KR101341189B1 - 표면각도 측정 광센서 및 이를 이용한 감지 방법 - Google Patents

표면각도 측정 광센서 및 이를 이용한 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감지 영역 내에 복수의 측정광을 조사하여 측정 대상 물체를 감지함에 있어서, 각 측정광이 측정물체에 반사되어 돌아온 광량차를 분석하여 물체의 표면각도를 도출하는 센서 및 복수개의 측정점에 대한 표면각도를 분석하여 측정대상물체의 표면형상을 복원하여 추출하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 물체표면각도센서는, 다른 위치/각도로 장착되어 서로 다른 특성의 측정광을 감지영역에 조사하는 복수개의 조명부(100); 감지영역에 대한 이미지를 획득하는 촬상소자(200); 촬상소자로 획득된 이미지 및 이미지들을 영상처리하여 그 결과 이미지를 저장하는 메모리부(300); 조명부의 측정광을 조사하는 발광시간과 촬상소자의 촬영시간을 조절하는 노출제어부(410)와, 조명부의 측정광이 측정대상물체에 반사되어 돌아온 복수개의 이미지로 부터 외부발광체에 의한 외란을 제거하고 특정 조명부의 효과만을 분리하여 개별측광이미지로 추출하는 영상처리부(420), 및 각 개별측광이미지의 각 픽셀의 광량을 비교하여 이를 측정대상물체의 해당위치의 표면각도로 환산하며, 필요에 따라 각 픽셀의 표면각도를 종합분석하여 측정대상물체의 표면형상을 복원하는 각도추출및형상복원부(430)로 구성된 제어부(400);를 포함한다.

Description

표면각도 측정 광센서 및 이를 이용한 감지 방법{LIGHT SENSOR FOR DETECTING SURFACE ANGLE AND SENSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 표면각도를 측정하는 광센서 및 이를 이용한 감지 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 감지 영역 내에 복수의 측정광을 조사하여 측정 대상 물체를 감지함에 있어서, 각 측정광이 측정물체에 반사되어 돌아온 이미지를 획득하고, 서로 다른 조명에 의해 감지된 대상물체의 이미지를 비교하되, 상기 이미지들의 각 픽셀에 해당하는 대상물체의 측정점에 대하여 광량차를 비교함으로써, 상기 측정점에 대한 표면각도를 도출하는 센서 및 복수개의 측정점에 대한 표면각도를 분석하여 측정대상물체의 표면형상을 복원하여 추출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 근거리에 있는 물체 또는 장애물을 측정하기 위한 방법으로서, 감지 영역에 측정광을 조사하고 반사광을 측정함으로써 감지 영역 내 물체 또는 장애물의 유무를 측정하는 센서가 산업현장에서 널리 사용되고 있다.
최근에는 이미지 촬상소자를 이용하여 측정광 이미지를 획득함으로써, 각 픽셀의 광량을 분석하여 측정영역내의 물체의 존재여부 뿐만 아니라 각 픽셀의 광량을 거리로 변환하여 물체의 표면형상을 도출하는 기술이 개발되었다.
그러나 종래 기술에 있어서, 외부조명에 의한 영향이 크고, 특히 측정물체의 표면 각도에 따라 반사된 광량이 달라지기 때문에 측정된 거리값에 상당한 오차가 발생하게 된다. 예를 들어, 도 2에서 도시한 바와 같이, 측정광이 대상물체의 표면에서 난반사되어 물체의 표면이 동일한 광량을 반사하더라도, 센서의 측정방향에 따라 측정되는 광량이 달라지게 된다. 뿐만 아니라, 대상물체의 표면에서 전반사되는 빛의 성분에 의해 각도에 따른 반사된 광량의 변화는 더 커지게 된다. 즉, 대상 물체의 표면각도가 측정광 및 측정센서와 수직을 이루는 경우 측정광을 대부분 센서로 다시 반사하여 측정된 광량이 증가하게 되고, 대상물체의 표면각도가 기울어져있는 경우 입사각/반사각의 원리에 의해 측정광의 많은 부분을 외부로 반사시키게 되어 상대적으로 센서로 다시 반사되어 측정된 광량이 감소하게 된다.
