KR102015606B1 - 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법 - Google Patents

멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법 Download PDF

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테년 3디 (톈진) 테크놀로지 코.,엘티디
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Abstract

본 발명은 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법을 제공하며, 해당 시스템은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)를 통해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템의 정확한 동기화와 로직 제어를 실현하며, 라인 레이저 어레이(103)를 투영패턴 광원으로 적용하고, 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)를 통해 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B)와 라인 레이저 어레이(103)에 트리거 신호를 발송하고, 호스트 컴퓨터(105)는 입체 비전 이미지센서(102A)에서 촬영된 이미지 쌍을 수신하고 해당 이미지 쌍 중의 레이저 라인 패턴에 대해 인코딩/디코딩 및 3차원 재구성을 진행하며, 피측정물의 표면 특징점에 대해 3차원 재구성을 진행하며 서로 다른 시각의 3차원 특징점을 매칭 및 정렬하며, 혼합 센싱형 포지셔닝 기술을 이용하여 매칭계산에 대해 예측 및 수정한 바, 시간 영역 레이저 3차원 스캐닝 데이터의 정합과 스티칭에도 활용되는 동시에, 실시간으로 측정 오차 등급평가를 진행하여 오차 피드백 제어기(104)에 피드백함으로써 조절지시를 내리게 한다. 따라서 저비용, 고효율, 고신뢰도와 고정확도의 레이저3차원 스캐닝을 실현할 수 있다.

Description

멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법
본 발명은 물체 표면이 기하 형상인 3차원 스캐닝 기술분야에 관한 것으로, 특히 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법에 관한 것이다.
최근에 3차원 스캐닝은 쾌속3차원 디지털화 기술로서 리버스 엔지니어링, 공업검사, 컴퓨터 비전, CG제작 등을 포함한 다양한 분야에 갈수록 많이 활용되고 있으며, 특히 현재 급성장 중인 3D인쇄와 지능형 유연 통합 생산분야에서 3차원 스캐닝은 프론트 엔드 3차원 디지털화 및 3차원 시각센서 기술로서 이미 산업 사슬의 중요한 일부분이 되었다. 아울러, 상기 각 활용 분야에서는 비용, 실용성, 정확성과 신뢰도 등 다양한 방면에서 3차원 스캐닝 장치에 대해 더 높은 요구를 제시하고 있다.
광학 3차원 스캐닝은 3차원 디지털화 분야에서 가장 흔히 보이는 현대화 기술수단으로, 비교적 높은 측정효율과 정확도를 겸비하는 돌출한 특징이 있다. 백색광 3차원 스캐닝은 전통적인 광학 스캐닝 기술로서, 물체 표면에 대한 격자투영을 통해 부호를 마킹한 후, 카메라로 촬영하여 삼각측량을 진행하는 것으로, 이는 이미 3차원 측정 분야에서 널리 사용되고 있으며, 정확도와 공간해상도가 높으며 데이터 품질이 더 정확한 것을 특징으로 한다. 활용 분야가 갈수록 확장됨에 따라, 여러가지 복잡한 사용환경에 의한 3차원 스캐닝 기술에 대해 새로운 요구가 있는바, 예를 들면, 더 향상된 스캐닝 편의성 및 보다 우수한 광간섭 저항성능을 구비하고, 스캐닝 과정이 더욱 신속하고 원활하며, 최대한 불필요한 절차를 생략하며 대부분의 광선환경에서 측정할 수 있는 설비를 요구하고 있다. 백색광 스캐닝 장치는 자체의 격자 투영기의 구조 및 타임 코딩에 의뢰하는 측정원리의 제한으로 인해 체적과 중량이 비교적 크고, 삼각대 등 안정된 지지구조로 측정을 보조해야 되기에 측정 편의성 면에서 한계가 있다. 한편, 백색광 광원의 휘도는 한계가 있기에, 측정에 있어서 주변광과 물체 자체의 색상과 재질 등 광학속성의 영향을 많이 받으므로, 상대적으로 밝은 환경에서나 또는 비교적 짙은 색상의 물체에 대해서는 효과적인 측정이 불가하다.
백색광 3차원 스캐닝 기술의 부족점을 보완하기 위해, 라인 레이저를 광원으로 하는 스캐닝 기술이 나타나기 시작했다. 해당 기술은 여전히 멀티비전의 3각 측량 원리를 기반으로 하며, 다른 점은 라인 레이저를 패턴 투영기로 활용한 것이다. 따라서, 패턴이 간단하고 시간에 따라 변화하지 않으며, 레이저가 콤팩트하고 구조가 간단함으로 인해 스캐닝 장치도 더 간편하여졌으며, 별도로 측정을 보조하는 안정지지장치를 구비할 필요가 없어 휴대하여 측정할 수 있는 것을 전형적인 특징으로 한다. 아울러, 레이저 라인 중심의 휘도가 극히 높기에 대부분의 광선환경에서나 또는 짙은 색상의 물체대상의 스캐닝에 적용될 수 있다. 하지만, 기존의 레이저 3차원 스캐닝 기술은 전체 3차원 스캐닝 분야에 보급되기 이전에 반드시 해결해야 할 몇가지 중요한 문제점들이 존재한다.
우선, 스캐닝 효율성과 원가 우세를 동시에 얻을 수 없다. 싱글라인 레이저 스캐닝기술은 비교적 간단하게 구현될 수 있고 원가도 비교적 낮지만, 스캐닝 성능 면에서 큰 한계가 있으며, 스캐닝 속도가 느려 실용성이 제한되며; 멀티라인 레이저 스캐닝기술은 스캐닝 속도가 비교적 많이 향상되었지만 특수제작된 레이저 발생기에 의존하므로, 공정이 복잡하고 원가가 매우 높아, 마찬가지로 기술의 보급 및 활용을 방해한다.
다음으로, 사용수명이 짧다. 지속적인 전출력(full power)의 스캐닝 작업은 광학기기 특히 다양한 유형의 LED소자(레이저 LED 및 LED조명 등)의 광 감쇠를 격화시켜 직접적으로 스캐닝성능(데이터 품질과 스캐닝속도를 포함)을 저하시키고; 한편, 지속적인 작업으로 인한 LED의 상당한 발열량도 장치의 방열문제를 유발함으로써, 양호한 방열성능과 콤팩트하고 가벼운 전체적인 구조에 대한 요구는 서로 모순되는 바, 방열성능이 나쁘면 광학소자가 너무 빨리 실효될 뿐더러, 전체 스캐닝구조에 영향을 주어 미소한 변형을 발생시키고 스캐닝 정확도의 손실을 초래하게 된다.
