KR20050045511A - Apparatus and method for measuring three-dimensional shape - Google Patents
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Abstract
3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법이 개시되어 있다.A three-dimensional shape measuring apparatus and a measuring method are disclosed.
개시된 측정 장치는, 액정 표시 소자를 이용하여 생성한 격자무늬를 피검체에 투사한 후 영상감지소자를 통해 얻은 제1 격자무늬와 컴퓨터로 생성한 제2 격자무늬에 의한 모아레 무늬로부터 3차원 형상을 측정할 수 있고, 개시된 측정 방법은 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 동일한 주기로 이동시키고, 격자무늬를 이동시키기 전과 이동시킨 후의 모아레 무늬를 합하여 평균을 취함으로써 모아레 무늬로부터 고주파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있도록 한다. The disclosed measuring device is configured to project a three-dimensional shape from a moire pattern formed by a first lattice pattern obtained through an image sensing device and a second lattice pattern generated by a computer after projecting a lattice pattern generated by using a liquid crystal display device onto a subject. The measurement method disclosed can effectively remove high frequency noise from moire fringes by moving the first and second lattices in the same period and averaging the moire fringes before and after moving the lattices. To help.
그럼으로써, 간단한 장비를 이용하여 용이하게 3차원 형상을 측정할 수 있으면서 고주파 노이즈를 효과적으로 제거하여 보다 선명한 3차원 형상을 얻을 수 있다. As a result, a three-dimensional shape can be easily measured using a simple device, and high frequency noise can be effectively removed to obtain a clearer three-dimensional shape.
Description
본 발명은 액정 표시 소자와 컴퓨터에 의해 생성된 격자무늬를 이용한 간섭무늬에 의해 간단하고 신속하게 피검체의 형상을 3차원적으로 정밀하게 측정하는 장치 및 측정 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the shape of a subject three-dimensionally and precisely by an interference fringe using a liquid crystal display element and a computer generated grid pattern.
모아레 간섭무늬를 이용한 3차원 형상측정 장치란 검사하고자 하는 물체(이하 피검체라고 함)의 표면에 일정한 형태를 가지는 빛을 조사시켜 나타나는 격자무늬와 기준이 되는 격자무늬를 중첩시켜서 모아레 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체표면의 높이에 대한 정보를 얻는 장치를 말한다. 이와 같은 측정 방법은 피검체의 3차원 형상을 간단하고 빠르게 얻을 수 있으므로 의학, 산업 분야에서 널리 이용되고 있다. 여기서는 특히, 공간적 간섭무늬인 모아레 간섭무늬를 이용하는데, 모아레 무늬는 주기성을 가지는 공간적인 무늬들이 겹쳐졌을 때 나타나는 무늬로서 도 1은 모아레 간섭무늬의 발생 예를 보여준다. A three-dimensional shape measurement device using moiré interference fringes forms a moiré interference fringe by superimposing a lattice pattern that appears by irradiating light with a certain shape on the surface of an object to be inspected (hereinafter referred to as an object) and a lattice pattern as a reference. And a device that obtains information about the height of the object surface by measuring and analyzing the interference fringes. Such a measuring method is widely used in the medical and industrial fields because it is possible to easily and quickly obtain a three-dimensional shape of a subject. Here, in particular, a moiré interference pattern, which is a spatial interference pattern, is used. The moiré pattern is a pattern that appears when overlapping spatial patterns having periodicity are illustrated in FIG. 1.
이러한 모아레 간섭무늬를 이용하여 피검체의 3차원 형상을 측정하는 방식에는 크게 투영식과 그림자식이 있다. 그림자식은 렌즈를 사용하지 않고 피검체의 표면에 나타나는 격자무늬의 그림자로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이고, 투영식은 렌즈를 이용하여 피검체에 투영한 격자의 이미지로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이다. There are two methods of measuring the three-dimensional shape of the subject by using the moiré interference fringe. The shadow method is a method of measuring the surface shape of a subject by using a moire fringe generated from the shadow of the lattice pattern appearing on the surface of the subject without using a lens, and the projection method is a projection of the grid projected onto the subject using a lens. It is a method of measuring the surface shape of a subject by using a moire fringe generated from an image.
도 2는 종래의 격자를 이용한 그림자식 위상천이 모아레 3차원 형상측정 장치를 나타낸 것이다. 이 측정 장치에서는, 광원(100)에서 나온 광이 격자(103)를 통과하여 피검체(p) 표면에 격자형태의 그림자가 생기거나 탈보(talbot)효과에 의해 격자형태의 이미지가 생기게 된다. 여기서 사용되는 격자(103)는 투과하는 빛의 세기를 변화시키는 기능을 한다. 상기 격자(103)의 그림자 이미지와 격자 자체의 무늬가 합성되어 모아레 무늬가 생기며, 이렇게 생성된 모아레 무늬를 그림자식 모아레라고 한다.(Vol.32, No. 7 Optical Engineering, 1668-1674, 1993) 이 모아레 무늬를 2차원 영상감지소자 배열을 이용하여 측정하는데, 이때 모아레 무늬의 위상을 계산하기 위해서는 위상 천이된 다수개의 모아레 무늬가 필요하다.("Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacare, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York, 1992)Figure 2 shows a shadow phase transition moiré three-dimensional shape measurement apparatus using a conventional grid. In this measuring device, the light emitted from the light source 100 passes through the grating 103 to form a grating shadow on the surface of the object p or a grating image by the talbot effect. The grating 103 used here functions to change the intensity of transmitted light. The moire pattern is formed by combining the shadow image of the grating 103 and the pattern of the grating itself, and the moiré pattern thus generated is called a shadow moiré (Vol. 32, No. 7 Optical Engineering, 1668-1674, 1993). This moiré pattern is measured using a two-dimensional array of image sensing elements, and in order to calculate the phase of the moiré pattern, a plurality of phase-shifted moire patterns are required ("Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacare , 2nd Ed.John Wiley & Sons Inc, New York, 1992)
위상 천이된 모아레 무늬를 얻기 위해 상기 격자(103)를 구동수단(D)에 의해 피검체(p)쪽을 향해 또는 피검체(p)로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 그러면, 상기 격자(103)의 이동에 따라 간섭무늬의 위상이 변하므로 3개 이상의 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 이와 같이 상기 격자(103)를 이동시켜 생긴 위상 천이된 모아레 무늬는 결상렌즈(109)에 의해 영상감지소자(110)에 맺힌다. 상기 영상감지소자(110)에 의해, 위상 천이된 모아레 무늬의 이미지 측정과 상기 격자(103)의 이동을 순차적으로 반복한다. 여기서 얻은 다수개의 위상 천이된 모아레 무늬를 이용하여 이미 공지된 해석방법을 통해 물체의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.In order to obtain a phase shifted moire fringe, the grating 103 is moved by the driving means D toward the subject p or away from the subject p. Then, since the phase of the interference fringe changes in accordance with the movement of the grating 103, three or more phase shifted moire fringes can be obtained. As described above, the phase shifted moiré pattern generated by moving the grating 103 is formed on the image sensing device 110 by the imaging lens 109. The image sensing device 110 sequentially repeats the measurement of the phase shifted moiré pattern and the movement of the grating 103. Using the plurality of phase shifted moire fringes obtained here, three-dimensional shape information of the object can be obtained through a known analysis method.
