KR102469816B1 - 3차원 재구성 시스템 및 3차원 재구성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 재구성 시스템 및 방법을 개시하며, 상기 시스템은 캐리어 장치(10)를 포함하고, 여기에는 회전 가능한 회전 프레임(11) 및 회전 프레임 상에 설치되는 캐리어 테이블(12)이 포함되고, 회전 프레임(11)은 회전축(13)을 구비하고; 데이터 수집 장치(20)와 캐리어 테이블(12)은 이격 설치되어, 회전 프레임(11)이 상응하는 각도로 회전할 때 캐리어 테이블(12) 상의 물체의 반사광 데이터를 수집하고, 물체가 대응하는 각도에 있을 때의 단일 시점 데이터를 획득하는 데 사용되고; 데이터 처리 장치(30)는 데이터 수집 장치(20)에 연결되어 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘을 기반으로 3차원 재구성을 수행하는 데 사용된다. 상기 시스템은 물체는 움직이나 광 검출 경로는 움직이지 않는 방식을 채택하여 측정함으로써, 광 검출 경로의 회전으로 인해 검출 효율 및 정밀도가 낮아지는 문제를 방지하며, 회전 프레임(11) 자체의 높은 위치 결정 정밀도를 기반으로 높은 측정 정밀도를 보장할 수 있고, 광 경로의 빈번한 보정이 필요 없어 재구성 속도를 향상시킬 수 있으며, 회전 프레임(11)의 회전은 시스템 공간을 변화시키지 않아 시스템의 소형화에 도움이 된다.

Description

3차원 재구성 시스템 및 3차원 재구성 방법
본 발명은 3차원 이미징 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 재구성 시스템 및 3차원 재구성 방법에 관한 것이다.
3차원 재건(“3차원 재구성”이라고도 함)은 3차원 물체의 형상 분포를 데이터 포인트 클라우드로 묘사하고, 컴퓨터 상에서 객관적인 세계를 표현하는 가상현실을 구축하는 핵심 기술을 말한다. 초기의 3차원 재건 기술은 주로 대형 물체(건축물, 자동차 등)의 측정에 사용되었으나, 현대 과학 기술 및 제조 공정의 발전으로 인해 점점 더 많은 산업에 3차원 재건 기술이 적용되고 있다. 예를 들어, 소형 물체 정밀 가공 산업에서 3차원 재건을 통해 핵심 공정 효과 및 완제품 품질을 모니터링하여 생산 비용을 줄이고 수율을 향상시키고 있다. 이러한 응용 배경은 3차원 재건에 새로운 요구 사항을 제시하였다. 첫째, 검출 속도가 빨라야 한다. 사람들은 단위 시간당 가능한 많은 물체를 검출하고자 한다. 둘째, 알고리즘 계산량이 적어야 한다. 검출 수량이 많고, 일반적으로 온라인 검출이기 때문에 복잡한 3차원 재구성 알고리즘은 해당 목표를 구현하기 어렵다. 셋째, 검출 정밀도가 높아야 한다. 가공 정밀도는 정밀 가공의 핵심 매개 변수이며, 가공 효과 검출에 있어서도 정밀도에 대한 높은 요구 사항이 제시되고 있다.
종래의 3차원 재구성 기술은 주로 접촉식과 비접촉식의 2가지 유형을 포함한다. 그 중 접촉식 검출은 주로 프로브를 사용하여 물체 표면을 스캔하고 3차원 형상을 수집하는데, 이러한 방식은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리며 표면을 손상시킬 수 있으므로 품질 모니터링에는 적합하지 않고 샘플링 검사에만 사용할 수 있다. 비접촉식 검출은 주로 공초점, 레이저 스캐닝, 초점 형상 복구, 백색광 간섭 등을 포함한 광학적 방법으로 구현된다. 광학적 방법은 비파괴적이며 빠르고 저렴한 비용의 장점이 있어 제품의 온라인 품질 모니터링에 도움이 된다. 그러나 종래의 광학적 검출 방법은 여전히 많은 정밀 가공 공정 효과 모니터링의 검출 속도 요건을 충족시킬 수 없으므로 그 적용이 제한적이다.
본 발명의 목적은 3차원 재구성 시스템 및 방법을 제공함으로써, 종래의 광학식 3차원 재구성 방법에서 검출 속도가 느린 기술적 문제를 해결하는 데에 있다.
상기 기술적 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 의해 채택된 기술적 해결책은 하기와 같다.
제1측면에 있어서, 본 발명에 따른 3차원 재구성 시스템은,
회전 가능한 회전 프레임 및 상기 회전 프레임 상에 설치되는 캐리어 테이블을 포함하고, 상기 회전 프레임은 회전축을 구비하는 캐리어 장치;
상기 캐리어 테이블과 이격 설치되어, 상기 회전 프레임이 상응하는 각도로 회전할 때 상기 캐리어 테이블 상의 물체의 반사광 데이터를 수집하고, 상기 물체가 대응하는 각도에 있을 때의 단일 시점 데이터를 획득하는 데 사용되는 데이터 수집 장치; 및
상기 데이터 수집 장치에 연결되어, 상기 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘을 기반으로 3차원 재구성을 수행하는 데 사용되는 데이터 처리 장치를 포함한다.
더 나아가, 상기 데이터 수집 장치는 색 분산 공초점 데이터 수집 장치이고, 수집된 상기 반사광 데이터는 반사 스펙트럼 데이터이다.
더 나아가, 상기 3차원 재구성 시스템은 회전축 보정면을 더 포함하고, 상기 데이터 수집 장치는 상기 회전축 보정면의 반사 신호를 수집하여 반사 데이터를 획득하도록 더 구성되고, 상기 데이터 처리 장치는 상기 반사 데이터를 기반으로 회전축의 위치를 계산하고, 상기 회전축의 위치에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정하도록 더 구성된다.
더 나아가, 상기 회전축 보정면은 캐리어 테이블 상에 설치된다.
더 나아가, 상기 회전축 보정면은 확산 반사면이다.
더 나아가, 상기 회전축의 초기 방향은 상기 데이터 수집 장치의 광 수집 경로에 수직이다.
더 나아가, 상기 캐리어 장치는 수평 병진 테이블을 더 포함하고, 상기 데이터 수집 장치는 수직 승강 테이블 및 상기 수직 승강 테이블 상에 설치되는 카메라를 포함한다.
상기 회전 프레임은 상기 수평 병진 테이블 상에 설치된다.
상기 데이터 수집 장치는 상기 수직 승강 테이블 상에 설치되어, 상기 캐리어 테이블에 대한 상기 데이터 수집 장치의 높이를 조절 가능하게 만든다.
상기 회전축의 초기 방향은 상기 수평 병진 테이블에 평행하다.
상기 데이터 수집 장치의 광 수집 경로는 상기 수평 병진 테이블에 수직이다.
