KR20130039130A - 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 특히 반투명 재질로 이루어진 피검체의 3차원 형상을 패턴 투영 방식으로 스캔함에 있어서, 촬영 획득된 패턴 이미지에 섞인 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치는, 피검체에 소정의 패턴 무늬를 투사하는 패턴투사부와; 상기 피검체에 투영된 패턴 무늬 촬영하여 패턴 이미지를 획득하는 적어도 하나의 촬상부와; 상기 패턴투사부 측에 배치되어 상기 피검체로 입사되는 광을 편광시키는 제1 편광축의 제1 편광자와; 상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 상기 제1 편광축의 제2 편광자와; 상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광축의 제3 편광자; 및 상기 제2 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제1 영상'이라함)와, 상기 제3 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제2 영상'이라 함)에 근거한 연산을 통해 상기 제1 영상에 섞인 노이즈를 제거하는 영상처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법{3-Dimensional Shape Scanning Device and Scanning Method thereof}

본 발명은 3차원 형상 스캔 장치 및 스캔 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 스캔 방식으로 대상물의 3차원 형상을 측정하되 편광자를 기반으로 패턴을 투사하고 이미지를 촬영함으로써 보다 정확한 3차원 형상 정보를 획득할 수 있는 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 물체의 3차원 형상 측정시 이용되는 방식으로는 대상물에 소정의 패턴광을 투사하는 투영수단과 투영된 이미지를 촬영하는 적어도 한 개의 촬영수단으로 구성된 스캔 방식과, 투영장치를 사용하지 않고 다수 개의 촬영장치인 카메라만을 이용하는 스테레오 비전(Stereo vision) 방식이 있다. 그리고 3차원 스캔너 방식은 대상물에 투영하는 패턴 방식에 따라 다중 줄무늬 투사 방식, 모아레(Moire) 무늬 투사 방식, 위상천이 모아레 투사 방식으로 분류할 수 있다.

3차원 형상 스캔 방식은 대상물의 3차원 형상을 간단하고 빠르게 얻을 수 있으므로 의학, 산업 분야에서 널리 이용되고 있는데, 이러한 3차원 스캐너의 일반적인 구성 및 그 작동 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래 3차원 스캐너의 일반적인 장치 구성을 도시한다. 종래 3차원 스캐너는 도 1에 도시된 바와 같이 대상물에 투영할 패턴을 발생시키는 패턴형성부와 광원(프로젝터, 레이저광 등)으로 이루어진 투영수단(2)을 통해 3차원 형상을 측정하고자 하는 대상물(1)에 소정의 무늬를 투사하고, 이에 의해 대상물(1)에 투영된 영상을 카메라(3)를 통하여 촬영한다. 그리고 촬영을 통해 획득된 영상 이미지에 대한 소정의 연산을 수행함으로써 대상물의 3차원 형상 데이터를 출력하게 된다.

구체적으로, 다중 줄무늬 투사 방식은 다수 개의 줄무늬 패턴을 가로 방향으로 길게 인쇄한 패턴 필름을 이용하여 대상물 표면에 다중 줄무늬를 투영시킨 후 이를 촬영하여 3차원 형상 정보를 얻어낸다. 그리고 모아레 무늬 투사 방식은 그리드(grid)에 의해 일정한 형태를 갖는 빛을 대상물에 조사시켜 나타나는 격자무늬와 기준이 되는 격자무늬를 중첩시켜서 모아레 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체표면의 높이에 대한 정보를 얻어낸다.

상기와 같이, 3차원 형상 스캔 방식은 다중 줄무늬 투사 방식 또는 모아레 무늬 투사 방식 중 어느 방식에 의하더라도 대상물에 소정의 무늬를 투영시킨 후, 이를 촬영하여 획득한 이미지를 기반으로 대상물의 3차원 형상 정보를 추출하게 되는데, 그 3차원 형상 측정 대상물이 반투명 재질로 이루어진 물체일 경우 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.