또 다른 3차원 형상측정 장치로는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 격자(112)(115)를 이용한 투영식 모아레 측정 장치가 있다. 투영식 모아레 측정 장치는, 광원(111)에서 조사된 광이 제1격자(112)를 통과하면서 형성된 이미지를 제1 결상렌즈(113)에 의해 피검체(p)에 결상시키고 이 피검체(p)의 이미지를 제2 결상렌즈(114)에 의해 제2 격자(115)에 결상시킨다. 그리고, 상기 제2 격자(115)에 결상된 이미지와 제2 격자(115) 자체의 이미지를 제3 결상렌즈(116)에 의해 영상감지소자(117)에 결상시켜 모아레 무늬를 얻게 된다.(Vol.37, Optical Engineering, 1005-1010, 1998) Another three-dimensional shape measuring device is a projection moiré measuring device using the first and second gratings 112 and 115, as shown in FIG. The projection moiré measuring apparatus forms an image formed while the light irradiated from the light source 111 passes through the first lattice 112 on the subject p by the first imaging lens 113, and the subject p ) Is imaged on the second grating 115 by the second imaging lens 114. In addition, the image formed on the second grating 115 and the image of the second grating 115 itself are formed on the image sensing device 117 by the third imaging lens 116 to obtain a moire pattern. .37, Optical Engineering, 1005-1010, 1998)
상술한 투영식 모아레 측정 장치에서는, 상기 제1 및 제2 격자(112)(115)의 상대적인 변위의 변화를 이용하여 모아레 무늬의 위상천이를 얻을 수 있다. 상기 그림자식 모아레 측정 장치에서는 격자를 피검체(p)에 대해 전후방향으로 이동시켜 위상천이를 하는데 반해, 투영식 모아레 측정 장치에서는 상기 제1 및 제2 격자(112)(115)를 구동수단(D)에 의해 상하 방향으로 이동시키면서 위상 천이된 모아레 무늬를 얻는다. 그리고, 여기서 얻은 위상 천이된 신호를 공지의 해석방법을 통해 해석함으로써 피검체의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.In the above-described projection moiré measuring device, the phase shift of the moire fringe can be obtained by using the change of the relative displacement of the first and second gratings 112 and 115. In the shadow moiré measuring device, the grating is moved forward and backward with respect to the subject p to perform phase shift. In the projection moiré measuring device, the first and second gratings 112 and 115 are driven. The moiré pattern shifted in the vertical direction by D) is obtained. The three-dimensional shape information of the subject can be obtained by analyzing the phase shifted signal obtained here through a known analysis method.
그런데, 그림자식 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피검체를 충분히 접근시킬 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 투영식 측정 장치가 선호되고 있다. By the way, the shadow measuring device has the advantage that the installation is simple, but because the shadow of the grid should be used only when the grid and the subject can be sufficiently approached, there is a disadvantage. In order to solve such a problem, a projection measuring device is preferred.
투영식 측정 장치의 경우, 피검체에 결상된 격자무늬를 제2격자(115)에 결상시켜 모아레 무늬를 생성하고 이 무늬를 다시 영상감지소자(117)에 결상시키기 위해 고가의 정밀광학계가 필요하기 때문에 투영식에서 요구된 제2결상렌즈(114)와 제2격자(114)가 필요 없는 단순화된 시스템이 제안되었다. In the case of the projection measuring device, an expensive precision optical system is required to form a moire fringe by forming a grid pattern formed on an object to the second grid 115 and to form the moire fringe on the image sensing element 117 again. Therefore, a simplified system has been proposed that does not require the second imaging lens 114 and the second lattice 114 required in the projection equation.
또한, 그림자식이나 투영식 장치들은 사용되는 2차원 영상감지소자의 픽셀 개수에 따라 측정 가능한 물체의 크기와 측정 분해능이 제한된다. 이에, 측정 가능한 물체의 크기와 길이가 제한되고 이로 인해 측정 대상이 극히 제한적일 수밖에 없다. 또한, 측정 수행 중에는 피검체가 정지 상태에 있어야 되는 제약이 따른다. 따라서, 움직이는 물체의 3차원 형상을 측정하는 데는 부적합할 뿐만 아니라, 곡률이 있는 물체의 형상을 측정하는 것이 불가능한 구조이므로 그 적용 분야가 매우 한정적일 수밖에 없다. In addition, shadow or projection devices are limited in the size and measurement resolution of the measurable object depending on the number of pixels of the two-dimensional image sensing device used. As a result, the size and length of the measurable object are limited, and thus the measurement object is inevitably limited. In addition, during the measurement, there is a restriction that the subject must be in a stationary state. Therefore, it is not only suitable for measuring the three-dimensional shape of the moving object, but also the field of application is very limited because it is impossible to measure the shape of the object with curvature.
또한, 모아레 무늬의 위상천이를 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 수밖에 없는데, 이러한 기계적 구동으로 인해 위상 천이 속도가 느리고, 속도 제어가 어려울 뿐만 아니라 격자 제작이 어렵고 제작비용이 많이 드는 단점이 있다. In addition, there is no choice but to mechanically move the grid for the phase shift of moire fringes. Due to such mechanical driving, the phase shift speed is slow, the speed control is difficult, and the grid is difficult to manufacture and the manufacturing cost is high.
