KR102173190B1 - 3차원 스캐닝 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스캔대상물을 회전시키면서 3차원 스캐너를 이용하여 스캔대상물의 형상을 스캔하는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 턴테이블과 3차원 스캐너의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 스캐닝 장치 및 방법 {3D SCANNING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 스캔대상물을 회전시키면서 3차원 스캐너를 이용하여 스캔대상물의 형상을 스캔하는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 턴테이블과 3차원 스캐너의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것이다.
실물을 스캔하여 3차원 스캔데이터를 생성하는 작업을 3차원 스캐닝(3D scanning)이라 한다. 이러한 3차원 스캐닝은 일반적으로 회전 가능한 턴테이블 상에 스캔대상물을 놓고, 턴테이블을 360° 회전시키면서 3차원 스캐너를 이용하여 여러 각도별로 스캔데이터를 획득하고, 상기 획득된 스캔데이터들을 정합하는 과정을 통해 이루어진다.
이때, 상기 서로 다른 각도에서 획득된 스캔데이터들은 서로 다른 좌표계에서 정의되어 있기 때문에, 이들을 정합하기 위해서는 상기 서로 다른 좌표계에서 정의된 스캔데이터들을 하나의 좌표계로 정렬하여야 하며, 이는 상기 서로 다른 좌표계 간의 변환을 의미하고, 이러한 관계는 세 개의 회전매개변수와 세 개의 이동 매개변수로 구성되는 위치변환행렬로 표현된다.
또한, 상기 서로 다른 각도에서 획득된 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합하기 위해서는 턴테이블과 3차원 스캐너 사이의 상대위치가 정의되어야 하기 때문에, 턴테이블과 3차원 스캐너 사이의 상대위치가 변경되는 경우에는 변경될 때마다 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 턴테이블의 좌표계를 정의하여야 하는 캘리브레이션(calibration)이 수행되어야 한다.
도 1은 종래 고정형 3차원 스캐닝 장치의 일 형태를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래 가변형 3차원 스캐닝 장치의 일 형태를 나타내는 도면이다.
도 1에 따른 고정형 3차원 스캐닝 장치(1)는 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3)의 상대위치가 고정된 형태로서, 최초 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3)의 상대위치에 대한 캘리브레이션이 수행되면 그 이후부터는 별도의 캘리브레이션을 수행할 필요가 없다는 장점이 있는 반면, 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3)의 상대위치가 고정되기 때문에 스캔할 수 있는 스캔대상물(4)의 크기, 3차원 스캐너(3)와 스캔대상물(4)과의 스캔 거리, 스캔 방향 등에 있어서 많은 제한을 받는다는 단점이 있다.
도 2에 따른 가변형 3차원 스캐닝 장치(5)는 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3)의 상대위치가 고정되지 않고 스캔할 때마다 변경시킬 수 있는 형태로서, 스캔대상물(4)의 크기나 형태에 따라 다양한 방향과 거리로 스캔이 가능한 장점이 있는 반면, 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3)의 상대위치가 변경될 때마다 별도로 캘리브레이션을 수행하여야 하는 단점이 있다.
