KR940004917B1 - 3차원 곡면형상의 측정장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

3차원 곡면형상의 측정장치

제1도는 한국 특허 출원 제88-12735호 (공고번호 제92-10547호), 제 88-12736호 (공고번호 제92-10548호)에 기재된 슬릿(slit)광 직선 주사형의 3차원 형상측정장치의 측정원리를 보여주는 도면.

제2도는 슬릿광 직선주사형의 형상측정방법에서의 측정의 일그러짐(distortion

)과 그 보정방법을 설명하는 도면.

제3도는 본 발명의 한 실시예에 관계된 슬릿광 직선주사형의 3차원 형상측정장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기준면 2 : 피측정대상물

3 : 슬릿광원 4 : 선형 스테이지

5 : 모우터 조정기 6 : 모우터

7 : 위치탐지기 8 : 텔레비젼 카메라

9 : 형상측정장치 10 : 형상연산회로

11 : 순서제어기 12 : 회상합성회로

13 : 물체면 합성화상 기억장치 14 : 기준면 합성화상 기억장치

15 : 높이 연산회로 16 : 일그러짐 보정회로

17 : 3차원 형상기억장치

본 발명은 3차원 곡면의 형상을 비접촉으로 측정하는 장치, 특히 그 텔레비젼 카메라의 원근 효과(遠近效果)에 의한 일그러짐(distortion)의 보정에 관한 것이다.

3차원 곡면형상의 측정장치로서는, 한국 특허 출원 제88-12735호(이하, 공고번호 제 92-10547호로 기재함), 동 제88-12736호 (이하, 공고번호 제92-10548호로 기재함)에는 선형상의 슬릿광을 피측정대상의 전면에 걸쳐 주사하고, 피측정대상 표면을 촬영하여 얻은 비데오 신호의 화면간의 각 화소(火素)에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다 그 점을 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광의 위치에 관한 정보를 그 화소의 값으로 하는 화상(畵像)을 합성하여, 그 합성 화상을 연산처리하여 피측정대상의 3차원 곡면형상을 측정하는 장치가 제안되어 있다.

그러나, 상기 형상연산방법은 텔레비젼 카메라와 피측정대상간의 거리가 무한대 또는 무한대라고 간주하는 것이 암묵(暗默)의 전제로서 들어 있다. 현실의 측정계통과 같이 텔레비젼 카메라와 피측정대상간의 거리가 유한이며, 텔레비젼 카메라에서부터 피측정대상을 관찰한 때의 원근 효과가 무시될 수 없을 때는 상기 형상연산방법을 그대로 적용하면, 얻어진 형상측정결과에 원근 효과에 기인하는 일그러짐이 생겨버린다는 문제점이 있었다.

본 발명은 텔레비젼 카메라의 원근효과에 기인하는 일그러짐을 제거하는 것을 가능하게 한 3차원 곡면형상 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 3차원 곡면형상 측정장치에는 슬릿광 직선주사형의 측정장치를 대상으로 하고 있다. 그리고, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사한 때, 화상합성수단에 의하여 얻어진 합성화상 u(x, y)과, 기준면에 대한 합성화상의 측정값 또는 계산값 u₀(x, y)과, 기준면에 대한 투광각도θ와, 기준면에서 텔레비젼 카메라간 거리 a에 의거하여 소정의 연산처리를 실시함으로써 텔레비젼 카메라의 원근 효과에 의거한 일그러짐을 제거한 피측정대상 표면의 3차원 형상 f(x, y)을 구하고 있다.

본 발명의 실시예를 보다 이해하기 쉽게 하기 위하여 본 발명에 관한 설명에 앞서 한국 특허 공고번호 제92-10547호, 동 공고번호 제92-10548호의 개요를 그 도면을 기본으로 하여 설명한다.

제1도는 한국 특허 공고번호 제92-10547호, 동 공고번호 제92-10548호에 기재되어 있는 슬릿광 직선주사형의 3차원 곡면형상의 측정장치의 측정원리를 보여주는 도면이다. 도면에서 표시한 바와같이, 기준면(1)상에 놓여진 피측정대상물(2)의 표면에 경사진 위쪽에서 지면에 수직방향으로 확장된 슬릿광(3a)을 투광한다. 그리하여, 이러한 슬릿광(3a)을 지면에 횡방향으로 이동시키면서, 예를 들어 피측정대상물(2) 바로 위에서 텔레비젼 카메라(8)로 화상을 촬영한다. 이때에 텔레비젼 카메라(8)에 접속된 모니터 텔레비젼(18) 위에서는 물체 표면에서의 슬릿광의 선형상의 반사패턴이 화면에 횡방향으로 이동하여가는 양상이 관찰된다.

