WO2017188732A1

WO2017188732A1 - 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치

Info

Publication number: WO2017188732A1
Application number: PCT/KR2017/004457
Authority: WO
Inventors: 장민호; 이수복; 장지웅; 임성빈; 송의정; 김한솔; 이승진
Original assignee: 주식회사 메디트
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2017-11-02
Also published as: KR101733228B1; US20190137266A1; US10739131B2

Abstract

본 발명은 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로, 부호화된 구조광을 측정 대상에 조사하고 영상 장치로 이를 획득한 후 분석을 통해 측정 대상의 표면에 대한 3차원 위치 정보를 획득하는 3차원 스캐닝 장치에 관한 것이다. 이에 따르면, 저해상도로 화면 전체의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴과, 고해상도로 국부의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴을 결합하여 상보적으로 사용함으로써, 적은 수의 패턴으로 고해상도의 3D 데이터를 획득할 수 있어 실시간 스캐닝 시 움직임에 강건하면서 고품질의 데이터를 얻을 수 있는 이점이 있다.

Description

구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치

본 발명은 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로, 부호화된 구조광을 측정 대상에 조사하고 영상 장치로 이를 획득한 후 분석을 통해 측정 대상의 표면에 대한 3차원 위치 정보를 획득하는 3차원 스캐닝 장치 및 방법에 관한 것이다.

3차원 스캐닝은 역설계, 측정, 검사, 컨텐츠 생성, CAD/CAM 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있으며 컴퓨팅 기술의 발전으로 인하여 스캐닝 성능이 높아지고 점점 다양한 분야에 사용되고 있다.

최근에는 초당 수 프레임 이상의 데이터를 획득할 수 있으며 자동화된 데이터 처리를 통하여 전문 훈련을 받지 않은 일반 사용자도 손쉽게 3차원 데이터를 획득할 수 있는 실시간 스캐닝 기술이 급속도로 발달하고 있다.

실시간 스캐닝은 주로 구조화된 패턴을 광학 투사 장치를 이용하여 측정 대상에 투영하고 이를 영상 장치를 통해 획득한 후, 획득한 영상을 분석하여 3차원 데이터를 계산해 내는 구조광 방식을 많이 사용한다. 구조광 방식은 한번에 넓은 면적의 3차원 데이터를 획득할 수 있어 빠른 속도로 스캐너를 이동시키면서 3차원 데이터를 측정하는 실시간 스캐닝에 사용하기 적합하기 때문이다.

종래에는 3차원 스캐닝을 위하여 DFP(Digital Fringe Pattern) 방식의 패턴을 주로 사용하였다. 특히 데이터의 안정성, 해상도 및 연산 시간 등에서 장점을 가지는 그레이코드(Gray Code)와 위상차(Phase Shift)가 결합된 패턴이 널리 사용되고 있다.

그러나 그레이코드-위상차 패턴은 방식의 특성 상 사용되는 패턴의 수가 많아(통상적으로 열 장 이상) 스캐너와 물체가 상호 이동하면서 스캔이 이루어지는 경우 패턴이 맺히는 위치가 측정 도중 변경되어 스캐닝이 제대로 이루어지지 않는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해서 측정에 사용되는 패턴의 장수를 줄이기 위한 패턴 기술들, 가령 M-array 등이 상용화된 바 있으나, 패턴 장수를 줄이면서 ID를 부여하기 위해서 영상에서 여러 픽셀을 사용하기 때문에 측정된 3D 데이터의 해상도가 감소하는 문제가 있었다. 그에 따라 실시간 측정에 적합하도록 패턴 수를 줄이면서, 높은 해상도의 3D 데이터를 획득할 수 있는 기술이 필요하다.

한편, 이에 관한 관련 선행기술로 미국등록특허 제8090194호 (2012.01.03. 등록)가 개시된 바 있다.

