KR20070054784A - System and method for obtaining shape and reflectance information of object surfaces from two images - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 능동조명(active light: light for active vision)과 수동조명(passive light: light for passive vision)으로 구성된 조명시스템으로 정현파 패턴(sinusoidal pattern)의 위상천이(phase shifting)와 반구면조명(hemispherical lighting)의 근사 조명을 구현하고, 이를 이용하여 최소 2개 영상으로부터 위상(phase)을 복원하고 이를 바탕으로 대상 물체의 표면 형상 정보를 얻는 동시에 대상 물체의 표면 반사율 정보를 획득하도록 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법에 관한 것으로서,The present invention relates to a system and method for obtaining object surface shape and reflectance information using two images, and more particularly, to active light (light for active vision) and passive light (light for passive vision). The constructed illumination system implements phase shifting of sinusoidal pattern and approximation of hemispherical lighting, and uses it to restore phase from at least two images. A system and method for obtaining object surface shape and reflectance information using two images for acquiring surface shape information of a target object and acquiring surface reflectance information of the target object.
본 발명을 적용하면, 2개 영상에서 위상천이 및 반구면 근사 조명을 기반으로 하여 물체 표면 형상 및 반사율 정보를 동시에 획득할 수 있게 되고, 조명 소스의 ON/OFF 동작이나 조명의 개폐 동작 없이도 물체 표면 형상 및 반사율 정보의 동시 획득이 가능함에 따라 조명 사용의 제약을 한층 감소시킬 수 있게 되어, 표면 형상 데이터 획득 시간 및 반사율 데이터 획득 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되고, 고해상도 데이터를 보다 쉽게, 보다 고속으로, 보다 적은 비용으로 획득할 수 있게 되며, 위상천이 기술을 활용하는 분야의 다양성을 높이게 되는 효과가 있다.According to the present invention, the object surface shape and reflectance information can be obtained simultaneously based on the phase shift and hemispherical approximation illumination in two images, and the object surface can be obtained without the ON / OFF operation of the illumination source or the opening / closing operation of the illumination. Simultaneous acquisition of shape and reflectance information can further reduce constraints on lighting usage, significantly reducing surface shape data acquisition time and reflectance data acquisition time, and making high resolution data easier and faster. In other words, it can be obtained at a lower cost and increases the diversity of the fields using the phase shift technology.
Description
도 1은 본 발명의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면1 is a view showing a schematic configuration of an object surface shape and reflectance information acquisition system using two images of the present invention
도 2는 도 1의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템에서 형상/반사율 획득장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a shape / reflectance obtaining apparatus in an object surface shape and reflectance information obtaining system using the two images of FIG. 1.
도 3은 본 발명의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도3 is a flowchart schematically illustrating a method for obtaining object surface shape and reflectance information using two images of the present invention.
도 4는 3개 정현파 위상천이의 각 광도 분포곡선과 각 패턴영상을 나타내는 도면FIG. 4 is a diagram illustrating each luminance distribution curve and each pattern image of three sinusoidal phase shifts. FIG.
도 5는 정현파 조명패턴을 대상물체의 표면에 영사하여 카메라로 촬영한 영상을 나타내는 도면5 is a view showing an image captured by a camera by projecting a sine wave illumination pattern on the surface of the object;
도 6은 도 5의 영상에서 위상을 복원하기 위해 2개 위치에서 광도값을 취하는 방식을 나타내는 도면FIG. 6 is a diagram illustrating a method of taking luminance values at two positions to restore a phase in the image of FIG. 5; FIG.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시 스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면7 is a view showing a schematic configuration of an object surface shape and reflectance information acquisition system according to an embodiment of the present invention
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100 : 대상물체 200 : 능동조명(active light) 장치100: object 200: active light device
300 : 수동조명(passive light) 장치 400 : 촬영장치300: passive light device 400: photographing device
500 : 형상/반사율 획득장치 500-1 : 형상복원 모듈500: shape / reflectance acquisition device 500-1: shape restoration module
510 : 제1 광도값 산출부 520 : 뺄셈기510: first brightness value calculator 520: subtractor
530 : 제2 광도값 산출부 540 : 역변환부530: second brightness value calculator 540: inverse converter
550 : 곱셈기 560 : 형상 복원부550: multiplier 560: shape recovery unit
500-2 : 반사율 획득 모듈 570 : 덧셈기500-2: reflectance acquisition module 570: adder
590 : 반사율 획득부 590: reflectance acquisition unit
본 발명은 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 능동조명(active light: light for active vision)과 수동조명(passive light: light for passive vision)으로 구성된 조명시스템으로 정현파 패턴(sinusoidal pattern)의 위상천이(phase shifting)와 반구면조명(hemispherical lighting)의 근사 조명을 구현하고, 이를 이용하여 최소 2개 영상으로부터 위상(phase)을 복원하고 이를 바탕으로 대상 물체의 표면 형상 정보를 얻는 동시에 대상 물체의 표면 반사율 정보를 획득하도록 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for obtaining object surface shape and reflectance information using two images, and more particularly, to active light (light for active vision) and passive light (light for passive vision). The constructed illumination system implements phase shifting of sinusoidal pattern and approximation of hemispherical lighting, and uses it to restore phase from at least two images. An object surface shape and reflectance information acquisition system and method using two images for acquiring surface shape information of a target object and simultaneously obtaining surface reflectance information of a target object.
