KR101657197B1 - 물체의 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

물체의 3차원 형상 측정 장치 Download PDF

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Abstract

모아레 현상을 이용한 측정 대상 물체의 3차원 형상 측정 장치를 개시한다.
모아레(Moire) 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원(3-Dimensional) 형상(Shape)을 측정하는 데 있어서, 제1 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제1 패턴주사부(Pattern Projector), 제2 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제2 패턴주사부 및 제3 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제3 패턴주사부를 포함하는 영사시스템(Projection System); 제1 패턴주사부 및 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제1 모아레 무늬(Moire Fringe)를 측정하는 제1 카메라 및 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제2 모아레 무늬를 측정하는 제2 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부; 및 상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬에 근거하여 상기 측정대상물체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.

Description

물체의 3차원 형상 측정 장치 {Apparatus For Measuring 3-Dimensional Shape of Object}
본 실시예는 물체의 3차원 형상 측정 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
모아레 무늬(Moire Fringe)를 이용하여 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 데 있어서 주기(2π) 모호성(Ambiguity) 문제가 발생한다. 2π 모호성 문제는 인접한 두 측정점의 높이차가 큰 경우 3차원 형상 측정의 오차를 유발하여 측정대상물체의 형상을 측정할 수 없게 된다는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 간섭무늬(Interference Fringe)를 주사하는 패턴주사부(Pattern Projector)에서 특정 파장의 빛을 주사하고 모아레 무늬를 획득한 후에 다른 파장의 빛을 주사하여 모아레 무늬를 획득하여, 두 개의 모아레 무늬로 측정대상물체에 대한 모아레 차수(Moire Order)를 구하여 측정대상물체의 형상을 측정한다.
그러나 하나의 패턴주사부를 사용하는 경우에는 순차적으로 광원을 바꿔 가며 다른 파장의 빛을 주사하여야 하므로 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 속도가 느릴 뿐만 아니라 측정하는 시간차에 의해 측정 환경이 변화하는 경우 정밀한 측정을 하기 어렵다는 문제가 있다. 또한 3차원 형상을 측정하는 데 있어 측정점에 대한 오차가 이후의 새로운 측정점에 지속적으로 누적되는 문제가 발생하므로, 실제의 측정대상물체의 형상과 모아레 무늬를 이용하여 측정한 3차원 형상이 다르게 될 수 있어 누적 오차를 제거하기 위한 보정이 필요하다.
본 실시예는, 복수의 패턴주사부를 이용하여 모아레 현상에서 발생하는 2π 모호성 문제를 해결하고 물체의 측정 속도 및 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 모아레(Moire) 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원(3-Dimensional) 형상(Shape)을 측정하는 데 있어서, 제1 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제1 패턴주사부(Pattern Projector), 제2 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제2 패턴주사부 및 제3 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제3 패턴주사부를 포함하는 영사시스템(Projection System); 제1 패턴주사부 및 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제1 모아레 무늬(Moire Fringe)를 측정하는 제1 카메라 및 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제2 모아레 무늬를 측정하는 제2 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부; 및 상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬에 근거하여 상기 측정대상물체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 모아레 현상을 이용한 물체의 3차원 형상 측정 방법에 있어서, 제1 패턴주사부, 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부에서 측정대상물체의 측정점에 격자무늬를 투영하는 과정; 상기 제1 패턴주사부 및 상기 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물의 측정점에 생성된 제1 모아레 무늬를 획득하는 과정; 상기 제2 패터주사부 및 상기 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물의 측정점에 생성된 제2 모아레 무늬를 획득하는 과정; 상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬로부터 모아레 차수를 획득하는 과정; 및 상기 제1 모아레 무늬, 상기 제2 모아레 무늬 및 상기 모아레 차수에 근거하여 상기 측정대상물체의 측정점의 높이를 구하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 물체의 3차원 형상 측정 장치는 모아레 무늬를 순차적으로 획득하는 것이 아니라 한 번의 측정에서 복수의 모아레 무늬를 획득하고, 복수의 모아레 무늬에서 모아래 무늬 차수를 구하여 2π 모호성 문제를 해결한다. 2π 모호성 문제는 인접한 두 측정점의 높이차가 광원 파장의 4분의 1을 넘게 되면 오차를 유발하여 물체의 형상을 측정할 수 없게 되는 것인 데, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 패턴주사부에서 모아레 무늬를 획득한 다음 다른 파장의 빛을 주사하여 모아레 무늬를 획득하고, 두 개의 모아레 무늬로 측정대상물체에 대한 모아레 차수(Moire Order)를 구하는 방법을 사용하였다.