광원에서 조사된 빛의 반사 강도와 대상물체의 표면각도와의 관계를 실험적으로 측정하면 도 4와 같다. 도 4의 결과는 측정 물체의 표면재질이나 색상등에 따라 약간의 편차가 발생하지만 대체적으로 조사된 빛과 반사 강도는 도 4의 곡선 형태를 따른다. 즉, 관찰되는 반사의 강도는 표면각도가 0, 즉 관찰자의 시각과 물체의 표면이 정확히 90도를 이루는 각도에서 최대치를 나타내며 각도가 증가함에 감소하여 표면각도가 90도가 되면 전반사의 강도가 0이 된다. 여기서 3차원 물체의 형상을 정밀하게 표현하기 위해서는 각도보상이 필수적이며 서로 다른 위치에 있는 광원에 의한 측정광의 강도가 서로 상이하므로 이를 이용하여 물체표면의 각도를 예측할 수 있다.
즉, 본 발명의 목적은 복수개의 측정광을 사용한 이미지의 광량정보를 통해 센싱영역내의 복수개의 측정점에 대해 표면각도를 측정하는 방법과, 측정점의 각도 정보를 분석하여 물체의 형상정보를 도출하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 감지 영역 내에 측정광을 조사하여 물체표면 각도를 감지하는 광센서에 있어서, 다른 위치와 각도로 장착되어 서로 다른 특성의 측정광을 상기 감지영역에 조사하는 복수개의 조명부(100); 각각의 상기 조명부를 통해 상기 감지 영역으로부터 입사되는 측정광에 감응하여 상기 감지 영역에 대한 측정광이미지들과 외부광원에 의한 외부광이미지를 획득하는 촬상소자(200); 상기 측정광이미지들 또는 상기 측정광이미지들을 영상처리한 결과 이미지를 저장하는 메모리부(300); 및 제어부(400)를 포함하고, 상기 제어부(400)는, 상기 조명부의 측정광을 조사하는 발광시간과 상기 촬상소자의 촬영시간을 조절하는 노출제어부(410); 상기 조명부의 측정광이 상기 감지영역으로부터 반사되어 돌아온 복수개의 측정광이미지들 각각과 상기 외부광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 외부광원에 의한 외란을 제거하고 상기 조명부의 효과를 분리하여 개별 순수 측정광이미지로 추출하는 영상처리부(420); 및 추출된 각각의 상기 순수 측정광이미지의 각필셀 간의 광량차를 퐁쉐이딩 모델에 따라 연산하여, 해당 픽셀에서 측정된 상기 감지 영역 내의 대상물체의 각 픽셀에 해당하는 측정점에서의 표면각도를 퐁세이딩 모델을 적용하여 산출하고, 선택적으로 상기 각 픽셀에 해당하는 대상물체의 특정위치에서의 표면각도를 종합하여 촬영된 상기 대상물체의 표면형상을 상기 퐁세이딩 모델을 적용하여 도출하는 각도추출및형상복원부(430);를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서로서 달성될 수 있다.
조명부(100)는 다양한 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있는 백열등, 형광등, 할로겐램프, LED, 레이져조명, 등등, 모든 종류의 조명장치를 단독 또는 복합으로 구성하여 사용할 수 있다.
촬상소자(200)는 CCD, CMOS, 등등 다양한 빛의 파장에 감응하는 모든 종류의 이미지 촬영소자로 구성할 수 있다.
각도추출및형상복원부(430)를 통해, 각 개별측광이미지의 각 픽셀의 광량을 비교하여 이를 측정대상물체의 해당위치의 표면각도로 환산함에 있어서 램버트(Lambert), 골라드(Gouraud), 민낼트(Minnaert), 퐁(Phong), 오렌-나야(Oren-Nayar), 쿡-토렌스(Cook-Torrance)등의 측정모델을 사용할 수 있다.
또 다른 카테고리로서, 본 발명의 목적은 감지 영역에 서로 다른 특성의 복수개의 측정광을 조사하여 감지 영역내에 존재하는 물체표면의 각도를 측정하는 광센서를 이용한 표면각도 및 형상정보를 감지하는 방법으로서, (a) 제1조명부 및 제2조명부에서 측정광을 조사하지 않도록 제어한 상태에서, 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 외부광원에 의한 외부광이미지를 획득하는 단계; (b) 상기 제1조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서, 상기 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 제1측정광 이미지를 획득하고, 상기 제2조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서, 상기 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 제2측정광 이미지를 획득하고 단계; (c) 영상처리부를 통해 상기 외부광이미지와 상기 제1측정광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 상기 제1조명부의 측정광에 의한 순수 제1측정광이미지를 추출하고, 상기 외부광이미지와 상기 제2측정광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 상기 제2조명부의 측정광에 의한 순수 제1측정광이미지를 추출하는 단계; 및 (d) 각도추출및형상복원부가, 추출된 상기 순수 제1측정광이미지의 각픽셀과 상기 순수 제2측정광이미지의 각필셀 간의 광량차를 연산하여, 해당 픽셀에서 측정된 상기 감지 영역 내의 대상물체의 각 픽셀에 해당하는 측정점에서의 표면각도를 퐁세이딩 모델을 적용하여 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 표면각도 감지방법으로서 달성될 수 있다.
