WO2016200185A1 - 3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구 - Google Patents

3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구 Download PDF

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WO2016200185A1
WO2016200185A1 PCT/KR2016/006141 KR2016006141W WO2016200185A1 WO 2016200185 A1 WO2016200185 A1 WO 2016200185A1 KR 2016006141 W KR2016006141 W KR 2016006141W WO 2016200185 A1 WO2016200185 A1 WO 2016200185A1
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WO
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camera
laser
line
frame
moving frame
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/006141
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English (en)
French (fr)
Inventor
김대현
Original Assignee
주식회사 울프슨랩
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional scanning system and a target device for line laser alignment for the same, wherein the surface of the object and the laser scanning plane are passed while the object passes through a laser scanning plane formed by a plurality of line lasers moving around the object.
  • the present invention relates to a three-dimensional scanning system configured to obtain three-dimensional scanning data of an object by imaging a camera moving together with a line laser, and a target mechanism for line laser alignment.
  • Three-dimensional scanners are used to obtain geometric data on the surfaces of various objects, including people or objects. With the recent proliferation of 3D printers, the use of three-dimensional scanners is becoming more and more widespread.
  • a method of projecting a structured light pattern at a high speed onto a subject at high speed, photographing the surface of the object on which the pattern is projected by a camera, and analyzing the same has been proposed to obtain three-dimensional data.
  • This method has the advantage that the data error is relatively small, but the speed is relatively slow, and in order to obtain data in a 360 degree direction with respect to the surface of the object, several cameras and projectors must be arranged, and the pattern projection operation of several projectors is performed. There was a problem in technical implementation in that high-precision synchronization technology had to be applied to synchronize the device, and the device manufacturing cost was high.
  • a line laser is projected onto the object while the object is placed on the turn table, and the surface of the object on which the line laser is projected is photographed with a fixed camera while rotating the turn table.
  • a method of obtaining three-dimensional data by analyzing this has been proposed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and allows a subject to pass a laser scanning plane formed by a plurality of line lasers moving around the object, while passing the laser projection line formed by the surface of the object and the laser scanning plane. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional scanning system configured to obtain three-dimensional scanning data of an object and a target mechanism for line laser alignment therefor, by photographing by a camera moving together.
  • a base frame A moving frame movable along a moving path provided by the base frame; At least two line lasers which are installed to move together with the moving frame and to which a laser beam is formed on the surface of the object by transmitting a line-shaped laser toward the object; At least two cameras installed to move together with the moving frame and photographing the laser projection line formed on a surface of an object; And computing means for calculating coordinate data of the surface of the object in the three-dimensional space based on the photographed image of each camera and the photographed position of each camera.
  • the laser projection line formed on the surface of the object is located on one virtual laser scanning plane.
  • the base frame extends in a vertical direction and is provided with at least two or more so as to horizontally surround the space in which the object is located, the moving frame is installed in the base frame, the vertical movement provided by the base frame Vertically movable along a path, the line laser and the camera is installed on the moving frame.
  • one line laser and at least one camera corresponding thereto are installed corresponding to one base frame.
  • the line laser is characterized in that for transmitting the line-shaped laser in the horizontal direction toward the object.
  • the base frame is extended to have a shape that horizontally surrounds the space in which the object is located
  • the moving frame is formed in a shape having a height in the vertical direction and is installed on the base frame to extend the base frame It is characterized by being movable along the formation direction.
  • the base frame is formed to extend in a circular shape on the bottom surface of the space in which the object is located, the moving frame is characterized in that it is formed to have a curved shape toward the center side of the circular base frame.
  • the line laser is installed at least two or more in the movable frame to have at least two vertical height, respectively, at least one camera corresponding to each line laser is installed in the movable frame to have the same vertical height It is characterized by.
  • the line laser is characterized in that for transmitting the line-shaped laser in the vertical direction toward the object.
  • the camera is installed at a position having a predetermined gap with the laser scanning plane.
  • the moving frame is moved along the moving path by the drive means.
  • the moving frame is characterized in that the movement speed control by the driving means is performed by a preset condition.
  • a movement detecting means for detecting at least one of the position or the direction of the movement frame on the movement path.
  • the computing means calculates data relating to at least one of the position or the direction of each camera based on at least one of the position or the direction of the moving frame detected by the movement detecting means, each camera Based on the correspondence relationship between the camera coordinate system and the world coordinate system, the coordinate data in the world coordinate system of the laser projection line photographed by each camera is calculated as coordinate data of the object surface.
  • the present invention is characterized in that at least one of the position or direction of the moving frame on the moving path is calculated by the computing means by a camera tracking method based on the image taken by the camera.
  • the integrated frame is horizontally surrounding the space in which the object is located is installed on the movable frame, wherein the base frame is formed extending in the vertical direction, the movable frame is installed in the base frame And vertical movement along a vertical movement path provided by the base frame, wherein the line laser and the camera are installed on the integrated frame.
  • the line laser is configured to enable height and horizontal adjustment through at least three support point adjustments.
  • the object support for supporting the bottom surface on which the object is placed to a predetermined height; characterized in that it is further provided.
  • the bottom plate is formed pattern for the camera calibration; And a point providing unit installed at at least three points along the circumference of the bottom plate and configured to provide an alignment point for line laser alignment at a predetermined height. Is initiated.
  • the camera moving the laser projection line formed by the surface of the object and the laser scanning plane together with the line laser while the object passes through the laser scanning plane formed by the plurality of line lasers moving around the object.
  • the present invention has the advantage that it is possible to obtain precise three-dimensional data only by matching the moving speeds of the camera and the line laser, and does not require expensive and complicated synchronization techniques.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a moving state of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a driving means of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a control perspective view of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an alignment process of a line laser of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is another schematic diagram for explaining an alignment process of a line laser of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is another schematic diagram for explaining an alignment process of a line laser of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is another schematic diagram for explaining an alignment process of a line laser of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a moving state of the three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an embodiment of the present invention 4 is a schematic view showing an example of a driving means of the three-dimensional scanning system according to the present invention.
  • FIG. 4 is a control perspective view of the three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • the three-dimensional scanning system of this embodiment includes a base frame 10 and a moving frame 20 that can move along a moving path provided by the base frame 10.
  • At least two base frames 10 of the present exemplary embodiment are formed to extend in a vertical direction and horizontally surround a space in which the object 2 is located.
  • a case in which a total of four vertical base frames 10 are provided at intervals of 90 degrees is provided, and the number of the base frames 10 covers the object 2 in a 360-degree range.
  • the base frame 10 of the present embodiment may be understood as a rod or steel of a metal material or a synthetic resin material extending vertically and having rigidity, and supporting a vertical structure with a guide rail 11 for guiding the vertical movement of the moving frame 20. Support for (not shown) may be further provided.
  • the shape of the guide rail 11 may be variously modified.
  • the object 2 of the present embodiment may be various scanning objects including a person or an object, and in particular, includes an object having a large volume that is difficult to be placed on a turn table, a whole body of a human body, and a large number of people gathered.
  • the moving frame 20 of the present embodiment is installed in the base frame 10 and is configured to be vertically moved along a vertical moving path provided by the base frame 10.
  • this vertical movement path may be the guide rail 11.
  • the moving frame 20 is moved along the moving path by the drive means 50.
  • the driving means 50 is applicable to a variety of known mechanical or electrical driving means.
  • the driving means 50 may be configured by applying various known linear motion mechanisms.
  • the linear motion mechanism is a drive mechanism that provides a linear motion by using the power of a drive source such as a motor, and examples thereof include a ball screw and a linear motor.
  • a servo motor (not shown) is installed at the top or bottom of each base frame 10, and is provided in each base frame 10, and the movable frame 20 is coupled and installed.
  • the vertical movement and position control of the moving frame 20 may be performed in a manner in which a servo motor drives a vertical ball screw (not shown).
  • the linear motor LM guide 54 is installed on each base frame 10, and the movable frame 20 is coupled to the linear motor (FIG. It is possible to control the vertical movement and position of the moving frame 20 in the manner of driving control of 50 of 3.
  • Reference numeral 52 denotes a screw for moving the linear motor
  • reference numeral 56 denotes a linear motor mounting bracket.
  • the driving means 50 may be a hydraulic or pneumatic cylinder installed in the vertical direction to directly provide a vertical driving force to the moving frame 20, in addition to a variety of well-known position and speed control Drive means and power transmission mechanisms for raising and lowering are applicable. Since the configuration of this drive means 50 itself is not an essential part of the present invention, further detailed description is omitted.
