KR101843838B1 - 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이며, 광학 전자 측정 기술 제품과 방법의 기술분야에 속한다. 4대의 디지털 카메라로 2×2 어레이 그룹을 구성하는 적어도 1그룹의 4카메라그룹으로 구축된 측정 시스템을 포함하고, 카메라그룹에 의해 수집된 이미지의 특징점에 대하여 매칭 연산을 수행하며, 매칭된 특징점의 상좌표에 기초하여 각 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하고, 공간 위치 좌표에 기초하여 피측정물의 특별히 측정해야 할 기타 3차원 사이즈를 계산하여 3차원 점의 클라우드 데이터를 형성하며, 3차원 점의 클라우드 도형을 구축하고 3차원 입체 재현을 수행한다. 본 발명은 측정 이미지를 직접 하나하나의 화소 점에 따라 X 축과 Y 축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교한 후, 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킬 수 있으며, 당해 방법은 양안 매칭의 복잡한 알고리즘을 최대한도로 간략화할 수 있으며, 다안 카메라를 이용하여 간단하고 빠르고 정확하게 물체의 3차원 사이즈를 직접 측정하는 효과를 달성할 수 있다.

Description

4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법{Feature-Point Three-dimensional Measuring System of Planar Array of Four-camera Group and Measuring Method}
본 발명은 4카메라그룹 평면 어레이(planar array) 특징점(feature points)의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이며, 광학 전자 측정 기술 제품과 방법의 기술분야에 속한다. 구체적으로, 피측정물의 3차원 특징점의 좌표에 대하여, 디지털 카메라그룹를 이용하여 이미지 처리 방식으로 위치 및 사이즈를 측정하고 피관측물의 특징점의 3차원 위치 좌표점의 클라우드 데이터를 계산해 내는 방법의 기술분야에 속한다.
현재, 피관측물의 특징점의 3차원 위치 좌표점의 클라우드 데이터를 빠르고 정확하게 계산해 내어 피관측물의 전체 외관 사이즈의 3차원 입체를 빠르고 정확하게 측정하는 3차원 측정에서 이용하고 있는 방법과 존재하는 문제는 하기와 같다.
첫째, 싱글 점 비전 측정법
각종 유형의 비 접촉식 길이 측정 센서를 싱글 점 비전으로 볼 수 있으며, 전형적인 것으로는 레이저 거리 측정 센서 및 고속 주사 기능을 중첩시키는 레이저 스캐너 등이 있다.
싱글 점 고속 주사에 의해 싱글 점 비전을 3차원 입체 비전 시스템으로 만들 수 있지만 이러한 유형의 시스템의 단점은 측정물 전체의 형태 특징을 빠르고 전면적으로 파악할 수 없으며, 동적 측정(dynamic measurement)시, 빠르게 이동하는 물체에 대하여 변형이 발생하기 쉽고, 측정 사각이 발생하기 쉬우며, 동시에 3차원 점의 클라우드 데이터의 처리 속도와 알고리즘을 보다 강화할 필요가 있다.
둘째, 평면 비전 측정법
평면 비전은 주로 각종 유형의 카메라를 이용하여 2차원 결상을 진행한다. 현재, 각종 유형의 카메라, 비디오 카메라, 감시 카메라 등이 광범위하게 응용되고 있다. 2차원 이미지의 온라인 계측(on line measurement)은 프린트와 포장 라인 품질 검출, 제품 품질 외관 검출 등 각종 유형의 특정 대상의 작업 라인 검출에 광범위하게 응용된다.
2차원 결상을 통해 시야 범위 내의 물체에 대하여 일차적 결상을 실현할 수 하고, 에지 알고리즘(edge algorithm)과 정렬 알고리즘(sorting algorithms)을 통해 물체에 대하여 검출과 지능화 처리를 진행한다. 평면 비전의 제일 큰 문제는 평면 이미지에 기초하여 직접 물체의 물리적 크기를 계산해 내기 어려우며, 3차원 검출에 있어서, 독립적인 이미지 분석만 진행할 경우 평면 외관 윤곽의 정성 분석밖에 할 수 없다는 것이다.
셋째, 3차원 비전 측정
현재, 3차원 데이터의 직접적인 수집을 확실하게 실현할 수 있는 기기는 아직 나타나지 않았으며, 소위의 3차원 비전은 모두 1차원 및 2차원 비전의 관련 기기와 기술의 조합으로 이루어진 것이다. 3차원 비전 및 측정 기술은 주요하게 하기의 몇가지를 포함한다.
1. 광 절단법（light sectioning method） 및 라인형 레이저 측정
광 절단법 및 라인형 레이저 측정은 레이저 평면의 확립을 통해 3차원 측정을 2차원 문제로 변환시켜 해결하는 것이다. 하나의 라인형 레이저 발생기로부터 하나의 레이저 평면을 형성하고, 당해 평면과 일정한 각도를 이루도록 배치된 디지털 비디오카메라에 의해 결상한 후, 이미지에 대하여 이진화(Thresholding) 처리를 하여 피측정물과 당해 레이저 라인의 교차 라인의 이미지을 얻으며, 당해 레이저 평면과 2차원 이미지 화소 사이에는 유일한 대응 관계가 존재하고, 캘리브레이션을 통해 당해 물체의 레이저 접선의 정확한 측정을 실현할 수 있다. 현재, 라인 레이저 거리 측정기는 레이저 라인상의 각 점 거리의 직접적인 측정에 있어서 기본적으로 모두 이 방법을 사용하고 있다.
2. 양안시(binocular vision) 또는 멀티비전(multi vision) 측정 기술
인간의 눈이 피관측물의 멀고 가까움과 크기를 빠르게 판단할 수 있는 것은 고정된 간격을 구비하고 동적으로 초점을 조정하며 각도를 조정할 수 있는 두 눈을 갖고 있고, 또한 연산 속도가 현재 제일 빠른 컴퓨터도 기급하기 어려운 대뇌를 갖고 있기 때문이다. 거리와 초점 거리가 일정한 2 개의 카메라가 동일한 물체에 대하여 동시에 결상할 경우, 피측정물의 동일한 측정점에 대하여 상기 2 개의 카메라가 결상한 이미지 사이에는 유일한 대응 관계가 존재하게 된다. 이것이 바로 양안시 측정 원리이다. 현재, 3D 영화는 기본적으로 당해 방법을 이용하여 촬영하고 입체 재현을 진행한다.
양안시에 있어서, 현재의 상황은 물체의 에지 특징의 추출 및 양안 화소의 매칭 알고리즘의 기술에 아직 어려움이 존재하고 있어, 양안 이미지를 빠르고 정확하게 매칭하기 어려우며, 양안시 또는 멀티 비전 측정이 아직 대규모적으로 응용되지 않았고, 양안으로 직접 측정하고 이미지를 식별하는 제품이 아직 나타나지 않았다.
본 발명은 다안 카메라를 이용하여 직접 물체의 3차원 사이즈를 간단하고 빠르고 정확하게 측정하는 목적을 달성할 수 있는 4 카메라그룹의 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명이 사용하는 기술방안과 방법은 하기와 같다.
