KR101415980B1 - 3차원 스캐너 장치 - Google Patents

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Abstract

구조가 간단하여 제작비용이 저렴하면서 소형 대상물의 입체형상을 측정하기에 적합한 3차원 스캐너 장치. 본 발명의 3차원 스캐너 장치는 스캐닝 대상물을 거치하기 위한 선반과, 상기 스캐닝 대상물을 향하여 빛을 출광하도록 배치되는 광원과, 상기 광원의 전방에 설치되어 상기 출광되는 빛을 집광하는 투사 렌즈와, 상기 스캐닝 대상물로부터 반사되는 빛을 집광하는 고배율 렌즈와, 상기 고배율 렌즈에 의하여 집광된 빛을 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서를 구비한다. 바람직한 실시예에 있어서, 3차원 스캐너는 지주를 구비하는 거치대를 더 구비한다. 이와 같은 경우, 상기 광원은 제1 연결부재를 통하여 상기 지주에 접속되고, 상기 이미지 센서는 제2 연결부재를 통하여 상기 지주에 접속되는 것이 바람직하다.

Description

3차원 스캐너 장치{3-Dimensional Scanner Device}
본 발명은 입체물의 3차원 형상 데이터를 획득하기 위한 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 특히, 비접촉식 3차원 스캐닝 장치에 관한 것이다.
물체의 3차원 형상측정은 가공물의 검사나, 캐드/캠(CAD/CAM), 의료, 솔리드 모델링 등 여러 가지 분야에서 폭넓게 적용되고 있다. 3차원 스캐너는 입체물의 3차원 형상을 측정하여 3차원 형상 데이터를 획득하는 장치를 말한다.
3차원 스캐너의 일 예로서, 대상물의 표면을 따라 접촉하면서 한 점씩 공간좌표를 측정하여 전체 곡면형상을 측정하는 접촉식 3차원 스캐너를 들 수 있다. 그렇지만, 이러한 접촉식 3차원 스캐너는 측정시간이 과다하게 소요된다는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 접촉식 3차원 측정기의 단점을 해소하여 측정 효율을 높이기 위하여 광학적으로 물체의 입체형상을 측정하는 비접촉식 3차원 스캐너가 널리 사용되고 있다. 통상적으로, 비접촉식 3차원 스캐너는 프로젝터에 의하여 대상물에 빛을 조사하고, 반사되어 수신된 빛을 분석하여 대상물의 곡면형상을 측정한다. 빛을 조사하여 분석함에 있어서는, 프로젝터로부터 출사되는 빛으로써 레이저를 사용하고 빛의 전달시간을 측정하거나, 일반 광을 사용하고 3각측량법에 의하여 각 점들의 위치를 결정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 일반 광을 사용하는 경우에는, 측정 정확도를 높이기 위하여 패턴광(structured light)을 사용하거나 위상 패턴을 달리하는 변조 광(modulated light)을 사용하기도 한다.
이와 같은 비접촉식 3차원 측정기에 있어서 프로젝터와 카메라는 통상적으로 모터에 의해 구동되어 방향이 정밀하게 제어되며, 모터 구동을 위하여 별도의 인코더가 마련되기 때문에, 구성요소의 수가 많아 구조가 복잡할 뿐만 아니라 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 이처럼 구성요소의 수가 많고 구조가 복잡함에 따라 장비가 대형화되기 때문에, 스캐닝 대상물이 부피가 큰 기계나 사람인 경우에만 적합할 뿐이며, 크기가 매우 작은 대상물, 예컨대 치아 모형이나 반지, 미세 기계부품을 스캐닝하는 응용예에서는 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구조가 간단하여 제작비용이 저렴하면서 소형 대상물의 입체형상을 측정하기에 적합한 3차원 스캐너 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 3차원 스캐너 장치는 스캐닝 대상물을 거치하기 위한 선반과, 상기 스캐닝 대상물을 향하여 빛을 출광하도록 배치되는 광원과, 상기 광원의 전방에 설치되어 상기 출광되는 빛을 집광하는 투사 렌즈와, 상기 스캐닝 대상물로부터 반사되는 빛을 집광하는 고배율 렌즈와, 상기 고배율 렌즈에 의하여 집광된 빛을 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서를 구비한다.
바람직한 실시예에 있어서, 3차원 스캐너 장치는 지주를 구비하는 거치대를 더 구비한다. 이와 같은 경우, 상기 광원은 제1 연결부재를 통하여 상기 지주에 접속되고, 상기 이미지 센서는 제2 연결부재를 통하여 상기 지주에 접속되는 것이 바람직하다.
