KR20020021700A - 3차원 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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장기화
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Abstract

본 발명은 측정 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영시킨 후, 투영된 영상을 다수의 카메라에서 비접촉 방식으로 동시에 촬영하여 추출한 대응점을 기준으로 3차원 점 정보를 얻음으로써, 움직임이 있는 물체나 유사한 색을 띄는 물체에 대해서도 3차원 측정이 가능하도록 한 3차원 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래의 3차원 측정 기술은 측정에 걸리는 시간이 많이 소요되거나, 측정할 수 있는 물체가 정적인 물체나 표면이 전체적으로 유사한 색을 띄지 않는 물체로 제한되는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명의 3차원 측정 장치 및 방법에 따르면, 움직임이 있는 물체나 유사한 색을 띄는 물체에 대해서도 신속, 정확한 3차원 측정이 가능해 지고, 이로 인해 컴퓨터 그래픽스 분야에 있어서 실존하는 물체를 3차원 형상으로 모델링하여 가상공간에서 활용할 수 있게 되며, 사람 얼굴의 조각, 기념품 제작, 문화재 영구보존을 위한 3차원 측정 및 의료분야에서 치아 보철이나 성형 등의 다양한 분야에 응용할 수 있게 된다.

Description

3차원 측정 장치 및 방법{Device And Method For 3 Dimensional Measurement}
본 발명은 3차원 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 측정 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영시킨 후, 투영된 영상을 다수의 카메라에서 비접촉 방식으로 동시에 촬영하여 추출한 대응점을 기준으로 3차원 점 정보를 얻음으로써, 움직임이 있는 물체나 유사한 색을 띄는 물체에 대해서도 3차원 측정이 가능하도록 한 3차원 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3차원 측정에 보편적으로 이용되는 방식은 1대의 카메라와 1대의 빛(레이저, 가시광선 등)을 투영하는 투영장치를 결합하여 해당되는 물체를 측정하는 방식으로써, 그 작동 원리는 빛을 이용하여 3차원 측정하고자 하는 물체에 무늬를 투영하고, 그 영상을 카메라를 통하여 촬영한 후, 촬영한 영상에 대한 소정의 연산을 수행하여 3차원 형상 정보를 얻어내는 것이다.
이때, 해당 연산에 사용되는 광삼각법의 원리를 첨부된 도면 도 1에 도시된 3차원 측정 장치의 구성을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
여기서, 'A'는 카메라의 좌표계, 'CC'는 카메라의 렌즈 중심, 'LC'는 투영장치(B)의 광원, 'P(XW,YW,ZW)'는 해당 광원 'LC'에 대한 벡터 'LB'가 물체의 표면에 맺히는 점, 'PC'는 해당 점 'P(XW,YW,ZW)'에 대해 카메라로 투영된 점을 나타낸다.
이러한 상태에서 카메라로 투영된 점 'PC'가 이미지 좌표값(i,j)을 갖는 경우 해당 카메라에 적용되는 일반적인 연산식은 아래의 수학식 1과 같다.
여기서, 'f'는 촛점 거리를 나타내며, 부호가 '-'인 이유는 이미지의 'z' 좌표가 '-f'이기 때문이다.
그리고, 해당 점 'P(XW,YW,ZW)'는 렌즈 중심 'CC'와 점 'PC'를 연결하는 직선 'LA' 상에 존재하여야 하고, 동시에 광원 'LC'를 연결하는 직선 즉, 벡터 'LB' 상에 존재하여야 하므로, 해당 점 'P(XW,YW,ZW)'의 위치(즉, 좌표)는 직선 'LA'와 벡터 'LB'의 교차점을 찾음으로써 구할 수 있다.
따라서, 종래에는 벡터 'LB'의 방향을 바꾸어가면서 전술한 과정을 반복 수행하면, 물체의 표면상에 존재하는 다수의 점들에 대한 위치를 얻어낼 수 있었는데, 이러한 3차원 측정 방법은 움직이지 않는 물체의 형상에 대해서는 비교적 정확하게 측정할 수 있었으나, 물체의 영상을 촬영하기 위해 벡터 'LB'의 방향 즉, 광원의 방향을 바꾸어가면서 반복적인 동작을 수행해야 하기 때문에 측정시간이 오래 걸리는 단점이 있었으며, 이로 인해 움직이는 물체(예를 들어, 사람이나 동물)의 측정에는 적합하지 않은 단점이 있었다.