  • the moving frame 20 may be controlled by the driving means 50 by a preset condition. That is, the number of image frames photographed per hour by moving the speed of the driving means 50 at a lower speed than other moving sections in a moving section where the coordinate data of the surface of the object is required in more detail according to the characteristics of the scanning object or the scanning purpose. Can be increased and more detailed and accurate coordinate data can be obtained. For example, when scanning the whole body of the human body in the vertical direction upward from the floor, the camera is photographed at the normal moving speed from the floor to the average chest height of the human body (e.g. 140 cm), and higher height (face area) In the preliminary time-lapse photography, the number of image frames taken per hour may be increased in a section (face portion) where more accurate scanning is required on the object surface. Such height may be preset in the computing means 100 in consideration of surface characteristics (eg, complexity of shape) or height of the scanning object.
  • the movement detecting means 60 for detecting at least one of the position or direction of the movement frame 20 on the movement path is provided.
  • the movement detecting means 60 may be applied to various known optical or electromagnetic sensing means capable of detecting a position on the movement path of the movement frame 20. For example, by attaching a photoelectric sensor to the moving frame 20, the position on the vertical path may be determined by optical sensing of an optical labeling means (eg, a barcode, an encoder pattern, etc.) provided on the bottom surface or the side surface of the base frame 10. By sensing or attaching an electromagnetic sensor means (eg, Hall sensor, Magneto Resistor, etc.) to the linear motor driving the moving frame 20, a position on a vertical path may be sensed, or a known linear encoder sensor may be applied. . In addition, various known movement sensing means may be applied. Since the configuration of the movement detecting means 60 itself is not an essential part of the present invention, detailed description thereof will be omitted.
  • an optical labeling means eg, a barcode, an encoder pattern, etc.
  • At least one of the position or the direction of the moving frame 20 on the moving path may be calculated by the computing means 100 by a camera tracking method based on an image captured by the camera 40.
  • the camera 40 captures the surface of the object 2 (including the area where the line laser is not transmitted) and extracts a plurality of feature points from the captured image. can do. If the computing means 100 tracks a path in which the feature point moves in the image, the movement speed, position, and direction of the camera 40 may be calculated based on the movement speed, position, and direction of the feature points.
  • a feature point does not necessarily need to be recognized by one feature point in the entire section of the movement path, and a plurality of feature points may be recognized sequentially or simultaneously along the movement path.
  • the camera 40 of the present exemplary embodiment moves a predetermined path at a predetermined speed, it is possible to calculate the position and direction of the camera 40 inversely by tracking the feature points in the image as described above.
  • the position or direction of the movement frame 20 may be calculated by software processing of the computing means 100 without installing the movement sensing means 60 in the form of a separate physical sensor.
  • the line laser 30 is installed to move together with the moving frame 20.
  • At least two or more line lasers 30 are installed in the moving frame 20.
  • the number of the line laser 30 can be variously changed in the range that can be scanned in the form of wrapping the object 2 360 degrees.
  • Each line laser 30 emits a line-shaped laser toward the object 2 so that the laser projection line 33 is formed on the surface of the object 2.
  • the laser projection line 33 formed on the surface of the object 2 is formed to be located on one virtual laser scanning plane 4.
  • Reference numeral 31 is a surface formed by the projection light projected from each line laser 30, and these surfaces are gathered to form one virtual laser scanning plane 4.
  • Each line laser 30 is configured to project a line-shaped laser toward the object 2 in the horizontal direction at the same height. To this end, the position of the moving frame 20 in which each line laser 30 is installed is controlled so that its position and / or speed are controlled to maintain the same height with each other during the up and down movement, and have the same height at the initial time of movement. Controlled.
  • the laser scanning plane 4 is configured in the form of a horizontal plane, and the laser projection line 33 formed on the surface of the object 2 is also formed on this horizontal plane.
  • the laser projection line 33 of the present embodiment is formed to surround the object 2 at a predetermined height.
  • the camera 40 is installed to move together with the moving frame 20.
  • At least two or more cameras 40 are installed on the moving frame 20.
  • the number of the camera 40 may be variously changed in a range in which scanning is possible in the form of wrapping the object 2 360 degrees, and it is not necessarily the same as the number of the line laser 30.
  • the line laser 30 and the camera 40 are not necessarily installed in a pair in one moving frame 20.
  • Each camera 40 photographs the laser projection line 33 reflected on the surface of the object 2 and transmits the photographed image data to the computing means 100 which will be described later.
  • Reference numeral 42 denotes a camera view ray.
  • the camera 40 is positioned and oriented so that a camera view ray 42 faces the center side of the laser scanning plane 4, more preferably, the moving frame 20.
  • the camera 40 is installed at a position having a predetermined gap with the laser scanning plane 4 in terms of the moving path direction of the.
  • the camera 40 is installed at a position slightly higher than the laser scanning plane 4 in terms of the moving path direction of the moving frame 20. If the camera 40 is installed at the same height as the laser scanning plane 4 (no gap), the camera 40 reflects the laser projection line 33 reflected on the surface of the object 2. Degeneracy may occur when images are not taken or images are distorted. In view of this, the camera 40 is installed at a position having a predetermined gap with the laser scanning plane 4 in view of the moving path direction of the moving frame 20. In the case of Figure 2 such a gap is set along the vertical direction, in the case of the embodiment of Figure 7 described later such a gap is set along the rotation direction.
  • the predetermined gap may be a gap such that degeneracy does not occur in the image of the laser projection line 33 captured by the camera 40, and the range of the gap is limited to a specific value. no.
  • the camera 40 is spaced apart from the height of the laser scanning plane 4 by several centimeters to several tens of centimeters. Since the height of the laser scanning plane 4 can be seen as the same height as the height of each line laser 30, the camera 40 is to be installed at a position having a predetermined gap with each line laser 30. It may be understood.
  • the line laser 30 and the camera 40 have a structure in which one line laser 30 and at least one camera 40 corresponding to the line laser 30 correspond to one base frame 10.
  • computing means for calculating coordinate data of the surface of the object 2 in the three-dimensional space based on the photographed image of each camera 40 and the photographing position of each camera 40. 100 is provided.
  • Such computing means may be implemented as a PC or an embedded computer or the like on which a computer program for obtaining three-dimensional scanning data of an object is executed by three-dimensional scanning of the present embodiment.
  • the computing means 100 is based on at least one of the position or the direction of each camera 40 based on at least one of the position or the direction of the movement frame 20 detected by the movement detecting means 60. Calculate the data. This data becomes the basis for calculating the coordinate data on each camera coordinate system for the laser projection line 33 taken by each camera 40.
  • each camera at the movement initial position (eg, the starting position of the upper end of the base frame). If the position and the direction of the 40 are set in the computing means 100 during the initial camera calibration process, the coordinates of each camera coordinate system with respect to the laser projection line 33 photographed during the vertical movement of each camera 40 are performed. Data can be calculated.
  • the computing means 100 is based on the corresponding relationship between the camera coordinate system and the world coordinate system of each camera 40 set in the initial camera calibration process, the laser projection line 33 taken by each camera 40
  • the coordinate data in the world coordinate system of is calculated as the coordinate data of the surface of the object 2.
  • the coordinate data in the world coordinate system of the laser projection line 33 photographed by a total of four cameras 40 is calculated, respectively, and combined as one coordinate data to calculate one coordinate data set. Since the coordinate data set is calculated in the process of moving the laser projection line 33 in the vertical direction, combining the calculated surface data of the object 2 results in total coordinate data of the object surface in three-dimensional space. Can be calculated.
  • the world coordinate system may be understood as an absolute coordinate system denoted by WC, and the camera coordinate system may be a relative coordinate system set for each camera (in FIG. 1, only CC1 camera coordinates for camera 1 are illustrated). Can be understood. Camera coordinate systems can be set for each camera, respectively.
  • the three-dimensional scanning system of the present embodiment configured as described above may perform the scanning operation as follows.
  • each camera 40 is subjected to initial camera calibration.
  • Camera calibration can be performed using a conventional coordinate system conversion method (camera coordinate system-world coordinate system) using camera external parameters and internal parameters, and through this calibration, the corresponding relationship between the camera coordinate system of each camera 40 and the world coordinate system is established.
  • the computing means 100 is set.
  • the vertical movement position of the camera 40 is continuously detected during the movement process, and the initial position of movement (eg, the upper end of the base frame) is converted when converting it to the world coordinate system. It is reflected as a correction value on the vertical axis (Z axis of FIG. 1) of the world coordinate system based on the starting position).
  • each moving frame 20 moves downward from the moving initial position (eg, the upper end starting position of the base frame) while maintaining the same height and the same speed.
  • the position of each moving frame 20 is continuously sensed by the movement detecting means 60 during the downward movement.
