WO2012176944A1 - 신뢰성 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템 - Google Patents

신뢰성 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템 Download PDF

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장유진
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동국대학교 경주캠퍼스 산학협력단
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    • H04N13/254—Image signal generators using stereoscopic image cameras in combination with electromagnetic radiation sources for illuminating objects

Definitions

  • the present invention relates to a metal surface three-dimensional shape extraction technique and system, and in particular, there is no direct reflected light except for an image that gives inaccuracy to the three-dimensional shape extraction of the metal object by simultaneously irradiating polarized lights without interference to the metal object
  • the present invention relates to a metal surface three-dimensional shape extraction technique and system capable of reliably extracting a three-dimensional shape of a metal object surface by applying images to a photometric stereo technique.
  • Photometric Stereo technique extracts the three-dimensional shape of an object using an image obtained by sequentially irradiating at least three lights onto a target object using one camera. The more the number of lights, the more reliable The three-dimensional shape of the object can be extracted.
  • This conventional method of acquiring an image by irradiating a target object with at least three lights sequentially in different directions sequentially does not provide a three-dimensional image extraction because a moving point cannot provide an image of a simultaneous point. It is difficult.
  • the present invention provides a metal surface three-dimensional shape extraction technique and system capable of reliably extracting a three-dimensional shape of a metal object surface.
  • the three-dimensional shape extraction technique for achieving the object of the present invention, the polarization of the wavelength band of n (n ⁇ 3 natural number) Irradiating different n illuminations having the same wavelength bands polarized differently from n illuminations to a target object (moved or stationary metal object) simultaneously, and obtaining 2n two-dimensional images corresponding to each illumination, At least three or more images of the two-dimensional images are synthesized to extract a three-dimensional shape of the surface of the target object.
  • the n polarized lights are linearly polarized lights and the other n polarized lights are linearly polarized lights in a direction orthogonal to the n lights.
  • the circular polarizing filter is composed of two parts, a linear polarizing filter part and a quarter wave plate part, and when mounted in illumination, a linear polarizing filter part is finally obtained. It can be passed through to be linearly polarized light.
  • linearly polarized illumination can be obtained by providing a linear polarizing filter or by installing a circular polarizing filter in the illumination.
  • the 2n two-dimensional images may be obtained by using an optical filter for transmitting light of the wavelength bands in each of two cameras having a linear polarization filter that transmits linearly polarized light in an orthogonal direction.
  • the circular polarization filter When the circular polarization filter is mounted on the camera, unlike the illumination, the light irradiated and reflected on a metal object first passes through the linear polarization filter part of the circular polarization filter and then passes through the quarter wave plate part. The intensity is sensed through the camera's image sensors (CMOS, CCD, etc.). That is, from the standpoint of acquiring an image from the camera, the camera has the same effect when the linear polarization filter is mounted and the circular polarization filter is mounted.
  • the 2n two-dimensional images may be obtained by using an optical filter for transmitting light of the wavelength bands, respectively, in two cameras having a circular polarization filter in which linear polarization filter portions of the circular polarization filter are orthogonal to each other.
  • the 2n two-dimensional images may be obtained by using a camera combining a linear polarization filter and a circular polarization filter.
  • a three-dimensional shape extraction system for different n illumination of the same wavelength band polarized differently than n illumination of the polarized n wavelength bands (a natural number of n ⁇ 3) 2n light sources; And a camera system for acquiring 2n two-dimensional images corresponding to the illumination of each of the 2n light sources, and simultaneously irradiating the illumination of each of the 2n light sources onto a target object to the camera system for the corresponding 2n two-dimensional images.
  • image processing means for synthesizing at least three or more images of the 2n two-dimensional images to extract a three-dimensional shape of the surface of the target object.
  • the n polarized lights are linearly polarized lights, and the other n polarized lights may be linearly polarized lights in a direction orthogonal to the n lights.
