WO2010047523A2 - 복수의 라인패턴을 활용한 3차원 스캐닝 장치 및 방법 - Google Patents

복수의 라인패턴을 활용한 3차원 스캐닝 장치 및 방법 Download PDF

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WO2010047523A2
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지남석
강철권
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포스앤핏 주식회사
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional scanning apparatus and method, and more particularly, to a three-dimensional scanning apparatus utilizing multiple patterns for simultaneously forming a plurality of line patterns radially on a subject and generating three-dimensional data about the subject from them. And to a method.
  • the position of the transmitter and the camera is fixed, and the pattern is projected from the transmitter in a predetermined direction, thereby photographing an image formed on the subject due to the pattern with one or two cameras.
  • Three-dimensional data is generated.
  • An object of the present invention is to reduce the time required for three-dimensional scanning, to achieve a miniaturization in terms of the size of the device, and to create a three-dimensional scanning apparatus and method that can minimize the occurrence of blind spots in the generation of three-dimensional data To provide.
  • the present invention provides a three-dimensional scanning apparatus, comprising: projection means for radially projecting a plurality of scanning planes having a predetermined angular interval toward at least a portion of a predetermined measurement space in which a subject is located; Photographing means for photographing a plurality of line patterns formed on the surface of the subject by the subject meeting the plurality of scanning planes; And data generating means for generating three-dimensional data on the shape of the subject from the plurality of photographed line patterns.
  • the projection means and the photographing means may be fixed to the relative position and angle to each other, the projection of the plurality of scanning planes and the photographing of the plurality of line patterns in the process of moving in parallel along the measurement space. have.
  • the measurement space may have an inner end and an outer end to prevent the phenomenon of overlapping between neighboring scanning planes from among the plurality of radially projected scanning planes when viewed from the viewpoint of the photographing means. .
  • the data generating means may generate the three-dimensional data only from those obtained in the measurement space among the plurality of line patterns.
  • the projection means may be infrared projection means for projecting the plurality of scanning planes in an infrared form
  • the photographing means may be infrared imaging means for photographing the plurality of line patterns in an infrared form.
  • the present invention provides a three-dimensional scanning apparatus, comprising: a guide unit spaced apart from a predetermined measurement space in which a subject is located therein and disposed along the measurement space; A reciprocating slide is driven along the guide unit, and one side includes a projection unit radially projecting a plurality of scanning planes having a predetermined angular interval toward at least a portion of the measurement space, and on the other side, the subject meets the plurality of scanning planes.
  • a scanning unit having a photographing unit for photographing a plurality of line patterns formed on the surface of the subject; And a data generation unit configured to generate three-dimensional data regarding the shape of the subject from the plurality of photographed line patterns.
  • the guide unit may be arranged in plural at regular intervals around the measurement space, and at least one scanning unit may be provided for each guide unit.
  • the present invention provides a three-dimensional scanning method, comprising: positioning a subject in a predetermined measurement space; Radially projecting a plurality of scanning planes having a constant angular interval toward at least a portion of the measurement space; Photographing a plurality of line patterns formed on the surface of the subject by the subject meeting the plurality of scanning planes; And generating three-dimensional data about the shape of the subject from the plurality of photographed line patterns.
  • the measurement space may be defined such that the plurality of scanning planes exist within a range that does not overlap each other when the plurality of line patterns are photographed.
  • the three-dimensional scanning apparatus and the three-dimensional scanning method according to the present invention by projecting means to radially project the plurality of scanning planes, thereby photographing a plurality of line patterns formed on the surface of the subject and three-dimensional data Since a large amount of three-dimensional data about the subject can be obtained through a single projection process, the time required for scanning can be shortened.
  • the scanning plane may be projected onto the subject at various angles, and thus, the line pattern may be easily formed in a blind spot such as a place parallel to the projection means. Therefore, it is possible to minimize the occurrence of this blind spot when generating the three-dimensional data.
  • the projection means when photographing a line pattern while moving projection means for projecting a plurality of scanning planes radially along the subject, the projection means can project the entire subject even if the projection means has a smaller transport length than the subject. Miniaturization and cost reduction of the three-dimensional scanning apparatus can be achieved.
  • FIG. 1 is a perspective view of a three-dimensional scanning apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a side view of the three-dimensional scanning apparatus of FIG.
  • 3 and 4 are schematic views for explaining the principle of operation of the three-dimensional scanning apparatus of FIG.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the line pattern of the subject viewed from the viewpoint of the camera which is one component of the three-dimensional scanning apparatus of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a state of use of the three-dimensional scanning apparatus of FIG. 1.
  • 3D scanning apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, as shown in Figs. 1 and 2, comprising a base portion 110, a guide portion 120, a plurality of scanning unit 130 do.
  • the base unit 110 has a measurement space in which a subject such as a human body is located at the center and supports the guide unit 120 through both left and right end portions.