본 발명은 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로, 부호화된 구조광을 측정 대상에 조사하고 영상 장치로 이를 획득한 후 분석을 통해 측정 대상의 표면에 대한 3차원 위치 정보를 획득하는 3차원 스캐닝 장치를 제공하는데 있으며, 특히 실시간 스캐닝에 적합하도록 적은 수의 구조광 패턴을 사용하면서도, 고해상도의 3D 데이터를 획득하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치는, 측정 대상에 광역 패턴인 제1 패턴 및 지역 패턴인 제2 패턴을 투영하는 투영부; 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상을 획득하는 영상획득부; 상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제1 패턴이 투영된 측정 대상의 영상 중 일정 범위의 공간에 있는 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제1 ID의 위치를 검출하는 검출부; 검출된 상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 기설정된 일정 거리 내에서의 밝기값에 관한 데이터를 수집하는 수집부; 및 상기 수집부의 정보를 이용하여 상기 제1 ID의 제1 ID 값을 결정하는 연산부를 포함한다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 상기 일정 거리 내의 공간을 일정 각도 단위로 분할한 후 분할된 공간에서 각각 상기 밝기값을 조사하여 미리 정한 임계치를 넘는지 여부를 확인한 후 0 또는 1의 값을 부여하고, 분할된 수 만큼의 2 비트(Bit) 연산을 통해 상기 제1 ID 값을 결정할 수 있다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 임의로 나뉜 방향으로 일정 거리만큼 획득된 상기 밝기값을 미분하여 상기 밝기값이 급격하게 변하는 지점을 감지하여 0 또는 1의 값을 부여하고, 상기 임의로 나눈 방향의 수 만큼의 2 비트(Bit) 연산을 통해 상기 제1 ID 값을 결정할 수 있다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 패턴에서 획득된 상기 복수의 제1 ID를 2D 영상의 기하학 조건에 맞추어 일정 거리만큼 X-Y 방향으로 배치하고, 특정 제1 ID와 일정 거리 내에 있는 다른 제1 ID 간 연결 관계가 확인되면, 상기 특정 제1 ID와 상기 다른 제1 ID를 묶어 하나의 그리드를 형성할 수 있다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 패턴의 영상과 상기 제2 패턴의 영상에 각각 노이즈 제거, 감마값 조정, 밝기 균일화 또는 임계값 처리 중 어느 하나의 처리를 수행할 수 있다.

또한, 상기 검출부는, 상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고, 상기 제2 패턴은, 상기 제1 ID 사이의 공간에서의 픽셀 단위의 패턴일 수 있다.

또한, 상기 제2 패턴은 Fringe 패턴일 수 있다.

또한, 상기 검출부는, 상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고, 상기 연산부는, 상기 제1 ID 간 상기 연결 관계가 확인된 경우에만 상기 제2 패턴을 이용하여 상기 제2 ID의 값의 연산을 수행할 수 있다.

또한, 상기 검출부는, 상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고, 상기 연산부는, 상기 제1 패턴이 투영된 영상과, 상기 제1 패턴이 투영된 영상으로부터 계산된 상기 제1 ID의 값, 위치 또는 상기 그리드를 이용하여 상기 제2 ID의 값을 보정할 수 있다.

또한, 상기 검출부는, 상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고, 상기 연산부는, 상기 제2 패턴이 투영된 영상과, 상기 제2 패턴이 투영된 영상으로부터 계산된 상기 제2 ID의 값 또는 위치를 이용하여 상기 제1 ID의 값을 보정할 수 있다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴으로부터 획득한 상기 제1 ID 및 상기 제2 ID를 이용하여 3차원 데이터를 계산할 수 있다.

또한, 상기 연산부는, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴으로부터 획득한 상기 제1 ID 및 상기 제2 ID를 사용하여 제3 ID를 계산하고, 이를 이용하여 3차원 데이터를 계산할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 장치에 따르면, 저해상도로 화면 전체의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴과, 고해상도로 국부의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴을 결합하여 상보적으로 사용함으로써, 적은 수의 패턴으로 고해상도의 3D 데이터를 획득할 수 있어 실시간 스캐닝 시 움직임에 강건하면서 고품질의 데이터를 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 장치의 구성이 간략하게 도시된 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 영상 처리 정보의 흐름의 예가 도시된 도이다.

도 3은 본 발명에 따른 제1 ID 값의 검출 방법의 예가 도시된 도이다.