한편, 투영식 측정장치를 좀더 단순화시키기 위해 구조화된 형태의 패턴을 피검체에 투영시켜 형상을 측정하는 구조화된 패턴 투영방식의 장치가 제안되었다. 도 4를 참조하면, 광원(120)으로부터 조사된 광이 격자(121)를 통과하면서 형성된 이미지를 제1 결상렌즈(122)에 의해 피검체(p)에 결상시키고, 상기 격자(121)가 투영된 피검체(p)의 이미지를 다시 제2 결상렌즈(124)에 의해 영상감지소자(127)에 결상시킴으로써 격자가 투영된 피검체(p)의 영상을 얻는다. 여기서, 3차원 형상추출을 위해 격자패턴을 수평이동 시킴으로써 변위된 투영격자 영상을 얻는다. (Vol.32, Optical Engineering, 610-615, 1997)On the other hand, in order to further simplify the projection measuring apparatus, a structured pattern projection apparatus has been proposed for measuring a shape by projecting a structured pattern onto a subject. Referring to FIG. 4, an image formed while the light emitted from the light source 120 passes through the grating 121 is imaged on the subject p by the first imaging lens 122, and the grating 121 projects. The image of the inspected object p is again imaged on the image sensing device 127 by the second imaging lens 124 to obtain an image of the inspected object p on which the grating is projected. Here, the displaced projection grid image is obtained by horizontally moving the grid pattern for three-dimensional shape extraction. (Vol. 32, Optical Engineering, 610-615, 1997)
이와 같은 측정 장치에서는 상기 결상 렌즈(122)로 격자(121)의 이미지를 피검체(p)에 결상시킨 뒤 피검체에 결상된 영상을 영상감지소자(127)로 측정한 뒤 이 영상과 컴퓨터에서 생성시킨 기준 격자로부터 모아레 무늬를 생성시켜서 3차원 형상을 측정한다. In such a measuring device, the imaging lens 122 forms an image of the grating 121 on the subject p, and then measures the image formed on the subject with the image sensing element 127, and then the image and the computer. The moire pattern is generated from the generated reference grid to measure the three-dimensional shape.
여기서, 기준 격자와 결상된 격자와의 논리 연산을 이용하는 방법(논리 모아레 방식)과 컴퓨터에서 생성된 격자와 결상된 격자를 중첩시킨 뒤 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)를 이용하여 모아레 무늬만을 분리해내는 방식(저주파 통과 방법)이 있다. Here, a method of using a logical operation of a reference grid and an image formed grid (logical moiré method) and a computer generated grid and an image formed grid are superimposed, and only a moire pattern is separated using a low pass filter. There is a method of low frequency passing.
논리 모아레 방식은 격자 간의 논리적인 연산으로 생성되는 모아레 무늬를 이용하기 때문에 격자에 해당하는 공간 주파수들이 고주파 잡음(High Frequency Noise)으로 작용하여 선명한 무늬를 얻을 수 없다. Since the logic moiré method uses moire patterns generated by logical operations between gratings, spatial frequencies corresponding to the gratings act as high frequency noises, and thus a sharp pattern cannot be obtained.
저주파 통과 방법의 경우에는 고주파 잡음을 제거하기 위해서 저주파 통과 필터를 사용하지만 피검체의 형상이 복잡한 경우 잡음을 효과적으로 제거할 수 없다.In the low pass method, a low pass filter is used to remove high frequency noise. However, when the shape of an object is complicated, the noise cannot be effectively removed.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 설비가 간단하고 제조비용이 저렴하며 측정 속도가 빠른 3차원 형상 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus having simple equipment, low manufacturing cost, and high measuring speed.
또한, 고주파 노이즈를 간단하고 효과적으로 제거하여 선명한 3차원 형상을 측정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. It is also an object of the present invention to provide a method for measuring a clear three-dimensional shape by simply and effectively removing high frequency noise.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 광원과, 제1 격자무늬를 생성하기 위해 상기 광원과 피검체 사이에 배치되고, 상기 제1 격자무늬를 전기적 제어에 의해 이동시킬 수 있도록 된 액정 표시 소자와, 그리고 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하여 피검체에 형성된 제1 격자 무늬 영상을 촬영하는 영상감지소자를 가진 제1 격자무늬 생성 유닛; 제2 격자무늬를 생성하고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시키며, 상기 영상감지소자로부터 입력된 제1 격자무늬와 상기 제2 격자무늬에 의해 고주파 노이즈가 제거된 간섭무늬를 생성하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention is disposed between the light source and the object under test to generate a first lattice pattern, and moves the first lattice pattern by electrical control. A first lattice pattern generating unit having a liquid crystal display element, and an image sensing element configured to capture a first lattice image formed on an object through which light emitted from the light source passes through the liquid crystal display element; The second grid pattern is generated, the second grid pattern is moved at the same period as the first grid pattern, and the interference of the high-frequency noise is removed by the first grid pattern and the second grid pattern input from the image sensing element. Computer for generating a pattern; characterized in that it comprises a.
상기 제1 격자무늬 생성 유닛이 복수 개 구비되어 상기 피검체 둘레에 소정 간격으로 배치될 수 있다. The first grid pattern generating unit may be provided in plural and may be disposed around the object at predetermined intervals.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은 액정 표시 소자에 의해 제1 격자무늬를 생성하는 단계; 광원에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하도록 하여 상기 제1 격자무늬를 피검체에 결상시키는 단계; 컴퓨터를 이용하여 제2 격자무늬를 생성하는 단계; 상기 제1 격자무늬를 촬영하여 상기 컴퓨터에 입력하고, 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 곱하여 간섭무늬를 형성하는 단계; 상기 액정 표시 소자의 화소별 전기적 제어에 의해 상기 제1 격자무늬를 이동시키고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시켜 격자 연산과정을 통해 노이즈가 제거된 모아레 무늬를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a three-dimensional shape measuring method according to the present invention comprises the steps of generating a first grid pattern by the liquid crystal display element; Imaging the first lattice pattern on a subject by allowing light emitted from a light source to pass through the liquid crystal display element; Generating a second plaid using a computer; Photographing the first lattice pattern and inputting the same to the computer, and multiplying the first lattice pattern by the second lattice pattern to form an interference fringe; The first lattice pattern is moved by pixel-by-pixel electrical control of the liquid crystal display, and the second lattice pattern is moved at the same period as the first lattice pattern, thereby generating a moire pattern from which noise is removed through a lattice calculation process. It characterized in that it comprises a step.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은, 광이 제1 격자 패턴을 통과하여 생성된 제1 격자 무늬를 피검체에 결상시키는 단계; 제2 격자무늬를 생성하는 단계; 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제1 간섭 무늬를 형성하는 단계; 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 같은 주기로 이동시키는 단계; 이동된 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제2 간섭 무늬를 형성하는 단계; 상기 제1 간섭 무늬와 제2 간섭 무늬의 평균을 취하여 노이즈를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the three-dimensional shape measuring method according to the present invention comprises the steps of: imaging the first grating pattern generated by light passing through the first grating pattern on the subject; Generating a second grid pattern; Forming a first interference fringe by the first lattice and the second lattice; Moving the first grid pattern and the second grid pattern at the same period; Forming a second interference fringe by the moved first lattice and the second lattice; And removing the noise by taking the average of the first and second interference fringes.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for measuring a three dimensional shape according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 격자 이미지를 생성하고, 격자 이미지를 같은 주기로 이동시켜 모아레 무늬의 위상천이를 구현한다. In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, a lattice image is generated by using a liquid crystal display device and a computer, and the lattice images are shifted at the same period to realize the phase shift of the moire pattern.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 도 5a를 참조하면 광원(10)과 액정 표시 소자(15)를 가지는 제1 격자무늬 생성 유닛과, 제2 격자무늬를 생성하는 컴퓨터(25)를 포함한다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a three-dimensional shape measuring apparatus includes a first grid pattern generating unit having a light source 10 and a liquid crystal display element 15, and a computer generating a second grid pattern according to FIG. 5A. 25).
