렇게 평가된 각도는 상당히 정확하다. 표면 높이의 산정으로 인해 더 이상 추가적인 장치 요소(복수의 카메라 및/또는 패턴, 상기 패턴 또는 이와 유사한 수단의 전방에 배열된 거리 마커)가 필요하지 않기 때문에, 이러한 방법은 표면 지점의 높이 측정을 위해 사용하기에 특히 간단하다. 그러나, 이러한 방법은 표면이 너무 많이 휘어있지 않은 경우에만 제기능을 발휘하고, 두 거울 지점 사이의 거리가 너무 작아서 측정하고자 하는 표면이 평면 거울이라는 간주는 크게 틀리지 않다.

기본적으로 전체 형상을 측정할 수 있을 때라도, 기준점으로부터 시작한다면 형상 측정의 정확도는 본 발명에 의해 증가될 수 있고, 복수의 기준점을 바람직하게는 밀집된 격자 내의 측정하고자 하는 표면에 배치하고, 이때 각 기준점으로부터 시작하여 표면의 형상을 산정한다. 이러한 방식으로, 표면 형상은 기준점에서 산정된 표면 높이에 기초한 기준점 주위의 일정 거리까지만 평가되어, 기준점의 정확한 위치 또는 높이의 산정으로부터의 오차는 각각 그리 중요하지 않게 된다. 전체 표면을 기준점 주위에서 산정된 표면 형상으로 구성해야 하기 때문에, 추가적인 경계 조건이 발생하고, 이러한 추가적인 경계 조건은 형상 측정의 정확도를 전반적으로 증가시킨다. 게다가, 각 기준점 주위에서의 계산은, 상기 방법이 특히 빨리 실행될 수 있도록 병행하여 실행될 수 있다.

더 나아가 정확도를 증가시키기 위하여, 본 발명에 따르면 특히 모니터에 디스플레이될 수 있고 정제되지 않은 패턴으로 시작하는 패턴은 특히 모니터의 해상도 한계까지 순차적으로 정제된다. 패턴으로서, 예를 들어 스트립 격자를 고려할 수 있고, 하지만 여기서 스트립 형상을 거의 자유롭게 그리고 적용예에 적절하게 선택할 수 있다. 유용한 패턴 형상은 사각형, 라운딩 처리된 사각형, 사다리꼴 형상 또는 사인 곡선 형상일 수 있다. 패턴의 각 공간 방향을 측정하기 위하여, 패턴들 또는 스트립 격자들은 각각 상이하면서 평행하지 않은 두 개의 공간적 방향에서 생성되고 측정하고자 하는 표면에 의해 반사된다. 투영시 90°만큼 패턴이 회전하여 배열되는, 직교배열이 바람직하다.

추가적으로 본 발명에 따르면, 측정 동안에 특히 측정하고자 하는 형상에 따라 그리고 실질적으로 적용되는 패턴의 적합성에 따라 선택할 수 있는 상이한 패턴 구조를 생성하는 것이 제안된다.

본 발명에 따른 방법은 특히 투명한 물체를 측정하는데에 사용될 수 있다. 투명한 물체에 대한 전형적인 적용예는 차량의 전면 유리 또는 상이한 곡선 유리이다. 특히 바람직하게는, 이러한 경우에, 복수의 반사면의 형상을 동시에 측정할 수 있으며, 예를 들어 창유리의 상부 및 하부 측면 및/또는 서로 포개져서 배열된 복수의 창유리 또는 상이한 투명한 물체들을 동시에 측정할 수 있다. 특히 상이한 표면들의 패턴 구조를 더욱 구분할 수 있도록 상기 패턴 구조를 조절하는 것은, 반사된 패턴의 적합성에 따라 투명한 물체를 측정하는데 유용하다. 이러한 목적을 위하여, 스트립 패턴에서 지점 패턴으로 변화시킬 수 있다.

제1 단계로, 특히 다중-반사가 아직 영향을 미치지 않는 범위의 정확도까지만 상부의 표면을 산정함으로써, 다수의 표면 측정을 실질적으로 향상시킨다. 대체적으로 또는 추가적으로, 필요한 경우, 표면의 이러한 영역들을 측정할 수 있고, 상기 영역에서 상이한 표면의 다중-반사를 더욱 구분할 수 있거나 또는 분해할 수 있다. 이러한 측정법에 기초하여, 표면의 형상을 대략적으로 제공하고, 이로 인해 제공된 패턴이 자신을 디스플레이하는 방식에 대해 계산할 수 있어서, 제2 단계에서는, 상기 다중-반사를 계산할 수 있다. 측정하고자 하는 표면의 형상과 지점이 대략적으로 제공된다면, 상기 제1 단계에서의 표면의 형상의 개략적 측정 대신에, 제공된 값들을 사용할 수도 있다. 실질적인 현재의 패턴 형상이 산정될 때까지, 패턴을 특히 순차적으로 정제하고, 이로 인해 필요한 경우 상기 표면의 형상을 높은 정확도로 반복적으로 산정할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 패턴 구조의 정제 과정 동안에, 패턴의 유형은 표면의 (미리) 산정된 또는 제공된 형상에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 또한 이러한 과정은, 패턴의 적절한 구조가 특히 표면의 형상에 의존하기 때문에 단 하나의 표면이 측정되는 경우에도 유효하다.

더 나아가, 본 발명은 반사면에서 반사되는 패턴과 상기 표면에서 반사된 패턴을 픽셀 바이 픽셀 방식으로 관측하기 위한 카메라를 포함하는 패턴 지지대를 가지는 시스템의 교정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 교정을 위하여, 평행하게 배열되어 있는 두 개의 넓은 면적의 평면 거울 표면이 사용되고, 상기 평면 거울 표면들에 대한 정확한 거리는 제공될 필요가 없다. 제안된 교정 방법의 특징적인 장점은, 본 발명에 따른 교정을 위하여 패턴의 기하학적 구조와 두 개의 거울 표면의 정확한 평행 배열 외에는 추가적인 정보가 사용되지 않는다는 점이다.