4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템에 있어서, 4대의 디지털 카메라가 하나의 그룹을 구성하는 적어도 1그룹의 4카메라그룹을 포함하고, 상기 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4카메라그룹은 2×2 어레이 타입으로 설치되며, 상기 4대의 디지털 카메라는 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라를 포함하고, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라와 당해 d카메라는 동일한 평면에 배치되며, 상기 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축 상의 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하고 하나의 직사각형을 구성하여 하나의 직사각형 평면을 형성하며, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라와 당해 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직되고, 상기 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 모델넘버는 완전히 같고 렌즈도 완전히 같으며, 상기 a카메라와 b카메라의 상대적위치는 수평으로 설치되고, 상기 c카메라와 d카메라의 상대적위치는 수평으로 설치되며, 상기 a카메라와 c카메라의 상대적위치는 수직으로 설치되고 상기 b카메라와 d카메라의 상대적위치는 수직으로 설치된다.
당해 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4 카메라그룹은 선정된 카메라의 결상 광축 상의 초점과 그와 인접한 3대의 카메라의 결상 광축 상의 초점이 하나의 직사각형을 구성하여 하나의 직사각형 평면을 형성하는 4대의 디지털 카메라로 구성되며, 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직된다.
당해 4카메라그룹은 2×3, 2×4, 2×5, 3×2, 3×3, 3×4, 3×5 또는 4×4 어레이 타입으로 설치된다.
적어도 하나의 수직 레이저와 적어도 하나의 수평 레이저를 더 포함하며, 당해 수직 레이저는 Oa와 Ob의 연결선의 수직 이등분선 상에 설치되고, 당해 수평 레이저는 Oa와 Oc의 연결선의 수직 이등분선 상에 설치된다.
당해 4카메라그룹의 카메라의 센서 유형은 2/3″CMOS이고, 픽셀 사이즈는 5.5㎛이며, 해상도는 1024×2048이고, 렌즈의 초점 거리는 25 mm이다.
당해 4카메라그룹에 있어서, 수평 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라 사이의 거리는 m이고, 수직 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라 사이의 거리는 n이며, 여기서 m이 취하는 값의 범위는 50~100mm이고, n이 취하는 값의 범위는 50~100mm이다.
상기의 3차원 측정 시스템에 기초한 측정 방법에 있어서, 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법에 따라 측정 시스템을 구축하는 제1단계, 상기 제1단계에 있어서, 당해 측정 시스템을 구축하는 원칙은 적어도 4대 이상의 같은 카메라를 구비하고, 그 광축이 서로 평행되며, 초점이 동일한 평면에 위치하고, 초점이 하나의 직사각형을 형성할 수 있는 것이고, 당해 직사각형의 사이즈와 카메라 및 렌즈 파라미터를 선택할 시 주로 고려하는 요소는 측정 시스템의 정밀도와 피측정물의 사이즈이고, 측정 정밀도의 요구가 높을 경우, 카메라의 해상도를 향상시키고 렌즈의 초점 거리를 증가시켜야 하며, 아울러 피측정물이 4대의 카메라에 동시에 대응하는 결상점이 존재할 수 있도록 확보해야 하고, 만약 피측정물이 결상 범위를 벗어날 경우, 측정 카메라를 쌍으로 추가하여 측정 카메라 매트릭스를 형성해야 하
며;
이미지 수집 완료후, 카메라그룹 이미지의 특징점에 대해 매칭 연산을 수행하는 제2단계, 상기 제2단계에 있어서, 양안（both eyes） 입체 비전 측정에 있어서 입체 매칭은 바로 그 중의 하나의 결상점을 이미 알고 있을 경우, 다른 하나의 이미지에서 당해 결상점의 대응점을 찾아 내는 것이다. 극선 기하 구속(epipolar geometric constraint)은 통상적으로 사용되는 구속 기술 중의 하나이고, 측정점과 대응되는 이미지 상의 결상점 이 3개의 점를 연결하여 하나의 평면을 형성하고 당해 평면과 2개의 이미지가 결상 공간에서의 교차선을 극선이라 칭하며 극선의 구속 조건은 바로 매칭점이 반드시 극선 상에 위치되어 있어야 하는 것이다.
극선 알고리즘에 대하여 4카메라그룹의 평면 어레이의 3차원 비전 측정법의 카메라 광축이 평행되고 초점이 동일한 평면에서 직사각형을 형성하기에 극선은 직접 X축 또는 Y축에 평행되는 직선으로 간략화되며; 다시 말하면 피측물체의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X축 또는 Y축에 평행되는 직선 상에 있고; 이런 경우에 매칭 연산시, 매쌍의 측정 이미지를 직접 하나하나의 화소 점에 따라 X축과 Y축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점를 완전히 매칭시킬 수 있으며; 매칭 연산은 4카메라그룹 이미지에서 매칭 연산하는 것을 요구하며, 공간위치를 계산해야 할 특징점을 모두 찾아내고, 만약 4대의 카메라를 초과하는 카메라 어레이를 사용하여 측정할 경우, 부동한 4 카메라그룹에서 각각 부동한 매칭 연산을 수행해야 하며;
매칭된 특징점의 상좌표에 의해 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하는 제3단계, 상기 제3단계에 있어서, 매칭된 특징점의 상좌표를 피측정물 공간 중의 어느 하나의 특징점이 PN인 좌표 표현식에 대입하여 각 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하고, 특징점의 공간 위치 계산공식에 따라, 2쌍의 수평 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 폭 사이즈를 계산할 수 있고, 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 높이 사이즈를 계산할 수 있으며, 2쌍의 수평 카메라와 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 길이 사이즈를 계산할 수 있고, 상기의 사이즈는 모두 리던던시(redundancy) 특징을 구비하며, 용장 데이터(redundant data) 상에서 비교 분석하여 측정 정밀도와 정확율을 향상시킬 수 있고; 얻은 각 특징점의 공간 위치 좌표에 기초하여, 측정 피측정물의 특별히 측정해야 할 기타 3차원 사이즈를 계산하여 3차원 점의 클라우드 데이터를 형성하고, 3차원 점의 클라우드 도형을 구축하며, 3차원 입체 재현을 수행하는 제4단계를 포함한다.
당해 제1단계에 있어서, 당해 카메라와 렌즈의 파라미터, 직사각형의 길이와 폭 사이즈를 선택할 시의 구체적인 근거는, 측정 거리가 변하지 않을 경우, 피측정물의 체적이 클수록 렌즈가 요구하는 초점 거리가 작고, 측정 거리를 증대할 시, 측정 가능한 범위도 따라서 증대된다는 것이며, 측정 해상도를 향상시키는 방법은 카메라의 해상도를 향상시키고 측정 거리를 감소시키며, 측정 거리가 변하지 않는 조건하에서 초점 거리 값을 감소시키며, 4카메라그룹의 광축 중심 매트릭스의 사이즈를 크게 하는 것이다.
당해 제3단계에서, 각 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하는 수식에 있어서,
a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 초점 Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하여 피측정물 공간의 삼각 좌표계를 설치하고, X는 수평 방향이며, Y는 수직 방향이고, Z는 길이 또는 깊이 방향이며, 피측정물의 동일한 점인 P1의 공간 위치의 좌표는 P1（P1x，P1y，P1z）이고, P1 점의 공간 3차원 좌표의 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹에서의 대응하는 결상점이 P1a（P1ax，P1ay）, P1b（P1bx，P1by）, P1c（P1cx，P1cy）, P1d（P1dx，P1dy）일 시, 위치 좌표의 관계 표현식은,
ab 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00001
cd 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00002
ac 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00003
bd 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00004
ab 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00005
cd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00006
ac 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00007
bd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00008
이며,
여기서, m은 직사각형 평면의 OaOb의 길이이고, n은 OaOc의 길이이며, f는 4대의 카메라의 초점 거리이다.