도 4는 본 발명에 따른 제1 ID를 이용하여 3차원 데이터를 계산하는 예가 도시된 도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제1 ID와 제2 ID를 측정 대상에 투영하고 그로부터 획득된 영상의 예가 도시된 도이다.

도 6은 본 발명에 따른 제1 ID, 제2 ID 및 제3 ID를 사용하여 획득한 3차원 데이터 영상의 예가 도시된 도이다.

도 7은 본 발명에 따른 제1 패턴을 이용하여 특징점 연산을 수행하기 위한 방법의 예가 도시된 도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제1 패턴을 이용하여 특징점 연산을 수행하고 이를 이용하여 ID를 계산한 예가 도시된 도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 장치는, 투영부(110), 영상획득부(120), 검출부(130), 수집부(140), 연산부(150)을 포함한다.

투영부(110)는 3차원 측정을 위한 패턴을 투영한다. 투영부(110)는 DLP, LCOS, LCD 등의 방식을 사용한 디지털 프로젝터가 사용될 수 있고, 또한 가시광선, IR, UV 등 다양한 종류의 광원이 사용될 수 있다. 또한, 투영부(110)는 미리 인쇄된 패턴 마스크에 광원에서 나온 빛을 조사하여 특정한 형상의 패턴을 투영할 수 있다.

바람직하게는, 적어도 2 이상의 패턴, 가령 제1 패턴 및 제2 패턴을 모두 투영할 수 있으며 상기 제1 패턴, 상기 제2 패턴 및 필요시 추가 패턴을 연속적으로 반복하여 투영할 수 있다.

여기서, 상기 제1 패턴은 광역 패턴으로 영상의 전체 영역에서 조밀하지 않은 저해상도의 3차원 데이터를 획득하기 위한 패턴이고, 상기 제2 패턴은 지역 패턴으로 영상의 일부 영역에서 조밀한 고해상도의 3차원 데이터를 획득하기 위한 패턴이다.

본 발명은, 광역 패턴인 제1 패턴과, 지역 패턴인 제2 패턴을 각각 측정 대상에 조사하고 그 영상을 취득한 다음 각각의 상호 관계를 이용하여 각각의 ID(Identification)가 결합된 정보를 생성하고, 이를 이용하여 측정 대상의 3차원 데이터를 획득하는 발명에 관한 것이다.

한편, 영상획득부(120)는 투영부(110)를 통해 대상에 투영된 패턴의 이미지데이터를 획득한다. 영상획득부(120)는 디지털 카메라 혹은 아날로그 카메라가 사용될 수 있으며, 움직임을 촬영하는 촬영수단을 포함할 수 있다. 특히 영상획득부(120)는 연속적으로 투영된 투영 영상을 동기식 혹은 비동기식으로 연속적으로 획득할 수 있다.

검출부(130)는 영상획득부(120)를 통해 획득한 영상으로부터 제1 ID의 위치를 획득하기 위한 작업을 진행한다. 여기서, '제1 ID'는 특정 패턴(가령, 제1 패턴)이 투영된 측정 대상의 영상 중, 일정 범위의 공간에 있는 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자를 의미한다. 이 때, 검출부(130)는 획득된 영상에서 제1 ID의 후보가 될 수 있는 형상을 확인하고 제1 ID의 후보군을 계산할 수 있다. 제1 ID의 후보가 될 수 있는 형상은 영상 처리를 통해 그 형상과 위치를 판별할 수 있는 형상이면 어떤 형상이든지 가능하나, 바람직하게는 원형 혹은 타원형의 형상으로 구성되어 적은 연산으로 확인이 가능하며, 명확한 중심점의 위치를 계산할 수 있는 것으로 한다.

수집부(140)는 검출부(130)에서 획득된 제1 ID의 후보군 중 ID가 명확하게 계산될 수 있는지 여부를 판단하기 위해 영상획득부(120)에서 획득한 영상에서 ID 판별을 위한 정보를 수집한다. 이 때, ID를 판별하기 위해서 상기 제1 ID의 후보군의 위치를 기준으로 상기 영상에서 일정 범위 내의 밝기값을 수집할 수 있다. 이 때, 수집부(140)는 바람직하게는 상기 제1 ID의 후보의 중심점을 기준으로 미리 정한 일정 거리 내에 있는 밝기값을 비교하고, 중심점을 기준으로 해당 공간을 일정 각도 단위로 분할한 후 분할된 공간에서 각각 밝기값을 나누어 수집할 수 있다.

