KR101708344B1 - 3차원 스캐닝 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임; 상기 이동 프레임에 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하는 적어도 2 이상의 라인레이저; 상기 이동 프레임 상에 설치되고, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및 상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템이 개시된다.

Description

3차원 스캐닝 시스템 {System for 3 dimensional scanning}

본 발명은 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것으로서, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영함으로써, 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득하도록 구성된 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것이다.

사람이나 사물을 포함하는 다양한 대상체의 표면에 대한 기하학적 데이터를 수득하기 위해 3차원 스캐너가 사용된다. 최근 3D 프린터의 확산과 함께, 3차원 스캐너의 사용은 더욱 확산되는 추세이다.

종래의 3차원 스캐너의 일예로, 프로젝터에서 구조화된 광 패턴을 고속으로 대상체에 투사하고, 카메라로 패턴이 투사된 대상체의 표면을 촬영하고 이를 분석하여 3차원 데이터를 수득하는 방법이 제안된 바 있다.

이러한 방법은 데이터 오차가 비교적 적게 발생된다는 장점이 있으나, 속도가 비교적 느리고, 대상체의 표면에 대하여 360도 방향에서의 데이터를 얻기 위해서는 여러대의 카메라와 프로젝터를 배치해야 하고, 여러대의 프로젝터의 패턴 투사 동작을 동기화하기 위해 고정밀도의 동기화 기술이 적용되어야 한다는 점에서 기술적 구현의 어려움이 있었고 장치 제조 비용이 높아진다는 문제가 있었다.

종래의 3차원 스캐너의 다른 예로서, 턴 테이블 상에 대상체를 적치한 상태에서 라인레이저를 대상체에 투광하고, 턴 테이블을 회전시키면서 고정된 하나의 카메라로 라인레이저가 투광된 대상체의 표면을 촬영하고 이를 분석하여 3차원 데이터를 수득하는 방법이 제안된 바 있다.

이러한 방법은 정확도가 높다는 장점이 있으나, 턴 테이블에 적치 가능한 대상체의 크기에 제한이 있다는 점에서 소형 대상체로 그 용도가 제한되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1477185호 (2014.12.22 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영함으로써, 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득하도록 구성된 3차원 스캐닝 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임; 상기 이동 프레임에 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하는 적어도 2 이상의 라인레이저; 상기 이동 프레임 상에 설치되고, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및 상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템이 개시된다.

바람직하게, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비되며, 상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 하나의 라인레이저 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 하나의 베이스 프레임에 대응하여 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 라인레이저는 대상체를 향해 수평 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며, 상기 이동 프레임은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임에 설치되어 상기 베이스 프레임의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며, 상기 이동 프레임은 상기 원형 베이스 프레임의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 라인레이저는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임에 적어도 2 이상이 설치되며, 각각의 라인레이저에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임에 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 라인레이저는 대상체를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 카메라는 상기 레이저 스캐닝 평면과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 이동 프레임은 구동 수단에 의해 이동 경로를 따라 이동되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 컴퓨팅 수단은, 상기 이동 감지 수단에서 감지한 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출하며, 각각의 카메라의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라에서 촬영한 상기 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체 표면의 좌표 데이터로서 산출하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영하는 방식으로 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득함으로써, 비교적 크기가 큰 대상체에 대해서도 짧은 시간 내에 정밀한 스캔이 가능하다는 장점이 있다.

또한 본 발명은, 카메라 및 라인레이저의 이동 속도를 일치시키는 것만으로 정밀한 3차원 데이터를 수득할 수 있으므로, 고가의 복잡한 동기화 기술을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 이동 상태를 나타내는 모식도,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구동 수단의 일예를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 제어 관점 구성도,
도 4는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 이동 상태를 나타내는 모식도, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구동 수단의 일예를 나타내는 모식도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 제어 관점 구성도이다.

본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은, 베이스 프레임(10)과, 상기 베이스 프레임(10)이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임(20)을 구비한다.