일반적으로, 물체 표면의 외관은 물체의 질적, 양적 및 구조적 특성을 추정하는 중요한 단서가 된다. 물체 고유의 특성 중에서도 주로 표면 형상 및 반사율이 물체의 외관을 결정짓게 된다. 이 때문에 그 동안의 많은 연구 및 응용에서는, 물체의 외관을 기술하기 위해, 주로 표면의 형상 정보와 반사율 정보를 각기 이용해 왔다.In general, the appearance of an object surface is an important clue to estimating the qualitative, quantitative and structural properties of an object. Among the inherent characteristics of the object, mainly the surface shape and reflectivity determine the appearance of the object. For this reason, many studies and applications in the past have mainly used surface shape information and reflectance information, respectively, to describe the appearance of an object.
실제 물체 표면의 형상 및 반사율 정보를 취득하는 경우에, 그 동안의 많은 연구는 이들 각각을 독립적으로 획득하는 경우가 대부분이었으며, 두 가지 종류의 정보를 동시에 획득하는 연구에서조차도 이들을 따로 획득하는 데 소요되는 양과 유사한 데이터 수 (이를테면, 영상의 개수), 시간, 계산양 등을 필요로 하였다.In the case of acquiring the shape and reflectance information of the real object surface, many of the studies in the past have acquired each of them independently, and even in the case of acquiring two kinds of information simultaneously, it is necessary to acquire them separately. Similar amounts of data (such as the number of images), time, amount of computation, etc. were required.
일반적으로, 물체 표면의 기하학적 형상 정보를 획득하는 방법은 접촉식과 비접촉식으로 구분된다. 이 중에서 본 발명은 비접촉식 방법에 관한 것으로, 표면 형상 획득 대상에 접촉하지 않는 비접촉 방식으로는 광학식 방법이 대표적이다.In general, a method of obtaining geometric shape information of an object surface is classified into a contact type and a non-contact type. Among these, the present invention relates to a non-contact method, and an optical method is representative of the non-contact method that does not contact the surface shape acquisition target.
광학식 거리영상(표면 형상 정보) 획득방법 중에서도 거리영상을 고해상도로 복원하기 위해서는 특수한 조명패턴을 이용하는 능동비전(active vision) 방식을 주로 사용한다.Among the optical distance image (surface shape information) acquisition methods, an active vision method using a special illumination pattern is mainly used to reconstruct the distance image at high resolution.
능동비전 방식의 대표적인 기술로는 K.L.Boyer et al.의 컬러코드 구조광(color-encoded structured light), P.S. Huang et al.의 컬러 줄무늬패턴(color fringe pattern), C. Je et al.의 고대비 컬러띠 패턴(high-contrast color-stripe pattern), J. Tajima et al.의 무지개 패턴(rainbow pattern), D. Caspi et al.의 적응 컬러 구조광(adaptive color structured light), O. Hall-Holt et al.의 흑백경계코드(black/white boundary codes) 등이 있다.Representative technologies of the active vision method include color-encoded structured light by K.L. Boyer et al., P.S. Huang et al.'S color fringe pattern, C. Je et al's high-contrast color-stripe pattern, J. Tajima et al.'S rainbow pattern, Adaptive color structured light from D. Caspi et al., Black / white boundary codes from O. Hall-Holt et al.
한편, 물체 표면의 반사율 정보를 취득하는 방법으로는 G. Ward의 비등방성 반사율 측정, S.R. Marschner et al.의 영상기반 BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function) 측정, Y. Yu et al.의 역(inverse) 광역 조명 등이 대표적이다.On the other hand, G. Ward's anisotropic reflectivity measurement, S.R. Image-based Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) measurements by Marschner et al. And inverse wide area illumination by Y. Yu et al.
최근에 와서는, 물체 표면의 형상 및 반사율 정보를 동시에 획득할 수 있는 방법이 절실히 요구되었고, 이에 따라 Y. Sato et al.의 형상 및 반사율 모델링, 대한민국특허 10-0449175 "광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템" 및 미국특허출원 20040047517 "Shadow-free 3D and 2D measurement system and method" 등과 같은 기술들이 개발되었다.Recently, there is an urgent need for a method for simultaneously acquiring shape and reflectance information of an object surface, and accordingly, the shape and reflectance modeling of Y. Sato et al., Korea Patent 10-0449175 "Optical two-dimensional and three-dimensional Techniques such as shape measurement system "and US patent application 20040047517" Shadow-free 3D and 2D measurement system and method ".