  • the camera system may include two cameras having a linear polarization filter that transmits linearly polarized light in a direction orthogonal to each other, and the two cameras may each include an optical filter for transmitting light of the wavelength bands.
  • the camera system comprises two cameras having a circular polarization filter in which linear polarization filter portions of the circular polarization filter are orthogonal to each other, wherein the two cameras are optical filters for transmitting the light in the wavelength bands, respectively.
  • the camera system comprises two camera systems arranged such that the linearly polarized filter and the linearly polarized filter portions of the circularly polarized filter are orthogonal to each other, wherein the two cameras each transmit light in the wavelength bands. It may include an optical filter for.
  • the metal surface three-dimensional shape extraction method and system according to the present invention, by providing the three-dimensional shape information of the surface of the metal object in the stationary or moving reliably it can greatly contribute to the product quality improvement and cost reduction. In particular, it is possible to find various defects on the surface of finished products in the steel industry and make a great contribution to product quality control.
  • FIG. 1 is a view for explaining a metal surface three-dimensional shape extraction system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart illustrating a reliable metal surface three-dimensional shape extraction process using systems according to the present invention.
  • the present invention can easily configure a plurality of bright lights that do not interfere with each other by using polarization, and easily implement a camera system that can acquire an image by applying the same principle, thereby directly reflecting light.
  • the application of the photometric stereo technique using no images is facilitated.
  • FIG. 1 is a view for explaining a metal surface three-dimensional shape extraction system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the metal surface three-dimensional shape extraction system 100 includes a camera system 110 and a plurality of light sources 121 to 123 and 131 to 133.
  • the plurality of light sources 121 to 123 and 131 to 133 may be different from the light sources 121 to 123 for three illuminations of three linearly polarized wavelength bands, and orthogonal to the light sources 121 to 123.
  • the camera system 110 When the camera system 110 irradiates a metal object with each of the plurality of light sources 121 to 123 and 131 to 133 simultaneously, the camera system 110 corresponds to each of the lights of the plurality of light sources 121 to 123 and 131 to 133. Two-dimensional images can be obtained.
  • illumination A of the light source 121 and illumination a of the light source 131 are illumination of the same wavelength band where the center wavelength is equal to ⁇ 1
  • illumination B of the light source 122 and illumination b of the light source 132 are Illumination C of the same wavelength band with the center wavelength equal to ⁇ 2
  • illumination C of the light source 123 and illumination c of the light source 133 represent illumination of the same wavelength band with the same central wavelength as ⁇ 3 .
  • the light sources 121 to 123 for illumination of three wavelength bands and the three light sources 131 to 133 for illumination of the same wavelength band in different directions (orthogonal directions) are illustrated, but are not limited thereto. It is not intended that more light sources for illumination of more than three wavelength bands may be used. That is, the light sources for irradiating the metal object simultaneously with the n illumination of the polarized n wavelength bands (a natural number of n ⁇ 3) and the n illumination of the same corresponding wavelength bands polarized in different directions (orthogonal directions) It may consist of 2n light sources for.
  • the camera system 110 may acquire 2n two-dimensional images corresponding to illumination of each of the 2n light sources.
  • illumination A of the light source 121 and illumination a of the light source 131 are orthogonal to each other by using a linear polarizing filter or a circular polarizing filter to cross the light having the central wavelength ⁇ 1 with each other.
  • linearly polarized lights made to be horizontal / vertical), which are lights that do not interfere with each other.
  • the illumination B of the light source 122 and the illumination b of the light source 132 linearly polarized to each other (eg, horizontally / vertically) using the light of the center wavelength ⁇ 2 can be configured, and the center wavelength ⁇ using 3 of the light perpendicular to each other can form a light c of the illumination light source C and 133 of the light source 123 is linearly polarized so as to (e. g., horizontal / vertical).