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본 발명의 일실시예에 따른 표면각도 광센서 및 이를 이용한 감지 방법은, 서로 다른 위치/각도로 배치된 복수개의 조명부를 통해 서로 다른 조명특성을 갖는 빛을 대상물체에 조사하고 반사되어 회귀한 이미지들의 차이를 분석함으로써, 촬영된 이미지의 각 픽셀에 대응하는 대상 물체의 측정점에서의 표면각도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 복수개의 측정광을 대상물체의 표면에 조사하여 물체표면의 각도및 형상정보를 감지하는 기술을 설명하는 대표도면이다.
도 2는 점광원으로 부터 발생되는 난반사와 전반사의 광량을 설명하는 도면이다.
도 3은 복수개의 측정광을 이용하여 대상물체로부터의 반사광량을 측정하여 물체표면 각도와 형상을 획득하기 위해 필요한 난반사 및 전반사 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 조사광이 물체에 반사된 반사 강도와 대상물체의 표면각도와의 관계를 실험적으로 측정한 측정치를 표시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 적외선 센서를 사용하여 적외선 이미지를 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서를 이용한 감지 방법을 도시한 순서도이다.
도 9는 도 8에 도시한 순서도에 따라 적외선 센서가 작동하는 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 표면각도 측정 광센서 및 이를 이용한 감지 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면각도 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 쉬운 이해를 위해 2개의 조명부(100)를 사용하여 대상물체의 1방향 각도를 측정할 수 있도록 구성한 것으로서, 동일한 측정원리를 2방향 각도에 대해서도 확장하여 적용할 수 있다. 즉, 측정 센서를 기준으로, 대상 물체의 각 측정점에서의 표면각도는, 2자유도(a,b)로 표시될 수 있으며, 1방향 각도 (1DOF, a 또는 b)를 측정하기 위하여 최소 2개의 서로 다른 특성을 갖는 조명부(100)가 필요하고, 2방향 각도 (2DOF, a와 b 모두)를 모두 측정하기 위해서는 도 1과 같이 최소 서로 다른 3개의 조명부(100)가 필요하다.
도 3에 예시된 본 발명의 일 실시예에 있어서, 서로 다른 특성의 측정광을 조사하는 복수개의 조명부(100)를 구성하기 위하여, 촬상소자(200)의 횡축으로 일정한 거리, l 이격거리만큼 떨어진 위치에 촬상소자(200)의 촬영방향과 평행한 방향으로 측정광을 조사할 수 있도록 2개의 조명부(100)를 배치하였다. 이때 도 3에 도시한 방법 외에도, 다양한 위치 또는 방향으로 복수개의 조명부(100)를 설치하고 감지영역 내에 서로 다른 측정광을 조사하도록 변형하여 실시할 수 있다. 조명부(100)를 구성하는 조명장치로서 백열등, 형광등, 할로겐램프, LED, 레이져조명, 등등 다양한 파장대역의 빛을 발광하는 모든 종류의 조명장치를 단독 또는 복합적으로 구성하여 사용할 수 있다. 또한, 각 조명부(100)의 광량을 증가시키기 위해 복수개의 발광소자를 하나의 그룹으로 묶어서 사용할 수도 있다.
감지영역에 대한 이미지를 획득하는 촬상소자(200)는 CCD, CMOS, 등등 다양한 파장대역의 빛을 감지하여 광량이미지를 획득할 수 있는 모든 종류의 촬상소자를 사용할 수 있다. 이때 적절한 필터를 삽입하여 조명부(100)에 의한 측광이미지를 효과적으로 추출할 수도 있다.