넓은 거울 표면의 평면 서스펜션(suspension)은 사실 어렵다고 알려져 있다. 게다가, 두 개의 상이한 높이의 평행한 배열로 이상적으로 조절되도록 거울 표면을 조절하기 위해서는 상당한 비용의 기술 장비가 필요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면 반사면을 액체로 생성하는 방법이 제안된다. 이러한 방식으로, 형상을 측정하기 위해 사용되는 시스템을 쉽게 교정할 수 있고, 여기서 본 발명에 의하면 교정하는 단계와 형상을 측정하는 단계는 서로 조합될 수 있고 특히 순차적으로 실행될 수 있다. 교정 과정은 형상을 실질적으로 측정하기 전 뿐만 아니라 후에도 일어날 수 있다. 넓고, 이상적인 평면 표면을 사용함으로써, 동시적으로 높은 정확도로 관련된 모든 구성요소를 교정할 수도 있다.

거의 상응하는 광학 조건들을 획득하기 위하여, 본 발명에 따르면 평행한 거울 표면을 측정하고자 하는 반사면에 상응하는 높이로 배열하는 것이 제안된다.

이는 특히, 트레이(tray) 내 액체를 두 가지 상이한 충진 수위로 충진함으로써 및/또는 상기 트레이를 대응되게 움직임으로써, 상기 두 개의 평행한 거울 표면을 생성할 때 상기 과정은 특히 간단하게 실현될 수 있다. 특히 충분히 점성이 있는 액체를 사용함으로써, 표면 자체가 어떠한 곡률 또는 불균일성도 가지고 있지 않기 때문에, 광학 거울 품질을 가지는, 이상적으로 평행한 두 개의 거울 표면을 생성할 수 있다. 게다가 본 발명에 따르면, 높이의 변화 과정 후 액체가 정지된 때 측정함으로써 관측되는 방법이 제공된다. 가장 간단한 경우로, 이러한 과정은 순차적인 기록 과정 중에, 카메라의 동일한 픽셀에서 여전히 차이점이 발견되도록 실행될 수 있다. 이것이 더 이상 상기의 경우가 아니라면, 정적인 또는 정지해 있는 액체의 수위를 간주할 수 있다.

게다가, 충분한 넓이를 가지는 트레이에서 액체를 사용함으로써, 상기 거울 표면은, 시스템의 패턴 지지대와 카메라 모두를 공통 좌표계 내에서 교정할 수 있을 정도로 충분히 넓게 형성될 수 있다.

액체로서, 글리세린(glycerin)이 특히 적합하다.

최종적으로, 청구범위 제20항에 따르면, 반사면에서 반사될 수 있는 패턴을 생성하기 위한 하나 이상의 패턴 지지대와, 표면에 반사된 패턴을 픽셀 바이 픽셀 방식으로 관측하는 하나 이상의 카메라 그리고 상기 카메라의 이미지를 평가하고 형상을 산정하고 및/또는 교정하는 평가 유닛을 포함하는, 반사면의 형상을 측정하는 시스템이 제안된다. 본 발명에 따르면, 상기 시스템은 면적이 넓은 평면 거울 표면을 배열하기 위한 장치를 가지고, 여기서 상기 거울 표면은 바람직하게는 액체로 형성되는 방법이 제공된다.

평면 거울 표면을 배열하기 위한 장치로서, 특히 트레이가 적합하며, 상기 트레이 내에 상기 액체를 충진시킬 수 있다. 트레이 내에 상이한 충진 높이로 충진시킴으로써, 간단한 방식으로 복수의 평행한 거울 표면을 형성할 수 있고, 측정하고자 하는 물체의 위치까지 상기 거울 표면의 높이를 대략적으로 조절할 수 있다. 게다가, 특히, 상기 트레이는 대체적으로 또한 상승될 수 있고 또는 하강될 수 있다.

상기 시스템의 바람직한 형태로, 패턴 지지대는 모니터, 특히 상이한 패턴들을 디스플레이할 수 있는 TFT 모니터일 수 있다.

게다가, 본 발명에 따르면 복수의 패턴 지지대를 사각형으로 배열할 수 있고, 여기서 바람직하게는 상기 패턴 지지대의 각 교차점에 한 대의 카메라를 배열한다. 물론 당연히 서로 각도가 형성된 또는 심지어 수직인 모니터를 배열할 수 있다. 특히 광학적 배열은 측정하고자 하는 표면의 형상으로부터 형성되고, 상기 표면 형상의 거동은 종종 제공되어 있어 모니터의 배열은 적절하게 최적화될 수 있다.

추가적인 장점, 특징 및 적용 가능성들은 이하에서 예시적인 실시예에 대한 설명과 도면에서 알 수 있을 것이다. 따라서, 기재된 모든 내용 및/또는 시각적으로 도시된 도면은 그 자체로 또는 어떠한 조합으로 청구항의 또는 청구항 간의 관계에서의 조합에 무관하게 본 발명의 주제를 형성한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 반사면의 형상을 측정하는 본 발명에 따른 시스템을 도시하고,

도 2는 제2 실시예에 따른 반사면의 형상을 측정하는 본 발명에 따른 시스템 을 도시하고,

도 3은 제3 실시예에 따른 반사면의 형상을 측정하는 시스템의 패턴 지지대와 카메라를 도시하고,

도 4는 본 발명에 따른 시스템을 교정하는 동안 카메라 픽셀에 대한 광학 경로를 도시하고,

도 5는 도 4에 따른 광학 경로에서 교정시 사용되는 삼각형의 평가를 도시하고,

도 6은 상기 형상의 측정 동안 도 1의 본 발명에 따른 시스템을 도시하고,

도 7은 상기 형상의 측정 동안 도 1의 본 발명에 따른 시스템의 대체적인 구성을 도시한다.