상기 고배율 렌즈로는 5배 내지 50배의 확대율을 가지는 렌즈, 예컨대 피부과 현미경 렌즈와 같은 종류의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 3차원 스캐너 장치는 간단한 구조에 작은 크기로 제작되어질 수 있기 때문에, 소형화가 가능하고 저가생산이 가능하다는 장점이 있다. 아울러, 장치의 크기가 작은 것에 덧붙여, 프로젝터 및 이미지 센서에 대하여 각각 렌즈를 부가하여 프로젝터와 이미지 센서의 초점거리를 크게 단축시킴으로써 프로젝터 및 이미지 센서와 대상물의 거리를 짧게 하기 때문에, 대상물의 깊이 정보에 대한 분해능이 높아지고, 1~2 센티미터 이하의 소형 대상물을 용이하고 정확하게 스캐닝할 수 있다는 이점이 있다.
특히, 후술하는 바람직한 실시예와 같이 거치대를 기반으로 스캐너 장치가 구축되는 경우에는 조립 설치가 용이하다는 추가적인 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도면 중,
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 스캐너 시스템의 전기적 구성을 보여주는 도면;
도 2는 도 1에 도시된 PC에서 수행되는 프로그램의 블록도; 그리고
도 3은 도 1에 도시된 스캐너 장치의 기구적 구성의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 스캐너 시스템은 모니터(12)를 구비하는 PC(10)와, 상기 PC(10)에 접속되는 스캐너 장치(100)를 포함한다.
PC(10)는 사용자로 하여금 스캐너 장치(100) 조작 및 캘리브레이션을 위한 안내메시지를 제공하고, 스캐너 장치(100)를 동작을 제어하며, 스캐너 장치(100)로부터 수신되는 영상신호를 분석하여 3차원 단위영상을 생성하고, 복수의 3차원 단위영상을 결합하여 온전한 3차원 영상을 생성한다. 이와 같은 PC(10)의 동작은 컴퓨터 프로그램을 기반으로 수행된다.
스캐너 장치(100)는 프로젝터(110)와, 제1 렌즈(120)와, 제2 렌즈(130)와, 이미지 센서(140)를 구비한다. 프로젝터(110)는 빛을 발생하여 스캐닝 대상물(30) 방향으로 출광한다. 바람직한 실시예에 있어서, 프로젝터(110)로는 광원으로 LED를 사용하는 LED 프로젝터가 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 렌즈(120)는 프로젝터(110)로부터 출광되는 빛을 집광하여, 집광된 빛이 스캐닝 대상물(30)에 조사되도록 한다. 제2 렌즈(130)는 스캐닝 대상물(30)에 의해 반사, 산란된 빛을 집광한다. 제2 렌즈(130)로는 스캐닝 대상물(30)과 이미지 센서(140)의 거리에 따라 5배 내지 50배의 확대율을 가지면서 충분한 심도를 가지는 고배율 렌즈가 사용되는 것이 바람직하다. 이미지 센서(140)는 제2 렌즈(130)에 의해 집광된 빛을 전기적 영상신호로 변환한다. 이미지 센서(140)로는 예컨대 CCD 센서나 CMOS 센서가 사용될 수 있다.
도 2는 PC(10)에서 수행되는 프로그램의 블록도이다. 도시된 프로그램은 3차원 단위영상 획득부(20)와, 단위영상 결합부(22)와, 렌더링부(24)를 포함한다.
단위영상 획득부(20)는 스캐너 장치(100)로부터 영상신호를 받아들이고, 영상 내의 각 화소에 대한 깊이정보를 추출하며, 추출된 깊이정보를 토대로 3차원 단위영상을 생성한다. 이와 같은 3차원 단위 영상은 각 대상물에 대하여 복수개, 예컨대 대상물의 입체형상의 복잡도에 따라 4개~7개가 생성될 수 있다.
단위영상 결합부(22)는 복수의 3차원 단위영상들을 결합하여 온전한 3차원 영상을 생성한다. 단위영상들을 결합함에 있어서는, 먼저 각 단위영상에 존재하는 일그러짐, 왜곡, 낮은 명암대비 등을 개선하기 위하여 전처리를 실시하고, 결합할 단위영상들을 동일한 좌표로 변환한 다음, 단위영상들에 대하여 유사성 매치를 실시함으로써 중첩되는 부분과 연결위치를 확정한 후, 중첩 부분에 대하여 평활화(smoothing) 처리를 실시함으로써 이음매 없이 결합된 3차원 영상을 획득하게 된다.
렌더링부(24)는 사용자의 키보드 또는 마우스 조작에 따라 각 3차원 단위영상 또는 완성된 3차원 영상을 모니터(12)에 표시해준다.