상기 광원(10)에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 피검체(p)에 결상된 제1 격자무늬와 상기 컴퓨터(25)에 의해 생성된 제2 격자무늬의 간섭에 의해 모아레 무늬가 형성된다.The light emitted from the light source 10 is moiréed by the interference between the first lattice pattern formed on the subject p through the liquid crystal display element 15 and the second lattice pattern generated by the computer 25. A pattern is formed.
그리고, 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 형성된 제1 격자무늬가 촬영되는 영상감지소자(20)가 구비된다. 상기 액정 표시 소자(15)와 피검체(p) 사이에 제1 결상 렌즈(17)와, 상기 피검체(p)와 영상감지소자(20) 사이에 제2 결상 렌즈(18)가 구비된다. In addition, the image sensing device 20 photographing the first lattice pattern formed through the liquid crystal display device 15 is provided. A first imaging lens 17 is provided between the liquid crystal display element 15 and the object p, and a second imaging lens 18 is provided between the object p and the image sensing device 20.
상기 광원(10)에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자(15)와 제1 결상렌즈(17)를 통과하여 피검체(p)에 제1 격자 무늬가 생성된다. 제1 격자 무늬가 피검체(p)에 결상되고, 상기 제1 격자 무늬가 상기 제2 결상렌즈(18)를 통해 상기 영상감지소자(20)에 의해 촬영된다.Light emitted from the light source 10 passes through the liquid crystal display element 15 and the first imaging lens 17 to generate a first lattice pattern on the object p. A first plaid is formed on the object p, and the first plaid is photographed by the image sensing device 20 through the second imaging lens 18.
상기 광원(10), 액정 표시 소자(15) 및 제1 결상 렌즈(17)가 한 세트로 구성되어 제1 유닛(30)으로 형성되고, 상기 제2 결상 렌즈(18)와 영상감지소자(20)가 한 세트로 구성되어 제2 유닛(30)으로 형성될 수 있다. 상기 제1 유닛(30)과 제2 유닛(35)에 의해 제1 격자 무늬가 생성된다. The light source 10, the liquid crystal display element 15, and the first imaging lens 17 are configured as a set to form the first unit 30, and the second imaging lens 18 and the image sensing device 20 are provided. ) May be configured as a set to form the second unit 30. The first grid pattern is generated by the first unit 30 and the second unit 35.
상기 영상감지소자(20)로부터 제1 격자 무늬가 컴퓨터(25)에 입력되고, 이 제1 격자 무늬와 상기 컴퓨터(25)에 의해 형성된 가상의 제2 격자 무늬가 간섭을 일으켜 모아레 무늬가 형성된다. A first plaid is input from the image sensing device 20 to the computer 25, and the first plaid and the virtual second plaid formed by the computer 25 interfere with each other to form a moire pattern. .
도 5b는 액정 표시 소자(15)에 의해 제1 격자무늬가 생성되고, 제1 격자무늬가 위상천이되는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 5B is a view for explaining the principle that the first lattice pattern is generated by the liquid crystal display device 15 and the first lattice pattern is phase shifted.
액정 표시 소자(15)는 복수개의 화소(15a)가 (nㅧ n)의 2차원적으로 배열되어 형성되며, 각 화소별로 구동 전압의 세기를 변화시켜 투과하는 광의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, (nㅧ n) 배열의 화소들 중 홀수 번째 열의 화소들을 off시키고, 짝수 번째 열의 화소들을 on 시키면 제1 격자무늬를 만들 수 있다. 이와 달리, (nㅧ n) 배열의 화소들 중 짝수 번째 열의 화소들을 off로 만들고, 홀수 번째 열의 화소들을 on 상태로 만듦으로써 제1 격자무늬를 pi 만큼 위상천이시킬 수 있다. 이는 기존의 격자를 기계적으로 이동시켜 모아레 무늬를 위상천이시키는 것과 같은 효과를 내는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 장치에서는 액정 표시 소자의 간단한 전기적 조작에 의해 on-off는 물론 밝기 조절을 통하여 정확하고 신속하게 위상천이효과를 얻을 수 있다.The liquid crystal display device 15 is formed by arranging a plurality of pixels 15a two-dimensionally (n ㅧ n), and adjusting the amount of light transmitted by changing the intensity of the driving voltage for each pixel. For example, the first lattice pattern may be formed by turning off the pixels in the odd-numbered column and turning on the pixels in the even-numbered column among the (n ㅧ n) array pixels. Alternatively, the first lattice pattern may be phase shifted by pi by turning off pixels in even columns among the pixels in the (n ㅧ n) array and turning on pixels in odd columns. This has the same effect as phase shifting the moire pattern by mechanically moving the existing lattice. Therefore, in the device according to the present invention, the phase shift effect can be accurately and quickly obtained through on-off and brightness control by simple electrical operation of the liquid crystal display.
상기 액정 표시 소자(15)의 각 화소별 on-off 제어 혹은 밝기 제어를 통해 제1 격자 무늬를 이동시킬 수 있다. 기존의 격자를 기계적으로 이동시켜 모아레 무늬의 위상천이를 일으키는 대신 상기 액정 표시 소자(15)에서는 화소별로 광이 통과되는 영역을 전기적으로 변화시킴으로써 위상천이를 일으킬 수 있다. 즉, 액정 표시 소자(15)에서는 위상천이가 화소별 전기적 작용에 의해 간단하면서 정밀하고 신속하게 구현될 수 있다. The first grid pattern may be moved by on-off control or brightness control of each pixel of the liquid crystal display device 15. Instead of causing a phase shift of moire fringes by mechanically moving the existing lattice, the liquid crystal display device 15 may cause phase shift by electrically changing a region through which light passes for each pixel. That is, in the liquid crystal display device 15, the phase shift can be implemented simply, precisely and quickly by the electric action for each pixel.
한편, 본 발명에서는 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 제1 격자 무늬가 이동된 거리와 동일한 정도로 제2 격자 무늬를 이동시킨다. 제2 격자 무늬는 컴퓨터(25)를 통해 간단하게 이동시킬 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the second lattice is moved by the same distance as the first lattice is moved through the liquid crystal display device 15. The second plaid can simply be moved through the computer 25.