당해 제3단계에 있어서, 당해 특징점의 공간 위치 좌표가 PN인 좌표를 계산하는 일반적인 표현식은 PN（PNx，PNy，PNz）, 여기서 N=1, 2, 3, 4, 5, ……
Figure 112016092443665-pct00009
이며,
여기서, a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4 대의 카메라의 초점을 Oa, Ob, Oc, Od로 설정하며, 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하고, 하나의 직사각형 평면을 형성하며, 직사각형 평면의 OaOb 길이를 m으로 설정하고, OaOc 길이를 n으로 설정하며, 4대의 카메라의 광축은 서로 평행되고 당해 직사각형 평면에 수직되며, a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹은 완전히 같은 CCD를 선택 사용하여 결상하고, 렌즈도 완전히 같으며, 4대의 카메라의 초점 거리를 f로 설정하고, Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하는 피측정물 공간의 직각 좌표계를 설정하며, X는 수평 방향이고 직사각형의 OaOb 변에 평행되며, Y는 수직 방향이고 직사각형의 OaOc변에 평행되며, Z는 길이 또는 깊이 방향이고 방향은 피측정물을 향하며, 피측정물의 어느 하나의 특징점을 PN으로 설정하고, PN이 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 상평면에서의 투영점의 좌표를 PNa（PNax，PNay）, PNb（PNbx，PNby）, PNc（PNcx，PNcy）, PNd（PNdx，PNdy）로 설정하면 PN 점의 공간 위치의 좌표는 PN（PNx，PNy，PNz）로 설정된다.
본 발명의 기술방안과 방법은 4대 이상의 디지털 카메라를 동일한 평면에 직사각형 어레이로 배치하기 때문에, 다안 매칭 알고리즘을 완성하고 대응하는 각 특징점를 찾아낸 후, 당해 방법을 사용하여 빠르고 정확하게 피관측물의 특징점의 3차원 위치 좌표를 계산해 낸 후 추가적으로 피관측물 전부의 외관 사이즈의 3차원 입체의 빠르고 정확한 측정을 실현한다. 특징점의 3차원 좌표를 빠르게 계산할 수 있는 것 외에, 4카메라그룹의 평면 매트릭스 배치 방식을 사용하였기에, 당해 방법은 특징점의 매칭 알고리즘을 최대한도로 간략화시킬 수 있다.
본 발명의 기술방안과 방법은 하기의 이점을 구비한다.
첫째. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 피측정물의 동일한 점의 3차원 입체 좌표를 부동한 카메라의 동일한 점의 결상점 위치에서의 변화에 기초하여 산출할 수 있다. 여기서, 수평 사이즈는 2쌍의 수평 배치된 카메라에 의해 산출되고, 수직 사이즈는 2쌍의 수직 배치된 카메라에 의해 산출되며, 깊이 사이즈는 2쌍의 수평 카메라 또는 2쌍의 수직 카메라에 의해서 모두 산출될 수 있다.
둘째. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 특징점 이미지 좌표 사이의 간단한 대수 계산을 통해 피측정물의 특징점의 3차원 입체 데이터를 산출해 낼 수 있으며, 피측정물의 동일한 점의 좌표 계산 정밀도는 카메라의 정밀도와 해상도, 카메라 상호 위치 정밀도와 거리에만 관련된다. 종래의 광 절단법 알고리즘과 미리 캘리브레이션해야 하는 기타 알고리즘에 비해 복잡한 캘리브레이션 공식에 대입할 필요가 없고, 공간 사이즈 계산을 최대한도로 간략화하였으며, 동시에 캘리브레이션 장치와 캘리브레이션 과정에서 나타나는 오차가 측정 결과에 영향을 미치는 것을 피면할 수 있다.
셋째. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 멀티 카메라 용장화와 특수 구조화 배치 방법에 속하며, 양안 비전 매칭 알고리즘 중의 극선 알고리즘에 대하여 상기 극선은 X축과 Y축에 평행되는 직선으로 직접 간략화된다. 다시 말하면 피측정물의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X축 및 Y축에 평행되는 직선 상에 위치한다. 매쌍의 측정 이미지를 하나하나의 화소점에 따라 X축과 Y축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킬 수 있다. 당해 방법은 양안 매칭의 복잡한 알고리즘을 최대한도로 간략화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 평면 4카메라그룹 어레이의 배치 평면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 평면 4카메라그룹 어레이의 평면 입체 모식도이다.
도 3은 본 발명의 평면 4카메라그룹 어레이의 배치 좌표계의 설치 모식도이다.
도 4는 본 발명의 4카메라그룹 어레이의 수평 사이즈를 계산하는 입체 모식도이다.
도 5는 본 발명의 4카메라그룹 어레이의 수평 사이즈를 계산하는 평면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 4카메라그룹 어레이의 수직 사이즈를 계산하는 입체 모식도이다.
도 7은 본 발명의 4카메라그룹 어레이의 수직 사이즈를 계산하는 평면 모식도이다.
도 8은 본 발명의 3×2 카메라 어레이의 3차원 측정 시스템의 배치 모식도이다.
도 9는 본 발명의 3×2 카메라 어레이의 3차원 측정 시스템의 배치 평면도이다.
도 10은 본 발명의 3×2 카메라 어레이의 3차원 측정 시스템의 배치 측면도이다.
다음, 본 발명의 기술방안과 방법을 전면적으로 이해하는데 유리하기 위하여 도면과 결합하여 본 발명의 기술방안과 방법에 대해 하기와 같이 상세히 설명하기로 한다.
도 1, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템은 4대의 디지털 카메라가 하나의 그룹을 구성하는 적어도 1그룹의 4카메라그룹를 포함한다.
상기 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4카메라그룹은 2×2 어레이 타입으로 설치된다.
상기 4대의 디지털 카메라는 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라를 포함하고, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라와 당해 d카메라는 동일한 평면에 배치된다.
상기 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축 상의 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하고, 하나의 직사각형을 구성하여 하나의 직사각형 평면을 형성한다. 즉, a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라는 각각 당해 직사각형의 4개의 각（도 1, 도 2, 도 3）에 위치하고, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라와 당해 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직된다.
상기의 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 모델넘버는 완전히 같고 렌즈도 완전히 같으며, 두 카메라 사이의 거리는 직사각형의 요구를 만족하는 전제하에서 그 길이와 폭 사이즈를 임의로 조정할 수 있다. 카메라 해상도와 기타 파라미터, 렌즈 초점 거리, 직사각형의 길이와 폭 사이즈의 선택은 피측정물의 위치와 사이즈에 기초하여 적합한 파라미터를 선택하여 4대의 카메라가 시야 범위 내에서 모두 피측정물의 이미지를 촬영할 수 있도록 확보해야 하는 동시에 이미지 해상도에 대한 측정 정밀도 요구를 충족할 수 있도록 해야 한다.
