KR20200020620A

KR20200020620A - 3차원 스캔 시스템

Info

Publication number: KR20200020620A
Application number: KR1020190099387A
Authority: KR
Inventors: 리앙-핀 유; 옝-펭 왕; ?-펭 왕; 춘-디 첸; 윤-핑 쿠안
Original assignee: 베나노 아이엔씨
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2020-02-26
Also published as: JP6720358B2; CN110836647B; JP2020027599A; US11226198B2; TWI676781B; KR102209222B1; US20200056882A1; TW202009444A; CN110836647A

Abstract

본 발명은 투사광원, 영상 추출 장치 및 신호 처리 장치를 포함하는 3차원 스캔 시스템을 제공한다. 투사광원은 목적물에 공간 주파수를 가진 2차원 광을 투사한다. 영상 추출 장치는 2차원 광이 조사된 목적물의 영상을 추출한다. 신호 처리 장치는 투사광원과 영상 추출 장치에 결합되어 2차원 광에 의한 영상의 해상도를 분석하며, 2차원 광에 의한 영상의 해상도가 요구 표준보다 낮으면 2차원 광의 공간 주파수를 낮춘다.

Description

3차원 스캔 시스템{Three-dimensional scanning system}

본 발명은 스캔 시스템에 관한 것으로, 특히 3차원 스캔 시스템에 관한 것이다.

3차원 스캔은 주로 목적물을 스캔하여 상기 목적물의 표면의 공간 좌표를 획득하기 위한 것으로, 현재 3차원 모델링을 구현하는 주된 방식이다. 3차원 스캔 방식은 접촉식 및 비접촉식으로 구분할 수 있는데, 그 중 비접촉식이 가장 넓게 사용되고 있다. 비접촉식 광학 측정에 있어서, 렌즈의 피사계 심도 특성으로 인해 스캔 범위가 항상 제한받게 된다. 이러한 제한을 극복하기 위해, 큰 목적물에 대해 3차원 스캔할 때 세그먼트 스캔 방식을 이용할 경우가 있다. 그러나, 이러한 방식은 스캔 후의 결과를 조합하는 후속 처리가 추가로 포함된다. 또한, 목적물 표면에 빛을 반사하기 쉬운 재질이 있으면, 3차원 스캔에 대한 방해가 쉽게 발생된다.

이에, 본 발명은 투사광원, 영상 추출 장치 및 신호 처리 장치를 포함하는 3차원 스캔 시스템을 제공한다. 투사광원은 목적물에 공간 주파수를 가진 2차원 광을 투사한다. 영상 추출 장치는 2차원 광이 조사된 목적물의 영상을 추출한다. 신호 처리 장치는 투사광원과 영상 추출 장치에 결합되어 영상의 해상도를 분석하고, 영상의 해상도가 요구 표준보다 낮으면 2차원 광의 공간 주파수를 낮춘다.

본 발명은 또한 투사광원, 영상 추출 장치 및 신호 처리 장치를 포함하는 3차원 스캔 시스템을 제공한다. 투사광원은 목적물에 시간에 따라 제1 패턴에서 제2 패턴으로 변환되는 2차원 광을 투사한다. 영상 추출 장치는 각각 제1 패턴이 조사된 목적물의 제1 영상, 및 제2 패턴이 조사된 목적물의 제2 영상을 추출한다. 신호 처리 장치는 투사광원과 영상 추출 장치에 결합되고, 제1 영상과 제2 영상을 교대로 참조하여 3차원 모델을 구성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캔 시스템에 의하면, 필요에 따라 2차원 광의 공간 주파수를 조정하여 획득한 영상의 해상도를 개선할 수 있고, 다양한 높이의 목적물을 스캔할 수 있다. 또한, 패턴 특징이 다른 2차원 광을 투사함으로써 빛을 반사하기 쉬운 목적물을 스캔할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캔 시스템의 모식도이다.
도 2는 투사광원이 초점면에 있을 때의 변조 전달 함수 도면이다.
도 3은 투사광원이 초점을 흐리면서 1cm 가까워지는 곳의 변조 전달 함수 도면이다.
도 4는 투사광원이 초점을 흐리면서 1cm 떨어지는 곳의 변조 전달 함수 도면이다.
도 5는 상이한 공간 주파수의 서로 다른 위치에서의 측정 결과(1)이다.
도 6은 상이한 공간 주파수의 서로 다른 위치에서의 측정 결과(2)이다.
도 7은 상이한 공간 주파수의 서로 다른 위치에서의 측정 결과(3)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 조합의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 조합의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 패턴과 제2 패턴의 모식도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캔 시스템의 모식도이다. 3차원 스캔 시스템은 투사광원(100), 영상 추출 장치(200) 및 신호 처리 장치(300)를 포함한다.