또한, 종래 턴테이블(2)과 3차원 스캐너(3) 간의 캘리브레이션은 스캔대상물(4)에 다양한 형태의 마커를 부착하여 별도로 수행하였기 때문에, 캘리브레이션 수행 과정이 복잡하고 번거로우며 캘리브레이션 수행에 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2004-0010091호 (공개일자 : 2004. 1. 31.) 한국공개특허공보 제10-2017-0089079호 (공개일자 : 2017. 8. 3.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 턴테이블과 3차원 스캐너의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있는 3차원 스캐닝 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치는, 스캔대상물이 거치되며, 상기 거치된 스캔대상물을 회전축을 중심으로 회전시키는 턴테이블; 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔하는 3차원 스캐너; 및 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 스캔할 수 있도록 상기 턴테이블과 상기 3차원 스캐너를 제어하며, 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 상기 스캔대상물의 스캔데이터들을 정합하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 턴테이블의 회전각도가 기준각도인 상태에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 기준 스캔데이터와, 상기 턴테이블의 회전각도가 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 제1 스캔데이터와, 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스탠대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들인 제2 스캔데이터들을 상기 3차원 스캐너로부터 획득하는 스캔데이터 획득부; ICP(Iternative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출하는 제1 위치변환행렬 도출부; 상기 제1 위치변환행렬로부터 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 턴테이블 회전축 정보 도출부; 상기 턴테이블의 회전축 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출하는 제2 위치변환행렬 도출부; 및 상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하는 제2 스캔데이터 정합부;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 방법은, 회전축을 중심으로 회전 가능한 턴테이블의 회전각도가 기준각도인 상태에서 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 기준 스캔데이터를 획득하는 기준 스캔데이터 획득 단계; 상기 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블의 회전각도가 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 제1 스캔데이터를 획득하는 제1 스캔데이터 획득 단계; ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출하는 제1 위치변환행렬 도출 단계; 상기 제1 위치변환행렬로부터 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 턴테이블 회전축 정보 도출 단계; 상기 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들인 제2 스캔데이터들을 획득하는 제2 스캔데이터 획득 단계; 상기 턴테이블의 회전축 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출하는 제2 위치변환행렬 도출 단계; 및 상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하는 제2 스캔데이터 정합 단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 의하면, 턴테이블과 3차원 스캐너의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있다.
본 발명에 따른 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위와 상세한 설명의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 고정형 3차원 스캐닝 장치의 일 형태를 나타내는 도면이고,
도 2는 종래 가변형 3차원 스캐닝 장치의 일 형태를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치의 개략적인 구성도이고,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 방법의 개략적인 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성요소는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있으나, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지 않고, 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 각 실시예는 독립적으로 실시되거나 함께 실시될 수 있으며, 발명의 목적에 부합하게 일부 구성요소는 제외될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치(10)는 스캔대상물이 거치되는 턴테이블(20)과, 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔하는 3차원 스캐너(30)와, 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)를 제어하는 제어부(100)를 포함할 수 있다.
상기 턴테이블(20)은 상기 거치된 스캔대상물을 회전축(23)을 중심으로 회전시키는 구성으로서, 상기 거치된 스캔대상물을 360° 회전시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 제어부(100)는 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 턴테이블(20)의 임의의 회전각도들 각각에서 스캔할 수 있도록 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(100)는 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 턴테이블(20)의 회전각도가 0°와 3°, 3°보다 큰 회전각도에서는 5°마다, 10°마다 또는 무작위로 선택된 회전각도들 각각에서 스캔할 수 있도록 상기 턴테이블(20)의 회전 작동과 상기 3차원 스캐너(30)의 스캔 작동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(100)는 상기 턴테이블(20)의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 상기 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있다.
특히, 상기 제어부(100)는 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블(20)의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 자동으로 정합할 수 있도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 제어부(100)는 스캔데이터 획득부(110), 제1 위치변환행렬 도출부(120), 턴테이블의 회전축 정보 도출부(130), 제2 위치변환행렬 도출부(140), 제2 스캔데이터 정합부(150)를 포함할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
상기 제어부(100)는 스캔대상물을 스캔하기 위한 일련의 프로세스들을 수행하는 프로세서들을 포함하는 컴퓨팅 장치로 구성될 수 있으며, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치(10)를 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트 등이 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체를 통해 컴퓨터에 저장되고 실행되는 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 상기 3차원 스캐너(30)는 턴테이블(20)로부터 소정거리 떨어진 위치에 고정될 수도 있으며, 고정되지 않을 수도 있다.
즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치(10)는 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)의 상대위치가 고정된 고정형 3차원 스캐닝 장치일 수도 있으며, 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)의 상대위치가 고정되지 않는 가변형 3차원 스캐닝 장치일 수도 있으며, 본 발명은 이에 한정하지 않는다.