  • the guide unit 120 guides the up and down of the scanning unit 130 through the LM guide.
  • a precision timing belt 121 or a lead screw (not shown) is installed and driven inside the guide part 120 to allow the scanning part 130 to move up and down.
  • Each scanning unit 130 is provided such that the projector 131 and the camera 132 are paired up and down.
  • the projector 131 and the camera 132 may be provided at the left and right ends of the scanning unit 130, respectively, so that they may be provided in two pairs in one scanning unit 130.
  • the projector 131 projects a beam toward the measurement space inside, and the camera 132 photographs a pattern in which the projected beam meets and forms the surface of the subject located in the measurement space.
  • the projector 131 and the camera 132 may be arranged in parallel to each other vertically, but are not limited thereto.
  • the projector 131 and the camera 132 may be configured as a pair arranged horizontally in parallel to each other.
  • the other pair of projectors 131 'and the camera 132' are horizontally arranged side by side directly below the pair.
  • the 3D scanning apparatus 100 further includes data generating means (not shown) for generating 3D data regarding the shape of the subject from the photographed pattern.
  • the motor 122 is driven by the control of a control unit (not shown), and the power transmitted through the drive shaft of the motor 122 is rotated by the pulley 123.
  • the high precision timing belt 121 is coupled to the pulley 123. ) Is rotated in the vertical direction, the scanning unit 130 coupled to one side of the timing belt 121 is moved up and down.
  • the scanning unit 130 may be driven up and down by rotating the lead screw.
  • the projector 131 of the scanning unit 130 projects a plurality of scanning planes in a vertical direction in a radial direction, and a camera 132 simultaneously photographs a plurality of line patterns in which the plurality of scanning planes meet and form the subject surface.
  • the three-dimensional scanning apparatus 100 it is possible to obtain the effect of improving the scanning speed.
  • 3 and 4 are diagrams for explaining an implementation principle of such simultaneous scanning.
  • the projector 131 projects radially the plurality of scanning planes # 1 to # 4 in a left-right direction (which corresponds to the up-down direction in FIG. 1). There is a constant angular spacing between neighboring scanning planes # 1 to # 4.
  • a filter (not shown) having a plurality of parallel slits formed in front of the lens of the projector 131 may be mounted.
  • the projected scanning planes # 1 to # 4 meet the subject 10 to form a plurality of line patterns L1 to L4 on the surface thereof.
  • each line pattern L1 to L4 is formed in one-to-one correspondence with the scanning planes # 1 to # 4.
  • the camera 132 photographs a plurality of line patterns L1 to L4 formed on the surface of the subject 10.
  • the entire scanning unit 130 in which the projector 131 and the camera 132 are integrally transferred, is moved left and right by a predetermined distance, and the projection of the projector 131 and the photographing of the camera 132 are performed every transfer. Is repeated.
  • the scanning time for the subject 10 can be greatly shortened.
  • the scanning speed may be as fast as the number of the scanning planes # 1 to # 4, compared to the conventional method of projecting a single scanning plane.
  • Which scanning planes # 1 to # 4 each belong to may be a problem. That is, a device capable of giving identification for each of the plurality of line patterns L1 to L4 should be provided.
  • 4 is a diagram for explaining the principle of assigning IDs between these line patterns L1 to L4.
  • the projector 131 projects the plurality of scanning planes # 1 to # 4 radially from the left and right at an angular interval, the points where they meet the surface of the subject 10 located in the measurement space D ( L11 to L41 are photographed by the camera 132.
  • L11 is always formed by the scanning plane # 1 as long as it exists between the inner m1 and the outer n1.
  • L21 is also a point formed by scanning plane # 2 as long as it exists between m2 of the inner side and n2 of the outer side, and the same is true of L31 and L41.
  • the line pattern formed on the surface of the subject 10 can always check the ID.
  • the measurement space D is a straight line including the inner end Dmin of m1 to m4 and the outer end Dmax is a straight line including n1 to n4.
  • the line segments m1n1, m2n2, m3n3 and m4n4 divided by the straight line Dmin and the straight line Dmax overlap each other when viewed from the camera 132. Will not be.
  • Line segment m1n1 belongs to scanning plane # 1
  • line segment m2n2 belongs to scanning plane # 2
  • line segment m3n3 belongs to scanning plane # 3
  • line segment m4n4 belongs to scanning plane # 4.
  • the points on each corresponding line segment also belong to each corresponding scanning plane.
  • the point L21 'meeting the scanning plane # 2 is recognized as a point present on the line segment m1n1 when viewed from the camera 132 side, and may be mistaken for belonging to the scanning plane # 1. In this case, the three-dimensional data generated from them does not properly implement the subject.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a positional relationship grasped when the measuring space D having the inner end Dmin and the outer end Dmax is viewed from the camera 132 side.
  • the point m1 of FIG. 4 may be represented by the leftmost line in FIG. 5, and the point m2 or n1 of FIG. 4 may be represented by the second line from the left in FIG. 5.