  • a circular polarizing filter is composed of two parts, a linear polarizing filter part and a quarter wave plate part. Passing through the quarter wave plate portion and the linear polarizing filter portion in sequence allows the final linearly polarized illumination to be generated. Accordingly, the linearly polarized filter, the circularly polarized filter, or a combination thereof may be generated in each of the light sources 121 to 123 and 131 to 133 to generate linearly polarized light of a corresponding wavelength.
  • the camera system 110 uses a linear polarizing filter or a circular polarizing filter, and uses an optical filter that transmits a corresponding wavelength band, thereby providing a plurality of light sources 121 ⁇ .
  • the linearly polarized lights of 123 and 131 to 133 are simultaneously irradiated to the metal object, 2n two-dimensional images having the effect of sequentially irradiating the respective objects to the metal object may be simultaneously obtained.
  • two RGB cameras photographing three wavelength bands for example, R, G, and B
  • the linearly polarized filters are orthogonal to each other, or circularly polarized light.
  • the linearly polarized filter portions of the filter By mounting the linearly polarized filter portions of the filter so as to be perpendicular to each other, six two-dimensional images can be obtained simultaneously.
  • two cameras a first camera having a linear polarization filter and a second camera having a circular polarization filter
  • the linear polarization filter and the linear polarization filter portion of the circular polarization filter are arranged orthogonal to each other.
  • the circularly polarized filter mounted on the camera is composed of two parts, a linear polarizing filter part and a quarter wave plate part, and these two parts are linear polarizing filter part and 1 part.
  • image sensors CMOS, CCD, etc.
  • the metal surface three-dimensional shape extraction system according to the present invention when irradiating each of the 2n uninterrupted lighting as shown in Figure 1 to the metal object at the same time, and acquires the corresponding 2n two-dimensional images with the camera system, It may include image processing means for synthesizing at least three or more images of the 2n two-dimensional image to extract a three-dimensional shape for the metal object.
  • the image processing means may be implemented in hardware, software, or a combination thereof, and may be implemented in a dedicated processor or a computer.
  • the image processing means as described above, by applying at least three or more images without direct reflection of the 2n two-dimensional images obtained by the camera system to the Photometric Stereo technique to ensure the three-dimensional shape of the metal object surface Can be extracted.
  • the image processing unit may select at least three or more images by applying various criteria among the 2n images as described above.
  • the image acquired by the image sensor of the camera system may include an image saturated by the reflected light, which may be removed by the image processing means, and the image processing means may include at least three that are not affected by the direct reflected light.
  • the photometric stereo technique is a technique for recovering a three-dimensional shape of an object by analyzing brightness values of input images. For details, reference may be made to the contents disclosed in the existing general literature.
  • 2n non-interfering illuminations made by polarizing light of n different wavelength bands are irradiated simultaneously with a metal object to obtain 2n images.
  • at least three images without direct reflected light can be applied to the photometric stereo technique, except for images that give inaccuracies in the extraction of the three-dimensional shape of the metal object. It becomes possible.
  • by providing reliable three-dimensional shape information of the surface of the moving or moving metal object it can contribute greatly to the improvement of product quality and cost reduction, and especially to the various defects of the surface for the final production products in the steel industry. It was found and made a great contribution to product quality management.

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Abstract

본 발명은 간섭이 없는 편광된 조명들을 금속 물체에 동시에 조사하여 금속 물체의 3차원 형상 추출에 부정확성을 주는 영상을 제외하고 직접적인 반사광이 없는 영상들을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법에 적용하여 금속 물체 표면의 3차원 형상을 신뢰성 있게 추출할 수 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

신뢰성 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템
본 발명은 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 간섭이 없는 편광된 조명들을 금속 물체에 동시에 조사하여 금속 물체의 3차원 형상 추출에 부정확성을 주는 영상을 제외하고 직접적인 반사광이 없는 영상들을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법에 적용하여 금속 물체 표면의 3차원 형상을 신뢰성 있게 추출할 수 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템에 관한 것이다.