다만, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 장치(10)는 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)의 상대위치에 따른 캘리브레이션을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블(20)의 회전각도별로 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 자동으로 정합할 수 있는 것으로서, 스캔대상물의 크기나 형태에 따라 다양한 방향과 거리로 스캔이 가능한 가변형 3차원 스캐닝 장치로 구현될 수 있으며, 이 경우 턴테이블(20)과 3차원 스캐너(30)의 상대위치가 변할 때마다 별도의 캘리브레이션을 수행할 필요가 없는 고정형 3차원 스캐닝 장치의 장점까지도 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제어부(100)는 스캔데이터 획득부(110), 제1 위치변환행렬 도출부(120), 턴테이블의 회전축 정보 도출부(130), 제2 위치변환행렬 도출부(140), 제2 스캔데이터 정합부(150)를 포함할 수 있다.
상기 스캔데이터 획득부(110)는 턴테이블(20)의 회전각도가 기준각도인 상태에서 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터(이하, '기준 스캔데이터'라 한다)를 상기 3차원 스캐너(30)로부터 획득할 수 있다.
상기 기준각도는 스캔이 시작될 때 상기 턴테이블(20)의 초기 위치에 해당하는 상기 턴테이블(20)의 회전각도로 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준각도는 0°일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 상기 기준각도는 상기 턴테이블(20)의 회전범위 내에서 어느 하나의 각도일 수 있다.
또한, 상기 스캔데이터 획득부(110)는 턴테이블(20)의 회전각도가 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터(이하, '제1 스캔데이터'라 한다)를 상기 3차원 스캐너(30)로부터 획득할 수 있다.
상기 제1 회전각도(θ1)는 사용자의 개입없이 자동으로 ICP(Iternative Closest Point) 알고리즘만으로 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합이 가능한 각도로서, 상기 기준각도를 기준으로 대략 ±3°범위 내의 어느 하나의 각도일 수 있다. 예를 들어, 상기 기준각도가 0°인 경우 상기 제1 회전각도(θ1)는 대략 ±3°범위 내의 어느 하나의 각도인 1.5°일 수 있다.
또한, 상기 스캔데이터 획득부(110)는 턴테이블(20)의 임의의 회전각도들 각각에서 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들(이하, '제2 스캔데이터들'이라 한다)을 상기 3차원 스캐너(30)로부터 획득할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 스캔데이터들은 3차원 스캐너(30)가 턴테이블(20)의 회전각도가 0°~ 360° 범위 내에서 5°마다 스캔한 복수의 스캔데이터들로서 총 72개의 제2 스캔데이터들로 이루어질 수도 있으며, 또는 10°마다 스캔한 복수의 스캔데이터들로서 총 36개의 제2 스캔데이터들로 이루어질 수도 있으며, 또는 무작위로 선택된 복수의 회전각도들 각각에서 획득된 복수의 스캔데이터들로 이루어질 수도 있으며, 본 발명은 상기 제2 스캔데이터들의 개수와 상기 제2 스캔데이터들 각각이 획득된 턴테이블(20)의 회전각도에 한정하지 않는다.
상기 제1 위치변환행렬 도출부(120)는 ICP(Iternative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
상기 제1 위치변환행렬은 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위해 상기 제1 스캔데이터를 회전변환시키고 이동변환시키는 회전변환행렬(R1)과 이동변환행렬(T1)으로 정의될 수 있다.
상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 상기 제1 위치변환행렬로부터 상기 3차원 스캐너(30)의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보를 도출할 수 있다.
상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보는 상기 3차원 스캐너(30)의 좌표계를 기준으로 하는 상기 회전축(23) 상의 한 점(T)과 상기 회전축(23)의 방향벡터(N)로 정의될 수 있다.
상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
상기 어느 하나의 제2 스캔데이터는 상기 턴테이블(20)의 회전각도가 제2 회전각도(θ2)인 상태에서 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터일 수 있다.
상기 제2 위치변환행렬은 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위해 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 회전변환시키고 이동변환시키는 회전변환행렬(R2)과 이동변환행렬(T2)으로 정의될 수 있다.
상기 제2 스캔데이터 정합부(150)는 상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합할 수 있다.
이하, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)에 대하여 상세히 설명한다.
상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 상기 제1 위치변환행렬과 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보를 도출할 수 있다.
상기 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식은 quaternion, Rodrigues' rotation formula, angle-axis 등의 식이 이용될 수 있다.