이러한 슬릿광(3a)의 반사패턴의 선형상은 물체 표면의 요철정보를 반영하고 있다. 슬릿광(3a)의 선형상의 반사패턴이 물체 표면상을 이동하여가는 양상을 보여주는 텔레비젼 카메라(8)에서부터 출력되는 비데오 신호를 근거로 하여 화면내의 각 화소마다 그 화소에 대응하는 물체 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간, 즉 그 위치의 휘도가 가장 밝게 된 순간을 그 화소의 값으로 하여 화상을 합성한다.

이와 같이 하여 합성된 화상은, 그 각 화소에서의 값이 제1도의 일점쇄선으로 표시한 면(A)(이하, 가기준면이라고 칭함)을 기준으로 한 물체 표면의 높이 윤곽(profile)을 나타내고 있다. 이와 같이 하여 물체표면의 가기준면(假基準面)(A)을 기준으로 한 높이 윤곽이 측정된다.

그러나 물체의 3차원 형상의 측정은 일반적으로 제1도에서의 가기준면 (A)에 대한 윤곽이 아니고, 피측정대상물(2)이 놓인 기준면 (1)을 기준으로 한 윤곽을 측정하지 않으면 안된다.

이와 같은 요청을 만족하기 위하여는 우선, 물체 표면에 대하여 상기한 측정을 하고, 가기준면(A)을 기준으로 한 높이 윤곽을 측정한다. 다음에, 피측정 대상을 잡어내린 뒤, 기준면(1)에 대하여 동일 측정을 시행하고 가기준면(A)을 기준으로 한 높이 윤곽을 측정한다. 그런 뒤, 이들 2개의 윤곽 화상, 즉 물체면 합성화상 u(x, y)과 기준면 합성화상 u₀(x, y)의 대응하는 화소값의 차이를 연산한다. 이러한 연산에 의하여 기준면(1)을 기준으로 한 높이 윤곽 화상을 얻게 된다. 이러한 높이 윤곽 화상의 화소의 값은 그 화소에 대응하는 측정대상 표면위치의 기준면(1)을 기준으로 한 높이에 비례한 것이 된다.

그러나, 이러한 형상연산방법에 있어서는, 비데오 카메라의 원근 효과가 무시될 수 없는 경우에는 상기한대로 높이 일그러짐 및 위치 일그러짐을 생기게 한다는 문제점이 있다.

이런 문제점을 제2도를 이용하여 설명한다. 제2도는 제1도의 슬릿광 직선주사형의 측정방법에 대응한 도면이다. 피측정점 A점의 기준면(1) 위의 상은, 만일 텔레비젼 카메라(8)와 피측정 대상물(2)의 거리가 무한대라고 하면 B점에 관찰된다. 그리고, 한국 특허 공고번호 제92-10547호에 기재되어 있는 형상연산식

f(x, y) = {u₀(x, y)-u(x, y)} tanθ

을 적용하여서

u₀(x, y) = x₀, u(x, y) = x

인 것을 고려하면,

f(x, y) = (x₀- x) tanθ

가 되며, 이것은 A점의 높이 z에 일치한다.

그런데, 텔레비젼 카메라와 피측정대상의 거리가 유한이고, 카메라의 원근효과가 무시될 수 없는 경우에는, 이하에 보여주는 2개의 속성의 일그러짐을 생기게 한다.

(1) 높이 일그러짐 :

본래 A점의 높이 z가 측정되어야 하나, A점의 기준면상의 상 B'점에서부터 기준면에 세운 중선(重線)중이 슬릿광면과 교차하는 점 A'점의 높이 z'가 측정된다.

(2) 위치 일그러짐 :

본래 A점의 기준면상의 x좌표는 B점의 좌표의 x이어야 하는데, 마치 B'점의 좌표 x'인 것 같이 간주되며, 또한 x'는 A점의 높이에 따라 변동한다.

이상의 설명에서 본 발명의 배경이 명백하게 된데서, 다음에 본 발명에 따른 일그러짐의 보정방법을 설명한다.

(1) 높이 일그러짐의 보정 :

제2도의 A점의 높이 z는 본 도면에 따라

로 표시된다. 그런데, A점의 기준면상으로의 투영점이 B'점이기 때문에 상기한 종전의 방법에서는

가 A점의 높이로서 출력되어 있었다. 이러한 일그러짐을 보정하는데는 실제로 관측되는 A점의 기준면으로의 투영좌표 x'로부터 A점의 본래의 기준면상의 좌표 X가 연산되면 된다. x'와 x와의 관계는 제2도로부터 간단한 기하학적인 계산에 의하여 다음의 (3)식의 형에서 구해진다. (a : 기준면-텔레비젼 카메라간 거리)

이것을 (1) 식에 대입하여 정리함으로써 A점의 높이 z는

의 형에서 구해진다.