  • m3 and m4 and n2 to n4 may also be expressed in the same manner as the lines shown in FIG. 5.
  • L11 is a point existing on the line pattern formed by the scanning plane # 1 and the subject 10, it is represented by the line pattern L1 including the L11 in FIG. 5. The same applies to L2 to L4.
  • L1 is always present in the m1 and m2 lines. That is, since L1 belongs to the scanning plane # 1, its ID can always be checked.
  • Dmin and Dmax mean threshold values at which the points L11 to L41 do not overlap when viewed from the perspective of the camera 132, and m1 to m4 and n1 to n4 are present on these lines.
  • the m2 line overlaps the n1 line
  • the m3 line overlaps the n2 line
  • the m4 line overlaps the n3 line.
  • a problem may occur in that the ID of the points existing on the m2 line, the m3 line, or the m4 line cannot be properly confirmed at the time of the camera 132.
  • a modified measurement having an inner end Dmin_corrected and an outer end Dmax_corrected by moving the inner end Dmin and the outer end Dmax of the measurement space D into a predetermined distance, respectively, respectively. You can define the space D_corrected.
  • the subject 10 existing therein may be expressed as shown in FIG. 6 when viewed from the perspective of the camera 132.
  • L1 is in the m1_corrected line and n1_corrected line
  • L2 is in the m2_corrected line and n2_corrected line
  • L3 Is always in the m3_corrected and n3_corrected lines
  • L4 is always in the m4_corrected and n4_corrected lines.
  • FIG. 7 illustrates line patterns formed on the subject when four scanning planes are projected to have a predetermined angular distance from the projector 131 to the cylindrical subject existing in the corrected measurement space D_corrected.
  • L1 to L4 are taken by the camera 132.
  • L1 is in m1_corrected and n1_corrected lines
  • L2 is in m2_corrected and n2_corrected lines
  • L3 is in m3_corrected and n3_corrected lines
  • L4 is always in m4_corrected and n4_corrected lines.
  • FIGS. 8 to 11 sequentially show the results of projecting and photographing the projector 131 and the camera 132 while moving the scanning unit 130 by placing the mannequin as a subject in the corrected measurement space D_corrected as described above. It is shown as.
  • a plurality of projection and photographing processes may be interposed between the drawings of FIGS. 8 to 11.
  • FIG. 8 illustrates line patterns L2_t1 to L4_t1 obtained by scanning the scanning unit 130 in a constant speed moving position at a time t1
  • FIG. 9 illustrates a time point t2 when the scanning unit 130 continues to move in constant speed.
  • the line patterns L1_t2 to L4_t2 obtained when the position becomes.
  • the three-dimensional scanning apparatus 100 further includes data generating means (not shown) for generating three-dimensional data relating to the shape of the subject from the respective line patterns.
  • the data generating means includes external variables such as the position of the scanning unit 130 at the corresponding point in time, the positional relationship between the projector 131 and the camera 132 in the scanning unit 130, the focal length of the lens, the distortion coefficient, and the like.
  • 3D data regarding the shape of the subject is calculated from the above-described line patterns in a state in which the internal variable of is previously calculated.
  • the projector 131 when the scanning unit 130 is moved in the vertical direction, as shown in Figure 12, the projector 131 is a constant angle interval A plurality of scanning planes (# 1 to # 4) having a can be radially projected in the vertical direction.
  • the scanning unit 130 does not need to move from the top to the bottom of the subject 10, and the first scanning plane # 1 at the top and the fourth scanning plane # 4) only needs to be moved up and down to the extent that the upper and lower ends of the subject 10 are respectively projected. That is, in FIG. 12, since the scanning unit 130 only needs to move the H section, the scanning unit 130 may have a shorter moving distance than the conventional method of projecting the scanning plane on a straight line.
  • the three-dimensional scanning apparatus 100 may be made to project and shoot using infrared.
  • the projector 131 of the scanning unit 130 projects the plurality of scanning planes in an infrared form
  • the camera 132 is equipped with an infrared filter to photograph a plurality of line patterns in the infrared form.
  • the three-dimensional scanning apparatus 100 described above and the three-dimensional scanning method inherent therein is only an embodiment for helping the understanding of the present invention is understood that the scope of the present invention to the technical scope is limited to these Can not be done.

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Abstract

본 발명은 복수의 라인패턴을 활용한 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 내부에 피사체가 위치하는 소정의 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사수단과; 상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 촬영수단; 및 상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 3차원 스캐닝에 소요되는 시간을 단축하고, 장치의 규모 면에서도 소형화를 달성할 수 있으며, 3차원 데이터의 생성 시 사각지대의 발생을 최소화할 수 있다.