투사광원(100)은 목적물(미도시)에 2차원 광(L)을 투사한다. 투사광원(100)은 하나 또는 복수개의 투영 장치를 포함할 수 있다. 상기 2차원 광(L)은 2차원 공간에 투사되어 조사 범위를 형성할 수 있는 것을 의미한다. 2차원 광(L)은 공간 주파수(또는 공간 해상도라고 함)를 가지고 있는데, 즉 2차원 광(L)은 단위 길이당 반복적으로 나타나는 동일한 기하 구조를 포함하며, 반복되는 주파수가 바로 공간 주파수이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 2차원 광(L)은 평면에 투사되어 사각형 조사 범위를 형성할 수 있고, 이 사각형 조사 범위에는 반복되는 명암 줄무늬가 나타난다.

영상 추출 장치(200)는 상기 2차원 광(L)이 조사된 목적물의 영상을 추출할 수 있다. 영상 추출 장치(200)는 하나 또는 복수개의 촬영 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 촬영 렌즈는 전하결합소자(CCD) 또는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 영상 센서일 수 있다.

하나 또는 복수개의 투영 장치와 하나 또는 복수개의 영상 추출 장치(200)는 스케줄링에 의해 서로 협력하면서 작동될 수 있다. 예를 들면, 투사광원(100)이 두개의 투영 장치를 포함하는 경우에, 첫번째 투영 장치가 2차원 광(L)을 출력하는 동시에 하나 또는 복수개의 촬영 렌즈가 화면을 동기적으로 추출하고, 두번째 투영 장치가 다른 2차원 광(L)을 출력하는 동시에 하나 또는 복수개의 촬영 렌즈가 화면을 동기적으로 추출한다.

신호 처리 장치(300)는 투사광원(100)과 영상 추출 장치(200)에 결합되며, 투사광원(100)을 제어하고 상기 영상을 획득하여 영상을 분석하며, 영상에 따라 삼각 측량 원리를 이용하여 깊이 정보를 추측함으로써, 상기 목적물의 3차원 모델을 구성한다. 신호 처리 장치(300)는 컴퓨터와 같은 연산 기능을 가진 컴퓨터 장치일 수 있고, 상기 연산을 수행하는 프로세서, 상기 연산 코드를 저장하는 저장 매체등 전자 디바이스, 메모리 등을 포함한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 초점 거리가 50mm, 조리개가 F/4, 확대율이 -0.3x인 렌즈를 예로 하며, 도 2는 투사광원(100)이 초점면에 있을 때의 변조 전달 함수(MTF) 도면이고, 도 3은 투사광원(100)이 초점을 흐리면서 1cm 가까워지는 곳의 변조 전달 함수 도면이며, 도 4는 투사광원(100)이 초점을 흐리면서 1cm 떨어지는 곳의 변조 전달 함수 도면이다. 도면을 통해 알 수 있듯이, 영상 해상도는 공간 주파수의 주파수가 높을 수록 초점과의 거리의 영향을 쉽게 받는다.

도 5 내지 도 7은 각각 상이한 공간 주파수의 서로 다른 위치에서의 측정 결과이다. 정현파 신호를 투사광원(100)에 입력시켜 출력하면, 명암이 교대로 형성된 2차원 광(L)을 출력하게 된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 선(A)은 초점면에서의 측정 결과이고, 선(B)은 초점면으로부터 5cm 떨어진 곳에서의 측정 결과이며, 선(C)은 초점면으로부터 10cm 떨어진 곳에서의 측정 결과이다. 종축은 측정된 신호 진폭(여기서는 정규화 처리후의 수치이기 때문에 백분율로 나타남)이고, 횡축은 공간 길이이다. 도면을 통해 알 수 있듯이, 공간 주파수가 높으면 초점면으로부터 멀어질 수록 측정된 영상이 뚜렷하지 않는다. 또한, 도 5를 도 6 및 도 7과 비교한 결과, 공간 주파수가 낮아지면 초점면에서 떨어지는 위치에서도 충분히 뚜렷한 영상이 측정될 수 있음을 알 수 있다.