메모리부(300)는 촬상소자에서 획득한 이미지 및 이를 영상처리한 결과 이미지 등을 저장하도록 한다. 예를 들어 각 조명부(100)의 조명을 켜거나 끈 상태에서 촬상소자를 통해 직접 획득한 이미지, 또는 촬영된 이미지들에 대해 차연산 또는 비연산 등을 적용하여 부차적으로 획득한 영상처리 결과이미지들을 저장할 수 있다.
제어부(400)의 노출제어부(410)는 복수개의 조명부(100)의 발광시점(time)과 발광시간(duration)을 조절하고, 촬상소자(200)의 촬영시점(time)과 노출시간(expose time)을 제어함으로서, 복수개의 조명부(100)를 순차적으로 구동하고, 구동시간과 연동하여 촬상소자(200)의 노출시간을 제어함으로, 서로 다른 조명부의 조광상태에서 측광이미지를 획득하도록 한다. 보다 구체적으로는, 먼저 제1조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서 촬상소자(200)를 노출하여 감지 영역 내의 제1조명측광이미지(image with 1st light, I1)를 획득하고, 이어서, 제2조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서 촬상소자(200)를 노출하여 감지 영역 내의 제2조명측광이미지(image with 2nd light, I2)를 획득하고, 계속해서 같은 방법으로 제n조명 측광이미지(image with nth light, In)까지 획득하도록 한다.
이때, 감지영역 내에 존재하는 대상물체는 상이한 조명효과에 의해 측광이미지들에서 각각 조금씩 다르게 측정된다. 특히 복수개의 조명부(100)가 각각 다른 위치/각도로 위치하기 때문에, 대상물체의 표면에서 반사각도에 차이가 발생하게 되어, 촬상소자(200)로 반사되는 측광조명의 광량이 각 조명부(100)에 따라 달라지게 된다.
이와 같이 조명의 반사효과를 해석하기 위한 학문적 모델로서, 난반사 조명을 해석하기 위해 램버트(Lambert), 골라드(Gouraud), 민낼트(Minnaert), 퐁(Phong), 오렌-나야(Oren-Nayar), 쿡-토렌스(Cook-Torrance)모델 등등, 전반사 효과 및 반사, 굴절, 투과 등의 조명효과를 기술하는 다양한 조명모델이 존재한다. 본 발명에서는 램버트의 코사인 법칙(Lambert's cosine law)에 기반한 난반사 조명모델과 전반사 효과를 동시에 고려하는 퐁세이딩(phong's shading)모델을 적용하여 표면각도를 측정하는 방법을 설명하고자 한다. 이러한 모델들은 당업계에서 널리 알려진 공지의 기술들이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 서술한 방법 외에도 필요에 따라 다른 해석모델을 적용하여 물체의 표면각도를 측정할 수 있도록 발명을 변형하여 적용할 수도 있다.
난반사 조명 모델에 있어서, 조명의 특정위치가 정해지지 않고 모든 위치와 방향에 편만한 광량입자에 대해 주변조명(ambient light)을 정의하고 이에 대한 난반사 반사량은 [수학식 1]로 정의된다.
Figure 112011017554301-pat00001
여기서, I는 반사된 빛의 밝기이며, K ambient 는 주변조명 반사계수(ambient reflection coefficient), I ambient 는 주변 조명의 밝기(Intensity)를 나타내는 상수이다. 난반사 조명 모델에 있어서, 특정위치에 존재하는 점광원(point light)에 의한 반사광량은, 관찰자(또는 측정센서)의 위치와 관계가 없으며, 다만 조명과 물체의 반사표면이 각도에 의해 변화하게 된다. 난반사 현상은 램버트의 코사인법칙(Lambert's cosine law)에 의해 다음과 같은 [수학식 2]로 표현된다.
Figure 112011017554301-pat00002
여기서, I point 는 광원의 밝기를 나타내는 상수이며, d는 표면에서 광원까지의 거리를 각각 나타내고, K diffuse 는 대상물체의 확산계수 또는 곡면의 난반사 계수로 난반사의 정도를 의미하며 0 ~ 1 사이의 값을 가진다. α는 조명의 방향과 표면의 법선이 이루는 각도를 나타내는데, 각 지점의 법선벡터를 아는 경우, 즉 곡면의 형상을 아는 경우, 조명의 방향벡터(L)와 곡면의 법선벡터(N)의 내적을 이용하여, 상기식을 다음과 같은 [수학식 3]으로 표현할 수 있다.