  • the driving of the driving means 50 and the sensing operation of the movement detecting means 60 may be controlled by the computing means 100. For example, when the frame rate of the camera 40 is 100 fps, a 180 cm human body can be scanned at a resolution of 0.6 cm at 3 seconds.
  • each of the line lasers 30 emits a line-shaped laser toward the object 2 in the horizontal direction at the same height to form a laser scanning plane 4, and the laser projection line 33 is the object 2. To be created on the surface.
  • Each camera 40 photographs the laser projection line 33 reflected on the surface of the object 2 and transmits the photographed image data to the computing means 100.
  • the computing means 100 is based on the correspondence between the camera coordinate system and the world coordinate system of each camera 40 set in the camera calibration process, the world coordinate system of the laser projection line 33 taken by each camera 40
  • the coordinate data in is calculated as the coordinate data of the surface of the object 2.
  • the entire surface data may be calculated by applying a well-known hole filling technique.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • This may be understood as a structure in which two cameras 40 respectively corresponding to one line laser 30 are disposed on the same moving frame 20 up and down.
  • each camera 40 photographs the laser projection line 33 formed on the surface of the object 2 and transmits the captured image data to the computing means 100.
  • the computing means 100 is a coordinate in the world coordinate system of the laser projection line 33 photographed by each camera 40 based on the correspondence relationship between the camera coordinate system and the world coordinate system of each camera 40.
  • the data is calculated as coordinate data of the surface of the object 2.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • each moving frame 20 installed in the base frame 10 is provided with the respective driving means 50 is controlled to move, respectively, the vertical position of the plurality of moving frames 20
  • the respective moving frames 20 may be integrally coupled to each other using the integrated frame 25.
  • each line laser 30 is not vertically controlled or position controlled separately, but is vertically controlled or position controlled by one integrated frame.
  • the driving means 50 and / or the movement detecting means 60 need not be provided in each moving frame 20, but only in one or another moving frame 20 opposite thereto. It may be installed, or may be installed in the unitary frame 25.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a further modified configuration of FIG. 6, for example, a modified embodiment more suitably when whole-body scanning of one person is performed.
  • a unitary frame 125 is installed on the moving frame 120 to horizontally surround the space in which the object is located.
  • the unitary frame 125 may be formed in a quadrangular shape, or may be formed in a circular or other shape.
  • the integrated frame 125 is preferably formed of a light aluminum alloy or a synthetic resin material while having rigidity.
  • the coupling support beam 124 may be further provided so that the unitary frame 125 is firmly coupled to the movable frame 120, and the weight body (B) may maintain a balance during movement of the unitary frame 125 and prevent vibration.
  • 122 may be installed on the surface of the movable frame 120 on the opposite side of the unitary frame 125.
  • the base frame 10 extends in the vertical direction, and the moving frame 120 is installed in the base frame 10, and is vertically movable along the vertical movement path provided by the base frame 10.
  • the driving means for the movement of the moving frame 120 can be configured using a known driving means in the same or similar form as the embodiment of FIG.
  • Reference numeral 126 denotes a support for supporting the base frame 10.
  • the line laser 30 and the camera 40 are coupled to the integrated frame 125 through the support part 150.
  • the lower portion of the line laser 30 may be provided with a fine height adjustment means to be described later.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • the base frame 1010 is formed to extend to have a shape that horizontally surrounds the space in which the object 2 is located, the moving frame 1020 is formed in a shape having a height in the vertical direction Installed in the base frame 1010 is configured to be movable along the extension forming direction of the base frame 1010.
  • the base frame 1010 extends in a circular shape on the bottom surface of the space in which the object 2 is located, the moving frame 1020 toward the center side of the circular base frame 1010 It extends in an upward direction to have a curved shape.
  • At least two or more cameras are installed on the moving frame 1020 such that the line laser 1030 has at least two vertical heights, and at least one camera 1040 corresponding to each line laser 1030 is provided.
  • the moving frame 1020 is installed to have the same vertical height.
  • two cameras 1040 are installed on the moving frame 1020 so that two cameras 1040 have the same vertical height in one line laser 1030.
  • the camera 1040 is installed to have a horizontal gap on the left and / or right side of the line laser 1030 so as to be installed at a position having a predetermined gap with the laser scanning plane 4.
  • the line laser 1030 projects a laser in the form of a line in the vertical direction toward the object 2 to form the laser scanning plane 4 in the vertical direction.
  • the moving frame 1020 is moved along the moving path by the driving means 1050, and the movement for detecting at least one of the position or direction of the moving frame 1020 on the moving path.
  • the sensing means 1060 is provided.
  • driving means 1050 of the present embodiment various known mechanical or electrical driving means may be applied as in the above-described embodiment.
  • the drive means 1050 of this embodiment is comprised by applying the curved motion mechanism instead of the linear motion mechanism.
  • such a curved motion mechanism may be constructed by applying a known camera shooting platform mechanism known as a camera dolly.
  • a circular track (corresponding to the base frame of the present embodiment) is installed in the form of wrapping the position of the object 2 in 360 degrees, and the camera dolly (corresponding to the moving frame of the present embodiment) with the camera and the line laser is installed. It can be configured in such a way that it is driven by a rubber friction roller driven by a motor and moved along a circular track. At this time, the position of the camera dolly can be detected through a barcode marker installed on the track.
  • An example of a camera motion control system to which a curved track is applied can be understood with reference to various known camera dolly related materials or commercial products, including PCT International Publication No. WO1992002871 (published on February 20, 1992).
  • the curved motion mechanism using the circular track has a number of well-known configurations including Korean Patent Publication No. 1997-0060924 (registered on August 12, 1997), Korean Patent No. 10-1516804 (registered on April 24, 2015), and the like. It is possible to apply or apply, and the configuration of such curved motion mechanism itself is not an essential part of the present invention, so further detailed description is omitted.
  • the movement detecting means 1060 of the present embodiment used in the curved motion mechanism may also use various known electromagnetic or optical sensing sensors including the bar code marker applied to the above-described camera dolly as in the above-described embodiment. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
  • the coordinate data in the world coordinate system of the laser projection line formed in the vertical direction photographed by a total of eight cameras 1040 are calculated, respectively, and combined as one coordinate data to calculate one coordinate data set. Since the coordinate data set is calculated while the laser projection line moves along the 360 degree rotation direction, combining the calculated surface data of the object enables the calculation of the overall coordinate data of the object surface in three-dimensional space. do.
  • the three-dimensional scanning system of the present embodiment configured as described above may perform the scanning operation as follows.
  • an initial camera calibration is performed for each camera 1040.
  • the circular movement of the camera 1040 since the circular movement of the camera 1040 is performed, the circular movement position of the camera 1040 is continuously detected during the movement process, and the initial position of movement (eg, S of FIG. 7) is converted during conversion into a world coordinate system. Position) to be reflected in the world coordinate system as a correction value.
  • a conversion to a cylindrical coordinate system or a spherical coordinate system or an inverse transformation process may be further applied.
  • the moving frame 1020 moves on the horizontal plane along the circular trajectory from the initial movement position (eg, the S position of FIG. 7).
  • the position of the movement frame 1020 is continuously sensed by the movement detecting means 1060 during the movement.
  • the driving of the driving means 1050 and the sensing operation of the movement detecting means 1060 may be controlled by the computing means 100.
  • each line laser 1030 projects a laser in the form of a line toward the object 2 in the vertical direction on the same vertical plane to form a laser scanning plane 4, and the laser projection line 33 forms the object 2. To be created on the surface.
  • Each camera 1040 photographs the laser projection line (corresponding to 33 in FIG. 2) that is reflected on the surface of the object 2, and transmits the captured image data to the computing means 100.
  • the computing means 100 is based on the corresponding relationship between the camera coordinate system and the world coordinate system of each camera 1040 set in the camera calibration process, the world coordinate system of the laser projection line 33 taken by each camera 1040
  • the coordinate data in is calculated as the coordinate data of the surface of the object 2.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an alignment process of a line laser of a 3D scanning system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is an alignment of the line laser of a 3D scanning system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is another schematic diagram for explaining the alignment process of the line laser of the three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 12 is a three diagram according to an embodiment of the present invention Another schematic diagram for explaining the alignment process of the line laser of the dimensional scanning system.
  • At least two or more line lasers emit a line-shaped laser toward the object to form laser projection lines on the surface of the object.
  • the laser projection line is projected so as to be located on one virtual laser scanning plane.
  • each line laser of the three-dimensional scanning system should be aligned with each other so as to project the line laser in the horizontal direction while having the same laser projection height at initial installation.
  • a target mechanism for line laser alignment can be used for the alignment of such line lasers. The following description will be made with reference to the embodiment of FIG. 8.