본 실시예의 베이스 프레임(10)은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체(2)가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비된다. 본 실시예의 경우, 90도 간격으로 총 4개의 수직형 베이스 프레임(10)이 구비된 경우를 예시하며, 이러한 베이스 프레임(10)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하다. 본 실시예의 베이스 프레임(10)은 수직으로 연장되며 강성을 갖는 금속재 또는 합성수지재의 봉재 또는 강재로 이해될 수 있으며, 이동 프레임(20)의 상하 승강을 가이드 하기 위한 가이드 레일(11)과 수직 구조 지지를 위한 지지부(도면 미도시) 등이 더욱 구비될 수 있다. 가이드 레일(11)의 형상은 다양하게 변형 구성될 수 있다.

본 실시예의 대상체(2)는, 사람이나 사물을 포함하는 다양한 스캐닝 대상물이 될 수 있으며, 특히, 턴 테이블에 적치하기 곤란한 큰 볼륨을 갖는 사물이나 인체의 전신, 모여있는 다수의 사람들을 포함한다.

본 실시예의 이동 프레임(20)은 상기 베이스 프레임(10)에 설치되며, 상기 베이스 프레임(10)이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하도록 구성된다. 일예로, 이러한 수직 이동 경로는 상기 가이드 레일(11)이 될 수 있다.

상기 이동 프레임(20)은 구동 수단(50)에 의해 이동 경로를 따라 이동된다.

상기 구동 수단(50)은 다양한 공지의 기계적 또는 전기적 구동 수단이 적용 가능하다.

일예로, 상기 구동 수단(50)은, 공지의 다양한 리니어 모션 기구를 적용하여 구성될 수 있다. 리니어 모션 기구는 모터와 같은 구동원의 동력을 이용하여 직선형 모션을 제공하는 구동기구로서, 볼 스크류, 리니어 모터 등을 예로 들 수 있다.

일예로, 볼 스크류를 적용하는 경우, 각 베이스 프레임(10)의 상단 또는 하단에 서보 모터(도면 미도시)를 설치하고, 각 베이스 프레임(10)에 구비되며 상기 이동 프레임(20)이 결합 설치된 수직 방향의 볼 스크류(도면 미도시)를 서보 모터가 구동하는 방식으로 상기 이동 프레임(20)의 수직 이동 및 위치 제어가 이뤄질 수 있다.

다른예로, 도 2b에 예시된 바와 같이 리니어 모터를 적용하는 경우, 각 베이스 프레임(10)에 수직 방향의 LM 가이드(54)를 설치하고, 상기 이동 프레임(20)이 결합 설치된 리니어 모터(도 2b의 50)를 구동 제어하는 방식으로 상기 이동 프레임(20)의 수직 이동 및 위치 제어가 가능하다. 미설명 부호 52는 리니어 모터를 이동시키기 위한 스크류이며, 부호 56은 리니어 모터 설치용 브래킷이다.

다른예로, 상기 구동 수단(50)은 상기 이동 프레임(20)에 수직 방향 구동력을 직접 제공할 수 있도록 수직 방향으로 설치된 유압식 또는 공압식 실린더가 될 수도 있으며, 이외에 위치 및 속도 제어가 가능한 다양한 공지의 구동 수단 및 승하강을 위한 동력 전달 기구가 적용 가능하다. 이러한 구동 수단(50) 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.

본 실시예에서는, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단(60)이 구비된다.

상기 이동 감지 수단(60)은 이동 프레임(20)의 이동 경로 상의 위치를 감지할 수 있는 다양한 공지의 광학적 또는 전자기적 감지 수단이 적용 가능하다. 일예로, 이동 프레임(20)에 광전 센서를 부착하여 바닥면 또는 베이스 프레임(10)의 측면부에 구비된 광학적 표지 수단(예, 바코드, 엔코더 패턴 등)에 대한 광학적 감지를 통해 수직 경로 상의 위치를 감지하거나, 이동 프레임(20)을 구동하는 리니어 모터에 전자기적 센서 수단(예, 홀 센서, Magneto Resistor 등)을 부착하여 수직 경로 상의 위치를 감지하거나, 공지의 리니어 엔코더 센서 등을 적용할 수 있다. 이외에도 다양한 공지의 이동 감지 수단이 적용 가능하다. 이러한 이동 감지 수단(60) 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.