더 나아가, 상기 카메라는 적어도 광대역 광원, 색 분산 렌즈 및 검출기를 포함하고, 상기 광대역 광원, 색 분산 렌즈 및 검출기는 색 분산 공초점 방법을 기반으로 단일 시점 데이터를 획득하고, 상기 데이터 처리 장치는 상기 상이한 시점의 단일 시점 데이터 및 상이한 시점의 변환 행렬을 기반으로 3차원 재구성을 수행한다.
제2측면에 있어서, 3차원 재구성 방법은 상기 3차원 재구성 시스템을 기반으로 수행되며 하기 단계를 포함한다.
단계 S1: 상기 회전 프레임의 회전을 통해 상기 캐리어 테이블 상의 물체를 회전시킨다.
단계 S2: 상기 데이터 수집 장치를 통해 물체가 상응하는 각도까지 회전할 때의 반사광 데이터를 수집하여 단일 시점 데이터를 획득한다.
단계 S3: 상기 데이터 처리 장치를 통해 상이한 각도의 상기 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘에 따라 3차원 재구성을 수행한다.
더 나아가, 상기 단계 S2는 구체적으로 하기와 같다.
색 분산 공초점 방법을 기반으로, 광대역 광원을 사용하여 상기 물체를 조명하고, 상기 물체가 상이한 시점에 있을 때의 단일 시점 데이터를 수집한다.
더 나아가, 상기 색 분산 공초점 방법은 적어도 하기 단계를 포함한다.
광대역 광원을 통해 광대역 광속을 방출하고 선형의 검출 광선을 형성한다.
색 분산 렌즈를 통해 상기 검출 광선을 상기 물체의 표면에 투사한다.
상기 물체를 병진시켜 물체 표면 스캔을 완료한다.
검출기를 통해 상기 검출 광선이 상기 물체를 거쳐 반사된 후의 반사광 데이터를 수집하고, 상기 반사광 데이터를 처리하여 상기 단일 시점 데이터를 획득한다.
더 나아가, 구체적으로 상기 단계 S3에 있어서, 상기 데이터 처리 장치를 통해 상이한 시점의 단일 시점 데이터를 소정의 대응하는 시점의 변환 행렬에 적용하고, 3차원 데이터 포인트 클라우드 스플라이싱(splicing)을 수행하여 3차원 재구성 이미지를 획득한다.
더 나아가, 상기 단계 S1 전에 단계 S0를 더 포함한다.
상기 회전 프레임의 회전축 위치를 측정하고, 상기 회전축 위치의 측정 데이터에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정한다.
더 나아가, 상기 단계 S0은,
상기 캐리어 테이블 상에 회전축 보정면을 설치하는 단계;
상기 회전 프레임 상의 회전축 보정면을 현재 위치를 기반으로 제1각도 및 제2각도로 순차적으로 회전시켜, 상기 회전축 보정면이 시스템 초기 좌표계 하에서 회전하지 않을 때의 초기 위치 데이터, 제1각도일 때의 제1각도 데이터 및 제2각도일 때의 제2각도 데이터를 획득하는 단계;
상기 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터에 따라 회전축의 위치를 계산하는 단계; 및
상기 회전축 위치를 보정 전의 재구성 알고리즘에 편입시켜 보정 후의 재구성 알고리즘을 형성하는 단계를 포함한다.
더 나아가, 상기 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터를 기반으로 회전축 위치를 계산하는 단계는 구체적으로,
상기 초기 위치 데이터에 대응하는 초기 평면과 제1각도 데이터에 대응하는 제1평면의 제1각 이분면을 계산하고, 상기 초기 평면과 제2각도 데이터에 대응하는 제2평면의 제2각 이분면을 계산하여, 제1각 이분면과 제2각 이분면의 교차선을 회전축 위치로 확정한다.
더 나아가, 단계 S0에 있어서, 상기 제1각도와 제2각도는 크기가 동일하고 방향이 반대이다.
더 나아가, 상기 회전축 보정면은 확산 반사면이다.
더 나아가, 상기 제1각도와 제2각도는 모두 15°보다 크고, 상기 단계 S0은 상기 회전축의 오프셋이 소정의 오프셋 이상일 때 수행된다. 제2측면에 있어서, 상기 21을 포함하는 22를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템 및 방법은 다음과 같은 기술적 효과를 나타낸다. 즉, 3차원 재구성 시스템은 회전 프레임을 사용하여 물체의 중량을 견디며, 데이터 수집 장치를 사용하여 물체의 반사광 데이터를 수집하고, 물체의 상이한 시점 하의 단일 시점 데이터를 측정할 때 회전 프레임이 물체는 회전시키고 데이터 수집 장치는 회전시키지 않으며, 복수의 단일 시점 데이터를 획득하고, 단일 시점 데이터와 회전 각도를 기반으로 3차원 데이터 포인트 클라우드 스플라이싱을 수행하여 3차원 재구성을 구현한다. 회전 프레임 자체의 위치 결정 정밀도가 비교적 높고 회전 과정에서 광학 경로 오프셋이 쉽게 발생하지 않기 때문에 비교적 높은 측정 정밀도를 보장할 수 있다. 또한 광학 경로를 자주 보정할 필요가 없으므로 3차원 재구성 속도가 향상되고 물체 검출 효율이 개선된다. 그 외, 회전 프레임의 회전은 시스템 공간 크기를 변화시키지 않으므로 재구성 시스템의 소형화에 유리하다. 이에 상대적으로, 종래의 모바일 광 수집 경로로 검출 시점을 변경하는 시스템은 광 경로 오프셋이 발생하기 쉬워 측정 정밀도가 낮아지며, 광 경로의 수차례 보정으로 인해 제품 검출 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 검출 시점 변경에 필요한 영역이 비교적 커 재구성 시스템에 소형화에 유익하지 않다.
본 발명의 실시예에서의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 실시예 또는 종래 기술 설명에 필요한 첨부 도면을 간략하게 소개한다. 이하의 설명에서 첨부 도면은 본 발명의 일부 실시예에 불과하며, 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자는 창조적인 노력을 들이지 않고 이러한 첨부 도면을 기반으로 다른 도면을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템의 캐리어 장치의 구조도 1이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템의 회전축 측정 원리도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템의 캐리어 장치의 구조도 2이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 방법의 회전축 측정 흐름도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결책 및 장점을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 첨부 도면 및 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기술된 구체적인 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하지 않는다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 “고정”또는“설치” 된다는 것은 상기 다른 구성 요소에 직접 또는 간접적으로 위치할 수 있다는 것을 말한다. 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결”된다는 것은 상기 다른 구성 요소에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다는 것을 말한다. 용어 “상”, “하”,“좌”, “우”등이 가리키는 방향 또는 위치 관계는 첨부 도면에 도시된 방향 또는 위치 관계를 기반으로 하며, 이는 설명을 위한 것일 뿐이므로 가리키는 장치 또는 구성 요소가 반드시 특정한 방위를 갖거나 특정한 방위로 구성 및 조작되어야 한다는 것을 나타내거나 암시하지 않으므로, 이는 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다. “제1” 및 “제2”라는 용어는 설명의 목적으로만 사용되며, 상대적 중요성을 나타내거나 암시하거나, 또는 기술적 특징의 수량을 암시적으로 나타내는 것으로 이해해서는 안 된다. “복수”의 의미는 구체적으로 한정되지 않는 한 2개 또는 2개 이상이다.