여러 산업 분야에서 이동 중인 금속 물체 또는 물체 표면의 3차원 형상 정보를 실시간으로 신뢰성 있게 추출할 수 있는 시스템에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. 특히, 철강 산업에서는 최종 생산 제품들에 대해 표면의 다양한 결함들을 찾아내고 이를 제외함으로써 최종 출고 제품의 품질을 향상시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있으며 관련 기술 개발이 꾸준히 요구되고 있다.
포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법은 1개의 카메라를 이용하여 대상 물체에 최소 3개 이상의 조명을 순차적으로 조사하여 취득한 영상을 이용하여 물체의 3차원 형상을 추출하는 기법이며 조명의 개수가 많을수록 보다 신뢰성 있게 물체의 3차원 형상을 추출할 수 있다. 최소 3개 이상의 조명을 서로 다른 방향에서 순차적으로 대상 물체에 조사하여 영상을 취득하는 이러한 기존의 방법은 이동 중인 물체에 대해서는 동시점(同視点)의 영상을 제공하지 못하기 때문에 3차원 형상 추출이 곤란하다.
최근 이러한 문제를 해결하기 위해 RGB 카메라 1대를 사용했을 때 R(빨강색), G(초록색), B(파란색)의 서로 다른 3개의 파장대역의 조명을 동시에 물체에 조사하여 3차원 형상 정보를 추출하는 기법이 개발되었다. 통상적으로 금속 표면은 조명을 조사했을 때 특정 방향으로 직접적인 반사광이 존재하는 non-lambertian surface 이다. R(빨강색), G(초록색), B(파란색)의 서로 다른 3개의 파장대역의 조명을 동시에 금속 물체에 조사하였을 때 조명의 위치 및 금속 물체 표면의 모양에 따라 카메라에 직접적인 반사광이 전달되어 카메라의 센서를 포화시킬 수 있으며 이는 대상 물체의 3차원 형상 추출이 곤란하거나 부정확하게 됨을 의미한다.
따라서 이러한 문제점을 극복하고 신뢰성 있게 금속 물체 표면의 3차원 형상을 추출할 수 있는 기법 및 시스템 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 서로 다른 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역의 조명을 편광(polarized light)시켜 만든 2n개의 서로 간섭이 없는 조명을 금속 물체에 동시에 조사하여 2n개의 영상을 얻은 후, 금속 물체의 3차원 형상 추출에 부정확성을 주는 영상을 제외하고 직접적인 반사광이 없는 최소 3개 이상의 영상들을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법에 적용하여 금속 물체 표면의 3차원 형상을 신뢰성 있게 추출할 수 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 3차원 형상 추출 기법은, 편광된 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역들의 n개의 조명과 다르게 편광된 동일한 상기 파장 대역들을 갖는 다른 n개의 조명을 대상 물체(이동 또는 정지된 금속 물체)에 동시에 조사하고, 각 조명에 대응되는 2n개의 2차원 영상을 획득하여, 상기 2n개의 2차원 영상 중 적어도 3개 이상의 영상을 합성하여 상기 대상 물체의 표면에 대한 3차원 형상을 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기 2n개의 2차원 영상 중 반사광에 의해 영상이 포화되는 영상을 제외한 직접적인 반사광의 영향이 없는 상기 적어도 3개 이상의 영상을 이용하여 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법을 통해 상기 대상 물체에 대한 3차원 형상을 추출한다.
편광된 상기 n개의 조명은 선편광(Linearly Polarized)된 조명들이고, 다르게 편광된 상기 다른 n개의 조명은 상기 n개의 조명과 직교 방향으로 선편광(Linearly Polarized)된 조명들이다. 원편광 필터(circular polarizing filter)는 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분과 1/4 파장 플레이트(quarter wave plate) 부분의 2부분으로 이루어져 있으며, 조명에 장착하면 최종적으로 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분을 지나 선편광된 조명이 되도록 할 수 있다. 따라서 이러한 상기 선편광된 조명은 조명에 선편광 필터(linear polarizing filter)를 설치하거나 원편광 필터(circular polarizing filter)를 설치해서 얻을 수 있다.