이동된 제1 격자무늬는 상기 제1 결상렌즈(15)를 통과해 피검체(p)에 결상된 다음, 제2 결상렌즈(18)를 통과해 영상감지소자(20)에 결상된다. 영상감지소자(20)에서 촬영된 제1 격자무늬는 컴퓨터(25)로 입력되고, 상기 제1 격자무늬는 컴퓨터(25)에 의해 제1 격자 무늬와 동일한 거리로 이동된 제2 격자무늬와 간섭을 일으켜 위상 천이된 모아레 무늬가 형성된다. The moved first lattice pattern passes through the first imaging lens 15 to form an image on the subject p, and then passes through the second imaging lens 18 to form an image on the image sensing device 20. The first lattice photographed by the image sensing device 20 is input to the computer 25, and the first lattice pattern interferes with the second lattice pattern moved by the computer 25 at the same distance as the first lattice pattern. The moiré pattern shifted out of phase is formed.
도 6(a) 및 도 6(b)는 상기 액정 표시 소자(15)에 의해 형성된 제1 격자무늬를 전기적 작용에 의해 소정 거리만큼 이동시켜 측정한 결과를 각각 나타낸 것이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 상기 컴퓨터(25)에 의해 형성된 제2 격자무늬를 가상적으로 소정 거리만큼 이동시켜 얻은 영상을 각각 나타낸 것이다. 6 (a) and 6 (b) show the results obtained by moving the first lattice pattern formed by the liquid crystal display device 15 by a predetermined distance by electric action, respectively. FIGS. 6 (c) and 6 (d) shows images obtained by virtually moving the second lattice pattern formed by the computer 25 by a predetermined distance.
이렇게 격자 무늬를 이동시키면 모아레 무늬의 위상천이가 나타나게 된다. 이때, 제1 및 제2 격자 무늬를 같은 주기로 이동시키는 목적은 모아레 무늬의 위상을 천이시키기 위한 것뿐만 아니라 3차원 형상 측정을 방해하는 노이즈 패턴들을 제거하기 위한 것이다. 모아레 무늬의 위상을 천이시키기 위해서는 컴퓨터에서 만들어내는 제2 격자 무늬도 제1 격자 무늬에 대해 같은 주기만큼 이동시켜야 한다. 여기서, 제1 격자와 제2 격자 중 어느 한 격자만 이동시켜도 위상천이가 발생하지만, 제1 격자와 제2 격자를 동일한 주기로 이동시킴으로써 모아레 무늬에 섞여 있는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. When the grid is moved in this way, the phase shift of the moire pattern appears. At this time, the purpose of moving the first and the second grid pattern at the same period is not only to shift the phase of the moire pattern, but also to remove noise patterns that interfere with the three-dimensional shape measurement. In order to shift the phase of the moiré pattern, the second plaid generated by the computer must also be moved by the same period with respect to the first plaid. Here, the phase shift occurs even when only one of the first grating and the second grating is moved, but the noise mixed in the moire fringe can be effectively removed by moving the first grating and the second grating at the same period.
그리고, 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬의 세기 함수를 서로 곱하면, 도 7(a) 내지 도 7(d)에 도시된 바와 같은 네 개의 영상이 만들어진다. 도 7(a)는 도 6(a) 및 도 6(c)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이고, 도 7(b)는 도 6(a) 및 도 6(d)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이다. 또한, 도 7(c)는 도 6(b) 및 도 6(c)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이고, 도 7(d)는 도 6(b) 및 도 6(d)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이다. When the first and second grid patterns are multiplied by the intensity functions, four images as shown in FIGS. 7A to 7D are generated. 7 (a) is an image obtained by multiplying the lattice patterns of FIGS. 6 (a) and 6 (c), and FIG. 7 (b) is an image obtained by multiplying the lattice patterns of FIGS. 6 (a) and 6 (d). to be. 7 (c) is an image obtained by multiplying the lattice patterns of FIGS. 6 (b) and 6 (c), and FIG. 7 (d) is multiplied by the lattice patterns of FIGS. 6 (b) and 6 (d). This is a video obtained.
도 7(a) 내지 도 7(d)를 보면, 모아레 무늬뿐만 아니라 모아레 무늬를 생성하기 위해 사용된 격자에 대응되는 무늬가 모두 존재한다. 여기서, 피검체(p)의 표면 형상을 알아내기 위해서는 이들 무늬들로부터 모아레 무늬만을 따로 추출해서 피검체의 표면 형상을 계산해야 한다. 7 (a) to 7 (d), not only the moiré pattern but also all the patterns corresponding to the lattice used to generate the moiré pattern exist. Here, in order to find out the surface shape of the subject p, only the moire fringe is extracted separately from these patterns to calculate the surface shape of the subject.
본 발명에서는 모아레 무늬가 제1 격자무늬(측정격자 무늬)와 제2 격자무늬(가상격자 무늬)와의 상대적인 차이에 의해 발생된다는 점을 이용하여 모아레 무늬를 추출한다. 즉, 일정한 차이를 가지는 제1 격자와 제2 격자를 동일한 거리만큼 이동시키더라도 모아레 무늬는 변하지 않지만, 제1 격자와 제2 격자 각각에 해당하는 무늬들은 격자의 이동에 따라 변한다. 그리고, 동일한 모아레 무늬를 갖도록 만들어진 영상들을 서로 더하면 모아레 무늬는 더욱 선명해진다는 점을 이용하여 모아레 무늬를 추출한다.In the present invention, the moire fringe is extracted by using the fact that the moire fringe is generated by the relative difference between the first lattice fringe (measured grid fringe) and the second lattice fringe (virtual lattice). That is, even if the first grating and the second grating having a certain difference are moved by the same distance, the moire fringe does not change, but the patterns corresponding to each of the first grating and the second grating change with the movement of the grating. The moiré pattern is extracted by adding images that are made to have the same moiré pattern to each other.
모아레 무늬는 격자에 존재하는 각 라인의 오더(order), 즉 각각의 라인의 순서에 해당되는 번호의 차이에 의해서 발생된다. 따라서, 제1 격자와 제 2 격자의 각 라인 사이의 거리가 변하지 않도록 두 격자를 같이 이동하면 생성되는 모아레 무늬에는 아무런 변화가 없다. 하지만, 제1 격자와 제2 격자 각각에 해당하는 무늬와 같은 고주파 노이즈는 격자의 이동에 따라 함께 이동하게 된다. 그러므로, 제1 격자와 제2 격자를 같은 거리(또는 같은 주기)로 이동시키면서 얻은 무늬들의 평균을 취하면 사용된 격자에 해당하는 패턴과 같은 고주파 노이즈들은 상수 값이 되어 사라지게 된다. 예를 들어, cosin 함수를 한 주기 만큼 적분을 하면 0이 되듯이, 주기성을 가진 격자를 움직이면서 평균을 취하면 상수 값이 된다. The moiré pattern is generated by the order of each line present in the grid, i.e. the difference in the number corresponding to the order of each line. Therefore, when the two gratings are moved together so that the distance between each line of the first grating and the second grating does not change, there is no change in the moire pattern generated. However, high frequency noise such as a pattern corresponding to each of the first grating and the second grating moves together as the grating moves. Therefore, by taking the average of the patterns obtained by moving the first grating and the second grating at the same distance (or the same period), the high frequency noises such as the pattern corresponding to the grating used become constant and disappear. For example, if you integrate the cosin function by one period, it becomes 0. If you average the moving grid with periodicity, it becomes a constant value.