본 발명에 따른 기술적 해결책을 설명하기 위하여, 이하에서는 구체적인 첨부 도면 및 실시예를 통해 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예는 3차원 재구성 시스템을 제공하며, 여기에는 적어도 캐리어 장치(10), 데이터 수집 장치(20) 및 데이터 처리 장치(30)가 포함되고, 여기에서 캐리어 장치(10)는 회전 가능한 회전 프레임(11) 및 회전 프레임(11) 상에 설치되는 캐리어 테이블(12)을 포함하고, 회전 프레임(11)은 회전축(13)을 구비하고, 구체적으로 상기 회전축(13)은 적어도 수평 회전축(즉, X 회전축 또는 Y 회전축)을 포함하고, 수직 회전축(즉, Z 회전축)을 더 포함할 수 있다. 데이터 수집 장치(20)는 캐리어 테이블(12)과 이격 설치되고, 회전 프레임(11)이 회전할 때 회전하지 않지만 회전 프레임(11)에 대해 평행하게 이동하거나 상하로 이동할 수 있으며, 회전 프레임(11)이 상응하는 각도로 회전할 때 캐리어 테이블(12) 상의 물체(18)가 반사하는 반사광 데이터를 수집하여, 물체(18)가 대응하는 각도에 있을 때의 단일 시점 데이터를 획득하는 데 사용되고, 데이터 처리 장치(30)는 데이터 수집 장치(20)에 연결되어 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘을 기반으로 3차원 재구성을 수행하는 데 사용된다.
구체적으로, 캐리어 장치(10)의 회전 프레임(11)은 그 회전축(13)을 기반으로 회전할 수 있고, 데이터 수집 장치(20)의 카메라(21)는 캐리어 테이블(12)로부터 일정한 거리만큼 이격되어, 물체 전체 표면에서 반사하는 반사광 데이터를 수집할 수 있고, 카메라(21)의 광 수집 경로는 바람직하게는 회전축(13)의 초기 방향에 직각이다. 회전축(13)을 통해 물체를 회전시키고, 물체가 상응하는 각도로 회전하면 데이터 수집 장치(20)는 대응하는 각도일 때의 단일 시점 데이터를 수집하고, 상기 복수의 단일 시점 데이터는 데이터 처리 장치(30)로 전송되고, 데이터 처리 장치(30)에서 이를 처리한 후 물체의 3차원 재구성 이미지를 획득한다. 회전축(13)의 회전 각도는 미리 확정할 수 있고, 데이터 수집 장치(20)에 각도 및 단일 시점 데이터에 기초한 재구성 알고리즘이 미리 설정되어 있을 수 있음을 이해한다. 각도 및 단일 시점 데이터에 기초한 3차원 재구성 알고리즘은 일반적으로 사용되는 변환 행렬에 기초한 재구성 등과 같은 기존의 관련 알고리즘을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 재구성 시스템은 회전 프레임(11)을 사용하여 물체의 중량을 견디며, 데이터 수집 장치(20)를 사용하여 데이터를 수집하고, 물체의 상이한 시점 하의 단일 시점 데이터를 측정할 때 회전 프레임(11)이 물체는 회전시키고 데이터 수집 장치(20)는 회전시키지 않으며, 복수의 단일 시점 데이터를 획득하고, 단일 시점 데이터와 회전 각도를 기반으로 3차원 데이터 포인트 클라우드 스플라이싱을 수행하여 3차원 재구성을 구현한다. 회전 프레임(11) 자체의 위치 결정 정밀도가 비교적 높고 회전 과정에서 광학 경로 오프셋이 쉽게 발생하지 않기 때문에 비교적 높은 측정 정밀도를 보장할 수 있다. 또한 광학 경로를 자주 보정할 필요가 없으므로 3차원 재구성 속도가 향상되고 물체 검출 효율이 개선된다. 그외, 회전 프레임(11)의 회전은 시스템 공간 크기를 변화시키지 않으므로 재구성 시스템의 소형화에 유리하다. 이에 상대적으로, 종래의 모바일 광 수집 경로로 검출 시점을 변경하는 시스템은 광 경로 오프셋이 발생하기 쉬워 측정 정밀도가 낮아지며, 광 경로의 수차례 보정으로 인해 제품 검출 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 검출 시점 변경에 필요한 영역이 비교적 커 재구성 시스템의 소형화에 유익하지 않다.
이하에서는 상기 3차원 재구성 시스템의 각 부분을 상세하게 설명한다.
캐리어 장치(10): 상기 캐리어 장치(10)는 수평 병진 테이블(14) 및 회전 프레임(11)을 포함하며, 모두 바람직하게는 전기 구동 구조이다. 회전 프레임(11)은 수평 병진 테이블(14) 상에 설치되어 수평 병진 테이블(14)의 방향을 Z 축방향으로 직각 좌표계를 구축하고, 상기 회전축(13)은 적어도 수평 회전축(즉, X 회전축 또는 Y 회전축)을 포함하며, 수치 회전축(즉, Z 회전축)을 더 포함할 수 있다. 회전 프레임(11)은 수평 병진 테이블(14)이 이동함에 따라 이동할 수 있다. 구체적으로, 회전 프레임(11)은 지지 베이스(15)에 의해 지탱되며, 지지 베이스(15)에는 회전 프레임(11)을 회전시키는 모터가 설치된다. 데이터 수집 장치(20)는 수직 승강 테이블(22) 상에 설치되고, 회전 프레임(11) 회전축(13)의 수평 회전축의 초기 방향은 수평 병진 테이블(14)과 평행하며, 회전축(13)에 수직 회전축이 더 포함되면, 수직 회전축의 초기 방향은 수평 병진 테이블(14)에 수직이다. 데이터 수집 장치(20)의 광 수집 경로는 수평 병진 테이블(14)에 수직이다. 수평 병진 테이블(14)의 이동을 통해 회전 프레임(11)을 수평 방향으로 이동시켜 물체가 데이터 수집 장치(20)의 수집 가능한 범위 내에 있도록 만들고, 수평 병진 테이블(14)을 통해 물체를 수평으로 이동시켜 물체 표면의 스캐닝을 완료할 수 있다. 데이터 수집 장치(20)는 상하로 이동하여 캐리어 테이블(12)에 대한 높이를 조절할 수 있고, 나아가 상이한 크기의 물체와 동일한 물체에 대하여 상이한 시점 하에서 모두 전체 형상을 수집할 수 있다. 회전 프레임(11)을 통해 그 회전축(13)의 회전을 기반으로 물체를 상이한 시점으로 데이터 수집 장치(20)의 데이터 수집 영역 내에 나타내어 상이한 시점의 단일 시점 데이터를 획득하여 후속적인 3차원 재구성에 사용한다.