(3) 식에서 x₀는 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사한 때에 얻어지는 합성화상 u(x', y')에 대응하며, 또한 x'는 기준면에 대하는 합성화상 u₀(x', y')에 대응하는 것에서, (4)식은 용이하게 일반화되어 높이 일그러짐을 보정한 형상연산식은 다음 식에서 구해진다.

(2) 위치 일그러짐 보정 :

(5)식에 의하여 A점의 실제 높이가 구해졌지만, A점의 위치 좌표에 대해서는 직교 좌표계에서의 A점의 투영점 B점의 좌표 (x, y)가 아니고, 카메라렌즈를 중심으로 한 A점의 기준면상으로의 투영점 B'의 좌표 (x', y')가 되어 있다. 이러한 좌표의 일그러짐은 제5도에서부터 용이하게 알 수 있는 대로 다음 식에서 보정된다.

(3) 형상연산식 :

이상의 높이 및 위치의 일그러짐 보정식 (5), (6), (7)식을 써서 카메라의 원근 효과의 보정을 고려한 피측정대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)의 형상 연산식은 다음 식으로 주어진다.

제3도는 본 발명의 한 실시예에 관한 슬릿광 직선주사형의 3차원 형상 측정 장치의 구성도이다. 측정의 기준이 되는 기준면(1) 상에 피측정대상물(2)이 놓여진다. 슬릿광원(3)은 선형 스테이지(stage)(4) 상에 탑재되어 있고, 기준면(1) 및 피측정대상물(2) 위에 각도 θ인 투광각으로 슬릿광(3a)을 투광한다. 슬릿광원(3)을 탑재하고 있는 선형 스테이지(4)는 모우터 조정기(5)에 의하여 조정되는 모우터(6)에 의하여 구동되며, 슬릿광원(3)을 기준면(1)에 대하여 평행방향으로 이동한다.

이때에, 슬릿광원(3)의 위치는 선형 스테이지(4)에 들어가 장착된 위치 탐지기(7)에 의하여 측정되며, 모우터 조정기(5)를 개재하여 형상측정장치(9)에 입력된다.

기준면(1) 및 피측정대상물(2)은 광축이 기준면(1)과 직교하도록 배설된 텔레비젼 카메라(8)에 의하여 촬영되어 얻어진 비데오 신호는 형상측정장치(9)에 입력된다.

형상측정장치(9)는 대별하여 화상합성에 의한 형상연산(刑賞演算)을 하는 화상연산수단으로서의 형상연산회로(10)와, 모우터 조정기(5)에 대한 지령이나 형상연산회로(10)에 대한 연산타이밍 조정을 하는 순서제어기(11)로 되어 있다.

형상측정에 있어서는 형상측정장치(9)는 외부로부터 주어지는 개시신호에 기본한 순서제어기(11)를 개재하여 선형 스테이지(4)를 구동하여 슬릿광원(3)을 초기위치에 설정한다. 그런 후, 슬릿광원(3)의 주사를 개시한다.

형상연산회로(10)는 그 입력부에 화상합성회로(12)를 갖고 있어 슬릿광원(3) 주사 개시와 동시에 텔레비젼 카메라(8)로부터 입력되는 비데오 신호를 시시각각 처리하여 화면내의 각 화소마다 그 화소를 슬릿광의 영상이 통과한 순간의 스테이지 위치 신호를 그 화소의 값으로 화상합성연산을 하며, 슬릿광원(3)의 1주사의 완료와 동시에, 그 결과 u(x, y)를 물체면 합성화상 기억장치(13)에 전송한다.

다음에, 기준면(1)으로부터 피측정대상물(2)을 떼어놓은 후, 순서제어기(11)는 슬릿광원(3)을 초기위치에 되돌려 놓은 후, 재차 슬릿광원(3)의 주사를 개시한다. 화상합성회로(12)는 피측정대상물(2)에 대하여 시행한 것과 같은 화상합성연산을 기준면(1)에 대하여 시행하고, 슬릿광원의 주사 완료와 동시에, 그 결과 u₀(x,y)를 기준면 합성화상 기억장치(14)에 전송한다.

