KR100286418B1 - 3차원좌표측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속적으로 불규칙하게 이동하는 물체의 매순간에 있어서의 3차원 위치좌표와 위치좌표의 연속적인 이동자취를 분석할 수 있는 3차원 좌표장치에 관한 것이다 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치는 2인이상의 파장을 갖는 광을 발산하는 광원과; 상기 광원에서 발산되는 광에서 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제 1필터와; 상기 광원에서 방출되는 광에서 다른 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제2 필터와; 상기 제1 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제 1 리플렉터 및 제3 리플렉터와, 상기 제2 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제2 리플렉터로 구성된 반사수단과; 상기 제 1필터를 통과한 광과 상기 제2 필터를 통과한 광을 집광하는 빔 분리기와; 이 빔분리기로부터 입사되는 광의 파장들의 각각에 대응하는 상이한 이미지들을 담는 포착수단과; 이 포착수단에 연결되며 상기 상이한 이미지들에 해당하는 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 아날로그디지탈변환기와; 이 아날로그디지탈변환기와 연결되며 입력되는 디지털신호를 처리하여 상기 광원의 3차원좌표를 계산하는 컴퓨터로 이루어져 있다.

Description

3차원의 좌표 측정장치

본 발명은 3차원 좌표측정장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 인간거동(Human Movement)과 같은 연속적으로 불규칙하게 이동하는 물체의 매순간에 있어서의 3차원 위치좌표의 연속적인 이동자취를 측정하고 분석할 수 있는 3차원 좌표측정장치에 관한 것이다.

이동하는 물체의 위치좌표와 그좌취의 측정은 특히 생체역학분야에 있어서 중요한 의미를 갖고 있다. 생체역학(Biomechanics)은 신체의 각 분절에 의하여 실행되는 운동과 신체 각 부위에 가해지는 힘을 연구하는 분야로서 인간거동을 설명하고, 분석 및 평가하는 학문이다. 인체거동은 정형외과의사, 운동코치, 재활공학자, 임상의사, 보철학자, 스포츠용품설계자 등의 전문가들이 지대한 관심을 갖고 있다. 이들 전문가는 전문분야에 따라 다소 차이는 있으나, 일반적으로 인체거동을 측정하고 측정치에 대한 분석 그리고 평가를 하여 인체거동을 최적화함에 목표를 두고 있다. 즉, 인체의 미세동작을 분석하여 가장 효과적으로 자세 및 동작을 교정하고 훈련을 실시하도록 하며, 또한, 인체의 운동에 적합한 스포츠기구, 용품, 장비 뿐만 아니라 보조장치 등을 연구하고 개발하는 것이다. 예를 들면, 의학에 있어서는 외과적 수술 후 물리치료를 받는 환자들이 정상적인 활동을 할 수 있도록 그리고, 스포츠과학에 있어서는 운동선수들이 자신의 경기력을 향상시키도록 인체거동을 측정하고 분석하는 것이다.

이와 같은 생체역학을 연구하는 방법에는 인체를 수학적으로 모델링하여 컴퓨터 시뮬레이션(Computer Simulation)을 통한 방법이 있다. 그러나, 이는 실제의 동작을 측정하고 분석하는 것이 아니기 때문에 특히, 미세동작에 있어서는 이론적 분석에 따른 결과와 실제의 결과에 차이가 있어 이론적 방법에 의한 분석결과의 정확성에 문제가 있다. 한편, 실제의 동작을 측정하고 분석하는 경우에는 사진촬영을 통한 영상분석에 의하여 수행된다. 이는 인체의 특성에 따라 실제로 얻어진 다양한 물리량에 의하여 불필요한 동작이나 잘못된 자세 및 동작을 교정하여 보다 좋은 결과를 얻을 수 있다.

한편, 사진측정에 따른 영상분석으로 종래에는 2차원 영상분석 방법이 사용되었다. 그러나, 최근에는 복잡하고 자유도가 큰 인체운동 또는 미세한 동작의 분석이 필요한 입체적 운동에서는 3차원 분석이 필수적으로 요구되고 있다. 인체거동을 3차원적으로 분석하기 위하여는 인체거동을 고속으로 촬영하는 카메라가 반드시 적어도 2대이상이 필요하다. 이는 1대의 카메라만으로는 인체의 이미지(Image)를 2차원적으로만 담을 수 밖에 없기 때문에 최소한 2대의 카메라가 다른 각도에서 2개의 이미지를 포착하여 촬영하고 촬영된 2개의 2차원 좌표의 이미지를 서로 상관하여야(Correlating)만 1세트의 3차원 좌표를 갖는 이미지를 얻을 수 있기 때문이다.