더 나아가, 상기 캐리어 장치(10)는 베이스(16) 및 베이스(16) 상에 설치된 지지대(17)를 더 포함하고, 수평 병진 테이블(14)은 베이스(16) 상에 설치되고, 수직 승강 테이블(22)은 지지대(17) 상에 설치된다. 지지대(17) 상에 수직 승강 테이블(22)의 승강 운동을 위한 구성 요소가 설치될 수 있고, 상기 구성 요소는 구체적으로 슬라이딩 구성 요소일 수 있다. 또한 상기 구성 요소는 수직 운동이 가능할 뿐만 아니라, 지지대(17) 상에서 수평 운동하여 수직 승강 테이블(22)을 수평으로 이동시킬 수도 있다.
구체적으로, 제1 실시예에 있어서, 수평 병진 테이블(14)은 적층된 X축 병진 테이블(141) 및 Y축 병진 테이블(142)을 포함하나 이에 제한되지 않으며, 지지 베이스(15) 및 회전 프레임(11)은 X축 병진 테이블(141)(X축 병진 테이블(141)이 위에 있는 경우) 또는 Y축 병진 테이블(142)(Y축 병진 테이블(142)이 위에 있는 경우) 위에 설치되고, 수직 승강 테이블(22)은 Z축 승강 테이블이고, 회전축(13)의 초기 방향은 X축 방향 또는 Y축 방향에 평행하다.
제2 실시예에 있어서, 수평 병진 테이블(14)은 X축 병진 테이블(141) 및 X축 병진 테이블(141) 상에 설치된 Y축 슬라이딩부(도시되지 않음)를 포함하고, 지지 베이스(15)는 Y축 슬라이딩부에 슬라이딩 가능하도록 연결되고, 수직 승강 테이블(22)은 여전히 Z축 승강 테이블이고, 회전축(13)의 초기 방향은 Y축 방향 또는 Y축 방향에 평행하다.
제3 실시예에 있어서, 수평 병진 테이블(14)은 Y축 병진 테이블(142) 및 Y축 병진 테이블(142) 상에 설치된 X축 슬라이딩부(도시되지 않음)를 포함하고, 지지 베이스(15)는 X축 슬라이딩부에 슬라이딩 가능하도록 연결되고, 회전축(13)의 초기 방향은 Y축 방향 또는 X축 방향에 평행하고, 수직 승강 테이블(22)은 여전히 Z축 승강 테이블이다.
제2 실시예 및 제3 실시예에 있어서, X축 슬라이딩부와 Y축 슬라이딩부는 구체적으로 볼록한 슬라이딩 레일일 수 있고, 이에 상응하여 지지 베이스(15)의 바닥부에 슬라이딩 홈이 설치된다. X축 슬라이딩부와 Y축 슬라이딩부는 슬라이딩 홈일 수도 있고, 이에 상응하여 지지 베이스(15)의 바닥부에 볼록한 슬라이딩 레일이 설치된다. 또한 지지 베이스(15), X축 슬라이딩부, Y축 슬라이딩부, X축 병진 테이블(141) 또는 Y축 병진 테이블(142) 상에는 지지 베이스(15)를 슬라이딩부 상의 특정 위치 지점에 고정하기 위한 잠금 부재가 더 설치된다.
상기 수평 병진 테이블(14)와 수직 승강 테이블(22)의 설계를 기반으로, 데이터 수집 장치(20)의 광원 입사 방향을 Z축 정방향으로 취하여 데카르트 직각 좌표계를 구축하고, 상기 수평 병진 테이블(14)은 각각 X, Y 방향의 직선 운동을 구현할 수 있으며, 측정 대상 물체가 상기 회전 프레임(11) 상에 고정되어 X, Y 방향으로 직선 운동하고 Y, Z축을 중심으로 회전한다. 상기 캐리어 장치(10)는 3가지 기술적 효과를 나타낸다. 첫째, 이러한 설계에서는 1차원 변환만 수행하면 되며, 운동 궤적이 간단하고 속도가 빨라 시점 변화에 필요한 시간이 줄어든다. 둘째, 이러한 기술적 해결책은 광원 및 광 검출 경로를 회전시킬 필요가 없고 측정에 필요한 영역이 작기 때문에 기구의 소형화에 유리하다. 셋째, 회전 프레임(11)의 회전 정보는 이후 다중 시점 측정 결과 매칭 및 스플라이싱에 잘 사용될 수 있다.
데이터 수집 장치(20): 데이터 수집 장치(20)는 카메라(21) 및 상기 수직 승강 테이블(22)을 포함하고, 카메라(21)는 수직 승강 테이블(22) 상에 설치된다. 상기 재구성 시스템은 종래의 색 분산 공초점 방법을 기반으로 단일 시점 데이터를 수집할 수 있다. 구체적으로 광대역 조명을 이용하는데 백색광일 수 있고, 상이한 파장은 수렴 높이가 상이하므로 반사 스펙트럼 분포를 측정하여 반사 평면 높이 정보를 획득한다. 구체적으로, 카메라(21)는 적어도 광대역 광원, 색 분산 렌즈 및 검출기를 포함하고, 광대역 광원은 광대역 광을 방출하며, 상기 광대역 광은 일련의 입력 광섬유를 거쳐 전송되고, 입력 광섬유의 출력단에 선형의 검출 광선이 형성되고, 상기 선형의 검출 광선은 색 분산 렌즈를 거친 후 물체 표면에 투사되고, 물체 표면 상이한 높이 지점에 초점이 맞춰지고, 물체 표면에서 반사된 선형의 광선은 다시 색 분산 렌즈 및 일련의 출력 광섬유를 통해 전송되며, 마지막으로 검출기에 의해 수령되어 상응하는 반사광 데이터를 획득한다. 카메라에 대한 물체의 수평 이동을 제어함으로써, 물체 표면에 대한 검출 광대역 광선의 스캔을 완료하며, 검출기가 신호 광대역 광선을 수신하여 물체 표면 형상에 반응하는 반사광 데이터를 획득한 다음, 데이터 처리 장치를 통해 반사광 데이터에 대하여 상응하는 처리를 수행하여 단일 시점 데이터를 획득하고, 단일 시점 데이터는 단일 시점 2차원 데이터 또는 단일 시점 3차원 데이터일 수 있다. 상기 방법에 따르면, 회전 프레임(11)은 상응하는 각도로 회전하고, 각 각도 지점에서 상기 과정을 수행하여 상이한 시점의 데이터를 획득한다. 상기 방법을 선택하는 이유는 복수의 조명이나 이동 줌 등 단계가 필요하지 않으며, 간단한 구조와 빠른 속도라는 장점이 있기 때문이다. 또한 데이터 수집 장치(20)는 상하로 이동할 수 있으며, 물체가 일정한 각도로 회전할 때 데이터 수집 장치(20)의 높낮이 위치를 적절하게 조절하여 완전한 단일 시점 데이터를 수집할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 검출기는 분광계이고, 분광계는 반사 스펙트럼 데이터를 측정함으로써 최대 광 강도를 갖는 광 파장을 획득하고, 색 분산 공초점의 초점 심도와 파장 간의 계산 공식을 통해 측정 대상 표면 반사 위치를 획득하고 나아가 측정 대상 표면 형태를 획득할 수 있다. 검출기는 측정 대상 표면의 형상을 얻을 수 있는 다른 검출기 장치일 수 있으며, 상기 단일 시점 데이터는 색 분산 렌즈가 동일한 시점에서 수신한 반사광 신호가 데이터 처리를 거쳐 획득된 측정 대상 형상을 나타내는 데이터이다.
