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KR101269128B1 - 중간시점 영상 생성기를 갖는 표면 거칠기 측정 장치 및 방법 - Google Patents

중간시점 영상 생성기를 갖는 표면 거칠기 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR101269128B1
KR101269128B1 KR1020110063927A KR20110063927A KR101269128B1 KR 101269128 B1 KR101269128 B1 KR 101269128B1 KR 1020110063927 A KR1020110063927 A KR 1020110063927A KR 20110063927 A KR20110063927 A KR 20110063927A KR 101269128 B1 KR101269128 B1 KR 101269128B1
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양승준
곽영신
이용식
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 표면 거칠기 측정 장치는 복수 개의 광원과 시료를 촬영하는 촬영장치와, 상기 촬영장치에서 촬영된 영상을 이용하여 상기 시료 표면의 법선 벡터를 구하고 상기 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석부와, 상기 촬영장치에서 촬영된 영상과 상기 법선 벡터를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정부와, 상기 법선 벡터, 상기 표면 높이, 및 상기 양방향 반사 분포함수를 이용하여 기 설정된 광원 방향 및 관찰 방향에서의 중간시점 영상을 제작하는 중간시점 영상 생성부, 및 상기 중간시점 영상의 밝기 값 분포를 이용하여 기 설정된 관찰 방향에서의 표면 거칠기를 측정하는 거칠기 분석부를 포함한다.