ICP 알고리즘은 두 개의 3차원 점군 데이터를 정합하기 위한 일반적인 방법으로서, ICP 알고리즘을 이용하면 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
또한, ICP 알고리즘은 두 개의 3차원 점군 데이터들에 존재하는 각 점들의 거리 총합이 최소가 되는 강체운동(Rigid Body Motion)의 회전변환행렬(Rotation matrix)과 이동변환행렬(Translation matrix)을 구하는 것으로서, ICP 알고리즘을 통해 획득된 상기 제1 위치변환행렬은 회전변환행렬(R1)과 이동변환행렬(T1)로 정의될 수 있으며, 이를 동차행렬(4×4 matrix)로 표현하면 다음과 같다.
< 수식 1 >
Figure 112019077424525-pat00001
여기서, M1은 상기 제1 위치변환행렬의 동차행렬, R1은 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, T1은 상기 제1 위치변환행렬의 이동변환행렬을 나타낸다.
또한, 상기 제1 위치변환행렬은 상기 턴테이블(20)의 회전축(23)을 상기 3차원 스캐너(30) 좌표계의 원점을 지나도록 (-T)만큼 이동시키고(T는 상기 3차원 스캐너(30) 좌표계를 기준으로 하는 상기 회전축(23) 상의 한 점이므로, 상기 회전축(23)을 (-T)만큼 이동시키면, 상기 회전축(23)은 상기 3차원 스캐너(30) 좌표계의 원점을 지나게 되며, 이때 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점도 상기 회전축(23)과 함께 (-T)만큼 이동된다), 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점을 상기 회전축(23)으로 (-)제1 회전각도(-θ1)만큼 회전시키고, 상기 회전축(23)을 다시 원래의 위치로 (T)만큼 이동시킨 것(그러면, 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점은 상기 기준 스캔데이터로 정합될 수 있다)으로 정의할 수 있으며, 이를 동차행렬(4×4 matrix)로 표현하면 다음과 같다.
< 수식 2 >
Figure 112019077424525-pat00002
여기서, M1은 상기 제1 위치변환행렬의 동차행렬, T는 상기 3차원 스캐너(30) 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점, R은 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점을 상기 회전축(23)으로 (-)제1 회전각도(-θ1)만큼 회전시키는 회전행렬, M(-T)는 상기 회전축(23)을 (-T)만큼 이동시키는 동차행렬, MR은 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점을 상기 회전축(23)으로 (-)제1 회전각도(-θ1)만큼 회전시키는 동차행렬, MT는 상기 회전축(20)을 (T)만큼 이동시키는 동차행렬을 나타낸다.
그리고, <수식 1>과 <수식 2>를 이용하면, 다음과 같은 <수식 3>을 도출할 수 있다.
< 수식 3 >
Figure 112019077424525-pat00003
따라서, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 아래 수식을 이용하여 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보 중 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점(T)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00004
여기서, R1은 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, T1은 상기 제1 위치변환행렬의 이동변환행렬, I는 단위행렬을 나타낸다.
또한, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보 중 다른 하나인 상기 회전축(23)의 방향벡터(N)를 도출할 수 있다.
예를 들어, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 상기 회전행렬(R, 상기 제1 스캔데이터 상의 한 점을 상기 회전축(23)으로 (-)제1 회전각도(-θ1)만큼 회전시키는 회전행렬)을 회전벡터와 각도로 표현하는 식 중 하나인 angle-axis 식을 이용하여 다음 <수식 4>를 도출할 수 있으며, <수식 3>과 <수식 4>를 이용하면 상기 회전축(23)의 방향벡터(N)를 도출할 수 있다.
< 수식 4 >
Figure 112019077424525-pat00005
즉, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출부(130)는 아래 수식을 이용하여 상기 회전축(23)의 방향벡터(N)를 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00006
여기서, R1은 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, θ1은 상기 제1 회전각도, I는 단위행렬을 나타낸다.
이하 상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)에 대하여 상세히 설명한다.
상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
상기 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식은 quaternion, Rodrigues' rotation formula, angle-axis 등의 식이 이용될 수 있다.
상기 제2 위치변환행렬은 상기 제1 위치변환행렬과 마찬가지로 회전변환행렬(R2)과 이동변환행렬(T2)로 정의될 수 있으며, 다음과 같이 동차행렬(4×4 matrix)로 표현할 수 있다.