데이터 처리 장치(30): 본 실시예에서 회전 프레임(11)의 회전을 기반으로 물체의 상이한 시점의 단일 시점 데이터를 획득하며, 바람직하게는 색 분산 공초점 방법을 통해 단일 시점 데이터를 획득한다. 상기 데이터 처리 장치(30)는 상이한 시점의 단일 시점 데이터 및 상이한 시점의 변환 행렬을 기반으로 3차원 재구성을 수행할 수 있다. 구체적으로 상이한 시점에 수집된 데이터를 변환 행렬을 통해 동일한 3차원 좌표계에 통합하여 물체의 3차원 형상을 구축하는 것을 말한다. 본 실시예에서 시스템의 고정된 좌표계를 확정할 수 있으며(데이터 수집 장치(20)의 광원 입사 방향을 Z축 정방향으로 취하여 데카르트 직각 좌표계를 구축), 복수의 단일 시점 데이터를 상기 좌표계에 구축한다. 변환 행렬의 개념은 수학, 물리학 분야에서 공지된 개념으로, 변환 행렬은 상이한 좌표계에서 동일한 목표의 대응 관계를 명확히 한다. 예를 들어, 원래의 3차원 좌표계는 Y축을 회전축(13)으로 하나의 각도를 회전하여 새로운 3차원 좌표계를 획득하며, 공간 점(P)은 원래 3차원 좌표계에서의 원래 좌표와 새로운 3차원 좌표계에서의 새로운 좌표 간의 변환 관계가 하나의 변환 행렬에 대응하며, 상기 변환 행렬은 신구 좌표계의 공간 위치 관계를 기반으로 구축된다.
본 실시예의 재구성 시스템은 회전축(13)을 고정시켜 선택된 각도의 시점 변환을 수행하며, 이론적으로 회전축(13) 및 회전각 분포에 따라 상이한 시점 측정 결과에 대하여 곧바로 좌표 변환을 수행할 수 있으나, 실제 기구에서는 회전축(13)이 고정되지 않고 변하며, 주변 온도, 기계적 고정의 견고성, 인위적 충돌 등의 요인이 회전축(13)의 실제 방향 또는 위치를 변경시키기 때문에, 기구 설계의 회전축(13) 방향 위치 분포에 따라 포인트 클라우드 매칭 및 스플라이싱 오류가 비교적 크다. 연속 검출에서 온도 변동이 비교적 적고 기본적으로 인위적 충돌이 없으며 기계적 고정도의 상대적 영향이 비교적 크고, 회전 프레임(11) 위치 결정 정밀도 및 반복 정밀도가 비교적 높다는 사실에 기초하여, 본 실시예는 일정 기간 사용 후에 검출 전에 회전축(13)의 방향 및 위치 측정을 수행하고, 측정된 회전축(13) 분포에 회전 프레임(11)에 설정된 회전 각도를 결합하여 각 시점의 새로운 변환 행렬을 획득하고, 매회 회전축(13)을 측정한 후 변환 행렬을 1회 업데이트하여, 즉 재구성 알고리즘을 보정하여 상이한 시점 측정 결과 포인트 클라우드 스플라이싱의 정확성을 향상시킨다. 물론 인위적 충돌이 발생할 경우 즉시 보정해야 한다.
이에 대응하여, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 3차원 재구성 시스템은 회전축 측정에 사용될 수도 있다. 구체적으로 상기 장치에는 입사광이 생성하는 반사광 신호를 반사시키기 위한 회전축 보정면이 설치된다. 회전축(13) 측정을 수행할 때, 데이터 수집 장치는 회전축 보정면의 반사 신호를 수집하여 반사 데이터를 획득하며, 상기 데이터 처리 장치는 반사 데이터를 기반으로 회전축 위치를 계산하고, 회전축 위치를 기반으로 재구성 알고리즘을 보정한다. 회전축 보정면은 캐리어 장치의 상응 부재 상에 고정식 또는 착탈식으로 설치될 수 있다. 구체적으로 고정식 설치 방식에는 캐리어 테이블, 측정 대상 회전축 상 또는 기타 부재 상에 직접 보정판을 설치함으로써 생산하거나, 또는 캐리어 테이블, 측정 대상 회전축 상 또는 기타 부재 상에 기계적 가공(예를 들어 기계적 마찰) 또는 물리화학적 가공(예를 들어 에칭 또는 증착) 방식을 통해 생산하는 반사면이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 착탈식 설치 방식법에는 캐리어 장치 중의 상응하는 부재 상에 스냅핏 연결, 나사 연결, 스프링 연결, 슬라이딩 블록 연결, 접착 연결 등의 방식을 사용해 상기 회전축 보정면을 연결하는 것이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 여기에서 회전축 보정면의 설치 방식과 설치 위치에는 실시예에 열거된 방식이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는, 상기 회전축 보정면은 캐리어 테이블(12) 상에 설치된 확산 반사면(40)이고, 회전 프레임(11)을 회전시키며, 확산 반사면(40)에 의해 반사된 반사 신호는 데이터 수집 장치(20)에 의해 수집되고, 데이터 처리 장치(30)를 통해 확산 반사 데이터에 대한 데이터 분석을 수행하고, 회전축 위치를 계산한 다음 상기 회전축 위치의 데이터를 사용하여 재구성 알고리즘을 보정한다. 이하에서는 해당 부분의 내용을 보다 상세하게 설명한다.
재구성 시스템은 일정 기간 사용 후 회전축(13)에 불가피하게 오프셋이 발생하는데, 회전축 측정과 재구성 알고리즘의 보정을 통해 3차원 재구성의 정밀도를 보장할 수 있다. 또한 회전축(13)의 오프셋은 사용 시간이 길어짐에 따라 발생하는 것으로, 매회 검출마다 회전축(13)을 측정할 필요는 없으며, 회전축(13)의 높은 위치 결정 정밀도 및 광 수집 경로는 고정하고 물체는 회전시키는 방식으로 광 경로 오프셋을 피하기 쉬우며, 상기 시스템은 검출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 3차원 재구성 방법을 더 제공하며, 상기 3차원 재구성 시스템을 기반으로 수행하며, 도 5에서 도시하는 바와 같이 하기 단계를 포함한다.
