KR102560351B1 - 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다. 프로젝터는 대상물의 표면에 구조광을 조사한다. 카메라는 프로젝터에 의해 대상물의 표면에 구조광이 조사된 상태에서 대상물의 표면으로부터 반사되는 영상을 획득한다. 광센서는 주변광의 밝기를 측정한다. 컨트롤러는 광센서로부터 측정된 주변광 밝기 정보를 기반으로, 카메라에 의해 획득된 영상의 밝기를 보정한다.

Description

구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치{3D shape measuring apparatus using structured light}
본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조광 패턴을 측정대상물에 조사하고 획득된 영상을 처리하는 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.
대상물의 3차원 형상을 측정하는 방식으로는 접촉식과 비접촉식으로 대별된다. 비접촉식으로 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 방법 중 하나로는 구조광 패턴 반사 기술이 사용되고 있다.
구조광(structured light)을 이용한 3차원 형상 측정의 기본 원리는 대상물에 프로젝터 등의 광 투사 수단을 이용하여 패턴을 투사한 다음, 패턴이 조사된 대상물을 카메라 등의 영상 획득 수단을 이용하여 촬영하고, 패턴이 대상물에 의해 어느 정도 왜곡되는지를 관찰하여, 대상물의 3차원 형상을 복원하는 것이다.
한편, 평면 디스플레이, 반도체, 회로 부품 등과 같은 제품의 외관 결함을 검출하기 위한 경우, 및 기타 제품의 조립을 위한 부품 인식을 위한 경우, 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치는 공장의 실내 공간에서 제품의 3차원 형상을 측정하게 된다.
실내 공간에는 조명이 설치되는 것이 일반적이므로, 3차원 형상 측정장치는 주변광의 영향을 받게 된다. 특히, 60Hz 전원을 사용하는 조명은 60Hz 주파수로 깜박여 밝기가 변하는 현상을 보이므로, 카메라에 의해 획득된 영상의 밝기에 영향을 미친다. 카메라의 노출 시간이 주변광의 깜박임 주기와 비슷하거나 더 짧으면 주변광 영향이 더 커지는 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 주변광 영향에 따른 밝기 보정된 영상을 획득하여 대상물의 3차원 영상을 정확하게 측정할 수 있는 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치는 프로젝터와, 카메라와, 광센서, 및 컨트롤러를 포함한다. 프로젝터는 대상물의 표면에 구조광을 조사한다. 카메라는 프로젝터에 의해 대상물의 표면에 구조광이 조사된 상태에서 대상물의 표면으로부터 반사되는 영상을 획득한다. 광센서는 주변광의 밝기를 측정한다. 컨트롤러는 광센서로부터 측정된 주변광 밝기 정보를 기반으로, 카메라에 의해 획득된 영상의 밝기를 보정한다.
여기서, 컨트롤러는 카메라로 출력되는 영상 획득 신호와 광센서로 출력되는 주변광 측정 신호를 동기화시켜 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 카메라에 의해 획득된 영상은 카메라의 노출 시간이 주변광의 깜박임 주기와 비슷하거나 더 짧더라도, 프레임마다 주변광의 밝기 변화에 의한 영향 없이 기준 밝기 값이 반영되어 보정될 수 있다. 그 결과, 대상물의 3차원 형상이 정확히 측정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정장치에 대한 제어 블록도이다.
도 3은 영상 획득 신호와 주변광 측정 신호를 나타낸 타이밍 차트이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 대한 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정장치에 대한 제어 블록도이다. 도 3은 영상 획득 신호와 주변광 측정 신호를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치(100)는 프로젝터(110)와, 카메라(120)와, 광센서(130), 및 컨트롤러(140)를 포함한다.