  • the target device for line laser alignment of the present embodiment includes a bottom plate 200 having a pattern for camera calibration, and an alignment point 204a installed at at least three points along the circumference of the bottom plate 200.
  • 204b, 204c includes point providing portions 202a, 202b, 202c formed at preset heights.
  • the point providing portions 202a, 202b, and 202c may be configured in the form of thin diameter rods installed vertically, and the alignment points 204a, 204b, and 204c are points printed or attached to the bar surface. It is formed in the form.
  • the point providing portions 202a, 202b, and 202c may be formed of a translucent synthetic resin material.
  • each line laser 30 is moved to the lowest floor position for alignment (see FIG. 10).
  • a laser beam is projected on the surface of the point providing parts 202a, 202b, and 202c by emitting a line-shaped laser toward the point providing parts 202a, 202b, and 202c. do.
  • the operator finely adjusts the height and horizontality of the line laser 30 so that the position of the laser projection line formed on the surface of the point providing portions 202a, 202b, 202c coincides with the alignment points 204a, 204b, 204c.
  • the height and the horizontal are finely adjusted in the same manner with respect to the second, third and fourth line lasers 30.
  • each of the line lasers 30 is aligned to form one virtual laser scanning plane.
  • 10 illustrates a state in which four line lasers 30 simultaneously transmit light.
  • the camera 40 is coupled to the integrated frame 125 at a position slightly above the line laser 30. If the installation height of each camera 40 and the installation position on the horizontal coordinates are in a predetermined state, camera calibration may be performed using an image of the pattern of the bottom plate 200 photographed by each camera 40.
  • Correspondence relationships may be computed and set in the computing means 100 described above.
  • each line laser 30 is the same height as the alignment points 204a, 204b, 204c of the point providing parts 202a, 202b, and 202c, and the installation height of each camera 40 is also in a predetermined state. Since the installation positions on the horizontal coordinates of each line laser 30 and each camera 40 are predetermined, the mutual positional relationship of each line laser 30 and each camera 40 is also calculated together. And can be set.
  • the line laser 30 is configured to enable height and horizontal adjustment through at least three support point adjustment.
  • the support part 150 on which the line laser 30 and the camera 40 are installed is provided with a fine adjustment adjustment plate 37, and at least three fine adjustment screws. 38 is provided and height and horizontal adjustment are possible by adjusting the support point of each line laser 30 through the rotation adjustment of the fine adjustment screw 38.
  • Reference numeral 37a denotes a screw hole for coupling the fine adjustment screw 38 to the adjustment plate 37.
  • various known height and horizontal adjustment mechanisms may be applied.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a three-dimensional scanning system according to another embodiment of the present invention.
  • the 3D scanning system of the present exemplary embodiment may further include an object support part 200 for supporting a bottom surface on which an object is placed at a predetermined height.
  • the object support 200 may be configured to have a bottom surface higher than the lowest position when the line laser 30 moves.
  • the object support part 200 may be configured in the form of a fixed bottom plate, or may be configured to adjust the height using a known driving means (eg, a hydraulic cylinder, a motor, etc.).
  • a known driving means eg, a hydraulic cylinder, a motor, etc.

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Abstract

본 발명은 3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임; 상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하는 적어도 2 이상의 라인레이저; 상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및 상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템이 개시된다.

Description

3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구
본 발명은 3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구에 관한 것으로서, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영함으로써, 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득하도록 구성된 3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구에 관한 것이다.
사람이나 사물을 포함하는 다양한 대상체의 표면에 대한 기하학적 데이터를 수득하기 위해 3차원 스캐너가 사용된다. 최근 3D 프린터의 확산과 함께, 3차원 스캐너의 사용은 더욱 확산되는 추세이다.
종래의 3차원 스캐너의 일예로, 프로젝터에서 구조화된 광 패턴을 고속으로 대상체에 투사하고, 카메라로 패턴이 투사된 대상체의 표면을 촬영하고 이를 분석하여 3차원 데이터를 수득하는 방법이 제안된 바 있다.
이러한 방법은 데이터 오차가 비교적 적게 발생된다는 장점이 있으나, 속도가 비교적 느리고, 대상체의 표면에 대하여 360도 방향에서의 데이터를 얻기 위해서는 여러대의 카메라와 프로젝터를 배치해야 하고, 여러대의 프로젝터의 패턴 투사 동작을 동기화하기 위해 고정밀도의 동기화 기술이 적용되어야 한다는 점에서 기술적 구현의 어려움이 있었고 장치 제조 비용이 높아진다는 문제가 있었다.
종래의 3차원 스캐너의 다른 예로서, 턴 테이블 상에 대상체를 적치한 상태에서 라인레이저를 대상체에 투광하고, 턴 테이블을 회전시키면서 고정된 하나의 카메라로 라인레이저가 투광된 대상체의 표면을 촬영하고 이를 분석하여 3차원 데이터를 수득하는 방법이 제안된 바 있다.
이러한 방법은 정확도가 높다는 장점이 있으나, 턴 테이블에 적치 가능한 대상체의 크기에 제한이 있다는 점에서 소형 대상체로 그 용도가 제한되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영함으로써, 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득하도록 구성된 3차원 스캐닝 시스템 및 이를 위한 라인레이저 정렬용 표적기구를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임; 상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하는 적어도 2 이상의 라인레이저; 상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및 상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템이 개시된다.
바람직하게, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비되며, 상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하며, 상기 라인레이저 및 카메라는 상기 이동 프레임 상에 설치된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 하나의 라인레이저 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 하나의 베이스 프레임에 대응하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 라인레이저는 대상체를 향해 수평 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며, 상기 이동 프레임은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임에 설치되어 상기 베이스 프레임의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며, 상기 이동 프레임은 상기 원형 베이스 프레임의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 라인레이저는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임에 적어도 2 이상이 설치되며, 각각의 라인레이저에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임에 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 라인레이저는 대상체를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 카메라는 상기 레이저 스캐닝 평면과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 이동 프레임은 구동 수단에 의해 이동 경로를 따라 이동되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 이동 프레임은 미리 설정된 조건에 의해 구동 수단에 의한 이동 속도 제어가 이뤄지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 컴퓨팅 수단은, 상기 이동 감지 수단에서 감지한 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출하며, 각각의 카메라의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라에서 촬영한 상기 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체 표면의 좌표 데이터로서 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 본 발명은, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나가 상기 카메라가 촬영한 영상에 기초한 카메라 트랙킹 방식에 의해 컴퓨팅 수단에서 산출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸며 상기 이동 프레임 상에 설치되는 일체형 프레임;을 더욱 포함하며, 상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고, 상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하며, 상기 라인레이저 및 카메라는 상기 일체형 프레임 상에 설치된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 라인레이저는 적어도 3개의 지지점 조정을 통해 높낮이 및 수평 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 대상체가 적치되는 바닥면을 미리 설정된 높이로 지지하기 위한 대상체 지지부;가 더욱 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 일측면에 따르면, 카메라 캘리브레이션을 위한 패턴이 형성된 바닥판; 및 상기 바닥판의 둘레를 따라 적어도 3 지점에 설치되며, 라인레이저 정렬을 위한 정렬 포인트가 미리 설정된 높이에 제공되도록 구성된 포인트 제공부;를 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저 정렬용 표적기구가 개시된다.
이와 같은 본 발명은, 대상체 주위를 이동하는 복수의 라인레이저가 형성하는 레이저 스캐닝 평면을 대상체가 통과하도록 하면서, 대상체의 표면과 레이저 스캐닝 평면이 이루는 레이저 투사선을 라인레이저와 함께 이동하는 카메라가 촬영하는 방식으로 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득함으로써, 비교적 크기가 큰 대상체에 대해서도 짧은 시간 내에 정밀한 스캔이 가능하다는 장점이 있다.
또한 본 발명은, 카메라 및 라인레이저의 이동 속도를 일치시키는 것만으로 정밀한 3차원 데이터를 수득할 수 있으므로, 고가의 복잡한 동기화 기술을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 이동 상태를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구동 수단의 일예를 나타내는 모식도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 제어 관점 구성도,
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 7은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 8은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬(alignment) 과정을 설명하기 위한 모식도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도,
도 13은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 이동 상태를 나타내는 모식도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구동 수단의 일예를 나타내는 모식도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 제어 관점 구성도이다.
본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은, 베이스 프레임(10)과, 상기 베이스 프레임(10)이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임(20)을 구비한다.