다음으로, 스캐닝 스티칭 에러의 발생율이 비교적 높으며 신뢰도가 낮다. 전통적인 마커 스티칭 기술은 스티칭 에러의 발생율이 높은 문제가 있으며, 구체적으로 여러번 스캐닝한 데이터를 동일한 좌표계에 정합할 때 모호한 부분이 발생하게 되어 어느 한 부분의 스캐닝 데이터가 전체 데이터에서 분리되어 에러모형을 생성하게 된다. 이는 백색광 3차원 스캐닝과정에서 일면을 스캐닝할 때마다 수동삭제 등 방법으로 해결할 수 있으나, 연속 스캐닝 모드의 3차원 스캐닝과정에서는 유사한 방법으로 해결할 수 없으며, 일반적으로 스티칭 에러가 발생하면 다시 스캐닝하여야 하기에 작업효율에 큰 영향을 준다.
다음으로, 스캐닝 정확도가 낮다. 레이저 스캐닝 데이터 품질은 다양한 요소의 영향을 받으며, 작업 거리에 대한 제어는 중요한 요소 중 하나이다. 피사계 심도가 일정한 경우에, 작업거리의 변화가 피사계 심도를 초과하면 이미지가 모호하여 데이터 노이즈가 크고 정확도가 대폭 저하된다. 전통적인 레이저 스캐닝 기술에 있어서, 작업 거리는 주로 작업자의 주관적 판단에 의존하기에 지속적인 스캐닝 과정에서 작업거리를 정확하게 제어할 수 없음으로 인해 스캐닝 정확도가 낮아지게 된다.
종래기술의 결함에 대하여, 본 발명은 상기 기술문제를 해결하기 위한 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 적어도 하나의 입체 비전 이미지센서, 관성센서, 라인 레이저 어레이와 오차 피드백 제어기를 포함하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 호스트 컴퓨터를 포함하되, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 각각 상기 입체 비전 이미지센서, 관성센서, 라인 레이저 어레이, 오차 피드백 제어기와 연결되고, 상기 호스트 컴퓨터는 각각 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 입체 비전 이미지센서, 관성센서와 연결되며; 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송함으로써 상기 라인 레이저 어레이가 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행하도록 하며; 또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송함으로써 상기 입체 비전 이미지센서가 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 발송하도록 하며; 또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 관성센서에 제3 트리거 신호를 발송함으로써 상기 관성센서가 상기 제3 트리거 신호에 의해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치의 자세정보를 호스트 컴퓨터로 발송하도록 하며; 또한, 상기 호스트 컴퓨터는 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 평가를 진행하고 평가결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 피드백하며; 또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 호스트 컴퓨터의 피드백 평가결과를 수신한 후 상기 평가결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기에 제어신호를 발송하며, 상기 평가결과에 따라 상기 레이저3차원 스캐닝장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하며; 상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서에서 촬영한 이미지 쌍 중의 레이저 라인을 인코딩/디코딩하며; 또한, 상기 호스트 컴퓨터는 피측정물 이미지 쌍 중의 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 진행하며; 또한, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 관성센서로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템을 제공한다.
선택적으로, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 호스트 컴퓨터로부터 발송된 기 설정된 트리거 펄스 신호와 기 설정된 노출시간을 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 관성센서에 제3 트리거 신호를 발송하며, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송한다.
선택적으로, 상기 오차 피드백 제어기는 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 발송한 제어신호를 수신하며, 상기 제어신호에 대응하는 지시광을 출력한다.
선택적으로, 상기 오차 피드백 제어기는 변색 LED램프로서, 3원색인 레드, 그린, 블루로 조합된 광이다.
선택적으로, 상기 입체 비전 이미지센서는 멀티 비전 이미지센서로서, 2개 또는 그 이상의 광학카메라로 구성된다.
선택적으로, 상기 입체 비전 센서에는 조명장치가 설치된다.
선택적으로, 상기 조명장치의 조사시간과 상기 입체 비전 센서의 노출시간은 동기화된다.
선택적으로, 상기 라인 레이저 어레이는 복수의 라인 레이저가 행렬 타입의 배열방식으로 조성된다.
선택적으로, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 특징점을 추적하고 연속된 프레임 사이의 동명 특징점을 추적함으로써 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합시킨다.
선택적으로, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 레이저 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 실시간으로 평가하여, 상기 거리가 기 설정된 거리를 초과할 경우, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 평가결과를 피드백한다.
선택적으로, 상기 호스트 컴퓨터에는 통신 인터페이스가 설치되며, 상기 통신 인터페이스는 상기 호스트 컴퓨터에 연결된 제어장치와 통신하여 상기 제어장치가 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하도록 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 시스템에 의한 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하여, 상기 라인 레이저 어레이가 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행하도록 하고; 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송하여, 상기 입체 비전 이미지센서가 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 발송하도록 하며; 상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서에서 촬영한 이미지 쌍 중 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 인코딩/디코딩을 진행하며; 상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서에서 촬영한 이미지 쌍 중 피측정물 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 진행하며; 상기 호스트 컴퓨터는 상기 관성센서로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성하며; 상기 호스트 컴퓨터는 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 평가를 진행하고 평가결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 피드백하며; 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 호스트 컴퓨터의 피드백 평가결과를 수신하고 상기 평가결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기에 제어신호를 발송하며, 또한 상기 평가결과에 따라 상기 레이저 3차원 스캐닝장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하기 전에, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 상기 호스트 컴퓨터로부터 발송된 기 설정된 노출시간과 기 설정된 트리거 펄스 신호를 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 관성센서에 제3 트리거 신호를 발송하며, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송하는 단계를 더 포함한다.
상술한 기술방안에 의해 알 수 있다시피, 본 발명은 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템 및 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법을 제공하며, 해당 시스템은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 통해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템의 정확한 동기화와 로직제어를 실현하며, 라인 레이저 어레이를 투영패턴 광원으로 사용하고, 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 통해 입체 비전 이미지센서, 관성센서와 라인 레이저 어레이에 트리거 신호를 발송함으로써 호스트 컴퓨터가 입체 비전 이미지센서에서 촬영된 이미지 쌍을 수신하고 해당 이미지 쌍 중의 레이저 라인 패턴에 대해 인코딩 또는 디코딩 및 3차원 재구성을 진행하며, 피측정물의 표면 특징점에 대해 3차원 재구성을 진행하고 서로 다른 시각의 3차원 특징점을 매칭 및 정렬함에 있어서, 시스템은 혼합 센싱형 포지셔닝 기술을 활용하여 매칭계산에 대해 예측 및 수정한 바, 시간 영역 레이저 3차원 스캐닝 데이터의 정합과 스티칭에도 활용된다. 동시에 실시간으로 측정 오차 등급평가를 진행하여 오차 피드백 제어기에 피드백함으로써 조절지시를 내리게 한다. 따라서 저비용, 고효율, 고신뢰도 및 고정확도의 레이저3차원 스캐닝을 실현할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 또는 종래기술의 기술방안을 더 명확하게 설명하기 위해, 실시예 또는 종래기술에 대한 설명에 필요한 도면을 간단히 설명하고자 하며, 하기 도면은 본 발명의 일부 실시예에 불과하며, 해당 도면으로부터 창조성 노동 없이 기타 도면을 얻을 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템의 구성도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치의 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 작업방법의 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호스트 컴퓨터가 레이저 라인 어레이에 대해 코딩하는 방법의 흐름도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템을 기반으로 하는 3차원 스캐닝 방법의 흐름도이다.