상기 이동 프레임(20)에는 적어도 2 이상의 라인레이저(30)가 설치된다. 이러한 라인레이저(30)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하다.

각각의 라인레이저(30)는, 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체(2)의 표면에 레이저 투사선(33)이 형성되도록 한다.

대상체(2)의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선(projection line, 33)은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면(4) 상에 위치하도록 형성된다. 미설명 부호 31은 각각의 라인레이저(30)에서 투사된 투사광이 이루는 면으로서, 이들 면이 모여 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면(4)을 이루게 된다.

상기 각각의 라인레이저(30)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 높이에서 수평 방향으로 투광하도록 구성된다. 이를 위해, 각각의 라인레이저(30)가 설치되는 상기 이동 프레임(20)의 위치는 상하 승강 이동 중에 동일 높이를 상호 유지하도록 그 위치 및/또는 속도가 제어되며, 이동 초기 시점에 동일 높이를 갖도록 제어된다.

이를 통해, 상기 레이저 스캐닝 평면(4)은 수평면의 형태로 구성되고, 대상체(2)의 표면에 형성되는 레이저 투사선(33)도 이러한 수평면 상에서 형성된다. 바람직하게, 본 실시예의 레이저 투사선(33)은 대상체(2)를 소정 높이에서 감싸는 형태로 형성된다.

상기 이동 프레임(20) 상에는 적어도 2 이상의 카메라(40)가 설치된다. 이러한 카메라(40)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하며, 반드시 라인레이저(30)의 개수와 동일할 필요도 없다. 또한, 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 조건이라면, 하나의 이동 프레임(20)에 라인레이저(30)와 카메라(40)가 반드시 한쌍으로 설치되어야 하는 것은 아니다.

각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 후술하는 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다. 미설명 부호 42는 카메라 뷰 레이(camera view ray)를 나타낸다.

바람직하게, 상기 카메라(40)는 카메라 뷰 레이(camera view ray, 42)가 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 중앙부 측을 향하도록 위치와 방향이 설정되며, 더욱 바람직하게, 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치된다.

보다 상세하게 도 2a를 참조하면, 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)보다 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 약간 높은 위치에 설치된다. 만일, 상기 카메라(40)가 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 동일 높이(간극이 없는 높이)에 설치되면, 상기 카메라(40)에서 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하지 못하거나 영상이 왜곡 촬영되는 축퇴(縮退, degeneracy)가 발생할 수 있다. 이를 감안하여, 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치된다. 도 2a의 경우에 이러한 간극은 상하 방향을 따라 설정되며, 후술하는 도 6의 실시예의 경우에 이러한 간극은 회전 방향을 따라 설정된다.

여기서, 상기 소정의 간극은 카메라(40)에서 촬영된 상기 레이저 투사선(33)의 영상에 축퇴(縮退, degeneracy)가 발생하지 않을 정도의 간극이면 충분하고, 특정한 값으로 간극의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에 있어서, 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 높이로부터 수 cm~수십 cm 정도의 간극으로 이격된다. 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 높이는 각각의 라인레이저(30)의 높이와 동일한 높이로 볼 수 있으므로, 상기 카메라(40)는 각각의 라인레이저(30)와 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것으로 이해될 수도 있다.

상기 라인레이저(30) 및 카메라(40)는, 하나의 라인레이저(30) 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라(40)가 하나의 베이스 프레임(10)에 대응하는 구조로 설치된다.

본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은, 상기 각각의 카메라(40)의 촬영 영상과 각각의 카메라(40)의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체(2) 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단(100)을 구비한다.

상기 컴퓨팅 수단(100)은, 상기 이동 감지 수단(60)에서 감지한 상기 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라(40)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출한다. 이러한 데이터는 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)에 대한 각각의 카메라 좌표계상의 좌표 데이터 산출의 근거가 된다.