본 실시예의 베이스 프레임(10)은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체(2)가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비된다. 본 실시예의 경우, 90도 간격으로 총 4개의 수직형 베이스 프레임(10)이 구비된 경우를 예시하며, 이러한 베이스 프레임(10)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하다. 본 실시예의 베이스 프레임(10)은 수직으로 연장되며 강성을 갖는 금속재 또는 합성수지재의 봉재 또는 강재로 이해될 수 있으며, 이동 프레임(20)의 상하 승강을 가이드 하기 위한 가이드 레일(11)과 수직 구조 지지를 위한 지지부(도면 미도시) 등이 더욱 구비될 수 있다. 가이드 레일(11)의 형상은 다양하게 변형 구성될 수 있다.
본 실시예의 대상체(2)는, 사람이나 사물을 포함하는 다양한 스캐닝 대상물이 될 수 있으며, 특히, 턴 테이블에 적치하기 곤란한 큰 볼륨을 갖는 사물이나 인체의 전신, 모여있는 다수의 사람들을 포함한다.
본 실시예의 이동 프레임(20)은 상기 베이스 프레임(10)에 설치되며, 상기 베이스 프레임(10)이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하도록 구성된다. 일예로, 이러한 수직 이동 경로는 상기 가이드 레일(11)이 될 수 있다.
상기 이동 프레임(20)은 구동 수단(50)에 의해 이동 경로를 따라 이동된다.
상기 구동 수단(50)은 다양한 공지의 기계적 또는 전기적 구동 수단이 적용 가능하다.
일예로, 상기 구동 수단(50)은, 공지의 다양한 리니어 모션 기구를 적용하여 구성될 수 있다. 리니어 모션 기구는 모터와 같은 구동원의 동력을 이용하여 직선형 모션을 제공하는 구동기구로서, 볼 스크류, 리니어 모터 등을 예로 들 수 있다.
일예로, 볼 스크류를 적용하는 경우, 각 베이스 프레임(10)의 상단 또는 하단에 서보 모터(도면 미도시)를 설치하고, 각 베이스 프레임(10)에 구비되며 상기 이동 프레임(20)이 결합 설치된 수직 방향의 볼 스크류(도면 미도시)를 서보 모터가 구동하는 방식으로 상기 이동 프레임(20)의 수직 이동 및 위치 제어가 이뤄질 수 있다.
다른예로, 도 3에 예시된 바와 같이 리니어 모터를 적용하는 경우, 각 베이스 프레임(10)에 수직 방향의 LM 가이드(54)를 설치하고, 상기 이동 프레임(20)이 결합 설치된 리니어 모터(도 3의 50)를 구동 제어하는 방식으로 상기 이동 프레임(20)의 수직 이동 및 위치 제어가 가능하다. 미설명 부호 52는 리니어 모터를 이동시키기 위한 스크류이며, 부호 56은 리니어 모터 설치용 브래킷이다.
다른예로, 상기 구동 수단(50)은 상기 이동 프레임(20)에 수직 방향 구동력을 직접 제공할 수 있도록 수직 방향으로 설치된 유압식 또는 공압식 실린더가 될 수도 있으며, 이외에 위치 및 속도 제어가 가능한 다양한 공지의 구동 수단 및 승하강을 위한 동력 전달 기구가 적용 가능하다. 이러한 구동 수단(50) 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.
상기 이동 프레임(20)은 미리 설정된 조건에 의해 구동 수단(50)에 의한 이동 속도 제어가 이뤄질 수 있다. 즉, 스캐닝 대상물의 특성이나 스캐닝 목적 등에 따라, 대상체 표면의 좌표 데이터가 더 상세하게 요구되는 이동 구간에서는 구동 수단(50)에 의한 이동 속도를 다른 이동 구간보다 저속으로 하여 시간당 촬영되는 영상 프레임의 개수를 증가시키고 더욱 상세하고 정확한 좌표 데이터를 수득할 수 있다. 일예로, 인체의 전신을 바닥으로부터 상향 수직 방향으로 스캐닝하는 경우, 바닥으로부터 인체의 평균적인 가슴 부위 높이(예, 140 cm)까지는 일반 이동 속도로 카메라 촬영을 하고, 그 보다 높은 높이(얼굴 부위)에서는 미리 설정된 저속 이동 촬영을 하여, 대상물 표면에 더욱 정확한 스캐닝이 요구되는 구간(얼굴 부위)에서 시간당 촬영되는 영상 프레임의 개수를 증가시킬 수 있다. 이러한 높이는 스캐닝 대상물의 표면 특성(예, 형상의 복잡도)이나 높이 등을 고려하여 컴퓨텅 수단(100)에 미리 설정될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단(60)이 구비된다.
상기 이동 감지 수단(60)은 이동 프레임(20)의 이동 경로 상의 위치를 감지할 수 있는 다양한 공지의 광학적 또는 전자기적 감지 수단이 적용 가능하다. 일예로, 이동 프레임(20)에 광전 센서를 부착하여 바닥면 또는 베이스 프레임(10)의 측면부에 구비된 광학적 표지 수단(예, 바코드, 엔코더 패턴 등)에 대한 광학적 감지를 통해 수직 경로 상의 위치를 감지하거나, 이동 프레임(20)을 구동하는 리니어 모터에 전자기적 센서 수단(예, 홀 센서, Magneto Resistor 등)을 부착하여 수직 경로 상의 위치를 감지하거나, 공지의 리니어 엔코더 센서 등을 적용할 수 있다. 이외에도 다양한 공지의 이동 감지 수단이 적용 가능하다. 이러한 이동 감지 수단(60) 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.
다른 예로, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나는 상기 카메라(40)가 촬영한 영상에 기초한 카메라 트랙킹 방식에 의해 컴퓨팅 수단(100)에서 산출될 수도 있다.
예를 들어, 상기 이동 프레임(20)이 이동하는 과정에서 카메라(40)는 대상체(2)의 표면(라인레이저가 투광되지 않은 영역을 포함)을 촬영하게 되며, 촬영 영상으로부터 다수의 특징점을 추출할 수 있다. 이러한 특징점이 영상 내에서 이동하는 경로를 컴퓨팅 수단(100)에서 트랙킹하면 특징점들의 이동 속도 및 위치, 방향에 기초하여 카메라(40)의 이동 속도 및 위치, 방향이 산출될 수 있다. 특징점은 반드시 하나의 특징점이 이동 경로의 전체 구간에서 인식될 필요는 없으며, 이동 경로를 따라 다수개의 특징점이 순차적으로 또는 동시에 인식될 수도 있다.
본 실시예의 카메라(40)는 미리 정해진 경로를 미리 정해진 속도로 이동하므로, 상기와 같은 영상 내 특징점들의 트랙킹에 의해 카메라(40)의 위치 및 방향을 역으로 산출하는 것이 가능하다.
이러한 방식을 취하게 되면, 별도의 물리적 센서 형태의 이동 감지 수단(60)을 설치하지 않더라도 컴퓨팅 수단(100)의 소프트웨어적 프로세싱에 의해서도 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향을 산출할 수 있다.
영상 내 특징점들을 이용한 카메라 트랙킹 기법은 다수의 공지 자료를 통해 이해될 수 있으므로, 상세 설명을 생략한다.
상기 라인레이저(30)는 상기 이동 프레임(20)과 함께 이동되도록 설치된다.
본 실시예의 경우, 상기 이동 프레임(20)에는 적어도 2 이상의 라인레이저(30)가 설치된다. 이러한 라인레이저(30)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하다.
각각의 라인레이저(30)는, 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체(2)의 표면에 레이저 투사선(33)이 형성되도록 한다.
대상체(2)의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선(projection line, 33)은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면(4) 상에 위치하도록 형성된다. 미설명 부호 31은 각각의 라인레이저(30)에서 투사된 투사광이 이루는 면으로서, 이들 면이 모여 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면(4)을 이루게 된다.
상기 각각의 라인레이저(30)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 높이에서 수평 방향으로 투광하도록 구성된다. 이를 위해, 각각의 라인레이저(30)가 설치되는 상기 이동 프레임(20)의 위치는 상하 승강 이동 중에 동일 높이를 상호 유지하도록 그 위치 및/또는 속도가 제어되며, 이동 초기 시점에 동일 높이를 갖도록 제어된다.
이를 통해, 상기 레이저 스캐닝 평면(4)은 수평면의 형태로 구성되고, 대상체(2)의 표면에 형성되는 레이저 투사선(33)도 이러한 수평면 상에서 형성된다. 바람직하게, 본 실시예의 레이저 투사선(33)은 대상체(2)를 소정 높이에서 감싸는 형태로 형성된다.
상기 카메라(40)는 상기 이동 프레임(20)과 함께 이동되도록 설치된다.