제1격자와 제2격자를 같이 이동시키면, 모아레 무늬는 같은 모양을 가지는 한편, 고주파 노이즈들은 상수 값이 되어 사라지기 때문에 모아레 무늬가 더욱 선명해진다.When the first grid and the second grid are moved together, the moire fringes have the same shape, while the high frequency noises become constant values and disappear so that the moire fringes become more clear.
그러므로, 제1 격자와 제2 격자간의 상대적인 순서(order)를 바꾸지 않으면서 격자를 이동시키고, 이동시킨 각 격자의 영상들의 세기의 평균을 취하면 모아레 무늬의 세기 분포는 변화가 없는 한편, 다른 고주파 패턴들은 서로 상쇄되어 제거되기 때문에 모아레 무늬가 더욱 선명해 진다.Therefore, if the grid is moved without changing the relative order between the first grid and the second grid, taking the average of the intensities of the images of each of the moved grids, the intensity distribution of the moire pattern remains unchanged, while the other high frequency The moiré patterns become more vivid because the patterns cancel each other out.
도 7(a) 및 도 7(d)의 영상을 보면, 두 영상에 나타난 모아레 무늬는 동일한 한편, 격자에 해당하는 영상들은 격자 간격의 절반만큼 이동한 상태임을 알 수 있다. 이는 격자의 이동을 의미하고 이를 통해 결과적으로는 모아레 무늬의 위상을 천이 시키게 된다. 이런 격자의 이동은 모아레 무늬의 위상천이뿐만 아니라 모아레 무늬만을 추출하는 이미지 처리 작업에도 필요하다.7 (a) and 7 (d), it can be seen that the moire fringes shown in the two images are the same, while the images corresponding to the grids are moved by half of the grid spacing. This means the movement of the grating, which in turn shifts the phase of the moiré pattern. This movement of the grid is necessary not only for the phase shift of the moire pattern but also for image processing that extracts only the moire pattern.
도 7(b) 및 도 7(c) 또한 모아레 모늬는 동일한 한편, 격자에 해당하는 영상들은 격자 간격의 절반만큼 이동되어 있다. 7 (b) and 7 (c) also show the same moiré monie, while the images corresponding to the lattice are shifted by half the lattice spacing.
동일한 모아레 무늬를 갖는 영상끼리 더하면 모아레 무늬가 보다 선명해진다. 도 8(a)는 도 7(a) 및 도 7(d)의 영상을 더하여 얻은 영상이고, 도 8(b)는 도 7(b) 및 도 7(c)의 영상을 더하여 얻은 영상이다. 이와 같이 하여 고주파 노이즈를 제거하고 보다 선명한 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. If the images with the same moiré pattern are added, the moiré pattern becomes clearer. 8 (a) is an image obtained by adding the images of FIGS. 7 (a) and 7 (d), and FIG. 8 (b) is an image obtained by adding the images of FIGS. 7 (b) and 7 (c). In this way, high frequency noise can be removed and a clearer phase shifted moire pattern can be obtained.
다음, 도 9(a) 내지 도 9(c)는 3개의 위상천이를 통해 얻은 모아레 간섭무늬를 나타낸 것으로, 2??/3씩 위상천이된 것이다. 예를 들어, 상기 액정 표시 소자(15)를 구성하는 하나의 화소마다 2??/3의 위상차를 갖고 있다. Next, FIGS. 9 (a) to 9 (c) show moiré interference fringes obtained through three phase shifts, which are phase shifted by 2 ?? / 3. For example, each pixel constituting the liquid crystal display device 15 has a phase difference of 2 ?? / 3.
도 10(a) 내지 도 10(d)는 4개의 위상천이를 통해 얻은 모아레 간섭무늬를 나타낸 것으로, ??/2씩 위상천이된 것이다. 상기 액정 표시 소자(15)를 이용하여 4개의 위상천이를 시키는 경우, 액정 표시 소자(15)를 구성하는 하나의 화소마다 ??/2의 위상차를 갖고 있다. 이와 같이 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 동일 주기(또는 거리)로 이동시키면 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 10 (a) to 10 (d) show moiré interference fringes obtained through four phase shifts, which are phase shifted by ?? / 2. When four phase shifts are made using the said liquid crystal display element 15, each pixel which comprises the liquid crystal display element 15 has a phase difference of ?? / 2. As such, when the first grid pattern and the second grid pattern are moved at the same period (or distance), high frequency noise can be removed.
다음, 본 발명에 따른 모아레 간섭무늬를 통해 3차원 형상을 측정하는 방법을 나타내는 플로우챠트가 도 11에 도시되어 있다. Next, a flowchart showing a method of measuring a three-dimensional shape through the moire interference fringe according to the present invention is shown in FIG.
먼저, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은 제1 격자 무늬를 생성하고(s10), 제2 격자 무늬를 생성한다(s12). 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬의 격자 연산을 통해 제1 모아레 간섭 무늬를 생성한다(s13). First, the three-dimensional shape measuring method according to the present invention generates a first plaid (s10), and generates a second plaid (s12). A first moire interference fringe is generated through a lattice operation of the first plaid and the second plaid (S13).
그리고, 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬를 동일한 주기(격자 무늬의 주기) 또는 거리만큼 이동시키고(s14), 이동된 후의 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬의 격자 연산을 통해 제2 모아레 간섭 무늬를 생성한다(s16). 이어서, 고주파 노이즈 제거를 위해 제1 간섭 무늬와 제2 간섭 무늬의 평균을 취하여 모아레 무늬를 생성한다(s17). Then, the first plaid and the second plaid are moved by the same period (lattice period) or distance (s14), and the second moire interference through the lattice calculation of the first plaid and the second plaid after the movement. Generate a pattern (s16). Subsequently, a moire fringe is generated by taking the average of the first interference fringe and the second interference fringe to remove high frequency noise (S17).
다음, 위상 천이된 모아레 무늬를 위상천이 알고리즘을 이용하여 처리하여(s18) 3차원 형상을 생성한다. Next, the phase shifted moire fringe is processed using a phase shift algorithm (s18) to generate a three-dimensional shape.
