KR0121300B1 - 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상의 자동측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬릿광을 이용하여 3차원 자유곡면형상을 고속으로 측정하는 3차원형상의 자동측정방법에 관한 것이다. 본 발명은 단일 슬릿광 대신에 여러개의 직선이 일정간격으로 형성된 격자를 투영하여 얻어지는 다중 슬릿광을 이용하여 3차원형상을 자동으로 측정함에 있어 정밀 이송장치를 이용하여 슬릿광 투사기에서 일정간격으로 격자를 이송하면서 측정데이타를 보간함에 의해 3차원형상을 자동으로 측정하는 방법이다. 본 발명은 화상획득속도가 기존의 방법에 비해 월등하게 빠르기 때문에 인물두상이나 인체의 일부분과 같이 장시간에 걸쳐 고정된 상태를 유지하기 어려운 측정대상물의 측정에 효과적이다.

Description

다중 슬릿광을 이용한 3차원형상의 자동측정방법

제1도는 종래의 단일 슬릿광을 이용한 3차원형상 측정시스템에 대한 개략구조도.

제2도는 본 발명의 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상 측정방법의 측정원리도.

제3도는 본 발명의 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상 측정시스템의 광학계.

제4도 및 제5도는 본 발명의 투영격자를 보인 정면도.

제6도는 본 발명 슬릿광 투사기의 광학계 및 격자이동장치의 개념도.

제7도는 본 발명 방법에 사용되는 3차원형상 측정시스템의 개략구조도.

제8도는 본 발명 방법에 의해 촬영된 단일화상.

제9도는 본 발명 방법에 의해 격자를 이송시키며 얼굴의 전면적에 대해 획득한 영상들을 합성한 영상.

제10도의 (가),(나)는 본 발명 방법에 의해 재구성된 인물두상의 3차원형상을 보인 화상.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

9 : 광원 10 : 격자

11 : 측정물체 13 : 결상렌즈

17 : 결상면 s,b : 슬릿광

s,r : 영상선 i,p : 영상면

본 발명은 슬릿광을 이용하여 3차원형상을 측정하는 방법에 관한 것으로, 특히 단일 슬릿광 대신에 여러개의 직선이 일정 간격으로 형성된 격자를 투영하여 얻어지는 다중 슬릿광을 사용하여 3차원 자유곡면 형상을 빠른 속도로 자동 측정할 수 있도록 한 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상의 자동 측정방법에 관한 것이다.

자유곡면의 3차원형상 측정기술은 금형의 치수검사와 양산되는 기계류 부품의 형상치수 정밀도 측정 및 평가 등에 널리 요구되고 있다. 특히 미적감각이 요구되는 자유곡면의 설계는 수학적인 모델링이 불가능하기 때문에 3차원형상 측정기술이 필수적으로 요구되고 있는데, 일예로 자동차 몸체를 제작하는 경우 우선적으로 예술적 감각을 갖춘 전문디자이너에 의해서 설계가 이루어지게 되면 이를 바탕으로 하여 모형을 제작한 후 3차원형사 측정을 통해서 CAD/CAM 데이타를 만들어 가공하는 형태를 취하고 있다.

현재 자유곡면의 3차원형상 측정방법으로는 3차원 측정기(CMM : Coordinate Measuring Machine)에서 접촉식 프로브를 이용하여 측정하는 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

또한 최근에는 비접촉식 방법으로 광삼각법을 이용한 슬릿광 형상측정법에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 연구결과를 토대로한 3차원형상 측정시스템이 상품화되어 널리 사용되고 있다.

3차원 측정기를 이용하는 형상측정기술은 한 점씩 측정하고 전영역을 주사하면서 일정한 간격으로 3차원형상을 구성하는 방법으로서 측정정밀도가 뛰어나다는 잔점이 있긴 하나 측정시간이 오래 소요되기 때문에 생산성의 측면에서 병목적 장애요인으로 작용하는 문제점을 안고 있다.

3차원 측정기를 사용하는 형상측정기술이 지니고 있는 상기의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 현재 가장 많이 연구되고 있는 방법으로는 슬릿광 형상측정법이 알려지고 있다. 이 방법은 원통렌즈나 폴리건미러(polygon mirror)를 이용하여 레이저를 평면광으로 만들고 이를 측정물체에 주사하여 CCD카메라에 의해 얻어지는 슬릿광의 광궤적 영상으로부터 광삼각법을 이용하여 3차원형상을 재구성하는 방법이다.