프로젝터(110)는 대상물(10)의 표면에 구조광을 조사한다. 여기서, 대상물(10)은 평면 디스플레이, 반도체, 회로 부품 이외에 제품이 조립되기 위한 부품 등과 같은 제품일 수 있다. 프로젝터(110)는 패턴을 갖는 구조광을 대상물(10)에 조사하여, 대상물(10)로부터 반사되는 패턴 영상을 카메라(120)가 획득할 수 있게 한다. 프로젝터(110)는 컨트롤러(140)에 의해 구동 제어된다. 프로젝터(110)는 컨트롤러(140)의 신호 출력부(141)로부터 입력되는 구동 신호에 따라 구동될 수 있다.
카메라(120)는 프로젝터(110)에 의해 대상물(10)의 표면에 구조광이 조사된 상태에서 대상물(10)의 표면으로부터 반사되는 영상을 획득한다. 카메라(120)는 컨트롤러(140)에 의해 구동 제어되며, 획득된 영상을 컨트롤러(140)에 제공한다. 카메라(120)는 컨트롤러(140)로부터 입력되는 영상 획득 신호에 따라 설정 노출 시간 동안 영상을 획득해서 프레임 단위로 저장할 수 있다.
카메라(120)는 이미지 센서와 프레임 그래버를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 대상물(10)의 표면으로부터 반사되는 광을 전기적 신호로 변환한다. 프레임 그래버는 컨트롤러(140)로부터 입력되는 영상 획득 신호에 따라 설정 노출 시간 동안 이미지 센서로부터 영상 데이터를 읽어 들여 프레임 단위로 저장한다. 프레임 그래버에 의해 저장된 영상은 컨트롤러(140)로 제공된다. 카메라(120)는 프로젝터(110)와 함께 장치 지지대(101)에 장착되어 지지될 수 있다.
광센서(130)는 주변광(1a)의 밝기를 측정한다. 대상물(10)이 공장 등의 실내 공간에서 측정되는 경우, 실내 조명(1)의 주변광(1a)이 카메라(120)에 입력될 수 있다. 60Hz 전원을 사용하는 조명(1)은 주변광(1a)이 60Hz 주파수로 깜박여 밝기가 변하는 현상을 보이므로, 카메라(120)에 의해 획득된 영상의 밝기에 영향을 미칠 수 있다.
즉, 카메라(120)에 의해 획득된 영상은 60Hz 주파수로 깜박이는 주변광(1a)에 의해 영상 프레임별로 밝기가 다를 수 있다. 광센서(130)는 컨트롤러(140)로부터 입력되는 주변광 측정 신호에 따라 영상 프레임별로 주변광(1a)의 밝기를 측정해서 컨트롤러(140)로 제공함으로써, 컨트롤러(140)가 해당 영상 프레임의 밝기를 보정할 수 있게 한다. 광센서(130)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등과 같은 공지의 다양한 광센서로 이루어질 수 있다. 광센서(130)는 장치 지지대(101)에 장착되어 지지될 수 있다.
컨트롤러(140)는 프로젝터(110)와 카메라(120)를 구동 제어하며, 광센서(130)로부터 측정된 주변광 밝기 정보를 제공받는다. 컨트롤러(140)는 광센서(130)로부터 측정된 주변광 밝기 정보를 기반으로, 카메라(120)에 의해 획득된 영상의 밝기를 보정한다.
여기서, 컨트롤러(140)는 카메라(120)로 출력되는 영상 획득 신호와 광센서(130)로 출력되는 주변광 측정 신호를 동기화시켜 출력할 수 있다. 즉, 컨트롤러(140)는 신호 출력부(141)에 의해 카메라(120)로 영상 획득 신호를 출력함과 동시에 광센서(130)로 주변광 측정 신호를 출력하여, 설정 노출 시간 동안 카메라(120)로부터 영상 데이터를 제공받고, 광센서(130)로부터 주변광 밝기 데이터를 제공받는다. 이때, 주변광(1a)은 깜박임에 의해 밝기가 변하는 현상을 보이므로, 영상 프레임별로 주변광(1a)의 밝기 값이 다를 수 있다.