그래서, 종래에는 전술한 측정시간이 오래 걸리는 단점을 보완하기 위한 방법으로 국내 특허 출원번호 '10-1999-0028254'호에서 하나의 점을 투영하는 대신 줄무늬를 투영하거나 LCD 프로젝터를 이용하여 공간 부호화된 빛을 투영함으로써 한번의 촬영에서 보다 많은 점의 좌표를 얻는 방법이 설명되어 있다.
하지만, 이러한 방법은 하나의 광원을 움직이는 방법보다 빠르지만, 궁극적으로 영상 투영 및 영상 획득을 여러번 반복해야 하기 때문에 움직이는 물체의 측정에는 적합하지 않다는 단점이 있었다.
또한, 종래에 3차원 측정을 위해 활용되는 또 하나의 방법은 투영장치를 사용하지 않고 촬영장치만을 이용하는 스테레오 비전(Stereo vision) 방식으로, 이 방식은 첨부된 도면 도 2에 도시된 3차원 상의 점과 대응점들의 관계도에서와 같이, 2대의 카메라로 촬영한 영상에서 색상 등을 비교하여 대응점 'p1'과 'p2'(즉, 물체 표면 상의 동일한 점이 2대의 카메라의 영상에 각각 투영되는 점의 쌍)을 찾은 후, 각각의 카메라에 대하여 렌즈 중심(O1, O2)과 촬영된 영상의 점(p1, p2)을 연결하는 직선을 각각 구하여, 두 직선간의 교차점 'P(XW,YW,ZW)'을 찾음으로써 물체 표면상의 점의 좌표를 얻는 것이다. 이때, 도 2에서 설명되지 않는 'B1'은제1카메라의 좌표계이고, 'B2'는 제2차메라의 좌표계이다.
그런데, 이러한 방식은 한번의 촬영으로부터 3차원 좌표를 얻을 수 있어 움직이는 물체의 측정에 유리하지만, 석고상과 같이 물체의 표면이 전체적으로 유사한 색을 띄는 경우에는 촬영된 영상에 있어서, 제1카메라 이미지에서의 한 점에 대한 제2카메라의 대응점이 다수개(2개 이상)가 생기는 경우가 있기 때문에 이미지의 한 점에 대한 3차원 점 좌표가 다수개가 되므로, 표면이 전체적으로 유사한 색을 띄는 물체의 측정에는 적합하지 않다는 단점이 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 3차원 측정 기술은 측정에 걸리는 시간이 많이 소요되거나, 측정할 수 있는 물체가 정적인 물체나 표면이 전체적으로 유사한 색을 띄지 않는 물체로 제한되는 단점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 움직임이 있는 물체나 유사한 색을 띄는 물체에 대해서도 신속, 정확한 3차원 측정이 가능한 3차원 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 3차원 측정 장치 및 방법을 제공함으로써, 컴퓨터 그래픽스 분야에 있어서 실존하는 물체를 3차원 형상으로 모델링하여 가상공간에서 활용할 수 있도록 하고, 사람 얼굴의 조각, 기념품 제작, 문화재 영구보존을 위한 3차원 측정 및 의료분야에서 치아 보철이나 성형 등의 다양한 분야에 응용할 수 있도록 하는데 있다.
도 1은 종래 3차원 측정 장치의 구성을 예시한 도면.
도 2는 종래의 3차원 측정 장치에서 3차원 상의 점과 대응점들의 관계를 예시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 측정 장치의 구성 블록도.
도 4는 도 3에 있어, 투영부에서 물체에 투영하는 무늬를 예시한 도면.
도 5는 본 발명에서 스트로보를 이용한 투영장치를 예시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 측정 방법을 구현하기 위한 동작 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 3차원 측정 장치에서 3차원 상의 점과 대응점들의 관계를 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 측정 장치의 구현 예를 도시한 도면.
도 9는 도 8에 있어, 투영장치에서 줄무늬를 얼굴의 전면에 투영한 경우를 예시한 도면.