즉, 상기 이동 감지 수단(60)에 의해 각각의 이동 프레임(20) 및 카메라(40)의 이동 위치는 연속적으로 감지되므로, 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)에서의 각각의 카메라(40)의 위치 및 방향이 최초 카메라 캘리브레이션 과정에서 컴퓨팅 수단(100)에 설정된 상태라면, 각각의 카메라(40)의 상하 이동 과정에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)에 대한 각각의 카메라 좌표계상의 좌표 데이터가 산출될 수 있다.

또한, 상기 컴퓨팅 수단(100)은, 최초 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.

본 실시예의 경우, 총 4대의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터가 각각 산출되어, 이를 하나의 좌표 데이터로서 결합하여 하나의 좌표 데이터 세트로 산출한다. 상기 레이저 투사선(33)이 상하 방향으로 이동하는 과정에서 이러한 좌표 데이터 세트의 산출이 이뤄지므로, 이렇게 산출된 대상체(2)의 표면 데이터를 결합하면, 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 전체 좌표 데이터를 산출할 수 있게 된다.

도 1을 참조할 때, 월드 좌표계는 WC로 표시된 절대 좌표계로 이해될 수 있고, 카메라 좌표계는 각각의 카메라 별로 설정된 상대 좌표계(도 1의 경우, 1번 카메라에 대한 CC1 카메라 좌표만 예시함)로 이해될 수 있다. 카메라 좌표계는 각각의 카메라에 대해서 각각 설정될 수 있다.

카메라 좌표계의 특정 좌표를 월드 좌표계의 좌표 데이터로 변환하거나 그 역방향의 변환 과정은, 통상의 카메라 캘리브레이션 방법을 통해 널리 알려진 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은 다음과 같이 스캐닝 동작을 할 수 있다.

우선, 각각의 카메라(40)에 대해 최초 카메라 캘리브레이션을 실시한다. 카메라 캘리브레이션은 카메라 외부 파라미터와 내부 파라미터를 이용한 통상의 좌표계 변환방법(카메라 좌표계-월드 좌표계)을 이용하여 이뤄질 수 있으며, 이러한 캘리브레이션을 통해 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계가 상기 컴퓨팅 수단(100)에 설정된다.

본 실시예의 경우, 카메라(40)의 수직 이동이 이뤄지므로, 카메라(40)의 수직 이동 위치를 이동 과정 중에 연속적으로 감지하여, 이를 월드 좌표계로 변환 시에 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)를 기준으로 월드 좌표계의 수직축(도 1의 Z축) 위치에 보정값으로 반영하게 된다.

구동 수단(50)을 이용하여, 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)로부터 각각의 이동 프레임(20)이 동일 높이와 동일 속도를 유지하면서 하강 이동한다. 하강 이동 중에 각각의 이동 프레임(20)의 위치는 이동 감지 수단(60)을 통해 연속적으로 감지된다. 구동 수단(50)의 구동과 이동 감지 수단(60)의 감지 동작은 컴퓨팅 수단(100)을 통해 제어될 수 있다. 일예로, 카메라(40)의 프레임 레이트가 100 fps의 경우, 3초에 180cm의 사람 신체를 0.6 cm 간격의 해상도로 스캐닝이 가능하다.

이러한 이동 과정 중에 각각의 라인레이저(30)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 높이에서 수평 방향으로 투광하여 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성하고 레이저 투사선(33)이 대상체(2) 표면에 생성되도록 한다.

각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.

상기 컴퓨팅 수단(100)은, 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.

한편, 상기와 같이 산출된 대상체(2) 표면의 좌표 데이터에 홀(hole)이 포함된 경우, 공지의 홀 필링(hole filling) 기술을 적용하여 전체 표면 데이터를 산출할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.

상술한 실시예에서는 하나의 이동 프레임(20) 상에 하나의 카메라(40)가 설치되는 경우를 예시하였는데, 보다 정확한 영상 데이터를 얻기 위해서 도 4와 같이 하나의 이동 프레임(20) 상에 2 대의 카메라(40)가 설치될 수도 있다.