도6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템을 기반으로 하는 3차원 스캐닝 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예 중의 도면을 결합하여 본 발명의 실시예 중의 기술방안에 대해 명확하고 완전하게 설명하고자 한다. 설명되는 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 모든 실시예를 의미하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실시예를 기반으로, 창조적 노동 없이 획득한 모든 기타 실시예들은 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.
먼저, 본 출원의 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템에 대해 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 적어도 하나의 입체 비전 이미지 센서, 관성센서, 라인 레이저 어레이, 오차 피드백 제어기와 호스트 컴퓨터를 포함하며, 해당 호스트 컴퓨터는 조종장치, 예를 들면 호스트 컴퓨터 등으로 이해할 수 있으며, 레이저 라인 인코딩/디코딩, 3차원 재구성, 혼합 센싱형 포지셔닝과 오차 평가계산의 기능을 구비한다.
본 발명은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 기반으로 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템의 정확한 동기화와 로직제어를 실현하며, 라인 레이저 어레이 그룹을 투영패턴 광원으로 사용하고, 멀티라인 레이저 인코딩/디코딩 유닛에서 레이저 라인에 대해 마킹하여 식별한다. 혼합 센싱형 포지셔닝 기술은 동적 특징점 포지셔닝 정합에 대해 예측 및 보정하고, 실시간으로 측정오차 등급평가를 진행하여 하드웨어 시스템에 피드백한 후 조절지시를 내린다. 따라서 저비용, 고효율, 고신뢰도와 고정확도의 레이저 3차원 스캐닝을 실현할 수 있다.
멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템은 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 호스트 컴퓨터를 포함하며, 도2에 도시된 바와 같이, 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치는 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101), 적어도 하나의 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B)와 라인 레이저 어레이(103)를 포함하며, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 각각 상기 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B), 라인 레이저 어레이(103) 및 오차 피드백 제어기(104)와 상호 연결되며, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 각각 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101), 입체 비전 이미지센서(102A) 및 관성센서(102B)와 상호 연결된다.
상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송함으로써 상기 라인 레이저 어레이(103)가 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행하도록 한다.
또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송함으로써 상기 입체 비전 이미지센서(102A)가 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고, 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 발송하도록 한다.
또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 관성센서(102B)에 제3 트리거 신호를 발송함으로써 상기 관성센서(102B)가 상기 제3 트리거 신호에 의해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치의 자세정보를 호스트 컴퓨터로 발송하도록 한다.
상기 호스트 컴퓨터(105)는 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 평가를 진행하고 평가결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)에 피드백한다.
또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 호스트 컴퓨터(105)의 피드백 평가결과를 수신한 후, 상기 평가결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기에 제어신호를 발송하며, 상기 평가결과에 따라 상기 레이저 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절한다.
상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에서 촬영한 이미지 쌍 중의 레이저 라인을 인코딩 및 디코딩한다.
또한, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 피측정물 이미지 쌍 중의 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 진행한다.
또한, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 관성센서(102B)로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성한다.
상기 시스템은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 통해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템의 정확한 동기화와 로직제어를 실현하며, 라인 레이저 어레이를 투영패턴 광원으로 적용하고, 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 통해 입체 비전 이미지센서, 관성센서와 라인 레이저 어레이에 트리거 신호를 발송함으로써 호스트 컴퓨터가 입체 비전 이미지센서에서 촬영된 이미지 쌍을 수신하고 해당 이미지 쌍 중의 레이저 라인 패턴에 대해 인코딩/디코딩 및 3차원 재구성을 진행하며, 피측정물의 표면 특징점에 대해 3차원 재구성을 진행하고 서로 다른 시각의 3차원 특징점을 매칭 및 정렬하며, 혼합 센싱형 포지셔닝 기술을 활용하여 매칭계산에 대해 예측 및 보정하여 시간 영역 레이저 3차원 스캐닝 데이터의 정합과 스티칭에 적용시키는 동시에, 실시간으로 측정오차 등급평가를 진행하여 오차 피드백 제어기에 피드백함으로써 조절지시를 내린다. 따라서 저비용, 고효율, 고신뢰도와 고정확도의 레이저 3차원 스캐닝을 실현할 수 있다.
상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 호스트 컴퓨터(105)로부터 발송된 기 설정된 트리거 펄스 신호와 기 설정된 노출시간을 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 관성센서(102B)에 제3 트리거 신호를 발송하며, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송한다.
이하, 상기 시스템의 각 부분의 기능에 대해 상세히 설명한다.
프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B), 라인 레이저 어레이(103) 및 오차 피드백 제어기(104)와 각각 연결된다. FPGA(101)는 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B)와 라인 레이저 어레이(103)에 트리거 펄스 신호를 발송하며, 라인 레이저 어레이(103)의 스트로보스코픽 조사 및 입체 비전 이미지센서(102A)의 동기화 촬영과 관성센서(102B)의 실시간 자세정보의 획득을 정확히 제어하며; FPGA(101)는 호스트 컴퓨터와 통신함으로써 호스트 컴퓨터에서 피드백한 오차 평가 등급을 로직신호로 변환하여 오차 피드백 제어기(104)에 조절지시를 내리도록 제어한다. FPGA(101)의 정확한 동기화 제어의 구체적인 흐름은 도 3에 도시되었으며, S301 단계에서 호스트 컴퓨터의 인간-컴퓨터 상호작용을 통해 스캐닝 주파수를 설정하고; S302 단계에서 호스트 컴퓨터와 입체 비전 이미지센서(102A)가 통신함으로써 기 설정된 이미지 획득 노출시간을 측정하며; S303단계에서 호스트 컴퓨터는 상기 노출시간을 FPGA(101)에 발송하고; S304단계에서 FPGA(101)는 수신된 노출시간 및 스캐닝 주파수에 의해 펄스신호 출력폭 및 트리거 출력 주파수를 설정하며; S305 단계에서 FPGA(101)는 라인 레이저 어레이(103) 및 입체 비전 이미지센서(102A)에 각각 트리거 펄스 신호를 발송하며; S306 단계에서, 광학소자(라인 레이저 어레이(103) 및 입체 비전 이미지센서(102A)에 부가될 수 있는 보조조명광원 등을 포함)는 펄스신호의 라이징 에지에서 통전되어 밝혀지며; S307 단계에서 입체 비전 이미지센서(102A)가 펄스신호의 라이징 에지에서 노출되기 시작함과 동시에, 관성센서(102B)는 실시간 자세정보를 획득하여 호스트 컴퓨터로 전송하며; S308 단계에서 입체 비전 이미지센서의 노출이 종료되고 1차 이미지 쌍 획득을 완성하며; S309 단계에서 광학소자는 펄스의 폴링 에지에서 단전되어 꺼지게 되며; S310 단계에서 하드웨어장치는 FPGA(101)의 다음번 트리거를 대기하여, S305로 되돌아간다.