도 10은 도 9로부터 추출한 대응점에 대해 삼각망을 생성한 3차원 형상을 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 물체 31 : 투영부
32 : 촬영부 33 : 제어부
34 : 연산부
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 3차원 측정시의 대응성을 제공하기 위해 측정의 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영하는 투영수단과; 보정된 상태의 다수의 카메라를 이용하여 상기 물체 상에 투영된 영상을 촬영하는 촬영수단과; 상기 투영수단과 촬영수단의 작동을 제어하는 제어수단과; 상기 촬영수단에 의해 촬영된 영상을 분석하여 대응점을 추출한 후, 추출한 대응점으로부터 3차원 점 정보를 얻어내는 연산을 수행하는 연산수단을 포함하는 3차원 측정 장치를 제공하는데 있다.
여기서, 상기 투영수단은 스트로보를 이용하여 물체에 소정의 무늬를 투영하는 것을 특징으로 하되, 상기 투영수단이 상하의 줄무늬 또는 바둑판 무늬를 투영하는 경우 대응점 추출이 용이하도록 1대의 카메라를 상기 투영수단의 중심선과 상하로 일치하는 투영수단 아랫부분에 설치하는 것을 특징으로 하며, 상기 촬영수단에서 각각의 카메라들은 신호 입/출력선들을 통해 물리적으로 상호 연결하여 동기화되도록 구현하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촬영수단은 대응점 추출시 오류를 방지하기 위해 다수의 카메라 중에서 1대의 카메라를 제외한 나머지 카메라들은 상호 인접한 위치에 설치하고, 상기 1대의 카메라는 나머지 카메라들보다 상대적으로 먼 위치에 설치하는 것을 특징으로 하며, 상기 1대의 카메라를 제외한 나머지 카메라들은, 각 카메라 사이의 거리를 5mm 내지 50mm 이내의 위치에 설치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은, 측정 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영하는 과정과; 상기 물체에서 반사되어 돌아오는 서로다른 투영된 영상을 다수의 카메라를 이용하여 촬영하는 과정과; 촬영된 영상의 화소들을 분석하여 3차원 공간상에서 동일한 점에 해당되는 화소의 쌍인 대응점을 추출하는 과정과; 추출한 대응점을 기준으로 3차원 좌표를 계산하여 해당되는 3차원 점 정보를 얻는 과정을 포함하는 3차원 측정 방법을 제공하는데 있다.
그리고, 상기 대응점을 추출하고, 3차원 점 정보를 얻는 과정은, 1대의 카메라를 제외한 나머지 인접한 카메라들이 촬영한 영상으로부터 대응점 후보를 추출한 후, 추출한 대응점 후보들 중에서 나머지 1대의 카메라에서 촬영한 영상과 대응관계를 갖는 점만을 최종 대응점으로 추출하여 해당되는 3차원 점 정보를 얻는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 3차원 측정 장치는 첨부한 도면 도 3에 도시한 바와 같이, 측정의 대상이 되는 물체(30)에 소정의 무늬를 투영하는 투영부(31)와, 물체(30) 상에 투영된 영상을 촬영하는 다수의 카메라로 구성된 촬영부(32)와, 해당 투영부(31)와 촬영부(32)의 작동을 제어하는 제어부(33)와, 촬영된 영상으로부터 3차원 점 정보를 얻어내는 연산부(34)를 구비하여 이루어지는데, 각 구성 요소를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
해당 투영부(31)는 3차원 측정시의 대응성(correspondence)을 제공하기 위해 대응점을 안정적으로 찾을 수 있도록 물체(30)에 빛을 이용하여 소정의 무늬를 투영하되, 해당 물체(30)에 투영하는 무늬는 첨부한 도면 도 4와 같이, 바둑판과 같은 격자 무늬, 일정한 간격의 줄무늬, 규칙적으로 정렬된 점 무늬, 다양한 밝기를 갖는 점들이 불규칙적으로 놓인 무늬 등의 다양한 무늬를 사용할 수 있다.
그리고, 해당 투영부(31)의 위치는 후술할 도 8의 (가)와 같이 촬영부(32)를 이루는 카메라들 사이에 위치시키거나, 도 8의 (나)와 같이 카메라의 윗부분(또는 아랫부분)에 설치할 수 있으며, 상하로 흐르는 줄무늬 또는 바둑판 무늬를 사용하는 경우에는 대응점을 찾는 과정이 용이하도록 투영부(31)와 카메라를 상하로 중심선이 일치하게 설치하는 것이 바람직한데, 이는 대상물의 형상에 무관하게 상하로 흐르는 줄무늬가 일직선으로 나타나기 때문이다.