또한, 수집부(140)는 검출부(130)에서 획득된 제1 ID의 후보군의 중점으로부터 360도를 임의로 나눈 뒤, 각 나눈 각도 방향으로 일정 거리만큼 영상에서 밝기 값을 획득하여 연산부(150)로 전달할 수 있다.

한편, 연산부(150)는 검출부(130)와 수집부(140)에서 획득된 상기 제1 ID의 후보군과 그 주변 밝기값을 이용하여 후보군의 ID 값을 계산한다. 여기서, '주변 밝기값'이란 제1 ID의 중심점을 기준으로 일정 거리 내의 밝기값을 의미한다. 이 때 제1 ID의 판별은 바람직하게는 상기 제1 ID의 후보의 중심점을 기준으로 미리 정한 일정 거리 내에 있는 밝기값을 비교하고, 중심점을 기준으로 해당 공간을 일정 각도 단위로 분할한 후 분할된 공간에서 각각 밝기값을 조사하여 미리 정한 임계치를 넘는지 여부를 확인한 후 0 또는 1의 값을 부여하고 나서, 등분한 수 만큼의 2Bit 연산을 통해 ID 값을 결정할 수 있다.

또한, 제1 ID의 판별은 수집부(140)에서 임의로 나뉜 방향으로 일정 거리만큼 획득된 밝기 값을 미분하고, 미분 값을 이용하여 밝기 값이 급격하게 변하는 지점을 감지하여 0 또는 1의 값을 부여하고 나서 ID 값을 결정할 수 있다.

한편, 제1 ID 및 제2 ID의 계산 성능 향상을 위해 제1 패턴의 영상과 제2 패턴의 영상에 각각 노이즈 제거, 감마값 수정, 밝기 균일화, 임계값 처리 등의 영상 처리 방법을 사용할 수 있다.

도 2 는 본 발명에 따른 영상 처리 정보의 흐름의 예가 도시된 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 측정 대상에 제1 패턴과 제2 패턴을 투영하여 제1 패턴 영상과 제2 패턴 영상을 획득한다(10).

이 때, 제1 패턴 영상으로부터 제1 ID를 계산하면 제1 ID의 위치와 ID 종류가 계산된다. 이후 계산된 제1 ID의 위치에서 일정 거리 내에 있는 다른 계산된 제1 ID들을 탐색하고, 이를 연결할 수 있다.

제1 패턴에는 복수의 제1 ID를 입력할 수 있으며, 이로부터 한 영상에서 복수의 제1 ID를 획득할 수 있다. 한 영상에 복수의 제1 ID를 배치하는 방법은 여러 가지를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 2D 영상의 기하적 조건에 맞추어 일정 거리만큼 X-Y 방향으로 배치할 수 있다. 이 때, 계산된 제1 ID의 오른쪽, 아래, 오른쪽 아래 방향에 각각 다른 제 ID가 있는지 검사한 후 연관 관계를 확인할 수 있다. 상기 제1 패턴에 배치된 복수의 제1 ID의 상관 관계는 미리 알려져 있으므로, 계산된 제1 ID의 주위 방향의 다른 제1 ID를 검사하여 해당 ID가 올바르게 계산되었는지 검사 할 수 있다.

상기 제1 ID와 그 주변의 다른 제1 ID간 연결 관계가 확인되면, 이들을 묶어 하나의 그리드를 형성할 수 있다. 그리드는 그리드 내의 제1 ID들 간 연결 관계가 정상적일 경우에만 형성할 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 측정 대상의 불연속면 등 영상 왜곡으로 잘못된 ID가 부여되는 것을 방지할 수 있다.