예컨데, 3차원 형상 스캔 방식을 특히 치의학 분야에 사용할 경우 치아가 그 측정 대상물이 되는데, 치아는 반투명 재질이기 때문에 치아로 패턴 광을 투사하게 되면 일부는 치아 표면에서 반사되고 일부는 치아표면을 투과하여 산란이 일어나게 된다. 그런데, 3차원 형상 스캐너의 카메라는 대상물에 투영된 영상을 촬영할 때 대상물 표면에 반사된 이미지 뿐만 아니라 치아 표면을 투과하여 산란된 광도 함께 촬영하게 되어 이는 노이즈로 작용하게 되고, 이렇게 노이즈를 수반한 영상 이미지로부터 도출된 3차원 형상 정보는 그 정확도 및 신뢰도가 떨어질 수 밖에 없는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 특히 반투명 재질로 이루어진 피검체의 3차원 형상을 패턴 투영 방식으로 스캔함에 있어서, 촬영 획득된 패턴 이미지에 섞인 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치는, 피검체에 소정의 패턴 무늬를 투사하는 패턴투사부와; 상기 피검체에 투영된 패턴 무늬 촬영하여 패턴 이미지를 획득하는 적어도 하나의 촬상부와; 상기 패턴투사부 측에 배치되어 상기 피검체로 입사되는 광을 편광시키는 제1 편광축의 제1 편광자와; 상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 상기 제1 편광축의 제2 편광자와; 상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광축의 제3 편광자; 및 상기 제2 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제1 영상'이라함)와, 상기 제3 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제2 영상'이라 함)에 근거한 연산을 통해 상기 제1 영상에 섞인 노이즈를 제거하는 영상처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 의하면, 다수 개의 편광자를 유기적으로 조합하여 소정 방향으로 편광된 패턴광을 투사하고 촬영을 실시함으로써 특히 반투명 재질로 이루어진 피검체의 3차원 형상을 측정함에 있어서 투사광의 투과 및 산란에 의해 발생되는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있으므로 보다 정확한 3차원 형상 정보를 추출할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 종래 3차원 스캐너의 일반적인 장치 구성의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 주요 구성부의 바람직한 배치 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 단일 줄무늬 패턴으로 형성된 패턴 필름의 일 예.
도 5는 다중 줄무늬 패턴으로 형성된 패턴 필름의 일 예.
도 6(a)는 본 발명의 제2 편광자를 통해 획득된 제1 영상의 일 예.
도 6(b)는 본 발명의 제3 편광자를 통해 획득된 제2 영상의 일 예.
도 7은 본 발명의 영상처리부에 의해 노이즈가 제거된 패턴 이미지의 일 예이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 주요 구성부의 배치 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 방법을 설명하기 위한 플로우차트.

본 발명은 3차원 스캔 방식으로 대상물의 3차원 형상을 측정하되 편광자를 기반으로 패턴광을 투사하고 패턴 이미지를 촬영함으로써 보다 정확한 3차원 형상 정보를 획득할 수 있는 기술 특징을 개시한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 주요 구성부의 바람직한 배치 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치는 패턴투사부(10), 촬상부(20), 제어부(30), 제1 편광자(11), 제2 편광자(22), 제3 편광자(23) 및 영상처리부(40)를 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

패턴투사부(10)는 3차원 형상을 측정하고자 하는 대상물(이하, '피검체(5)'라 함)에 소정의 무늬를 투사하는 구성부로서 구체적으로 광원 및 패턴형성수단으로 구성되고, 바람직하게는 투사렌즈(12)가 전방에 구비되며, 특히 패턴투사부(10) 측에는 제1 편광자(11)가 배치되게 구성된 것을 특징으로 한다.

광원은 피검체(5)에 소정의 무늬를 투사하기 위한 광을 방사하는 구성부로서 바람직하게는 LCD 소자, LED 소자, 방전램프 및 레이저 광원 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.

투사렌즈(12)는 패턴형성부 전방의 광 경로 상에 배치되어 패턴형성부를 거치면서 소정의 무늬로 변환되어 출사되는 패턴광을 집광 및 확산시킴으로써 패턴투사부(10)로부터 소정 거리를 두고 위치한 피검체(5)에 해당 패턴광이 결상될 수 있도록 하는 기능을 한다.

패턴형성수단은 피검체(5)의 3차원 형상 측정시의 대응성(correspondence)을 제공하고 대응점을 안정적으로 찾을 수 있도록 피검체에 투영될 소정의 무늬를 생성시켜주는 기능을 한다. 즉, 광원으로부터 출사된 광은 패턴형성수단을 통과하면서 소정의 패턴으로 변환되어 피검체(5) 표면에 조사되는데, 패턴형성수단에 의해 생성되는 패턴으로는 바람직하게는 다중(또는 단일) 줄무늬 패턴, 모아레(Moire) 무늬 패턴 또는 위상천이된 모아레 무늬 패턴 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치를 다중(또는 단일) 줄무늬 패턴 투사 방식으로 구성할 경우, 패턴형성수단으로 바람직하게는 패턴필름(도4,5:13,14)을 채용할 수 있다.

패턴필름은 다수 개의 줄무늬 패턴을 가로 방향으로 길게 인쇄한 필름을 의미하는 것으로, 이와 같은 기능은 합성수지 소재의 필름 이외에 유리 또는 금속판 등에 다수 개의 줄무늬 패턴을 천공한 형태로 구현할 수도 있다.

패턴필름에 형성된 줄무늬 패턴은 도 4와 같이 다수 개(5개)의 구간으로 이루어져 있고, 각 구간에는 서로 다른 줄무늬가 서로 평행하게 형성되어 있으며, 3차원 형상 측정시 한 번의 촬영에 하나의 종류의 줄무늬만이 투영되도록 구성된 단일 줄무늬 패턴필름(13)을 사용할 수도 있으나, 바람직하게는 도 5와 같이 상하 또는 좌우 방향으로 다수 개의 짧은 줄무늬 구간으로 이루어져 3차원 형상 측정시 한 번의 촬영에 여러 종류의 줄무늬가 투영되도록 구성된 다중 줄무늬 패턴필름(14)을 사용하는 것이 좋다.