여기서, 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬는 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 격자에 의해 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 액정 표시 소자(15)에 의해 제1 격자무늬를 생성하고, 컴퓨터(25)에 의해 제2 격자무늬를 생성한다. 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 연산하여 1차적 모아레 무늬를 형성한다. 그리고, 액정 표시 소자(15)와 컴퓨터(25)에 의해 같은 주기 또는 같은 거리로 격자 무늬를 이동시켜 2차적 모아레 무늬를 형성한다. 그리고, 1차적 모아레 무늬와 2차적 모아레 모늬의 평균을 취하여 고주파 노이즈를 제거함으로써 좀더 선명한 모아레 무늬를 발생시킬 수 있다. Here, the first plaid and the second plaid may be generated in various ways. For example, it may be formed by a grating. As another method, the first lattice pattern is generated by the liquid crystal display element 15 and the second lattice pattern is generated by the computer 25. The first grid pattern and the second grid pattern are calculated to form a primary moire pattern. Then, the lattice pattern is moved by the liquid crystal display element 15 and the computer 25 at the same period or at the same distance to form a secondary moire pattern. Further, by taking the average of the primary moiré pattern and the secondary moiré monet, it is possible to generate more clear moiré patterns by removing high frequency noise.
상기와 같이 생성된 영상들에 3단계 위상천이 알고리즘(3-step phase shifting algorithm) 또는 4단계 위상천이 알고리즘(4-step phase shifting algorithm)을 적용하여 모아레 무늬에 해당하는 위상 맵을 구한다. 일반적으로 위상천이 알고리즘은 각 영상의 세기 분포로 표현되는 함수에 arc tangent를 취하여 위상을 구한다. arc tangent 함수의 특성상 생성되는 위상은 -??/2 ~ ??/2의 영역이나 -?? ~ ??의 영역으로 한정되어 나타난다. 그러므로 위상천이 알고리즘으로 구한 위상 맵은 불연속적인 부분을 가질 수밖에 없다. 이 단계에서 구한 위상 맵을 래핑된(wrapping) 위상 맵이라고 부르고, 이런 불연속적인 부분을 이어주는 과정을 언래핑(unwrapping) 과정이라고 한다.The phase map corresponding to the moiré pattern is obtained by applying a three-step phase shifting algorithm or a four-step phase shifting algorithm to the generated images. In general, the phase shift algorithm obtains a phase by taking an arc tangent to a function represented by the intensity distribution of each image. Due to the nature of the arc tangent function, the generated phase is in the range of-?? / 2 to ?? / 2 or-?? It is limited to the area of ~ ??. Therefore, the phase map obtained by the phase shift algorithm has a discontinuous part. The phase map obtained in this step is called a wrapping phase map, and the process of connecting these discontinuous parts is called an unwrapping process.
그리고, 언래핑(unwrapping) 프로세스를 통하여 위상 맵에 모아레 무늬의 파장을 곱하면, 위상은 피검체(p)의 높이로 복원된다(s20). 그럼으로써, 피검체의 3차원 형상이 측정된다(s22). 이러한 3차원 형상 측정 방법은 "Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacara, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York 1992"에 개시되어 있다.When the phase map is multiplied by the wavelength of the moire fringe through an unwrapping process, the phase is restored to the height of the subject p (s20). As a result, the three-dimensional shape of the subject is measured (s22). Such a three-dimensional shape measurement method is disclosed in "Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacara, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York 1992".
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법에서는 액정 표시 소자와 컴퓨터에 의해 간단하고 신속하게 격자무늬를 생성 및 위상 천이시킬 수 있으며, 고주파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 제시한다. As described above, the three-dimensional shape measuring method according to the present invention provides a method for generating and phase shifting a lattice pattern simply and quickly by a liquid crystal display device and a computer, and effectively removing high frequency noise.
한편, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 피검체의 형상을 3차원적으로 효과적으로 측정하기 위해 도 12에 도시된 바와 같이 피검체(p)를 회전시키면서 촬영할 수 있다. 여기서, 설비를 좀더 간단히 하기 위해, 광원(10)과 액정 표시 소자(15)와 제1 결상 렌즈(17)를 하나의 하우징에 설치하여 제1 유닛(30)으로 구성하고, 제2 결상 렌즈(18)와 영상감지소자(20)를 하나의 하우징에 설치하여 제2 유닛(35)으로 구성할 수 있다. On the other hand, by using the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can be taken while rotating the subject (p) as shown in Figure 12 to effectively measure the shape of the subject in three dimensions. Here, in order to simplify the installation, the light source 10, the liquid crystal display element 15, and the first imaging lens 17 are installed in one housing to constitute the first unit 30, and the second imaging lens ( 18 and the image sensing device 20 may be installed in one housing to constitute the second unit 35.
다음, 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 복수 개 구비하여 피검체(p) 둘레의 적당한 위치에 설치할 수 있다. 예를 들어, 두 세트의 3차원 형상 측정 장치를 구비하고, 피검체(p)를 중심으로 적당한 간격으로 배치함으로써 피검체(p)를 회전시킬 필요 없이 피검체를 3차원으로 촬영하는 것이 가능해진다. Next, as illustrated in FIG. 13, a plurality of three-dimensional shape measuring apparatuses according to the present invention may be provided and installed at an appropriate position around the subject p. For example, by providing two sets of three-dimensional shape measuring apparatuses and arranging them at appropriate intervals about the subject p, it becomes possible to photograph the subject in three dimensions without having to rotate the subject p. .
도 13에서는 컴퓨터(25)를 두 개 구비한 예를 도시하였지만, 컴퓨터에 인터페이스를 이용하여 두 세트의 3차원 형상 측정 장치에 대해 공통으로 사용될 수도 있다.Although FIG. 13 illustrates an example in which two computers 25 are provided, two sets of three-dimensional shape measuring apparatuses may be commonly used by using an interface to the computer.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은, 모아레 무늬 발생 알고리즘과 위상천이 알고리즘을 적용하여 피검체의 3차원 형상을 정밀하고 선명하게 측정할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 모아레 무늬 발생 알고리즘은 기존의 모아레 무늬 발생 방법들에 비해 측정 정보의 손상을 최소화하면서 불필요한 노이즈를 제거할 수 있는 새로운 방법으로서 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.As described above, the three-dimensional shape measuring method according to the present invention may apply the moire fringe generation algorithm and the phase shift algorithm to accurately and clearly measure the three-dimensional shape of the subject. The moire fringe generation algorithm according to the present invention can improve measurement accuracy as a new method capable of removing unnecessary noise while minimizing damage to measurement information, compared to existing moire fringe generation methods.