도 3은 도 1에 도시된 스캐너 장치(100)의 기구적 구성의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
본 실시예에 있어서, 스캐너 장치(100)는 거치대(150)를 기반으로 조립, 설치된다. 거치대(150)는 하단의 지지판(152)와, 상기 지지판(152)에서 상방으로 연이어지도록 마련되어 있는 지주(154)를 구비한다. 지주(154)에는 다수의 클램프(160, 170, 180)가 체결될 수 있다.
제1 클램프(160)에는, 제1 아암(162)을 매개하여, 스캐닝 대상물(50)을 거치하기 위한 대상물 선반(168)이 접속된다. 제1 아암(162)은 하나 이상의 볼 조인트(164a, 164b) 및 하나 이상의 링크(166)를 포함한다.
제2 클램프(170)에는, 제2 아암(172)을 매개하여, 프로젝터(110)를 파지하기 위한 제4 클램프(178)가 장착된다. 본 실시예에 있어서, 제2 아암(172)은 두 개의 볼 조인트(174a, 174b)와, 상기 볼 조인트(174a, 174b) 및 제4 클램프(178)를 접속시키는 링크들(176a, 176b)을 포함한다. 프로젝터(110)의 전면에는 제1 렌즈(120)가 고정 설치된다.
제3 클램프(180)에는, 제3 아암(182)을 매개하여, 이미지 센서(140)를 설치하기 위한 카메라 거치대(188)가 접속된다. 제3 아암(182)은 하나 이상의 볼 조인트(184) 및 하나 이상의 링크(186)를 포함한다.
카메라 거치대(188)에는 카메라 지지대(190)가 나사 또는 클램프를 사용하여 장착되고, 이미지 센서(140) 칩은 카메라 지지대(190)에 고정 설치된다. 카메라 지지대(190)의 전방에는 이미지 센서(140) 칩을 외력이나 이물질로부터 보호하기 위한 보호용 캡(134)이 카메라 지지대(190)의 전면에 부착되어 설치된다. 그리고, 제2 렌즈(130)는 초점거리 조절노브(132)가 보호용 캡(134) 외부로 노출된 상태에서 보호용 캡(134) 내부에 설치된다. 보호용 캡(134)은 아크릴이나 여타 재질의 플라스틱 소재로 되어 있을 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 프로젝터(110)로부터 출광되어 제1 렌즈(120)를 통과한 후 스캐닝 대상물(30)에 입사되는 빛의 광경로와, 스캐닝 대상물(50)에 의해 반사되어 이미지 센서(140)로 진행하는 반사광의 광경로는 대략 70도~110도의 각도를 이루도록, 프로젝터(110), 제1 렌즈(120), 제2 렌즈(130), 및 이미지 센서(140)가 배치된다. 특히 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입사광 경로와 반사광 경로가 이루는 각도는 대략 90도이다.
이와 같은 스캐너 장치(100)는 다음과 같이 동작한다. 스캐너 장치(100)의 프로젝터(110)와 이미지 센서(140)를 PC(10)의 USB 포트에 접속시키고 프로그램을 구동한 상태에서, 사용자는 캘리브레이션 작업을 수행하여 프로젝터(110)와 이미지 센서(140)가 최적의 상대적 위치관계를 유지하도록 한다. 캘리브레이션 작업은 예컨대 다수의 원 또는 여타의 도형이 규칙적으로 배열된 루프 그리드(roof grid) 패턴 이미지를 선반(168)에 올려놓은 상태에서 PC(10)의 모니터(12)에 표시된 영상에 왜곡이 없이 초점 형성이 이루어지도록 함으로써 수행될 수 있다.
캘리브레이션이 완료된 상태에서, 사용자는 스캐닝 대상물(50)을 선반(168)에 올려 놓고 PC(10)의 마우스 또는 키보드를 조작함으로써 촬영 및 영상신호 전송이 이루어지도록 한다. 그리고, 방향을 바꾸어가면서 촬영 및 영상신호 전송을 반복한다.
촬영이 이루어질 때마다, PC(10)에서 수행되는 프로그램의 단위영상 획득부(20)는 스캐너 장치(100)로부터 영상신호를 받아들이고, 영상 내의 각 화소에 대한 깊이정보를 추출하며, 추출된 깊이정보를 토대로 3차원 단위영상을 생성한다. 필요한 개수 만큼의 단위영상이 확보된 후에, 사용자가 마우스 또는 키보드로 결합 명령을 인가하면, 프로그램의 단위영상 결합부(22)는 복수의 3차원 단위영상들을 결합하여 온전한 3차원 영상을 생성한다.