Description

복수의 라인패턴을 활용한 3차원 스캐닝 장치 및 방법
본 발명은 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피사체에 복수의 라인패턴을 동시에 방사상으로 형성하고 이들로부터 상기 피사체에 관한 3차원 데이터를 생성하는 다중 패턴을 활용한 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 3차원 스캐닝 기술에 의하면 레이저 라인 투광기를 통해 1개의 스캐닝 평면이 투사될 때 피사체에 형성되는 1개의 라인(stripe)이 카메라에 의해 촬영되어 이로부터 상기 피사체에 관한 3차원 데이터가 생성된다.
그러나, 이러한 종래 기술에 의하면, 피사체에 관한 전체의 3차원 데이터를 생성하기 위해서는 상기 투광기가 피사체 전체를 따라 이송되어야 하므로 이송거리에 따른 시간지연 및 이송장치의 대형화가 문제되었다.
또한, 피사체에 따라서는 투사되는 스캐닝 평면과 평행한 부분이 존재할 경우 해당 부분에서 상기 라인이 제대로 형성되지 않거나 넓게 산포(dispersion)되는 현상이 발생함에 따라 생성되는 3차원 데이터를 통해서는 피사체 원본의 형상을 제대로 구현할 수 없다는 문제가 있었다.
그리고, 종래의 다른 3차원 스캐닝 기술에 의하면 투광기와 카메라의 위치가 고정되고 상기 투광기로부터 일정한 방향으로 패턴이 투사되면서 상기 패턴으로 인해 피사체에 형성되는 영상을 1개 또는 2개의 카메라로 촬영하여 이로부터 3차원 데이터가 생성된다.
그러나, 이 경우에는 인체의 전신(whole body) 등과 같이 큰 피사체를 촬영하고자 할 때 다수의 카메라가 사용되어야 하며, 투광기 또한 3차원 데이터의 생성이 어려운 부분, 즉 사각지대를 최소화하기 위해서는 그만큼 많은 수량으로 설치되어야 한다는 단점이 있었다.
한편, 종래의 또 다른 3차원 스캐닝 기술에 의하면 이송되는 투광기로부터 다수의 스캐닝 평면이 투사되고 이에 따라 피사체에 형성되는 패턴들을 카메라로 촬영하는 방법이 제안된 바 있으나, 이 경우에는 3차원 데이터를 생성하기 위해서는 촬영된 매 패턴마다 ID(identification)를 확인하는 과정을 거쳐야 한다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 3차원 스캐닝에 소요되는 시간을 단축하고, 장치의 규모 면에서도 소형화를 달성할 수 있으며, 3차원 데이터의 생성 시 사각지대의 발생을 최소화할 수 있는 3차원 스캐닝 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 3차원 스캐닝 장치에 있어서, 내부에 피사체가 위치하는 소정의 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사수단과; 상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 촬영수단; 및 상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치를 제공한다.
여기서, 상기 투사수단과 상기 촬영수단은 서로 상대적인 위치 및 각도가 고정되고, 상기 측정공간을 따라서 평행하게 이동하는 과정에서 상기 복수의 스캐닝 평면의 투사 및 상기 복수의 라인패턴의 촬영이 이루어지도록 할 수도 있다.
그리고, 상기 측정공간은, 상기 촬영수단의 관점에서 바라볼 때 상기 방사상으로 투사되는 복수의 스캐닝 평면 중 서로 이웃하는 스캐닝 평면 사이에 중첩되는 현상이 발생하지 않도록 하는 내측단과 외측단을 갖도록 할 수도 있다.
이때, 상기 데이터 생성수단은 상기 복수의 라인패턴 중 상기 측정공간의 내부에서 얻어진 것으로부터만 상기 3차원 데이터를 생성하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 투사수단은 적외선 형태로 상기 복수의 스캐닝 평면을 투사하는 적외선 투사수단이고, 상기 촬영수단은 적외선 형태의 상기 복수의 라인패턴을 촬영할 수 있는 적외선 촬영수단일 수도 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 3차원 스캐닝 장치에 있어서, 내부에 피사체가 위치되는 소정의 측정공간으로부터 일정 간격 이격되어 상기 측정공간을 따라서 배치되는 가이드부와; 상기 가이드부를 따라 왕복 슬라이드 구동되며, 일측에는 상기 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사부를 구비하고, 타측에는 상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 촬영부를 구비한 스캐닝부; 및 상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치를 제공한다.
여기서, 상기 가이드부는 상기 측정공간의 둘레에 일정 간격으로 복수 개 배치되고, 각 가이드부마다 상기 스캐닝부가 적어도 하나씩 마련되도록 할 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 3차원 스캐닝 방법에 있어서, 소정의 측정공간의 내부에 피사체를 위치시키는 단계와; 상기 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 단계와; 상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 단계; 및 상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법을 제공한다.