-도면 부호-

1 카메라

2 패턴 지지대

3 물체

4 트레이

5 교정을 위한 거울 표면

6 교정을 위한 거울 표면

7 전역 좌표계

8 이미지, 카메라 픽셀

9 마커

10 공통 좌표계

11 커버되는 영역

12 카메라의 이미지 필드

13 시스템

14 반사성을 가지는/반사면

15 패턴

16 카메라의 공통 좌표계

17 패턴의 공통 좌표계

18 물체

19 교차점

측정하고자 하는 물체(3)의 반사면(14)의 형상을 측정하는 시스템(13)의 기본 구성이 도 1에 도시되어 있다. 상기 시스템(13)은 반사면(14)를 경유한 패턴 지지대(2)의 패턴(15)를 관측하는 카메라를 가진다. 상기 물체(3)의 반사면(14)의 형상을 산정할 수 있도록 하기 위하여, 상기 카메라(1)와 상기 패턴 지지대(2)의 패턴(15) 사이의 관계가 제공되어야 한다. 이를 위하여, 상기 카메라(1)의 공통 좌표계(16)와 상기 패턴(15)의 공통 좌표계(17)가 교정시 결정된다. 게다가, 상기 카메라(1) 뿐만 아니라 패턴(15)을 고정된 전역 좌표계(7) 내에서 교정할 수 있다. 이 러한 과정이 반드시 요구되어야 하는 것은 아니지만; 이러한 과정은 시스템이 명확해지는 것을 보다 확실히 한다. 고정된 전역 좌표계(7) 대신에, 카메라(1)의 공통 좌표계(16) 또는 상기 패턴(15)의 공통 좌표계(17)를 고정 전역 좌표계로 사용할 수 있다. 이로 인해 시스템(13)에 있는 상기 카메라(1) 뿐만 아니라 패턴(15)의 위치와 방향이 제공된다.

상기 카메라(1)는 반사면(14)에서 반사되는 패턴(15)을 픽셀 바이 픽셀 방식으로 관측하기 위해 설정된다. 상기 시스템(13)에 대한 설명에서, 상기 카메라(1)는 우선 이론적 이미지 거리, 이미지의 뒤틀림, 주 지점의 이동 또는 이와 유사한 파라미터들과 같은 어떠한 내부 카메라 파라미터도 필요로 하지 않는 단순 핀홀 카메라(pinhole camera)로 설계된다. 그러나, 내부 카메라 파라미터들이 제공되어 있다면, 제공된 카메라 파라미터들에 의해, 카메라(1)로 기록된 이미지(8)는 이때 제공된 파라미터들로 보정된 이미지로 전환되도록 보정된 핀홀 카메라로 상기 카메라(1)를 설계함으로써 상기 방법의 더 빠른 집중화를 위해 동일한 카메라가 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 이미지가 단순 핀홀 카메라에 의해 기록되었던 것처럼 이러한 이미지는 상기 방법에서 다시 순차적으로 취급된다.

카메라가 임의의 패턴에 직접적으로 경사지게 관측할 때, 단지 이미지를 평가함으로써 평면, 제공된 패턴 그리고 카메라 사이의 공간적 관계를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 패턴(15)과 상기 카메라(1) 사이의 정확한 관계가 형상의 측정을 평가하는데 필요하기 때문에, 패턴(15)과 정확하게 동일한 위치에 있고 이후에 형상을 측정하는데 사용되는 패턴을 사용하는 것이 교정을 위해 바람직하다. 패 턴(15)들의 형상은 상이할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 패턴 지지대로서, 평평한 스크린 모니터, 예를 들어 TFT 모니터가 제공되고, 상기 모니터에서는 어떠한 패턴(15)이라도 디스플레이될 수 있다. 상기 평평한 스크린 모니터(2)의 제공된 픽셀 크기로 인해, 디스플레이되는 패턴(15)의 기하학적 구조도 정확하게 제공된다. 그러나, 또한 패턴 지지대(2)에 있어 다른 실시예, 예를 들어 홀더에서 측정된 패턴을 가지는 가변 플레이트도 생각할 수 있다.

그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 카메라는 측정 범위 내에 어떠한 반사 측정 물체(3)도 존재하지 않는 경우 패턴 지지대(2)에서 상기 패턴(15)을 관측할 수 없다. 형상을 순차적으로 측정하기 위해 사용되는 카메라와 패턴 지지대 사이의 배열에서 상기 카메라(1)와 패턴 지지대(2)을 교정하고자 한다면, 반사성을 가지면서 정확하게 제공된 형상을 가지는 물체가 측정 물체(3)에 상응하는 위치에 배열된다. 바람직하게는 교정을 위해 간단한 수학적 관계가 사용될 수 있기 때문에, 정확하게 평면인 반사면을 관련시켜야 한다.

이러한 평면 거울의 제공되지 않은 위치로 인해 해를 구해야 할 방정식의 시스템에 추가 자유도를 도입해야 하기 때문에, 교정을 위해 사용된 패턴(15)은 상이한 위치에 있는 2개 이상의 거울을 통하여 관측되어야 한다. 이를 위한 가장 단순한 해결책은 하나의 거울 다음에 나머지 거울이 관측되어지는 상이한 높이에 있는 정확하게 평행한 두 개의 거울을 배열하는 것이다. 이러한 두 개의 거울 표면(5, 6)은 도 1에 실선으로 도시된다.

사실, 측정하고자 하는 물체(3)는 예를 들어 차량의 전면유리를 고려할 수 있다. 이러한 물체(3)의 크기 때문에, 넓은 면적의 거울 표면(5, 6)을 제조하고 배열하는 것은, 적절히 큰 크기에서 충분한 평면성을 가지는 거울을 제조하는 것과 휘어짐없이 두 개의 상이한 높이에 거울을 지지하는 것은 고 비용이 소요되므로 복잡하다. 평행한 두 개의 거울 표면(5, 6)을 생성하기 위하여, 조립체(13)의 하부 부분은 트레이(4)로 형성된다. 이러한 트레이(4)에, 반사성이 뛰어난 표면을 가지면서 충분한 점성을 가지는 액체가 유입된다. 상기 두 개의 높이는 두 개의 상이한 양의 액체를 상기 트레이(4) 내로 순차적으로 충진함으로써 형성한다. 이러한 배열은 상기 두 개의 거울 표면(5, 6)이 완전히 평면으로 그리고 평행하게 배열된다는 장점을 가진다. 게다가, 이러한 거울 표면의 방향은 언제든지 재생산될 수 있고, 상기 거울 표면의 방향이 반드시 필요한 것은 아니지만, 예를 들어 결함이 있는 카메라를 교체할 때 그리고 순차적으로 요구되는 재교정을 위해 상기 방향은 측정 시스템의 조작을 더 용이하게 한다. 충분한 점성을 가지는 적절한 액체는 글리세린이다.