상기 그리드를 각 제1 ID 마다 생성한 다음, 그리드 간 연결 관계를 계산하여 제1 ID 연결망을 생성한다. 제1 ID 연결망은 그리드 간 연결 상태에 따라 복수가 생성될 수 있으며, 측정 대상의 표면에서 연속된 부분이 어디인지 확인할 수 있는 정보를 생성한다.

한편, 제1 패턴 영상에서 획득한 제1 ID는 제1 패턴 영상에서 일정 범위의 공간에 있는 영상 정보를 활용하며 구분이 가능한 형상들로 이루어져 있으므로 제1 패턴 영상에서 여러 픽셀에 걸쳐 ID를 하나만 얻을 수 있다. 또한, 검출부(130)에서 획득된 중심점 혹은 특징점의 좌표를 이용해서만 3차원 데이터를 생성할 수 있으므로 중심점 혹은 특징점의 좌표 정밀도에 영향을 받는다. 이 때, 중심점 혹은 특징점을 강건하게 찾기 위해서는 보다 안정적이고 공차가 큰 알고리즘을 사용해야 하므로 좌표 정밀도가 하락할 수 있다. 따라서, 제1 패턴만을 가지고 3차원 영상을 획득할 경우 저해상도, 낮은 품질의 3차원 데이터를 획득하게 된다.

제2 패턴은 제1 패턴의 제1 ID 사이 공간의 픽셀에 픽셀 단위로 획득할 수 있는 제2 ID 값을 계산하기 위하여 사용된다. 여기서, 제2 ID는 특정 패턴(가령, 제2 패턴)이 투영된 측정 대상의 영상 중, 일정 범위의 공간에 있는 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자를 의미한다. 이 때 픽셀 단위로 ID가 계산되므로 3차원 데이터를 계산할 때에는 내삽 보간법을 이용하여 서브픽셀 레벨에서 ID 값을 재 계산할 수 있으며, 3차원 데이터도 서브픽셀 레벨로 계산할 수 있어 높은 해상도의 데이터를 획득할 수 있다.

제2 패턴은 픽셀 단위의 ID 값을 계산하기 위하여 De Bruijn, 랜덤 패턴, Fringe 패턴 등 다양한 종류의 패턴을 사용할 수 있다. 바람직하게는, Fringe 패턴을 복수의 카메라가 배치된 방향과 수직으로 생성하여 배치하는 것이 공액기하(Epipolar Geometry)상에서 연산량을 줄이면서 3차원 계산 시 대응점을 찾을 수 있어 유리하다.

Fringe 패턴을 해석하는 데 있어 종래에는 주로 Phase Shifting 방법을 사용하고 있으나 최소 3장 이상의 패턴을 사용해야 하므로 본 발명의 목적인 실시간 스캐닝에 적용할 때 모션 블러(motion blur) 등의 문제가 커질 수 있다. 따라서 본 발명의 방법을 위해서는 Fourier Transform, Wavelet Transform 등 주파수 도메인에서 패턴 한장을 가지고 제2 ID 값을 계산할 수 있는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 제2 ID 값을 계산하기 위한 패턴의 배치는 자유롭게 이루어질 수 있으며, 연산을 용이하게 하기 위해 상기 제1 패턴의 제1 ID가 배치된 간격에 맞추어 배치될 수 있다.

이렇게 계산된 제1 ID 및 제2 ID는 동일한 ID가 주기적으로 반복되게 되어 3차원 데이터 계산 시 대응점 탐색에 모호성이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 제1 ID를 ID 수만큼 일정 방향으로 배치하게 되면 제1 ID가 반복되는 주기는 ID의 종류와 제1 패턴의 기본 크기를 곱한 것 만큼의 길이가 되며, 여러 개의 카메라 간 기하 정보를 이용하면 대응점 탐색 구간을 제1 ID 반복 주기의 길이 이내로 제한할 수 있다.

제2 ID는 상기 실시 예에 따라 제1 ID의 간격 만큼을 주기로 가지게 되어 모호성이 쉽게 발생할 수 있다. 이 때, 제1 ID와 제2 ID 간 연관 관계를 이용하여 제1 ID와 제2 ID를 동시에 비교하여 제2 ID의 모호성을 제거할 수 있다.