여기서, 상기 측정공간은 상기 복수의 스캐닝 평면이 상기 복수의 라인패턴을 촬영할 때 서로 중첩되지 않는 범위 내에 존재하도록 정의될 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 장치 및 3차원 스캐닝 방법에 의하면, 투사수단을 통해 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하고 이에 의해 피사체 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영 및 3차원 데이터를 생성할 수 있으므로 단일의 투사 과정을 통해 피사체에 관하여 많은 양의 3차원 데이터를 얻을 수 있으며, 이에 따라 스캐닝에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 스캐닝 평면은 투사수단을 통해 방사상으로 투사됨에 따라 피사체에 상기 스캐닝 평면이 다양한 각도에서 투사될 수 있고 그에 따라 상기 투사수단과 수평을 이루는 곳 등의 사각지대에도 라인패턴이 용이하게 형성될 수 있으므로 3차원 데이터의 생성 시 이러한 사각지대의 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사수단을 피사체를 따라 이동시키면서 라인패턴을 촬영할 경우, 상기 투사수단은 상기 피사체보다 더 작은 이송길이를 갖더라도 상기 피사체 전체에 대하여 투사할 수 있으므로 이로 인해 3차원 스캐닝 장치의 소형화 및 소요비용의 절감을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 장치에 대한 사시도,
도 2는 도 1의 3차원 스캐닝 장치의 측면도,
도 3 및 도 4는 각각 도 1의 3차원 스캐닝 장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략도,
도 5 및 도 6은 각각 도 1의 3차원 스캐닝 장치의 일 구성요소인 카메라의 시점에서 바라본 피사체의 라인패턴을 설명하기 위한 그림,
도 7 및 도 8 내지 도 11은 각각 도 1의 3차원 스캐닝 장치를 사용하여 피사체 표면에 형성된 라인패턴을 촬영한 사진,
도 12는 도 1의 3차원 스캐닝 장치의 사용 상태를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 장치(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스부(110), 가이드부(120), 복수의 스캐닝부(130)를 포함하여 구성된다.
베이스부(110)는 중앙 부분에 인체 등의 피사체가 위치하게 되는 측정공간을 가지며 좌우 양측단부를 통해 가이드부(120)를 지지한다.
가이드부(120)는 LM가이드 등을 통해 스캐닝부(130)의 상하 승강을 안내한다.
가이드부(120)의 내측에는 정밀 타이밍 벨트(121) 또는 리드스크류(도면 미도시)가 설치 및 구동됨으로써 상기 스캐닝부(130)의 상하 승강이 가능하도록 한다.
각 스캐닝부(130)에는 프로젝터(131)와 카메라(132)가 상하로 한 쌍을 이루도록 구비된다. 특히, 이 프로젝터(131)와 카메라(132)는 스캐닝부(130)의 좌우측 단부에 각각 구비됨으로써 하나의 스캐닝부(130)에 2쌍으로 구비될 수도 있다.
프로젝터(131)는 내측의 측정공간을 향해 빔을 투사하고, 카메라(132)는 투사된 빔이 상기 측정공간 내에 위치하는 피사체의 표면과 만나 형성하게 되는 패턴을 촬영한다.
프로젝터(131)와 카메라(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 수직으로 나란히 배치될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 수평으로 나란히 배치된 한 쌍으로서 구성될 수도 있다. 물론, 이때 나머지 한 쌍의 프로젝터(131')와 카메라(132')는 상기 한 쌍의 바로 아래에 수평으로 나란히 배치된다.
3차원 스캐닝 장치(100)는 상기 촬영된 패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성수단(도면 미도시)을 더 포함한다.
제어부(도면 미도시)의 제어를 통해 모터(122)가 구동하고, 모터(122)의 구동축을 통해 전달된 동력은 풀리(123)를 회전시킴으로써 이 풀리(123)에 결합된 고정밀 타이밍 벨트(121)가 상하 방향으로 회전 구동되며, 이 타이밍 벨트(121)의 일측에 결합되는 스캐닝부(130)가 상하로 승강하게 된다.
한편, 이러한 벨트(121)-풀리(123) 구동 방식 대신에 리드스크류(lead screw)의 회전 구동을 통해 상기 스캐닝부(130)를 상하로 승강 구동시킬 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 장치(100)에 대한 특징적인 사항으로서 상기한 스캐닝부(130)의 프로젝터(131)는 복수의 스캐닝 평면을 상하 방향으로 방사상으로 투사하며, 카메라(132)는 이들 복수의 스캐닝 평면이 피사체 표면과 만나 형성하는 복수의 라인패턴을 동시에 촬영한다.
따라서, 이러한 3차원 스캐닝 장치(100)에 의하면 스캐닝의 속도 향상 등의 효과를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4는 이러한 동시 스캐닝의 구현 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
우선, 도 3을 참조하면 프로젝터(131)는 좌우 방향(이는 도 1에서의 상하 방향에 해당함)으로 복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)을 방사상으로 투사한다. 이웃하는 스캐닝 평면(#1 내지 #4) 간에는 일정한 각도 간격을 갖는다.
복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)을 투사하기 위해 프로젝터(131)의 렌즈 전방에 다수의 평행한 슬릿이 형성된 필터(도면 미도시)를 장착할 수 있다.