그러나 본 실시예에서는 복수의 광원에서 한 번의 주사로 측정대상물체의 측정점에서 높이를 구할 수 있어 3차원 형상 측정 속도가 개선되고, 측정하는 시간차에 의한 측정 환경이 변할 가능성이 있는 경우에도 정확한 물체의 형상을 측정할 수 있어, 측정 환경의 변동을 고려하여 정확성을 높이기 위한 보정을 할 필요가 줄어든다.
서로 다른 광원을 사용하여 측정한 위상을 이용하여 각 측정점에서 위상 코릴레이션(Correlation)을 취하면 두 파장간의 시간지연을 검출할 수 있어 측정대상물체의 높이를 측정할 수 있다.
자이로센서(Gyroscope) 및 가속도센서(Accelerometer)를 이용하는 경우 실제 공간 좌표를 획득할 수 있어, 모아레 무늬을 이용하여 측정에서 발생하는 누적 오차를 제거하여 실제 측정대상물체의 형상과 모아레 현상을 이용하여 획득한 3차원 형상이 달라지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 빛의 회절과 간섭을 이용한 물체의 높이를 구하는 과정의 예시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 복수의 광원과 복수의 카메라로 모아레 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 장치의 예시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 모아레 무늬를 이용한 물체의 3차원 형상 생성 장치의 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 모아레 무늬를 이용한 물체의 3차원 형상을 측정하는 과정의 순서도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
모아레 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 장치는 영사시스템(Projection System), 모아레 무늬 획득부, 센서부 및 3차원 영상 처리부를 포함하고, 다양한 물체의 형상을 측정할 수 있어 그 형태가 본 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 모아레 현상을 이용한 물체의 높이를 구하는 원리를 설명하기 위한 구성의 예시도이다.
빛의 회절과 간섭을 이용한 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하기 위한 방법은 회절격자를 설치하여 이를 기준면(Reference Plane)으로 정하고, 측정대상물체 상의 측정점에서 기준면에 주사한 간섭무늬(Interference Fringe)와 측정대상물체의 높이로 인하여 기준면에 간섭무늬와는 다른 위상의 변형된 무늬인 모아레 무늬(Moire Fringe)가 나타나는 원리를 이용한다. 측정대상물체의 모든 측정점에 대해 모아레 무늬의 위상을 측정하면 모아레 무늬의 위상은 간섭무늬의 위상에 비해 측정대상물체의 높이를 나타내는 것이므로 측정대상물체의 높이(Zm)를 구하고 이를 이용하여 측정대상물체의 형상을 생성할 수 있다.
Figure 112013106663044-pat00001
(수식 1)
여기서 p는 간섭무늬의 주기의 길이, N은 측정대상물체의 위치(일반적으로 N=0), θ1은 카메라와 좌표계의 Z축 사이의 각이고, θp는 패턴주사부와 좌표계의 Z축 사이의 각을 나타내며, Φ는 모아레 무늬의 위상이다. 만약 측정대상물체의 높이가 Z로 일정하다면 회절격자면에서 위상이 일정한 분포를 나타내지만, 높이가 Zm으로 일정하지 않다면 위상이 회절격자면에서 다른 분포를 나타낼 것이다. 측정대상물체의 위상 분포를 측정한 후 수식 1을 이용하여 측정대상물체의 높이를 구할 수 있다.