이와 같이 제1 ID와 제2 ID를 계산한 다음 상호 보정 과정을 거쳐 제1 ID와 제2 ID의 연결 관계를 갱신한다.

추가적으로, 제1 ID와 제2 ID의 연결 관계를 보정하기 위한 방법이 사용될 수 있다. 제2 ID로 계산된 ID는 Fringe 패턴의 위상(Phase)값을 나타내며 값이 주기적으로 반복되는 wrapped-phase이다. 3차원 스캐닝 패턴 해석에서 주로 사용하는 Phase Unwrapping 방법을 이용하면 대략적으로 wrapped-phase의 모호성을 제거한 unwrapped-phase를 계산해 낼 수 있다.

이를 이용하여 제1 패턴 영상에서 제1 ID가 계산되지 않은 제1 ID 후보군의 ID를 갱신할 수 있다. unwrapped-phase를 이용하여 계산된 제1 ID와 계산되지 않은 제1 ID 후보가 서로 연결관계가 있는지 확인한 다음, 연결 관계에 있는 경우 미리 설정된 패턴 배치 순서를 이용하여 제1 ID를 부여할 수 있다.

반대로, 제1 ID 영상을 이용하여 제2 ID의 Phase-unwrapping을 보정할 수 있다. 제1 ID 영상은 산발적으로 반복되는 특이 형상의 형태로 영상에서 특징점을 쉽게 계산할 수 있으며 Block-matching 등의 방법을 사용하여 특징점들 간 연관 관계를 계산할 수 있다. 특징점들 간 연간 관계와 unwrapped-phase를 사용하여 제1 ID 혹은 제2 ID를 보정한다.

또한, 제1 ID와 제2 ID를 결합하여 통합된 제3 ID를 만들 수 있다.

이렇게 생성된 제1 ID, 제2 ID 혹은 제3 ID를 사용하여 최종적으로는 스테레오 비전 시스템 하에서 3차원 데이터를 계산한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 ID의 위치를 계산하기 위하여 원형 패턴을 주기적으로 배치한다. 이 때, 배치된 원형 패턴을 검출부(130)에서 검출하고, 수집부(140)에서는 도 3의 가운데 그림과 같이 패턴의 상/하/좌/우의 밝기값을 검사하여 4Bit의 ID(예를 들어, [1101])를 부여할 수 있다. 패턴에서 밝기값의 차이를 주기 위해서 도 3에서는 직선 형상을 사용하였다.

설계된 패턴을 측정 대상에 투영하고, 투영된 영상으로부터 제1 ID를 획득한 뒤 ID를 부여하여 3차원 계산에 사용될 수 있도록 계산한다.

좌측 이미지는 제1 패턴이 투영된 제1 패턴 영상이며 우측 이미지는 제2 패턴이 투영된 제2 패턴 영상이다. 가운데 이미지는 패턴이 투영되지 않은 상태의 영상으로서 제1 영상 및 제2 영상을 보정하는 데 사용될 수 있다.

도 6에서 획득한 영상을 이용하여 최종적으로 제3 ID를 계산한 다음 이를 이용하여 3차원 영상을 복원할 수 있다.

도 7에서 특징점 연산은 각 영상의 픽셀을 기준으로 일정 범위 내의 픽셀에 컨벌루션 필터 등 공간 연산을 수행하여 이루어질 수 있다. 비슷한 형상을 다른 각도에서 측정할 때 밝기값은 조명 등에 따라 크게 달라 질 수 있지만 주변 형상과의 기하 관계나 인쇄된 표면 텍스쳐 등은 동일하게 유지되므로 주위 픽셀의 밝기값들 간의 관계를 이용하여 특징값을 찾아 낼 수 있다.