투사된 스캐닝 평면들(#1 내지 #4)은 피사체(10)와 만나 그 표면에 복수의 라인패턴(L1 내지 L4)을 형성하게 된다.
도 3은 각 라인패턴(L1 내지 L4)이 스캐닝 평면(#1 내지 #4)에 대응하여 일대일로 형성된 모습을 도시하고 있다.
카메라(132)는 피사체(10) 표면에 형성된 복수의 라인패턴(L1 내지 L4)을 촬영한다.
그리고, 프로젝터(131)와 카메라(132)가 일체로서 구비된 전체 스캐닝부(130)가 소정 거리 좌우로 이송되며, 매 이송 시마다 프로젝터(131)의 투사 및 카메라(132)의 촬영이 이루어지는 과정이 반복된다.
따라서, 복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)을 투사하는 프로젝터(131)에 의하면 피사체(10)에 대한 스캐닝 시간을 크게 단축시킬 수 있게 된다. 구체적으로는 종래 단일의 스캐닝 평면을 투사하는 방식에 비해 최대 상기 스캐닝 평면(#1 내지 #4)의 개수만큼 빠른 속도로 이루어질 수 있다.
한편, 이와 같이 복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)이 동시에 투사되어 복수의 라인패턴(L1 내지 L4)이 형성되는 상황에서 카메라(132)가 촬영하는 여러 개의 라인패턴들(L1 내지 L4)이 각각 어느 스캐닝 평면(#1 내지 #4)에 속하는지가 문제될 수 있다. 즉, 복수의 라인패턴(L1 내지 L4) 각각에 대한 ID(identification)를 부여할 수 있는 장치가 마련되어야 한다.
도 4는 이들 라인패턴들(L1 내지 L4) 간에 ID를 부여하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 프로젝터(131)가 복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)을 일정 각도 간격으로 좌우 방사상으로 투사하면 이들이 측정공간(D) 내에 위치하는 피사체(10)의 표면과 만나는 점들(L11 내지 L41)이 카메라(132)에 의해 촬영된다.
도면에서는 평면적으로 도시되었으므로 상기한 라인패턴들(L1 내지 L4)이 여기서는 대응되는 점들(L11 내지 L41)로 나타나게 됨을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이때, 이들 점들(L11 내지 L41)을 카메라(132) 측에서 바라보면, L11은 내측의 m1과 외측의 n1 사이에 존재하기만 하면 항상 스캐닝 평면 #1으로 인해 형성되는 점이라는 것을 알 수 있다.
L21 또한 내측의 m2과 외측의 n2 사이에 존재하기만 하면 항상 스캐닝 평면 #2으로 인해 형성되는 점이라는 것을 알 수 있으며, 이는 L31과 L41의 경우에도 마찬가지이다.
즉, 피사체(10)가 측정공간(D) 내에 위치하기만 하면 그 표면에 형성되는 라인패턴은 항상 ID를 확인할 수 있다는 것이다.
이때, 측정공간(D)은 그 내측단(Dmin)이 m1 내지 m4를 포함하는 직선이고 그 외측단(Dmax)은 n1 내지 n4를 포함하는 직선임에 유의할 필요가 있다.
이러한 내측단(Dmin)과 외측단(Dmax)을 갖는 측정공간(D)에 의하면, 직선 Dmin과 직선 Dmax에 의해 나누어지는 선분 m1n1, m2n2, m3n3 및 m4n4는 카메라(132)에서 바라볼 때 서로 중첩되지 않게 된다.
선분 m1n1은 스캐닝 평면 #1에 속하고, 선분 m2n2는 스캐닝 평면 #2에 속하고, 선분 m3n3는 스캐닝 평면 #3에 속하며, 선분 m4n4는 스캐닝 평면 #4에 속한다.
그러므로, 각 해당 선분 상에 존재하는 점들 또한 각 해당 스캐닝 평면에 속하게 되는 것이다.
만약, 피사체(10)가 측정공간(D) 내에 존재하지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이, 내측단(Dmin)보다 더 가까이 존재한다면, 예를 들어 피사체(10')와 같이 존재한다면 그 표면이 스캐닝 평면 #2와 만나는 점 L21'는, 카메라(132) 측에서 바라볼 때 선분 m1n1 상에 존재하는 점으로 인식되어 스캐닝 평면 #1에 속하는 것으로 잘못 인식될 수 있다. 이러한 경우에는 이들로부터 생성되는 3차원 데이터는 피사체를 제대로 구현하지 못한다.
도 5는 상기한 내측단(Dmin)과 외측단(Dmax)을 갖는 측정공간(D)을 카메라(132) 측에서 바라볼 때 파악되는 위치관계를 도식화한 것이다.