도 2에는, 상응하지만 서로 이웃하게 배열된 복수(세 개)의 패턴 지지대(2)와 복수(두 개)의 카메라(1)를 가지는 시스템(13)이 도시되어 있고, 카메라와 지지대 모두는 물체의 표면이 측정되는 넓은 물체 면적을 커버하고 있다. 액체의 거울 표면(5, 6)은 단순한 방식으로 어떠한 크기로든 준비될 수 있기 때문에, 거울 표면(5, 6)을 생성하기 위해 글리세린으로 트레이(4)를 충진함으로써, 간단한 방식으로 공통 좌표계(10) 내에 카메라 지지대(2)의 모든 패턴(15)과 모든 카메라(1)를 교정할 수 있다.

이러한 경우에, 액체 표면(5, 6)은 바람직하게는 모든 카메라(1)와 패턴 지지대(2)를 위한 공통 좌표계의 X-Y 평면을 한정한다. 게다가, 각 카메라(1)가 하나 이상의 상이한 카메라와 함께 동일한 패턴 지지대(2)에 있는 패턴(15)을 관측하도록, 카메라(1)와 패턴(15) 또는 패턴 지지대(2)가 각각 배열한다면, 거울 표면(5, 6)에 수직한 표면에 대하여 회전되어 있는 모든 구성요소와 상기 표면에서 서로 간의 변위 사이의 관계 또한 결정할 수 있다. 이를 위하여, 전체 패턴(15)의 제공된 기하학적 구조로 인해 두 개의 상이한 패턴 영역(15) 사이의 관계가 형성될 수 있기 때문에 두 개의 카메라(1) 각각은 패턴 지지대(2)에 동일한 패턴 영역(15)을 매핑한다. 표면에 있는 어떠한 점도 좌표계(10)의 원점으로서 선택될 수 있다. 동일한 내용이 수직인 표면에 대하여 회전의 원점에도 적용된다. 이러한 방식으로, 모든 구성요소를 좌표계(10) 내에서 함께 교정할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템(13)을 위한 특히 유용한 배열이 도 3에 도시되어 있고, n × m 패턴 지지대가 사각형에서 형렬과 유사한 방식으로 배열된다. 카메라(1)가 패턴 지지대(2)의 각 교차 지점에 위치하고 있어서, 각 카메라가 네 개의 패턴 지지대(2)를 관측하고 그리고 -상기 행렬의 경계에 있는 패턴 지지대(2)로부터 멀리 떨어져 있으며-, 모든 패턴 지지대(2)는 네 개의 카메라(1)에 의해 관측된다. 상기 카메라(1)의 대응하는 이미지 영역(12)은 점선으로 도시되어 있다.

당연히, 상이한 기준 좌표계 사이의 좌표 변환에 대해 물체의 형상이 변하지 않기 때문에 물체(3)의 형상의 측정을 위해 재설정가능한 좌표계를 한정할 필요가 없지만, 몇몇 경우에는 고정되게 미리 설정된 좌표계와의 관계를 생성하는 것이 바 람직하다. 이는 예를 들어 전체 측정 시스템(13)의 조작을 더 용이하게 한다.

좌표계(10)에서 X-Y 평면의 방향은 액체 표면 때문에 항상 동일하다. 카메라(1)에서 관측될 수 있는, 나머지 자유도에서의 마커들이 부착될 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 원점이 패턴 지지대(2)에서 한정될 수 있고, 하나 이상의 카메라(1)에 의해 인지될 수 있도록 마커될 수 있다. 또한, 두 번째 고정 지점을 한정함으로써, 수직인 표면에 대한 회전 원점을 한정할 수 있다. 패턴 지지대(2)로서 평평한 스크린 모니터를 사용할 때, 이러한 마커도 상기 모니터에 디스플레이될 수 있다.

따라서, 공통 좌표계(10)로서, 우선 하나의 좌표계를 사용할 수 있고, 상기 하나의 좌표계의 X-Y 평면은 거울 표면(5, 6)과 일치한다. 상기 좌표계(10)에 기초하여, 예를 들어 트레이(4)에 연결된 어떠한 전역 좌표계(7)에 대한 관계라도 생성될 수 있다.

도 4를 참고하여, 이하에서는 상기 시스템(13)의 설치상태가 평평한 스크린 모니터(2)에 디스플레이된 패턴(15)에 의해 자세히 설명된다. 여기서, 상기 시스템(13)의 카메라(1)의 각 픽셀에서, 카메라(1) 또는 카메라 픽셀 각각의 경우에 의해 관측되는 평평한 스크린 모니터(2)의 픽셀이 산정된다. 처음에는, 이러한 측정과정은 교정 과정에 독립적이고, 각 픽셀에서의 카메라(1)의 관측 방향을 산정한다.

이를 위하여, 카메라의 위치 x_k, y_k 그리고 z_k가 기준 좌표계에서 파라미터로 서 생성된다. 좌표 x_k, y_k 그리고 z_k에 의해 한정된 지점은 카메라에 도달하는 모든 광선이 렌즈에서 만나는 지점을 표시한다. 게다가, 추가적인 파라미터로서, 기준 좌표계에서 평평한 스크린 모니터(2)의 각 픽셀의 위치와, 기준 좌표계에서 (측정된) 렌즈 뒤틀림을 포함하는 카메라(1)의 각 픽셀의 관측 방향이 산정된다.