이때, 해당 투영부(31)는 LCD 프로젝터나 슬라이드 프로젝터(환등기) 등을 이용할 수 있는데, 첨부한 도면 도 5와 같이 스트로보(strobo : 섬광전구)(S)를 이용한 투영장치(P)를 이용하는 것이 바람직하며, 해당 스트로보(S)를 이용하는 경우 투영시간이 짧아 전체적인 측정시간이 약 0.1초 미만이므로 움직이는 물체에도 적합할 뿐 아니라, 전력 절감 효과가 있고, 가격이 저렴하며, 열 발생이 거의 없다는 장점이 있다. 그리고, 도 5에서 설명되지 않은 'L'은 슬라이드 프로젝터의 원리와 동일한 배치를 갖는 광학렌즈이고, 'F'는 물체에 투영할 소정의 무늬가 인쇄되어 있는 필름이다.
해당 촬영부(32)는 투영부(31)에 의해 물체 상에 투영된 영상을 촬영하기 위한 것으로, 동일 기종의 카메라(CCD 카메라, Web 카메라, 디지털 카메라 등)를 다수개 포함하되, 각각의 카메라는 서로의 상대적인 위치와 방향을 알고있는 보정(calibration)된 상태이어야 하는데, 여기서, 카메라의 보정이란 카메라 내부 변수(intrinsic parameter)에 해당하는 초점거리, 렌즈 뒤틀림 계수, 불확정 영상 스케일 계수와, 외부 변수(extrinsic parameter)에 해당하는 기존 좌표계로부터 카메라의 상대적인 위치 및 방향을 구하는 것을 의미한다.
이때, 각각의 카메라는 신호 입/출력선들을 통해 물리적으로 상호 연결하여 동기화되도록 구현하게 되는데, 이는 한번의 촬영으로 카메라 대수 만큼의 영상을 받아들여 전체적인 3차원 측정시간을 단축함과 동시에 움직이는 물체의 촬영에 있어서도 일관성있는 영상을 얻기 위함이다. 즉, 동기화되지 않은 카메라들은 영상을 받아들임에 있어 스위칭에 의해 각각의 영상을 양자택일로 받아들이므로 측정시간이 많이 걸리는 반면에 동기화된 카메라들은 같은 시간에 다수의 영상을 받아들이기 때문에 측정시간을 단축할 수 있게 된다.
해당 연산부(34)는 촬영부(32)에 의해 촬영된 영상을 분석하여 대응점을 추출한 후, 추출한 대응점을 기준으로 3차원 점 정보를 얻어내는 연산을 수행한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 3차원 측정 장치의 동작을 첨부한 도면 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 투영부(31)에서 측정 대상이 되는 물체(30)에 소정의 무늬를 투영하게 되면(스텝 S61), 촬영부(32)를 이루는 각각의 카메라가 물체(30)에서 반사되어 돌아오는 서로다른 투영된 영상을 촬영하여 연산부(34)로 전달하게 되는데(스텝S62), 이때, 해당 투영부(31)에서 물체(30)에 소정의 무늬를 연속해서 투영하게 되면, 해당 촬영부(32)에서는 물체(30)에서 반사되어 돌아오는 서로다른 투영된 영상을 연속하여 촬영해서 연산부(34)로 전달하게 된다.
그러면, 해당 연산부(34)에서는 촬영부(32)로부터 전달받은 투영된 영상의 화소들을 분석하여 3차원 공간상에서 동일한 점에 해당되는 화소의 쌍 즉, 대응점을 추출한 후(스텝 S63), 추출한 대응점을 기준으로 3차원 좌표를 계산하여 해당되는 3차원 점 정보를 얻음으로써(스텝 S64), 측정 대상이 되는 물체(30)가 움직이는 물체이거나 전체적으로 유사한 색을 띄는 물체이더라도 신속, 정확하게 3차원 측정을 수행할 수 있게 된다.
여기서, 만약 촬영부(32)가 3대의 카메라를 사용하여 투영된 영상을 촬영하는 경우 해당 연산부(34)는 근거리에 인접한 2대의 카메라에서 촬영한 영상으로부터 가능한 모든 대응점 후보를 추출한 후, 추출한 대응점 후보들 중에서 나머지 1대의 카메라에서 촬영한 영상과 대응관계를 갖는 점만을 최종의 대응점으로 추출하여 3차원 점 정보를 얻기 위한 기본 정보로 이용하게 된다.