단계 S1: 회전 프레임(11)의 회전을 통해 캐리어 테이블(12) 상의 물체를 회전시킨다.
단계 S2: 데이터 수집 장치(20)를 통해 물체가 상응하는 각도까지 회전할 때의 반사광 데이터를 수집하여 단일 시점 데이터를 획득한다.
단계 S3: 데이터 처리 장치(30)를 통해 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘에 따라 3차원 재구성을 수행한다.
상기 단계에 있어서, 캐리어 장치(10)의 회전 프레임(11)은 그 회전축(13)을 기반으로 회전하며, 구체적으로 1차원 회전(X축 또는 Y축에 대한 회전) 또는 2차원 회전(X축 또는 Y축 및 Z축에 대한 회전)일 수 있고, 데이터 수집 장치(20)의 카메라(21)는 캐리어 테이블(12)와 일정 거리 이격되고, 카메라(21)의 광 수집 경로는 바람직하게는 회전축(13)의 초기 방향에 수직이다. 회전축(13)을 통해 물체를 회전시키고, 물체가 상응하는 각도로 회전하면 데이터 수집 장치(20)는 대응하는 각도일 때의 단일 시점 데이터를 수집하고, 상기 복수의 단일 시점 데이터는 데이터 처리 장치(30)로 전송되고, 데이터 처리 장치(30)에서 이를 처리한 후 물체의 3차원 재구성 이미지를 획득한다.
구체적으로, 상기 회전 프레임(11)의 설치는 3차원 재구성 시스템의 XYZ 3축 병진 캐리어 장치(10)의 설계를 참고한다. 상기 캐리어 장치(10)를 기반으로, 데이터 수집 장치(20)의 광원 입사 방향을 Z축 정방향으로 취하여 데카르트 직각 좌표계를 구축하고, 상기 수평 병진 테이블(14)은 각각 X, Y 방향의 직선 운동을 구현할 수 있으며, 측정 대상 물체가 상기 회전 프레임(11) 상에 고정되어 X, Y 방향으로 직선 운동하고 X 또는 Y, Z축을 중심으로 회전하고, 물체는 X축 또는 Y축을 중심으로 회전하여 복수의 단일 시점 데이터를 획득할 수 있다. 데이터 수집 시, 회전 프레임(11)의 수평 위치를 이동시켜 데이터 수집 장치(20)의 높이를 조정함으로써 고품질 데이터를 획득할 수 있다.
더 나아가, 상기 단계 S2는 구체적으로 색 분산 공초점 방법을 기반으로 광대역 광원을 사용해 물체를 조사하며 물체가 상이한 시점에 있을 때의 단일 시점 3차원 데이터를 수집한다. 구체적인 과정은 전술한 바와 같으므로 여기에서 설명을 반복하지 않는다. 상기 방법의 장점은 전술한 바와 같으므로 여기에서 설명을 반복하지 않는다.
더 나아가, 구체적으로 단계 S3에 있어서, 데이터 처리 장치(30)를 통해 상이한 시점의 단일 시점 데이터를 소정의 대응하는 시점의 변환 행렬에 적용하고, 3차원 데이터 포인트 클라우드 스플라이싱을 수행하여 3차원 재구성 이미지를 획득한다. 상기 단계는 구체적으로 상이한 시점에 수집된 데이터를 변환 행렬을 통해 동일한 3차원 좌표계에 통합하여 물체의 3차원 형상을 구축하는 것을 말한다. 구체적으로 본 실시예에서는 복수의 단일 시점 데이터를 스플라이싱하여 구성되며, 상기 데카르트 직각 좌표계에 물체의 3차원 이미지를 형성한다.
더 나아가, 회전축(13)의 위치는 온도, 작업 환경 등과 같은 다른 요인으로부터 영향을 받아 변할 수 있기 때문에, 회전축(13)의 위치는 일정 시간 간격으로 또는 인위적 충돌이 회전축(13) 근처에 발생했을 때 보정을 수행하여 데이터의 정확성을 보장한다. 회전 프레임(11)의 위치 결정 정밀도 및 반복 정밀도가 비교적 높다는 사실을 기반으로, 본 실시예는 일정 기간 사용 후 회전축(13)의 오프셋이 소정의 오프셋 이상일 때 회전축(13) 보정을 1회 진행한다. 즉, 검출 전에 회전축(13)의 방향 및 위치를 측정하고 측정된 회전축(13) 분포에 회전 프레임(11)에 설정된 회전 각도를 결합하여 각 시점의 새로운 변환 행렬을 획득하고, 매회 회전축(13)을 측정한 후 변환 행렬을 1회 업데이트하여, 재구성 알고리즘을 보정함으로써 상이한 시점 측정 결과 포인트 클라우드 스플라이싱의 정확성을 향상시킨다. 즉, 단계 S1 전에 회전 프레임(11)의 회전축(13) 위치를 측정하고, 회전축(13)의 위치 측정 데이터에 따라 재구성 알고리즘을 보정하는 단계 S0를 더 포함한다.
도 6에서 도시하는 바와 같이, 구체적으로 단계 S0은 회전 프레임의 회전축 위치를 측정하고 회전축 위치 측정 데이터에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정하는 단계를 포함한다.
단계 S0은 하기 단계를 포함한다.
상기 캐리어 테이블 상에 확산 반사면을 설치한다.
상기 회전 프레임 상의 확산 반사면을 현재 위치를 기반으로 제1각도 및 제2각도로 순차적으로 회전시켜, 상기 확산 반사면이 시스템 초기 좌표계 하에서 회전하지 않을 때의 초기 위치 데이터, 제1각도일 때의 제1각도 데이터 및 제2각도일 때의 제2각도 데이터를 획득한다.
상기 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터에 따라 회전축의 위치를 계산한다.
단계 (S01): 캐리어 테이블(12) 상에 확산 반사면(40)을 설치한다.
단계 (S02): 회전 프레임(11)상의 확산 반사면(40)이 현재 위치를 기반으로 제1각도 및 제2각도로 순차적으로 회전한다.
바람직하게는, 제1각도와 제2각도는 크기가 동일하고 방향이 반대이며, 다른 실시예에서 제1각도와 제2각도는 다를 수도 있다. 도 3에서 도시하는 바와 같이, 현재 위치는 각도 0에 대응하고, 제1각도와 제2각도는 각각 +φ와 -φ이다.
단계 S03에서, 확산 반사면(40)이 시스템 초기 좌표계 하에서 회전하지 않을 때의 초기 위치 데이터, 제1각도일 때의 제1각도 데이터 및 제2각도일 때의 제2각도 데이터를 획득한다.
단계 S04: 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터에 따라 회전축의 위치를 계산한다.
바람직하게는, 초기 위치 데이터에 대응하는 초기 평면과 제1각도 데이터에 대응하는 제1평면의 제1각 이분면(S1)을 계산하고, 초기 평면과 제2각도 데이터에 대응하는 제2평면의 제2각 이분면(S2)을 계산하여, 제1각 이분면(S1)과 제2각 이분면(S2)의 교차선(L)을 회전축 위치로 확정한다.