서로 직교 방향으로 선편광된 광을 투과하는 선편광 필터를 갖는 2개의 카메라에서 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득할 수 있다.
상기의 원편광 필터를 카메라에 장착하면 상기 조명의 경우와는 달리 금속 물체에 조사되어 반사되는 빛이 먼저 원편광 필터의 선편광 필터 부분을 지난 후 1/4 파장 플레이트 부분을 지나게 되어 원편광된 빛이 카메라의 이미지 센서(CMOS, CCD 등)를 통해 그 인텐시티(intensity)가 감지된다. 즉, 카메라에서 영상을 획득하는 입장에서는 카메라에 선편광 필터를 장착한 경우와 원편광 필터를 장착한 경우 모두 동일한 효과를 준다.
따라서 원편광 필터의 선편광 필터 부분을 서로 직교하도록 배열한 원편광 필터를 갖는 2개의 카메라에서 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득할 수도 있고, 선편광 필터와 원편광 필터를 조합한 카메라를 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득할 수도 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 3차원 형상 추출 시스템은, 편광된 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역들의 n개의 조명과 다르게 편광된 동일한 상기 파장 대역들의 다른 n개의 조명을 위한 2n개의 광원; 및 상기 2n개의 광원 각각의 조명에 대응되는 2n개의 2차원 영상을 획득하기 위한 카메라 시스템을 포함하고, 상기 2n개의 광원의 각 조명을 대상 물체에 동시에 조사하여, 상기 카메라 시스템으로 해당 2n개의 2차원 영상을 획득할 때, 상기 2n개의 2차원 영상 중 적어도 3개 이상의 영상을 합성하여 상기 대상 물체의 표면에 대한 3차원 형상을 추출하는 영상 처리 수단을 포함한다.
편광된 상기 n개의 조명은 선편광(Linearly Polarized)된 조명들이고, 다르게 편광된 상기 다른 n개의 조명은 상기 n개의 조명과 직교 방향으로 선편광(Linearly Polarized)된 조명들일 수 있다. 이때, 상기 카메라 시스템은, 서로 직교 방향으로 선편광된 광을 투과하는 선편광 필터를 갖는 2개의 카메라를 포함하고, 상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 포함할 수도 있으며, 또는, 상기 카메라 시스템은, 원편광 필터의 선편광 필터 부분을 서로 직교하도록 배열한 원편광 필터를 갖는 2개의 카메라를 포함하고, 상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 포함할 수 있으며, 또는, 상기 카메라 시스템은 이러한 선편광 필터와 원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 배열된 2개의 카메라 시스템을 포함하고, 상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 기법 및 시스템에 따르면, 정지 또는 이동 중인 금속 물체 표면의 3차원 형상 정보를 신뢰성 있게 제공함으로써 제품 품질 향상과 비용절감에 크게 기여 할 수 있다. 특히, 철강 산업에서의 최종 생산 제품들에 대해 표면의 다양한 결함들을 찾아내고 이를 바탕으로 제품 품질 관리에 큰 기여를 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템들을 이용한 신뢰성 있는 금속 표면 3차원 형상 추출 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
정지 또는 이동 중인 금속 물체 표면의 3차원 형상을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법을 사용하여 실시간으로 신뢰성 있게 추출하기 위해서는 최소 3개 이상의 서로 간섭이 없는 조명을 금속 물체에 조사하고 각각의 조명에 대한 영상을 동시에 획득해야만 한다. 통상적으로 가시광선 영역과 근적외선 영역을 고려했을 때 조명에서 선택 할 수 있는 서로 다른 파장대의 개수는 7개 정도이며 서로 간섭이 없는 밝은 조명을 구성하기 위해서는 많은 비용이 발생한다. 또한 선택된 7개의 파장대를 구분할 수 있는 카메라를 제작하기 위해서도 많은 비용이 발생하는 단점이 있다.
