KR102433837B1 - 3차원 정보 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

3차원 정보 생성 장치 및 방법이 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 3차원 정보 생성 장치는 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체에 광을 제공하는 광원부와, 상기 광원부와 상기 객체 사이에 마련되며, 상기 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 좌표 기준 기구부와 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 출력하는 카메라부와, 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 3차원 정보 처리부를 포함할 수 있다.

Description

3차원 정보 생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING 3 DIMENTION INFORMATION AND METHOD FOR THE SAME}
본 개시는 객체의 3차원 정보를 복원하는 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 객체의 3차원 좌표점을 생성하는 방법 및 장치에 대한 것이다.
일반적으로 3차원 정보를 수집하기 위한 3차원 스캐너는 접촉식 장치와 비접촉식 장치로 대별되며, 이중에서 비 접촉식 장치는 스캔 대상물에서 반사 또는 산란되는 빛을 수집하고, 영상처리를 하거나 각 측정부위와의 거리를 계산함으로써 스캔 대상물의 3차원 형태를 결정하게 된다.
비접촉식 3차원 스캐너의 스캐닝 방식 중 하나가 위치감지소자(PSD: Position Sensitive Device) 방식이다. 일반적으로, PSD 방식 스캐너는 레이저 또는 적외선을 출사하는 발광부와, 상기 발광부에서 출사된 후 대상물에서 반사되는 반사광을 받아들이는 수광센서를 포함하며, 반사광의 방향으로부터 반사가 이루어진 대상물 부위까지의 거리를 계산하게 되고, 이를 반복함으로써 대상물의 전체적인 3차원 형태를 결정할 수 있게 된다.
통상적으로, 비접촉식 3차원 스캐너 등을 사용하는 3차원 스캔기술은 산업계에서 역 설계나 품질관리 등과 같은 전문적인 분야에 한정적으로 사용되었다. 그러나, 최근 3D프린터의 보급과 더불어 교육, 의료, 엔터테인먼트, 유통 등의 분야에서 일반인의 3차원 스캔에 대한 관심이 증가하고 있다.
이러한 시장의 동향에 맞추어, 전문가가 아닌 일반인들도 복잡한 장비 없이 간단하게 3차원 스캔을 수행하고, 보다 쉽게 객체의 3차원 정보를 생성할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 개시의 기술적 과제는 복잡하거나 대형의 장비를 구비하지 않는 간단한 기구부를 사용하여 일반인들도 간단하게 3차원 스캔을 수행할 수 있는 3차원 정보 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 다른 기술적 과제는 간단한 기구부를 사용하여 3차원 스캔의 기준 정보를 설정하여 기구부의 보정없이 비교적 단순한 연산을 통해 3차원 스캔을 수행할 수 있는 3차원 정보 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 양상에 따르면 3차원 정보 생성 장치가 제공될 수 있다. 상기 장치는 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체에 광을 제공하는 광원부와, 상기 광원부와 상기 객체 사이에 마련되며, 상기 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 좌표 기준 기구부와 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 출력하는 카메라부와, 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 3차원 정보 처리부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양상에 따르면 3차원 정보 생성 방법이 제공될 수 있다. 상기 방법은 광원부와 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체 사이에 마련되어 상기 광원부가 제공하는 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 획득하는 과정과, 상기 이미지에서 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점의 좌표를 확인하는 과정과, 상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 실제 복수의 돌기에 반사되는 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 개시에 따르면, 복잡하거나 대형의 장비를 구비하지 않는 간단한 기구부를 구비하는 3차원 정보 생성 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 간단한 기구부를 사용하여 일반인들도 간단하게 3차원 스캔을 수행할 수 있는 3차원 정보 생성 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 간단한 기구부를 사용하여 3차원 스캔의 기준 정보를 설정하여 기구부의 보정없이 비교적 단순한 연산을 통해 3차원 스캔을 수행할 수 있는 3차원 정보 생성 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 의해 촬영된 이미지와, 좌표 기준 기구부와, 광원부에 의해 형성되는 투사 평면 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 의해 생성되는 광이 반사되는 복수의 실제 돌기 반사점과, 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 방법 및 장치를 실행하는 컴퓨팅 시스템을 예시하는 블록도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 개시의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시 예에서의 제1 구성요소는 다른 실시 예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시 예에서의 제2 구성요소를 다른 실시 예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.