< 수식 5 >
Figure 112019077424525-pat00007
여기서, M2는 상기 제2 위치변환행렬의 동차행렬, R2는 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬, T2는 상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬, T는 상기 3차원 스캐너(30) 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점, R'은 상기 제2 스캔데이터 상의 한 점을 상기 턴테이블(20)의 회전축(23)으로 (-)제2 회전각도(-θ2)만큼 회전시키는 회전행렬, M(-T)는 상기 회전축(20)을 (-T)만큼 이동시킨 동차행렬, MR'은 상기 제2 스캔데이터 상의 한 점을 상기 턴테이블(20)의 회전축(23)으로 (-)제2 회전각도(-θ2)만큼 회전시키는 동차행렬, MT는 상기 회전축(20)을 (T)만큼 이동시킨 동차행렬을 나타낸다.
그러면, <수식 5>로부터 다음 <수식 6>을 도출할 수 있다.
< 수식 6 >
Figure 112019077424525-pat00008
여기서, R2는 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬, T2는 상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬을 나타낸다.
따라서, 상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 상기 회전행렬(R', 상기 제2 스캔데이터 상의 한 점을 상기 회전축(23)으로 (-)제2 회전각도(-θ2)만큼 회전시키는 회전행렬)을 회전벡터와 각도로 표현하는 식 중 하나인 angle-axis 식을 이용하여 다음 <수식 7>을 도출할 수 있으며, <수식 6>과 <수식 7>을 이용하면 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출할 수 있다.
< 수식 7 >
Figure 112019077424525-pat00009
즉, 상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00010
여기서, N은 상기 회전축(23)의 방향벡터, θ2는 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터가 획득된 상기 턴테이블(20)의 회전각도인 제2 회전각도, I는 단위행렬을 나타낸다.
또한, 상기 제2 위치변환행렬 도출부(140)는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬(T2)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00011
여기서, T는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점, R2는 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬, I는 단위행렬을 나타낸다.
이하 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 스캐닝 방법(S100)은 스캔대상물 거치 단계(S110), 기준 스캔데이터 획득 단계(S120), 제1 스캔데이터 획득 단계(S130), 제1 회전변환행렬 도출 단계(S140), 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150), 제2 스캔데이터 획득 단계(S160), 제2 회전변환행렬 도출 단계(S170) 및 제2 제2 스캔데이터 정합 단계(S180)를 포함할 수 있다.
상기 스캔대상물 거치 단계(S110)는 회전축(23)을 중심으로 회전 가능한 턴테이블(20) 상에 스캔대상물을 거치시키는 단계이다.
상기 기준 스캔데이터 획득 단계(S120)는 3차원 스캐너(30)를 이용하여 턴테이블(20)의 회전각도가 상기 기준각도인 상태에서 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 기준 스캔데이터를 획득하는 단계이다.
상기 제1 스캔데이터 획득 단계(S130)는 3차원 스캐너(30)를 이용하여 턴테이블(20)의 회전각도가 상기 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 제1 스캔데이터를 획득하는 단계이다.
상기 제1 회전변환행렬 도출 단계(S140)는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출하는 단계이다.
이때, 상기 제1 회전변환행렬 도출 단계(S140)는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합함과 동시에 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 상기 제1 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150)는 상기 제1 위치변환행렬로부터 3차원 스캐너(30)의 좌표계를 기준으로 하는 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보를 도출하는 단계이다.
또한, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150)는 상기 제1 위치변환행렬과 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출할 수 있다.
상기 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식은 quaternion, Rodrigues' rotation formula, angle-axis 등의 식이 이용될 수 있다.
또한, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150)는 아래 수식을 이용하여 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점(T)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00012
여기서, R1은 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, T1은 상기 제1 위치변환행렬의 이동변환행렬, I는 단위행렬을 나타낸다.
또한, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150)는 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 회전축의 방향벡터(N)를 도출할 수 있다.
예를 들어, 상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계(S150)는 아래 수식을 이용하여 상기 회전축의 방향벡터(N)를 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00013
여기서, R1은 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, θ1은 상기 제1 회전각도, I는 단위행렬을 나타낸다.