또한 적어도 하나의 수직 레이저와 적어도 하나의 수평 레이저를 포함한다. 수직 레이저는 수직 방향에 따라 설치된 레이저이고, 수평 레이저는 수평 방향에 따라 설치된 레이저이다. 레이저는 기체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저, 자유 전자 레이저 또는 펄스 레이저를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 a카메라와 b카메라의 상대적위치는 수평으로 설치되고, 상기 c카메라와 d카메라의 상대적위치는 수평으로 설치（a카메라, b카메라와 평행）된다. 당해 수직 레이저는 Oa와 Ob의 연결선의 수직 이등분선 상에 설치된다. 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, a카메라, b카메라의 상단에 위치하며, 거리는 a카메라와 b카메라의 초점 연결선의 길이의 1~3배이다.
상기 a카메라와 c카메라의 상대적위치는 수직으로 설치되고, 상기 b카메라와 d카메라의 상대적위치는 수직으로 설치（a카메라, c카메라와 평행）된다. 당해 수평 레이저는 Oa와 Oc의 연결선의 수직 이등분선 상에 설치된다. 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, a카메라와 c카메라의 좌측에 위치하며, 거리는 a카메라와 c카메라의 초점 연결선의 길이의 1~3배이다.
당해 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4카메라그룹은 선정된 카메라의 결상 광축 상의 초점과 그와 인접한 3대의 카메라의 결상 광축 상의 초점이 하나의 직사각형을 구성하여 하나의 직사각형 평면을 형성하는 4대의 디지털 카메라로 구성되며, 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직된다.
당해 4카메라그룹은 2×3, 2×4, 2×5, 3×2, 3×3, 3×4, 3×5 또는 4×4 어레이 타입으로 설치된다. 부동한 위치와 부동한 외형 사이즈의 물체를 측정하고 부동한 측정 정밀도의 요구를 만족할 수 있도록 하기 위하여, 당해 비전 측정 시스템은 필요에 따라 4카메라그룹의 2×2 어레이를 직사각형에 따라 페어(pair)로 카메라 어레이로 배치하여 확장함으로써 측정하는 시야 범위를 확대할 수 있다. 당해 4카메라그룹의 어레이를 2×2 어레이로 설정할 경우, 만약 횡방향의 시야 범위를 증가시키려면 횡방향에서 한 쌍의 카메라를 더 설치하여 3×2 어레이로 되게 할 수 있으며, 확장 가능한 어레이로서 예를 들면 2×3, 2×4, 2×5, 3×2, 3×3, 3×4, 3×5, 4×4 등이 있다.
측정 카메라의 매트릭스 배치의 가장 중요한 원칙은 카메라의 결상 광축 상의 초점과 그와 인접한 3대의 카메라의 결상 광축 상의 초점이 하나의 직사각형을 형성하고, 카메라의 결상 광축이 모두 당해 직사각형 평면에 수직되는 것이다.
측정 카메라의 매트릭스 배치의 다른 하나의 원칙은 측정해야 할 특징점이 카메라 어레이 중의 적어도 하나의 4카메라의 2×2 어레이 중의 모든 이미지로부터 대응하는 매칭점를 찾을 수 있어야 하는 것이다.
측정 카메라 매트릭스의 계산 원칙은 4카메라그룹의 2×2 어레이를 기초로 하여 이미지 매칭과 3차원 좌표 계산을 하는 것이다. 만약 당해 한쌍의 카메라가 수평 또는 수직 방향에서 2쌍의 기타 카메라와 각각 인접한다면, 당해 한쌍의 카메라는 각각 그와 인접되는 2쌍의 기타 카메라와의 4카메라그룹의 2×2 어레이 연산에 참여할 수 있다.
4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정법에서는 하나 또는 복수의 수직선 레이저 발생기（즉 수직 레이저） 또는 수평선 레이저 발생기（즉 수평 레이저）를 설치할 수 있다. 도 1, 도 2를 참조하면, 하나 또는 복수의 수직선 레이저 발생기 또는 수평선 레이저 발생기의 용도는 레이저 구조광을 통해 4카메라그룹의 이미지가 피시물과 레이저광의 교차선 상의 동일한 측정점과의 매칭을 빠르고 정밀하게 진행할 수 있는 것이다. （레이저가 보통 광원에 비해 조도가 높기 때문에 이미지로부터 쉽게 물체와의 교차선 도형을 얻고, 광절단법 원리에 기초하여 교차선의 3차원 좌표를 용이하게 산출해 낼 수 있으며, 다른 해석이 없다. 지시선과 유사하게 이미지 매칭에 편리하다. 다른 각도로부터 말하자면, 이미지를 직접 매칭시키고 알고리즘이 복잡하면 매칭 에러가 발생하기 쉽고 유일성을 확보하기 어렵다.）하지만 라인 레이저 발생기를 설치하지 않고 이미지 특징점의 빠른 매칭을 실현할 수 있다면 측정 결과에도 영향이 없다. 때로는 측정 속도와 정밀도의 요구를 달성하기 위하여 여러 갈래의 수평 또는 수직 레이저 라인을 배치할 수 있으며, 배치 방식은 레이저 라인을 서로 평행시키는 방식으로 배치하는 것을 제안한다.
당해 4카메라그룹 중의 카메라 센서의 유형은 2/3″CMOS이고, 픽셀 사이즈는 5.5㎛이며, 해상도는 1024×2048이고, 렌즈의 초점 거리는 25mm이다.
당해 4카메라그룹 중의 수평 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라의 거리는 m이고, 수직 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라의 거리는 n이며, 여기서 m이 취하는 값의 범위는 50~100mm이고, m이 취하는 값의 바람직한 범위는 60mm이며, n이 취하는 값의 범위는 50~100mm이고, n이 취하는 값의 바람직한 범위는 50mm이다.
상기와 같은 3차원 측정 시스템에 기초한 측정 방법은 하기의 구체적인 단계를 포함한다.
제1단계에 있어서, 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법에 따라 측정 시스템을 구축한다.
당해 측정 시스템을 구축하는 주요 원칙은 적어도 4대 이상의 같은 카메라를 구비하고, 그 광축이 서로 평행되며, 초점이 동일한 평면에 위치하고, 초점이 하나의 직사각형을 형성할 수 있도록 하는 것이다.
당해 직사각형의 사이즈와 카메라 및 렌즈 파라미터를 선택할 시 주로 고려하는 요소는 측정 시스템의 정밀도와 피측정물의 사이즈이다. 측정 정밀도의 요구가 높을 경우, 카메라의 해상도를 향상시키고 렌즈의 초점 거리를 증가시키는 것을 고려함과 아울러 피측정물이 4대의 카메라에 동시에 대응하는 결상점이 존재할 수 있도록 확보해야 한다. 만약 피측정물이 결상 범위를 벗어날 경우, 측정 카메라를 쌍으로 추가하여 측정 카메라 매트릭스를 형성하는 것을 더 고려할 수도 있다.
제2단계에 있어서, 이미지 수집 완료후, 카메라그룹 이미지의 특징점에 대해 매칭 연산을 수행한다.
양안과 다안 이미지 매칭 알고리즘에 관하여 현재 대량의 관련 연구와 알고리즘이 있으며, 현재의 알고리즘을 참조하여 이미지 상의 피측정물의 결상점에 대하여 대응하는 매칭을 수행할 수 있다. 멀티 카메라의 용장과 특수 구조화 배치 방법을 사용했기 때문에 양안과 다안 이미지 매칭 알고리즘을 사용하여 이미지 상의 피측정물의 결상점에 대하여 대응하는 매칭을 수행하였다. 양안 비전 매칭 알고리즘 중의 극선 알고리즘에 대하여 직접 X 축과 Y 축에 평행되는 직선으로 간략화한다. 다시 말하면, 피측물체의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X 축 및 Y 축에 평행되는 직선 상에 위치한다. 매쌍의 측정 이미지를 직접 하나하나의 화소점에 따라 X 축과 Y 축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킨다. 당해 방법은 양안 매칭의 복잡한 알고리즘을 최대한도로 간략화할 수 있다.