또한, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 액정 표시 소자를 이용하여 제1 격자무늬를 생성하고, 컴퓨터에 의해 제2 격자무늬를 생성하여 모아레 무늬를 형성하므로 간단하고 신속하게 3차원 형상을 측정할 수 있다. 다시 말하면, 모아레 무늬의 위상천이를 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 필요 없이 전기적 작용만으로 가능하므로 매우 빠르게 3차원 형상 측정을 할 수 있다. 따라서, 사람이나 움직이는 피사체를 촬영하는 경우 유리하게 이용할 수 있다. In addition, the three-dimensional shape measurement apparatus according to the present invention generates a first lattice pattern by using a liquid crystal display element, and generates a second lattice pattern by a computer to form a moire pattern, so that the three-dimensional shape can be measured simply and quickly. can do. In other words, it is possible to perform three-dimensional shape measurement very quickly because only the electrical action is possible without moving the grating mechanically for the phase shift of the moire pattern. Therefore, when photographing a person or a moving subject, it can be advantageously used.
상기 구성에 의해, 단순화된 3차원 측정 장치로부터 매우 신속하고, 정밀한 3차원 형상의 측정이 가능하다.With this arrangement, very fast and precise three-dimensional shape measurement is possible from a simplified three-dimensional measuring device.
기존의 격자는 제조가 용이하지 않고 위상천이를 시키기 위해 격자를 기계적으로 이동시켜야 하기 때문에 위상천이에 시간이 많이 들 뿐만 아니라, 기계적 조작에 의해 이루어지기 때문에 정밀 조작에 한계가 있다. 이에 반해, 본 발명에 따른 측정 장치에서는 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하기 때문에 촬영속도가 현저히 빠를 뿐 아니라 제어가 용이한 이점이 있다. Existing gratings are not easy to manufacture and have to move the grating mechanically in order to perform phase shifting, so that the phase shifting takes a lot of time, and the mechanical grating is limited in precision operation. On the contrary, in the measuring device according to the present invention, since the liquid crystal display element and the computer are used, the photographing speed is notably fast and the control is easy.
더욱이, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 생성한 격자무늬를 같은 주기만큼 이동시켜 효과적으로 노이즈를 제거함으로써 선명한 3차원 형상을 얻을 수 있다.Furthermore, a clear three-dimensional shape can be obtained by moving the lattice pattern generated by using the liquid crystal display element and the computer by the same period to effectively remove noise.
또한, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 3차원 형상을 촬영하는 것이 가능하므로 설치비용이나, 설치 공간이 적게 들어 상용화가 가능하다. 더 나아가, 사람 얼굴을 간단하게 3차원적으로 촬영하는 것이 가능하고, 이 촬영된 영상을 이용하여 컴퓨터 게임이나 교육 프로그램 등에 접목시켜 그 응용 분야를 넓힐 수 있다. In addition, since it is possible to photograph a three-dimensional shape using a liquid crystal display element and a computer, installation cost and installation space are small, and commercialization is possible. Furthermore, it is possible to simply photograph a human face three-dimensionally, and use the photographed image to be combined with a computer game or an education program to expand its application field.
도 1은 모아레 무늬가 형성되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle that the moire fringe is formed.
도 2는 종래의 격자를 이용한 그림자식 위상천이 모아레 형상 측정 장치를 나타낸 것이다.Figure 2 shows a shadow phase transition moiré shape measuring apparatus using a conventional grid.
도 3은 종래의 투영식 위상천이 모아레 형상측정 장치를 나타낸 것이다.3 shows a conventional projection phase shift moiré shape measuring apparatus.
도 4는 종래의 구조화된 패턴 투영식 형상측정 장치를 나타낸 것이다.4 shows a conventional structured pattern projection shape measurement apparatus.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 개략적인 구성도이다.5A is a schematic configuration diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5b는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 액정 표시 소자에 의해 격자무늬가 형성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.5B is a view for explaining the lattice pattern formed by the liquid crystal display element employed in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.
도 6(a)는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 액정 표시 소자에 의해 형성되는 제1 격자무늬를 나타낸 것이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 격자무늬를 위상천이 시킨 후의 격자무늬를 나타낸 것이다.Fig. 6 (a) shows the first lattice pattern formed by the liquid crystal display element employed in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, and Fig. 6 (b) shows the phase shift of the lattice pattern in Fig. 6 (a). The grid pattern after making it appear.
도 6(c)는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 컴퓨터에 의해 형성되는 제2 격자무늬를 나타낸 것이고, 도 6(d)는 도 6(c)의 격자무늬를 위상천이 시킨 후의 격자무늬를 나타낸 것이다.Fig. 6 (c) shows a second lattice pattern formed by a computer employed in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, and Fig. 6 (d) shows the phase shift of the lattice pattern in Fig. 6 (c) after phase shifting. It shows a grid pattern.
도 7(a)는 도 6(a)의 격자무늬와 도 6(c)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.FIG. 7 (a) is an interference fringe obtained by interfering the lattice pattern of FIG. 6 (a) and the lattice pattern of FIG. 6 (c).
도 7(b)는 도 6(a) 및 도 6(d)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.FIG. 7B is an interference pattern obtained by interfering a lattice pattern of FIGS. 6A and 6D.
도 7(c)는 도 6(b) 및 도 6(c)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.FIG. 7C is an interference pattern obtained by interfering a lattice pattern of FIGS. 6B and 6C.
도 7(d)는 도 6(b) 및 도 6(d)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.FIG. 7 (d) is an interference fringe obtained by interfering the lattice fringes of FIGS. 6 (b) and 6 (d).
도 8(a)는 도 7(a) 및 도 7(d)를 합하여 얻은 무늬이고, 도 8(b)는 도 7(b) 및 도 7(c)를 합하여 얻은 무늬이다.FIG. 8 (a) is a pattern obtained by combining FIGS. 7 (a) and 7 (d), and FIG. 8 (b) is a pattern obtained by combining FIGS. 7 (b) and 7 (c).
도 9(a) 내지 도 9(c)는 3장의 위상 천이된 모아레 간섭무늬를 나타낸 사진이다. 9 (a) to 9 (c) are photographs showing three phase shifted moire interference fringes.
도 10(a) 내지 도 10(c)는 4장의 위상 천이된 모아레 간섭무늬를 나타낸 사진이다. 10 (a) to 10 (c) are photographs showing four phase shifted moire interference fringes.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.11 is a flowchart for explaining a three-dimensional shape measuring method according to the present invention.
도 12는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 피검체를 촬영하는 일 예를 나타낸 것이다.12 illustrates an example of photographing a subject using a 3D shape measuring apparatus according to the present invention.
도 13은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치가 한 쌍 구비되어 피검체를 3차원적으로 촬영하는 예를 나타낸 것이다.FIG. 13 shows an example in which a pair of three-dimensional shape measuring apparatuses according to the present invention is provided to photograph an object in three dimensions.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
10...광원, 15...액정 표시 소자10 ... light source, 15 ... liquid crystal display element
17,18...결상 렌즈, 20...영상감지소자17, 18 imaging lens, 20 image sensing element
25...컴퓨터, p...피검체25 Computer, p ...
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