도 4의 점 m1은 도 5에서 맨 좌측의 라인으로 표현될 수 있고, 도 4의 점 m2 또는 n1은 도 5에서 좌측에서 두번째 라인으로 표현될 수 있다. m3 및 m4, 그리고 n2 내지 n4 또한 마찬가지 원리로 도 5에 도시된 라인들과 같이 표현될 수 있다.
도 4에서의 L11은 스캐닝 평면 #1과 피사체(10)가 만나 형성하는 라인패턴 상에 존재하는 하나의 점이므로, 도 5에서는 이 L11을 포함하는 라인패턴(L1)으로 표현된다. L2 내지 L4의 경우에도 이와 마찬가지로 표현된다.
도시된 바와 같이, 예를 들어 L1은 항상 m1 라인과 m2 라인 내에 존재함을 알 수 있다. 즉, L1은 스캐닝 평면 #1에 속하므로 항상 그 ID를 확인할 수 있는 것이다.
한편, 도 4에서 Dmin과 Dmax는 카메라(132)의 시각에서 볼 때 점들(L11 내지 L41)이 중첩되지 않는 한계치를 의미하고, 이들 선 상에 상기한 m1 내지 m4 및 n1 내지 n4가 존재하므로, 도 5에서 m2 라인은 n1 라인과 중첩되고, m3 라인은 n2라인과 중첩되며, m4 라인은 n3 라인과 중첩된다.
따라서, 카메라(132)의 시각에서는 m2 라인, m3 라인 또는 m4 라인 상에 존재하는 점들에 대하여는 그 ID를 제대로 확인할 수 없다는 문제가 발생할 수 있다.
이를 위해, 도 4에서, 측정공간(D)의 내측단(Dmin)과 외측단(Dmax)을 각각 소정 거리 내측으로 이동하여 수정된 내측단(Dmin_corrected)과 외측단(Dmax_corrected)을 갖는 수정된 측정공간(D_corrected)을 정의할 수 있다.
이렇게 수정된 측정공간(D_corrected)에 의하면, 그 내부에 존재하는 피사체(10)는 카메라(132)의 시각에서 볼때 도 6에서와 같이 표현될 수 있다.
즉, 항상 수정된 측정공간(D_corrected) 내에 존재하는 피사체(10) 표면에 형성되는 복수의 라인패턴(L1 내지 L4) 중 L1은 m1_corrected 라인과 n1_corrected 라인 내에, L2는 m2_corrected 라인과 n2_corrected 라인 내에, L3는 m3_corrected 라인과 n3_corrected 라인 내에, 그리고 L4는 m4_corrected 라인과 n4_corrected 라인 내에 항상 존재한다.
따라서, 이 경우에는 m1_corrected 내지 m4_corrected 라인과 n1_corrected 내지 n4_corrected 라인 간 중첩되는 일이 없으므로 각 라인 상에 존재하는 점들이라 하더라도 그 점이 속하는 스캐닝 평면을 쉽게 확인할 수 있게 된다.
도 7은 상기한 수정된 측정공간(D_corrected) 내에 존재하는 원기둥인 피사체에 대하여 프로젝터(131)로부터 상하로 일정한 각도 간격을 갖도록 4개의 스캐닝 평면을 투사하였을 때 상기 피사체 상에 형성되는 라인패턴들(L1 내지 L4)을 카메라(132)로 촬영한 것이다.
도면에서 보듯이, 라인패턴(L1 내지 L4) 중 L1은 m1_corrected 라인과 n1_corrected 라인 내에, L2는 m2_corrected 라인과 n2_corrected 라인 내에, L3는 m3_corrected 라인과 n3_corrected 라인 내에, 그리고 L4는 m4_corrected 라인과 n4_corrected 라인 내에 항상 존재함을 알 수 있으며, 이에 따라 각 라인패턴이 속하는 스캐닝 평면에 관하여서는 L1은 스캐닝 평면 #1에, L2는 스캐닝 평면 #2에, L3는 스캐닝 평면 #3에, L4는 스캐닝 평면 #4에 속한다는 것을 인식할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 상기와 같이 수정된 측정공간(D_corrected) 내에 마네킹을 피사체로 위치시켜 스캐닝부(130)를 이동시키면서 프로젝터(131)와 카메라(132)로 투사 및 촬영을 수행한 결과를 순차적으로 도시한 것이다. 물론, 도 8 내지 도 11의 각 도면들 사이에는 다수의 투사 및 촬영 과정이 개재될 수 있다.
도 8은 정속 이동중인 스캐닝부(130)가 t1 시점의 위치에서 스캐닝을 수행하여 얻은 라인패턴들(L2_t1 내지 L4_t1)이며, 도 9는 상기 스캐닝부(130)가 계속 정속 이동중인 상태에서 t2 시점의 위치가 될 때 얻은 라인패턴들(L1_t2 내지 L4_t2)이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 장치(100)는 상기한 각각의 라인패턴들로부터 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성수단(도면 미도시)을 더 포함한다.