패턴필름 방식을 채용할 경우 본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치는 패턴필름(13,14)을 기계적 이동시키는 이송장치를 더 구비하게 된다. 이송장치는 패턴필름(13,14)을 좌/우 방향 또는 상/하 방향으로 이송시키는 직선 이송식과 패턴필름(13,14)을 회전 이송시키는 회전 이송식이 있다. 직선 이송식은 패턴필름을 1축 레일 상을 움직이는 이송블록에 고정하고, 모터를 이용하여 이송블록을 축 방향으로 이송시킴으로써, 해당 이송블록에 고정된 패턴필름을 축 방향으로 이송하는 방식이다. 회전 이송식은 회전 작동하는 로터리 휠에 패턴필름을 장착하고, 회전의 중심에 광원을 고정하여 로터리 휠을 회전하면서 패턴을 투영하는 방식이다.

한편, 상기의 바람직한 실시예에 따른 패턴투사부(10)는 피검체(5)에 소정의 무늬를 투영할 수 있도록 기계적으로 패턴필름(13,14)을 이송시키는 슬라이드 프로젝터로 구성하였으나, 이 외에 전자식으로 줄무늬 패턴을 투사하는 LCD 프로젝터 또는 레이저 줄무늬을 투영할 수 있는 레이저 다이오드를 채용할 수도 있음은 물론이다. LCD 프로젝터의 경우 3차원 스캔 장치의 전체적인 크기와 작동을 간소화함에 유리하나 LCD의 소자들 사이에 빛을 투영하지 못하는 구간이 존재하기 때문에 줄무늬 간격 조절이 자유롭지 못하고, 전기적 신호에 존재하는 지터(Jitter) 잡음으로 인해 투영된 영상이 떨려 정밀한 3차원 형상 정보를 얻을 수 없는 단점이 있다.

또한, 상기의 바람직한 실시예에 따른 패턴투사부(10)는 단일(또는 다중) 줄무늬 패턴 또는 (위상천이된) 모아레 무늬 패턴을 투사하도록 구성하였으나, 이 외에 규칙적으로 정렬된 점 무늬, 다양한 밝기를 갖는 점들이 불규칙적으로 놓인 무늬 등과 같이 패턴 투영 방식으로 3차원 형상을 측정할 수 있는 무늬라면 그 종류를 특별히 한정하지 않음을 밝혀둔다.

본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치를 (위상천이된) 모아레 무늬 투사 방식으로 구성할 경우에는 패턴형성수단은 그리드(Grid)로 구성된다. 그리드는 격자 형태의 패턴이 천공되어 있는 판체로서, 광원으로부터 출사된 광은 그리드를 통과하며 격자무늬로 투사되고, 이에 의해 피검체 표면에 나타난 격자무늬를 기준이 되는 격자무늬와 중첩시켜서 모아레 간섭무늬를 형성한 후, 이 간섭무늬를 공지된 방법에 따라 해석함으로써 3차원 형상을 추정할 수 있게 된다.

한편, 위상천이된 모아레 무늬는 이송장치를 통해 그리드를 이동시켜 변위의 변화(그리드 간의 상대적 변위 또는 피검체에 대한 변위)를 발생시키고, 이처럼 그리드의 이동에 따라 간섭무늬의 위상이 변하므로 3개 이상의 위상천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치의 핵심적 특징은 패턴투사부(10) 측에는 제1 편광자(11)를 포함하도록 구성되고, 촬상부(20) 측에는 제2 편광자(22) 및 제3 편광자(23)를 포함하게 구성되며, 영상처리부(40)는 이들 제1 내지 제3 편광자(11,22,23)에 의해 선택적 투과된 이미지 영상을 기반으로 노이즈를 제거하도록 구성된 것에 있다.

본 발명의 제1 편광자(11)는 패턴투사부(10) 측에 구비되어 상기 피검체(5)로 입사되는 광을 편광시키는 역할을 하는 구성부로서, 바람직하게는 도 2와 같이 패턴투사부(10)와 투사렌즈(12) 사이의 광 경로 상에 배치되어, 패턴투사부(10)로부터 출사되는 패턴광은 모두 제1 편광자(11)를 경유하여 피검체(5)에 입사될 수 있도록 형성된다.

한편, 제1 편광자(11)는 바람직하게는 특정된 편광축(이하, '제1 편광축' 이라 함)을 갖는 얇은 판 모양의 편광판으로 구성되어 자연광을 입사시켰을 때 투과광이 직선편광이 되도록 기능하는 선형편광판으로 구성할 수 있다.

따라서, 패턴투사부(10)로부터 출사되는 패턴광이 제1 편광자(11)를 통과하게 되면 특정한 방향으로 선편광된 빛만 선택적으로 투과되어 피검체(5)에 입사되게 된다.

본 발명의 촬상부(20)는 특정한 방향(제1 편광축)으로 선편광되어 피검체(5)에 투영된 무늬 영상을 촬영하여 이미지를 획득하는 구성부로서, 바람직하게는 도 2와 같이 피검체(5)의 상부에 패턴투사부(10)와 이웃하게 배치되고, 패턴투사부(10)에서 투사된 패턴광이 피검체(5) 표면에 조사되는 영역에 포커싱되도록 형성되어 피검체(5) 표면 상에 투영된 패턴 이미지를 더 선명하게 촬영할 수 있도록 구성된다. 한편, 촬상부(20)는 패턴투사부(10)에 의해 소정의 무늬가 투영되는 피검체(5)를 소정 시간 간격으로 촬영하도록 작동하는데 이는 후술할 제어부(30)를 통해 실현된다.

