KR20030033174A - 반사 표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 스캐너를 이용한 대상물을 측정하는 방법에 관한 것으로, 측정 대상물의 표면이 반사체인 경우 표면의 난반사로 인하여 측정 데이터의 정확도가 떨어지는 것을 해결한 반사 표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 편광필터장치를 배치하는 단계; 상기 3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 조명장치를 배치하는 단계; 및 상기 3차원 스캐너를 통하여 획득한 데이터를 컴퓨터 시스템을 이용하여 3차원 모델링하여 그래픽 데이터를 획득하는 단계로 이루어진다. 획득된 데이터는 최종적으로 3차원 CAD파일, VRML 형태의 파일 등으로 생성되어 보존자료, 복원자료, 분석자료, 3차원 문화콘텐츠 등으로 사용될 수 있다.

Description

반사 표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정 방법 {Method for Measuring 3-D Shape of Cultural Relics Having Reflective Surface}

본 발명은 3차원 스캐너를 이용한 대상물을 측정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정 대상물의 표면이 반사체인 경우 표면의 난반사로 인하여 측정 데이터의 정확도가 떨어지는 것을 해소하기 위한 문화유물의 3차원 형상 측정방법에 관한 것이다.

문화유물 복원기술은 레이저 스캐너를 이용하는 방식, 여러 대의 카메라로 재현하는 컴퓨터 비전방식, 문서고증을 통한 그래픽 재현 등의 3가지로 나눌 수 있으며, 이 중에서 가장 정교한 복원기술은 레이저 스캐너를 이용한 방법이다.

레이저 스캐너를 이용한 방법은 특히 문화유물과 같이 보존 및 복원의 필요성이 절실한 대상물을 보다 정확하게 측정하고 분석하는데 있어서 3차원의 데이터는 필수적이다. 이에 문화유물과 같이 도면에 의해 제작되지 아니하거나 도면이 남아있지 않은 물품의 수치 데이터를 획득하는데 있어서 3차원 스캐너를 이용하는 것이 최적의 방법으로 인식되고 있다. 이와 같은 3차원 레이저 스캐닝 방식은 우선 직진성의 레이저를 실린더 렌즈와 갈바노(galvano)거울을 통해 직선모양의 스트라이프(stripe) 레이저로 바꿔준다. 이 직선형의 레이저를 복원하려는 문화유물에 조사하여 발생하는 레이저 파형을 CCD 카메라에 촬영하고, CCD에 저장된 문화유물의 데이터를 3차원 데이터로 만든다.

그러나 CCD 카메라를 이용한 문화유물 측정에 있어서, 측정 문화유물의 표면이 도자기와 같은 반사체인 경우 표면의 난반사로 인하여 CCD에 입사되는 빛의 양이 매우 작아지게 되고 이에 따라 CCD에 집적되는 전하의 크기 또한 매우 작아지게된다. 따라서 CCD는 전하의 차이를 인식하지 못하게 되어 측정이 되지 않거나 측정 데이터의 정확도가 매우 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 측정 대상물의 표면에 백색 페인트나 백색 분말을 도포하여 측정하는 경우도 있으나, 문화유물과 같은 경우에는 대상물의 희귀성, 안정성 측면에서 적용할 수 없다.

본 발명의 목적은 3차원 스캐닝 방식에서 측정 대상물의 표면이 반사체인 경우 표면의 난반사로 인한 측정 오류를 방지하기 위한 문화유물의 3차원 형상 측정 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비접촉 3차원 스캐너, 조명장치 및 편광필터장치를 결합한 시스템을 구성하여 3차원 형상을 측정하는 방법을 제시한다.

도 1은 비접촉 3차원 스캐너의 측정 원리를 나타내는 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 반사 표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정 시스템의 개략도.

도 3은 도 2의 편광필터장치 및 조명장치의 배치 상태를 나타내는 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 3차원 데이터 측정 방법을 나타내는 흐름도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10 : 비접촉 3차원 스캐너11: 광원

12 : 투광렌즈13 : 갈바노거울

14 : 수광렌즈15 : RGB 필터

16 : CCD20 : 편광필터장치

30 : 조명장치30a ~ 30d : 조명장치

40 : 받침대44 : 회전테이블

50 : 측정 대상물(문화유물)60 : 컴퓨터 시스템

본 발명의 방법에 따르면, 비접촉 3차원 스캐너를 이용한 대상물의 측정방법으로서, 3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 편광필터장치를 배치하는 단계; 상기 3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 조명장치를 배치하는 단계; 및 상기 3차원 스캐너를 통하여 획득한 데이터를 컴퓨터 시스템을 이용하여 3차원 모델링하여 그래픽 파일로 생성하고 저장하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 비접촉 3차원 스캐너의 원리를 나타내기 위한 개념도이다. 도 1에 나타낸 비접촉 3차원 스캐너(10)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 3차원스캐너(10)는 광원(11), 투광렌즈(12), 갈바노거울(13), 수광렌즈(14), RGB(Red Green Blue)필터(15), CCD(Charge Coupled Device:16)등으로 구성된다.