상기 제2 스캔데이터 획득 단계(S160)는 3차원 스캐너(30)를 이용하여 턴테이블(20)의 임의의 회전각도들 각각에서 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들인 제2 스캔데이터들을 획득하는 단계이다.
상기 제2 위치변환행렬 도출 단계(S170)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출하는 단계이다.
상기 어느 하나의 제2 스캔데이터는 상기 턴테이블(20)의 회전각도가 제2 회전각도(θ2)인 상태에서 3차원 스캐너(30)가 상기 턴테이블(20) 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터일 수 있다.
또한, 상기 제2 위치변환행렬 도출 단계(S170)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬을 도출할 수 있다.
상기 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식은 quaternion, Rodrigues' rotation formula, angle-axis 등의 식이 이용될 수 있다.
상기 제2 위치변환행렬은 상기 제1 위치변환행렬과 마찬가지로 회전변환행렬(R2)과 이동변환행렬(T2)로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제2 위치변환행렬 도출 단계(S170)는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬(R2)을 도출할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 위치변환행렬 도출 단계(S170)는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00014
여기서, N은 상기 회전축(23)의 방향벡터, θ2는 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터가 획득된 상기 턴테이블(20)의 회전각도인 제2 회전각도, I는 단위행렬을 나타낸다.
또한, 상기 제2 위치변환행렬 도출 단계(S170)는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬(T2)을 도출할 수 있다.
Figure 112019077424525-pat00015
여기서, T는 상기 턴테이블(20)의 회전축(23) 상의 한 점, R2는 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬, I는 단위행렬을 나타낸다.
상기 제2 스캔데이터 정합 단계(S180)는 상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하는 단계이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 턴테이블과 3차원 스캐너의 상대위치에 따른 캘리브레이션(calibration)을 별도로 수행할 필요없이 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 스캔대상물의 스캔데이터들을 사용자의 개입없이 자동으로 정합할 수 있는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
10 : 3차원 스캐닝 장치 20 : 턴테이블
30 : 3차원 스캐너 100 : 제어부

Claims (14)

  1. 스캔대상물이 거치되며, 상기 거치된 스캔대상물을 회전축을 중심으로 회전시키는 턴테이블;
    상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔하는 3차원 스캐너; 및
    상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 스캔할 수 있도록 상기 턴테이블과 상기 3차원 스캐너를 제어하며, 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 획득된 상기 스캔대상물의 스캔데이터들을 정합하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 턴테이블의 회전각도가 기준각도인 상태에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 기준 스캔데이터와, 상기 턴테이블의 회전각도가 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 제1 스캔데이터와, 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 상기 3차원 스캐너가 상기 턴테이블 상에 거치된 스탠대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들인 제2 스캔데이터들을 상기 3차원 스캐너로부터 획득하는 스캔데이터 획득부;
    ICP(Iternative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출하는 제1 위치변환행렬 도출부;
    상기 제1 위치변환행렬로부터 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 턴테이블 회전축 정보 도출부;
    상기 턴테이블의 회전축 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출하는 제2 위치변환행렬 도출부; 및
    상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하는 제2 스캔데이터 정합부;를 포함하는 3차원 스캐닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출부는 상기 제1 위치변환행렬과 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 위치변환행렬은 회전변환행렬(R1)과 이동변환행렬(T1)로 정의되고, 상기 턴테이블의 회전축 정보는 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)과 상기 회전축의 방향벡터(N)로 정의되고,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출부는,
    상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)은 아래 수식을 이용하여 도출하고,
    Figure 112019077424525-pat00016

    (단, R1 : 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, T1 : 상기 제1 위치변환행렬의 이동변환행렬, I : 단위행렬)
    상기 회전축의 방향벡터(N)는 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출부는 아래 수식을 이용하여 상기 회전축의 방향벡터(N)를 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
    Figure 112019077424525-pat00017

    (단, R1 : 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환부분, θ1 : 상기 제1 회전각도, I : 단위행렬)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 위치변환행렬 도출부는 상기 턴테이블의 회전축 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬을 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 턴테이블의 회전축 정보는 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)과 상기 회전축의 방향벡터(N)로 정의되고, 상기 제2 위치변환행렬은 회전변환행렬(R2)과 이동변환행렬(T2)로 정의되고,