그러나, 모아레 현상을 이용하여 측정대상물체의 높이를 측정하는 방법은 2π 모호성(Ambiguity) 문제가 있다. 인접한 두 측정점의 높이차가 광원 파장의 4분의 1을 넘게 되면 오차를 유발하여 물체의 형상을 측정할 수 없게 된다. 그렇다고 하여 너무 긴 파장을 사용하는 경우 정확도가 떨어져 사용하기 곤란하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 패턴주사부(Pattern Projector)에서 모아레 무늬를 획득한 다음 다른 파장의 빛을 주사하여 모아레 무늬를 획득하고, 순차적으로 획득한 두 개의 모아레 무늬로 측정대상물체의 모아레 차수를 구하고 2π 간격으로 나타나는 측정대상물체의 불연속적인 형상을 이어 연속적인 형상을 측정할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 복수의 광원과 복수의 카메라로 모아레 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 장치의 예시도이다.
하나의 패턴주사부(Pattern Projector)에서 서로 다른 파장을 순차적으로 주사하여 각각 모아레 무늬를 취득하여 2π 모호성(Ambiguity) 문제를 해결하는 것은 다른 파장을 주사하기 위해 광원을 바꿔가며 주사해야 하므로 측정 대상 물체의 형상을 신속하게 획득해야 할 경우 속도에 문제가 발생한다. 특히, 치과 치료에 사용하는 환자 치열(Teeth)의 3차원 형상을 획득해야 하는 경우 신속하게 치열의 3차원 형상을 획득할 필요가 있어, 모아레 무늬를 이용한 측정대상물체의 3차원 형상을 측정하는 장치의 속도를 개선할 필요가 있다.
도 2는 모아레 무늬를 이용한 측정대상물체의 속도를 개선하기 위해 복수의 패턴주사부 및 복수의 카메라를 사용한다. 본 실시예의 측정대상물체의 3차원 형상 측정 장치는 복수의 모아레 무늬를 획득하여 2π 모호성 문제를 해결하고 신속한 측정이 가능하며 더욱 정밀한 측정이 가능하다. 도 2는 치열의 형상을 생성하기 위해 3개의 패턴주사부를 포함하고, 각각의 패턴주사부는 서로 다른 파장의 광원을 사용하여야 하므로 제1 패턴주사부는 붉은색(Red) 광원을, 제2 패턴주사부는 녹색(Green) 광원을, 제3 패턴주사부는 파란색(Blue) 광원을 사용하는 실시예이다.
제1 카메라는 제1 패턴주사부 및 제2 패턴주사부에 의해 생성되는 제1 모아레 무늬를 획득하고, 제2 카메라는 제2 패턴주사부 및 제3 패터주사부에 의해 생성되는 제2 모아레 무늬를 획득한다. 본 실시예에 의하면 한 번의 주사로 두 개의 모아레 무늬를 획득할 수 있어 하나의 패턴주사부를 사용하는 경우보다 빠르게 측정대상물체를 측정할 수 있다.