본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.
본 개시에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들에 대해서 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 정보 생성 장치는 광원부(11), 좌표 기준 기구부 (13), 카메라부(15), 및 3차원 정보 처리부(17)를 구비할 수 있다.
광원부(11)는 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체(100)에 광을 제공하는 장치일 수 있다. 예컨대, 광원부(11)는 라인 레이저 광을 출력하는 적어도 하나의 라인 레이저 장치, 미리 정해진 패턴의 레이저 광을 출력하는 적어도 하나의 패턴 레이저 장치를 포함할 수 있다.
나아가, 광원부(11)는 동시에 두 개 이상의 레이저 광을 출력하도록 구비될 수도 있다.
좌표 기준 기구부(13)는 광원부(11)와 상기 객체(100) 사이에 마련되며, 상기 광원부(11)로부터 제공되는 광을 반사하는 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)를 구비할 수 있다. 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)를 통해 반사되는 광은 3차원 좌표의 기준을 설정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)는 좌표 설정 방식에 따라, 그 위치 및 배열이 결정될 수 있다.
또한, 좌표 기준 기구부(13)는 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)의 위치 및 배열이 고정된 상태를 유지할 수 있도록, 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)가 고정되는 고정판(13e)를 더 포함할 수 있다.
나아가, 좌표 기준 기구부(13)는 고정판(13e)과, 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)가 광원부(11)와 상기 객체(100) 사이에 미리 정해진 위치에 고정될 수 있도록, 고정판(13e)을 광원부(11)에 고정하는 고점암(13f)을 더 포함할 수 있다.
카메라부(15)는 렌즈 어레이 및 이미지 센서를 구비할 수 있으며, 2차원 이미지(또는 영상)을 생성하여 제공하는 장치일 수 있다. 특히, 카메라부(15)는 좌표 기준 기구부(13)와 객체(100)가 포함된 이미지(또는 영상)(105)를 촬영하고, 촬영된 이미지(또는 영상)(105)를 3차원 정보 처리부(17)에 제공할 수 있다.
나아가, 좌표 기준 기구부(13)와 객체(100)가 포함된 이미지(또는 영상)(105)는 객체(100)의 3차원 정보를 생성하는데 기초가 되는 데이터일 수 있다. 객체(100)에 대한 3차원 정보를 보다 정확하게 생성하기 위하여, 상기 객체(100)를 서로 다른 방향 또는 위치에서 촬영한 영상이 요구된다. 따라서, 카메라부(15, 15', 15'')는 제1방향에 마련된 제1카메라(15)로부터 촬영된 제1이미지(또는 영상), 제2방향에 마련된 제2카메라(15')로부터 촬영된 제2이미지(또는 영상), 제3방향에 마련된 제3카메라(15'')로부터 촬영된 제3이미지(또는 영상) 등을 획득하여, 3차원 정보 처리부(17)에 제공할 수 있다.
제1카메라(15), 제2카메라(15'), 및 제3카메라(15'')는 동일한 카메라 장치로써, 서로 다른 위치에 배치된 카메라 장치임을 예시할 수 있다.
다른 예로서, 제1카메라(15), 제2카메라(15'), 및 제3카메라(15'')는 서로 다른 카메라 장치일 수 있으며, 동일한 시각에 촬영되는 제1이미지(또는 영상), 제2이미지(또는 영상), 제3이미지(또는 영상) 등을 각각 3차원 정보 처리부(17)에 제공할 수 있다.