그러나, 상기한 바와 같은 인체 등의 물체의 거동을 3차원적으로 분석하는 종래의 장치에 있어서는, 카메라가 특히 고가의 고속카메라가 2대이상 필요하고, 카메라에는 각각 비데오카세트테이프레코더(이하 "VCR"이라 약칭함)와 같은 기록장치 등을 별도로 구비하여야 하기 때문에 전체장치의 가격이 상당히 높은 단점이 있었다.또한,카메라들의셔터작동시간을 일치시키기 위하여 추가로 동기장치(Synchronizing Equipments)도 필요로 하고 있다. 따라서, 부대장치가 많이 필요하기 때문에 전체 장치의 가격이 대단히 높을 뿐만 아니라 휴대 및 운반이 어려우며 장치의 설치시간이 오래 소요되는 문제점이 있었다. 또한, 장치의 유지 및 보수가 용이하지 않으며 그에 따른 관리비용도 상당히 소요되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동하는 물체의 3차원 위치좌표와 그 이동자취를 간단한 구성을 갖는 저가의 장비로 측정하고 분석할 수 있는 3차원 좌표측정장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치의 일실시예를 나타내는 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1 : 광원 5 : LED

10 : 제1 미러 12 : 제2 미러

14 : 제3 미러 16 : 제1 필터

18 : 제2 필터 20 : 빕분리기

30 : 카메라 40 : AD변환기

50 : VCR 60 : 컴퓨터

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치는 2이상의 파장을 갖는 광을 발산하는 광원과; 상기 광원에서 발산되는 광에서 다른 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제1 필터와; 상기 광원에서 방출되는 광에서 다른 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제2 필터와; 상기 제1 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제1 리플렉터 및 제3 리플렉터와, 상기 제2 필터와 동일한 광로사에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제2 리플렉터로 구성된 반사수단과; 상기 제1 필터를 통과한 광과 상기 제2 필터를 통과한 광을 집광하는 빕분리기와; 이 빔분리기로부터 입사되는 광의 파장들의 각각에 대응하는 상이한 이미지들을 담는 포착수단과; 이 포착수단에 연결되며 상기 상이한 이미지들에 해당하는 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 아날로그디지털변환기와; 이 아날로그디지털변환기와 연결되며 입력되는 디지털신호를 처리하여 상기 광원의 3차원좌표를 계산하는 컴퓨터로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 바람직한 특징으로서, 광원은 운동물체와 이 운동물체의 소정의 위치에 부착된 발광다이오드로 구성되고, 반사수단은 미러와 같은 간단한 리플렉터들을 사용하며, 이 리플렉터들은 필터들의 광로상의 전방에 위치시킨다. 또한, 포착수단은 운동물체의 이미지들을 고속으로 연속적으로 촬영하는 카메라 또는 비디오카메라가 사용되며, 카메라에는 엔코더(Encoder)를 부착함으로써 운동물체의 동작에 맞추어 소정의 각도만큼 카메라의 촬영각도를 변환시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치의 실시예들을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 1을 참고하며, 도 1은 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치의 일실시예를 나타내는 구성도이다. 도면부호 1은 광원을 나타내며, 이 광원(1)은 인체 등의 운동물체에 고정되어 있어 연속적으로 자유롭게 이동한다. 도 1은 어느 순간에 있어서 광원(1)의 위치를 도시하고 있다. 광원(1)에는 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, "LED"라 칭함)가 부착되어 있다. 이 LED는 빛의 삼원색중 2색이 합성된 단색광을 방출한다. 예를 들면, LED(5)는 적색광(R)과 녹색광(G)이 합성된 황색광(Y)을 방출한다. 이해를 돕기 위하여 광을 색상으로 예를 설명하였으나 명확히는 서로 상이한 2이상의 파장을 갖는 광을 의미한다.