Figure 112011017554301-pat00003
[수학식 3]에서 I는 α의 함수이며 관찰자의 위치는 아무런 영향을 주지 않음을 유의하여야 한다.
대부분의 물체표면의 반사광은 조명과 표면의 상대각도 뿐만 아니라 관찰자(또는 센서)의 위치에 따라 달라지게 되는데, 특히 광택이 나는 표면재질의 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 빛의 입사각과 거의 같은 반사각 부근에서 입사된 빛의 대부분이 반사된다. 예를 들어 유리에 부딪히는 빛의 입사각이 임계 각보다 클 경우 빛은 그 유리를 투과하지 못하고 100% 반사하게 된다. 이와 같은 조명효과는 전반사 조명모델을 가지고 설명할 수 있는데. 전반사의 조명 모델에서 이상적인 반사체의 경우 입사광선은 도 2와 같이 모두 R방향으로 반사하게 되지만, 이상적인 반사체가 아닌 경우 R방향을 중심으로 하는 일정한 범위내로 반사를 하게 된다. 이와 같이 이상적인 반사와 실제적인 차이를 보완하여 전반사 조명 모델을 기술하는 방법으로서, 아래의 [수학식 4]와 같은 경험적 모델(empirical model)이 퐁(phong)에 의해 제안되었다.
Figure 112011017554301-pat00004
퐁의 모델에 의하면 전반사의 세기는 cos n α에 비례하며 전반사 지수(n)는 광택의 정보를 설정하는 전반사의 범위를 조절하여 반사되는 각도를 조절하게 된다. 즉, 광택이 있는 표면의 경우 전반사가 일어나는 방향으로 광량이 집중되며, 광택이 없는 물체의 경우 상대적으로 광량이 많이 분산된다.
난반사 효과와 전반사 조명효과를 모두 포괄하는 퐁의 조명모델을 수식으로 표현하면 [수학식 5]와 같다. 퐁의 전반사모델에서 벡터를 이용하여 cos(α) = N·L로 표현하고, W(α) = K specular (전반사 계수) 즉 표면에 대한 광원의 입사각도와 상관없이 상수값을 가진다고 가정하였다.
Figure 112011017554301-pat00005
본 발명의 일 실시예에서, 도 3에서 도시한 바와 같이, 감지영역내의 물체의 측정점에서 물체 표면의 법선과 제1조명부와 이루는 각도를 α 1 , 물체 표면의 법선과 제2조명부와 이루는 각도를 α 2 라 정의하고, 또 표면과 측광소자의 측광방향과의 상대각도를 이루는 상황에서, 상기에서 설명한 퐁쉐이딩 모델을 적용하고자 한다.
즉, 획득된 이미지의 각 픽셀에 대하여 제1조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서 촬상소자(200)를 노출하여 획득한 픽셀의 제1조명측광이미지(I1)에 있어서, 도 3에 도시한 측정점(P1)에서의 광량은 퐁쉐이딩 모델에 따라 다음의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112011017554301-pat00006
제1조명부(110)의 측정광이 난반사된 광량(I diffuse )은 측정방향, 즉 촬상소자의 위치/방향과는 상관이 없으며, 오직 제1조명부(110)와 측정점(P1)의 표면의 상대각도(α)에 따라 달라진다. 제1조명부(110)의 측정광이 전반사된 광량(I specular )은 측정점(P1)의 표면각도와 측정점(P1)에서 제1조명부의 방향 뿐만 아니라, 측정점(P1)에서 촬상소자(200)의 방향에 따라서도 달라진다.
같은 방법으로, 제2조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서 촬상소자(200)를 노출하여 획득한 동일 픽셀의 제2조명측광이미지(I2)에 있어서, 도 3에 도시한 동일한 측정점(P1)에 대해서 광량은 퐁쉐이딩 모델에 따라 다음의 [수학식 7]과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112011017554301-pat00007
상기의 [수학식 6]과 [수학식 7]로부터 본 발명에서 제시한 주변광에 의한 효과를 제거하는 방법을 적용하고 전반사에 의한 광량을 무시하면 [수학식 8]과 같이 간단히 표현할 수 있다.