한편, 상술한 바와 같이 3차원 점 정보를 얻기 위해서는 대응점 추출과 3차원 점 정보를 얻기 위한 연산을 수행해야 하는데, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 설명의 편의를 위해 먼저 대응점을 추출했다는 가정하에 3차원 정보를 얻기 위한 연산 동작을 설명하고, 이후에 대응점을 추출하는 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 3차원 정보를 얻기 위한 연산 동작을 설명하면, 첨부한 도면 도 7에서와 같이 각각의 카메라에서 촬영한 영상에서 각각의 점 'p1'과 'p2'가 3차원 공간상에서 하나의 점 'P'에 해당되는 대응점의 쌍이라고 하자. 그리고, 'B1'은 제1카메라의 좌표계이고, 'B2'는 제2카메라의 좌표계이다.
이때, 제1카메라에서 한 점 'p1'과 렌즈 중심 'O1'을 연결한 직선을 'F1'이라 하면, 측정 대상이 되는 물체상의 점 'P'는 직선 'F1'상에 존재하여야 하며, 이와 마찬가지로 제2카메라에서 한 점 'p2'와 렌즈 중심 'O2'를 연결한 직선을 'F2'라 하면, 측정 대상이 되는 물체상의 점 'P'는 직선 'F2'상에 존재하여야 한다.
즉, 상술한 조건에 의하여 두 직선 'F1'과 'F2'가 교차하는 점을 구하게 되면 물체상의 점 'P'에 대한 3차원 좌표를 얻을 수 있게 된다.
예를 들어, 두 직선 'F1'과 'F2'의 벡터를 각각 (F1x,F1y,F1z)과 (F2x,F2y,F2z)라 하고, 각 카메라의 렌즈 중심 'O1'과 'O2'의 벡터를 각각 (O1x,O1y,O1z)과 (O2x,O2y,O2z)라 가정할 때, 본 발명에서 사용된 3차원 정보 즉, 3차원 좌표를 얻기 위한 연삭식은 아래의 수학식 2와 같다.
직선(t1, t2 : 매개변수)
직선(교차하는 점)
위의 수학식에서 매개변수들을 산출하고, 마지막 식에 대입하면 두 직선 'F1'과 'F2'가 교차하는 점에 대한 3차원 점 좌표를 얻을 수 있게 되는데, 이때, 얻고자 하는 3차원 점 좌표의 정확성은 각 카메라에 대한 보정의 정확성과 대응점의 정확성에 의해 좌우되므로, 해당 카메라를 보정하고 대응점을 추출하는데 있어서 서브 픽셀(sub-pixel) 단위로 연산하는 것이 바람직하다.
또한, 3차원 점 좌표의 정확성은 각 카메라 사이의 상대적 위치에도 영향을 받게 되는데, 예를 들어, 각 카메라 사이의 거리가 좁은 경우 각 카메라에서 촬영한 영상으로부터 대응점의 위치를 조금만 잘못 추출해도 두 직선 'F1'과 'F2'가 교차하는 점은 앞뒤로 많은 오차를 갖게 되므로, 3차원 점을 추출할 때에는 서로 멀리 떨어진 카메라에서 촬영된 영상의 대응점을 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 카메라가 멀리 떨어져 있을 경우 대응점을 찾는 것이 상대적으로 어려운 단점이 있는데, 이는 카메라가 멀리 떨어져 있으면 대응점이 떨어져 있는 폭이 넓기 때문에 대응점을 찾아야 할 영역이 넓어지게 되고, 넓은 영역내에 비슷한 색상을 띄는 화소가 있을 경우 잘못된 대응점을 찾을 수 있게 되기 때문이며, 또한 카메라가 멀리 떨어져 있으면 빛의 반사가 차이가 나게 되고, 이러한 빛 반사의 차이에 의해 동일한 점이라도 각 카메라에서 얻은 영상에서 다른 색상을 갖게 되기 때문에 대응점을 찾는 것은 더욱 어려워지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 정확한 대응점의 추출을 위해 다수의 카메라를 이용하는 방법을 이용하게 되는데, 여기서, 대응점 추출이란 다수의 카메라에서 촬영한 투영된 영상의 화소들 중에서 3차원 공간에서 동일한 점의 투영에 해당되는 화소의쌍을 추출하는 것을 의미하는데, 이때, 해당 대응점을 추출하는 방법에는 다양한 방법이 있으나, 기본적으로 화소의 밝기 또는 색상 정보를 활용하여 다른 카메라의 영상에서 비슷한 밝기 또는 색상을 갖는 화소를 추출한다는 면에서는 다양한 방법들간에 유사성이 있다.