광원(1)로부터 소정의 거리만큼 이격되어 광원(1)의 후방 양측에는 광원으로부터 방출되는 빛의 광로를 변경시키는 제1 미러(10)와 의하여 변경된 빛의 광로를 다시 변경시키는 제3 미러(14)가 배치되어 있다. 제3 미러(14)와 소정의 간격을 두고 녹색광(G)만을 통과시키는 제1 필터(16)가 위치하며 제2 미러(12)와 소정의 간격을 두고 적색광(R)만을 통과시키는 제2 필터(18)가 위치한다. 제1 필터(16) 및 제2 필터(18)도 상기한 광의 설명과 마찬가지로 녹색광(G) 또는 적색광(R)을 통과시킨다고 하였으나 명확히는 단일의 파장을 갖는 광만을 통과시킨다. 그리고, 제1 필터(16)와 제2 필터(18)의 광로상의 교차위치에는 제1 필터(16)를 통과한 녹색광(G)과 제2 필터(18)를 통과한 적색광(R)을 집광하는 빔분리기(20)가 배치되어 있다.

한편, 빔분리기(20)의 후방에는 빔분리기(20)와 정렬하여 렌즈(32)가 부착된 카메라(30)가 설치되어 있다. 이 때, 카메라(30)는 고속촬영이 가능한 고속카메라(High Speed Camera)를 사용하는 것이 바라직하다. 그리고, 카메라(30)에는 광원(1)의 운동에 맞추어 카메라(30)가 소정의 각도만큼 회전하더라도 그 회전각도를 감지할 수 있는 엔코더(34)가 부착되어 있다. 엔코더(34)는 주지의 장치이기 때문에 그 구성과 작용에 대한 상세한 설명은 생략한다.

카메라(30)에는 카메라(30)에 의하여 연속적으로 촬영된 LED(5)의 좌표를 나타내기 위하여 카메라(30)로부터 입력되는 아날로그신호인RF(Radio Frequency)신호를 디지털신호로 변환시키는 아날로그디지털변환기(이하, "AD 변환기"라 칭함)(40)가 연결되어 있다. 또한, 카메라(30)에는 촬영되는 각각의 광을 연속적으로 저장하는 비데오카세트테이프레코더(이하, "VCR"이라 칭함)(50)가 연결되어 있다. 그리고, AD변환기(40)에는 컴퓨터(60)가 연결되어 있으며, 컴퓨터(60)는 광원(1)의 여러 물리량을 계산하고 분석하는 소프트웨어를 구비하고 있다.

도 2는 상술한 일실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있는 다른 실시예를 나타내는 구성도이다. 도 1의 상기 실시예에서는 3개의 미러(10,12,14)를 사용하고 있으나, 이 실시예에서는 광원(1)의 후방에 광원(1)과 정렬하여 1개의 미러(13)만을 배치하고 있다. 미러(13)의 후방에는 미러(13)와 정렬하여 녹색광(G)만을 통과시키는 제2 필터(18)를 위치시킨다. 한편, 미러(13)와 제1 필터(16)의 배치를 제외하면 다른 구성은 상술한 도 1의 실시예와 동일하다.

한편, 상기한 실시예들에서는 광원(1)에 2이상의 파장을 방출하는 LED(5)를 부착하여 광을 방출하도록 구성하였으나, 다른 방법으로는 LED(5)를 부착하지 않고 그 대신에 광원(1)을 반사면으로 형성하고 외부에서 반사면을 향하여 광을 조사하도록 구성하여도 된다. 또한, 도 1의 실시예에서 제1 필터(16)를 제3 미러(14)의 광로상의 후방에 그리고 제2 필터(18)를 제2 미러(12)의 광로상의 후방에 배치하였고 도 2의 실시예에서는 제2 필터(18)를 미러(13)의 광로상의 후방에 배치하였으나, 도 1 및 도 2에서 점선으로 도시한 바와 같이, 도 1의 제1 필터(16)는 제1 미러(10)의 전방에 또는 제1 미러(10)와 제2 미러(12)의 사이에 배치할 수도 있으며 마찬가지로 제2 필터(18)는 도 1의 제2 미러(12) 또는 도 2의 미러(13)의 전방에 배치할 수도 있다.

이하에서는, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 3차원 좌표측정장치의 동작에 대하여 설명한다.

LED(5)가 부착된 광원(1)은 연속적으로 이동하면서 2가지 파장을 갖는 황색광(Y)을 방출한다. 어느 한 순간에 방출되는 황색광(Y)은 광원(1)의 후방 양측에 배치되어 있는 제1 미러(10)와 제2 미러(12)에 의하여 반사되며, 제1 미러(10)에 의하여 반사된 황색광(Y)은 다시 제3 미러(14)에 의하여 반사되어 광로가 변경된다. 제3 미러(14)에 의하여 제1 필터(16)로 입사되는 황색광(Y)은 제1 필터(16)에 의하여 단일 파장을 갖는 녹색광(G)만이 통과되고, 제2 필터(18)로 입사되는 황색광(Y)은 제2 필터(18)에 의하여 단일 파장을 갖는 적색광(R)만이 통과한다. 그리고, 이들 녹색광(G)과 적색광(R)은 빔분리기(20)에 의하여 집광한다.