카메라(1)와 평평한 스크린 모니터(2)(TFT 모니터)로 구성되는 시스템(13)의 배열 아래에, 글리세린이 충전된 트레이(4)가 위치하고, 상기 글리세린은 상이한 높이를 가지도록 부착될 수 있다. 상기 트레이(4)는 내부 측면이 어둡게 되어 있다. 트레이(4)에서 글리세린이 정지하면, 광학적으로 완벽하고 평면인 반사면(5, 6)이 형성된다. 이때, 상기 카메라(1)의 각 픽셀까지의 두 개의 높이(h₁, h₂)에, 대응하는 카메라 픽셀의 광선이 상기 거울(5, 6)에 의해 반사된, 평평한 스크린 모니터(2)의 대응하는 픽셀이 할당된다. 치수 h₁, h₂은 글리세린 표면(거울 표면)(5, 6)이 측정되는 두 개의 높이이다.

이러한 측정은, 상기 평평한 스크린 모니터(2)에서 적절한 패턴(15)이 순차적으로 디스플레이되고, 패턴의 거울 이미지(8)가 상기 카메라(1)에 의해 기록되도록 실행된다. 상기 패턴(15)을 적절히 선택함으로써, 각 모니터 픽셀은 많은 수의 이미지(8)를 거친 후에 식별될 수 있다. 이를 위하여, 각 픽셀을 명암도 시퀀스(brightness sequence)(예를 들어 그레이 코드(grey code))에서 코드화할 수 있고, 또는 적절한 그레이 값 프로그레션(grey value progression), 또는 그레이 값 프로그레션 시퀀스를 사용한다.

이하에서는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변화될 수 있는, 적절한 파라미터로 나타내기 위한 예가 제공된다. 원점은 평평한 스크린 모니터(2)들 중 어느 하나의 모니터의 하나의 픽셀(0, 0)에 연결된다. 상기 픽셀의 공간 좌표를 선택함으로써, 좌표계의 위치를 산정한다. 액체 표면으로 된 거울 표면(5, 6)은 좌표계(10)의 X-Y 평면에 평행하도록 선택되고, 이로 인해 상기 좌표계(10)의 Z-방향은 상기 거울 표면(5, 6)에 수직하게 서게 된다. 좌표계의 X-축은 상기 평평한 스크린 모니터(2)의 긴 측면에 수직하게 뻗어 있고, 상기 X-축은 원점을 한정한다.

이러한 방식으로 선택함으로써, 유일 좌표계(10)가 미리 결정되고, 상기 유일 좌표계에서 모든 시스템 구성요소들이 측정될 수 있다.

평평한 스크린 모니터(2)에서의 두 픽셀 사이의 거리는 그 연장선으로부터 정확하게 제공된다. 17" 모니터에서의 이러한 거리는 예를 들어 0.264 mm이다. 모니터가 공간 상에 배열되는, 공간에서의 모니터 픽셀의 장소와 세 개의 공간 각도가 제공된다면, 공간에서의 위치를 정확하게 산정할 수 있다. 이러한 측량은 모든 평평한 스크린 모니터(2)에서 정확하게 동일하고, 따라서 3차원 전역 좌표계 또한 측량되는 것을 확실히 한다.

도 4에, 카메라(1)에서의 하나의 픽셀을 위한 광학 경로가 도시되어 있다. 여기서, 좌표 x_k, y_k 그리고 z_k는 상기 카메라의 위치이고, h₁과 h₂는 거울 표면(5, 6)의 높이이고, x_s1, y_s1 그리고 z_s1은 높이 h₁에 있는 반사면에서 카메라 픽셀이 반사되는 공간 좌표이다. 여기서, 도 4의 하부 부분에 상이한 그레이 스케일(grey scale)로 도시된 삼각형들은 수학적 관점에서 닮음꼴이다.

도 5의 도면에 따르면, 두 개의 작은 삼각형과 두 개의 큰 삼각형이 각각 하나의 삼각형 내에 결합될 수 있다. 이때 이러한 두 삼각형의 높이와 너비는 제공되어 있다. 삼각형들이 닮음꼴이기 때문에:

(여기서, a = z_k + z_s1 - 2h₁ 이고, b = z_k + z_s2 - 2h₂임)

라는 관계식이 적용된다.

이러한 관계로 인해, 파라미터를 방정식에서 계산할 수 있다. x_k에 대하여 풀면, 상기 항등식은:

이다.

y_k에 대한 계산은 X 와 Y의 좌표 방향을 바꿈으로써 아날로그 방식으로 실행된다.

이러한 방정식은 상기 카메라(1)의 각 픽셀을 위해 형성된다. 방정식 시스템의 해를 구하기 위한 조건은 특정 카메라(1)에 속하는 픽셀의 모든 광선이 한 지점 에서 교차한다는 것이다. 그 결과 방정식 시스템은 예를 들어 뉴턴(Newton)-가우스(Gauss)-조던(Jordan) 방법과 같은 적절한 최적화 알고리즘으로 해가 구해진다. 또한, 최적화를 단순화시키기 위하여, 단지 몇몇 선택된 픽셀만 사용할 수도 있다.

최적화를 위한 바람직한 초기값으로서, 적절한 값을 사용할 수 있다. 따라서, 모든 평평한 스크린 모니터(2)의 위치가 픽셀(0, 0)의 위치로서 개략적으로 측정될 수 있고 초기값으로서 사용될 수 있다. 동일한 방법이 각 모니터의 세 개의 공간 각도에도 적용된다. 게다가, 각 카메라 Z와 거울 표면(5, 6) 사이의 높이 h₁과 h₂가 대략적으로 측정되고 초기값으로 사용된다.

이때, 각 평평한 스크린 모니터(2)에서, 픽셀(0, 0)의 X, Y 그리고 Z 좌표와 픽셀(0, 0)의 위치에서의 세 개의 공간 각도를 최적화한다. 동일한 방법이 거울 표면(5, 6)의 높이 h₁과 h₂에, 그리고 카메라 위치 Z의 높이에도 적용된다. 최적화로 인해, 각 평평한 스크린 모니터(2)와 각 카메라(1)의 보정 위치와 장소가 획득된다. 게다가, 하나 이상의 높이에 대한 정확한 측정을 실행하는 각 픽셀에서, 상기 카메라가 z = 0인 평면을 관측하는 지점이 제공된다. 높이 h₁과 h₂에서의 반사에 대하여, 다음의 방정식:

와

가 성립한다.