즉, 슬릿광 형상측정법은 제1도에 도시된 측정시스템 구성도에서와 같이, 모터(1)에 의해 이송되는 이송테이블(2) 위에 측정물체(3)를 올려놓은 상태에서 슬릿광 투영기(4)로부터 평면광 레이저를 측정물체(3) 위로 주사하고, 측정물체(3)에 투영된 슬릿광의 궤적영상을 CCD카메라(5)로 획득하여 이에 연결된 화상처리용 프레임버퍼(frame buffer)(6)로 전달하게 된다. 이때 이송테이블(2)은 모터(1)에 의해 측정물체(3)의 길이(L) 만큼 이송하여 측정물체(3)의 전표면에 걸쳐 슬릿광의 주사가 이루어지게 된다. 그리고 프레임버퍼(6)로부터의 출력신호와 모터(1)의 구동상황 정보는 전체 시스템의 제어를 위한 컴퓨터(7)로 입력되어 광삼각법에 의한 3차원형상으로 재구성된 후 모니터(8)상에 영상으로 표시된다.

이와 같은 슬릿광 형상측정법은 측정속도면에서 종래의 3차원 측정기를 이용하는 방법에 비해 고속측정이 가능하다는 장점을 지니고 있긴 하나, 이 방법 역시 물체의 전 표면을 측정하기 위해서는 측정물체(3)의 길이(L) 만큼의 행정을 가지는 이송테이블(2)을 이송하면서 측정을 하여야 함에 따라 수분 정도의 측정시간이 소요된다.

따라서 단일 슬릿광을 사용하는 슬릿광 형상측정법은 수초 정도의 짧은 화상 획득시간을 요구하는 측정 대상에 대해서는 부적합하고 또한 레이저를 광원으로 사용함에 따라 오랜시간(수초 이상) 동안 움직이지 않고 정지 상태를 유지할 수 없는 사람 얼굴 등의 인체를 대상으로 한 측정에는 부적합하다는 단점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 3차원형상 측정방법이 지니고 있는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 슬릿광 대신에 여러개의 직선이 일정간격으로 형성된 격자를 투영하여 얻어지는 다중 슬릿광을 사용하여 3차원 자유곡면 형상을 고속으로 자동측정할 수 있도록 한 다중 슬릿광을 이용한 3차원 자동측정방법을 제공함에 발명의 목적을 두고 있다.

본 발명의 다중 슬릿광 형상측정법의 기본 측정원리는 제2도로 도시된 다중 슬릿광을 이용한 3차원형사의 측정원리도에서 보는 바와 같이 기존의 삼각법을 이용한 슬릿광 형상측정방법과 거의 동일한데, 단지 단일 슬릿광 대신에 여러개의 평면광을 사용한다는 면에서 차이를 보이고 있으며, 이 평면광은 다음의 (1)식과 같은 방정식으로 나타낼 수 있다.

이때, j는 슬릿광(s.b : slit beams)의 번호로서 n개의 슬릿광(s.b)을 사용하면 j=1,2,3,…,n이다.

측정점은 제2도에서 알 수 있듯이, 영상점 q(y₁,y₂)의 영상선(s.r : sight ray)과 슬릿광(s.b)의 투영면과의 교점이다. 따라서 영상선(s.r)의 식과 슬릿광(s.b)의 투영면의 식을 알면 측정점의 3차원 좌표를 얻을 수 있다.

제2도에서 미설명부호 i.p는 영상면(image plane), 9는 광원, 10은 직선격자, 11은 측정물체이다.

한편, 영상선(s.r)의 식은 보정면 1(c.p₁: calibration plate 1)과 보정면 2(c.p₂)의 점들로부터 산출하는데 보정면 1(c.p₁)상의 점을 p₁이라 하고 보정면 2(c.p₂)상의 점을 p₂라 하면 이글 두점으로부터 영상선 (s.r)의 식은 다음의 (2)식과 같이 표현된다.

여기서,

: 영상선의 단위방향 벡터,

: 측정좌표계의 원점으로부터 각각 점 p₁, p₂까지의 벡터이다.

만일 측정점이 제2도에서와 같이 2번째 슬릿광(s.b)상에 있다면 식(1)과 식(2)를 병렬하여 표기하면 다음과 같다.

또는,

여기서 p₁(x₁₁,x₂₁,x₃₁)은 영상점에 대응되는 보정면 1(c.p₁)상의 점이다.

상기 (4)식에서 W는 4×4의 정방행열이므로 역행열이 존재한다.

따라서 측정점의 3차원 좌표는 다음의 (5)식에 의해서 산출된다.