그리고, 해당 대응점 추출에 있어서 중요한 문제는 알고리즘의 효율과 정확성이라고 할 수 있는데, 본 발명에서는 알고리즘의 효율과 정확성을 향상시키기 위해 다음과 같은 방식을 사용하게 된다.
우선, 알고리즘의 효율을 높이기 위해서는 대응점 추출 영역을 줄여야 하며, 해당 대응점 추출 영역은 외극선(epipolar line)에 대한 정보와 각 카메라의 위치에 대한 정보를 활용하여 줄일 수 있다.
첫째로, 외극선에 대한 정보는 하나의 카메라에서 촬영한 투영된 영상으로부터 하나의 화소 'p1'을 선택하면, 해당 화소 'p1'에 해당되는 3차원 점 'P'는 화소 'p1'과 제1카메라의 렌즈 중심 'O1'을 연결하는 직선 'F1'상에 존재하게 되며, 해당 직선 'F1'은 다른 하나의 카메라 즉, 제2카메라의 영상에 투영시키면 또 다른 하나의 직선 즉, 외극선 'F'로 나타난다. 이때, 대응점은 외극선 'F'상에 존재하기 때문에 대응점을 추출할 때에는 영상 전체가 아닌 외극선에 해당되는 화소만을 고려하면 된다.
둘째로, 카메라의 위치에 대한 정보는 제1카메라와 제2카메라 사이의 거리가 좁으면 촬영한 2개의 투영된 영상은 그 차이에 한계가 있으므로(예를 들어, 2대의 카메라가 평행하고, 각 카메라 사이의 거리가 10mm 정도라면 1m 정도 떨어진 물체를 촬영한 2개의 투영된 영상간 화소의 차이는 대략 20화소 정도로 짧다), 각 카메라 사이의 기하학적인 정보를 이용하여 대응점들을 후보를 최소화할 수 있게 된다. 따라서, 해당 대응점 후보의 수를 줄이기 위해서는 각 카메라 사이의 거리를 대략 5~50mm 이내로 위치시키는 것이 바람직하다.
그런데, 상술한 알고리즘의 경우 두가지 문제가 야기될 수 있는데, 첫째는 외극선 상에서 비슷한 밝기 또는 색상이 2개 이상 존재하여 대응점의 구분이 모호한 경우이고, 둘째는 각 카메라 사이의 간격이 좁기 때문에 카메라 보정에 대한 조그마한 오차에도 실제로 측정하는 3차원 점 좌표에는 많은 측정 오차를 갖게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 상술한 측정 오차를 줄이기 위해 측정 대상이 되는 물체와 제3의 카메라와 거리를 제1카메라와 제2카메라 사이의 거리보다 상대적으로 멀리 떨어진 위치에 구현한 후, 해당 제3의 카메라를 이용하여 후술하는 연산을 수행하게 된다.
이때, 제3의 카메라를 다른 카메라로부터 대략 50mm 이상 떨어진 곳에 위치시켜 놓으면 측정 오차의 문제도 줄일 수 있게 된다. 즉, 가까이 위치한 제1카메라와 제2카메라에서 추출한 대응점(3차원 점 좌표)을 토대로 대략적인 3차원 점 좌표를 찾은 후, 이 점을 제3의 카메라의 영상에 투영시키고, 이를 기준으로 제3의 카메라의 영상 내에서 정환한 대응점만을 추출할 수 있게 되고, 이로써, 해당 대응점을 기준으로 최종적인 3차원 점 좌표를 얻을 수 있게 된다.
그리고, 제1카메라나 제2카메라에서 2개 이상의 대응점 후보가 추출된 경우이를 제3의 카메라에 투영시킨 후, 본래의 화소인 제1카메라나 제2카메라의 화소와 유사한 밝기 또는 색상을 띄는지 여부를 확인함으로써, 최종적으로 정확한 대응점만을 추출하고 잘못 추출된 대응점들을 제거할 수 있게 되며, 이는 촬영부의 카메라 수를 증가시켜 상술한 확인 동작을 반복 수행하게 되면 잘못 추출된 대응점들을 대부분 제거할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 측정 장치는 첨부한 도면 도 8과 같이 구현할 수 있는데, 여기서, 도 8의 (가)는 3차원 측정 장치를 위에서 본 모습이고, (나)는 정면에서 본 모습을 도시한 도면이다.