이하는 측정대상물체의 측정점 p(x, y)에서 측정대상물체의 모아레 차수(m)을 구하는 과정에 대해 설명한다. 측정점 p(x, y)에서 광강도 Ip(x, y)는
Figure 112013106663044-pat00002
(수식 2)
여기서 I0는 평균광강도, hp는 물체의 높이, d는 격자의 간격, δ는 주사광원 사이의 간격으로 제1 광원과 제2 광원 격자사이의 간격 및 제2 광원과 제3 광원의 간격은 동일하다. 주사 광원 사이의 간격은 δ으로 고정된 값을 사용한다. Φ는 측정점의 초기 위상, Δ는 상대적인 위상 값이다. 물체의 높이는 초기 위상에 의해 수식 1을 이용하여 측정할 수 있지만, 인접한 두 측정점의 위상차가 2π 이상인 경우 위상 펼침(Phase Unwrapping)을 적용하거나 맥놀이(Beating) 파장을 적용하여 모아레 차수를 구할 수 있다. 위상 펼침은 2π 간격으로 나타나는 불연속적인 부분을 이어 연속적인 점들로 연결시켜 측정 대상 물체의 3차원 형상을 완성하는 방법이다. 이하에서는 제1 모아레 파장 및 제2 맥놀이 파장의 맥놀이(Beating)현상을 이용하여 파장의 길이가 큰 파장 맥놀이 파장을 만들어 측정하는 방법 및 모아레 차수를 구하는 방법을 상세하게 설명한다.
여기서 맥놀이 파장(λ12)은
Figure 112013106663044-pat00003
(수식 3)
으로 나타낼 수 있으며, 여기서 λ1은 제1 모아레 무늬의 파장, λ2는 제2 모아레 무늬의 파장을 나타내고, 수식 3은
Figure 112013106663044-pat00004
(수식 4)
으로 나타낼 수 있으며, 여기서 Φ12(x, y)는 맥놀이 파장의 측정대상물체의 측정점에서 위상이고, 서로 근접한 파장은 큰 맥놀이 파장을 만들어 내므로 이를 이용하여 높이가 2π 이상 차이가 나는 인접한 측정점의 높이(hp)는
Figure 112013106663044-pat00005
(수식 5)
로 구할 수 있는 데, 여기서 모아레 차수 m은
Figure 112013106663044-pat00006
(수식 6)
으로 구할 수 있다. 수식 6에서 Φ1(x, y)와 Φ2(x, y)는 제1 모아레 무늬의 위상 및 제2 모아레 무늬의 위상에서 구할 수 있다. 제1 모아레 무늬에서 측정점의 위상은
Figure 112013106663044-pat00007
(수식 7)
로 구하는 데, 여기서 I1, I2, I3는 제1 카메라에서 수신하는 제1 패턴주사부, 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부 각각의 광강도이고, 제2 모아레 무늬에서 측정점의 위상은
Figure 112013106663044-pat00008
(수식 8)
로 구할 수 있는 데, 여기서 I1′, I2′, I3′는 제2 카메라에서 수신하는 제1 패턴주사부, 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부 각각의 광강도이다.
3개의 패턴주사부를 사용하는 경우 광원에서 한 번의 주사로 동시에 모아레 무늬를 획득할 수 있어 하나의 패턴주사부를 사용하는 경우보다 월등히 빠른 속도로 측정할 수 있고, 2π 모호성 문제를 해결할 수 있다.
또한 동시에 획득한 2 개의 모아레 무늬의 코릴레이션(Correlation)을 취하면 한 번 더 측정점의 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다. 수식 1을 이용하여 제1 모아레 무늬를 이용하여 측정대상물체의 높이(Za)를 구할 수 있고, 제2 모아레 무늬를 이용하여 측정대상물체의 높이(Zb)를 구할 수 있다. 측정대상물체의 정면 위치 X에서 제1 카메라까지의 거리를 C1, X에서 제2 카메라까지의 거리를 C2라고 하는 경우,
Figure 112013106663044-pat00009
(수식 9),
Figure 112013106663044-pat00010
(수식 10)
이 성립하고, 이 때 측정대상물체의 실제 높이인 정면에서의 높이를 hx라고 하면 hx는 h1과 h2의 평균값으로 보정할 수 있다. 그러나 h1과 h2의 차이의 절대값이 일정한 값보다 큰 경우에는 측정에 오류가 발생한 것으로 볼 수 있어, 이 값을 사용하기 곤란하다. 이 경우에는 이전에 4개 이상의 측정점에 대해 높이를 구하였을 경우에는, 가장 최근에 측정한 4개 측정점의 높이를 이용하여 보외법(Extrapolation)에 의해 hx를 추정할 수 있다. hx를 추정하기 위한 보외법으로는 마지막 점 혹은 이웃하는 점들의 평균을 기초로 가장 가까운 값을 찾는 방법, 두개의 가장 최근 점을 기초로한 선형 보외법, 복수의 점을 기초로한 운형자 보외법, 차원 분열 선븐을 기초로한 확률적인 보외법, 모데을 기반으로하는 보외법 등을 포함하고 특정 보외법에 한정되지 않는다.