촬상부(20)는 패턴투사부(10)에 의해 피검체(5)에 투영된 영상을 촬영하여 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서로 구성되는데, 바람직하게는 CCD(Charge Coupled Device)카메라 또는 CMOS 카메라를 사용할 수 있다. 한편, 촬상부(20)는 도 3과 같이 패턴투영부와 상호 간격을 두고 이웃하게 배치된 별도의 장치로 구성할 수 있고, 또는 패턴투영부와 일체로 구비된 형태로 구성할 수도 있음은 물론이다.

한편, 패턴투사부(10) 측에 마련된 제1 편광자(11)에 대응하여 촬상부(20) 측에는 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 촬상부(20)의 전방에는 바람직하게는 피검체(5)에 투영된 소정의 무늬가 촬상부(20)에 상을 맺을 수 있도록 결상렌즈(21)가 구비된다.

본 발명의 제2 편광자(22)는 촬상부(20) 측에 배치되어 피검체(5)에서 반사되어 촬상부(20)로 입사되는 패턴광을 선택적으로 투과시켜, 이렇게 선택적 투과된 패턴광만을 촬상부(20)가 촬영하도록 하는 기능을 한다. 따라서, 제2 편광자(22)는 도 2와 같이 촬상부(20) 전방에 배치되어, 피검체(5)로부터 반사되어 촬상부(20)로 입사되는 패턴광은 모두 제2 편광자(22)를 통과한 후 촬상부(20)에 도달할 수 있도록 형성된다.

즉, 제2 편광자(22)는 바람직하게는 특정된 편광축(이하, '제1 편광축' 이라 함)을 갖는 얇은 판 모양의 편광판으로 구성되어 상기 제1 편광축의 패턴광만을 투과시키고 나머지 패턴광은 흡수하여 해당 직선편광만 촬상부(20)에 입사되도록 하고, 다른 방향의 빛은 차단하여 촬상부(20)에 도달하지 못하도록 한다.

특히, 제2 편광자(22)는 제1 편광자(11)와 동일한 편광축(즉, 제1 편광축)을 갖도록 형성된다. 예컨데, 제1 편광자(11)가 0°의 편광축을 갖는 선형편광판이라면 제2 편광자(22) 역시 0° 의 편광축을 갖는 선형편광판으로 형성된다. 따라서, 패턴투사부(10)에서 출사되어 제1 편광자(11)를 통과하며 특정 방향으로 편광된 후 피검체(5)에서 반사된 패턴광은 제2 편광자(22)에 흡수되지 않고 그대로 통과하여 촬상부(20)에 입사될 수 있게 된다.

본 발명의 제3 편광자(23)는 제2 편광자(22)와 마찬가지로 촬상부(20) 측에 배치되어 피검체(5)에서 반사되어 촬상부(20)로 입사되는 패턴광을 선택적으로 투과시켜, 이렇게 선택적 투과된 패턴광만을 촬상부(20)가 촬영하도록 하는 기능을 한다. 즉, 제3 편광자(23)는 바람직하게는 특정된 편광축(이하, '제2 편광축' 이라 함)을 갖는 얇은 판 모양의 편광판으로 구성되어 상기 제2 편광축의 패턴광만을 투과시켜 해당 직선편광이 촬상부(20)에 입사되도록 하고, 다른 방향의 빛은 차단하여 촬상부(20)에 도달하지 못하도록 한다.

다만, 제3 편광자(23)는 제1 편광자(11)와 다른 편광축(즉, 제2 편광축)을 갖도록 구성된 점에서 차이가 있다. 예컨데, 제2 편광자(22)가 0°의 편광축을 갖는 선형편광판이라면 제3 편광자(23)는 90° 직교상태의 편광축을 갖는 선형편광판으로 형성된다.

따라서, 피검체(5)에 투사되는 패턴광은 패턴투사부(10) 측의 제1 편광자(11)에 의해 제1 편광축의 직선편광이 입사되고 반사되므로. 이처럼 피검체(5)에 투영된 제1 편광축의 패턴광이 제3 편광자(23)를 통과할 때는 거의 대부분이 흡수되어 차단되고, 편광축이 변형된 일부만이 제3 편광판을 통과하여 촬상부(20)에 도달할 수 있게 된다.

한편, 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)는 본 발명의 촬상부(20) 측에 동시에 배치되지 않고 상호 교체 방식으로 번갈아 가며 배치되도록 구성되어, 패턴투사부(10)에서 투사되는 하나의 동일한 패턴에 대해 두 개의 영상을 촬영하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 예컨데 본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치의 패턴투사부(10)는 도 4와 같은 줄무늬 패턴이 형성된 패턴필름(13)을 이용한 줄무늬 패턴 투사 방식의 스캐닝 장치라 가정하자. 상기 경우, 본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치는 패턴투사부(10)로부터 도 3의 "1 구간"에 해당하는 패턴광을 피검체(5)에 투영하게 되면 1차적으로 촬상부(20)의 전방에는 제2 편광자(22)가 배치되어 상기 피검체(5)에 투영된 "1 구간" 패턴 영상을 촬영하여 하나의 이미지(이하, '제1 영상' 이라 함)를 획득한다. 그리고 제1 영상의 획득이 완료되면 연이어 상기 제2 편광자(22)를 제거하고 해당 위치에 제3 편광자(23)로 교체하여 상기 피검체(5)에 투영된 "1 구간" 패턴 영상을 다시 한번 촬영함으로써 또 다른 하나의 이미지(이하, '제2 영상' 이라 함)를 획득하게 된다. 이에 따라, 촬상부(20)는 피검체(5)에 투영된 동일한 패턴 이미지에 대해 두 개(제1 영상 및 제2 영상)의 영상을 출력하게 된다.