이는 다른 관점에서, 하나의 라인레이저(30)에 대응하는 각각 2대의 카메라(40)가 동일한 이동 프레임(20) 상에 상하로 배치된 구조로 이해될 수도 있다.

상술한 실시예와 마찬가지로, 각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.

또한, 상기 컴퓨팅 수단(100)은, 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.

도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.

상술한 실시예에서는 베이스 프레임(10)에 설치된 각각의 이동 프레임(20)이 각각의 구동 수단(50)을 구비하여 각각 이동 제어되는 경우를 예시하였는데, 복수의 이동 프레임(20)의 수직 위치를 더욱 정확하게 일치시키기 위해서 도 5와 같이 각각의 이동 프레임(20) 상호 간을 연결 프레임(25)을 이용하여 일체로 결합할 수도 있다.

이는 다른 관점에서, 각각의 라인레이저(30)가 별도로 수직 이동 제어 또는 위치 제어되는 것이 아니라, 하나의 일체화된 프레임에 의해 수직 이동 제어 또는 위치 제어되는 구조로 이해될 수도 있다.

이러한 구조를 취하는 경우, 상기 구동 수단(50) 및/또는 이동 감지 수단(60)은 각각의 이동 프레임(20)에 모두 구비될 필요없이 하나의 이동 프레임(20)에만 설치되거나, 연결 프레임(25)에 설치될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.

본 실시예에서는, 상기 베이스 프레임(1010)은 대상체(2)가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며, 상기 이동 프레임(1020)은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임(1010)에 설치되어 상기 베이스 프레임(1010)의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능하도록 구성된다.

본 실시예의 경우, 상기 베이스 프레임(1010)은 대상체(2)가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며, 상기 이동 프레임(1020)은 상기 원형 베이스 프레임(1010)의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 상측 방향으로 연장 형성된다.

또한, 상기 라인레이저(1030)는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 적어도 2 이상이 설치되며, 각각의 라인레이저(1030)에 대응하는 적어도 하나의 카메라(1040)가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 설치된다. 본 실시예의 경우, 하나의 라인레이저(1030)에 각각 2 대의 카메라(1040)가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 설치된다.

또한, 상기 카메라(1040)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되도록, 라인레이저(1030)의 좌측 및/또는 우측으로 수평 방향의 간극을 갖도록 설치된다.

이러한 설치 상태에서, 상기 라인레이저(1030)는 대상체(2)를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하여, 수직 방향의 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성한다.

본 실시예에 있어서도, 상기 이동 프레임(1020)은 구동 수단(1050)에 의해 이동 경로를 따라 이동되며, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임(1020)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단(1060)을 구비한다.

본 실시예의 구동 수단(1050)은 상술한 실시예와 마찬가지로, 다양한 공지의 기계적 또는 전기적 구동 수단이 적용 가능하다.

다만, 본 실시예의 구동 수단(1050)은, 리니어 모션 기구가 아니라 곡선형 모션 기구를 적용하여 구성된다.

일예로, 이러한 곡선형 모션 기구는 카메라 돌리(Camera dolly)로 알려진 공지의 카메라 촬영용 플랫폼 기구를 적용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 360도로 대상체(2)의 위치를 감싸는 형태로 원형 트랙(본 실시예의 베이스 프레임에 해당)을 설치하고, 카메라 및 라인레이저가 설치된 카메라 돌리(본 실시예의 이동 프레임에 해당)를 서보 모터로 구동되는 고무 마찰 로울러로 구동하여 원형 트랙을 따라 이동시키는 방식으로 구성될 수 있다. 이때 카메라 돌리의 위치는 트랙에 설치된 바코드 마커를 통해 감지될 수 있다. 곡선형 트랙을 적용한 카메라 모션 제어 시스템의 예는, PCT 국제공개특허 WO1992002871 (1992.02.20 공개)를 포함하는 다양한 공지의 카메라 돌리 관련 자료 또는 상용 제품 등의 구성을 참조하여 이해될 수 있다.

