KR20220057321A - 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템 - Google Patents

구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템에 관한 것이다. 상기 방법은, 프로젝터, 카메라, 캘리브레이션부를 포함하는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 의해 수행되는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법으로서, (a) 상기 프로젝터가 객체에 프린지 무늬를 투사하는 단계; (b) 상기 카메라가 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 단계; 및 (c) 상기 캘리브레이션부가 변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템{CALIBRATION METHOD FOR STRUCTURED LIGHT 3D SCANNING AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 스캐너의 측정값으로부터 수직방향 깊이정보 뿐만 아니라 평면 상의 크기 및 위치정보를 구할 수 있도록 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
프로젝터와 카메라를 이용하는 구조광 방식에서, 모델 기반의 캘리브레이션 과정은 프로젝터의 영상투사를 카메라의 영상촬영의 역으로 계산하여 이루어질 수 있다.
그러나, 이 방법은 비교적 간단하지만 정확도 면에서 한계가 있다. 또한, 기존의 방법들은 주로 깊이정보 z에 대해서만 고려되어 왔는데, 포인트 클라우드를 생성하여 제어하거나 객체의 부피를 측정하기 위해서는 (x, y, z)의 3차원 정보를 구하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 스캐너의 측정값으로부터 수직방향 깊이정보 뿐만 아니라 평면 상의 크기 및 위치정보를 구할 수 있도록 하는 캘리브레이션을 수행하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템을 제공함에 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면은 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법 및 그 시스템에 관한 것이다. 상기 방법은, 프로젝터, 카메라, 캘리브레이션부를 포함하는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 의해 수행되는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법으로서, (a) 상기 프로젝터가 객체에 프린지 무늬를 투사하는 단계; (b) 상기 카메라가 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 단계; 및 (c) 상기 캘리브레이션부가 변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계는, 단조 증가 또는 감소하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j), 및 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 이용하여 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 시스템은 기준 물체를 z 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하며, 상기 (c) 단계는, 상기 이동부에 의해 z 방향으로 이동되는 기준 물체의 위상을 측정하고, 픽셀별로 z 좌표와 절대위상 ω의 값을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계는, 그리드 패턴을 이용하여 상기 카메라로 촬영한 영상에서 기준좌표를 정한 후, 보간법(interpolation)을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 객체에 프린지 무늬를 투사하는 프로젝터; 상기 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 카메라; 및 변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 캘리브레이션부는, 단조 증가 또는 감소하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j), 및 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 이용하여 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기준 물체를 z 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하며, 상기 캘리브레이션부는, z 방향으로 이동되는 기준 물체의 위상을 측정하고, 픽셀별로 z 좌표와 절대위상 ω의 값을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 캘리브레이션부는, 그리드 패턴을 이용하여 상기 카메라로 촬영한 영상에서 기준좌표를 정한 후, 보간법(interpolation)을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 캘리브레이션부는, 상기 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, 상기 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수의 쌍을 구할 수 있다.
본 발명에 따르면, 프린지 투사 방식의 구조광 3차원 스캐너에서 측정한 위상값을 실좌표계(x, y, z)로 변환하기 위해서는 캘리브레이션 과정이 필요한데, 본 발명의 캘리브레이션 과정을 통하여 스캐너의 측정값으로부터 수직 방향 깊이 정보뿐 아니라, 평면상의 크기 및 위치정보를 구할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 있어서, 프로젝터와 카메라를 통해 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 상태를 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 이동부의 예시로서 z 방향으로 이동할 수 있는 스테이지를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따라 픽셀별로 알려진 z와 절대위상 ω의 값을 구하기 위한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 횡방향 캘리브레이션 단계에 사용되는 그리드 패턴을 도시한 평면도이다.
도 6의 (a), (b)는 본 발명에 따른 횡방향 캘리브레이션을 수행하기 위해, 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 데 이용되는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 순서도이다. 도 2는 본 발명에 따른 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 있어서, 프로젝터와 카메라를 통해 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 상태를 도시한 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법은 프린지 무늬 투사 단계(s10), 객체 촬영 단계(s20), 및 캘리브레이션 단계(s30)를 포함한다. 상기 방법은, 프로젝터(10), 카메라(20), 캘리브레이션부(30), 이동부(40)를 포함하는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 의해 수행된다.
프린지 무늬 투사 단계(s10)는 프로젝터(10)가 객체(1)에 프린지 무늬를 투사하는 단계이다. 객체 촬영 단계(s20)는 카메라(20)가 기준면(3) 상에서 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 단계이다.
프린지 투사 방식의 구조광 3차원 스캐너는 도 2에 도시된 바와 같이, 프로젝터(10)와 카메라(20)로 구성된다. 객체(1)의 높이변화는 투사한 프린지 무늬의 왜곡을 가져오며, 카메라(20)는 이를 촬영하여 위상 변화를 측정한다.
이러한 위상 측정 과정이 3차원 스캐닝의 일부 단계이지만, 이를 실세계 좌표(x, y, z)로 변환하기 위해서는 변환 함수가 필요하며, 이를 구하는 것을 캘리브레이션이라 한다.
캘리브레이션 단계(s30)는 캘리브레이션부(30)가 변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 단계이다.
프린지 투사 방식의 구조광 3차원 스캐너에서 측정한 위상값을 실좌표계(x, y, z)로 변환하기 위해서는 캘리브레이션 과정이 필요하다. 스캐너의 정확도를 올리기 위해 지그를 생성하고 패턴을 설계하여 변환테이블을 생성할 수 있다.