마찬가지로, 도 3의 패턴필름(13)의 "2 구간"에 해당하는 패턴광을 피검체(5)에 투영하게 되면, 해당 패턴광에 대해 두 개의 패턴 이미지(즉, 제2 편광자(22)에 의한 제1 영상과 제3 편광자(23)에 의한 제2 영상)를 획득하게 되고, 이는 "3,4,5 구간" 도 동일하다.

한편, 전술한 바와 같이 제1 편광자(11)는 패턴투사부(10) 측에 고정되게 장착되나 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)는 매 촬영시 마다 상호 교체되며 촬영부의 광축 상에 배치되게 구성되어야 한다. 따라서, 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)의 반복적인 교체를 기계적으로 자동 구현할 수 있도록 편광자 교체장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.

편광자 교체장치는 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)를 1축 레일 상에 장착하여 좌/우 방향으로 직선 왕복 운동시키는 직선 구동장치로 구성하거나, 또는 회전 운동하는 회전체에 제2 편광자(22)와 제3 편광자(23)를 장착하여 매 촬영시 마다 이들이 회전되며 광축상에 교대로 배치될 수 있도록 하는 회전 구동장치로 구성할 수도 있을 것이다.

본 발명의 제어부(30)는 패턴투사부(10)의 광원과 패텅형성수단, 그리고 촬상부(20)와 편광자 교체장치를 제어하여 한 번의 패턴광을 투사할 때 이에 연동하여 촬상부(20)가 두 개의 영상을 정확히 촬영할 수 있도록 하는 구성부에 해당한다.

본 발명의 영상처리부(40)는 제2 편광자(22)를 통해 획득된 제1 영상과 제3 편광자(23)를 통해 획득된 제2 영상에 근거한 연산을 통해 피검체의 3차원 형상을 추출하는 기능을 한다.

이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 영상처리부(40)가 제1 영상과 제2 영상을 기반으로 해당 패턴 영상에서 노이즈를 제거하여 3차원 형상 정보를 추출하는 처리 동작에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 6(a)는 본 발명의 제2 편광자를 통해 획득된 제1 영상의 일 예이고, 도 6(b)는 본 발명의 제3 편광자를 통해 획득된 제2 영상의 일 예이며, 도 7은 도 6(a) 및 (b)의 영상을 이용하여 본 발명의 영상처리부(40)에 의해 노이즈가 제거된 패턴 이미지의 일 예이다.

참고로, 도 6 실시예의 제1 영상과 제2 영상은 반투명 재질의 측정 대상물을 피검체(예컨데, 치아)로 하고, 3차원 형상 스캐닝 장치를 도 4의 패턴필름(13)을 적용한 줄무늬 패턴 투사 방식으로 구성하였을 때 나타날 수 있는 패턴 이미지를 개략적으로 도시한 것이다.

상기 경우, 패턴투사부(10)의 광원으로부터 빛이 출사되면 패턴형성부를 거치면서 다수 개의 평행한 줄무늬 패턴을 갖는 패턴광으로 변환되고, 이렇게 생성된 패턴광이 패턴투사부(10) 측에 배치된 제1 편광축의 제1 편광자(11)를 통과하게 되면 90°방향의 패턴광은 흡수되고 다만 0°방향으로 편광된 패턴광(이하, '제1 직선편광' 이라 함)만 투과하여 피검체(즉, 치아)에 입사된다.

상기 경우 치아는 반투명 재질이기 때문에 제1 직선편광이 치아에 입사되면 일부는 치아 표면에서 반사되고, 또 다른 일부는 치아 표면을 투과하여 산란이 일어나게 된다.

한편, 치아에 투영된 패턴광을 촬영하는 촬상부(20)는 전방의 광축 상에 제1 편광자(11)와 동일한 편광축(즉, 제1 편광축)을 갖는 편광자(즉, 제2 편광자)가 배치되어 있으므로, 치아에 투영된 제1 직선편광은 제2 편광자(22)에 흡수되지 않고 그대로 통과하여 촬상부(20)에 입사될 수 있게 된다.

따라서, 촬상부(20)가 치아에 투영된 제1 직선편광을 촬영하면 치아 표면에 반사된 이미지(40) 뿐만 아니라 치아 표면을 투과하여 산란된 광(41)도 함께 촬영하게 되어 결국 도 6(a)와 같은 형태로 나타나게 된다.

도 6(a)의 제1 영상에서 음영으로 표현된 이미지(40)는 치아 표면에서 반사된 패턴광에 의해 촬영된 것을 나타내고, 빗금으로 표현된 이미지(41)는 치아 표면을 투과하여 산란된 패턴광에 의해 촬영된 것을 나타낸다. 이처럼 반투명 재질의 피검체(5)는 표면 반사광은 물론 투과되어 산란된 광도 함께 촬영되어 나타나는 바, 이는 노이즈로 작용하게 되고, 이렇게 노이즈를 수반한 영상 이미지로부터 도출된 3차원 형상 정보는 그 정확도가 떨어지게 된다.