그러나, 상기와 같은 기술들을 사용하여도 소요되는 데이터 수(예를 들어, 영상의 개수), 시간, 계산양 등을 크게 줄이는 데는 한계가 있었다. 또한, 형상 및 반사율 정보 획득을 위한 조명 기구 및 장치에 있어서, 정확한 반사율 정보 획득을 위한 반구면 조명법 등에 기초하지 않거나, 조명 소스의 ON/OFF 동작이나 조명의 개폐 동작을 필요로 하는 등 보다 정확한 정보 획득이나 보다 광범위한 응용 등에는 제약이 있었다.However, there is a limit to greatly reducing the number of data (for example, the number of images), the time, the amount of calculation, and the like even when using the above techniques. In addition, in the luminaire and the device for acquiring the shape and reflectance information, it is not based on the hemispherical illumination method for obtaining the accurate reflectance information, or more accurate information such as the on / off operation of the illumination source or the opening and closing operation of the illumination There were limitations to acquisition and broader applications.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 능동조명(active light: light for active vision)과 수동조명(passive light: light for passive vision)으로 구성된 조명시스템으로 정현파 패턴(sinusoidal pattern)의 위상천이(phase shifting)와 반구면조명(hemispherical lighting)의 근사 조명을 구현하고, 이를 이용하여 최소 2개 영상으로부터 위상(phase)을 복원하고 이를 바탕으로 대상 물체의 표면 형상 정보를 얻는 동시에 대상 물체의 표면 반사율 정보를 획득하도록 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다. The present invention has been made to solve the above problems, the object is a sinusoidal pattern (sinusoidal) as an illumination system consisting of active light (light for active vision) and passive light (passive light: light for passive vision) Implement phase shifting of patterns and approximate illumination of hemispherical lighting, and use them to recover phases from at least two images and obtain surface shape information of the object based on them. An object surface shape and reflectance information acquisition system and method using two images for acquiring surface reflectance information of a target object at the same time.
또한, 본 발명의 다른 목적은 능동조명과 수동조명으로 구성된 조명시스템으로 인하여 얻어진 최소 2개의 영상만으로 물체 표면 형상 및 반사율 정보를 획득함으로써, 표면 형상 획득 시간 및 반사율 획득 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to obtain the surface shape and reflectance information of the object only by at least two images obtained by the illumination system composed of active and passive lighting, thereby significantly reducing the surface shape acquisition time and reflectance acquisition time 2 The present invention provides a system and method for obtaining object surface shape and reflectance information using dog images.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 능동조명과 수동조명으로 구성된 조명시스템으로 인하여 얻어진 최소 2개의 영상을 이용함으로써 고해상도 데이터를 보다 쉽게, 보다 고속으로, 보다 적은 비용으로 구현할 수 있도록 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to use a minimum of two images obtained by the illumination system consisting of active and passive lighting to create two images that make it possible to implement high resolution data more easily, faster and at a lower cost. The present invention provides a system and method for obtaining object surface shape and reflectance information.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 조명 소스의 ON/OFF 동작이나 조명의 개폐 동작 없이도 물체 표면 형상 및 반사율 정보의 동시 획득이 가능함에 따라 조명 사 용의 제약을 한층 감소시킬 수 있도록 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to enable the simultaneous acquisition of the object surface shape and reflectance information without the ON / OFF operation of the light source or the opening and closing operation of the light source, the two images to further reduce the restrictions on the use of lighting An object surface shape and reflectance information acquisition system and method are provided.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 대상물체에 정현파 패턴 구조광(structured-light)을 영사하는 능동조명장치와, 상기 대상물체에 비(非)구조광(unstructured-light)을 조사하는 적어도 하나의 수동조명장치와, 상기 대상물체의 영상을 촬영하는 촬영장치와, 상기 촬영장치에 연결되어 촬영된 영상을 처리하여 표면 형상 및 반사율을 획득하는 형상/반사율 획득장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템을 제공한다.According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, an active lighting device for projecting a sine wave pattern structured light on an object, and an unstructured light on the object At least one manual lighting device for irradiating the image, a photographing device for photographing an image of the object, and a shape / reflectance obtaining device for processing a photographed image connected to the photographing device to obtain a surface shape and reflectance; An object surface shape and reflectance information acquisition system using two images is provided.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 형상/반사율 획득장치는 촬영된 영상의 임의의 위치에서의 제1 광도값들을 산출하는 제1 광도값 산출부와, 산출된 제1 광도값들에 대하여 감산처리를 행하는 뺄셈기와, 상기 뺄셈기의 결과에 설정된 값을 적용하여 제2 광도값들을 산출하는 제2 광도값 산출부와, 상기 제2 광도값 산출부의 하나의 제2 광도값에 역수처리를 행하는 역변환부와, 상기 제2 광도값 산출부의 나머지 제2 광도값과 상기 역변환부의 결과값에 대하여 곱셈처리를 행하는 곱셈기와, 상기 곱셈기의 결과를 통해 위상을 복원하고 그 값을 이용하여 대상물체의 형상정보를 획득하는 형상복원부를 포함하여 구성된 형상복원모듈; 및In this case, according to an additional aspect of the present invention, the shape / reflectivity obtaining apparatus may include a first luminance value calculator for calculating first luminance values at an arbitrary position of a captured image, and the calculated first luminance values. A subtractor which performs a subtraction process on the subtractor, a second luminance value calculator which calculates second luminance values by applying a value set to the result of the subtractor, and a reciprocal process of one second luminance value of the second luminance value calculator A multiplier performing a multiplication process on the remaining second intensity value of the second intensity value calculator and the resultant value of the inverse transform unit, and restoring a phase through the result of the multiplier and using the value A shape restoring module including a shape restoring unit for acquiring shape information of the body; And