상기 측정 결과로부터 알 수 있듯이, 공간 주파수를 낮춤으로써 측정 범위가 뚜렷하지 않은 것으로부터 충분히 뚜렷한 것으로 변환되어 식별할 수 있게 된다. 따라서, 신호 처리 장치(300)는 영상 추출 장치(200)가 추출한 영상을 획득한 후, 먼저 상기 영상의 해상도를 분석한다. 만약 영상의 해상도가 요구 표준보다 낮으면, 2차원 광(L)의 공간 주파수를 낮추어 영상 해상도를 향상시킨다. 일부 실시예에서, 신호 처리 장치(300)는 자발적으로 공간 주파수를 낮추고 공간 주파수를 낮춘 후의 영상이 상기 요구 표준에 부합되는지를 검출하며, 만약 여전히 부합되지 않으면 다시 공간 주파수를 낮춘다. 일부 실시예에서, 작업자에 의해 신호 처리 장치(300)를 조작하여 공간 주파수의 하강 수치를 지정한다.

일부 실시예에서, 2차원 광(L)의 공간 주파수는 단일 주파수로 유지된다.

일부 실시예에서, 2차원 광(L)의 공간 주파수는 주파수 조합으로서 가변적인 것이며, 상기 주파수 조합은 시간에 따라 다르게 변화되는 공간 주파수이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 조합의 모식도이다. 여기서, 2차원 광(L)은 순차적으로 하나의 명영역(Z1) 및 하나의 암영역(Z2)으로 이루어지는 2차원 광(L1)에서 교대되는 두개의 명영역(Z1)과 두개의 암영역(Z2)으로 이루어지는 2차원 광(L2)으로 변화되고, 다시 교대되는 4개의 명영역(Z1)과 4개의 암영역(Z2)으로 이루어지는 2차원 광(L3)으로 변화될 수 있는 것으로 도시되었다. 이와 같이, 조사 범위에 대해 공간 부호화를 수행함으로써 조사 범위 내의 각 위치를 추적할 수 있다. 여기서, 상기 명, 암영역의 경계는 뚜렷하거나 점차적으로 변화될 수 있다.

일부 실시예에서, 공간 주파수가 다른 2차원 광(L)을 순차적으로 출력하고, 영상 추출 장치(200)에 의해 대응되는 영상을 추출할 수 있으며, 신호 처리 장치(300)는 추출한 상기 영상에서 적합한 공간 주파수를 가진 영상을 자발적으로 선택한다. 예를 들면, 기복이 심한 목적물은 그 높은 위치가 디포커스되어 있으므로 공간 주파수가 가장 높은 영상을 채택하지 않는다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 조합의 모식도이다. 도 8은 제1 방향(k1)으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것이고, 도 9는 제2 방향(k2)으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것이다.