도 6(b)에 도시된 제2 영상은 이처럼 제1 영상에 수반된 노이즈를 제거하기 위하여 사용된다. 즉, 제2 영상은 제1 영상 획득 후 연이어서 제1 영상 때 투사된 패턴과 동일한 패턴을 갖는 패턴광(즉, 제1 직선편광)을 한 번 더 투사하여 촬영하되, 다만 제2 편광자(22)를 사용한 제1 영상과 달리 상기 제2 편광자(22)를 제3 편광자(23)로 교체하여 촬영함으로써 획득한 것이다.

상기 경우, 치아에 투사되는 제1 직선편광은 마찬가지로 일부는 치아 표면에서 반사되고, 또 다른 일부는 치아 표면을 투과하여 산란이 일어나게 된다. 그런데, 반사광의 경우 대부분은 0°의 편광축을 그대로 유지한 채 촬상부(20) 측으로 입사되나, 산란광의 경우 일부는 변형이 발생되고 그 중 일부 광은 편광축이 90°만큼 회전하게 되어 90°방향으로 편광된 패턴광(이하, '제2 직선편광' 이라 함)이 촬상부(20) 측에 입사되게 된다.

한편, 제2 영상의 촬영시 촬상부(20) 전방의 광축 상에는 제3 편광자(23)가 배치되어 있는데, 상기 제3 편광자(23)는 전술한 바와 같이 제1 편광자(11)와 상이한 편광축(즉, 90°의 제2 편광축)을 갖는 편광자로 형성되어 있으므로 치아 표면에서 반사된 제1 편광축의 광은 차단되고, 치아 표면을 투과하여 산란된 광 중 제2 편광축의 광만이 투과하여 촬상부(20)에 입사될 수 있게 된다.

따라서, 제3 편광자(23)를 통해 획득된 제2 영상에는 치아 표면에 투영된 패턴 이미지는 거의 나타나지 않고, 단지 치아 표면을 투과하여 산란된 광에 의한 이미지(41)만이 나타나게 된다.

결국, 본 발명의 3차원 형상 스캐닝 장치는 피검체(5)에 투영된 하나의 동일한 패턴광에 대해 두 개의 영상 즉, 제1 영상과 제2 영상을 출력하게 되고, 이렇게 출력된 제1 영상에는 피검체(5) 표면에 투영된 패턴 이미지(40)와 피검체(5)를 투과하여 산란된 이미지(즉, 노이즈;41)가 함께 표현되어 있게 되고, 제2 영상에는 단지 피검체(5)를 투과하여 산란된 이미지(즉, 노이즈;41)만이 표현되어 있게 된다.

본 발명의 영상처리부(40)는 이처럼 매 구간의 촬영시마다 제공되는 두 개의 영상 정보를 이용하여 노이즈가 제거된 패턴 이미지를 추출하게 되는데, 구체적으로 제1 영상에 표현된 패턴 이미지(40,41)에서 제2 영상에 표현된 이미지(41)에 해당하는 부분을 제거하는 연산(이하, '제거 연산' 이라 함)을 행함으로써 도 7과 같이 노이즈가 제거된 하나의 패턴 이미지(40)를 추출하게 되고, 상기와 같은 연산을 매 구간별 촬영시 마다 수행함으로써 노이즈가 제거된 다수의 패턴 이미지 정보를 얻을 수 있게 된다. 그리고, 이렇게 노이즈가 제거된 다수의 패턴 이미지를 취합하여 공지의 해석방법을 통해 해석함으로써 정밀한 3차원 형상 정보를 검출할 수 있게 된다.

한편, 영상처리부(40)에 의해 수행되는 제거 연산은 예컨데, 제1 및 제2 영상에 표현된 패턴 이미지를 세밀하게 구획된 좌표계로 변환하고 이를 기반으로 노이즈에 해당하는 좌표를 감하는 연산을 통해 달성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치의 주요 구성부의 배치 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 8의 실시예의 3차원 형상 스캐닝 장치는 도 3의 실시예와 동일한 구성부로 이루어져 동일한 작용을 실현하도록 구성되되, 다만 하나의 촬상부(20)를 구비한 도 3의 실시예와 달리 두 개의 촬상부(20,20-1)를 포함하도록 구성된 점에서 차이가 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 형상 스캐닝 장치는 피검체의 수직 상부에 패턴투사부(10)와 제1 편광자(11)가 배치되고, 상기 패턴투사부(10)를 기준으로 좌측에는 제2,제3 편광자(22,23)와 제1 촬상부(20)가 배치되고 제1 촬상부(20) 전방의 광축 상에 결상렌즈(21)가 배치되며, 우측에는 또 다른 하나의 제2,제3 편광자(22-1,23-1)와 제2 촬상부(20-1)가 배치되고 제2 촬상부(20-1) 전방의 광축 상에 또 다른 하나의 결상렌즈(21-1)가 배치되게 구성하였다.