양안 입체 비전 측정에 있어서, 입체 매칭은 바로 그 중의 하나의 결상점을 이미 알고 있을 경우, 다른 하나의 이미지에서 당해 결상점에 대응되는 점을 찾아 내는 것이다. 극선 기하 구속은 통상적으로 사용되는 구속 기술 중의 하나이고, 측정점과 대응되는 이미지 상의 결상점 이 3개의 점을 연결하여 하나의 평면을 형성하고, 당해 평면과 2개의 이미지가 결상 공간에서의 교차선을 극선이라 칭하며, 극선의 구속 조건은 바로 매칭점이 반드시 극선 상에 위치되어 있어야 하는 것이다.
극선 알고리즘에 대하여, 4카메라그룹의 평면 어레이의 3차원 비전 측정법의 카메라 광축이 평행되고 초점이 동일한 평면에 있는 직사각형이기에 극선은 직접 X축 또는 Y축에 평행되는 직선으로 간략화된다. 다시 말하면, 피측물체의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X축 또는 Y축에 평행되는 직선 상에 있고; 이런 경우에 매칭 연산시, 매쌍의 측정 이미지를 직접 하나하나의 화소점에 따라 X축과 Y축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킬 수 있다.
매칭 연산은 4카메라그룹 이미지에서 매칭 연산하여 공간 위치를 계산해야 할 특징점을 모두 찾아낼 것을 요구한다. 만약 4카메라를 초과하는 카메라 어레이를 사용하여 측정할 경우, 부동한 4카메라그룹에서 각각 부동한 매칭 연산을 수행해야 한다.
제3단계에 있어서, 매칭된 특징점의 상좌표에 의해 특징점의 공간 위치 좌표를 계산한다.
매칭된 특징점의 상좌표를 피측정물 공간 중의 어느 하나의 특징점이 PN인 좌표 표현식에 대입하여 각 특징점의 공간 위치 좌표를 계산한다.
특징점의 공간 위치 계산 공식에 따라, 2쌍의 수평 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 폭 사이즈를 계산할 수 있고, 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 높이 사이즈를 계산할 수 있으며, 2쌍의 수평 카메라와 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 길이 사이즈를 계산할 수 있고, 상기의 사이즈는 모두 리던던시(redundancy) 특징을 구비하며, 용장 데이터(redundant data) 상에서 비교 분석하여 측정 정밀도와 정확율을 향상시킬 수 있다.
제4단계에 있어서, 얻은 각 특징점의 공간 위치 좌표에 기초하여, 피측정물의 특별히 측정해야 할 기타 3차원 사이즈를 계산하여 3차원 점의 클라우드 데이터를 형성하고, 3차원 점의 클라우드 도형을 구축하며, 3차원 입체 재현을 수행한다.
당해 제1단계에 있어서, 당해 카메라와 렌즈의 파라미터, 직사각형의 길이와 폭 사이즈를 선택할 시의 구체적인 근거는 다음과 같다.
측정 거리가 변하지 않을 경우, 피측정물의 체적이 클수록 렌즈가 요구하는 초점 거리가 작다. 측정 거리를 증대할 시, 측정 가능한 범위도 따라서 증대된다.
측정 해상도를 향상시키는 방법은 카메라의 해상도를 향상시키고 측정 거리를 감소시키며, 측정 거리가 변하지 않는 조건하에서 초점 거리 값을 감소시키며, 4 카메라그룹의 광축 초점 매트릭스의 사이즈를 크게 하는 것이다.
당해 제3단계에 있어서, 매칭된 특징점의 상좌표에 기초하여, 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하는 공식은 하기와 같다.
a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 초점 Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하여 피측정물 공간의 삼각 좌표계를 설치하고, X는 수평 방향이고, Y는 수직 방향이며, Z는 길이 또는 깊이 방향이다.
피측정물의 동일한 점인 P1의 공간 위치의 좌표는 P1（P1x，P1y，P1z）이고, P1 점의 공간 3차원 좌표의 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹에서의 대응하는 결상점이 P1a（P1ax，P1ay）, P1b（P1bx，P1by）, P1c（P1cx，P1cy）, P1d（P1dx，P1dy）일 시, 위치 좌표의 관계 표현식은
ab 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00010
cd 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00011
ac 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00012
bd 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00013
ab 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00014
cd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00015
ac 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00016
bd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00017
이다.
여기서, m은 직사각형 평면의 OaOb의 길이이고, n은 OaOc의 길이이며, f는 4대의 카메라의 초점 거리이다.
본 발명의 3차원 입체 비전 측정 원리는 도3, 도4, 도5, 도6, 도7을 참조하면 되며, 여기서, 도4, 도5는 a카메라, b카메라로 수평 사이즈를 측정하는 모식도이고, 도6, 도7은 a카메라, c카메라로 수직 사이즈를 측정하는 모식도이다.
도3, 도4, 도5, 도6, 도7을 예로서 측정 원리를 서술하도록 한다.
도3에 있어서, a, b, c, d 이 4대의 카메라그룹의 초점을 Oa, Ob, Oc, Od로 설정하고, 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하며, 하나의 직사각형 평면을 구성한다. 직사각형 평면의 OaOb 길이를 m으로 설정하고, OaOc 길이를 n으로 설정하며, 4카메라그룹의 광축은 서로 평행되고 당해 직사각형 평면에 수직된다. a, b, c, d 이 4 카메라는 완전히 같은 CCD（Charge-coupled Device, 전하결합소자）를 선택 사용하여 결상하고, 렌즈도 완전히 같으며, 그 초점 거리를 f로 설정하며, a, b, c, d 이 4카메라그룹의 CCD 결상의 상평면 중심을 Oa', Ob', Oc', Od'로 설정한다.
피측정물의 하나의 특징점을 P1로 설정하고 Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하고 피측정물 공간의 삼각 좌표계를 설정하며, X는 수평 방향이고 Y는 수직 방향이며 Z는 길이 또는 깊이 방향이다. 그러면 P1 점의 공간 위치의 좌표는 P1（P1x，P1y，P1z）로 설정한다.
도4에서는 a, b카메라의 공간 결상 위치 관계만 서술하였으며, P1 점의 a, b 카메라의 상평면에서의 결상점을 P1a, P1b로 설정하고, P1 점의 좌표 XY 축 평면에서의 투영점을 P1'로 설정하며, 그 좌표를 P1'（P1x，P1y，0）로 설정하고, 결상 원리에 의하면 P1 점과 P1a의 연결선은 Oa 점을 통과하고, P1 점과 P1b의 연결선은 Ob 점을 통과한다. Oa', Ob'를 중심으로 물체 공간 좌표계의 OXYZ 좌표축 방향과 일치한 a, b 카메라 상평면 좌표계를 각각 설정하며, 그러면 P1a의 좌표는 P1a（P1ax，P1ay）이고, P1b의 좌표는 P1b（P1bx，P1by）이다.