경우에 따라서, 목적물은 그 표면에 반사성이 높은 재질을 가질 수 있는데, 이는 삼각 측량법의 결과를 쉽게 좌우한다. 따라서, 일부 실시예에서, 2차원 광은 시간에 따라 제1 패턴에서 제2 패턴으로 변환된다. 예를 들면, 제1 패턴은 도 8에 나타낸 바와 같이 제1 방향(k1)으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 공간 주파수를 가진 명암 간격 패턴이고, 제2 패턴은 도 9에 나타낸 바와 같이 제2 방향(k2)으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 공간 주파수를 가진 명암 간격 패턴이다. 제1 패턴과 제2 패턴의 공간 주파수는 동일할 수 있으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 영상 추출 장치(200)는 각각 제1 패턴이 조사된 목적물의 제1 영상, 및 제2 패턴이 조사된 목적물의 제2 영상을 추출한다. 신호 처리 장치(300)는 제1 영상과 제2 영상을 교대로 참조하여, 두개의 영상에서 목적물의 동일 위치에 대한 계산 결과를 비교하고, 만약 결과가 다르면 이를 제거하여 실질적으로 동일하거나 유사한 계산 결과만 남기며, 계차법을 통해 결핍된 부분을 보완함으로써, 3차원 모델을 구성할 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 패턴과 제2 패턴의 공간 주파수는 서로 다르다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 패턴(P1)과 제2 패턴(P2)의 모식도이다. 여기서 설명해야 할 것은, 상기 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2)은 수직 및 수평 방향에 한정되지 않는다. 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2)은 다른 방향, 예컨대 ±45도일 수도 있다. 그러나, 본 발명에서 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2) 간의 협각(θ)은 90도에 제한되지 않고, 다른 각도일 수도 있는데, 즉 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2)의 협각(θ)은 0도 내지 180도 범위 내에 있고 0도, 90도 또는 180도가 아니다. 다시 말해, 일부 실시예에서 투사광원(100)은 2차원으로 배열되는 복수의 발광 유닛(110)을 포함하며, 상기 발광 유닛(110)들은 정사각형일 수 있고, 마름모와 같은 다른 형상일 수도 있다. 여기서, 상기 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2)의 방향 및 협각은 투사광원(100)이 출력한 2차원 광의 출광면에서의 제1 방향(k1)과 제2 방향(k2)의 방향 및 협각을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캔 시스템에 의하면, 필요에 따라 2차원 광(L)의 공간 주파수를 조정하여 획득한 영상의 해상도를 개선할 수 있고, 다양한 높이의 목적물을 스캔하는 데에 적용될 수 있다. 또한, 패턴 특징이 다른 2차원 광을 투사함으로써 빛을 반사하기 쉬운 목적물을 스캔할 수 있다.

100 : 투사광원 110 : 발광 유닛
200 : 영상 추출 장치 300 : 신호 처리 장치
A, B, C : 선 L, L1, L2, L3 : 2차원 광
Z1 : 명영역 Z2 : 암영역
P1 : 제1 패턴 P2 : 제2 패턴
k1 : 제1 방향 k2 : 제2 방향
θ : 협각

Claims

목적물에 공간 주파수를 가진 2차원 광을 투사하기 위한 투사광원;
상기 2차원 광이 조사된 상기 목적물의 영상을 추출하는 영상 추출 장치; 및
상기 투사광원과 상기 영상 추출 장치에 결합되어 상기 영상의 해상도를 분석하고, 상기 영상의 상기 해상도가 요구 표준보다 낮으면 상기 2차원 광의 상기 공간 주파수를 낮추는 신호 처리 장치;를 포함하는 3차원 스캔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 2차원 광의 상기 공간 주파수는 단일 주파수인 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 2차원 광의 상기 공간 주파수는 주파수 조합이고, 상기 주파수 조합은 시간에 따라 다르게 변화되는 공간 주파수인 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 2차원 광은 시간에 따라 제1 패턴에서 제2 패턴으로 변환되고, 상기 영상 추출 장치는 각각 상기 제1 패턴이 조사된 상기 목적물의 제1 영상, 및 상기 제2 패턴이 조사된 상기 목적물의 제2 영상을 추출하며, 상기 신호 처리 장치는 상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 교대로 참조하여 3차원 모델을 구성하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
제4항에 있어서,
상기 투사광원은 2차원으로 배열되는 발광 유닛을 구비하고, 상기 제1 패턴은 제1 방향으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것이고, 상기 제2 패턴은 제2 방향으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것인 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
목적물에 시간에 따라 제1 패턴에서 제2 패턴으로 변환되는 2차원 광을 투사하기 위한 투사광원;
각각 상기 제1 패턴이 조사된 상기 목적물의 제1 영상, 및 상기 제2 패턴이 조사된 상기 목적물의 제2 영상을 추출하는 영상 추출 장치; 및
상기 투사광원과 상기 영상 추출 장치에 결합되고, 상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 교대로 참조하여 3차원 모델을 구성하는 신호 처리 장치;를 포함하는 3차원 스캔 시스템.
제6항에 있어서,
상기 투사광원은 2차원으로 배열되는 발광 유닛을 구비하며, 상기 제1 패턴은 제1 방향으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것이고, 상기 제2 패턴은 제2 방향으로 간격 발광하는 방식에 의해 형성된 것인 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 방향과 상기 제2 방향 간의 협각은 90도인 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 방향과 상기 제2 방향 간의 협각은 0도 내지 180도 범위 내에 있고, 0도, 90도 또는 180도가 아닌 것을 특징으로 하는 3차원 스캔 시스템.