Figure 112011017554301-pat00008
Figure 112011017554301-pat00009
전반사 효과는 물체의 특성에 따라 다를 수 있지만 거울면이나 금속과 같이 전반사 효과가 큰 물체가 아닌 경우는 그 효과를 생략할 수 있다. 한편 기하학적인 구속조건으로부터 주어진 측정점의 위치에 대해 해당 측정점의 표면각도는 다음의 [수학식 9]와 같은 관계식을 갖는다.
Figure 112011017554301-pat00010
Figure 112011017554301-pat00011
그리고 도 3에 있는 d1을 첫번째 광원과 해당 픽셀간의 거리, d2는 2번째 광원과 해당 픽셀간의 거리, 그리고 d0을 센서와 해당 픽셀간의 거리로 정의하면 d1과 d2는 코사인 법칙에 의해 [수학식 10]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011017554301-pat00012
Figure 112011017554301-pat00013
Figure 112011017554301-pat00014
여기서, l은 광원과 센서간의 이격거리로 상수이다. 그리고 ξ는 센서에서 픽셀을 향한 가시 벡터가 센서의 법선과 이루는 각도로 각 픽셀에 고유한 상수이다. [수학식 8], [수학식 9], [수학식 10]으로부터 상이한 광원에 의해 측정된 센서의 측정강도는 [수학식 11]과 같이 표현된다.
Figure 112011017554301-pat00015
Figure 112011017554301-pat00016
상기 [수학식 11]을 이용하면 2개의 서로 상이한 광원으로부터 측정된 센서 강도 I1, I2로부터 센서에서 픽셀까지의 거리인 d0와 측정 대상물체 표면의 기울기인 ψ를 다음의 [수학식 12]로부터 구할 수 있다.
Figure 112011017554301-pat00017
Figure 112011017554301-pat00018
상기 수식을 측정된 이미지의 각 픽셀에 적용하면, 모든 픽셀의 광량정보에 해당위치에 사영된 측정 물체에 측정점에 대한 표면각도로 환산할 수 있으며, 각 픽셀에 환산된 표면 각도정보를 연결하여 연속된 표면을 갖는 대상 물체에 대한 표면 형상정보를 도출할 수도 있다. 본 발명의 제어기(400)의 각도추출및형상복원부(430)는 메모리부(300)에 저장된 복수개의 차연산 이미지의 각 픽셀에 조명모델을 적용하여 해당 위치에 존재하는 물체의 표면각도로 변환하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면각도를 측정하는 광센서를 이용한 형상 감지 방법을 도시한 순서도이다. 도 4를 참조하면, 우선 조명부(100)에서 측정광을 조사하지 않도록 제어한 상태에서, 외부 광원에 의한 이미지(30)를 촬상소자(300)를 통해 획득한다(S510).
이어서, 제어기를 통해 제1조명의 측광시간과 촬상소자(200)의 노출시간을 조절하여, 측정광 이미지를 획득하고, 같은 방법으로 제2조명의 측광시간과 촬상소자의 노출시간을 조절하여 측정광 이미지를 획득한다(S520).
메모리에 저장된 측정광이미지와 외부광이미지를 불러내서 영상처리기(420)를 통해 비교연산처리를 적용함으로써 순수하게 제1조명과 제2조명에 의한 영향으로 발생하는 측정광이미지(a,b)를 추출하여 메모리에 다시 저장하도록 한다. 여기서, 비교 연산 처리 방법으로는, 차연산(subtraction)을 사용할 수 있으며, 그 외에도 배타적 논리합(exclusive or) 등 다양한 비교 연산 처리 방법이 사용될 수 있다.
다음으로 순수조명 a의 측정광이미지와 순수조명 b의 측정광이미지의 각 픽셀을 비교하여 해당 픽셀의 광량에 대해 [수학식 8] ~ [수학식 12]를 적용하여 해당 픽셀에서 측정된 물체의 표면각도를 도출하도록 한다(S540).
부가적인 단계로서, 상기 도출된 각 픽셀에 해당하는 물체의 특정위치에서의 표면각도를 종합하여 촬영된 물체의 표면형상을 도출하는 과정을 포함할 수 있다 (S540-1).
상술한 4단계를 반복적으로 수행하여 연속적으로 감지 영역 내 물체(10)를 측정할 수 있다. 이러한 경우 도 9를 참조하여 N 회차의 제4단계를 다 마치기 전에, 다음에 수행하는 N+1 회차의 제1단계를 시작하여 각도측정을 위한 센서의 작동주기를 최소화할 수도 있다.