도 3은 본 실시예에 따른 모아레 무늬를 이용한 물체의 3차원 형상 측정 장치의 구성도이다.
모아레 무늬를 이용한 물체의 3차원 형상 측정 장치는 복수의 패턴주사부를 포함하는 영사시스템, 복수의 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부, 센서부 및 3차원 형상 처리기를 포함한다. 도 3은 도 2에서 영사시스템 내의 제1 패턴주사부, 도 2에서 모아레 무늬 획득부 내의 제1 카메라, 센서부 및 3차원 형상 처리기의 내부 구성요소를 도시한다. 도 2의 실시예에서 영사시스템은 붉은색의 광원을 포함하는 제1 패턴주사부(210), 녹색 광원을 포함하는 제2 패턴주사부(220), 파란색 광원을 포함하는 제3 패턴주사부(230)을 포함하고, 각 패턴주사부는 도 3(a)의 구성요소를 포함한다. 다만, 영사시스템 내의 각 패턴주사부는 광원 및 영사격자를 통해 측정대상물체에 간섭무늬를 투사할 수 있는 어떤 형태도 가능하고 본 실시예에 한정되지 않는다.
도 3(a)는 제1 패턴주사부(210)를 표시하지만, 제2 패턴주사부(220) 및 제3 패턴주사부(230)도 동일하다. 제1 패턴주사부(210)는 광원(216), 영사렌즈(Projection Lens)(214), 투영격자(Projection Grating)(212)를 포함한다. 물론, 패턴주사부(210)는 필요에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것은 당연하다. 영사시스템 내의 각 패턴주사부의 광원(216)은 서로 다른 파장의 빛을 주사한다.
도 2의 실시예에서 모아레 무늬 획득부는 제1 카메라(310) 및 제2 카메라(320)을 포함하고, 도 3(b)에서는 모아레 무늬 획득부 중 제1 카메라의 내부 구성요소를 표시하고 있지만 제2 카메라도 동일하다. 제1 카메라(310)는 기준격자(Viewing Grating)(312), 결상 렌즈(Viewing Lens)(314), 광 검출기(CCD Array 또는 CMOS Array)(316)를 포함한다. 제1 카메라(310)는 제1 패턴주사부(210) 및 제2 패턴주사부(220)에서 각각 주사하여 생성된 제1 모아레 무늬를 획득하고, 제2 카메라(320)는 제2 패턴주사부(220) 및 제3 패턴주사부(230)에서 각각 주사하여 생성된 제2 모아레 무늬를 획득한다. 측정대상물체에 생성된 모아레 무늬는 결상렌즈를 통해 광검출기로 들어온다. 모아레 무늬 획득부는 필요에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있고 측정대상물체에 생성된 모아레 무늬를 획득하기 위한 어떤 형태도 가능하고 본 실시예에 한정되지 않는다.
도 3(c)의 센서부(410)는 자이로 센서(Gyroscope)(412)와 가속도 센서(Accelerometer)(414)를 포함한다. 환자의 치열(Teeth)의 3차원 형상을 생성하는 작업은 치열을 스캔하는 도중에 계속적으로 오차가 누적되어 실제 치열과 3차원 형상이 일치하지 않는 문제가 발생한다. 이와 같은 누적 오차 문제를 해결하기 위해 자이로 센서(412) 및 가속도 센서(414)를 포함하는 센서부(410)을 사용하여 기 설정된 위치 간격마다 또는 기 설정된 실제 공간좌표에서 보정거리마다 실제 공간좌표를 획득한 후 이를 지속적으로 3차원 형상을 생성하는 중에 기준좌표로 활용하여 오차를 보정한다.