본 발명에서는 이와 같은 점을 고려하여 편광을 이용해 서로 간섭이 없는 밝은 조명을 용이하게 복수로 구성할 수 있으며 같은 원리를 적용해 영상을 획득할 수 있는 카메라 시스템을 용이하게 구현할 수 있도록 하여, 직접적인 반사광이 없는 영상들을 이용한 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법의 적용이 용이하도록 하였다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 시스템(100)은, 카메라 시스템(110) 및 복수의 광원(121~123, 131~133)을 포함한다.
복수의 광원(121~123, 131~133)은 선편광(Linearly Polarized)된 3개의 파장 대역들의 3개의 조명을 위한 광원들(121~123)과, 광원들(121~123)과 직교 방향으로 다르게 선편광(Linearly Polarized)되고 파장 대역이 광원들(121~123)과 각각 동일한 다른 3개의 조명을 위한 광원들(131~133)을 포함한다.
카메라 시스템(110)은 복수의 광원(121~123, 131~133)으로 각 조명을 금속 물체에 동시에 조사할 때, 복수의 광원(121~123, 131~133)의 각각의 조명에 대응되는 6개의 2차원 영상을 획득할 수 있다.
도 1에서, 광원(121)의 조명 A와 광원(131)의 조명 a는 중심 파장이 λ1으로 동일한 동일 파장 대역의 조명이며, 광원(122)의 조명 B와 광원(132)의 조명 b는 중심 파장이 λ2으로 동일한 동일 파장 대역의 조명이고, 광원(123)의 조명 C와 광원(133)의 조명 c는 중심 파장이 λ3으로 동일한 동일 파장 대역의 조명을 나타낸다.
여기서, 편의상 3개의 파장 대역의 조명을 위한 광원들(121~123)과 다른 방향(직교 방향)의 동일 파장 대역의 조명을 위한 3개의 광원들(131~133)에 대하여 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 보다 많은 더 많은 파장 대역의 조명을 위한 광원들이 더 이용될 수도 있다. 즉, 금속 물체에 동시에 조사하기 위한 광원들은, 편광된 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역들의 n개의 조명과 다른 방향(직교 방향)으로 편광된 동일한 해당 파장 대역들의 다른 n개의 조명을 위한 2n개의 광원으로 이루어질 수 있다. 카메라 시스템(110)은 이와 같은 2n개의 광원 각각의 조명에 대응되는 2n개의 2차원 영상을 획득할 수 있다.
도 1에서, 광원(121)의 조명 A와 광원(131)의 조명 a 는, 각각 선편광 필터(linear polarizing filter)또는 원편광 필터(circular polarizing filter)를 이용해 중심 파장 λ1의 광을 서로 직교(예를 들어, 수평/수직)하도록 만든 선편광된 조명이며, 이들은 서로 간섭이 없는 조명이 된다. 같은 방법으로, 중심 파장 λ2의 광을 이용해 서로 직교(예를 들어, 수평/수직)하도록 선편광된 광원(122)의 조명 B와 광원(132)의 조명 b을 구성할 수 있으며, 중심 파장 λ3의 광을 이용해 서로 직교(예를 들어, 수평/수직)하도록 선편광된 광원(123)의 조명 C와 광원(133)의 조명 c를 구성할 수 있다. 예를 들어, 원편광 필터(circular polarizing filter)는 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분과 1/4 파장 플레이트(quarter wave plate) 부분의 2부분으로 이루어져 있으며, 광원에 장착하여 광이 1/4 파장 플레이트(quarter wave plate) 부분과 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분을 순차 통과하도록 하여 최종적으로 선편광된 조명이 발생되도록 할 수 있다. 따라서, 복수의 광원(121~123, 131~133)에서 각각 선편광 필터(linear polarizing filter), 원편광 필터(circular polarizing filter), 또는 이들을 조합해 해당 파장의 선편광된 조명을 발생시킬 수 있다.