상기 제1 광도값 산출부로부터 산출된 제1 광도값들에 대하여 가산처리를 행하는 덧셈기와, 상기 덧셈기의 결과로부터 반사율 정보를 획득하는 반사율 획득부를 포함하여 구성된 반사율 획득 모듈로 구성되는 것이 바람직하다.Preferably, the reflector acquiring module includes an adder for performing an addition process on the first luminous intensity values calculated by the first luminous intensity value calculating unit and a reflectance obtaining unit for obtaining reflectance information from the result of the adder.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 수동조명장치는, 상기 수동조명장치가 1개인 경우에, 상기 능동조명장치의 정현파 패턴 구조광에 대하여 대칭이 되는 각도로 수동조명을 조사할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.According to an additional feature of the present invention, the at least one passive lighting device, when the passive lighting device is one, irradiates the passive lighting at an angle symmetrical with respect to the sine wave pattern structured light of the active lighting device. It is desirable to be installed in a position where it can be.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 특징에 따르면, 비(非)구조광을 수동조명장치를 통해 상기 대상물체 표면에 조사하는 동안, 소정의 공간주파수( )를 갖는 정현파 패턴 구조광을 상기 능동조명장치를 통해 위상을 달리하여 2회에 걸쳐 대상물체 표면에 영사한 후 그 장면을 촬영장치로 촬영하는 제1 과정;According to a second aspect of the present invention for achieving the above object, while irradiating non-structured light to the surface of the object through a manual lighting device, a predetermined spatial frequency ( A first step of projecting a sinusoidal pattern structured light having a phase) onto the surface of an object twice by changing phases through the active lighting device, and then photographing the scene with a photographing apparatus;
제1 과정에서 촬영한 영상의 임의의 지점에서, 특정한 위상차 π에 따라 하기의 식과 같은 2개의 제1 광도값들을 얻는 제2 과정;A second process of obtaining two first luminance values as shown in the following equation according to a specific phase difference π at an arbitrary point of the image photographed in the first process;
제2 과정에서 얻어진 2개의 제1 광도값들에 대하여 가산처리를 행하여 하기의 식과 같은 값을 얻는 제3 과정;A third step of performing an addition process on the two first brightness values obtained in the second step to obtain a value such as the following equation;
여기서, , , 이다.here, , , to be.
제3과정에서 산출된 결과값을 토대로 대상물체의 반사율 정보를 획득하는 제4 과정;A fourth step of obtaining reflectance information of the object based on the result value calculated in the third step;
제2 과정에서 얻어진 2개의 제1 광도값들에 대하여 감산처리를 행하여 하기 의 식과 같은 값을 얻는 제5 과정;A fifth step of subtracting the two first brightness values obtained in the second step to obtain a value such as the following equation;
여기서, , 이다.here, , to be.
제5 과정에서 얻어진 식에 상기 임의의 지점에서 2개의 일정변위값 을 적용하여 하기의 식과 같은 2개의 제2 광도값들을 얻는 제6 과정;Two constant displacement values at the arbitrary points in the equation obtained in the fifth step A sixth process of obtaining two second luminous intensity values such as the following equation;
여기서, 상기 2개의 일정변위값 에 대하여 의 식으로 결정되는 값이 각각 , 가 되도록 한다.Here, the two constant displacement values about Determined by Each value is , To be
제6 과정에서 얻어진 의 역수를 취해 소정의 값을 얻는 제7 과정;Obtained in the sixth step A seventh process of taking a reciprocal of to obtain a predetermined value;
제6 과정에서 얻어진 과 제7 과정에서 얻어진 의 역수값에 대하여 곱셈을 실행하여 하기의 식과 같은 값을 얻어 위상을 복원하는 제8 과정;Obtained in the sixth step Obtained in step 7 An eighth step of performing multiplication on an inverse value of to obtain a value equal to the following equation and restoring a phase;
상기에서 구해진 위상 정보를 토대로 기하학적 보정을 통해, 대상 물체표면의 형상 정보를 획득하는 제9 과정; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중영상을 이용한 거리영상 획득방법을 제공한다.A ninth process of obtaining shape information of the surface of the object through geometric correction based on the obtained phase information; It provides a distance image acquisition method using a dual image comprising a.
또한, 본 발명의 또 다른 부가적인 특징에 따르면, 설정된 2개의 값은 서 로 π/2 의 위상차가 나는 것이 바람직하다.In addition, according to another additional feature of the invention, It is preferable that the values have a phase difference of π / 2.
또한, 본 발명의 또 다른 부가적인 특징에 따르면, 가 일반적인 값들일 때, 상기 제6 과정에서 얻어진 2개의 제 2 광도값들에 대하여 하기의 식:Furthermore, according to another additional feature of the invention, Are general values, the following equations for the two second luminous intensity values obtained in the sixth step:
과 같이 두 값의 가산처리 및 감산처리를 행한 후 상기 가산처리의 결과값에 대하여 제7 과정을 적용하여 그 역수값을 얻고 상기 감산처리의 결과값 및 상기 가산처리의 역수값에 대하여 제8 과정을 적용하여 그 곱셈값을 얻는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.After adding and subtracting the two values as described above, the reciprocal value is obtained by applying the seventh process to the resultant value of the addition process, and the eighth process for the reciprocal value of the addition process and the reciprocal value of the addition process. It is preferable to further include the step of obtaining the multiplication value by applying.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 능동조명장치의 정현파 패턴 구조광 및 수동조명장치의 비(非)구조광이 함께 조사된 상태에서 물체 표면 형상 및 반사율 정보를 동시에 획득하는 것이 바람직하다.At this time, according to an additional feature of the present invention, it is preferable to simultaneously acquire the object surface shape and reflectance information in a state where the sine wave pattern structured light of the active lighting device and the non-structured light of the passive lighting device are irradiated together. .