이러한 방정식들은 도 5에 따른 삼각형들을 고려함으로써 유도된다.

이러한 계산을 교정 후에 각 카메라 픽셀에서 분리하여 실행할 수 있기 때문에, 공간 상에서의 관측 방향은 렌즈 뒤틀림을 포함하는 카메라(1)의 각 픽셀에서 제공되며, 이는 동일한 방법을 이미지 기록시에도 고려하였거나 측정하였기 때문이다. 뒤틀림 설계(model)를 가지는 카메라를 설계하는 대신에, 상기와 같은 접근 방법을 사용하여, 각 픽셀에서 관측 방향을 명시적으로 산정한다.

기본적으로, 뒤틀림 설계도 동시에 설계될 수 있다. 여기서 최적화된 방정식 시스템은, 이러한 파라미터들이 추가적으로 나타나도록 그리고 더 많은 양의 계산을 수행하도록 최적화된다.

게다가, 각 거울 높이에서, 상기 카메라(1)가 실질적으로 패턴(15)의 거울을 관측한다는 사실을 고려할 필요 없이 평면 패턴에서 주로 제공된 교정 과정을 실행할 수 있다. 이때, 각 거울 높이 h₁과 h₂에, 상이한 허상 카메라 위치가 나타난다. 하지만, 상기 허상 카메라는 사실 항상 실상 카메라와 동일한 위치라는 점이 알려져 있기 때문에, 그리고 단지 거울 높이만 (정확하게 평행한 거울 표면(5, 6)과) 다르기 때문에, 방정식 시스템은 이러한 경계 조건을 사용하도록 형성된다. 상기 방정식 시스템을 최적화함으로써, 카메라(1)의 보정 위치가 획득된다.

이러한 방법은, 교정 과정을 두 단계 내로 나눌 수 있고, 제1 단계에서는 제공된 표준 방법을 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 이러한 방법은, 제1 단계에서 패턴 지지대(2)에 있는 패턴(15)만 사용될 수 있다는 단점도 가지고 있 다. 사실, 복수의 카메라(1)를 가지는 배열에서, 하나의 패턴 지지대(2)는 이미지 필드의 한 부분만을 그리고 한쪽 측면만을 커버하고, 즉 이미지 필드의 한 쪽 측면만 커버한다. 그러나, 이미지 필드를 패턴 지점으로 다소 규칙적으로 커버하기만 한다면, 우수한 교정을 실행할 수 있다.

상기 시스템(13)의 교정을 특정된 바와 같이 실행했다면, 상기 물체(3)의 반사면(14)의 형상 측정을 실행할 수 있다. 이를 위하여, 상이한 평평한 스크린 모니터(2)들은, 카메라(1)가 어떤 평평한 스크린 모니터(2)를 관측하는지 인지하기 위하여 상이한 명암도로 순차적으로 또는 동시에 교환된다. 이때 카메라(1)가 관측하는 패턴(15)에서의 위치를 추가적으로 좁히기 위하여 정제되지 않은 스트립 격자를 상기 평평한 스크린 모니터(2)에 생성한다. 상기 스트립 패턴(15)을 평평한 스크린 모니터(2) 각각의 해상도 한계까지 정제하고 상기 카메라(1)의 픽셀에 각각 매핑한다.

모든 방향에서 반사면(14)을 측정할 수 있도록 하기 위하여, 상기 스트립 패턴(15)도 90°만큼 회전되고 상기 평평한 스크린 모니터(2)에 디스플레이되며, 그리고 상기 패턴(15)의 특정된 정제 과정은 이러한 방향에서도 실행된다. 설명된 구성에서 기본적으로 반사면(14)의 모든 영역이 두 개의 패턴(15) 및/또는 두 개의 카메라(1)에 의해 커버되는 것이 아니기 때문에, 표면 각도 및/또는 표면 거리에 있어 불명확성이 발생한다.

이러한 불명확성을 해결하기 위하여, 하나 이상의 시작 지점 또는 기준점이 각각 요구되고, 상기 지점에서 두 개의 치수(표면 각도 또는 표면 높이) 중 하나는 제공되어 있다. 이러한 지점에서, 이때 높이와 각도를 미리 산정할 수 있다. 이러한 기준점에 기초하여, 인접 지점들에서의 높이를 순차적으로 평가하고, 이로 인해 각도를 산정한다. 사실상 사용할 수 있고 너무 작지 않은 측정 거리를 가지는 시스템 치수에 있어, 상기 각도를 산정하는 과정은 높이의 부정확도에 그리 민감하지 않다. 따라서, 이러한 방식으로, 표면 지점에서의 표면 각도를 매우 정확하게 산정할 수 있다. 이때 표면 지점에서의 표면 각도를 전체 형상에 결합할 수 있다. 이를 위하여, 정확도 향상에 있어, 곡률 보정을 위해 주로 제공된 방법을 사용할 수도 있다.

시작 지점 또는 기준점 산정 시에, 높이를 특정하는 것이 더 쉽기 때문에, 표면 각도와 표면 높이의 불명확성을 해결하기 위하여 다음의 방법을 사용할 수 있다. 즉:

완벽한 시스템(13)이 좌표계에서 측정된다면, 측정 물체의 지지 높이가 측정된다. 그러나, 측정 물체의 지지 지점은 결합 간격이 넓어지도록 항상 다수의 지점에만 존재할 수 있다. 기준점으로서 지지 지점을 사용할 때, 그 결과는 작은 측정 오차에도 매우 민감하게 된다.