제1 촬상부(20) 및 제2 촬상부(20-1)는 신호 입/출력선들을 통해 상호 연결하여 동기화되어 한 번의 패턴광 투사시 동시에 촬영을 실시하여 각각 제1 영상을 동시 획득하도록 구성되고, 제1 영상의 획득이 완료되면 제1 촬상부(20) 측에 배치된 제2 편광자(22)는 제3 편광자(23)로 교체되고 동시에 제2 촬상부(20-1) 측에 배치된 제2 편광자(22-1) 역시 제3 편광자(23-1)로 교체된 후 다시 동일한 패턴광 투사에 대한 동시 촬영을 실시하여 각각 제2 영상을 획득할 수 있도록 형성된다.

상기와 같은 도 8의 구성에 의할 경우, 하나의 동일한 패턴광에 대해 두 개의 제1 영상과 두 개의 제2 영상을 각각 얻을 수 있으므로, 이를 취합하여 도 3의 실시예 비하여 상대적으로 더 선명하고 정밀한 패턴 이미지를 얻을 수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 구성에 의한 3차원 형상 스캐닝 장치를 통해 3차원 형상 정보를 측정하는 방법 중 특히 촬영된 패턴 이미지에 섞인 노이즈를 제거하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 형상 스캐닝 방법은 먼저, 패턴투사부(10)의 광원으로부터 출사된 광을 패턴형성부를 통과시킴으로써 소정의 무늬로 이루어진 패턴광으로 변화하여 피검체(5) 측으로 투사한다(S10). 참고로, 패턴형성부는 전술한 바와 같이 패턴필름(13,14) 내지 격자 등이 채택될 수 있다.

그리고, 패턴광이 피검체에 투영되기 전에 해당 패턴광을 제1 편광축을 갖는 제1 편광자(11)로 통과(S20)시킴으로써 특정한 방향으로 편광된 패턴광만 투과하여 피검체에 입사될 수 있도록 한다.

이렇게 제1 편광축의 패턴광이 피검체에 입사되면 표면에 패턴 이미지가 투영(S30)되는데, 이 때 아직 제1 영상이 획득되기 전 상태(S40)라면 촬상부를 통해 이를 촬영하여 제1 영상을 획득(S60)한다. 한편, 제1 영상의 촬영시 촬상부(20) 전방의 광축 상에는 제1 편광자(11)와 동일한 편광축을 갖는 제2 편광자(22)가 배치(S50)되어 있다. 따라서, 피검체에 투영된 패턴광은 제2 편광자(22)에 흡수되지 않고 그대로 통과하여 촬상부(20)에 입사될 수 있게 되고, 이에 따라 촬상부(20)가 촬영한 제1 영상에는 피검체 표면에 반사된 패턴 이미지 뿐만 아니라 표면을 투과하여 산란된 광도 함께 나타나게 된다.

제2 편광자(22)를 통한 제1 영상의 획득이 완료되면, 제2 영상 획득을 위한 단계로 진입되는데, 이 때 제2 편광자(22)를 제3 편광자(23)로 교체하는 작업이 이루어진다. 제3 편광자(23)의 편광축은 전술한 바와 같이 제2 편광자(및 제1 편광자)의 편광축과 상호 직교상태에 있도록 형성된 것이다. 그리고, 제2 편광자(22)를 제3 편광자(23)로 교체하는 작업은 전술한 직선 구동장치 또는 회전 구동장치 등을 채용하여 기계적으로 자동 구현할 수 있다.

제3 편광자(23)로 교체가 완료되면, 제1 영상 촬영시 피검체에 투영하였던 패턴광과 동일한 무늬로 형성된 패턴광을 한번 더 피검체로 투사(S10)한다. 한편, 상기 경우에도 패턴투사부(10)에서 출사되는 패턴광은 제1 편광축을 갖는 제1 편광자(11)로 통과(S20)시킴으로써 특정 방향으로 편광된 패턴광만 투과하여 피검체에 입사될 수 있도록 한다.

제1 편광축의 패턴광이 피검체에 입사되면 표면에 패턴 이미지가 투영(S30)되고, 이 때는 제1 영상이 기 획득된 상태(S40)이므로 제2 영상의 획득을 위한 촬영이 이루어진다.

즉, 제3 편광자(23)가 전방의 광축 상에 배치된 촬상부(20)를 통해 이를 촬영하여 제2 영상을 획득한다. 상기 경우, 피검체에 투영된 패턴광 중 표면에 반사된 광은 제3 편광자(23)에 차단되고, 표면을 투과하여 산란된 광 중 제2 편광축으로 변형된 광만이 제3 편광자(23)를 투과(S70)하여 촬상부(20)에 입사되므로 이 때 촬상부에 촬영(S80)된 제2 영상에는 피검체 표면에 투영된 패턴 이미지는 거의 나타나지 않고, 단지 표면을 투과하여 산란된 광에 의한 이미지만이 나타나게 된다.