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the present invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부도면 도 1은 본 발명의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정 보 획득 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템에서 형상/반사율 획득장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이며, 도 3은 본 발명의 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이고, 도 4는 3개 정현파 위상천이의 각 광도 분포곡선과 각 패턴영상을 나타내는 도면이며, 도 5는 정현파 조명패턴을 대상물체의 표면에 영사하여 카메라로 촬영한 영상을 나타내고, 도 6은 도 5의 영상에서 위상을 복원하기 위해 2개 위치에서 광도값을 취하는 방식을 나타내며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an object surface shape and reflectance information acquisition system using two images of the present invention, and FIG. 2 is an object surface shape and reflectance information acquisition system using two images of FIG. 1. Is a block diagram schematically illustrating a configuration of a shape / reflectance obtaining apparatus, FIG. 3 is a flowchart schematically illustrating a method of obtaining object surface shape and reflectance information using two images of the present invention, and FIG. 4 is a diagram of three sinusoidal phases. 5 is a diagram illustrating each luminance distribution curve of the transition and each pattern image, and FIG. 5 illustrates an image captured by a camera by projecting a sine wave illumination pattern onto a surface of an object, and FIG. FIG. 7 is a schematic diagram of an object surface shape and reflectance information acquisition system according to an embodiment of the present invention. It shows the configuration.
상기 첨부도면 도 1을 참조하면, 대상물체(100)와, 상기 대상물체(100)에 정현파 패턴 구조광(structured-light)을 영사하는 능동조명장치(200)와, 상기 대상물체(100)에 비(非)구조광(unstructured-light)을 조사하는 수동조명장치(300)와, 영상을 획득하는 촬영장치(400) 및 상기 촬영장치(400)에 연결되어 상기 대상물체(100)로부터 표면 형상 및 반사율 정보를 획득하는 형상/반사율 획득장치(500)가 구비된다.Referring to FIG. 1, the
이때, 상기 능동조명장치(200)는 조명소스(light source), 조명패턴, 렌즈, 거울, 프리즘, 필터 등의 적절한 조합을 포함한다. In this case, the
상기 능동조명장치(200)에서는 도 4에 도시된 바와 같은 정현파 패턴 구조광이 영사되게 되는데, 정현파 패턴은 빔 프로젝터, 격자 슬라이드 등 다양한 종류의 조명 시스템에 의해 생성될 수 있다.In the
상기 수동조명장치(300)는 비(非)구조광이 상기 대상물체(100)에 조사되게 한다.The
이때, 상기 수동조명장치(300)는 적어도 한 개 이상의 수동조명을 능동조명과 다른 방향에서 소정의 각으로 입사시킴으로써, 상기 대상물체(100)의 표면에서 경면반사성분과 기하학적 음영성분에 의한 영향을 최소화시키는 반구면 조명법의 근사적 조명 방식으로 상기 대상물체(100) 표면의 반사율 정보를 정확하게 획득할 수 있다.In this case, the
여기에서, 상기 수동조명이 하나일 때, 입사되는 소정의 각은 상기 능동조명이 입사되는 각과 대칭이 되는 것이 바람직하다(도면 1 참조).Here, when the passive light is one, it is preferable that the predetermined angle of incidence is symmetrical with the angle of incidence of the active light (see Fig. 1).
상기 촬영장치(400)는 카메라, 렌즈, 필터 등의 적절한 조합을 포함하게 된다.The photographing
본 발명에서는 능동조명과 수동조명이 상기 능동조명장치(200) 및 수동조명장치(300)로부터 상기 대상물체(100)에 조사되었을 때, 상기 촬영장치(400)로 그 장면을 촬영한다. 이 때 정현파 패턴의 위상 천이를 통해 2개의 영상을 획득한다. 이 동작에 의해 도 5에 도시된 바와 같은 영상이 얻어지며, 상기 형상/반사율 획득장치(500)에서 2개 영상에서의 광도값의 차를 이용하여 영상의 각 지점(픽셀)에서의 위상(phase)을 복원하고 이를 바탕으로 대상 물체의 표면형상을 획득하며, 2개 영상에서의 광도값의 합을 이용하여 대상물체의 반사율을 획득하게 된다.In the present invention, when the active light and passive light is irradiated to the
일반적인 정현파 위상천이 방식에서는 임의의 위치에서의 광도값( )이 위 상천이에 따라 달라진다.In the general sinusoidal phase shift method, the luminance value at an arbitrary position ( This depends on the transition.
이 식에서 a, b는 상수, x는 위치좌표, 는 x 위치에서의 위상값, 는 각 위상천이에서의 천이값을 나타낸다. 여기서 3개의 미지수, a, b, 가 있으므로, 위상을 복원하기 위해서는 일반적으로 3개 이상의 식이 필요하다. 즉, 동일 위치에서 얻은 3개 이상의 위상천이 광도 정보가 필요한 것이다.Where a, b are constants, x is a positional coordinate, Is the phase value at position x, Represents a transition value in each phase shift. Where three unknowns, a, b, Therefore, three or more equations are generally required to restore the phase. That is, three or more phase shift luminance information obtained at the same position is required.
잘 알려진 3개 위상천이의 위상은 아래 식으로 구할 수 있다.The phases of three well known phase shifts can be obtained by the following equation.