제3도는 다중 슬릿광 형상측정방법의 측정시스템을 이루고 있는 광학계의 구성을 보인 것으로, 인간의 얼굴을 측정물체(11)로 하여 상부 좌우양편으로 한쌍의 형상측정시스템, 즉 좌측 형상측정시스템(12)과 우측 형상측정시스템(12')이 설치된 형태이다. 이때 각 형상측정시스템의 기본단위는 광원(9), 직선격자(10), 결상렌즈(13) 및 밴드패스 필터(14)로 이루어진 슬릿광 투사기와 영상면(i.p), 렌즈(15) 및 밴드패스 필터(14)로 이루어진 CCD카메라로 구성되며, 측정물체(11)의 좌우측에 대칭으로 한쌍이 설치되어 한번에 전 범위를 동시에 측정하게 된다. 이때 사용되는 광원(9)은 할로겐 램프(halogen lamp)로 영상면에 놓여 있는 격자(10)의 영상을 결상렌즈(13)를 통하여 측정물체로 투사한다.

한편, 슬릿광(s.b)을 얻기 위한 격자 (10)는 제4도의 투영격자 사진에서와 같이 5개의 직선으로 구성되며, 스텝핑 모터에 의해 일정간격의 피치를 이동한 상태에서 8회 반복적으로 투사된다.

이는 결과적으로 제5도에서와 같이 슬릿광을 동시에 투사할 경우에 카메라에 포착된 영상으로부터 각각의 슬릿광을 분리하는데 발생되는 어려움을 제거하기 위해 8개의 개별적인 영상으로 포착되도록 구성된다.

카메라에 의해 포착된 8개의 영상은 컴퓨터의 메모리에 저장된 후 영상처리 알고리즘에 의해 일괄 처리되어 합성된다. 이 영상처리 알고리즘은 통상적인 방법에서 사용되는 것이다.

또한 좌우로부터 투사되는 격자가 양쪽 카메라에 중첩되어 포착되면 영상처리의 혼란이 야기되므로 좌우의 광학계는 밴드패스 필터(14)에 의해 고립되어 왼쪽 카메라는 왼쪽 슬릿광 투사기의 광만을, 오른쪽 카메라는 오른쪽 슬릿광 투사기의 광만을 획득하도록 구성된다.

다음, 제6도는 본 발명의 다중 슬릿광을 투영하기 위한 슬릿광 투사기의 세부적인 광학계를 보인 것으로, 슬릿광 투사기는 광축(o.a : optic axis)을 따라 할로겐 램프로 이루어진 광원(9), 이동가능한 격자(10), 결상렌즈(13) 및 결상면(17)이 순차적으로 배열된 구성을 취하고 있으며, 도면에 도시되지는 않았지만 격자(10)의 이송을 위한 격자 이송장치가 구비된다. 제6도는 원리적인 점을 설명하는 것이므로 결상렌즈(13)를 단일 렌즈로 표시하였으나, 이는 제2도 및 제3도의 결상렌즈(13)와 완전히 동일한 것이다.

이와 같은 구성의 슬릿광 투사기에서는 결상면(17)에 비추어진 간격 P와 실제 격자 사이의 간격 p는 결상렌즈(13)의 배율에 따라 결정된다. 실제 결상면에 비추어진 다중 슬릿광에서 x₁축 방향으로 간격 P를 가지게 되는데, 이는 곧 x₁축 방향으로의 측정간격에 해당된다. 이 간격 P는 실제로 적용할 때에 영상처리의 어려움 때문에 일정 간격 이상으로 좁게 할 수가 없다.

따라서, 제4도에서와 같이 실제 영상처리에 필요한 최소한의 간격 P를 유지하고, 더 조밀한 측정간격을 얻기 위해 격자이동장치를 이용하여 원하는 측정간격 P/n만큼씩 여러 스텝으로 분할하여 이동시킴으로써 슬릿광이 비추어진 전면적을 원하는 측정간격으로 기존의 측정방법에 비해 훨씬 빠른 시간내에 간편하게 자동으로 측정을 수행할 수 있다.

실제로 결상면(17)에서 P/n의 측정간격을 얻기 위해서는 영상면상에 놓여 있는 다중 슬릿광 격자 사이의 간격 p를 n등분해서 p/n만큼씩 등간격으로 n번 반복 이송하게 된다. 실제적인 격자이송장치의 구현을 위해서는 하중이 크지 않으면서 위치 정밀도가 뛰어나며 제어가 용이한 스텝모터를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 격자(10)의 정확한 이송간격을 얻기 위해서는 엔코더를 이용한 귀환제어를 하게 된다.

여기서 격자는 위치정밀도 0.000025mm를 가지는 E-beam 리소크래피머신을 이용하여 크롬판넬위에 제작하는 것으로 n은 측정물체에 대해서 바뀌어질 수 있으나 실제 인물형상 측정시스템에서는 n-8이고, 다중 격자 슬릿의 폭은 0.2mm, 격자면에서의 피치 p=1.5mm, 측정물체에서의 다중 슬릿광 사이의 간격 P=20mm이다.