나아가, 카메라부(15, 15', 15'')는 광원부(11)와, 좌표 기준 기구부(13)와 객체(100)를 촬영하여 디지털 이미지를 출력할 수 있으면 충분하다. 예컨대, 카메라부(15, 15', 15'')는 휴대가 용이한 소형의 카메라 장치로서, 통상의 디지털 카메라 장치, 모바일 기기에 구비되는 카메라 장치, 액션캠(Sports & Action Cameras) 등을 포함할 수 있다.
3차원 정보 처리부(17)는 3차원 정보를 생성하는 프로그램을 수행할 수 있는 프로그램 코드를 수록한 저장매체와, 프로그램 코드를 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 구비한 전자장치를 포함할 수 있다. 3차원 정보 처리부(17)는 카메라부(15, 15', 15'')가 구비되는 카메라 장치 내에 구비되거나, 또는 별도의 전자장치에 구비될 수 있다.
특히, 3차원 정보 처리부(17)는 좌표 기준 기구부(13)와 객체(100)가 포함된 이미지(또는 영상)(105)에서 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점에 기초한 3차원 기준 좌표를 설정하고, 상기 3차원 기준 좌표를 기준으로 상기 객체의 3차원 정보를 생성할 수 있다.
이하, 3차원 정보 처리부(17)가 객체의 3차원 정보를 생성하는 동작을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 구비되는 일부 구성부와, 3차원 정보 생성 장치에 구비되는 카메라의 의해 촬영된 이미지 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
핀홀 카메라 모델에 기초하여, 카메라 좌표계의 원점(O)(201)을 기준으로, 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)을 지나는 직선(203)(이하, '투사선'이라 함)을 연장할 수 있다.
한편, 라인 레이저에 의해 발광되는 빛은 투사 평면(207)을 형성하게 되고, 투사 평면(207)이 객체(100)에 도달함에 따라, 객체(100)의 외곽 영역을 따라 라인 레이저의 투사곡선(204)이 형성될 수 있다.
연장된 직선(203)과 투사 평면(207)과의 교점(205)을 확인할 수 있는데, 이 교점(205)은 객체(100) 표면상의 한 점으로 결정될 수 있다.
이에 기초하여, 3차원 정보 처리부(17)는 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 점들을 확인하고, 이 점들에 대응되는 교점을 확인하여 객체의 표면 상의 점에 대응되는 좌표를 검출할 수 있다.
예컨대, 3차원 정보 처리부(17)는 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)을 [u v]로 정의하고, 하기의 수학식 1의 연산을 통해 임의의 점(202)을 지나는 직선(202)의 방향 벡터를 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00001
여기서 K는 컴퓨터 비전 분야에서 정의되는 카메라 내부변수 메트릭스이고, 카메라의 내부변수 메트릭스는 일반적인 카메라 보정 방법으로 미리 설정될 수 있다. 또한, 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)의 값은 카메라부에 구비되는 렌즈의 왜곡도를 반영하여 보정될 수 있다.
한편, 3차원 정보 처리부(17)는 라인 레이저에 의해 발광되는 빛에 의해 형성되는 투사 평면(207)을 카메라 좌표계에 기초하여, 이미지(200)로부터 산출할 수 있다.
이하, 3차원 정보 처리부(17)가 투사 평면(207)을 산출하는 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 의해 생성되는 광이 반사되는 복수의 실제 돌기 반사점과, 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
광원부(11)에서 출력되는 레이저 광은 투사 평면(207)을 형성할 수 있다. 레이저 광에 의해 형성되는 투사 평면(207)은 레이저 광이 어느 위치에서 발생되는지와 어느 방향으로 투사되는지를 정확하게 확인하기 위하여, 좌표 기준 기구부(13)에 구비되는 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)에 반사되는 돌기 반사점(14a, 14b, 14c, 14d)을 사용할 수 있다.