입체 비전 이미지센서(102A)는 멀티비전 이미지센서로서, 2개 또는 그 이상의 광학카메라로 구성되고, 복수의 광학카메라 사이의 구조는 상대적으로 고정되며, 카메라 사이의 상대적 위치관계와 카메라 내부 파라미터는 이미 공지된 것이다. 복수의 카메라가 FPGA(101)에서 발송하는 트리거 펄스신호를 수신하여 동일한 시간에 노출됨으로써 이미지를 획득하고, 매번 획득한 복수개의 이미지는 한 조의 입체 매칭 이미지 쌍을 구성하며, 카메라 전송 케이블을 통해 호스트 컴퓨터로 전송되어 3차원 재구성을 진행하게 된다. 입체 비전 이미지센서(102)는 이미지 획득 센서에서 획득한 피측정물 표면의 반사광 강도를 증가시키기 위한 보조조명장치를 포함하며, 선택적으로, 입체 비전 이미지센서(102A)는 이미지 획득 센서에서 획득한 피측정물 표면의 반사광 강도를 증가시키기 위한 보조조명장치, 예를 들어 이미지획득센서의 광학렌즈 바깥원 윤곽과 동일한 중심을 가지는 환형 LED 램프를 포함할 수 있으며, 카메라 자체의 신호입출력 인터페이스를 통해 카메라에 연결되며, 해당 인터페이스에서 출력된 플래시 신호의 기능은 LED 램프가 카메라의 획득과 동기화된 스트로빙 작업을 진행하도록 제어할 수 있는 것이다. 설명의 편의를 위해, 본 실시예는 듀얼 카메라의 입체 비전 이미지센서를 예로 들어 설명하며, 도 2의 구성도에 도시된 바와 같이, 듀얼 카메라는 상하구조로 배치되기에 상부에 위치한 카메라를 상부 카메라, 하부에 위치한 카메라를 하부 카메라로 약칭한다.
관성센서(102B)는 스캐닝 장치의 실시간 자세정보를 획득하고, 해당 자세정보는 스캐닝 장치의 변위벡터 및 회전 오일러 각 벡터를 포함하며, 다른 시각의 스캐닝 데이터 사이의 변환관계, 즉 [R|T]로 변환될 수 있다. 그 중, R는 3×3의 회전 행렬, T는 3×1의 변위벡터이다. 시각센서가 쉽게 외부요소의 간섭을 받아 포지셔닝 오류가 발생하는 것에 비해, 관성센서는 장치의 자세정보에 대한 획득이 편리하고 간단하며 피측정물 표면의 마킹점 또는 특징점 등 외부요소에 의존하지 않기에 자세정보가 외부요소의 간섭으로 인해 오류가 발생할 가능성이 적으며 스캐닝 장치의 대략적인 포지셔닝이 비교적 믿음성이 있는 것이 우세지만, 관성센서 자체가 획득한 자세정보는 광학측정에 의해 얻은 자세정보에 비해 정확도가 비교적 낮으며, 특히 변위 누적오차가 비교적 크기에 해당 자세정보는 데이터 정합에 독립적으로 사용될 수 없는 바, 혼합 센싱형 포지셔닝 유닛을 보조하여 광학적 포지셔닝의 정확도 우세와 결합하여 더욱 빠르고 믿음성 있는 데이터 정합을 진행할 수 있다.
관성센서(102B)에서 획득한 자세정보는 관성센서 자체 좌표계에 따른 데이터로서, 전역 좌표계에서의 스캐닝 장치의 자세정보를 직접적으로 대체할 수 없기에, 3차원 스캐닝을 진행하기 전에 스캐닝 장치에 대해 시스템 캘리브레이션을 진행하고 관성센서, 시각센서와 전역좌표계 사이의 상호 변환관계를 설립하여. 3차원 스캐닝과정에서 관성센서의 자세정보를 통해 카메라 좌표계에서 전역좌표계로의 변환관계를 계산하면 된다. 캘리브레이션 타겟을 사용하여 다양한 각도에서 복수개의 이미지를 촬영하여 각 이미지 촬영시 관성센서에서 출력된 롤 각과 피치 각을 기록하고; 전역좌표계, 카메라 좌표계, 관성센서좌표계와 지자기좌표계를 정의하며; 각 이미지 중 캘리브레이션 물체의 이미지정보와 공간정보를 기반으로, 해당 시각의 전역좌표계에서 카메라 좌표계로의 회전 행렬을 계산하며; 촬영된 이미지를 각각 2개씩 조합하여 각 조합에 관성센서좌표계에서 카메라 좌표계로의 회전 행렬에 관한 방정식을 생성하고 그 해를 구하여 관성센서좌표계에서 카메라 좌표계의 회전 행렬을 계산하며; 각 이미지에 지자기 좌표계에서 전역좌표계로의 회전 행렬의 방정식을 생성하고 그 해를 구하여 지자기좌표계에서 전역좌표계로의 회전 행렬을 계산한다. 3차원 스캐닝과정에서 상기 3개의 캘리브레이션을 한 변환관계를 통해 실시간으로 카메라 좌표계에서 전역좌표계로의 회전 행렬을 얻을 수 있다.
라인 레이저 어레이(103)는 복수의 라인 레이저가 행렬 타입의 배열방식으로 구성되고, 라인 레이저 사이의 위치관계는 상대적으로 고정되었으며, 레이저 어레이(103)와 입체 비전 이미지센서(102A)의 위치관계도 상대적으로 고정되었다. 라인 레이저 어레이(103)는 FPGA(101)로부터 발송된 트리거 펄스 신호를 수신하며, 신호의 라이징 에지에서 통전되어 밝혀지고 신호의 폴링 에지에서 단전되어 꺼지게 된다. 라인 레이저 어레이(103)에서 피측정물 표면에 조사된 투영패턴은 레이저의 배열방식에 의해 결정된다. 복수의 라인 레이저의 배열방식은 다양할 수 있으며, 서로 다른 구조로 배열됨으로써 서로 다른 투영패턴이 투사될 수 있다. 예를 들면, 평행된 배열방식에 있어서, 즉 레이저가 레이저 라인 방향으로 일치하게 배열되어 복수개의 레이저 라인이 평행으로 출사되되, 레이저 어레이가 한 평면에 수직으로 투영될 경우, 투영패턴은 한 조의 평행선이 되고; 행렬 타입의 배열방식에 있어서, 레이저 어레이가 한 평면에 수직으로 투영될 경우, 투영패턴은 한 조의 격자선이 되며; 랜덤 배열방식에 있어서, 레이저 어레이가 한 평면에 수직으로 투영될 경우, 투영패턴은 무질서한 라인 클러스터가 된다. 그 중, 행렬 어레이의 장점은 제한된 장치공간 내에서 개수를 최대화한 레이저 라인 어레이를 얻을 수 있어 스캐닝 효율을 향상시킬 수 있으며, 후속 레이저 라인 인코딩에 유리하다. 따라서, 본 실시예는 도 2의 부품(103)과 같이, 행렬 타입의 레이저 배열방식을 예로 한다.