도5에서는 P1a, P1b, P1 이 3개의 점이 XZ 좌표 평면에 투영된 기하 관계를 서술하였으며 삼각형 유사 원리에 기초하여 하기의 식이 성립된다.
Figure 112016092443665-pct00018
Figure 112016092443665-pct00019
①②로부터
Figure 112016092443665-pct00020
Figure 112016092443665-pct00021
Figure 112016092443665-pct00022
Figure 112016092443665-pct00023
①③으로부터
Figure 112016092443665-pct00024
Figure 112016092443665-pct00025
Figure 112016092443665-pct00026
도6에서는 a, c카메라의 공간 결상 위치 관계만을 서술하였으며, P1 점의 c카메라의 상평면에서의 결상점을 P1c로 설정하고, P1 점의 좌표 XY 축 평면에서의 투영점을 P1'로 설정하며, 그 좌표를 P1（P1x，P1y，0）로 설정하고, 결상 원리에 의하면 P1 점과 P1c의 연결선은 Oc 점을 통과한다. Oc'를 중심으로 물체 공간 좌표계의 OXYZ 좌표축 방향과 일치한 c 카메라의 상평면 좌표계를 설정하며, P1c의 좌표는 P1c（P1cx，P1cy）이다.
도7에서는 P1a, P1c, P1 이 3 개의 점이 YZ 좌표 평면에 투영된 기하 관계를 서술하였으며 삼각형 유사 원리에 기초하여 하기의 식이 성립된다.
Figure 112016092443665-pct00027
Figure 112016092443665-pct00028
⑤⑥으로부터
Figure 112016092443665-pct00029
Figure 112016092443665-pct00030
Figure 112016092443665-pct00031
Figure 112016092443665-pct00032
⑤⑦로부터
Figure 112016092443665-pct00033
Figure 112016092443665-pct00034
Figure 112016092443665-pct00035
식 ③,④,⑤,⑦부터 a, b카메라와 a, c카메라를 통해 각각 페어 연산하여 P1 점의 공간 위치 좌표 P1x, P1y, P1z의, P1 점이 a, b, c 카메라에서의 투영점 P1a, P1b, P1c 좌표에 관한 표현 계산식을 얻었다.
카메라그룹으로 수평 사이즈를 측정할 시 a, b카메라 또는 c, d카메라를 이용하여 페어 연산할 수 있으며, c, d카메라의 연산 원리 및 방법은 a, b 카메라와 완전히 같다. 카메라그룹으로 수직 사이즈를 측정할 시 a, c카메라 또는 b, d카메라를 이용하여 페어 연산할 수 있으며, b, d카메라의 연산 원리 및 방법은 a, c카메라와 완전히 같다.
측정 계산식을 종합하면 하기와 같다.
a, b, c, d 이 4대의 카메라그룹의 초점 Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하고 피측정물 공간의 삼각 좌표계를 설정하며, X는 수평 방향이고, Y는 수직 방향이며, Z는 길이 또는 깊이 방향이다. 피측정물의 동일한 점 P1 점의 공간 위치의 좌표는 P1（P1x，P1y，P1z）이고, P1 점의 공간 3차원 좌표의 a, b, c, d 이 4대의 카메라그룹에서의 대응하는 결상점이 P1a, P1b, P1c, P1d인 위치 좌표의 관계 표현식은 하기와 같다（여기서, m은 직사각형 평면의 OaOb의 길이이고, n은 OaOc의 길이이며, f는 4대의 카메라의 초점 거리이다）.
ab 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00036
cd 카메라 수평 연산식:
Figure 112016092443665-pct00037
ac 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00038
bd 카메라 수직 연산식:
Figure 112016092443665-pct00039
ab 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00040
cd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00041
ac 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00042
bd 카메라 깊이 연산식:
Figure 112016092443665-pct00043
당해 제3단계에 있어서, 당해 특징점의 공간 위치 좌표가 PN인 좌표를 계산하는 일반 표현식은 하기와 같다.
a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라의 초점을 Oa, Ob, Oc, Od로 설정하고, 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하며, 하나의 직사각형 평면을 구성한다. 직사각형 평면의 OaOb의 길이를 m으로 설정하고, OaOc의 길이를 n으로 설정하며, 4대의 카메라의 광축은 서로 평행되고 당해 직사각형 평면에 수직된다. a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹은 완전히 같은 CCD를 선택 사용하여 결상하고, 렌즈도 완전히 같으며, 그 초점 거리를 f로 설정한다.
Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하는 피측정물 공간의 직각 좌표계를 설정하며, X는 수평 방향이고 직사각형의 OaOb 변에 평행되며, Y는 수직 방향이고 직사각형의 OaOc변에 평행되며, Z는 길이 또는 깊이 방향이고 방향은 피측정물을 향한다.
피측정물 중의 어느 하나의 특징점을 PN으로 설정하고, PN이 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 상평면에서의 투영점의 좌표를 PNa（PNax，PNay）, PNb（PNbx，PNby）, PNc（PNcx，PNcy）, PNd（PNdx，PNdy）로 설정하면 PN 점의 공간 위치의 좌표는 PN（PNx，PNy，PNz）로 설정한다.
일반적으로, 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 방법에 있어서 피측정물 공간에서의 어느 하나의 특징점이 PN인 좌표 표현식은 하기와 같다.
PN（PNx，PNy，PNz）, 여기서 N=1, 2, 3, 4, 5, ……
Figure 112016092443665-pct00044
상기의 계산식에 의하여 하기의 결론을 얻을 수 있다.
1. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 피측정물의 동일한 점이 부동한 카메라의 결상점 위치에서의 변화에 기초하여 피측정물의 동일한 점의 3차원 입체 좌표를 산출할 수 있다. 여기서, 수평 사이즈는 2쌍의 수평 배치된 카메라에 의해 산출되고, 수직 사이즈는 2쌍의 수직 배치된 카메라에 의해 산출되며, 깊이 사이즈는 2쌍의 수평 카메라 또는 2쌍의 수직 카메라에 의해서 모두 산출될 수 있다.
2. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 특징점 이미지 좌표 사이의 간단한 대수 계산을 통해 피측정물의 특징점의 3차원 입체 데이터를 산출해 낼 수 있으며, 피측정물의 동일한 점의 좌표 계산 정밀도는 카메라의 정밀도와 해상도, 카메라 상호 위치 정밀도와 거리에만 관련된다. 종래의 광절단법 알고리즘과 미리 캘리브레이션해야 하는 기타 알고리즘에 비해 복잡한 캘리브레이션 공식에 대입할 필요가 없고, 공간 사이즈 계산을 최대한도로 간략화하였으며, 동시에 캘리브레이션 장치와 캘리브레이션 과정에서 나타나는 오차가 측정 결과에 영향을 미치는 것을 피면할 수 있다.
3. 4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법은 멀티 카메라 용장화와 특수 구조화 배치 방법에 속하며, 양안 비전 매칭 알고리즘 중의 극선 알고리즘에 대하여 X축과 Y축에 평행되는 직선으로 직접 간략화된다. 다시 말하면 피측정물의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X축 및 Y축에 평행되는 직선 상에 위치한다. 매쌍의 측정 이미지를 하나하나의 화소점에 따라 X축과 Y축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킬 수 있다. 당해 방법은 양안 매칭의 복잡한 알고리즘을 최대한도로 간략화할 수 있다.