전술한 과정을 통해, 동일한 무늬로 형성된 패턴광에 대한 두 개의 영상 즉, 제1 영상과 제2 영상의 획득이 모두 완료되면, 이를 기반으로 해당 구간(예컨데, 도 4의 패턴필름(13)의 1 구간)에 대한 패턴 이미지에 섞인 노이즈를 제거하는 작업이 이루어지는데, 이는 제1 영상에 표현된 패턴 이미지에서 제2 영상에 표현된 이미지에 해당하는 부분을 제거하는 연산을 행함으로써 완료된다.(S90)

제1 무늬의 패턴광에 대한 제1 영상과 제2 영상을 획득하고 이를 이용하여 노이즈가 제거된 제1 패턴 이미지를 획득하면, 동일한 처리 과정을 반복하며 제2, 제3.. 제n 무늬에 대해 각각 두 개의 영상을 획득하고 이를 기반으로 노이즈가 제거된 제2, 제3.. 제n 패턴 이미지를 수집한 후 공지의 해석방법을 통해 이를 해석함으로써 최종적으로 피검체의 3차원 형상 정보를 측정할 수 있게 된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 패턴투사부 11: 제1 편광자 12: 투사렌즈
13,14: 패턴필름 20: 촬상부 21: 결상렌즈
22: 제2 편광자 23: 제3 편광자 30: 제어부
40: 영상처리부

Claims (10)

1. 피검체에 소정의 패턴 무늬를 투사하는 패턴투사부;
   상기 피검체에 투영된 패턴 무늬 촬영하여 패턴 이미지를 획득하는 적어도 하나의 촬상부;
   상기 패턴투사부 측에 배치되어 상기 피검체로 입사되는 광을 편광시키는 제1 편광축의 제1 편광자;
   상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 상기 제1 편광축의 제2 편광자;
   상기 촬상부 측에 배치되어 상기 촬상부로 입사되는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광축의 제3 편광자; 및
   상기 제2 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제1 영상'이라함)와, 상기 제3 편광자를 통해 획득된 패턴 이미지(이하, '제2 영상'이라 함)에 근거한 연산을 통해 상기 제1 영상에 섞인 노이즈를 제거하는 영상처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 편광자의 제1 편광축은 상기 제3 편광자의 제2 편광축과 상호 직교상태에 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 영상처리부는 상기 제1 영상에 표현된 패턴 이미지 중에서 상기 제2 영상에 표현된 이미지에 해당하는 부분을 제거하는 연산을 통해 상기 노이즈를 제거하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 편광자와 상기 제3 편광자는 상기 촬상부 전방의 광축 상에 배치되되, 상기 광축 상에 동시에 배치되지 않고 상호 교체 방식으로 번갈아 가며 상기 광축 상에 배치되도록 형성되어, 상기 제1 영상과 상기 제2 영상은 동일한 패턴 무늬가 상기 피검체에 투영된 것을 각각 한번 씩 촬영하여 획득된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제2 편광자와 상기 제3 편광자는 대상을 좌/우 방향으로 직선 왕복 운동시키는 직선 구동장치 또는 대상을 회전 운동시키는 회전 구동장치에 장착되어, 상기 상호 교체 방식으로 번갈아 가며 상기 광축 상에 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 패턴투사부, 상기 촬상부 및 상기 직선 구동장치(또는 회전 구동장치)의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
7. 제1 항에 있어서
   상기 패턴투사부에 의해 투사되는 상기 소정의 패턴 무늬는 단일 줄무늬 패턴, 다중 줄무늬 패턴, 모아레(Moire) 무늬 패턴 및 위상천이된 모아레 무늬 패턴 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
8. 제1 항에 있어서,
   상기 패턴투사부 전방의 광 경로 상에 배치된 투사렌즈를 더 포함하고,
   상기 제1 편광자는 상기 패턴투사부와 상기 투사렌즈 사이의 광 경로 상에 개재된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
9. 제1 항에 있어서,
   상기 촬상부 전방의 광축 상에 배치된 결상렌즈를 더 포함하고,
   상기 제2 편광자 및 상기 제3 편광자는 상기 촬상부와 상기 결상렌즈 사이의 광축 상에 개재된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 장치.
   
10. 3차원 형상 스캐닝 방법으로서,
    소정의 패턴 무늬를 갖는 패턴광을 피검체 측으로 조사하는 단계;
    상기 피검체로 입사되는 상기 패턴광을 제1 편광축을 갖는 제1 편광자로 통과시키는 단계;
    상기 제1 편광자를 거쳐 상기 피검체에 투사되어 반사 내지 산란된 패턴광을 상기 제1 편광자와 동일한 편광축을 갖는 제2 편광자로 통과시키는 단계;
    상기 제2 편광자를 투과한 패턴광을 촬영하여 제1 영상을 획득하는 단계;
    상기 소정의 패턴 무늬와 동일한 패턴 무늬를 갖는 패턴광을 피검체 측으로 조사하는 단계;
    상기 피검체로 입사되는 상기 패턴광을 상기 제1 편광축을 갖는 상기 제1 편광자로 통과시키는 단계;
    상기 제1 편광자를 거쳐 상기 피검체에 투사되어 반사 내지 산란된 패턴광을 상기 제1 편광축과 다른 방향의 편광축을 갖는 제3 편광자로 통과시키는 단계;
    상기 제3 편광자를 투과한 패턴광을 촬영하여 제2 영상을 획득하는 단계; 및
    상기 제1 영상에 표현된 패턴 이미지 중에서 상기 제2 영상에 표현된 이미지에 해당하는 부분을 제거하는 연산을 통해, 상기 제1 영상에 섞인 노이즈를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 스캐닝 방법.
    

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