여기서 3개의 천이값은 이다. 이렇게 해서 일반적으로 3개 이상의 위상천이로 각각의 영상을 얻으면, 이를 통해 각 위치에서의 위상을 복원할 수 있다. 위상을 복원한 뒤에는 적절한 기하학적 보정(geometric calibration)을 통해 물체 표면의 형상 정보를 획득할 수 있다.Where the three transitions are to be. In this way, if each image is generally obtained by three or more phase shifts, it is possible to restore the phase at each position. After reconstructing the phase, shape information on the surface of the object can be obtained through appropriate geometric calibration.
본 발명에서는 2개의 영상으로부터 위상을 복원하고, 물체 표면 형상과 반사율 정보를 획득하고자 한다. 우선 충분히 높은 공간주파수( )를 갖는 정현파 패턴의 능동조명을 사용한다. 상기 정현파 패턴을 상기 대상물체(100)의 표면에 영사한 후 그 장면을 촬영장치(400)으로 촬영한다. 그 뒤, 상기 형상/반사율 획득장치(500)를 통해 상기 대상물체(100) 표면의 형상 및 반사율 정보를 획득한다.In the present invention, to restore the phase from the two images, to obtain the object surface shape and reflectance information. First, a sufficiently high spatial frequency ( Sine wave pattern with active light. The sine wave pattern is projected onto the surface of the
상기 첨부도면 도 2를 참조하여 상기 형상/반사율 획득장치(500)의 구성을 상세히 설명하면, 도면번호 500-1은 형상복원모듈 및 500-2는 반사율획득모듈을 나타낸다.The configuration of the shape /
상기 형상복원모듈(500-1)은 제1 광도값 산출부(510), 뺄셈기(520), 제2 광도값 산출부(530), 역변환부(540), 곱셈기(550) 및 형상복원부(560)을 포함한다.The shape restoration module 500-1 includes a first
상기 제1 광도값 산출부(510)는 촬영한 각 영상의 임의의 위치 x에서의 2개의 제1 광도값들을 산출한다.The first
상기 뺄셈기(520)는 상기 제1 광도값 산출부(510)로부터 전송된 상기 2개의 제1 광도값들에 대하여 감산처리를 행한다.The
상기 제2 광도값 산출부(530)는 상기 뺄셈기(520)로부터 전송된 결과에 설정된 값을 적용하여 2개의 제2 광도값들을 산출한다.The second
상기 역변환부(540)는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 전송된 하나의 결과에 역수처리를 행한다.The
상기 곱셈기(550)는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 전송된 나머지 하나의 결과와 상기 역변환부(540)로부터 전송된 역수처리된 결과에 대하여 곱셈처리를 행한다.The
상기 형상복원부(560)는 상기 곱셈기(550)로부터 전송된 결과에서 얻어진 위상 정보를 이용하여 대상물체의 표면형상을 획득한다.The
상기 반사율 획득 모듈(500-2)은 덧셈기(570)와 반사율획득부(590)를 포함한다. The reflectance obtaining module 500-2 includes an
상기 덧셈기(570)는 상기 제1 광도값 산출부(510)로부터 산출된 제1 광도값 들에 대하여 가산처리를 행한다.The
상기 반사율 획득부(590)는 상기 덧셈기(570)의 결과로부터 상기 대상물체(100)의 임의의 위치 x에서의 반사율 정보를 획득한다.The
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템의 동작을, 첨부한 도 3의 흐름도를 참조하여 설명하고자 한다.The operation of the object surface shape and reflectance information acquisition system using the two images according to the present invention having the above configuration will be described with reference to the flowchart of FIG. 3.
상기 수동조명장치(300)는 비(非)구조광을 상기 대상물체(100)에 조사한다. 동시에, 상기 능동조명장치(200)는 상기 정현파 패턴 구조광을 위상을 달리하여 2회에 걸쳐 상기 대상물체(100)에 영사한다. 그 뒤, 상기 촬영장치(400)는 상기 비구조광 및 상기 정현파 패턴 구조광이 조사된 장면을 촬영한다(S10 단계 참조).The
여기에서, 상기 2회의 정현파 구조광 영사 및 촬영에서 정현파 패턴의 위상차는 π인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the phase difference of the sine wave pattern in the two sine wave structure light projection and imaging is π.
그 뒤, 상기 형상/반사율 획득장치(500)의 상기 형상복원모듈(500-1)의 제1 광도값 산출부(510)는 아래의 수학식 1을 기반으로, 촬영한 각 영상의 임의의 위치 x에서의 제1 광도값들을 산출한다(S20 단계 참조).Subsequently, the first
상기 수학식 1에서 p(x)는 상기 촬영한 영상에서 상기 임의의 위치 x에서의 전체 수동조명에 의한 광도값 증가분을 나타낸다.In Equation 1, p (x) represents the increase in the luminance value by the total manual lighting at the arbitrary position x in the captured image.
상기 수동조명장치(300)는 적어도 하나 이상이므로 상기 p(x)는 하기의 식으 로 표현될 수 있다.Since the
여기에서 수동조명장치(300)의 개수는 M이며 p j (x)는 j번째 수동조명장치(300)에 의한 상기 임의의 위치 x에서의 광도값 증가분을 나타낸다.Here, the number of the
상기 2회의 정현파 구조광 영사 및 촬영에서 그 위상차가 π라면 상기 제1 광도값 산출부(510)는 각각In the two sinusoidal structured projection and photographing, if the phase difference is π, the first
인 제1 광도값들을 얻는다.First luminous intensity values are obtained.