도 1과 같이, 카메라 시스템(110)은 해당 선편광 필터(linear polarizing filter) 또는 원편광 필터(circular polarizing filter)를 이용하고, 해당 파장 대역을 투과하는 광학필터를 이용하여, 복수의 광원(121~123, 131~133)의 선편광된 조명을 금속 물체에 동시에 조사했을 때, 각각의 조명을 금속 물체에 순차적으로 조사한 효과를 갖는 2n개의 2차원 영상을 동시에 얻을 수 있다. 도 1과 같이, 6개의 조명 효과를 위해서는 3개의 파장대역(예를 들어, R, G, B)을 구분하여 촬영하는 RGB 카메라 2대를 이용해 각각에 해당 선편광 필터를 직교하도록 장착하거나, 원편광 필터의 선편광 필터 부분을 서로 직교하도록 장착 함으로써, 6개의 2차원 영상을 동시에 얻을 수 있다. 또는, 선편광 필터와 원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 배열된 2개의 카메라(선편광 필터를 갖는 제1카메라와 원편광 필터를 갖는 제2카메라)를 이용할 수도 있다. 이때 카메라에 장착되는 원편광 필터는 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분과 1/4 파장 플레이트(quarter wave plate) 부분의 2부분으로 이루어져 있으며, 이들 2 부분을 선편광 필터(linear polarizing filter) 부분과 1/4 파장 플레이트(quarter wave plate) 부분으로 순차 통과시켜 이미지 센서(CMOS, CCD 등)를 통해 그 인텐시티(intensity)를 감지함으로써, 2n개의 2차원 영상에 대한 영상 데이터를 획득할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 시스템을 이용하여, 도 2와 같이, 금속 물체에 대한 3차원 형상을 추출할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 금속 표면 3차원 형상 추출 시스템은, 도 1과 같은 2n 개의 서로 간섭이 없는 각 조명을 금속 물체에 동시에 조사하고, 카메라 시스템으로 해당 2n개의 2차원 영상을 획득할 때, 해당 2n개의 2차원 영상 중 적어도 3개 이상의 영상을 합성하여 해당 금속 물체에 대한 3차원 형상을 추출하는 영상 처리 수단을 포함할 수 있다. 영상 처리 수단은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있으며, 전용 프로세서, 또는 컴퓨터 등으로 구현될 수 있다.
위와 같은 영상 처리 수단은, 위와 같이 카메라 시스템으로 획득되는 2n개의 2차원 영상 중 직접적인 반사광이 없는 최소 3개 이상의 영상들을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법에 적용하여 금속 물체 표면의 3차원 형상을 신뢰성 있게 추출할 수 있다. 영상 처리 수단은, 위와 같은 2n 개의 영상 중 다양한 기준을 적용해 최소 3개 이상의 영상들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 카메라 시스템의 이미지 센서가 획득한 영상 중에는 반사광에 의해 포화된 영상이 포함될 수 있으며, 이를 영상 처리 수단에 의해 제거할 수 있으며, 영상 처리 수단은 이와 같이 직접적인 반사광의 영향이 없는 적어도 3개 이상의 영상들만을 선택하여 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법을 통해 영상을 합성함으로써 해당 금속 물체에 대한 3차원 형상을 추출할 수 있다.