3차원 스캐너(10)의 광원(11)에서 조사되는 레이저 스트라이프 또는 할로겐 광은 투광렌즈(12)를 거쳐 일정크기로 확대되어 갈바노거울(13)을 통해 반사된다. 이때 반사된 광원(11)은 갈바노거울(13)의 각도 조절을 통해 측정 대상물에 순차적으로 조사된다. 측정 대상물(50)에서 반사된 빛은 수광렌즈(14)와 RGB필터(15)를 통해 미세한 화소가 집적되어 있는 CCD(16)에 도달하게 된다. 각 화소는 렌즈를 통하여 받은 빛을 전하로 바꾸어서 그 전하를 축적한다. 따라서 각 화소의 위치와 축적된 전하의 크기를 이용하여 측정 대상물의 디지털 데이터를 획득할 수 있게 된다. 레이저 방식의 스캐너인 경우 인체 및 측정 대상물에는 어떠한 영향도 미치지 않는 Class I, II, III계열의 레이저를 사용한다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 반사 표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정 시스템을 설명하면, 측정 대상물의 3차원 데이터를 획득하기 위한 레이저 또는 카메라 방식의 3차원 스캐너(10)와 상기 3차원 스캐너(10)로 입수되는 빛의 양을 조절하고, 반사광을 제거하기 위한 편광필터(20a, 20b)와 편광각을 인위적으로 조절할 수 있는 수동 편광각조정기, 또는 컴퓨터 시스템(60)등을 이용하여 편광각도를 자동으로 조절할 수 있는 자동 편광각조정기로 구성된 편광필터장치(20)가 상기 3차원 스캐너(10)의 전방에 배치한다.

상기 편광필터(20a, 20b)는 특정 방향의 빛만을 투과시키고 나머지 방향의 빛은 흡수 또는 반사시켜 물체의 반사광을 제거해 사물의 형태를 명확히 보이게 한다.

바람직하게, 상기 편광필터장치(20)는 상기 3차원 스캐너(10)와 수평하게 배치한다.

상기 3차원 스캐너(10)를 이용하여 대상물을 측정할 때, 측정 대상물(50) 주위의 조도를 최적 조건으로 만들기 위한 광원(30a, 30b, 30c, 30d)과 인위적으로 조도를 조절하는 수동 조도조절기 또는 컴퓨터 시스템(60)등을 이용하여 조도를 자동으로 조절하는 자동 조도조절기로 구성된 조명장치(30)는 상기 3차원 스캐너(10)와 측정 대상물(50) 사이에 배치한다.

상기 조명장치(30)는 측정 대상물(50)과 0.6m ~ 2.5m 떨어진 위치에 광원을 배치하고, 상기 광원(30a, 30b, 30c, 30d)의 위치는 측정 대상물(50)의 수직 중심축과 수평 중심축이 만나는 점이 이루는 각도가 상하좌우 각각 20°가 되도록 배치하며, 상기 조명장치(30)의 조명효율을 높이기 위하여 광원(30a, 30b, 30c, 30d)의 후면부에 측정 대상물(50)의 수평 중심축과 수직하게 반사판을 배치할 수도 있다.

바람직하게, 상기 조명장치(30)의 광원은 5파장 백색 램프를 광원으로 하며 상기 편광필터장치(20)의 전방에 상기 광원(30a, 30b, 30c, 30d)을 사각형의 형태로 배치한다.