여기서 x를 두면 이차원 좌표로 확장이 가능하다.Where x It can be expanded to two-dimensional coordinates.
상기 덧셈기(570)는 상기 S20 단계에서 얻어진 2개의 제1 광도값들에 대하여 가산처리를 행하여 아래의 수학식 2와 같은 값을 산출한다.(S30 단계 참조)The
여기서, , , 이다.here, , , to be.
이때, 수동조명(비구조광)과 능동조명(구조광)의 조도에서, 와 를 같게 설정하면 경면 반사(specular reflection), 기하학적 음영(geometric shading) 및 그림자(shadow) 등의 영향을 효과적으로 감소시킬 수 있어서, 더욱 정확한 물체 표면 고유의 반사율 정보를 획득할 수 있다.At this time, in the illumination of passive light (non-structured light) and active light (structured light), Wow By setting the same, the effects of specular reflection, geometric shading, shadow, etc. can be effectively reduced, so that more accurate reflectance information unique to the object surface can be obtained.
상기 반사율 획득부(590)는 상기 덧셈기(570)의 결과로부터 대상물체의 표면 반사율 정보를 획득한다(S40 단계 참조).The
상기 뺄셈기(520)는 제1 광도값 산출부(510)에서 얻어진 2개의 제1 광도값들 중 하나의 값에서 나머지 값을 빼 아래의 수학식 3과 같은 값을 산출한다.(S50 단계 참조)The
상기 수학식 3은 에서 각각 으로 정의하여 산출한 식이다.Equation 3 is Each in It is an expression calculated by defining.
상기 수학식 3에서 알 수 있듯이 상기 뺄셈기(520)는 무패턴의 조명의 추가 여부 및 추가 개수와 상관없이 위상을 복원할 수 있도록 상기 수동조명장치(300)로 인하여 증가된 전체 광도값 및 그 외의 바이어스 a(x) 를 제거하는 기능을 한다.As can be seen from Equation 3, the
상기 제2 광도값 산출부(530)는 뺄셈기(520)에서 산출된 결과값과 상기 수학식 3을 기반으로 상기 임의의 위치 x에서 충분히 작은 일정 변위 만큼 떨어진 위치에서의 광도값을 나타내는 아래의 수학식 4를 산출하고 미리 설정된 값 2개를 적용하여 제2 광도값들을 산출한다(S60 단계 참조).The second
상기 수학식 4의 산출과정을 자세히 설명하면, x에서 일정 변위 만큼 떨어진 위치를 상기 수학식 3에 적용하면 가 되고, 가 충분히 작은 값이므로 근사(approximation)된 수학식 4가 산출된다. 이때, 이고, 형상(geometry)이나 반사특성(reflectance)이 x에서 까지의 영역에서 급격하게 변하지 않는 것으로 가정한다.Referring to the calculation process of Equation 4 in detail, the constant displacement in x Is applied to the above equation 3 Become, Since is a sufficiently small value, an approximated equation (4) is calculated. At this time, Where the geometry or reflection is at x It is assumed that it does not change drastically in the area up to.
상기 미리 설정된 각 값에 의하여 의 값이 정의되고, 상기 값을 각각 , 로 정하면 아래와 같은 제 2 광도값들을 얻을 수 있다.The preset angle By value Is defined, and Each value , In this case, the following second luminous intensity values can be obtained.
즉,In other words,
를 얻는다.Get
상기 두 식으로부터 아래의 수학식 5와 같은 위상복원 등식을 얻을 수 있다:From the above two equations, we can obtain the phase restoration equation as shown in Equation 5 below:
이 위상복원 등식으로 위상을 쉽게 획득할 수 있으나, 특정 조건을 통해 사용할 수 있는 보다 계산양이 적은 위상복원 등식을 유도하면 다음과 같다.The phase can be easily obtained with this phase recovery equation, but the phase recovery equation with less computational quantity that can be used through specific conditions is derived as follows.
경우에 따라 정현파 패턴의 공간주파수를 조절할 수 있으므로, =0, -π/2 일 때, 수학식 4로부터 2개의 광도값In some cases, you can adjust the spatial frequency of the sinusoidal pattern, When = 0 and -π / 2, two luminance values from Equation 4
와 Wow
를 얻게 된다.You get
상기 역변환부(540)는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 전송된 값들 중 하나에 대하여 역수를 취하여 소정의 값을 얻는다(S70 단계 참조).The
즉, 를 획득한다.In other words, Acquire.