포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법은, 입력 영상들의 밝기 값을 분석하여 대상 물체의 3차원 형상을 복구하는 기법으로서, 자세한 내용은 기존의 일반적인 문헌에 개시된 내용을 참조할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, 서로 다른 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역의 조명을 편광(polarized light)시켜 만든 2n개의 서로 간섭이 없는 조명을 금속 물체에 동시에 조사하여 2n개의 영상을 얻은 후, 금속 물체의 3차원 형상 추출에 부정확성을 주는 영상을 제외하고 직접적인 반사광이 없는 최소 3개 이상의 영상들을 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법에 적용하여 금속 물체 표면의 3차원 형상을 신뢰성 있게 추출할 수 있게 된다. 이를 통하여, 정지 또는 이동 중인 금속 물체 표면의 3차원 형상 정보를 신뢰성 있게 제공함으로써 제품 품질 향상과 비용절감에 크게 기여 할 수 있으며, 특히, 철강 산업에서의 최종 생산 제품들에 대해 표면의 다양한 결함들을 찾아내고 이를 바탕으로 제품 품질 관리에 큰 기여를 할 수 있도록 하였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 편광된 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역들의 n개의 조명과 다르게 편광된 동일한 상기 파장 대역들을 갖는 다른 n개의 조명을 대상 물체에 동시에 조사하고, 각 조명에 대응되는 2n개의 2차원 영상을 획득하여,
    상기 2n개의 2차원 영상 중 적어도 3개 이상의 영상을 합성하여 상기 대상 물체의 표면에 대한 3차원 형상을 추출하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 기법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상 물체는, 이동 또는 정지된 금속 물체인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 기법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2n개의 2차원 영상 중 반사광에 의해 영상이 포화되는 영상을 제외한 직접적인 반사광의 영향이 없는 상기 적어도 3개 이상의 영상을 이용하여 포토메트릭 스테레오(Photometric Stereo) 기법을 통해 상기 대상 물체에 대한 3차원 형상을 추출하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 기법.
  4. 제1항에 있어서,
    편광된 상기 n개의 조명은 선편광(Linearly Polarized)된 조명들이고, 다르게 편광된 상기 다른 n개의 조명은 상기 n개의 조명과 직교 방향으로 선편광(Linearly Polarized)된 조명들인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 기법.
  5. 제1항에 있어서,
    서로 직교 방향으로 선편광된 광을 투과하는 선편광 필터를 갖는 2개의 카메라에서 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터들을 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득하거나,
    원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 설치된 2개의 카메라에서 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터들을 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득하거나,
    선편광 필터와 원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 설치된 2개의 카메라에서 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터를 이용하여 상기 2n개의 2차원 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 기법.
  6. 편광된 n개(n≥3인 자연수)의 파장 대역들의 n개의 조명과 다르게 편광된 동일한 상기 파장 대역들의 다른 n개의 조명을 위한 2n개의 광원; 및
    상기 2n개의 광원 각각의 조명에 대응되는 2n개의 2차원 영상을 획득하기 위한 카메라 시스템을 포함하고,
    상기 2n개의 광원의 각 조명을 대상 물체에 동시에 조사하여, 상기 카메라 시스템으로 해당 2n개의 2차원 영상을 획득할 때, 상기 2n개의 2차원 영상 중 적어도 3개 이상의 영상을 합성하여 상기 대상 물체의 표면에 대한 3차원 형상을 추출하는 영상 처리 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    편광된 상기 n개의 조명은 선편광(Linearly Polarized)된 조명들이고, 다르게 편광된 상기 다른 n개의 조명은 상기 n개의 조명과 직교 방향으로 선편광(Linearly Polarized)된 조명들인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 카메라 시스템은, 서로 직교 방향으로 선편광된 광을 투과하는 선편광 필터를 갖는 2개의 카메라를 포함하고,
    상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 카메라 시스템은, 원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 설치된 2개의 카메라를 포함하고,
    상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 카메라 시스템은, 선편광 필터와 원편광 필터의 선편광 필터 부분이 서로 직교하도록 설치된 2개의 카메라를 포함하고,
    상기 2개의 카메라가 각각 상기 파장 대역들의 광을 투과하기 위한 광학필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 추출 시스템.
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