본 실시예의 경우, 상기 이동 프레임(20) 상에는 적어도 2 이상의 카메라(40)가 설치된다. 이러한 카메라(40)의 개수는 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 범위에서 다양하게 변경이 가능하며, 반드시 라인레이저(30)의 개수와 동일할 필요는 없다. 또한, 대상체(2)를 360도 감싸는 형태로 스캐닝이 가능한 조건이라면, 하나의 이동 프레임(20)에 라인레이저(30)와 카메라(40)가 반드시 한쌍으로 설치되어야 하는 것은 아니다.
각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 후술하는 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다. 미설명 부호 42는 카메라 뷰 레이(camera view ray)를 나타낸다.
바람직하게, 상기 카메라(40)는 카메라 뷰 레이(camera view ray, 42)가 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 중앙부 측을 향하도록 위치와 방향이 설정되며, 더욱 바람직하게, 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치된다.
보다 상세하게 도 2를 참조하면, 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)보다 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 약간 높은 위치에 설치된다. 만일, 상기 카메라(40)가 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 동일 높이(간극이 없는 높이)에 설치되면, 상기 카메라(40)에서 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하지 못하거나 영상이 왜곡 촬영되는 축퇴(縮退, degeneracy)가 발생할 수 있다. 이를 감안하여, 상기 이동 프레임(20)의 이동 경로 방향의 관점에서 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치된다. 도 2의 경우에 이러한 간극은 상하 방향을 따라 설정되며, 후술하는 도 7의 실시예의 경우에 이러한 간극은 회전 방향을 따라 설정된다.
여기서, 상기 소정의 간극은 카메라(40)에서 촬영된 상기 레이저 투사선(33)의 영상에 축퇴(縮退, degeneracy)가 발생하지 않을 정도의 간극이면 충분하고, 특정한 값으로 간극의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에 있어서, 상기 카메라(40)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 높이로부터 수 cm~수십 cm 정도의 간극으로 이격된다. 상기 레이저 스캐닝 평면(4)의 높이는 각각의 라인레이저(30)의 높이와 동일한 높이로 볼 수 있으므로, 상기 카메라(40)는 각각의 라인레이저(30)와 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것으로 이해될 수도 있다.
상기 라인레이저(30) 및 카메라(40)는, 하나의 라인레이저(30) 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라(40)가 하나의 베이스 프레임(10)에 대응하는 구조로 설치된다.
본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은, 상기 각각의 카메라(40)의 촬영 영상과 각각의 카메라(40)의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체(2) 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단(100)을 구비한다. 이러한 컴퓨팅 수단은 본 실시예의 3차원 스캐닝에 의해 대상체의 3차원 스캐닝 데이터를 수득하기 위한 컴퓨터 프로그램이 실행되는 PC 또는 임베디드 컴퓨터 등으로 구현될 수 있다.
상기 컴퓨팅 수단(100)은, 상기 이동 감지 수단(60)에서 감지한 상기 이동 프레임(20)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라(40)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출한다. 이러한 데이터는 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)에 대한 각각의 카메라 좌표계상의 좌표 데이터 산출의 근거가 된다.
즉, 상기 이동 감지 수단(60)에 의해 각각의 이동 프레임(20) 및 카메라(40)의 이동 위치는 연속적으로 감지되므로, 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)에서의 각각의 카메라(40)의 위치 및 방향이 최초 카메라 캘리브레이션 과정에서 컴퓨팅 수단(100)에 설정된 상태라면, 각각의 카메라(40)의 상하 이동 과정에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)에 대한 각각의 카메라 좌표계상의 좌표 데이터가 산출될 수 있다.
또한, 상기 컴퓨팅 수단(100)은, 최초 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.
본 실시예의 경우, 총 4대의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터가 각각 산출되어, 이를 하나의 좌표 데이터로서 결합하여 하나의 좌표 데이터 세트로 산출한다. 상기 레이저 투사선(33)이 상하 방향으로 이동하는 과정에서 이러한 좌표 데이터 세트의 산출이 이뤄지므로, 이렇게 산출된 대상체(2)의 표면 데이터를 결합하면, 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 전체 좌표 데이터를 산출할 수 있게 된다.
도 1을 참조할 때, 월드 좌표계는 WC로 표시된 절대 좌표계로 이해될 수 있고, 카메라 좌표계는 각각의 카메라 별로 설정된 상대 좌표계(도 1의 경우, 1번 카메라에 대한 CC1 카메라 좌표만 예시함)로 이해될 수 있다. 카메라 좌표계는 각각의 카메라에 대해서 각각 설정될 수 있다.
카메라 좌표계의 특정 좌표를 월드 좌표계의 좌표 데이터로 변환하거나 그 역방향의 변환 과정은, 통상의 카메라 캘리브레이션 방법을 통해 널리 알려진 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 구성된 본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은 다음과 같이 스캐닝 동작을 할 수 있다.
우선, 각각의 카메라(40)에 대해 최초 카메라 캘리브레이션을 실시한다. 카메라 캘리브레이션은 카메라 외부 파라미터와 내부 파라미터를 이용한 통상의 좌표계 변환방법(카메라 좌표계-월드 좌표계)을 이용하여 이뤄질 수 있으며, 이러한 캘리브레이션을 통해 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계가 상기 컴퓨팅 수단(100)에 설정된다.
본 실시예의 경우, 카메라(40)의 수직 이동이 이뤄지므로, 카메라(40)의 수직 이동 위치를 이동 과정 중에 연속적으로 감지하여, 이를 월드 좌표계로 변환 시에 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)를 기준으로 월드 좌표계의 수직축(도 1의 Z축) 위치에 보정값으로 반영하게 된다.
구동 수단(50)을 이용하여, 이동 초기 위치(예, 베이스 프레임의 상단부 출발 위치)로부터 각각의 이동 프레임(20)이 동일 높이와 동일 속도를 유지하면서 하강 이동한다. 하강 이동 중에 각각의 이동 프레임(20)의 위치는 이동 감지 수단(60)을 통해 연속적으로 감지된다. 구동 수단(50)의 구동과 이동 감지 수단(60)의 감지 동작은 컴퓨팅 수단(100)을 통해 제어될 수 있다. 일예로, 카메라(40)의 프레임 레이트가 100 fps의 경우, 3초에 180cm의 사람 신체를 0.6 cm 간격의 해상도로 스캐닝이 가능하다.
이러한 이동 과정 중에 각각의 라인레이저(30)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 높이에서 수평 방향으로 투광하여 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성하고 레이저 투사선(33)이 대상체(2) 표면에 생성되도록 한다.
각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.
상기 컴퓨팅 수단(100)은, 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.
한편, 상기와 같이 산출된 대상체(2) 표면의 좌표 데이터에 홀(hole)이 포함된 경우, 공지의 홀 필링(hole filling) 기술을 적용하여 전체 표면 데이터를 산출할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.
상술한 실시예에서는 하나의 이동 프레임(20) 상에 하나의 카메라(40)가 설치되는 경우를 예시하였는데, 보다 정확한 영상 데이터를 얻기 위해서 도 5와 같이 하나의 이동 프레임(20) 상에 2 대의 카메라(40)가 설치될 수도 있다.
이는 다른 관점에서, 하나의 라인레이저(30)에 대응하는 각각 2대의 카메라(40)가 동일한 이동 프레임(20) 상에 상하로 배치된 구조로 이해될 수도 있다.
상술한 실시예와 마찬가지로, 각각의 카메라(40)는, 대상체(2)의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선(33)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.
또한, 상기 컴퓨팅 수단(100)은, 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(40)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.
상술한 실시예에서는 베이스 프레임(10)에 설치된 각각의 이동 프레임(20)이 각각의 구동 수단(50)을 구비하여 각각 이동 제어되는 경우를 예시하였는데, 복수의 이동 프레임(20)의 수직 위치를 더욱 정확하게 일치시키기 위해서 도 6과 같이 각각의 이동 프레임(20) 상호 간을 일체형 프레임(25)을 이용하여 일체로 결합할 수도 있다.
이는 다른 관점에서, 각각의 라인레이저(30)가 별도로 수직 이동 제어 또는 위치 제어되는 것이 아니라, 하나의 일체화된 프레임에 의해 수직 이동 제어 또는 위치 제어되는 구조로 이해될 수도 있다.
이러한 구조를 취하는 경우, 상기 구동 수단(50) 및/또는 이동 감지 수단(60)은 각각의 이동 프레임(20)에 모두 구비될 필요없이 하나 또는 이와 대향하는 또다른 하나의 이동 프레임(20)에만 설치되거나, 일체형 프레임(25)에 설치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다. 도 8은 도 6을 더욱 변형 구성한 것으로서, 예를 들어, 1인의 사람에 대한 전신 스캐닝을 하는 경우에 더욱 적합하게 변형된 실시예이다.