이 데이터 생성수단은 해당 시점에서의 스캐닝부(130)의 위치, 스캐닝부(130) 내에서의 프로젝터(131)와 카메라(132)의 위치관계 등의 외부변수와 렌즈의 초점거리, 왜곡계수 등의 내부변수를 미리 계산(Calibration)해 놓은 상태에서, 상기한 라인패턴들로부터 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 연산해낸다.
투사된 스캐닝 평면이 피사체 표면에 형성하는 라인패턴으로부터 3차원 데이터를 생성하는 기술에 관하여는 일반적으로 공지된 기술을 이용할 수 있으므로 여기서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 장치(100)에 의하면 상기한 스캐닝부(130)가 상하 수직방향으로 이동될 때, 도 12에 도시된 바와 같이, 프로젝터(131)는 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면(#1 내지 #4)을 상하 방향으로 방사상으로 투사할 수 있다.
따라서, 스캐닝부(130)는 피사체(10)의 상단으로부터 하단에 이르기까지 모두 이동할 필요가 없이, 투사되는 스캐닝 평면들 중 상단의 제1 스캐닝 평면(#1)과 하단의 제4 스캐닝 평면(#4)이 피사체(10)의 상,하단에 각각 투사되는 정도까지만 상하 이동하면 된다. 즉, 도 12에서 스캐닝부(130)는 H 구간만 이동하면 되므로, 종래 일직선 상으로 스캐닝 평면을 투사하던 방식에 비해 더 짧은 이동거리를 가질 수 있다.
한편, 상기한 3차원 스캐닝 장치(100)는 적외선을 이용한 투사 및 촬영이 이루어지도록 할 수도 있다.
즉, 스캐닝부(130)의 프로젝터(131)로는 적외선 형태로 상기한 복수의 스캐닝 평면을 투사하고, 카메라(132)에는 적외선 필터를 장착함으로써 이를 통해 적외선 형태의 복수의 라인패턴을 촬영하도록 한다.
이와 같이, 피사체의 스캐닝 시 적외선을 이용하면 인체, 특히 눈의 망막 손상의 염려가 없음은 물론, 촬영을 위해 암실 등의 어두운 공간을 이용할 필요가 없으므로 스캐닝 작업이 편리하다는 이점이 있다.
한편, 이상에서 설명한 3차원 스캐닝 장치(100) 및 그에 내재된 3차원 스캐닝 방법은 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위가 이들에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다.
본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정하여진다.

Claims (9)

  1. 3차원 스캐닝 장치에 있어서,
    내부에 피사체가 위치하는 소정의 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사수단과;
    상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 촬영수단; 및
    상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투사수단과 상기 촬영수단은 서로 상대적인 위치 및 각도가 고정되고, 상기 측정공간을 따라서 평행하게 이동하는 과정에서 상기 복수의 스캐닝 평면의 투사 및 상기 복수의 라인패턴의 촬영이 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 측정공간은, 상기 촬영수단의 관점에서 바라볼 때 상기 방사상으로 투사되는 복수의 스캐닝 평면 중 서로 이웃하는 스캐닝 평면 사이에 중첩되는 현상이 발생하지 않도록 하는 내측단과 외측단을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터 생성수단은 상기 복수의 라인패턴 중 상기 측정공간의 내부에서 얻어진 것으로부터만 상기 3차원 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투사수단은 적외선 형태로 상기 복수의 스캐닝 평면을 투사하는 적외선 투사수단이고,
    상기 촬영수단은 적외선 형태의 상기 복수의 라인패턴을 촬영할 수 있는 적외선 촬영수단인 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  6. 3차원 스캐닝 장치에 있어서,
    내부에 피사체가 위치되는 소정의 측정공간으로부터 일정 간격 이격되어 상기 측정공간을 따라서 배치되는 가이드부와;
    상기 가이드부를 따라 왕복 슬라이드 구동되며, 일측에는 상기 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 투사부를 구비하고, 타측에는 상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 촬영부를 구비한 스캐닝부; 및
    상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 데이터 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 측정공간의 둘레에 일정 간격으로 복수 개 배치되고,
    각 가이드부마다 상기 스캐닝부가 적어도 하나씩 마련되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
  8. 3차원 스캐닝 방법에 있어서,
    소정의 측정공간의 내부에 피사체를 위치시키는 단계와;
    상기 측정공간의 적어도 일부를 향해 일정한 각도 간격을 갖는 복수의 스캐닝 평면을 방사상으로 투사하는 단계와;
    상기 피사체가 상기 복수의 스캐닝 평면과 만남으로써 상기 피사체의 표면에 형성되는 복수의 라인패턴을 촬영하는 단계; 및
    상기 촬영된 복수의 라인패턴으로부터 상기 피사체의 형상에 관한 3차원 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정공간은 상기 복수의 스캐닝 평면이 상기 복수의 라인패턴을 촬영할 때 서로 중첩되지 않는 범위 내에 존재하도록 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 방법.
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