단계 S05: 회전축 위치를 보정 전의 재구성 알고리즘에 편입시켜 보정 후의 재구성 알고리즘을 형성한다.
본 실시예에 있어서, 확산 반사면(40)을 사용하는 이유는 첫째, 높이 분포가 균일하여 상기 제1평면, 제2평면 및 초기 평면의 계산 오차가 작고, 둘째, 평면 미러를 회전축 보정 부재로 사용하면 광 수집 경로 수치 공경이 제한되기 때문에 회전 각도가 비교적 클 때 신호광이 비교적 큰 각도로 반사되어 검출기에 도달할 수 없으나, 측정 대상 샘플은 종종 비교적 큰 각도로 회전시켜야만 기울기를 검출할 수 있다. 시험을 거쳐, 확산 반사면(40)(예를 들어 젖빛 유리)을 회전축 시험 부재로 사용하며, 입사광이 평행광일지라도 확산 반사 미러의 반사광 각도는 가우스 분포를 나타내고, 이때 샘플 회전 각도가 광학 시스템 수치 공경을 초과하더라도 여전히 일부 광은 데이터 수집 장치(20)의 검출기에 도달하여 확산 반사면 분포를 성공적으로 검출할 수 있도록 보장한다.
상기 확산 반사면(40)은 회전 프레임(11)의 캐리어 테이블(12) 상에서 측정 대상 물체 옆에 설치되며, 회전축(13)을 측정해야 할 때 수평 병진 테이블(14)을 이동시켜 광을 확산 반사면(40) 상에 입사시켜 측정을 수행해야 한다. 확산 반사면(40)을 진공 흡착판 상에 흡착시키는 것과 같이 다른 방식으로 확산 반사면(40)을 거치할 수도 있다.
확산 반사면(40)을 사용하면 회전축(13) 측정 표준 부재의 회전각도 범위가 효과적으로 증가된다. 예를 들어, 하나의 광학 시스템에 회전축 보정 표준 부재로 반사 미러를 사용하는 경우, 회전각도 범위가 ±15° 이내일 때 확산 반사면(40)을 회전축 보정 표준 부재로 사용하면 회전각도 범위가 ±45° 이내로 증가한다. 이론적으로, 색 분산 공초점 광학 시스템의 측정 대상 물체는 일반적으로 거울면이 아니며, 비교적 큰 각도의 반사광을 수령하여 비교적 큰 범위의 측정을 구현할 수 있다. 이론적으로 회전각의 크기와 회전축(13)의 위치 사이에 직접적인 대응 관계는 없지만, 실제 다수 측정에서 비교적 큰 회전각(15° 이상, 바람직하게는 30° 내지 45°, 예를 들어 30°, 35°, 40°, 45° 등)으로 획득한 회전축(13) 위치로 알고리즘을 보정한 후의 검출 정밀도가 더욱 높은 것으로 나타났다.
이하에서는 상기 XYZ 3축 이동 플랫폼, 회전 프레임(11)의 회전축(13)이 Y축 방향에 평행하는 구조를 기반으로, 구체적인 회전축 측정 방법을 제공한다.
도 3을 참조하면, 회전축(13)이 회전하지 않을 때의 각도는 0°, 회전축(13) 정방향 회전 제1각도는 +φ, 역방향 회전 제2각도는 -φ로 정의한다.
제1단계에 있어서, X축 병진 테이블(141)과 Y축 병진 테이블(142)을 이동시켜 광을 확산 반사면(40) 상에 입사시키고, 회전 프레임 회전축(13)이 0°일 때의 확산 반사면(40)을 스캔하여 행렬 MxN개 포인트의 면 행렬을 획득한다.
색 분산 렌즈에 의해 물체 표면에 입사된 광선은 하나의 선으로 배열된 점 행렬이고, M은 입사광의 광점 수이고, N은 광선이 물체 표면을 따라 스캔될 때의 샘플링 횟수이고, 초기 좌표계에서 그 중 하나의 위치를 (x, y, z)로 설정하며, 도 3에서 0°선은 MxN개 점으로 표시되는 0° 확산 반사면(초기 평면)을 나타낸다.
제2단계에 있어서, 회전축(13)은 제1각도 +φ로 회전하고, 광점(x, y, z) 위치는 (x1, y1, z1)로 바뀐다. 도 3에서 φ선은 MxN개 (x1, y1, z1)점이 형성하는 확산 반사면(제1평면)을 나타내고, 좌표 x1, y1은 좌표 x, y가 각도 +φ로 회전한 후 회전축(13)의 각도를 기반으로 획득한 위치를 나타낸다.
제3단계에 있어서, 회전축(13)이 제2각도 -φ로 회전하고, 0° 확산 반사면이 각도 -φ로 회전한 후 광점(x, y, z) 위치는 (x2, y2, z2)로 바뀌었으며, 도 3에서 -φ선은 MxN개 (x2, y2, z2)점이 형성하는 확산 반사면(제2평면)을 나타내고, 좌표 x2, y2는 좌표 x, y가 각도 -φ로 회전한 후 회전축(13)의 각도를 기반으로 획득한 위치를 나타낸다.
측정에서 회전축의 회전각 φ는 35°이다.
여기에서 x, y는 시스템에 초기 설정된 3차원 좌표에서의 x, y 위치이고, x1, y1 및 x2, y2는 시스템에 초기 설정된 3차원 좌표에서의 위치이기도 하다. z, z1, z2는 색 분산 공초점의 데이터 수집 장치(20)을 통해 측정하여 획득한 확산 반사면의 z축 높이 정보이다. 초기 평면, 제1평면 및 제2평면의 점 행렬을 기반으로 초기 평면 및 제1평면의 제1각 이분면(S1), 초기 평면 및 제2평면의 제2각 이분면(S2)을 각각 구하고, 두 각도 이분면의 교차선(L)이 바로 회전축(13)이다. 도 3에서 검은 점은 회전축(13)을 나타내고, 회전축(13)은 종이면에 수직인 하나의 선이고, 회전축(13) 정보는 하나의 방향 벡터이며, 시스템 초기에 설정된 3차원 좌표계에서의 회전축(13) 위치와 방향을 나타낸다. 스플라이싱 과정 동안, 곧바로 상기에서 측정하여 획득한 회전축(13) 위치를 기반으로 상이한 시점에서의 회전 프레임(11) 회전 각도를 결합하여 보정된 후의 상이한 시점의 회전 행렬을 획득하고 나아가 정확한 스플라이싱을 구현할 수 있다.