오차 피드백 제어기(104)는 하나의 변색 LED 램프, 하나의 통신입력 인터페이스와 하나의 통신출력 인터페이스를 포함한다. 오차 피드백 제어기(104)는 통신입력 인터페이스를 통해 FPGA(101)로부터 발송된 로직신호를 수신하며, LED 램프는 레드, 그린, 블루 3원색의 조합을 기반으로 적어도 5가지 색상 이상의 광을 발사할 수 있으며, 서로 다른 색상의 광은 서로 다른 작업거리지시를 의미한다. 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 오차 피드백 제어기에 상기 3차원 스캐닝 거리의 지시정보를 발송하여 상기 오차 피드백 제어기가 상기 지시정보에 따라 상기 지시정보에 대응되는 지시광을 출력하도록 한다. 예를 들어, 지시광이 그린일 경우, 작업거리가 합리적인 범위 내에 있음을 의미하고; 지시광이 기타 색상일 경우, 작업거리가 합리적인 범위 내에 있지 않음을 의미하며, 즉 너무 멀거나 너무 가까울 수 있기에 해당 지시는 인공작업시 실시간으로 작업거리를 조절하도록 할 수 있다. 상기 호스트 컴퓨터에는 통신 인터페이스가 더 설치되며, 상기 통신 인터페이스는 상기 호스트 컴퓨터에 연결된 제어장치와 통신하여 상기 제어장치가 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하도록 한다. 통신출력 인터페이스는 작업거리 제어정보를 시스템과 연결된 로봇과 같은 기타 자동화 제어장치로 피드백하며, 로봇이 상기 휴대용 스캐닝 감지장치와 피측정물 사이의 작업거리를 조절하도록 지시하여 지능화 스캐닝을 실현하도록 할 수 있다.
호스트 컴퓨터의 레이저 라인 인코딩/디코딩의 기능은 그룹레이저 라인 패턴에 대해 인코딩 및 디코딩 처리를 진행하기 위한 것이며, 라인 레이저 어레이(103)와 입체 비전 이미지센서(102A) 사이의 위치관계가 상대적으로 고정되었기에 각 레이저에서 출사되는 레이저 평면과 입체 비전 이미지센서(102A) 사이의 위치관계도 이에 상응하게 상대적으로 고정되어 있다. 따라서, 레이저 평면방정은 상기 스캐닝 센서의 귀속된 좌표계에서 유일하고 고정되어 변하지 않는다. 전기 시스템 캘리브레이션 단계에서, 프로세서는 각 레이저 라인의 레이저 평면에 대해 인코딩하며; 3차원 스캐닝 단계에서, 다시 레이저평면속성을 이용하여 각 레이저 라인을 디코딩함으로써 각 레이저 라인 코드가 유일하도록 하여, 입체 매칭 이미지 쌍 중의 동일한 코드의 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 진행하게 된다.
레이저 라인 어레이 인코딩의 구체적인 실행절차는 도 4에 도시된 바와 같다. S401단계에서 FPGA(101)가 라인 레이저 어레이의 기동을 제어하며; S402 단계에서, 장치를 기 설정된 다음 작업거리로 이동시켜 레이저 패턴을 참조 평면에 투영 조사되게 하되, 레이저평면과 참조 평면은 3차원 공간에서 한 직선에 교차되기에 참조평면에 투영된 각 레이저 라인은 모두 직선이며; S403 단계에서, FPGA(101)는 트리거 신호를 발송하여 입체 비전 이미지센서(102A)가 획득한 이미지 쌍을 한번 노출하도록 제어하며, 광학렌즈 이미징 원리에 따라, 참조 평면 상의 시준 레이저 라인패턴이 카메라의 이미징 평면에 투영되어도 여전히 하나의 직선이며, 즉 이미지 상의 레이저 라인 어레이 패턴은 여전히 하나의 라인 클러스터 어레이이며; S404 단계에서, 입체 비전 이미지센서(102A)는 획득한 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 전송하고; S405 단계에서, 이미지를 각각 영상 처리하여 레이저 라인 중심의 하이라이트 픽셀을 모두 추출하며, 직선성질에 따라 모든 레이저 라인을 분리 추출하고, 이미지 상의 위에서 아래로, 왼쪽에서 오른쪽으로의 순서에 따라, 2차원 레이저 라인을 배열하며; S406 단계에서, 호스트 컴퓨터의 3차원 재구성 계산기능에 근거하여, 이미지 쌍 중의 상응한 번호의 매칭에 따라 레이저 3차원 재구성을 진행하며; S407 단계에서, 레이저 라인 상의 이산된 3차원 포인트 데이터를 상응한 번호의 레이저 평면 상의 관측점 집합{P|pi(xi,yi,zi)}에 누적하여 포함시키며; S408 단계에서, 모든 설정작업거리 획득의 완성 여부를 판단하며; S409 단계에서, 모든 설정작업거리 획득이 완성되지 않은 것으로 판단된 경우, S402 단계로 되돌아가 순환하며, 모든 설정작업거리 획득이 완성된 것으로 판단된 경우, 모든 레이저 평면방정식을 만족시킨다. 일반적으로, 공간 평면방정식은 Ax+By+Cz+D＝0을 만족하고, 공간평면 상의 3차원 관측점 집합{P|pi(xi,yi,zi)}은 해당 평면방정식을 만족하며, 최소자승법을 통해 A, B, C, D 4개 방정식 계수를 계산할 수 있는 바, 레이저평면은 하나의 평면방정식 밖에 없으며, 해당 평면방정식의 순서번호가 바로 레이저평면의 코드에 해당한다.