두 개의 카메라의 중첩 영역에서, 이중-카메라 방법이 사용될 수도 있고, 상기 방법에서 지점의 높이는 카메라의 위치와 방향이 제공되는 두 개의 카메라로 관측함으로써 산정된다. 그러나, 곡선인 표면의 경우에, 종종 하나의 카메라만이 하나의 반사된 패턴을 관측할 뿐이므로, 사실 이러한 방법은 어렵다. 두 개 이상의 카메라로 매번 전체 표면을 사진으로 기록하기 위하여, 다수의 카메라 및/또는 패 턴을 제공해야만 한다.

자동차 전면유리와 같은 반사면은 거의 반사성이 없거나 또는 전혀 반사성이 없는 영역을 부분적으로 가진다. 특히, 이러한 영역으로는 너무 진한 인쇄 때문에 반사성이 없는 영역 예를 들어 가장자리가 있다. 그러한 영역들은 스트립 삼각 측량법 또는 스테레오 측정법(stereo measuring method)과 같은 비반사성 표면을 위한 공지된 방법으로 측정될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 비반사성 표면이 존재하는 경우에만 기능을 한다. 게다가, 이러한 경우에, 결합 간격은 매우 넓어지게 되고, 이로 인해 작은 측정 오차에 매우 큰 영향을 받게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 바람직하게는 기준점의 높이 측정을 위해 이하의 방법이 바람직하다.

첫 번째 실시 가능성에 따르면, 실제 패턴(15) 전방의 일정 거리에, 작은 마커(9)가 기준점의 주어진 격자에 부착된다. 이러한 마커들은 작은 막대에 또는 전방에 배열된 판유리에 배열될 수 있다. 마커(9)의 위치는 예시적으로 도 6에 도시되어 있다. 상기 마커(9)는 카메라(1)로부터 패턴(15)의 작은 영역(11)을 숨긴다. 상기 패턴(15)의 주위 지점을 인지함으로써, 상기 패턴(15)의 어느 지점(11)이 마커(9)로 커버되는지를 정확하게 산정할 수 있다. 따라서, 이러한 지점에서의 표면(14)의 절대 높이는 예를 들어 삼각 측량법으로 산정할 수 있다.

앞서의 또는 다음의 단계에서 거울 표면(5, 6)으로서 제안된 액체 표면을 이용하여 교정시 상기 마커(9)의 위치를 산정할 수 있다.

도 7에, 제안된 방법의 정제 과정이 도시되어 있고, 이하에서 이에 관해 설 명한다. 마커(9)에 상응하는 방법으로, 바람직하게는 수학적으로 정의하기 쉬운 제공된 형상(예를 들어 막대, 실(twine) 또는 원)을 가지는 얇은 물체(18)가 패턴 전방에서 일정 거리에 부착된다. 상기 물체(18)는 또한 전방에 배열된 판유리에 있는 반투명 패턴일 수 있다.

이러한 물체(18)는 이때 상기 카메라(1)에 또는 상기 카메라의 픽셀(8)에 각각 매핑된다. 상기 물체(18)가 얇고 또는 반투명이기 때문에, 상기 패턴(15)의 커버된 영역(11)을 산정할 수 있다. 픽셀 또는 카메라 픽셀(8) 각각을 통하여, 그리고 상기 카메라의 매핑 중심을 통하여, 카메라 픽셀의 관측 방향을 한정하고, 상기 관측 방향은 상기 픽셀(8)로부터 뻗어 있는 직선을 형성한다. 이러한 직선은 도 7에 점선으로 도시되어 있다. 이러한 직선과 제공되어 있는 커버된 패턴 지점(11)에 의해, 평면이 한정된다. 공간 상에서의 상기 물체(18)의 위치가 (예를 들어 교정으로부터) 제공될 때, 이러한 평면에 의해 상기 물체(18)의 교차점(19)이 산정될 수 있다. 이를 위한 유일한 조건은, 상기 물체(18)가 이러한 평면에 완전히 위치하지 않는 것이다. 이는 예를 들어 상이한 방향을 가지는 상이한 물체(18)들로 성취할 수 있다.

커버된 패턴 지점(11)과 교차점(19)은 마찬가지로 점선으로 도시된 추가 직선을 한정한다. 두 개의 직선의 교차점은 표면 지점과, 결합을 위한 상기 표면 지점의 표면 각도가 높은 정확도로 산정될 수 있는 관측된 표면 지점이다.

상기 물체(18)의 장소는 상기 시스템의 교정시에 외부 측정에 의해 또는 바람직하게는 두 번째 교정 단계에 의해 산정될 수 있다. 상기 두 번째 단계에서, 상 기 카메라(1)와 패턴 지지대(2)의 교정 후에, 평면 거울 표면(5, 6)은 아직 사용될 수 있기 때문에 상기 물체(18)의 장소가 산정된다. 이 시점에서, 거울(5, 6)의 형상 또는 배열이 각각 제공되어 때문에 상기와 같은 방법이 가능하다.

또 다른 방법이 이하에 기술될 높이 산정을 위한 두 번째 실시 가능성으로 기술될 것이고, 이러한 방법은 충분히 정확하다고 알려져 왔다. 여기서, 평면 거울이라고 간주하여, 거울의 높이를 평가함으로써 물체(3)의 반사면(14)의 높이를 대략적으로 산정한다. 이로 인해, 이와 관련된 각도를 산정할 수 있다. 거리 오차에 대한 각도의 민감성이 상대적으로 낮기 때문에, 상기 각도는 실질적으로 거울의 높이의 평가보다 더 정확하다. 상기 각도가 제공되어 있다면, 상기 높이는 향상된 정확도로 다시 산정될 수 있다. 이로 인해, 기준점에서의 반사면의 높이 또는 기준점의 높이를 각각 반복적으로 산정할 수 있다. 이러한 접근법은, 반사면(14)이 너무 많이 휘어 있지 않다면, 그리고 상기 패턴(15)이 관측된 두 개의 거울 지점의 거리가 평면 거울이라는 가정이 유효하도록 매우 작다면 유용하게 실행될 수 있다.

이로써, 간단한 방식으로, 기준점의 어떠한 격자라도 반사면에서 특정될 수 있고, 상기 반사면의 형상을 측정할 수 있다.