3차원 정보 처리부(17)는 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)에 반사되는 돌기 반사점(14a, 14b, 14c, 14d)의 실제 위치와, 이미지(200)로부터 추출되는 돌기 반사점(33a, 33b, 33c, 33d) 사이의 관계를 고려하여, 투사 평면(207)을 산출할 수 있다.
예컨대, 3차원 정보 처리부(17)는 실제 공간을 고려하여 가상의 좌표계(Xl, Yl, Zl)를 설정한다. 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)에 반사되는 돌기 반사점(14a, 14b, 14c, 14d) 중 하나의 점에 원점을 설정하고, 나머지 점으로 이루어진 평면에 X축과, Y축이 위치하도록 설정한다. 이에 따라, 3차원 정보 처리부(17)는 좌표 기준 기구부(13)의 구조를 반영하여, 돌기 반사점의 3차원 좌표([Xi Yi 0] , i=0,1, ... 3)를 획득할 수 있다.
그리고, 3차원 정보 처리부(17)는 이미지(200)로부터 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)에 각각 반사되는 돌기 반사점(33a, 33b, 33c, 33d)을 추출하고, 좌표계 uC, vC에 대해, 이 점의 2D 좌표를 [ui vi](i=0,1, ... 3)로 설정할 수 있다.
3차원 정보 처리부(17)는 정규화된 이미지(200) 평면상의 점 [xi yi 1]T (K-1[ui vi 1]T )에 대해 하기의 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00002
여기서, H는 호모그래피 3x3 메트릭스로서, [Xi Yi 0](i=0, 1, ..., 3)와 [ui vi](i=0, 1, ..., 3)로부터 산출할 수 있다.
이때 두 좌표계 Xl Yl Zl 와 XC YC ZC 사이의 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 사용하여 H를 하기의 수학식 3으로 표현할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00003
3차원 정보 처리부(17)는 수학식 3에 의해 위에서 구한 H로부터 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 산출할 수 있다. 나아가, 3차원 정보 처리부(17)는 정밀도를 향상 시키기 위해 이렇게 산출한 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 초기값으로 설정하고, 하기의 수학식 4의 비용함수를 통해 비선형 최적화 방법으로 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00004
여기서 p([a b c]T)=[a/c b/c]T 로 정의되는 함수이다.
r2=[r02 r12 r22]T, t=[tx ty tz]T 로 가정하면, 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)로부터 Xl -Yl 평면식을 하기의 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00005
돌기 반사점(14a, 14b, 14c, 14d)은 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)와 투사 평면(207)이 만나서 생기므로, 전술한 수학식 5의 평면식이 투사 평면(207)의 표현식과 일치한다.
따라서, 3차원 정보 처리부(17)는 투사 평면(207)의 표현식에 대응되는 수학식 5와, 임의의 점(202)을 지나는 투사선(203)의 방향 벡터를 나타내는 수학식 1을 사용하여, 투사선(203)과 투사 평면(207)과의 교점(205)을 산출할 수 있다. 레이저에 의한 투사 곡선(204)의 이미지(200) 상에 투영된 모든 레이저 점에 대해 이 과정을 수행하면 투사 곡선(204) 상의 3차원 점의 집합을 얻을 수 있다.
3차원 정보 처리부(17)는 레이저 광원이 이동하며 물체 위에 레이저 광이 조사되는 동안 획득한 연속 이미지에 대해, 투사 곡선(204)의 3차원 좌표를 산출하는 동작을 반복하여 수행함으로써, 객체의 외형을 나타내는 3차원 스캔 결과를 산출할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
3 차원 정보 생성 방법은 전술한 3차원 정보 생성 장치에 의해 수행될 수 있다.
S401 단계에서, 3차원 정보 생성 장치는 광원부에서 발광되는 광과, 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체를 촬영한 이미지 획득할 수 있다. 이때, 상기 광원부와 상기 객체 사이에는 광원부가 제공하는 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부가 마련될 수 있다. 따라서, 상기 획득한 이미지에는 광원부가 발광하는 광, 상기 좌표 기준 기구부, 및 객체가 포함될 수 있으며, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면, 좌표 기준 기구부 에 의해 반사되는 복수의 반사 돌기점, 상기 투사 평면이 객체를 통해 반사되는 투사 평면선이 함께 포함될 수 있다.