도 3(d)의 3차원 형상 처리기(510)은 3차원 형상 생성부(512) 및 3차원 형상 표시부를 포함한다. 3차원 형상 생성부(512)는 모아레 무늬 획득부의 제1 카메라(310) 및 제2 카메라(320) 내부의 광검출기(316)로부터 검출된 신호가 A/D 컨버터를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 3차원 형상 생성부(512)에 전달되고, 이 신호를 근거로 수식1 내지 수식 10을 이용하여 측정대상물체의 3차원 형상을 생성한다. 이 때 3차원 형상은 STL(Stereolithography) 등과 같은 포맷(Format)으로 생성할 수 있다. 3차원 형상 표시부(513)는 3차원 형상 생성부(512)에서 생성한 STL 포맷 등으로 된 3차원 형상 데이터를 랜더링(Rendering)하고 디스플레이 장치에 표시한다.
도 3(e)는 본 실시예에 따른 모아레 무늬를 이용한 3차원 측정 장치를 치열의 형상을 측정하는 데 적용한 치열형상측정장치의 실시예이다. 치열형상측정장치는 제1 패턴주사부(210), 제2 패턴주사부(220) 및 제3 패턴주사부(230)를 포함하는 영사시스템, 제1 카메라(310) 및 제2 카메라(320)를 포함하는 모아레 무늬 획득부 및 센서부(410)를 포함한다. 제1 카메라(310) 및 제2 카메라(320)에서 획득한 두 개의 모아레 무늬와 센서부(410)의 데이터는 치열형상측정장치와 연결된 3차원 형상 처리기(510)에 전달되고, 3차원 형상 처리기에서 치열의 3차원 형상을 생성한다.
도 4는 본 실시예에 따른 모아레 무늬를 이용한 물체의 3차원 형상을 측정하는 과정의 순서도이다.
도 2의 실시예에서처럼 제1 패턴주사부, 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부는 각각의 광원에서 서로 다른 파장을 측정대상물체의 측정점에 주사한다(S410). 제1 카메라는 제1 패턴주사부 및 제2 패턴주사부에서 주사하여 측정대상물체에 형성된 모아레 무늬를 획득하고, 제2 카메라는 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부에서 주사하여 측정대상물체에 형성된 모아레 무늬를 획득한다(S420). 2π 모호성 문제를 해결하기 위해 제1 카메라 및 제2 카메라에서 획득한 모아레 무늬에서 모아레 무늬의 차수를 획득한다(S430). 각 모아레 무늬의 위상, 모아레 차수를 이용하여 측정대상물체에서 측정점의 높이를 구한다(S440). 각 카메라에서 획득한 모아레 무늬를 코릴레이션(Correlation)하여 측정된 높이값을 보정하여(S450) 더욱 정확한 높이값을 구할 수 있다.