도 8의 실시예에서는, 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸며 이동 프레임(120) 상에 설치되는 일체형 프레임(125)을 포함한다. 일체형 프레임(125)은 사각형으로 형성될 수도 있으며, 원형이나 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 일체형 프레임(125)은 강성을 가지면서 가벼운 알루미늄 합금이나 합성수지 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
일체형 프레임(125)이 이동 프레임(120) 상에 견고하게 결합하도록 결합 지지빔(124)이 더욱 구비될 수 있으며, 일체형 프레임(125)의 이동 시의 균형을 유지하고 진동을 방지하도록 무게체(122)가 일체형 프레임(125)의 반대측 이동 프레임(120)면에 설치될 수도 있다.
베이스 프레임(10)은 수직 방향으로 연장 형성되고, 상기 이동 프레임(120)은 상기 베이스 프레임(10)에 설치되며, 상기 베이스 프레임(10)이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하다. 이동 프레임(120)의 이동을 위한 구동수단은 도 3의 실시예와 동일하거나 유사한 형태로 공지의 구동수단을 이용하여 구성이 가능하므로 중복 설명은 생략한다. 미설명 부호 126은 베이스 프레임(10)을 지지하기 위한 지지부이다.
상기 라인레이저(30) 및 카메라(40)는 상기 일체형 프레임(125) 상에 지지부(150)를 통해 결합 설치된다. 라인레이저(30)의 하부에는 후술하는 미세 높낮이 조정수단이 설치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.
본 실시예에서는, 상기 베이스 프레임(1010)은 대상체(2)가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며, 상기 이동 프레임(1020)은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임(1010)에 설치되어 상기 베이스 프레임(1010)의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능하도록 구성된다.
본 실시예의 경우, 상기 베이스 프레임(1010)은 대상체(2)가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며, 상기 이동 프레임(1020)은 상기 원형 베이스 프레임(1010)의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 상측 방향으로 연장 형성된다.
또한, 상기 라인레이저(1030)는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 적어도 2 이상이 설치되며, 각각의 라인레이저(1030)에 대응하는 적어도 하나의 카메라(1040)가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 설치된다. 본 실시예의 경우, 하나의 라인레이저(1030)에 각각 2 대의 카메라(1040)가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임(1020)에 설치된다.
또한, 상기 카메라(1040)는 상기 레이저 스캐닝 평면(4)과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되도록, 라인레이저(1030)의 좌측 및/또는 우측으로 수평 방향의 간극을 갖도록 설치된다.
이러한 설치 상태에서, 상기 라인레이저(1030)는 대상체(2)를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하여, 수직 방향의 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성한다.
본 실시예에 있어서도, 상기 이동 프레임(1020)은 구동 수단(1050)에 의해 이동 경로를 따라 이동되며, 상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임(1020)의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단(1060)을 구비한다.
본 실시예의 구동 수단(1050)은 상술한 실시예와 마찬가지로, 다양한 공지의 기계적 또는 전기적 구동 수단이 적용 가능하다.
다만, 본 실시예의 구동 수단(1050)은, 리니어 모션 기구가 아니라 곡선형 모션 기구를 적용하여 구성된다.
일예로, 이러한 곡선형 모션 기구는 카메라 돌리(Camera dolly)로 알려진 공지의 카메라 촬영용 플랫폼 기구를 적용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 360도로 대상체(2)의 위치를 감싸는 형태로 원형 트랙(본 실시예의 베이스 프레임에 해당)을 설치하고, 카메라 및 라인레이저가 설치된 카메라 돌리(본 실시예의 이동 프레임에 해당)를 서보 모터로 구동되는 고무 마찰 로울러로 구동하여 원형 트랙을 따라 이동시키는 방식으로 구성될 수 있다. 이때 카메라 돌리의 위치는 트랙에 설치된 바코드 마커를 통해 감지될 수 있다. 곡선형 트랙을 적용한 카메라 모션 제어 시스템의 예는, PCT 국제공개특허 WO1992002871 (1992.02.20 공개)를 포함하는 다양한 공지의 카메라 돌리 관련 자료 또는 상용 제품 등의 구성을 참조하여 이해될 수 있다.
이외에도, 원형 트랙을 이용한 곡선형 모션 기구는 대한민국 공개특허 특1997-0060924(1997.08.12. 등록), 대한민국 등록특허 제10-1516804호 (2015.04.24 등록) 등을 포함하는 다수의 공지된 구성을 적용 또는 응용할 수 있으며, 이러한 곡선형 모션 기구 자체의 구성은 본 발명의 본질적 부분은 아니므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.
곡선형 모션 기구에 사용되는 본 실시예의 이동 감지 수단(1060)도, 상술한 실시예와 마찬가지로, 상기 예시한 카메라 돌리에 적용되는 바코드 마커를 포함하여 다양한 공지의 전자기적 또는 광학적 감지 센서가 사용될 수 있으므로, 상세한 추가 설명은 생략한다.
본 실시예의 경우, 총 8대의 카메라(1040)에서 촬영한 수직방향으로 형성된 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터가 각각 산출되어, 이를 하나의 좌표 데이터로서 결합하여 하나의 좌표 데이터 세트로 산출한다. 레이저 투사선이 360도 회전 방향을 따라 이동하는 과정에서 이러한 좌표 데이터 세트의 산출이 이뤄지므로, 이렇게 산출된 대상체의 표면 데이터를 결합하면, 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 전체 좌표 데이터를 산출할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은 다음과 같이 스캐닝 동작을 할 수 있다.
우선, 각각의 카메라(1040)에 대해 최초 카메라 캘리브레이션을 실시한다. 본 실시예의 경우, 카메라(1040)의 원형 이동이 이뤄지므로, 카메라(1040)의 원형 이동 위치를 이동 과정 중에 연속적으로 감지하여, 이를 월드 좌표계로 변환 시에 이동 초기 위치(예, 도 7의 S 위치)를 기준으로 월드 좌표계에 보정값으로 반영하게 된다. 이러한 좌표계 변환 과정에서, 변환의 편의를 위해 원기둥 좌표계나 구면 좌표계로의 변환 또는 역변환 과정이 더욱 적용될 수도 있다.
구동 수단(1050)을 이용하여, 이동 초기 위치(예, 도 7의 S 위치)로부터 이동 프레임(1020)이 원형 궤적을 따라 수평면 상에서 이동한다. 이동 중에 이동 프레임(1020)의 위치는 이동 감지 수단(1060)을 통해 연속적으로 감지된다. 구동 수단(1050)의 구동과 이동 감지 수단(1060)의 감지 동작은 컴퓨팅 수단(100)을 통해 제어될 수 있다.
이러한 이동 과정 중에 각각의 라인레이저(1030)는 대상체(2)를 향해 라인 형태의 레이저를 동일 수직면 상에서 수직 방향으로 투광하여 레이저 스캐닝 평면(4)을 형성하고 레이저 투사선(33)이 대상체(2) 표면에 생성되도록 한다.
각각의 카메라(1040)는, 대상체(2)의 표면에 반사 형성된 상기 레이저 투사선(도 2의 33에 해당)을 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 컴퓨팅 수단(100)으로 전송한다.
상기 컴퓨팅 수단(100)은, 카메라 캘리브레이션 과정에서 설정된 각각의 카메라(1040)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라(1040)에서 촬영한 상기 레이저 투사선(33)의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체(2) 표면의 좌표 데이터로서 산출한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬(alignment) 과정을 설명하기 위한 모식도, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저의 정렬 과정을 설명하기 위한 또다른 모식도이다.
본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템은 적어도 2 이상의 라인레이저가 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선을 형성한다. 특히, 상기 레이저 투사선은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하도록 투광된다.
도 1 또는 도 8과 같이 스캐닝 방향이 수직인 경우를 예로 들면, 3차원 스캐닝 시스템의 각각의 라인레이저는 최초 설치 시에 동일한 레이저 투광 높이를 가지면서 수평 방향으로 라인레이저를 투광하도록 상호 정렬되어야 한다.
이러한 라인레이저의 정렬을 위해 라인레이저 정렬용 표적기구가 이용될 수 있다. 이하의 설명에서는 도 8의 실시예를 참조하여 설명한다.