레이저 라인 어레이 디코딩은 3차원 스캐닝과정에서 진행되며, 각 이미지는 기본 영상처리가 되며 연속성 원칙에 따라 레이저 라인을 분할한다. 듀얼 카메라 이미지 획득 시스템에서, 상부 카메라 이미지 중의 각 레이저 라인에서의 이산픽셀은 각각 3차원 공간 중의 상부 카메라 이미지 평면 상의 한 상점에 해당되며, 해당 상점과 상부 카메라 광학 중심이 연결된 사선(ray)은 공간레이저평면과 교차하여 3차원 공간포인트를 얻으며, 카메라 이미징 원리에 따라 해당 포인트가 하부 카메라 이미지 상에서의 상점을 계산할 수 있다. 만일, 상기 방법을 통해 하부 카메라 이미지에서 찾은 상부 카메라 이미지 중 어느 한 레이저 라인상의 대부분 이산픽셀에 대응되는 픽셀집합이 동일한 레이저 라인에 위치할 경우, 상부 카메라와 하부 카메라의 상기 2개의 레이저 라인을 마킹하여 표시하며, 번호는 해당 레이저평면의 번호와 일치하다. 통상적으로, 각 레이저 라인은 모든 레이저 평면 상에서 상기 계산을 통해 유일하게 대응되는 레이저평면 및 코드를 찾아낼 수 있다.
호스트 컴퓨터의 3차원 재구성 계산 기능은 입체 비전 이미지센서(102A)에서 획득한 이미지 쌍 중의 물체 표면 특징점에 대해 3차원 재구성을 진행하고 물체 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 하기 위한 것이다. 즉, 3각 측량 계산법을 기반으로 입체 매칭 이미지 쌍 중의 2차원 특징점 집합을 3차원 특징점 집합으로 변환하며, 3각 측량 계산법을 기반으로 입체 매칭 이미지 쌍 중의 2차원 동일 코드 레이저 라인을 3차원 공간 레이저 라인으로 변환한다. 본 실시예에서, 물체 표면특징은 물체 표면에 부착된 인공디자인의 원형마크이며, 영상처리로 추출된 타원중심은 곧 이미지 상의 2차원 특징점에 해당한다. 등극선 기하원리에 따라, 상부 카메라 이미지 중의 각 특징점에 대해, 하부 카메라 이미지의 극선에서 거리가 제일 가까운 2차원 특징점을 찾고, 3각 측량법에 따라 상하부 카메라에 해당하는 2차원 특징점 쌍에 대해 해당 특징점의 3차원 공간좌표를 계산한다. 상부 카메라 이미지 중의 이미 레이저 평면에 의해 디코딩된 각 레이저 포인트에 대해, 하부 카메라 이미지에서 극선과 동일 코드 2차원 레이저 라인의 교차점을 찾으며, 상하부 카메라에 대응되는 2차원 레이저 포인트를 3각 측량법에 따라 해당 레이저 포인트의 3차원 공간좌표를 계산할 수 있으며, 레이저 라인은 실질적으로 이러한 레이저 포인트의 집합에 해당된다.
호스트 컴퓨터의 혼합 센싱형 포지셔닝 기능은 각 시각 t의 3차원 스캐닝 데이터를 전역 좌표계에 정합하는데 적용하기 위한 것이다. 먼저, 관성센서를 통한 t시각의 자세정보 및 전술한 비전-관성등 복수 센서 융합 캘리브레이션 결과에 의해 현재 카메라 좌표계로부터 전역좌표계로의 대략적인 변환관계, 즉 [R0|T0]을 계산할 수 있다. 여기서, R0는 3×3의 회전 행렬이며, T0는 3×1의 변위벡터이다. t시각에서 카메라 좌표계에서의 3차원 재구성의 특징점 집합은 {P|pi(xi,yi,zi)}이고, 변환관계 [M0|T0]를 이용하여 집합 P 중의 각 3차원 특징점 공간좌표XP를 전역 좌표계로 변환할 수 있으며, 각 변환된 공간 좌표값의 영역에서 t시각 이전에 3차원 재구성된 특징점 집합 중의 제일 근접한 포인트를 찾아 전역 좌표계에서의 대응되는 포인트 집합{Q|qi(xi,yi,zi)}을 획득한다. 포인트 집합 P와 Q는 매핑관계, 즉 좌표변환을 구성하며, 변환관계 [R|T]는 RXP+T＝XQ를 만족하고, XP는 포인트 집합 P 중의 공간좌표벡터, XQ는 포인트 집합Q 중의 공간좌표벡터, R는 3×3의 회전 행렬, T는 3×1의 병진벡터이며, 최소자승 및 사원수법을 이용하여 변환관계[R|T]를 계산한다. 유의해야 할 점은, [R0|T0]와 [R|T]는 사실상 동일한 변환관계를 가리키지만, 광학특징 포지셔닝 계산을 거친 [R|T]는 관성센서 자세로부터 직접 계산된 [R0|T0]에 비해 더 정확하며; [R0|T0]의 작용은 t시각 이전의 전역 좌표계에서의 3차원 재구성의 특징점 집합에서 t시각 카메라 좌표계에서의 3차원 재구성의 특징점 집합 P와 매칭되는 부분집합을 신속하고 정확하게 찾아내어, 단일한 광학특징점 매칭검색방법에 따른 기하 특징점 유사로 인한 매칭에러를 방지함으로써 스캐닝데이터 정합의 신뢰도를 향상시키는 것이다. 좌표변환관계[R|T]를 얻은 후, t시각 3차원 재구성된 모든 레이저 포인트 집합{M|mi(xi,yi,zi)}을 RXM+T의 운산을 통해 모든카메라 좌표계에서의 재구성된 레이저 포인트 3차원 공간좌표를 t시각 이전의 통일된 전역 좌표계로 변환시킴으로써 t시각 이전의 포인트 집합과 함께 동일 좌표계에서의 포인트 클라우드 데이터를 구성한다. 마지막으로, 병진벡터 T에 대하여, 좌표변환의 역변환을 통해 관성센서좌표계로 다시 계산하며, 관성센서좌표계에서의 병진벡터T0을 보정함으로써 관성센서의 변위측정 방면의 누적오차를 최소화할 수 있으며, 실시간으로 관성센서 변위측정의 자율교정을 진행할 수 있다.
호스트 컴퓨터의 오차평가 계산기능은 현재 측정오차 등급을 평가하여 오차 등급결과를 호스트 컴퓨터와 FPGA(101)의 통신 인터페이스를 통해 FPGA로 피드백하기 위한 것이다. 측정오차는 t시각 3차원 재구성의 모든 특징점의 공간좌표에서 스캐닝센서의 2개 카메라 광학 중심좌표까지의 연결선 중점의 평균거리(이는 장치작업거리로 정의됨)를 측정오차 등급의 고려사항으로 하며, 작업거리가 장치측정 피사계 심도 범위 내인 경우, 오차 등급평가는 0으로서 합리적이며; 작업거리와 피사계 심도범위가 비교적 크거나 비교적 작은 경우, 오차 등급평가는 +1 또는 -1로서, 작업거리에 대한 조절이 필요함을 경고하며; 작업거리와 피사계 심도범위가 너무 크거나 너무 작은 경우에, 오차 등급평가는 +2 또는 -2로서, 데이터가 업데이트 및 누적되지 않을 수 있기에 전체 데이터 품질에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 작업거리를 반드시 조절해야 함을 표시한다. 선택적으로, 오차 평가 계산 유닛(108)은 물체 표면 3차원 재구성의 모든 레이저 포인트의 공간좌표와 장치 광학중심의 평균거리를 작업거리로 하여 측정오차 등급을 평가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템을 기반으로 한 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법의 흐름도이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 하기 단계를 포함한다.