빔분리기(20)에 의하여 집광된 광은 빔분리기(20)와 정렬하여 설치된 카메라(30)에 의하여 촬영되며 적색광(R)과 녹색광(G)의 상에 각각 대응하는 필름에 있어서의 좌표값이 RF신호로 카메라(30)에 연결된 AD변환기(40)에 인가되어 디지털신호로 변환된다. 이 변환된 디지털 신호는 컴퓨터(60)에 입력되어 계산되고 분석된다. 한편, VCR(50)의 필름에 맺힌 적색광(R)과 녹색광(G)의 모든 상을 계속하여 저장하며, 저장된 아날로그신호의 정보를 추후에 AD변환기(40)에 인가하여 그 정보를 분석한다. 그리고, 연속적으로 이동하는 LED(5)로부터 방출되는 광은 계속하여 카메라(30)에 의하여 고속으로 촬영되어 AD변환기(40)를 통하여 컴퓨터(60)에 입력되고 분석된다. 따라서, 매 순간의 분석결과가 종합되어 LED(5), 즉 광원(1)의 이동자취가 결정된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 좌표측정장치는 미러들과 필터들 및 빔분리기를 구비하여 단 1대의 카메라만으로 연속적으로 불규칙하게 운동하는 신체 등의 이동물체의 위치좌표와 이동자취를 측정하고 분석함으로써 장치의 설치시간을 단축시킴은 물론 전체장치의 가격을 대폭적으로 낮추는 현저한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 2인이상의 파장을 갖는 광을 발산하는 광원과;

   상기 광원에서 발산되는 광에서 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제 1필터와;

   상기 광원에서 방출되는 광에서 다른 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제2 필터와; 상기 제1 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제 1 리플렉터 및 제3 리플렉터와, 상기 제2 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제2 리플렉터로 구성된 반사수단과;

   상기 제 1필터를 통과한 광과 상기 제2 필터를 통과한 광을 집광하는 빔 분리기와;

   이 빔분리기로부터 입사되는 광의 파장들의 각각에 대응하는 상이한 이미지들을 담는 포착수단과;

   이 포착수단에 연결되며 상기 상이한 이미지들에 해당하는 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 아날로그디지탈변환기와;

   이 아날로그디지탈변환기와 연결되며 입력되는 디지털신호를 처리하여 상기 광원의 3차원좌표측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사수단의 상기 제1 리플렉터 및 제3 리플렉터는 상기 제 1 필터의 공로상의 전방에 배치되며 상기 제2 리플렉터는 상기 제2 필터의 광로상의 전방에 배치되어 있는 3차원 좌표측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 포착수단은 이미지들을 촬영하는 카메라와 이 카메라에 부착된 엔코더로 구성된 3차원 좌표측정장치.
4. 2인이상의 파장을 갖는 광을 발산하는 광원과;

   상기 광원에서 발산되는 광에서 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제 1필터와;

   상기 광원에서 방출되는 광에서 다른 하나의 파장을 갖는 광만을 통과시키는 제2 필터와;

   상기 제2 필터와 동일한 광로상에 배치되며 상기 광원으로부터 발산되는 광의 광로를 변경시키는 제2 리플렉터로 구성된 반사수단과;

   상기 제 1필터를 통과한 광과 상기 제2 필터를 통과한 광을 집광하는 빔 분리기와;

   이 빔분리기로부터 입사되는 광의 파장들의 각각에 대응하는 상이한 이미지들을 담는 포착수단과;

   이 포착수단에 연결되며 상기 상이한 이미지들에 해당하는 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 아날로그디지탈변환기와;

   이 아날로그디지탈변환기와 연결되며 입력되는 디지털신호를 처리하여 상기 광원의 3차원좌표를 계산하는 컴퓨터로 이루어진 3차원 좌표측정장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 반사수단의 상기 리플렉터는 상기 제2 필터의 광로상의 전방에 배치되어 있는 3차원 좌표측정장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 포착수단은 이미지들을 촬영하는 카메라와 이 카메라에 부착된 엔코더로 구성된 3차원 좌표측정장치.