모아레 무늬를 이용하는 경우 측정대상물체를 측정하면서 누적 오차가 발생하여 이를 보정하기 위해 기 설정된 실제 공간 좌표 보정거리를 초과하는지 여부(S460)를 판단하여, 초과하는 경우에 자이로센서와 가속도센스에서 실제 공간 좌표를 획득하고(S470) 이를 기준좌표로 활용하여 누적 오차를 제거하여 높이값을 보정할(S480) 수 있다. 측정대상물체의 측정이 완료여부를 판단하고(S490) 측정이 완료되지 않은 경우 측정점을 이용하여 측정한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210 제1 패턴주사부 220 제2 패턴주사부
230 제3 패턴주사부
310 제1 카메라 320 제2 카메라
410 센서부
510 3차원 형상 처리기

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 모아레(Moire) 무늬를 이용하여 측정대상물체의 3차원(3-Dimensional) 형상(Shape)을 측정하는 장치에 있어서, 상기 3차원 형상 측정 장치는,
    제1 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제1 패턴주사부(Pattern Projector), 제2 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제2 패턴주사부 및 제3 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제3 패턴주사부를 포함하는 영사시스템(Projection System);
    상기 제1 패턴주사부 및 상기 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제1 모아레 무늬(Moire Fringe)를 측정하는 제1 카메라 및 상기 제2 패턴주사부 및 상기 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제2 모아레 무늬를 측정하는 제2 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부; 및
    상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬에 근거하여 상기 측정대상물체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부를 포함하되,
    상기 3차원 형상 생성부는 상기 측정대상물체의 측정점과 상기 측정점에 인접한 측정점 사이의 위상차가 2π 이상인 경우, 상기 제1 모아레 무늬와 상기 제2 모아레 무늬가 맥놀이(Beating) 현상에 의해 길어진 맥놀이 파장을 이용하여 모아레 차수를 구하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 측정대상물체의 측정점 p(x, y)에서,
    Figure 112013106663044-pat00011

    여기서 광강도 Ip(x,y)는 상기 측정점 p(x,y)에서 광강도이고, I0는 평균광강도, Φ는 상기 측정점에서 모아레 무늬의 위상이고, Δ는 상대적인 위상이고,
    Figure 112013106663044-pat00012
    (식 a)
    여기서 Φ1(x, y)는 상기 제1 카메라에서 획득한 상기 제1 모아레 무늬의 위상이고, δ는 상기 제1 광원과 상기 제2 광원 사이의 간격, I1, I2 및 I3는 상기 제1 광원, 상기 제2 광원 및 상기 제3 광원의 제1 카메라에서의 광강도이고,
    Figure 112013106663044-pat00013
    (식 b)
    여기서 Φ2(x, y)는 상기 제2 카메라에서 획득한 상기 제2 모아레 무늬의 위상이고, δ는 상기 제2 광원과 상기 제3 광원 사이의 간격, I1,′ I2′, 및 I3′는 상기 제1 광원, 상기 제2 광원 및 상기 제3 광원의 제2 카메라에서의 광강도이며,
    Figure 112013106663044-pat00014
    (식 c)
    λ12는 상기 맥놀이 파장, λ1은 상기 제1 모아레 무늬의 파장, λ2는 상기 제2 모아레 무늬의 파장을 나타내고,
    Figure 112013106663044-pat00015
    (식 d)
    여기서 Φ12(x, y)는 상기 맥놀이 파장의 상기 측정점에서 위상이고, 상기 측정점에서 상기 모아레 차수(m)은
    Figure 112013106663044-pat00016
    (식 e)
    로 구하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정점 p(x, y)에서 상기 측정대상물체의 높이(hp(x, y))는
    Figure 112013106663044-pat00017
    (식 f)
    로 구하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  6. 모아레(Moire) 무늬를 이용하여 측정대상물체의 3차원(3-Dimensional) 형상(Shape)을 측정하는 장치에 있어서, 상기 3차원 형상 측정 장치는,
    제1 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제1 패턴주사부(Pattern Projector), 제2 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제2 패턴주사부 및 제3 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제3 패턴주사부를 포함하는 영사시스템(Projection System);