제7도는 본 발명의 다중 슬릿광 형상측정방법에 사용되는 측정시스템의 일실시예 구성을 보인 것으로, 길이 L을 직육면체 형상의 측정물체(11)의 3차원형상을 측정하기 위해 측정물체(11)의 상부에 할로겐 램프로 이루어진 광원(9)과 모터(18)에 의해 선형 가이드(19) 위를 이동하는 격자(10) 및 결상렌즈(13)가 일열로 배열되어 측정물체(11)를 향해 슬릿광(s.b)을 투사하며, 또한 측정물체(11)의 상부 일측에는 프레임버퍼(20)와 컴퓨터(21)및 모니터(22)에 연결된 CCD카메라(23)가 설치되어 투영 슬릿광(24)의 광궤적 영상을 얻도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 다중 슬릿광을 이용한 형상측정시스템에서, 격자간격 p를 갖는 다중 슬릿광 투영기에 의해서 측정물체(11)에 투사된 슬릿광은 측정물체의 길이(L)에 비해 훨씬 좁은 측정간격 P를 가지게 된다. 따라서 이 측정간격 P를 슬릿광 투영기의 영상면 상에서 p만큼의 일정간격으로 등분할(P/n) 이송함으로써 결상면 상에서 측정간격 P을 조밀하게 하는 보간의 효과가 있어 기존에 사용되는 측정물체(11)의 길이(L)만큼을 이송시키는 방법에 비해 훨씬 더 효율적이고 빠르게 측정물체의 전표면을 원하는 측정간격으로 측정할 수 있다.

본 발명의 방법을 이용하여 실제로 3차원형상에 대한 측정을 행한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제3도와 같은 한쌍의 다중 슬릿광 형상측정 시스템을 이용하여 인물두상을 측정대상으로 하여 3차원형상 측정을 행하였다.

인물두상의 양쪽 얼굴을 측정하기 위하여 한쌍의 측정시스템을 사용함에 있어 각 측정시스템은 슬릿광 영사시스템과 그 영상의 획득을 위한 화상촬영시스템으로 구성하였다.

화상촬영시스템으로는 512×480의 CCD카메라를 사용하였고, 슬릿광 영사시스템은 1500W의 할로겐 램프를 광원으로 사용하고 정밀하게 제작된 다중 슬릿광 격자와 이를 이동시키기 위한 p격자 이송장치 및 경상렌즈로 구성하였다. 코에 의한 그림자 효과(shadow effect)를 줄이기 위해 두 대의 측정시스템이 양쪽에 설치되어졌고, 각각의 슬릿광의 중첩획득을 방지하기 위하여 각각 통과대역을 갖는 필터(optical band pass filter)가 사용되었다.

제8도는 상기의 측정시스템을 이용하여 촬영된 인물두상의 영상이고, 제9도는 격자를 이송시키며 얼굴이 전면적에 대해 획득한 영상들을 합친 영상을 보여주고 있다.

제10도는 상기의 측정시스템을 이용하여 측정한 3차원형상을 보인 것으로, 이 시스템을 이용한 화상획득 시간은 2초, 형상재현시간은 3분이 소요되었다. 참고로, 기존의 테이블 이송(회전)식 단일 슬릿광 측정시스템에서는 형상재현 시간은 동일 크기의 측정물체에 대해 약 10∼15분 정도가 소요된다.

이와 같이 본 발명의 방법은 화상획득속도가 종래의 방법에 비해 월등하게 빠르기 때문에 인물두상이나 인체의 일부분과 같이 장시간에 걸쳐 고정된 상태를 유지하기 어려운 측정대상물의 측정에 효과적이다.

Claims (2)

1. 슬릿광을 이용하여 3차원형상을 측정하는 방법에 있어서, 여러개의 직선이 일정간격으로 형성된 격자의 슬릿을 투과한 빛을 결상렌즈를 이용하여 결상시킨 다중 슬릿광을 측정물체에 투사하고, 측정물체상에 형성된 광의 궤적을 포착하여 영상알고리즘에 의해 측정물체의 3차원형상을 산출함을 특징으로 하는 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상의 자동측정방법.
2. 제1항에 있어서, 정밀 이송장치를 이용하여 슬릿광 투사기의 영상면에서 일정간격으로 격자를 이동하면서 측정간격(P)를 갖는 측정데이타를 P/n만큼 조밀하게 하여 보간효과를 얻는 것을 특징으로 하는 다중 슬릿광을 이용한 3차원형상의 자동측정방법.