이때, 임의의 위상차를 갖는 일반적인 값들에 대한 위상복원 등식인 상기 수학식 5를 적용하는 경우에는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 산출된 상기 2개의 제 2 광도값들에 대하여 가산처리를 행한 후 상기 역변환부(540)을 이용하여 상기 가산처리의 결과값에 대하여 역수값을 얻는다.At this time, a general having an arbitrary phase difference When the equation (5), which is a phase restoration equation for the values, is applied, the
상기 곱셈기(550)는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 전송된 값들 중 나 머지 하나에 상기 역변환부(540)로부터 전송된 하나의 제2 광도값의 역수를 곱하여 아래의 수학식 6과 같은 계산양이 적은 위상복원 등식의 값을 얻어 위상을 복원한다(S80 단계 참조).The
이때, 임의의 위상차를 갖는 일반적인 값들에 대한 위상복원 등식인 상기 수학식 5를 적용하는 경우에는 상기 제2 광도값 산출부(530)로부터 산출된 상기 2개의 제 2 광도값들에 대하여 감산처리를 행한 후 상기 곱셈기(550)을 이용하여 상기 감산처리의 결과값 및 상기 역변환부(540)로부터 산출된 상기 2개의 제 2 광도값들에 대한 가산처리의 역수값에 대하여 곱셈값을 얻게되고, 그 곱셈값을 이용하여 위상을 복원한다.At this time, a general having an arbitrary phase difference In the case of applying Equation 5, which is a phase restoration equation for the values, the
즉, 가 되어 상기 수학식 6이 얻어진다.In other words, Equation 6 is obtained.
그 뒤, 상기 형상복원부(560)는 상기 곱셈기(550)로부터 전송된 결과로부터 위상 정보 얻어 이를 토대로 기하학적 보정을 실시하여 상기 대상물체(100)의 표면형상을 획득한다(S90 단계 참조).Thereafter, the
본 발명의 일실시예에 의한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템을 도면 7을 참조하여 설명하고자 한다.An object surface shape and reflectance information acquisition system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
상기 일실시예의 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템은 대상물체 (100), 1개의 능동조명장치(200), 다수개의 수동조명장치들(300), 촬영장치(400) 및 형상/반사율 획득장치(500)로 구성된다.The object surface shape and reflectance information acquisition system of the embodiment includes a
여기서, 상기 능동조명장치(200)에 의한 정현파 패턴 구조광(structured-light)과 균일한 입체각의 간격으로 고르게 배치된 상기 수동조명장치들(300)에 의한 다수의 비(非)구조광(unstructured-light)들로 인하여 반구명 조명(hemispherical lighting)을 근사적으로 실현한다.Here, the sine wave pattern structured light by the
상기 본 발명에 의한 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법에 의하면, 상기 능동조명장치(200)의 사용에 따른 물체 표면 형상과 능동조명장치(200) 및 수동조명장치(300)의 사용에 따른 반사율 정보를 시간차를 두지 않고 동시에 얻을 수 있다.According to the object surface shape and reflectance information acquisition system and method using the two images according to the present invention, the object surface shape and
따라서, 조명 소스의 ON/OFF 동작이나 조명의 개폐 동작 없이 상기 능동조명장치(200)의 정현파 패턴 구조광 및 상기 수동조명장치(300)의 비(非)구조광이 동시에 조사된 상태에서 물체 표면 형상 및 반사율 정보의 동시 획득이 가능함에 따라 조명 사용의 제약을 한층 감소시키게 된다.Therefore, the object surface in the state in which the sine wave pattern structured light of the
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.
예를 들어, 본 발명에서 제안된 위상복원 방식 및 이를 통한 표면형상의 획득은 2개 이상의 정현파 패턴이 중첩된 간섭계에도 역시 적용이 가능하다. 또한, 보다 정확한 위상 및 표면형상 획득을 위해, 조명 구성품 일체, 카메라 구성품 일 체, 대상물체 중 일부의 변이를 통한 2개 이상의 위상 또는 표면형상 데이터를 획득하고, 이를 토대로 보다 정확한 위상 또는 표면형상 획득이 가능하다.For example, the phase restoration method proposed in the present invention and the surface shape obtained through the present invention can also be applied to an interferometer in which two or more sinusoidal patterns overlap. In addition, for more accurate phase and surface shape acquisition, two or more phase or surface shape data are acquired through variation of some of the lighting components, the camera components, and the object, and based on this, more accurate phase or surface shape acquisition is obtained. This is possible.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 2개 영상을 이용한 물체 표면 형상 및 반사율 정보 획득 시스템 및 방법을 적용하면, ON/OFF 동작이나 개폐 동작의 필요 없이 함께 조사되는 능동조명과 수동조명으로 구성된 조명시스템에 의해 획득한 최소 2개의 영상에서 위상천이를 기반으로 하여 위상복원을 통한 물체 표면 형상 정보 획득 및 물체 표면 반사율 정보 획득을 동시에 할 수 있게 되는 효과가 있다.As described above, if the object surface shape and reflectance information acquisition system and method using the two images according to the present invention is applied, the illumination consisting of active and passive illumination irradiated together without the need of the ON / OFF operation or opening and closing operation Based on the phase shift in at least two images acquired by the system, it is possible to simultaneously acquire object surface shape information and object surface reflectance information through phase restoration.
또한, 그에 따라, 표면 형상 획득 및 표면 반사율 획득에 소요되는 시간, 비용, 데이터양, 계산양 등을 획기적으로 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, according to this, there is an effect that can significantly reduce the time, cost, data amount, calculation amount, etc. required for surface shape acquisition and surface reflectance acquisition.
또한, 그에 따라, 고해상도 표면 형상 및 반사율 데이터를 보다 쉽게, 보다 고속으로, 보다 적은 비용으로 구현할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, there is an effect that makes it possible to implement high-resolution surface shape and reflectance data more easily, at higher speeds, and at less cost.
또한, 그에 따라, 표면 형상 및 반사율 데이터의 활용분야를 넓히는 효과가 있다.In addition, accordingly, there is an effect of expanding the field of application of surface shape and reflectance data.
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