하기에 일 실시예를 예로 하여 상세히 설명한다.
도8, 도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 카메라1, 카메라2, 카메라3, 카메라4, 카메라5, 카메라6으로 하나의 3×2 카메라 어레이의 3차원 측정 시스템을 구성하며, 카메라1, 카메라2, 카메라3, 카메라4, 카메라5, 카메라6을 각각 1, 2, 3, 4, 5, 6으로 약칭한다.
사용하는 6대의 카메라의 센서의 유형은 2/3″CMOS이고, 픽셀 사이즈는 5.5㎛이며, 해상도는 1024×2048이고, 렌즈의 초점 거리는 25mm이며, 수평 방향에 3대의 카메라를 배치하고 수직 방향에 2대의 카메라를 배치하여 3×2 카메라 어레이의 3차원 측정 시스템을 구성한다. 여기서, 수평 방향에서의 카메라 사이의 거리는 m=60mm이고, 수직 방향에서의 카메라 사이의 거리는 n=50mm이다.
피측정물은 장방체이고, 장방체의 정부의 2개의 측정점을 P1, P2로 설정하며, 도9（평면도）로부터 알 수 있는 바와 같이, 피측정물은 L1보다 작은 시야 범위 내에 위치해서는 안된다. 그렇지 않으면 피측정물이 수평 방향의 적어도 2대의 카메라의 시야 교차 범위 내에서 결상하도록 확보할 수 없다. 도10（측면도）으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피측정물은 L2보다 작은 시야 범위 내에 위치할 수 없다. 그렇지 않으면, 피측정물이 수직 방향의 2대의 카메라의 시야 교차 범위 내에서 결상하도록 확보할 수 없다. L1, L2는 제일 가까운 테스트 거리라 할 수 있으며, 도8로부터 알 수 있는 바와 같이 L2＞L1이고, 측정 거리가 L2보다 작은 영역을 당해 측정 시스템의 사각 지대로 할 수 있다. 도면에서 사각 지대 이외의 사선으로 표시된 범위가 바로 측정할 수 있는 영역이다.
도면으로부터 보면, 측정점 P1은 1245 이 4카메라그룹 측정 영역에 위치하고, P2는 2356 이 4카메라그룹 측정 영역에 위치한다. 당해 측정 시스템에 있어서, 우선 1245 이 4카메라그룹으로 연산하여 P1 점을 포함하는 1245 이 4카메라그룹이 모두 결상할 수 있는 피측정물의 각 측정점을 계산한 후, 2356 이 4카메라그룹으로 연산하여 P2 점을 포함하는 2356 이 4 카메라가 모두 결상할 수 있는 피측정물의 각 측정점을 계산하며, 마지막으로 두 차례의 계산 결과를 종합 분석하고, 두 그룹에서 모두 측정할 수 있는 데이터를 우선적으로 선별하여 모든 점의 3차원 측정을 완성한다.
피측정물의 3차원 입체 표면의 4카메라그룹에서 결상 불가능한 부분에 대해서는 여러 차례로 나누어 측정하거나 또는 기타 측정 시스템을 추가하는 방법을 사용하여 해결할 수 있다.

Claims (10)

  1. 4대의 디지털 카메라로 구성된 4카메라그룹을 적어도 1그룹 이상 포함하고,
    상기 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4카메라그룹은 2×2 어레이 타입으로 설치되며,
    상기 4대의 디지털 카메라는 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라를 포함하고, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라 및 당해 d카메라는 동일한 평면에 배치되며,
    상기 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축 상의 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에서 하나의 직사각형을 이루어 하나의 직사각형 평면을 형성하고, 당해 a카메라, 당해 b카메라, 당해 c카메라와 당해 d카메라 이 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직되고,
    상기 a카메라, b카메라, c카메라와 d카메라 이 4대의 카메라의 모델넘버가 동일하고, 렌즈도 동일하며,
    상기 a카메라와 b카메라의 상대적위치는 수평으로 설치되고, a카메라 내의 CCD의 x방향의 좌표치가 동일한 행의 연장선과 b카메라 내의 CCD가 대응하는 x방향의 좌표치가 동일한 행이 중첩되고, 상기 c카메라와 d카메라의 상대적위치는 수평으로 설치되며, c카메라 내의 CCD의 x방향의 좌표치가 동일한 행의 연장선과 d카메라 내의 CCD가 대응하는 x방향의 좌표치가 동일한 행이 중첩되며,
    상기 a카메라와 c카메라의 상대적위치는 수직으로 설치되고, a카메라 내의 CCD의 y방향의 좌표치가 동일한 열의 연장선과 c카메라 내의 CCD가 대응하는 y방향의 좌표치가 동일한 열이 중첩되며 상기 b카메라와 d카메라의 상대적위치는 수직으로 설치되며, b카메라 내의 CCD의 y방향의 좌표치가 동일한 열의 연장선과 d카메라 내의 CCD가 대응하는 y방향의 좌표치가 동일한 열이 중첩되고,
    당해 4대의 디지털 카메라로 구성된 1그룹의 4카메라그룹은 선정된 카메라의 결상 광축 상의 초점과 상기 선정된 카메라와 인접한 3대의 카메라의 결상 광축 상의 초점이 하나의 직사각형을 구성하여 하나의 직사각형 평면을 형성하는 4대의 디지털 카메라로 구성되며, 4대의 카메라의 결상 광축은 모두 당해 직사각형 평면에 수직되는 것을 특징으로 하되,
    적어도 하나의 수직 레이저와 적어도 하나의 수평 레이저를 더 포함하며, 당해 수직 레이저는 Oa와 Ob의 연결선의 수직이등분선상에 설치되고, 당해 수평 레이저는 Oa와 Oc의 연결선의 수직이등분선상에 설치되는 것을 특징으로 하는 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    당해 4카메라그룹은 2×3, 2×4, 2×5, 3×2, 3×3, 3×4, 3×5 또는 4×4 어레이 타입의 다 카메라그룹으로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    당해 4카메라그룹의 카메라의 센서 유형은 2/3″CMOS이고, 픽셀 사이즈는 5.5㎛이며, 해상도는 1024×2048이고, 렌즈의 초점 거리는 25mm인 것을 특징으로 하는 4카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    당해 4카메라그룹에 있어서 수평 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라 사이의 거리는 m이고, 수직 방향에서 서로 인접한 2대의 카메라 사이의 거리는 n이며, 여기서 m이 취하는 값의 범위는 50~100mm이고, n이 취하는 값의 범위는 50~100mm인 것을 특징으로 하는 4 카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 시스템.