컨트롤러(140)는 영상 프레임별로 제공된 주변광 밝기 값에 따라 해당 영상 프레임의 밝기를 더 밝게 또는 더 어둡게 하여 보정할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(140)는 연산 처리부(142)에 의해 영상 프레임별로 주변광 밝기 값을 기준 밝기 값과 비교하여 그 차이만큼 해당 영상 프레임의 밝기 값에 더하거나 빼서 보정할 수 있다.
이와 같이, 모든 영상 프레임은 카메라(120)의 노출 시간이 주변광(1a)의 깜박임 주기와 비슷하거나 더 짧더라도, 주변광(1a)의 밝기 변화에 의한 영향 없이 기준 밝기 값이 반영되어 보정될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(140)는 보정된 영상을 기반으로 대상물(10)의 3차원 형상을 정확히 측정할 수 있다. 그 결과, 컨트롤러(140)는 대상물(1)에 대한 외관 결함 등의 불량 여부를 정확히 판단할 수 있다.
전술한 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치(100)에 의한 작용 예를 설명하면 다음과 같다.
프로젝터(110)는 컨트롤러(140)에 의해 구동되어, 대상물(10)에 구조광을 조사한다. 이 상태에서, 카메라(120)는 컨트롤러(140)로부터 영상 획득 신호를 입력 받아 설정 노출 시간 동안 영상을 획득해서 프레임 단위로 저장한다. 광센서(130)는 컨트롤러(140)로부터 영상 획득 신호와 동기화된 주변광 측정 신호를 입력 받아 설정 노출 시간 동안 주변광의 밝기를 측정한다.
그러면, 컨트롤러(140)는 카메라(120)로부터 영상 데이터를 제공받고, 광센서(130)로부터 주변광 밝기 데이터를 제공받은 후, 영상 프레임별로 제공된 주변광 밝기 값에 따라 해당 영상 프레임의 밝기를 더 밝게 또는 더 어둡게 하여 보정한다. 이때, 컨트롤러(140)는 영상 프레임별로 주변광 밝기 값을 기준 밝기 값과 비교하여 그 차이만큼 해당 영상 프레임의 밝기 값에 더하거나 빼서 보정할 수 있다. 그 결과, 모든 영상 프레임은 주변광(1a)의 밝기 변화에 의한 영향 없이 기준 밝기 값이 반영되어 보정될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
1..조명 1a..주변광
10..대상물 110..프로젝터
120..카메라 130..광센서
140..컨트롤러

Claims (2)

  1. 대상물의 표면에 구조광을 조사하는 프로젝터;
    상기 프로젝터에 의해 대상물의 표면에 구조광이 조사된 상태에서 대상물의 표면으로부터 반사되는 영상을 획득하는 카메라;
    주변광의 밝기를 측정하는 광센서; 및
    상기 광센서로부터 측정된 주변광 밝기 정보를 기반으로, 상기 카메라에 의해 획득된 영상의 밝기를 보정하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 카메라는 상기 컨트롤러로부터 영상 획득 신호를 입력 받아 설정 노출 시간 동안 영상을 획득해서 프레임 단위로 저장해서 상기 컨트롤러로 제공하며;
    상기 광센서는 상기 컨트롤러로부터 주변광 측정 신호를 입력 받아 설정 노출 시간 동안 주변광의 밝기를 측정해서 상기 컨트롤러로 제공하며;
    상기 컨트롤러는 상기 카메라로 출력되는 영상 획득 신호와 상기 광센서로 출력되는 주변광 측정 신호를 동기화시켜 출력하여, 상기 카메라로부터 영상 데이터를 제공받고 상기 광센서로부터 주변광 밝기 데이터를 제공받은 후, 영상 프레임별로 주변광 밝기 값을 기준 밝기 값과 비교하여 그 차이만큼 해당 영상 프레임의 밝기 값에 더하거나 빼서 보정하는 것을 특징으로 하는 구조광을 이용한 3차원 형상 측정장치.
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