S402 단계에서, 3차원 정보 생성 장치는 이미지 상에 표시되는 적어도 하나의 돌기 반사점의 좌표를 확인한다. 예컨대, 3차원 정보 생성 장치는 이미지 상에 표시되는 돌기 반사점(33a, 33b, 33c, 33d)을 추출하고, 좌표계 uC, vC에 대해, 이 점의 2D 좌표를 [ui vi](i=0,1, ... 3)로 설정할 수 있다.
다음으로, S403 단계에서, 3차원 정보 생성 장치는 실제 돌기의 설계정보를 고려하여, 이미지 상에 표시되는 적어도 하나의 돌기 반사점과, 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 확인한다. 그리고, 이미지 상에 표시되는 적어도 하나의 돌기 반사점과, 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 객체의 3차원 정보를 생성한다.
예컨대, 3차원 정보 생성 장치는 실제 공간을 고려하여 가상의 좌표계(Xl, Yl, Zl)를 설정한다. 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)에 반사되는 돌기 반사점 중 하나의 점에 원점을 설정하고, 나머지 점으로 이루어진 평면에 X축과, Y축이 위치하도록 설정한다. 이에 따라, 3차원 정보 생성 장치는 좌표 기준 기구부 (13)의 구조를 반영하여, 돌기 반사점의 3차원 좌표([Xi Yi 0] (i=0,1, ... 3))를 획득할 수 있다.
3차원 정보 생성 장치는 정규화된 이미지(200) 평면상의 점 [xi yi 1]T (K-1[ui vi 1]T )에 대해 하기의 수학식 6으로 표현할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00006
여기서, H는 호모그래피 3x3 메트릭스로서, [Xi Yi 0](i=0, 1, ..., 3)와 [ui vi](i=0, 1, ..., 3)로부터 산출할 수 있다.
이때 두 좌표계 Xl Yl Zl 와 XC YC ZC 사이의 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 사용하여 H를 하기의 수학식 7로 표현할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00007
3차원 정보 처리부(17)는 수학식 7에 의해 위에서 구한 H로부터 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 산출할 수 있다. 나아가, 3차원 정보 처리부(17)는 정밀도를 향상 시키기 위해 이렇게 산출한 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 초기값으로 설정하고, 하기의 수학식 8의 비용함수를 통해 비선형 최적화 방법으로 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)를 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00008
여기서 π([a b c]T)=[a/c b/c]T 로 정의되는 함수이다.
다음으로, 3차원 정보 생성 장치는 이미지 상의 돌기 반사점과 실제 돌기 반사점 사이의 관계정보에 기초하여, 라인 레이저에 의해 형성되는 투사 평면(207)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 3차원 정보 생성 장치는 r2=[r02 r12 r22]T, t=[tx ty tz]T 로 가정하고, 회전행렬(R=[r0 r1 r2])과, 병진벡터(t)로부터 Xl -Yl 평면식을 산출할 수 있다. Xl -Yl 평면식은 하기의 수학식 9와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00009
한편, 핀홀 카메라 모델에 기초하여, 카메라 좌표계의 원점(O)(201, 도 2참조))을 기준으로, 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)을 지나는 투사선(203)을 연장할 수 있다.
그리고, 라인 레이저에 의해 발광되는 빛은 투사 평면(207)을 형성하게 되고, 투사 평면(207)이 객체(100)에 도달함에 따라, 객체(100)에는 라인 레이저의 투사 투사 곡선(204)이 형성될 수 있다.