예를 들어 도 9와 같이 투영장치(31-1)에서 도 2의 무늬들 중에서 줄무늬를 얼굴의 전면에 투영하는 경우에는 도 8의 (나)와 같이 3차원 측정 장치를 구현하게 되는데, 이때, 제1카메라(32-1)와 제2카메라(32-2) 및 제3카메라(32-3)는 얼굴에서 반사되어 돌아오는 투영된 영상을 촬영한 후, 이를 연산부(도면에 도시되어 있지 않음)에서 상술한 동작에 따라 대응점을 추출하게 되고, 해당 대응점에 대해 삼각망을 생성하게 되면 도 10의 (가) 및 (나)와 같은 정면도 및 좌측면도와, (다)와 같이 삼각망을 생성한 3차원 형상을 얻을 수 있게 된다. 이때, 해당 투영장치에 의해 투영되는 무늬의 간격에 따라 측정 화소들의 해상도 및 갯수를 조절할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 3차원 측정 장치 및 방법에 따르면, 움직임이 있는 물체나 유사한 색을 띄는 물체에 대해서도 신속, 정확한 3차원 측정이 가능해 지고, 이로 인해 컴퓨터 그래픽스 분야에 있어서 실존하는 물체를 3차원 형상으로 모델링하여 가상공간에서 활용할 수 있게 되며, 사람 얼굴의 조각, 기념품 제작, 문화재 영구보존을 위한 3차원 측정 및 의료분야에서 치아 보철이나 성형 등의 다양한 분야에 응용할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 3차원 측정시의 대응성을 제공하기 위해 측정의 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영하는 투영수단과;
    보정된 상태의 다수의 카메라를 이용하여 상기 물체 상에 투영된 영상을 촬영하는 촬영수단과;
    상기 투영수단과 촬영수단의 작동을 제어하는 제어수단과;
    상기 촬영수단에 의해 촬영된 영상을 분석하여 대응점을 추출한 후, 추출한 대응점으로부터 3차원 점 정보를 얻어내는 연산을 수행하는 연산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 투영수단은, 스트로보를 이용하여 물체에 소정의 무늬를 투영하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 투영수단이 상하의 줄무늬 또는 바둑판 무늬를 투영하는 경우 대응점 추출이 용이하도록 1대의 카메라를 상기 투영수단의 중심선과 상하로 일치하는 투영수단 아랫부분에 설치하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 촬영수단에서 각각의 카메라들은, 신호 입/출력선들을 통해 물리적으로 상호 연결하여 동기화되도록 구현하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  5. 제 1항 또는 4항에 있어서,
    상기 촬영수단은, 대응점 추출시 오류를 방지하기 위해 다수의 카메라 중에서 1대의 카메라를 제외한 나머지 카메라들은 상호 인접한 위치에 설치하고, 상기 1대의 카메라는 나머지 카메라들보다 상대적으로 먼 위치에 설치하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 1대의 카메라를 제외한 나머지 카메라들은, 각 카메라 사이의 거리를 5mm 내지 50mm 이내의 위치에 설치하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 장치.
  7. 측정 대상이 되는 물체에 소정의 무늬를 투영하는 과정과;
    상기 물체에서 반사되어 돌아오는 서로다른 투영된 영상을 다수의 카메라를 이용하여 촬영하는 과정과;
    촬영된 영상의 화소들을 분석하여 3차원 공간상에서 동일한 점에 해당되는 화소의 쌍인 대응점을 추출하는 과정과;
    추출한 대응점을 기준으로 3차원 좌표를 계산하여 해당되는 3차원 점 정보를 얻는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 대응점을 추출하고, 3차원 점 정보를 얻는 과정은, 1대의 카메라를 제외한 나머지 인접한 카메라들이 촬영한 영상으로부터 대응점 후보를 추출한 후, 추출한 대응점 후보들 중에서 나머지 1대의 카메라에서 촬영한 영상과 대응관계를 갖는 점만을 최종 대응점으로 추출하여 해당되는 3차원 점 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
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