  7. 제1항에 기재된 3차원 측정 시스템에 기초한 측정 방법에 있어서,
    4카메라그룹 평면 어레이의 3차원 비전 측정법에 따라 측정 시스템을 구축하는 제1단계,
    상기 제1단계에 있어서,
    당해 측정 시스템의 구축은, 적어도 4대 이상의 서로 같은 카메라를 구비하고, 그 광축이 서로 평행되며, 초점이 동일한 평면에 위치하고, 초점이 하나의 직사각형을 형성할 수 있는 것을 포함하고,
    당해 직사각형의 사이즈와 카메라 및 렌즈 파라미터의 선택시의 고려 요소는 측정 시스템의 정밀도와 피측정물의 사이즈를 포함하고, 측정 정밀도의 요구가 높을 경우, 카메라의 해상도를 향상시키고 렌즈의 초점 거리를 증가해야 하며, 아울러 피측정물이 4대의 카메라에 대응하는 결상점이 동시에 존재할 수 있도록 확보해야 하고, 만약 피측정물이 결상 범위를 벗어날 경우, 측정 카메라를 쌍으로 추가하여 측정 카메라 매트릭스를 형성해야 하며;
    이미지 수집 완료 후, 카메라그룹 이미지의 특징점에 대해 매칭 연산을 수행하는 제2단계,
    상기 제2단계에 있어서, 양안（both eyes） 입체 비전 측정에 있어서 입체 매칭은 바로 그 중의 하나의 결상점을 이미 알고 있을 경우, 다른 하나의 이미지에서 당해 결상점의 대응점을 찾아 내는 것으로, 극선 기하 구속(epipolar geometric constraint)은 통상적으로 사용되는 구속 기술 중의 하나이고, 측정점과 대응되는 이미지 상의 결상점 이 3개의 점을 연결하여 하나의 평면을 형성하고 당해 평면과 2개의 이미지가 결상 공간에서의 교차선을 극선이라 칭하며 극선의 구속 조건은 바로 매칭점이 반드시 극선 상에 위치되어 있어야 하는 것이고;
    극선 알고리즘에 대하여 4카메라그룹의 평면 어레이의 3차원 비전 측정법의 카메라 광축이 평행되고 초점이 동일한 평면에 있는 직사각형이기에 극선은 직접 X축 또는 Y축에 평행되는 직선으로 간략화되며; 다시 말하면 피측물체의 각 상평면에서의 대응하는 모든 투영점은 모두 X축 또는 Y축에 평행되는 직선 상에 있고, 이런 경우에 상기 매칭 연산시, 매쌍의 측정 이미지를 직접 하나하나의 화소 점에 따라 X축과 Y축 방향에서 평행 이동, 중첩, 비교하여 측정물의 측정할 수 있는 모든 점을 완전히 매칭시킬 수 있으며,
    상기 매칭 연산은 4대의 카메라 이미지에서 매칭 연산하여, 공간위치를 계산해야 할 특징점을 모두 찾아낼 것을 요구하며, 4대의 카메라를 초과하는 카메라 어레이를 사용하여 측정할 경우, 부동한 4 카메라그룹에서 각각 부동한 매칭 연산을 수행해야 하며;
    매칭된 특징점의 상좌표에 의해 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하는 제3단계,
    상기 제3단계에 있어서,
    매칭된 특징점의 상좌표를 피측정물 공간 중 어느 하나의 특징점이 PN인 좌표 표현식에 대입하여 각 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하고,
    특징점의 공간 위치 계산공식에 따라, 2쌍의 수평 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 폭 사이즈를 계산하고, 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 높이 사이즈를 계산하며, 2쌍의 수평 카메라와 2쌍의 수직 카메라 사이의 매칭 특징점을 통해 피측정물의 길이 사이즈를 계산하고, 상기의 사이즈는 모두 리던던시(redundancy) 특징을 구비하며, 용장 데이터(redundant data)에서 비교 분석하여 측정 정밀도와 정확율을 향상시키고;
    획득한 각 특징점의 공간 위치 좌표에 기초하여, 피측정물의 측정해야 할 기타 3차원 사이즈를 계산하여, 3차원 점의 클라우드 데이터를 형성하고, 3차원 점의 클라우드 도형을 구축하며, 3차원 입체 재현을 수행하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 4 카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    당해 제1단계에 있어서,
    당해 카메라와 렌즈의 파라미터, 직사각형의 길이와 폭 사이즈를 선택할 시의 근거는,
    측정 거리가 변하지 않을 경우, 피측정물의 체적이 클수록 렌즈가 요구하는 초점 거리가 작고, 측정 거리를 증가할 시, 측정 가능한 범위도 따라서 확대되는 것이며,
    측정 해상도를 향상시키는 방법은, 카메라의 해상도를 향상시키고 측정 거리를 감소하며, 측정 거리가 변하지 않는 조건하에서 초점 거리 값을 감소하며, 4카메라그룹의 광축 중심 매트릭스의 사이즈를 크게 하는 것을 특징으로 하는 4 카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    당해 제3단계에 있어서,
    매칭된 특징점의 상좌표에 기초하여 특징점의 공간 위치 좌표를 계산하는 공식에 있어서,
    a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 초점 Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하여 피측정물 공간의 삼각 좌표계를 구축하고, X는 수평 방향이며, Y는 수직 방향이고, Z는 길이 또는 깊이 방향이며,
    피측정물의 동일한 점인 P1점의 공간 위치의 좌표는 P1（P1x，P1y，P1z）이고, P1 점의 공간 3차원 좌표의 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹에서의 대응하는 결상점이 P1a（P1ax，P1ay）, P1b（P1bx，P1by）, P1c（P1cx，P1cy）, P1d（P1dx，P1dy）일 시, 위치 좌표의 관계 표현식은,
    ab 카메라 수평 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00064

    cd 카메라 수평 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00065

    ac 카메라 수직 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00066

    bd 카메라 수직 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00067

    ab 카메라 깊이 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00068

    cd 카메라 깊이 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00069

    ac 카메라 깊이 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00070

    bd 카메라 깊이 연산식:
    Figure 112017107206637-pct00071
    이며,
    여기서, m은 직사각형 평면의 OaOb의 길이이고, n은 OaOc의 길이이며, f는 4대의 카메라의 초점 거리인 것을 특징으로 하는 4 카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    당해 제3단계에 있어서,
    당해 특징점의 공간 위치 좌표가 PN인 좌표를 계산하는 표현식은
    PN（PNx，PNy，PNz）, 여기서 N=1, 2, 3, 4, 5, ……
    Figure 112017107206637-pct00072
    이며,
    여기서, a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라의 초점을 Oa, Ob, Oc, Od로 설정하며, 초점 Oa, Ob, Oc, Od는 동일한 평면에 위치하고, 하나의 직사각형 평면을 형성하며, 직사각형 평면의 OaOb 길이를 m으로 설정하고, OaOc 길이를 n으로 설정하며, 4대의 카메라의 광축은 서로 평행되고 당해 직사각형 평면에 수직되며, a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹은 동일한CCD를 선택 사용하여 결상하고, 렌즈도 동일하며, 4대의 카메라의 초점 거리를 f로 설정하고,
    Oa, Ob, Oc, Od가 이루는 직사각형 평면의 중심점 O를 원점으로 하는 피측정물 공간의 직각 좌표계를 설정하며, X는 수평 방향이고 직사각형의 OaOb 변에 평행되며, Y는 수직 방향이고 직사각형의 OaOc변에 평행되며, Z는 길이 또는 깊이 방향이고 방향은 피측정물을 향하며,
    피측정물의 어느 하나의 특징점을 PN으로 설정하고, PN이 a카메라, b카메라, c카메라, d카메라 이 4대의 카메라그룹의 상평면에서의 투영점의 좌표를 PNa（PNax，PNay）, PNb（PNbx，PNby）, PNc（PNcx，PNcy）, PNd（PNdx，PNdy）으로 설정하면 PN 점의 공간 위치의 좌표는 PN（PNx，PNy，PNz）로 설정되는 것을 특징으로 하는 4 카메라그룹 평면 어레이의 특징점의 3차원 측정 방법.
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