S403 단계에서, 3차원 정보 생성 장치는 투사선(203)과 라인 레이저의 투사 평면(207)과의 교점(205)을 확인할 수 있는데, 이 교점(205)은 객체(100) 표면상의 한 점으로 결정될 수 있다. 이에 기초하여, 3차원 정보 처리부(17)는 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 점들을 확인하고, 이 점들에 대응되는 교점을 확인하여 객체의 표면 상의 점에 대응되는 투사 곡선(207) 상의 3차원 점들의 좌표를 검출할 수 있다.
예컨대, 3차원 정보 생성 장치는 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)을 [u v]로 정의하고, 하기의 수학식 10의 연산을 통해 임의의 점(202)을 지나는 투사선(203)의 방향 벡터를 산출할 수 있다.
Figure 112017116537825-pat00010
여기서 K는 컴퓨터 비전 분야에서 정의되는 카메라 내부변수 메트릭스이고, 카메라의 내부변수 메트릭스는 일반적인 카메라 보정 방법으로 미리 설정될 수 있다. 또한, 이미지(200) 상에서의 라인 레이저가 지나는 임의의 점(202)의 값은 카메라부에 구비되는 렌즈의 왜곡도를 반영하여 보정될 수 있다.
한편, 돌기 반사점은 복수의 돌기(13a, 13b, 13c, 13d)와 투사 평면(207)이 만나서 생기므로, 전술한 수학식 9의 평면식이 투사 평면(207)의 표현식과 일치한다. 나아가, 투사 평면(207)은 투사 평면선(204)을 형성할 수 있다. 따라서, 3차원 정보 생성 장치는 투사 평면(207)의 표현식에 대응되는 수학식 9와, 임의의 점(202)을 지나는 투사선(203)의 방향 벡터를 나타내는 수학식 10을 사용하여, 투사선(203)과 투사 평면(207)과의 교점(205)을 산출할 수 있다.
전술한 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 따르면, 광원부에 장착하는 간단한 좌표 기준 기구부와, 카메라부 및 3차원 정보 처리부 만을 가지고 3차원 스캐너를 구성할 수 있다. 이와 같이, 외부에 설치하는 복잡한 기구부가 필요 없어 이동과 유지보수에 장점을 가질 수 있다. 특히, 카메라부 및 3차원 정보 처리부는 모바일 기기와 같은 모바일 기기에 구비될 수 있으며, 광원부에 장착하는 간단한 좌표 기준 기구부와 모바일 기기를 사용하여 용이하게 3차원 스캐너를 구성할 수 있다.
나아가, 전술한 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치에 따르면, 보정이 편리하고 정밀도를 향상시킬 수 있어 전문가가 아닌 일반인도 용이하게 사용할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 정보 생성 방법 및 장치를 실행하는 컴퓨팅 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.
본 개시의 다양한 실시 예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시 예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
본 개시의 범위는 다양한 실시 예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다.

Claims (18)

  1. 3차원 정보 생성 장치에 있어서,
    3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체에 광을 제공하는 광원부와,
    상기 광원부와 상기 객체 사이에 마련되며, 상기 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와,
    상기 좌표 기준 기구부와 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 출력하는 카메라부와,
    상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 3차원 정보 처리부를 구비하며,
    상기 3차원 정보 처리부는,
    상기 복수의 돌기 반사점의 위치 및 배열에 기초한 실제 복수의 돌기 반사점의 좌표값과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점의 좌표값 사이의 회전행렬 및 병진벡터 값을 포함하는 관계정보를 확인하는 3차원 정보 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 좌표 기준 기구부는,
    적어도 3개의 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 좌표 기준 기구부는,
    상기 복수의 돌기가 고정되는 베이스판과,
    상기 광원부와, 상기 베이스판을 연결하는 고정암을 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 정보 처리부는,
    상기 관계정보에 기초하여, 상기 투사 평면을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 장치.