상기 과정에서 고찰한 표면각도 측정방법을 통해 복수개의 측정광을 감지영역에 조사하고, 획득된 이미지의 각픽셀의 광량차를 계산하여, 이미지에 감지된 대상물체의 각 픽셀에 해당하는 측정점에서의 표면각도를 추출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
30 : 이미지,
100 : 조명부,
110 : 제 1 조명부,
120 : 제 2 조명부,
200 : 촬상소자,
300 : 메모리부,
400 : 제어부
410 : 노출제어부,
420 : 영상처리부,
430 : 각도추출및형상복원부

Claims (8)

  1. 감지 영역 내에 측정광을 조사하여 물체표면 각도를 감지하는 광센서에 있어서,
    다른 위치와 각도로 장착되어 서로 다른 특성의 측정광을 상기 감지영역에 조사하는 복수개의 조명부(100);
    각각의 상기 조명부를 통해 상기 감지 영역으로부터 입사되는 측정광에 감응하여 상기 감지 영역에 대한 측정광이미지들과 외부광원에 의한 외부광이미지를 획득하는 촬상소자(200);
    상기 측정광이미지들 또는 상기 측정광이미지들을 영상처리한 결과 이미지를 저장하는 메모리부(300); 및
    제어부(400)를 포함하고, 상기 제어부(400)는,
    상기 조명부의 측정광을 조사하는 발광시간과 상기 촬상소자의 촬영시간을 조절하는 노출제어부(410);
    상기 조명부의 측정광이 상기 감지영역으로부터 반사되어 돌아온 복수개의 측정광이미지들 각각과 상기 외부광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 외부광원에 의한 외란을 제거하고 상기 조명부의 효과를 분리하여 개별 순수 측정광이미지로 추출하는 영상처리부(420); 및
    추출된 각각의 상기 순수 측정광이미지의 각필셀 간의 광량차를 퐁쉐이딩 모델에 따라 연산하여, 해당 픽셀에서 측정된 상기 감지 영역 내의 대상물체의 각 픽셀에 해당하는 측정점에서의 표면각도를 퐁세이딩 모델을 적용하여 산출하고, 상기 각 픽셀에 해당하는 대상물체의 특정위치에서의 표면각도를 종합하여 촬영된 상기 대상물체의 표면형상을 상기 퐁세이딩 모델을 적용하여 도출하는 각도추출및형상복원부(430);를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명부(100)는 할로겐 램프 또는 적외선 LED인 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상소자(200)는 CCD 또는 CMOS인 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 조명부(100)는 각 조명부의 측광방향이 평행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    특정한 파장 영역의 빛을 상기 촬상소자(200)로 조사하기 위해 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면각도 측정 광센서.
  6. 감지 영역에 서로 다른 특성의 복수개의 측정광을 조사하여 감지 영역내에 존재하는 물체표면의 각도를 측정하는 광센서를 이용한 표면각도 및 형상정보를 감지하는 방법으로서,
    (a) 제1조명부 및 제2조명부에서 측정광을 조사하지 않도록 제어한 상태에서, 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 외부광원에 의한 외부광이미지를 획득하는 단계;
    (b) 상기 제1조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서, 상기 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 제1측정광 이미지를 획득하고, 상기 제2조명부에서 측정광을 조사하도록 제어한 상태에서, 상기 촬상소자를 통해 상기 감지 영역 내의 제2측정광 이미지를 획득하고 단계;
    (c) 영상처리부를 통해 상기 외부광이미지와 상기 제1측정광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 상기 제1조명부의 측정광에 의한 순수 제1측정광이미지를 추출하고, 상기 외부광이미지와 상기 제2측정광이미지를 차연산을 통해 비교연산처리하여 상기 제2조명부의 측정광에 의한 순수 제2측정광이미지를 추출하는 단계; 및
    (d) 각도추출및형상복원부가, 추출된 상기 순수 제1측정광이미지의 각픽셀과 상기 순수 제2측정광이미지의 각필셀 간의 광량차를 연산하여, 해당 픽셀에서 측정된 상기 감지 영역 내의 대상물체의 각 픽셀에 해당하는 측정점에서의 표면각도를 퐁세이딩 모델을 적용하여 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 표면각도 감지방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는 상기 추출된 각 픽셀의 표면각도 정보를 연결하여 상기 감지 영역 내 물체표면의 형상을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 표면각도 감지방법.
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