이외에도, 원형 트랙을 이용한 곡선형 모션 기구는 대한민국 공개특허 특1997-0060924(1997.08.12. 등록), 대한민국 등록특허 제10-1516804호 (2015.04.24 등록) 등을 포함하는 다수의 공지된 구성을 적용 또는 응용할 수 있으며, 이러한 곡선형 모션 기구 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.

곡선형 모션 기구에 사용되는 본 실시예의 이동 감지 수단(1060)도, 상술한 실시예와 마찬가지로, 상기 예시한 카메라 돌리에 적용되는 바코드 마커를 포함하여 다양한 공지의 전자기적 또는 광학적 감지 센서가 사용될 수 있으므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.

본 실시예의 경우, 총 8대의 카메라(1040)에서 촬영한 수직방향으로 형성된 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터가 각각 산출되어, 이를 하나의 좌표 데이터로서 결합하여 하나의 좌표 데이터 세트로 산출한다. 레이저 투사선이 360도 회전 방향을 따라 이동하는 과정에서 이러한 좌표 데이터 세트의 산출이 이뤄지므로, 이렇게 산출된 대상체의 표면 데이터를 결합하면, 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 전체 좌표 데이터를 산출할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은 다음과 같이 스캐닝 동작을 할 수 있다.

우선, 각각의 카메라(1040)에 대해 최초 카메라 캘리브레이션을 실시한다. 본 실시예의 경우, 카메라(1040)의 원형 이동이 이뤄지므로, 카메라(1040)의 원형 이동 위치를 이동 과정 중에 연속적으로 감지하여, 이를 월드 좌표계로 변환 시에 이동 초기 위치(예, 도 6의 S 위치)를 기준으로 월드 좌표계에 보정값으로 반영하게 된다. 이러한 좌표계 변환 과정에서, 변환의 편의를 위해 원기둥 좌표계나 구면 좌표계로의 변환 또는 역변환 과정이 더욱 적용될 수도 있다.

구동 수단(1050)을 이용하여, 이동 초기 위치(예, 도 6의 S 위치)로부터 이동 프레임(1020)이 원형 궤적을 따라 수평면 상에서 이동한다. 이동 중에 이동 프레임(1020)의 위치는 이동 감지 수단(1060)을 통해 연속적으로 감지된다. 구동 수단(1050)의 구동과 이동 감지 수단(1060)의 감지 동작은 컴퓨팅 수단(100)을 통해 제어될 수 있다.

이러한 이동 과정 중에 각각의 라인레이저(1030)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 수직면 상에서 수직 방향으로 투광하여 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성하고 레이저 투사선(33)이 대상체(2) 표면에 생성되도록 한다.

각각의 카메라(1040)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.

상기 컴퓨팅 수단(100)은, 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(1040)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(1040)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

2: 대상체
4: 레이저 스캐닝 평면
10: 베이스 프레임
20: 이동 프레임
30: 라인레이저
33: 레이저 투사선
40: 카메라
50: 구동수단
60: 이동 감지 수단
100: 컴퓨팅 수단

Claims (13)

1. 베이스 프레임;
   상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임;
   적어도 2 이상이 구비되며, 상기 이동 프레임에 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 각각 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하되, 상기 각각의 레이저가 투광되어 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하도록 하는 라인레이저;
   상기 이동 프레임 상에 설치되고, 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하도록 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및
   상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비되며,
   상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   하나의 라인레이저 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 하나의 베이스 프레임에 대응하여 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 라인레이저는 대상체를 향해 수평 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며,
   상기 이동 프레임은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임에 설치되어 상기 베이스 프레임의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며,
   상기 이동 프레임은 상기 원형 베이스 프레임의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 라인레이저는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임에 적어도 2 이상이 설치되며,
   각각의 라인레이저에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 라인레이저는 대상체를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 카메라는 상기 레이저 스캐닝 평면과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 이동 프레임은 구동 수단에 의해 이동 경로를 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 수단은,
    상기 이동 감지 수단에서 감지한 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출하며,
    각각의 카메라의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라에서 촬영한 상기 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체 표면의 좌표 데이터로서 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.

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