한편 측정 대상물(50)의 전방위 측정을 위한 회전 테이블(44)은 3차원 스캐너(10)와 컴퓨터 시스템(60)간의 인터페이스를 이용하여 일정한 각도로 측정 대상물(50)을 회전시키며, 상기 3차원 스캐너(10)를 통해 입력된 데이터는 컴퓨터 시스템(60)에서 3차원 모델링 프로그램을 이용하여 CAD 파일,VRML 형태의 파일로 생성된다.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 문화유물의 3차원 데이터 측정방법을 설명한다. 먼저 3차원 스캐너를 문화유물이 있는 장소에 적절하게 위치시키고 편광필터장치와 조명장치를 배치하는 3차원 스캐너 세팅 단계(S1)를 수행하고, 정확한 3차원 데이터를 획득하기 위한 편광필터장치(20), 조명장치(30)를 조절하는 단계(S2)를 수행한다. 상기 S2단계에서 상기 편광필터장치(20)는 태양광선과 같이 빛의 양이 과도하게 많은 경우에 CCD의 전하가 포화상태에 도달하여 CCD가 전하의 차이를 인식하지 못하는 것을 방지하기 위하여 편광각을 조절하고, 조명장치(30)는 측정 대상물(50) 주위의 조도를 최적 조건으로 만들기 위하여 조절한다.

상기 S2단계를 수행한 후 3차원 스캐너(10)를 이용하여 측정 대상물(50)에 대한 스캐닝(S3)을 수행하면, 측정 대상물(50)의 3차원 표면 좌표 값을 갖는 수많은 점으로 이루어진 포인트(point) 데이터가 생성(S4)된다. 상기 포인트 데이터의 크기는 스캐닝 밀도에 따라 결정되고 형상이 복잡한 부분은 스캐닝 밀도를 높게 하여 정밀도를 높여주고 형상이 단순한 곳은 밀도를 낮게 하여 파일의 크기를 작게 한다.

상기 S3단계에서 얻어지는 포인트 데이터들로부터 각각의 점들을 이어주는 표면처리를 통해 수치를 갖는 3차원 입체영상이 완성(S5)된다.

상기 S5단계는 3차원 모델링 소프트웨어를 사용하며 포인트 데이터와 색상 데이터가 동시에 처리되고, 모든 모델링 작업은 컴퓨터 시스템에 미리 정의된 형상과 사용자의 요구에 따라 새롭게 정의된 형상에 의하여 수행된다.

상기 S5단계를 통해 얻어지는 모델링 데이터는 다시 3차원 CAD 시스템을 이용하여 데이터 획득을 원하는 어떠한 부분의 수치 데이터를 생성해 낼 수 있도록 분석하고 저장하는 단계(S6)를 수행한다.

상기된 바와 같이, 반사체 표면을 갖는 측정 대상물에 대하여 표면에 이물질을 도포하지 않고 기존의 레이저 방식 스캐너 또는 카메라 방식의 스캐너 모두 사용하여 정확한 3차원 데이터를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 완성된 데이터는 그 자체로 영구적인 보존자료로 측정 대상물의 3차원 데이터화, 도면화가 가능하며, 훼손 부위의 데이터를 과학적으로 추정해 낼 수 있어 실제의 모습으로 복원시킬 수 있는 데이터를 제공할 수 있으며, 산업계에서는 정밀 복제품 제작 및 가상 디지털 목업(Mock-up)에 이용할 수 있다. 또한 가상현실 기술의 발달과 인터넷 및 고속 통신망을 이용한 3차원 가상 박물관 구축 등에도 이용할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 비접촉 3차원 스캐너를 이용한 대상물의 측정방법으로서,

   3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 편광필터장치를 배치하는 단계;

   상기 3차원 스캐너와 측정 대상물 사이에 조명장치를 배치하는 단계; 및

   상기 3차원 스캐너를 통하여 획득한 데이터를 컴퓨터 시스템을 이용하여 3차원 모델링하여 그래픽 파일로 생성하고 저장하는 단계를 포함하는 반사표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 편광필터장치는 편광필터와 편광각조정기를 포함하고, 이에 의해 상기 3차원 스캐너로 입수되는 빛의 양과 편광각을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 조명장치의 배치는 측정 대상물과 0.6m ~ 2.5m 떨어진 위치에 광원을 배치하는 단계;

   상기 광원의 위치는 측정 대상물의 수직 중심축과 수평 중심축이 만나는 점에서 상하좌우 각각 20°가 되도록 배치하는 단계; 및

   조도조절기를 이용하여 측정 대상물 주위의 조도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 조명장치는 조명효율을 높이기 위하여 광원의 후면부에 측정 대상물의 수평 중심축과 수직하게 반사판을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 조명장치의 광원은 5파장 백색램프를 이용하는 것을 특징으로 하는 반사표면을 갖는 문화유물의 3차원 형상 측정방법.