  7. 3차원 정보 생성 장치에 있어서,
    3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체에 광을 제공하는 광원부와,
    상기 광원부와 상기 객체 사이에 마련되며, 상기 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와,
    상기 좌표 기준 기구부와 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 출력하는 카메라부와,
    상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 3차원 정보 처리부를 구비하며,
    상기 3차원 정보 처리부는,
    카메라 좌표계의 원점으로부터 상기 이미지에 표시되는 객체의 한 점을 지나 실제 객체에 투사되는 투사점과, 상기 실제 객체에 형성되는 상기 투사 평면의 교차점을 적어도 하나의 3차원 좌표점으로 변환하고,
    상기 적어도 하나의 3차원 좌표점을 조합하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카메라부는,
    상기 객체를 서로 다른 방향에서 촬영하는 영역에 구비되며, 서로 다른 이미지를 촬영하는 복수의 카메라 장치를 포함하고,
    상기 3차원 정보 처리부는,
    상기 서로 다른 이미지에 포함된 상기 복수의 돌기 반사점과, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    라인 레이저를 출력하는 적어도 하나의 라인 레이저 장치를 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    미리 정해진 패턴의 레이저 광을 출력하는 적어도 하나의 패턴 레이저 장치를 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
  11. 3차원 정보 생성 방법에 있어서,
    광원부와 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체 사이에 마련되어 상기 광원부가 제공하는 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 획득하는 과정과,
    상기 이미지에서 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점의 좌표를 확인하는 과정과,
    상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 실제 복수의 돌기에 반사되는 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정을 포함하며,
    상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정은,
    상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 상기 실제 돌기 반사점 사이의 관계 정보를 확인하고, 상기 관계정보에 기초하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 산출하는 과정을 포함하는 3차원 정보 생성 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 3차원 정보 생성 방법에 있어서,
    광원부와 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체 사이에 마련되어 상기 광원부가 제공하는 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 획득하는 과정과,
    상기 이미지에서 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점의 좌표를 확인하는 과정과,
    상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 실제 복수의 돌기에 반사되는 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정을 포함하며,
    상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정은,
    상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 상기 실제 돌기 반사점 사이의 관계 정보를 확인하는 과정을 포함하고,
    상기 관계 정보를 확인하는 과정은,
    상기 실제 복수의 돌기 반사점의 좌표값과, 상기 이미지에 표시되는 복수의 돌기 반사점의 좌표값의 회전행렬 및 병진벡터 값을 포함하는 상기 관계정보를 확인하는 과정을 포함하는 3차원 정보 생성 방법.
  15. 3차원 정보 생성 방법에 있어서,
    광원부와 3차원 정보를 복원하는 대상이 되는 객체 사이에 마련되어 상기 광원부가 제공하는 광을 반사하는 복수의 돌기를 구비하는 좌표 기준 기구부와, 상기 객체를 동시에 촬영한 이미지를 획득하는 과정과,
    상기 이미지에서 상기 복수의 돌기에 의해 상기 광이 각각 반사되는 복수의 돌기 반사점의 좌표를 확인하는 과정과,
    상기 이미지 상의 복수의 돌기 반사점과, 실제 복수의 돌기에 반사되는 실제 돌기 반사점 사이의 관계를 고려하여, 상기 광에 의해 형성되는 투사 평면을 확인하고, 상기 투사 평면을 사용하여 상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정을 포함하며,
    상기 객체의 3차원 정보를 생성하는 과정은,
    카메라 좌표계의 원점으로부터 상기 이미지에 표시되는 객체의 한점을 지나 실제 객체에 투사되는 투사점과, 상기 투사 평면의 교차점을 적어도 하나의 3차원 좌표점으로 변환 과정을 포함함을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 객체를 촬영한 이미지를 획득하는 과정은,
    서로 다른 방향에 구비된 카메라로부터 촬영된 서로 다른 영상을 확인하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 광원부가 제공하는 광은,
    적어도 하나의 라인 레이저 광인 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 광원부가 제공하는 광은,
    미리 정해진 패턴의 레이저 광인 것을 특징으로 하는 3차원 정보 생성 방법.
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