상기 내용을 요약하면, 본 발명의 실시예에서 제공하는 3차원 재구성 시스템 및 방법은 광 검출 경로를 변경하지 않고 물체를 회전시키고 변환 행렬을 결합하여 3차원 재구성을 수행함으로써 검출 정밀도와 효율을 향상시킨다. 간헐적으로 회전축(13) 위치를 테스트하여 알고리즘을 보정함으로써 검출 정밀도와 효율을 향상시킨다. 확산 반사면(40)을 회전축 보정 표준 부재로 사용하며 반사 각도가 커서 검출 렌즈가 물체에 의해 반사된 검출 광신호를 수신하도록 보장하고, 회전 각도가 비교적 클 때 그 보정 효과가 더욱 우수하다. 수평 병진 테이블(14) 및 수직 승강 테이블(22)의 설계는 검출을 보다 쉽고 용이하게 만든다.
전술한 내용은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예일 뿐이며 본 발명을 제한하지 않는다. 본 발명의 사상 및 원리 내에서 이루어진 모든 변형, 균등한 대체 및 개선 등은 모두 본 발명의 보호범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (18)

  1. 3차원 재구성 시스템에 있어서,
    회전 가능한 회전 프레임 및 상기 회전 프레임 상에 설치되는 캐리어 테이블을 포함하고, 상기 회전 프레임은 회전축을 구비하는 캐리어 장치;
    상기 캐리어 테이블과 이격 설치되어, 상기 회전 프레임이 상응하는 각도로 회전할 때 상기 캐리어 테이블 상의 물체의 반사광 데이터를 수집하고, 상기 물체가 대응하는 각도에 있을 때의 단일 시점 데이터를 획득하는 데 사용되는 데이터 수집 장치; 및
    상기 데이터 수집 장치에 연결되어, 상기 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘을 기반으로 3차원 재구성을 수행하는 데 사용되는 데이터 처리 장치;를 포함하고,
    상기 회전 프레임의 회전축 위치를 측정하고, 상기 회전축 위치의 측정 데이터에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 수집 장치는 색 분산 공초점 데이터 수집 장치이고, 수집된 상기 반사광 데이터는 반사 스펙트럼 데이터인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 재구성 시스템은 회전축 보정면을 더 포함하고, 상기 데이터 수집 장치는 상기 회전축 보정면의 반사 신호를 수집하여 반사 데이터를 획득하도록 더 구성되고, 상기 데이터 처리 장치는 상기 반사 데이터를 기반으로 회전축의 위치를 계산하고, 상기 회전축의 위치에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전축 보정면은 캐리어 테이블 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 회전축 보정면은 확산 반사면인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 초기 방향은 상기 데이터 수집 장치의 광 수집 경로에 수직인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐리어 장치는 수평 병진 테이블을 더 포함하고, 상기 데이터 수집 장치는 수직 승강 테이블 및 상기 수직 승강 테이블 상에 설치되는 카메라를 포함하고;
    상기 회전 프레임은 상기 수평 병진 테이블 상에 설치되고;
    상기 데이터 수집 장치는 상기 수직 승강 테이블 상에 설치되어, 상기 캐리어 테이블에 대한 상기 데이터 수집 장치의 높이를 조절 가능하게 만들고;
    상기 회전축의 초기 방향은 상기 수평 병진 테이블에 평행하고;
    상기 데이터 수집 장치의 광 수집 경로는 상기 수평 병진 테이블에 수직인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 카메라는 적어도 광대역 광원, 색 분산 렌즈 및 검출기를 포함하고, 상기 광대역 광원, 색 분산 렌즈 및 검출기는 색 분산 공초점 방법을 기반으로 단일 시점 데이터를 획득하고; 상기 데이터 처리 장치는 상이한 시점의 단일 시점 데이터 및 상이한 시점의 변환 행렬을 기반으로 3차원 재구성을 수행하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 시스템.
  9. 3차원 재구성 방법에 있어서,
    청구항 1항의 3차원 재구성 시스템을 기반으로 수행되며,
    하기 단계,
    단계 S0: 회전 프레임의 회전축 위치를 측정하고, 상기 회전축 위치의 측정 데이터에 따라 상기 재구성 알고리즘을 보정하는 단계;
    단계 S1: 상기 회전 프레임의 회전을 통해 캐리어 테이블 상의 물체를 회전시키는 단계;
    단계 S2: 데이터 수집 장치를 통해 물체가 상응하는 각도까지 회전할 때의 반사광 데이터를 수집하여 단일 시점 데이터를 획득하는 단계;
    단계 S3: 상기 데이터 처리 장치를 통해 상이한 각도의 상기 단일 시점 데이터 및 재구성 알고리즘에 따라 3차원 재구성을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 S2는 구체적으로,
    색 분산 공초점 방법을 기반으로, 광대역 광원을 사용하여 상기 물체를 조명하고, 상기 물체가 상이한 시점에 있을 때의 단일 시점 데이터를 수집하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 색 분산 공초점 방법은 적어도 하기 단계,
    광대역 광원을 통해 광대역 광속을 방출하고, 선형의 검출 광선을 형성하는 단계;
    색 분산 렌즈를 통해 상기 검출 광선을 상기 물체의 표면에 투사하는 단계;
    상기 물체를 병진시켜 물체 표면 스캔을 완료하는 단계;
    검출기를 통해 상기 검출 광선이 상기 물체를 거쳐 반사된 후의 반사광 데이터를 수집하고, 상기 반사광 데이터를 처리하여 상기 단일 시점 데이터를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단계 S3은 구체적으로, 상기 데이터 처리 장치를 통해 상이한 시점의 단일 시점 데이터를 소정의 대응하는 시점의 변환 행렬에 적용하고, 3차원 데이터 포인트 클라우드 스플라이싱(splicing)을 수행하여 3차원 재구성 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 단계 S0은,
    상기 캐리어 테이블 상에 회전축 보정면을 설치하는 단계;
    상기 회전 프레임 상의 회전축 보정면을 현재 위치를 기반으로 제1각도 및 제2각도로 순차적으로 회전시켜, 상기 회전축 보정면이 시스템 초기 좌표계 하에서 회전하지 않을 때의 초기 위치 데이터, 제1각도일 때의 제1각도 데이터 및 제2각도일 때의 제2각도 데이터를 획득하는 단계;
    상기 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터에 따라 회전축의 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 회전축 위치를 보정 전의 재구성 알고리즘에 편입시켜 보정 후의 재구성 알고리즘을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1각도 데이터, 제2각도 데이터 및 초기 위치 데이터를 기반으로 회전축 위치를 계산하는 단계는 구체적으로,
    상기 초기 위치 데이터에 대응하는 초기 평면과 제1각도 데이터에 대응하는 제1평면의 제1각 이분면을 계산하고, 상기 초기 평면과 제2각도 데이터에 대응하는 제2평면의 제2각 이분면을 계산하여, 제1각 이분면과 제2각 이분면의 교차선을 회전축 위치로 확정하는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    단계 S0에서, 상기 제1각도와 제2각도는 크기가 동일하고 방향이 반대인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 회전축 보정면은 확산 반사면인 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1각도와 제2각도는 모두 15°보다 크고; 상기 단계 S0은 상기 회전축의 오프셋이 소정의 오프셋 이상일 때 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 재구성 방법.
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