실험예로서, 프로젝터(110)로는 쓰리엠코포레이션(미국 미네소타주 세인트폴 소재)이 공급하는 LED 방식 포켓 프로젝터 MPro120을 사용하였다. 이미지 센서(140)로는 로지텍(Logitech) 사가 공급하는 Pro 4000 웹캠 카메라를 분해해서 센서만을 분리하여 사용하였다. 제1 렌즈(120)로는 로지텍(Logitech) 사가 공급하는 휴대폰용 접사렌즈 DINO 제품을 사용하였으며, 제2 렌즈(130)로는 출처 미상의 피부과 현미경을 획득하고, 이를 분해해서 분리하여 사용하였다. 한편, PC(10)에서 수행되는 프로그램 모듈 중에서, 3차원 단위영상 획득부(20)로는 미국 켄터키대학교(University of Kentucky) 전기컴퓨터공학부의 신호및영상처리실험실에서 개발한 UofK 3차원 스캐너 프로그램(UofKscannerLT.exe)을 이용하였고, 단위영상 결합부(22)로는 David 프로그램을 이용하였다. 이와 같은 실험예에서, 본 발명자는 반지와 같은 소형 대상물에 대한 완벽한 3차원 영상을 성공적으로 획득하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다양한 방식으로 변형될 수 있고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: PC, 12: 모니터
100: 스캐너 장치
110: 프로젝터
120: 제1 렌즈
130: 제2 렌즈, 132: 초점거리 조절노브, 134: 보호용 캡.
140: 이미지 센서
150: 거치대, 152: 지지판, 154: 지주
160: 제1 클램프, 162: 제1 아암, 168: 대상물 선반
164a, 164b, 174a, 174b, 184: 볼 조인트
166, 176a, 176b, 186: 링크
170: 제2 클램프, 172: 제2 아암, 178: 제4 클램프
180: 제3 클램프, 182: 제3 아암, 188: 카메라 거치대

Claims (6)

  1. 스캐닝 대상물을 3차원 스캐닝하기 위한 3차원 스캐너 장치로서,
    거치대;
    하나 이상의 볼 조인트 및 하나 이상의 링크를 구비하는 제1 아암을 통하여 거치대에 접속되어 그 위치 및 방향을 바꿀 수 있도록 배치되며, 상기 스캐닝 대상물을 향하여 빛을 출광하는 광원;
    하나 이상의 볼 조인트 및 하나 이상의 링크를 구비하는 제2 아암을 통하여 상기 거치대에 접속되어 그 위치 및 방향을 바꿀 수 있도록 배치되며, 상기 광원으로부터 출광되어 상기 스캐닝 대상물에서 반사된 후 입사되는 빛을 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서;
    를 구비하는 3차원 스캐너 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 센서를 통해 수신되는 복수의 영상을 결합하여 3차원 영상을 생성하는 데이터 처리장치;
    를 더 구비하는 3차원 스캐너 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광원의 전방에 설치되어, 상기 출광되는 빛을 집광하는 투사 렌즈; 및
    상기 이미지 센서의 전방에 배치되어, 상기 스캐닝 대상물로부터 반사되는 빛을 집광하는 고배율 렌즈;
    를 더 구비하는 3차원 스캐너 장치.
  4. 지주를 구비하는 거치대에 설치되어 스캐닝 대상물을 3차원 스캐닝하기 위한 3차원 스캐너 장치로서,
    하나 이상의 볼 조인트 및 하나 이상의 링크를 구비하는 제1 아암을 통하여 상기 지주에 접속되어 그 위치 및 방향을 바꿀 수 있도록 배치되며, 상기 스캐닝 대상물을 향하여 빛을 출광하는 광원; 및
    하나 이상의 볼 조인트 및 하나 이상의 링크를 구비하는 제2 아암을 통하여 상기 지주에 접속되어 그 위치 및 방향을 바꿀 수 있도록 배치되며, 상기 광원으로부터 출광되어 상기 스캐닝 대상물에서 반사된 후 입사되는 빛을 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서;
    를 구비하는 3차원 스캐너 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이미지 센서를 통해 수신되는 복수의 영상을 결합하여 3차원 영상을 생성하는 데이터 처리장치;
    를 더 구비하는 3차원 스캐너 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 광원의 전방에 설치되어, 상기 출광되는 빛을 집광하는 투사 렌즈; 및
    상기 이미지 센서의 전방에 배치되어, 상기 스캐닝 대상물로부터 반사되는 빛을 집광하는 고배율 렌즈;
    를 더 구비하는 3차원 스캐너 장치.
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