S501, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송함으로써, 상기 라인 레이저 어레이는 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행한다.
S502, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송함으로써, 상기 입체 비전 이미지센서는 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 발송한다.
S503, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서에서 촬영한 이미지 쌍 중의 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인을 인코딩/디코딩한다.
S504, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서에서 촬영된 이미지 쌍 중의 피측정물 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3차원 재구성을 진행한다.
S505, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 관성센서로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성한다.
S506, 상기 호스트 컴퓨터는 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 평가를 진행하고 평가결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 피드백한다.
S507, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 호스트 컴퓨터로부터 피드백한 평가결과를 수신한 후, 상기 평가결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기에 제어신호를 발송하며, 상기 평가결과에 따라 상기 레이저 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절한다.
상기 방법은 상기 단계 S501에서, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 상기 라인 레이저 어레이로 제1 트리거 신호를 발송하기 이전에, 도5에 도시되지 않은 하기 단계를 더 포함한다.
S500, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 상기 호스트 컴퓨터로부터 발송된 기 설정된 노출시간 및 기 설정된 트리거 펄스 신호를 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서에 제2 트리거 신호를 발송한다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법의 전체 흐름도이다. S601 단계에서, 호스트 컴퓨터는 FPGA(101), 비전-관성 혼합 센서(102)(입체 비전 이미지센서(102A)와 관성센서(102B))를 제어하고, 호스트 컴퓨터가 기동되면서 작업상태로 진입하고; S602 단계에서, FPGA(101)는 트리거 펄스 신호를 발송하여 광학소자가 스트로빙하도록 제어하고 입체 비전 이미지센서(102A)가 노출하여 이미지 쌍을 획득하도록 제어함과 동시에, 관성센서(102B)가 실시간 자세정보를 획득하도록 제어하며; S603 단계에서, 관성센서(102B)는 실시간 자세정보를 호스트 컴퓨터로 전송하며, 입체 비전 이미지센서(102A)는 획득한 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터로 전송하며; S604 단계에서, 호스트 컴퓨터는 레이저 라인 어레이 인코딩/디코딩의 기능에 의해 레이저 라인에 대해 디코딩 및 마킹을 하며, 이미지 상의 각 레이저 라인에 대해 레이저 평면번호를 식별하며; S605 단계에서, 호스트 컴퓨터는 3차원 재구성 계산의 기능에 의해 레이저 라인과 특징점에 대한 3차원 재구성을 진행하며; S606단계에서, 호스트 컴퓨터는 혼합 센싱형 포지셔닝 기능에 의해 장치공간의 포지셔닝, 데이터 정합 및 관성센서 자율교정을 진행하며; S607 단계에서, 호스트 컴퓨터는 오차 등급평가 기능을 통해 측정 오차 등급평가를 계산하며; S608 단계에서, 호스트 컴퓨터는 오차 등급을 FPGA(101)로 발송하며; S609 단계에서, FPGA(101)는 오차 등급에 따라 오차 피드백 제어기(104)가 지시를 내리도록 제어하며; S610 단계에서, 오차 피드백 제어기의 제시에 따라 작업거리를 조절하며; S611 단계에서, 다음번 FPGA 트리거 신호를 대기하며, S602 단계로 되돌아가 순환에 진입한다.
도 2는 본 발명의 실시예 따른 작업상태에서의 장치 구성도이며, 휴대용 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치는 주요하게 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101), 비전-관성 혼합 센서(102)(입체 비전 이미지센서(102A) 및 관성센서(102B)를 포함), 라인 레이저 어레이(103) 및 오차 피드백 제어기(104)로 구성되며, 라인 레이저 어레이(103)는 한조의 레이저평면을 출사하여 피측정물 표면(501) 상에 투영됨으로써, 한조의 레이저 라인 어레이(502)를 형성한다. 원형 마킹점(503)은 광학 3차원 스캐닝에서 보편적으로 사용되는 인공 마크이며, 여러 차례의 스캐닝 데이터 사이의 정합 스티칭에 이용된다.
상술한 시스템은 스캐닝 효율이 대폭 향상된다. 레이저 라인 어레이 패턴은 종래기술의 싱글 레이저 라인 스캐닝에 비해, 데이터 재구성 효율이 배로 증가한다. 만일, 어레이에서 레이저 라인의 개수가 n인 경우, 단위시간 내에 재구성된 데이터량은 싱글 라인 스캐닝의 n배이며, 즉 동일한 데이터량의 스캐닝을 완성한 경우 레이저 라인 어레이 스캐닝 시간은 싱글 라인 스캐닝의 1/n이다. 예를 들면, 6개의 라인 레이저로 구성된 어레이의 스캐닝 효율은 약 싱글 라인 스캐닝의 6배에 달하며, 스캐닝 시간도 5/6 감소한다.
장치원가가 대폭 하강한다. 특수제작된 멀티 라인 레이저 발생기는 공정이 복잡하고, 극소수의 회사가 기술을 독점함으로 인해 원가가 매우 높으며, 통상적으로 이러한 유형의 레이저 스캐닝 장치의 레이저 원가는 수만 위안에 달한다. 하지만, 싱글 라인 레이저 어레이를 사용할 경우, 레이저 라인 개수가 동일한 레이저 어레이 원가는 단지 몇백 위안 정도이다. 즉, 레이저의 원가는 95/100 이상 절감할 수 있으며, 이에 따라 전체 스캐닝 장치의 원가는 약 2/3 감소한다.
사용수명이 대폭 증가한다. 이미지획득 센서의 처리속도 제한으로 인해 이미지의 유효 노출시간에 대한 전체 스캐닝 시간의 비율은 약 1/10이기에, 종래기술의 지속 스캐닝 모드에서 주요한 광학 LED 소자(예를 들면 레이저 LED 등)는 9/10에 달하는 높은 무효 작업시간이 존재하며, 펄스 스트로빙 스캐닝을 적용하면 주요한 광학 LED 소자의 무효작업시간 비율이 9/10에서 0으로 감소된다. LED 표준 파라미터 추정에 의하면, 사용수명이 10배 이상 향상되며, 에너지 소모가 대폭 하강하어 방열이 거의 필요없는 동시에, 방열구조의 설계와 제조원가를 생략할 수 있다.