본 실시예의 라인레이저 정렬용 표적기구는, 카메라 캘리브레이션을 위한 패턴이 형성된 바닥판(200)과, 상기 바닥판(200)의 둘레를 따라 적어도 3 지점에 설치되며 라인레이저 정렬을 위한 정렬 포인트(204a,204b,204c)가 미리 설정된 높이에 형성된 포인트 제공부(202a,202b,202c)를 포함한다. 일예로, 포인트 제공부(202a,202b,202c)는 수직으로 설치된 얇은 직경의 봉(棒)재 형태로 구성될 수 있으며, 정렬 포인트(204a,204b,204c)는 봉재 표면에 인쇄 또는 부착되는 포인트 형태로 형성된다. 바람직하게, 포인트 제공부(202a,202b,202c)는 반투광성의 합성수지재로 형성될 수 있다.
도 8의 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저를 정렬하는 경우를 예로 들면, 정렬을 위해 각각의 라인레이저(30)는 가장 낮은 바닥면 위치로 이동시킨다(도 10 참조). 이 상태에서 첫번째 라인레이저(30)를 온 조작하면, 포인트 제공부(202a,202b,202c)를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 포인트 제공부(202a,202b,202c)의 표면에 레이저 투사선이 형성된다.
작업자는 포인트 제공부(202a,202b,202c)의 표면에 형성된 레이저 투사선의 위치가 상기 정렬 포인트(204a,204b,204c)와 일치하도록 해당 라인레이저(30)의 높이와 수평을 미세 조정한다.
이후, 두번째, 세번째, 네번째 라인레이저(30)에 대해서 동일한 방식으로 높이와 수평을 미세 조정한다.
이러한 작업이 모두 종료되면, 각각의 라인레이저(30)는 가장 낮은 바닥면 위치로 이동된 상태에서 포인트 제공부(202a,202b,202c)의 표면에 형성된 레이저 투사선의 위치가 상기 정렬 포인트(204a,204b,204c)와 일치된 상태를 모두 이루게 된다. 이를 통해 각각의 라인레이저(30)는 모두 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면을 형성하는 정렬 상태를 이루게 된다. 도 10은 4개의 라인레이저(30)가 동시에 투광하는 상태를 예시한다.
이때, 카메라(40)는 상기 라인레이저(30)보다 약간 상부 위치에서 상기 일체형 프레임(125) 상에 결합 설치된 상태이다. 각각의 카메라(40)의 설치 높이와 수평 좌표 상에서의 설치 위치가 미리 정해진 상태라면, 바닥판(200)의 패턴을 각각의 카메라(40)에서 촬영한 영상을 이용하여 카메라 캘리브레이션이 이뤄질 수 있다.
즉, 바닥판(200)의 패턴을 각각의 카메라(40)에서 촬영한 영상과, 각각의 카메라(40)의 높이 및 위치 좌표를 이용하여, 각각의 카메라(40)의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계가 상술한 컴퓨팅 수단(100)에 연산 및 설정될 수 있다.
또한, 이때 각각의 라인레이저(30)의 높이는 포인트 제공부(202a,202b,202c)의 정렬 포인트(204a,204b,204c)와 동일한 높이이고, 각각의 카메라(40)의 설치 높이도 미리 정해진 상태이며, 각각의 라인레이저(30)와 각각의 카메라(40)의 수평 좌표 상에서의 설치 위치가 미리 정해진 상태이므로, 각각의 라인레이저(30)와 각각의 카메라(40)의 상호 위치 관계도 함께 연산 및 설정될 수 있다.
한편, 상기와 같은 정렬이 가능하도록, 라인레이저(30)는 적어도 3개의 지지점 조정을 통해 높낮이 및 수평 조절이 가능하도록 구성된다.
일예로, 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼, 상기 라인레이저(30) 및 카메라(40)가 설치되는 지지부(150)에는 미세 조정용 조정판(37)이 구비되며, 여기에 적어도 3개의 미세 조정용 나사(38)가 마련되어 미세 조정용 나사(38)의 회동 조절을 통해 각각의 라인레이저(30)의 지지점 조정을 함으로써 높낮이 및 수평 조절이 가능하다. 미설명 부호 37a는 미세 조정용 나사(38)를 조정판(37)에 결합하도록 하는 나사홀이다. 이외에 다양한 공지의 높이 및 수평 조절 기구가 적용될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 모식도이다.
본 실시예의 3차원 스캐닝 시스템는, 대상체가 적치되는 바닥면을 미리 설정된 높이로 지지하기 위한 대상체 지지부(200)가 더욱 구비될 수 있다.
대상체의 가장 낮은 지점에 대한 스캐닝이 원활하게 이뤄질 수 있도록, 대상체 지지부(200)는 라인레이저(30)의 이동 시 최저 위치보다 높은 바닥면을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
대상체 지지부(200)는 고정된 바닥판 형태로 구성될 수도 있고, 공지의 구동 수단(예, 유압 실린더, 모터 등)을 이용하여 높낮이 조절이 가능하도록 구성될 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

Claims (19)

  1. 베이스 프레임;
    상기 베이스 프레임이 제공하는 이동 경로를 따라 이동 가능한 이동 프레임;
    상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체를 향해 라인 형태의 레이저를 투광하여 대상체의 표면에 레이저 투사선이 형성되도록 하는 적어도 2 이상의 라인레이저;
    상기 이동 프레임과 함께 이동되도록 설치되고, 대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선을 촬영하는 적어도 2 이상의 카메라; 및
    상기 각각의 카메라의 촬영 영상과 각각의 카메라의 촬영 위치에 근거하여 3차원 공간상에서의 대상체 표면의 좌표 데이터를 산출하는 컴퓨팅 수단;을 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    대상체의 표면에 형성된 상기 레이저 투사선은 하나의 가상의 레이저 스캐닝 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸도록 적어도 2 이상이 구비되며,
    상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하며,
    상기 라인레이저 및 카메라는 상기 이동 프레임 상에 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    하나의 라인레이저 및 이에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 하나의 베이스 프레임에 대응하여 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 라인레이저는 대상체를 향해 수평 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸는 형상을 갖도록 연장 형성되며,
    상기 이동 프레임은 상하 방향의 높이를 갖는 형상으로 형성되며 상기 베이스 프레임에 설치되어 상기 베이스 프레임의 연장 형성 방향을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은 대상체가 위치하는 공간의 바닥면 상에 원형으로 연장 형성되며,
    상기 이동 프레임은 상기 원형 베이스 프레임의 중앙 측을 향해 만곡된 형상을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 라인레이저는 적어도 2 이상의 상하 방향 높이를 각각 갖도록 상기 이동 프레임에 적어도 2 이상이 설치되며,
    각각의 라인레이저에 대응하는 적어도 하나의 카메라가 동일한 상하 방향 높이를 갖도록 상기 이동 프레임에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 라인레이저는 대상체를 향해 수직 방향으로 라인 형태의 레이저를 투광하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 카메라는 상기 레이저 스캐닝 평면과 소정의 간극을 갖는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이동 프레임은 구동 수단에 의해 이동 경로를 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이동 프레임은 미리 설정된 조건에 의해 구동 수단에 의한 이동 속도 제어가 이뤄지는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 이동 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 수단은,
    상기 이동 감지 수단에서 감지한 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 근거하여 각각의 카메라의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나에 관한 데이터를 산출하며,
    각각의 카메라의 카메라 좌표계와 월드 좌표계의 대응 관계에 근거해서, 각각의 카메라에서 촬영한 상기 레이저 투사선의 월드 좌표계에서의 좌표 데이터를 대상체 표면의 좌표 데이터로서 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 이동 경로 상에서 상기 이동 프레임의 위치 또는 방향 중의 적어도 어느 하나가 상기 카메라가 촬영한 영상에 기초한 카메라 트랙킹 방식에 의해 컴퓨팅 수단에서 산출되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    대상체가 위치하는 공간을 수평적으로 둘러싸며 상기 이동 프레임 상에 설치되는 일체형 프레임;을 더욱 포함하며,
    상기 베이스 프레임은 수직 방향으로 연장 형성되고,
    상기 이동 프레임은 상기 베이스 프레임에 설치되며, 상기 베이스 프레임이 제공하는 수직 이동 경로를 따라 수직 이동 가능하며,
    상기 라인레이저 및 카메라는 상기 일체형 프레임 상에 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 라인레이저는 적어도 3개의 지지점 조정을 통해 높낮이 및 수평 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    대상체가 적치되는 바닥면을 미리 설정된 높이로 지지하기 위한 대상체 지지부;가 더욱 구비된 것을 특징으로 3차원 스캐닝 시스템.
  19. 카메라 캘리브레이션을 위한 패턴이 형성된 바닥판; 및
    상기 바닥판의 둘레를 따라 적어도 3 지점에 설치되며, 라인레이저 정렬을 위한 정렬 포인트가 미리 설정된 높이에 제공되도록 구성된 포인트 제공부;를 포함하여 구성된 3차원 스캐닝 시스템의 라인레이저 정렬용 표적기구.
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