    상기 제2 위치변환행렬 도출부는,
    상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)은 상기 턴테이블의 회전축 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 도출하고,
    상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬(T2)은 아래 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
    Figure 112019077424525-pat00018

    (단, T : 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점, I : 단위행렬)
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 위치변환행렬 도출부는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
    Figure 112019077424525-pat00019

    (단, N : 상기 회전축의 방향벡터, θ2 : 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터가 획득된 상기 턴테이블의 회전각도인 제2 회전각도, I : 단위행렬)
  8. 회전축을 중심으로 회전 가능한 턴테이블의 회전각도가 기준각도인 상태에서 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 기준 스캔데이터를 획득하는 기준 스캔데이터 획득 단계;
    상기 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블의 회전각도가 제1 회전각도(θ1)인 상태에서 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 스캔데이터인 제1 스캔데이터를 획득하는 제1 스캔데이터 획득 단계;
    ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하여 상기 제1 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제1 위치변환행렬을 도출하는 제1 위치변환행렬 도출 단계;
    상기 제1 위치변환행렬로부터 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 턴테이블 회전축 정보 도출 단계;
    상기 3차원 스캐너를 이용하여 상기 턴테이블의 임의의 회전각도들 각각에서 상기 턴테이블 상에 거치된 스캔대상물을 스캔한 복수의 스캔데이터들인 제2 스캔데이터들을 획득하는 제2 스캔데이터 획득 단계;
    상기 턴테이블의 회전축 정보를 이용하여 상기 제2 스캔데이터들 중 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하기 위한 제2 위치변환행렬을 도출하는 제2 위치변환행렬 도출 단계; 및
    상기 제2 위치변환행렬을 이용하여 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터를 상기 기준 스캔데이터에 정합하는 제2 스캔데이터 정합 단계;를 포함하는 3차원 스캐닝 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계는 상기 제1 위치변환행렬과 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 턴테이블의 회전축 정보를 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 위치변환행렬은 회전변환행렬(R1)과 이동변환행렬(T1)로 정의되고, 상기 턴테이블의 회전축 정보는 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)과 상기 회전축의 방향벡터(N)로 정의되고,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계는,
    상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)은 아래 수식을 이용하여 도출하고,
    Figure 112019077424525-pat00020

    (단, R1 : 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환행렬, T1 : 상기 제1 위치변환행렬의 이동변환행렬, I : 단위행렬)
    상기 회전축의 방향벡터(N)는 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 턴테이블 회전축 정보 도출 단계는 아래 수식을 이용하여 상기 회전축의 방향벡터(N)를 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
    Figure 112019077424525-pat00021

    (단, R1 : 상기 제1 위치변환행렬의 회전변환부분, θ1 : 상기 제1 회전각도, I : 단위행렬)
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 위치변환행렬 도출 단계는 상기 턴테이블의 회전축 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬을 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 턴테이블의 회전축 정보는 상기 3차원 스캐너의 좌표계를 기준으로 하는 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점(T)과 상기 회전축의 방향벡터(N)로 정의되고, 상기 제2 위치변환행렬은 회전변환행렬(R2)과 이동변환행렬(T2)로 정의되고,
    상기 제2 위치변환행렬 도출 단계는,
    상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)은 상기 턴테이블의 회전축 정보와 회전행렬을 회전벡터와 각도로 표현하는 식을 이용하여 도출하고,
    상기 제2 위치변환행렬의 이동변환행렬(T2)은 아래 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
    Figure 112019077424525-pat00022

    (단, T : 상기 턴테이블의 회전축 상의 한 점, I : 단위행렬)
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 위치변환행렬 도출 단계는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 위치변환행렬의 회전변환행렬(R2)을 도출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
    Figure 112019077424525-pat00023

    (단, N : 상기 회전축의 방향벡터, θ2 : 상기 어느 하나의 제2 스캔데이터가 획득된 상기 턴테이블의 회전각도인 제2 회전각도, I : 단위행렬)
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