상기 방법을 가지고, 추가적으로 복수의 반사면에서의 반사가 존재할 때, 예를 들어, 제2 (하부) 유리 표면의 또는 서로 포개어져 배열된 복수의 판유리의 반사를 측정하고자 하는 경우에도, 반사면(14)을 측정할 수 있다. 이러한 과정은, 다중-반사가 더 이상 서로로부터 적절히 분리될 수 없고 반사면(14)들 중 하나의 형상의 분석이 더 이상 신뢰도 있게 실행될 수 없기 때문에, 종종 어려움에 봉착한 다.

예를 들어 반사성 물질로 후면 유리 표면을 코팅하지 않고 다중-반사로 인한 문제점들을 방지하기 위해, 상기한 방법에 따르면 제1 단계에 상기 반사면(14)의 형상을 대략적으로 산정하는 과정을 제공하는 방법이 제안된다.

사용된 패턴(15)의 해상도 정제는, 이때 상기 사용된 패턴(15)이 더 이상 다중-반사로 인해 구분될 수 없을 때 중단된다. 이때, 형상을 통상적으로 이미 매우 정확하게 산정할 수 있어서, 몇몇 영역을 제외하고는, 적용가능한 경우 제공된 패턴이 다중-반사시 디스플레이되는 방식을 미리 계산할 수 있다. 이러한 계산 방법에 기초하여, 상기 반사면의 표면 형상은 이때 더 높은 해상도를 가지는 패턴(15)에 기초하여 정확하게 산정될 수도 있다.

사실, 세 개의 영역은 여기서 구별된다. 제1 영역에서, 일정 각도까지, 상이한 표면들의 반사가 너무 많이 중첩되어서 상기 반사는 더 이상 분리될 수 없다. 이러한 영역에서, 주로, 다중-반사가 방해하지 못하는 가장 높은 반사면만이 측정될 수 있다.

일정 각도에서 시작하는 경우, 반사는 분리될 수 있지만 여전히 부분적으로 중첩되어 있다. 패턴의 형상이 제공되어 있기 때문에, 상이한 표면들에서의 반사는 수학적으로 그리고 상이한 명암도를 평가함으로써 분리될 수 있고, 이는 중첩 정도에 의존한다. 따라서, 모든 표면이 측정될 수 있다.

일정 각도에서 시작하는 경우, 다중-반사가 발생시키는 반사들은 완벽하게 분리될 수 있어, 더 아래에 배열된 표면에서 이러한 표면 형상을 매우 정확하게 측 정할 수도 있다. 패턴으로서, 특히 지점 패턴(point pattern)이 적합하다.

상이한 표면들을 측정하기 위하여, 여기서 상이한 패턴(15)들을 사용할 수 있고, 상기 패턴들은 판유리의 상이한 영역들의 반사 조건에 맞춰진다.

따라서, 제안된 방법 및 제안된 시스템으로, 투명한 물체의 상부 반사면을 높은 신뢰도로 측정할 수 있다. 넓은 영역에서, 아래에 위치된 표면 또한 특별히 비용이 많이 드는 장비를 사용하지 않고 측정할 수 있다.

Claims (24)

1. 반사면(14)의 형상을 측정하는 방법으로서,

   상기 반사면(14)에서 반사되는 하나 이상의 패턴(15)과, 상기 반사면(14)의 표면에서 반사된 상기 패턴(15)을 픽셀 바이 픽셀 방식으로 관측하는 하나 이상의 카메라(1)를 포함하는 시스템을 가지며; 상기 카메라(1)와 상기 패턴(15)의 위치 및 방향과 상기 카메라(1)의 각 픽셀(8)에서의 관측 방향이 제공되고;

   픽셀(8)에 대해 제공되는 상기 카메라(1)의 관측 방향, 및 상기 카메라(1)의 픽셀(8)에 대한 반사된 패턴(15)의 매핑에 대응하는 상기 패턴(15)의 위치로부터, 상기 반사면의 형상을 측정하도록 표면 높이를 산정하는; 반사면의 형상을 측정하는 방법으로서,

   기준점의 표면 높이를 산정하기 위하여, 직선 형상의 물체(18)는 상기 물체(18)의 하나 이상의 지점(19)이 패턴 지점(11)을 커버하도록 상기 패턴의 전방에 배치되고, 공간 상에서의 상기 물체(18)의 위치가 제공되고, 패턴 지점(11)을 매핑하는 픽셀의 관측 방향 및 패턴 지점(11)으로부터 하나의 평면이 산정되고, 상기 지점(19)은 상기 물체(18)와 상기 평면의 교차점이고, 상기 기준점은 패턴 지점(11)을 매핑하는 픽셀(8)의 관측 방향과 상기 패턴 지점(11) 및 상기 지점(19)을 통과하는 직선의 교차점인 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 카메라(1)에 의해 기록된 상기 패턴(15)을 분석하기 위하여, 위상-평가법, 시간-코드화 방법 및 주파수-코드화 방법 중 하나 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반사면(14)에서의 기준점의 표면 높이를 산정한 이후, 상기 기준점에 인접한 표면 지점에서의 표면 높이를 평가하여, 표면 각도를 산정하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   복수의 기준점을 격자 내의 측정하고자 하는 반사면(14)의 표면에 배치하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 패턴(15)은 정제되지 않은 패턴(15)으로 시작하여 순차적으로 정제되는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상이한 패턴들이 형성되는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   투명한 물체에 대하여 측정하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상이한 표면들의 다중-반사를 구분할 수 있는 상부 표면 또는 표면의 영역을 측정한 후, 상기 다중-반사를 평가하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
9. 제7항에 있어서,

   미리 제공된 표면의 형상과 위치를 이용하여 제공된 패턴이 다중-반사시 자신을 디스플레이하는 방식을 계산한 후, 상기 다중-반사를 평가하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 패턴(15)의 형상은 해상도에 의존하는 것을 특징으로 하는 반사면의 형상을 측정하는 방법.
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