이를 통하여 스캐너의 측정값으로부터 수직방향 깊이정보 뿐만 아니라 평면 상의 크기 및 위치정보를 구할 수 있는데, 이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
캘리브레이션 단계(s30)는, 단조 증가 또는 감소하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j), 및 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 이용하여 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
영상 픽셀(i, j)에서 측정한 위상 Ф는 실좌표(x, y, z)와 아래와 같은 관계식으로 유도할 수 있다. 주어진 픽셀좌표(i, j)에서 평면 외 z 좌표는 Ф에만 의존하는 렌즈 왜곡에 의한 비선형 함수이며, 평면 내 (x, y) 좌표는 z에 의존하는 선형 관계를 가진다. 따라서, 먼저 z를 결정하고 (x, y)를 추정하는 순서로 변환이 이루어진다. 이때, 이 캘리브레이션 단계에서는 픽셀 좌표별로 T 함수와 계수 mx, lx, my, ly를 결정하게 된다.
Figure pat00001
(식 1)
여기에서, T는 단조증가(또는 감소)하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j)를 의미한다. mx, lx, my, ly는 각각 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 의미한다.
캘리브레이션 단계(s30)는 축방향 캘리브레이션(axial, phase to depth calibration) 단계(s31) 및 횡방향 캘리브레이션(transversal, horizontal calibration) 단계(s32)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 이동부의 예시로서 z 방향으로 이동할 수 있는 스테이지를 도시한 사시도이다. 도 4는 본 발명에 따라 픽셀별로 알려진 z와 절대위상 ω의 값을 구하기 위한 다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 이동부(40)는 기준 물체(2)를 z 방향으로 이동시킨다. 축방향 캘리브레이션(axial, phase to depth calibration) 단계(s31)는, 이동부(40)에 의해 z 방향으로 이동되는 기준 물체(2)의 위상을 측정하고, 픽셀별로 z 좌표와 절대위상 ω의 값을 구하는 단계이다.
상기 수식 1에서 T는 픽셀별로 구해야 하는 비선형 함수이다. 이를 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이 z 방향으로 이동할 수 있는 이동부(40)를 구비할 수 있다. 이동부(40)는 기준 물체(2)가 이동 가능한 스테이지(41)로 구성될 수 있다. 스테이지(41)는 모터와 연동된 선형 스테이지로 형성된다. 이동부(40)는 기준 물체(2)를 z 방향으로 이동시키면서 3D 스캐너로 위상을 구한다. 기준 물체(2)는 평평한 플레이트(Flat plate) 또는 교차된 격자 패턴(crossed grating pattern)로 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 절차를 거쳐 픽셀별로 알려진 z와 절대위상 ω의 값을 구할 수 있다. T는 비선형성을 띠므로, n차 다항식으로 근사하여 구할 수 있다.
횡방향 캘리브레이션(transversal, horizontal calibration) 단계(s32)는, 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 단계(s321)과 픽셀 좌표(I, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 단계(s322)를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 횡방향 캘리브레이션 단계에 사용되는 그리드 패턴을 도시한 평면도이다. 도 6의 (a), (b)는 본 발명에 따른 횡방향 캘리브레이션을 수행하기 위해, 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 데 이용되는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 단계(s321)는, 그리드 패턴을 이용하여 카메라로 촬영한 영상에서 기준좌표(p)를 정한 후, 보간법(interpolation)을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 단계이다.
x, y 값은 z와 선형함수 관계에 있다. 각 픽셀별로 mx, lx, my, ly를 결정하기 위해서 도 5에서와 같은 그리드 패턴을 이용한다. 카메라로 촬영한 영상에서 사각형을 검출하여 기준좌표로 삼은 후 보간법을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구한다.
도 6의 (a), (b)를 참조하면, 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 단계(s322)는, 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 단계이다.
픽셀별로 z평면에 대하여 x, y는 선형관계에 있으므로, 각각 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, (mx, lx)와 (my, ly)를 도 6에서와 같이 구할 수 있다.
이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (10)

  1. 프로젝터, 카메라, 캘리브레이션부를 포함하는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 시스템에 의해 수행되는 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법으로서,
    (a) 상기 프로젝터가 객체에 프린지 무늬를 투사하는 단계;
    (b) 상기 카메라가 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 단계; 및
    (c) 상기 캘리브레이션부가 변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 단조 증가 또는 감소하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j), 및 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시스템은 기준 물체를 z 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하며,
    상기 (c) 단계는, 상기 이동부에 의해 z 방향으로 이동되는 기준 물체의 위상을 측정하고, 픽셀별로 z 좌표와 절대위상 ω의 값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 그리드 패턴을 이용하여 상기 카메라로 촬영한 영상에서 기준좌표를 정한 후, 보간법(interpolation)을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를의 쌍을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 방법.
  6. 객체에 프린지 무늬를 투사하는 프로젝터;
    상기 프린지 무늬가 투사된 객체를 촬영하는 카메라; 및
    변환 함수를 통해 객체의 위상 변화를 측정하고 이를 3차원 좌표(x, y, z)로 변환하여 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는, 단조 증가 또는 감소하는 비선형 매핑함수로서의 픽셀 좌표(i, j), 및 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수를 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    기준 물체를 z 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하며,
    상기 캘리브레이션부는, z 방향으로 이동되는 기준 물체의 위상을 측정하고, 픽셀별로 z 좌표와 절대위상 ω의 값을 구하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는, 그리드 패턴을 이용하여 상기 카메라로 촬영한 영상에서 기준좌표를 정한 후, 보간법(interpolation)을 이용하여 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 구하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는, 상기 픽셀 좌표(i, j)와 평면 좌표(x, y)의 쌍을 최소자승법을 이용하여 직선으로 근사한 후, 상기 상기 픽셀 좌표(i, j)마다 변하는 계수의 쌍을 구하는 것을 특징으로 하는, 구조광 3차원 스캐닝을 위한 캘리브레이션 시스템.
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