스캐닝 스티칭 에러율이 감소되며 신뢰도가 향상된다. 비전-관성 혼합 센서 포지셔닝기술은 기존의 단일 광학특징 포지셔닝 기술에 비해, 특징점 매칭 신뢰도가 향상되며 광학특징의 기하유사성으로 매칭 에러문제를 피면할 수 있어 스캐닝 데이터 스티칭 정합의 정확도를 향상시킨다. 200개의 포지셔닝 참조 마킹점이 포함된 물체의 스캐닝을 예로 들면, 2가지 기술에 대해 각각 50차례의 스캐닝을 통해 실험통계를 진행한 결과, 단일 광학특징 포지셔닝 기술의 스티칭 에러율은 약 50％이나, 혼합센서 포지셔닝 기술은 스티칭 에러율은 0이다.
스캐닝 정확도가 현저히 향상된다. 국제적 VDI-2634 광학 3차원 측정장치 정확도 검사기준에 따라 테스트를 진행하고 오차 평가 및 피드백 제어기술을 적용하면, 레이저 스캐닝 정확도는 0.1mm 이상에서 원래의 약 3배에 해당하는 0.03mm로 향상된다.
상술한 실시예는 본 발명의 기술방안을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 이미 전술한 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술방안의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 한, 전술한 실시예에 기재된 기술방안을 수정하거나 또는 일부 기술 특징에 대한 동등한 교체가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101), 적어도 하나의 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B), 라인 레이저 어레이(103)와 오차 피드백 제어기(104)를 포함하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 호스트 컴퓨터(105)를 포함하되, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 각각 상기 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B), 라인 레이저 어레이(103), 오차 피드백 제어기(104)와 연결되고, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 각각 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101), 입체 비전 이미지센서(102A), 관성센서(102B)와 연결되며;
    상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송함으로써 상기 라인 레이저 어레이(103)가 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행하도록 하며;
    또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송함으로써 상기 입체 비전 이미지센서(102A)가 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터(105)로 발송하도록 하며;
    또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 관성센서(102B)에 제3 트리거 신호를 발송함으로써 상기 관성센서(102B)가 상기 제3 트리거 신호에 의해 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치의 자세정보를 호스트 컴퓨터(105)로 발송하도록 하며;
    또한, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리의 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 측정을 진행하고 상기 오차의 측정결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)에 피드백하며;
    또한, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 호스트 컴퓨터(105)의 피드백 결과를 수신한 후 상기 피드백 결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기(104)에 제어신호를 발송하며, 상기 피드백 결과에 따라 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하며;
    상기 호스트 컴퓨터는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에서 촬영한 이미지 쌍 중의 레이저 라인을 인코딩/디코딩하며;
    또한, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 피측정물 이미지 쌍 중의 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3각 측량 계산법을 사용하여 3차원 재구성을 진행하며;
    또한, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 관성센서(102B)로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성하고, 상기 포인트 클라우드는 모든 카메라 좌표계에서의 재구성된 레이저 포인트 3차원 공간좌표를 전역 좌표계로 변환시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 호스트 컴퓨터(105)로부터 발송된 기 설정된 트리거 펄스 신호와 기 설정된 노출시간을 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 관성센서(102B)에 제3 트리거 신호를 발송하며, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오차 피드백 제어기(104)는 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)에서 발송한 제어신호를 수신하며, 상기 제어신호에 대응하는 지시광을 출력하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 오차 피드백 제어기(104)는 서로 다른 작업거리를 나타내는 3원색인 레드, 그린, 블루로 조합된 상기 지시광을 발사하는 변색 LED 램프를 포함하며, 상기 조합된 광은 상기 작업거리가 합리적인 범위 내인지의 여부를 의미하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입체 비전 이미지센서(102A)는 멀티 비전 이미지센서로서, 2개 또는 그 이상의 광학 카메라로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에는 조명장치가 설치된 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조명장치의 조사시간과 상기 입체 비전 이미지센서(102A)의 노출시간은 동기화되는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 라인 레이저 어레이(103)는 복수의 라인 레이저가 행렬 타입의 배열방식으로 조성된 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 특징점을 추적하고 연속된 프레임 사이의 동명 특징점을 추적함으로써 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합시키는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 실시간으로 측정하여, 상기 거리가 기 설정된 거리를 초과할 경우, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)에 상기 거리의 측정 결과를 피드백하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 호스트 컴퓨터(105)에는 통신 인터페이스가 설치되며, 상기 통신 인터페이스는 상기 호스트 컴퓨터(105)에 연결된 제어장치와 통신하여 상기 제어장치가 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 시스템에 의한 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법에 있어서,
    상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송하여, 상기 라인 레이저 어레이가 상기 제1 트리거 신호에 의해 피측정물의 표면에 대해 스트로보스코픽 조사를 진행하는 단계;
    상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송하여, 상기 입체 비전 이미지센서(102A)가 상기 제2 트리거 신호에 의해 피측정물을 노출촬영하고 촬영된 이미지 쌍을 호스트 컴퓨터(105)로 발송하는 단계;
    상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에서 촬영한 이미지 쌍 중 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 인코딩/디코딩을 진행하는 단계;
    상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에서 촬영한 이미지 쌍 중 피측정물 특징점 및 상기 피측정물의 표면에서 반사된 레이저 라인에 대해 3각 측정 계산법을 사용하여 3차원 재구성을 진행하는 단계;
    상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 관성센서(102B)로부터 리턴된 자세정보 및 특징점을 기준으로, 서로 다른 프레임 상의 3차원 레이저 라인 데이터를 동일 좌표계에 정합하여 포인트 클라우드를 생성하는 단계;
    상기 호스트 컴퓨터(105)는 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리의 측정데이터에 대하여 실시간으로 오차 측정을 진행하고 상기 오차의 측정 결과를 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)에 피드백하는 단계; 및
    상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)는 상기 호스트 컴퓨터(105)의 피드백 결과를 수신하고 상기 피드백 결과에 따라 상기 오차 피드백 제어기(104)에 제어신호를 발송하며, 또한 상기 피드백 결과에 따라 상기 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 장치와 피측정물 사이의 거리를 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 포인트 클라우드는 모든 카메라 좌표계에서의 재구성된 레이저 포인트 3차원 공간좌표를 전역 좌표계로 변환시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)가 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송하기 전에,
    상기 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(101)가 상기 호스트 컴퓨터(105)로부터 발송된 기 설정된 노출시간과 기 설정된 트리거 펄스 신호를 수신하며, 상기 기 설정된 트리거 펄스 신호에 따라 상기 라인 레이저 어레이(103)에 제1 트리거 신호를 발송하고, 상기 관성센서에 제3 트리거 신호를 발송하며, 상기 기 설정된 노출시간에 따라 상기 입체 비전 이미지센서(102A)에 제2 트리거 신호를 발송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저 어레이 3차원 스캐닝 방법.
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