이들의 화상합성 연산완료 후, 형상연산회로(10)는 순서제어기(11)의 지시에 근거로 하여 높이연산회로(15) 및 일그러짐 보정회로(16)에 다음 연산을 시킨다. 높이연산회로(15)는 물체면 합성화상 기억장치(13)의 화상과, 기준면 합성화상 기억장치(14)의 화상에서부터 (5)식에 따라 높이 데이터 z(x', y')를 연산한다. 그런 뒤에 일그러짐 보정회로(16)는 상기한 (6), (7), (8)식에 따라 일그러짐을 보정하여 얻어진 윤곽 데이터 f(x, y)를 3차원 형상기억장치(17)에 축적한다.

3차원 형상기억장치(17)에 축적된 높이 윤곽 데이터는 상위(上位)의 계산기 내지 CAD장치로 부터의 지령에 근거로 하여 적절하게 계산기 또는 CAD장치에 전송된다.

또한, 상기한 실시예에서는 측정시에 기준면(1)의 합성화상을 작성하고 있으나, 기준면(1)의 합성화상은 한번 작성하면 되니까 2회째 이하의 측정시에는 최초에 작성한 기준면(1)의 합성화상을 그대로 사용하면 된다. 또한, 이 기준면(1)의 합성화상은 단순한 구성이기 때문에, 형상연산회로(10)에 연산기능을 부가하고, 가상의 기준면을 (5)식에 의하여 계산하여 구하고, 그 합성화상을 작성하여 기준면 합성화상 기억장치(14)에 격납(보관)하도록 하여도 좋다.

또한, 상기한 실시예에서는 화상합성회로(12)에서 스테이지 위치신호를 직접 합성신호로 하여 쓰고 있으나, 예를 들어 스테이지를 등속이동시킨다는 전제하에서 스테이지의 주사를 개시한 후, 경과시간과 같이 스테이지 위치에 대응하는 신호이기만 하면, 특히 스테이지 위치신호 그 자체가 아니더라도 된다. 단지, 그 경우에는 화상합성회로(12) 뒤에 스테이지 위치변환회로를 마련할 필요가 있다.

Claims (4)

1. 피측정대상 표면에 기준면과 직교하지 않는 각도θ를 이룬 방향에서의 선형상의 슬릿광을 투광하는 슬릿광 투광수단과, 피측정대상 표면을 투광 슬릿광과는 상이한 방향에서 촬영하는 텔레비젼 카메라와, 상기한 텔레비젼 카메라의 출력을 수신하여 각 화소에 대응하는 측정점의 하나를 통과할 때마다 투광하는 슬릿광에 관한 정보에 따라 각 화상의 값을 나타내는 화상을 합성화상 기억수단에서 합성하여 피측정 대상면의 합성화상을 형성하는 화상합성수단을 포함하는 3차 곡면형상을 측정하는 3차원 곡면형상의 측정장치에 있어서, 피측정대상 표면에 대하여 주사한 때 상기한 화상합성수단에 의하여 얻어진 합성화상 u(x', y')과, 기준면에 대한 합성화상의 측정값 또는 계산값 u₀(x', y')과, 기준면에 대한 투광각도 θ와, 기준면과 텔레비젼 카메라간의 거리 a에 의거하여 텔레비젼 카메라의 원근 효과에 의거한 일그러짐을 제거한 높이 데이터 z(x', y')를 연산하는 높이 연산수단과, 높이 연산수단에 의하여 얻어진 높이 데이터 z(x', y')의 2차원 좌표(x', y')를 상기한 높이 데이터 z(x', y')와, 기준면과 텔레비젼 카메라간의 거리 a에 의거하여 보정하는 일그러짐 보정수단과, 상기한 일그러짐 보정수단에 의하여 보정된 상기 2차원 좌표의 높이 데이터를 피측정대상 표면의 3차원 형상 데이터로 기억하는 기억수단을 포함하는 형상연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 형상연산수단은

   

   가 되는 식을 근거로 하여 피측정대상 표면의 3차원 곡면형상 f(x, y)을 구하는 3차원 곡면형상의 측정장치.
3. 제7항에 있어서, 형상연산수단은 피측정대상 표면의 합성화상 u(x', y')을 기억하는 제1기억수단과, 기준면에 대한 합성화상의 측정값 또는 계산값 u₀(x', y')를 기억하는 제2기억수단을 포함하는 3차원 곡면형상의 측정장치.
4. 제9항에 있어서, 기준면에 대한 합성화상의 측정값 또는 계산값 u₀(x', y')이 형상측정에 우선하여 미리 제2기억수단에 기억되어 있는 3차원 곡면형상의 측정장치.

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