도 8에서 계산된 특징점을 기준으로 Phase-unwrapping 방법을 사용하면 도 8과 같은 ID 영상을 획득할 수 있다. 이는 상기 제1 ID 및 제2 ID를 보정하여 ID 획득량과 품질을 향상시키는데 사용할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 방법은 저해상도로 화면 전체의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴과 고해상도로 국부의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴을 결합하여 상보적으로 사용함으로써 적은 수의 패턴으로 고해상도의 3D 데이터를 획득할 수 있어 실시간 스캐닝 시 움직임에 강건하면서 고품질의 데이터를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 실시예에 따라서는 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

본 발명에 따르면, 저해상도로 화면 전체의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴과, 고해상도로 국부의 3D 데이터를 획득할 수 있는 패턴을 결합하여 상보적으로 사용함으로써, 적은 수의 패턴으로 고해상도의 3D 데이터를 획득할 수 있어 실시간 스캐닝 시 움직임에 강건하면서 고품질의 데이터를 얻을 수 있는 3차원 스캐닝 장치를 제조할 수 있다.

Claims

측정 대상에 광역 패턴인 제1 패턴 및 지역 패턴인 제2 패턴을 투영하는 투영부;

상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상을 획득하는 영상획득부;

상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제1 패턴이 투영된 측정 대상의 영상 중 일정 범위의 공간에 있는 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제1 ID의 위치를 검출하는 검출부;

검출된 상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 기설정된 일정 거리 내에서의 밝기값에 관한 데이터를 수집하는 수집부; 및

상기 수집부의 정보를 이용하여 상기 제1 ID의 제1 ID 값을 결정하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 연산부는,

상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 상기 일정 거리 내의 공간을 일정 각도 단위로 분할한 후 분할된 공간에서 각각 상기 밝기값을 조사하여 미리 정한 임계치를 넘는지 여부를 확인한 후 0 또는 1의 값을 부여하고, 분할된 수 만큼의 2 비트(Bit) 연산을 통해 상기 제1 ID 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 연산부는,

상기 제1 ID의 중심점을 기준으로 임의로 나뉜 방향으로 일정 거리만큼 획득된 상기 밝기값을 미분하여 상기 밝기값이 급격하게 변하는 지점을 감지하여 0 또는 1의 값을 부여하고, 상기 임의로 나눈 방향의 수 만큼의 2 비트(Bit) 연산을 통해 상기 제1 ID 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 연산부는,

상기 제1 패턴에서 획득된 상기 복수의 제1 ID를 2D 영상의 기하학 조건에 맞추어 일정 거리만큼 X-Y 방향으로 배치하고, 특정 제1 ID와 일정 거리 내에 있는 다른 제1 ID 간 연결 관계가 확인되면, 상기 특정 제1 ID와 상기 다른 제1 ID를 묶어 하나의 그리드를 형성하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 연산부는, 상기 제1 패턴의 영상과 상기 제2 패턴의 영상에 각각 노이즈 제거, 감마값 조정, 밝기 균일화 또는 임계값 처리 중 어느 하나의 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 검출부는,

상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고,

상기 제2 패턴은, 상기 제1 ID 사이의 공간에서의 픽셀 단위의 패턴인 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 제2 패턴은 Fringe 패턴인 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 검출부는,

상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고,

상기 연산부는, 상기 제1 ID 간 상기 연결 관계가 확인된 경우에만 상기 제2 패턴을 이용하여 상기 제2 ID의 값의 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 검출부는,

상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고,

상기 연산부는, 상기 제1 패턴이 투영된 영상과, 상기 제1 패턴이 투영된 영상으로부터 계산된 상기 제1 ID의 값, 위치 또는 상기 그리드를 이용하여 상기 제2 ID의 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 검출부는,

상기 영상획득부에서 획득한, 상기 제2 패턴이 투영된 측정 대상의 영상정보를 활용하여 구분이 가능한 형상으로 이루어진 식별자인 복수의 제2 ID의 위치를 검출하고,

상기 연산부는, 상기 제2 패턴이 투영된 영상과, 상기 제2 패턴이 투영된 영상으로부터 계산된 상기 제2 ID의 값 또는 위치를 이용하여 상기 제1 ID의 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 연산부는, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴으로부터 획득한 상기 제1 ID 및 상기 제2 ID를 이용하여 3차원 데이터를 계산하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 연산부는, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴으로부터 획득한 상기 제1 ID 및 상기 제2 ID를 사용하여 제3 ID를 계산하고, 이를 이용하여 3차원 데이터를 계산하는 구조광을 이용한 3차원 스캐닝 장치.