    상기 제1 패턴주사부 및 상기 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제1 모아레 무늬(Moire Fringe)를 측정하는 제1 카메라 및 상기 제2 패턴주사부 및 상기 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제2 모아레 무늬를 측정하는 제2 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부; 및
    상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬에 근거하여 상기 측정대상물체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부를 포함하되,
    상기 제1 모아레 무늬의 위상과 상기 제2 모아레 무늬의 위상을 코릴레이션(Correlation)하여 상기 측정대상물체의 높이의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코릴레이션은 상기 제1 모아레 무늬의 위상으로부터 구한 측정점의 높이를 Za, 상기 제2 모아레 무늬의 위상으로부터 구한 상기 측정점의 높이를 Zb, 상기 측정대상물체의 정면 위치(X)에서 상기 측정점의 높이를 hx라고 할 때,
    Figure 112013106663044-pat00018
    (식 g)
    Figure 112013106663044-pat00019
    (식 j)
    여기서 C1은 상기 정면 위치와 상기 제1 카메라 사이의 간격, C2는 상기 정면 위치와 상기 제2 카메라 사이의 간격이며,
    상기 식 g로부터 구한 h1 및 상기 식 j로부터 구한 h2를 평균한 것을 상기 정면 위치에서의 높이 hx로 하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    모아레 무늬의 위상으로부터 구한 상기 측정대상물의 측정점에서 높이(Zm)는
    Figure 112013106663044-pat00020
    (식 k)
    로 구할 수 있고, 여기서 p는 상기 모아레 무늬의 주기의 길이, θ1은 카메라와 좌표계의 Z축 사이의 각이고, θp는 상기 카메라에 인접한 패턴주사부 중 어느 하나와 좌표계의 Z축 사이의 각을 나타내며, Φ는 상기 모아레 무늬의 위상을 나타내는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 h1 과 상기 h2의 차의 절대값이 기 설정된 값보다 크고, 4개 이상의 측정점에 대한 높이를 구한 경우,
    가장 최근에 구한 4개의 높이를 이용하여 보외법(Extrapolation)에 의해 상기 hx를 추정하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  10. 모아레(Moire) 무늬를 이용하여 측정대상물체의 3차원(3-Dimensional) 형상(Shape)을 측정하는 장치에 있어서, 상기 3차원 형상 측정 장치는,
    제1 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제1 패턴주사부(Pattern Projector), 제2 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제2 패턴주사부 및 제3 광원을 상기 측정대상물체에 투영하는 제3 패턴주사부를 포함하는 영사시스템(Projection System);
    상기 제1 패턴주사부 및 상기 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제1 모아레 무늬(Moire Fringe)를 측정하는 제1 카메라 및 상기 제2 패턴주사부 및 상기 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물체에 형성된 제2 모아레 무늬를 측정하는 제2 카메라를 포함하는 모아레 무늬 획득부; 및
    상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬에 근거하여 상기 측정대상물체의 3차원 형상을 생성하는 3차원 형상 생성부를 포함하되,
    상기 물체의 3차원 형상 측정 장치는 자이로센서(Gyroscope) 및 가속도센서(Accelerometer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    기 설정된 보정거리마다 상기 자이로센서 및 상기 가속도센서를 이용하여 상기 측정대상물체의 실제 공간 좌표를 계산하여 상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬를 이용한 물체의 형상 측정의 기준좌표로 사용하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  12. 삭제
  13. 모아레 현상을 이용한 물체의 3차원 형상 측정 방법에 있어서,
    제1 패턴주사부, 제2 패턴주사부 및 제3 패턴주사부에서 측정대상물체의 측정점에 격자무늬를 투영하는 과정;
    상기 제1 패턴주사부 및 상기 제2 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물의 측정점에 생성된 제1 모아레 무늬를 획득하는 과정;
    상기 제2 패터주사부 및 상기 제3 패턴주사부에 의해 상기 측정대상물의 측정점에 생성된 제2 모아레 무늬를 획득하는 과정;
    상기 제1 모아레 무늬 및 상기 제2 모아레 무늬로부터 모아레 차수를 획득하는 과정; 및
    상기 제1 모아레 무늬, 상기 제2 모아레 무늬 및 상기 모아레 차수에 근거하여 상기 측정대상물체의 측정점의 높이를 구하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 형상 측정 방법.
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