Description

중간시점 영상 생성기를 갖는 표면 거칠기 측정 장치 및 방법{SURFACE ROUGHNESS MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD HAVING INTERMEDIATE VIEW GENERATOR}
본 발명은 표면 거칠기 측정 장차 및 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 중간시점 생성기를 갖는 표면 거칠기 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
금속, 섬유 목재, 등의 표면 거칠기를 측정하는 장치는 크게 기계적인 방법과 광학적인 방법으로 나눌 수 있다.
기계적인 방법은 스타일러스(stylus)를 이용하여 스타일러스가 측정한 시료 표면의 길이와 시료의 길이를 비교하여 거칠기를 측정하거나 스타일러스가 측정한 시료 표면 높이의 분산 등을 계산하여 거칠기를 측정할 수 있다. 그러나 이러한 기계적인 방법은 시료에 물리적인 접촉을 하기 때문에 접촉에 의하여 형태가 변하는 부드러운 재질의 시료는 거칠기를 분석할 수 없다는 문제가 있다.
한편, 광학적인 방법은 광원과 카메라를 이용하여 얻어진 영상의 밝기를 분석하여 시료의 거칠기를 측정한다. 이러한 광학적인 방법은 실제 시료 표면의 높이가 아닌 취득된 영상의 밝기 값의 분산 등을 계산하여 거칠기를 측정하는 방법으로서 광원의 밝기와 노출에 따라 취득된 영상의 밝기 값이 변하기 때문에 측정된 거칠기도 변하는 문제가 발생한다. 따라서 광학적인 방법은 실제 시료의 표면 높이가 아닌 상대적인 거칠기만 측정할 수 있다.
또한, 기계적인 방법과 광학적인 방법 모두 광원 방향의 변화에 따라 관찰자가 인지하는 표면 거칠기의 변화를 측정하기 못하는 문제가 있다.
본 발명은 광학적인 방법으로 표면 거칠기를 정밀하게 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 특정 방향에서 광원이 비춰졌을 때 관찰자가 인지하는 표면 거칠기를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 표면 거칠기 측정 장치는 복수 개의 광원과 시료를 촬영하는 촬영장치와, 상기 촬영장치에서 촬영된 영상을 이용하여 상기 시료 표면의 법선 벡터를 구하고 상기 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석부와, 상기 촬영장치에서 촬영된 영상과 상기 법선 벡터를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정부와, 상기 법선 벡터, 상기 표면 높이, 및 상기 양방향 반사 분포함수를 이용하여 기 설정된 광원 방향 및 관찰 방향에서의 중간시점 영상을 제작하는 중간시점 영상 생성부, 및 상기 중간시점 영상의 밝기 값 분포를 이용하여 기 설정된 관찰 방향에서의 표면 거칠기를 측정하는 거칠기 분석부를 포함한다.
광원은 복수의 방향에서 상기 시료를 향하여 순차적으로 빛을 조사할 수 있다.
상기 표면 높이 분석부는 상기 촬영장치에서 촬영된 영상에서 픽셀의 밝기 값을 이용하여 광원 위치를 구하고, 광원 위치 벡터로부터 픽셀의 반사율을 분석할 수 있다.
상기 중간시점 영상 생성부는 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도를 구하고 이에 대한 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값을 중간시점 영상의 밝기 값으로 하여 중간시점 영상을 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 표면 거칠기 측정 방법은 복수 개의 광원을 이용하여 시료에 빛을 조사하는 광 조사 단계와, 빛이 조사될 때 시료의 영상을 촬영하는 영상 획득 단계와, 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상을 이용하여 상기 시료 표면의 법선 벡터를 구하고 상기 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석 단계와, 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상과 상기 표면 높이 분석 단계에서 측정된 법선 벡터의 각도와 광원의 방향 정보를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정 단계와, 표면 높이 및 법선 방향과 양방향 반사분포함수를 이용하여 주어진 광원 방향 및 관찰 방향에서 취득될 수 있는 영상을 생성하는 중간시점 영상 생성 단계, 및 중간시점 영상 생성 단계에서 생성된 중간시점 영상의 밝기 값을 분석하여 주어진 광원과 관찰자의 위치에서의 거칠기를 분석하는 거칠기 분석 단계를 포함한다.
상기 광 조사단계에서는 상기 광원을 이용하여 복수의 방향에서 상기 시료를 향하여 순차적으로 빛을 조사할 수 있다.
상기 표면 높이 분석 단계는 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상에서 픽셀의 밝기 값을 이용하여 광원 위치를 구하고, 광원 위치 벡터로부터 픽셀의 반사율을 분석할 수 있다.
상기 중간시점 영상 생성 단계는 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도를 구하고 이에 대한 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값을 중간시점 영상의 밝기 값으로 하여 중간시점 영상을 생성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 복수 개의 광원을 이용하여 시료의 표면 거칠기를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 중간시점 제작을 통해서 특정 방향에서 빛이 입사될 때, 관찰자가 인지하는 표면 거칠기를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 거칠기 분석 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 걸치기 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 시료에 대한 광원 위치 벡터를 나타낸 도면이다.
도 4는 광원에서 입사되는 빛의 각도를 나타낸 도면이다.
도 5는 시료로 입사되는 빛의 입사각과 출사각을 나타낸 도면이다.
도 6은 광원의 위치를 나타내는 벡터와 관찰자의 위치를 나타내는 벡터를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 거칠기 측정 장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 표면 거칠기 측정 장치(100)는 복수 개의 광원(120)과, 시료를 촬영하는 촬영부(130)와, 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석부(140)와, 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정부(150), 및 기 설정된 광원 방향 및 관찰 방향에서의 중간시점 영상을 생성하는 중간시점 영상 생성부(160), 및 미리 설정된 관찰 방향에서의 표면 거칠기를 측정하는 거칠기 분석부(170)를 포함한다.
광원(120)은 적어도 2개 이상의 광원이 시료(110)에 각도를 가지고 빛을 입사시킬 수 있도록 설치되며, 광원(120)은 형광등, LED, 백열등 등 다양한 광원으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따른 표면 거칠기 측정 장치(100)는 4개의 광원을 가지나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 표면 거칠기 측정 장치(100)는 2개 이상의 광원을 가지는 것으로 충분하다. 광원(120)은 시료에 대하여 개수에 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 광원(120)은 하나씩 순차적으로 발광하며 촬영부(130)는 각 광원이 발광할 때, 광원에 의한 시료의 표면을 촬영한다.
촬영부(130)는 이미지 센서를 갖는 카메라로 이루어지며, 촬영부(130)는 이미지 또는 동영상을 포함하는 개념인 영상을 촬영할 수 있는 장치로 이루어진다. 여기서 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS 등 다양한 이미지 센서가 적용될 수 있다. 촬영부(130)는 하나 또는 둘 이상이 설치될 수 있다.
표면 높이 분석부(140)는 촬영부(130)에서 촬영된 영상을 이용하여 시료(110)의 반사율과 시료(110) 표면의 법선 벡터를 구하고 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석한다.
도 3에 도시된 바와 같이, k번째 광원(120)의 위치를 나타내는 벡터를
Figure 112011049839425-pat00001
라고 하면, 광원(120)의 위치를 나타내는 N개의벡터를 하나의 행렬 V로 아래의 [수학식 1] 과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011049839425-pat00002
k번째 광원(120)을 사용하여 취득한 영상의
Figure 112011049839425-pat00003
위치의 픽셀의 밝기 값을
Figure 112011049839425-pat00004
라도 하면,
Figure 112011049839425-pat00005
개의 영상의
Figure 112011049839425-pat00006
픽셀의 밝기 값을 모아 하나의 벡터
Figure 112011049839425-pat00007
로 아래의 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011049839425-pat00008
픽셀의 밝기 값을 I(x,y), 물체의 반사율을 V, 광원의 위치를
Figure 112011049839425-pat00009
라 할 때, 이들의 관계는 아래의 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112011049839425-pat00010
3개 이상의 광원을 이용하여 얻어진 영상을 이용하면 위의 [수학식 3]으로부터
Figure 112011049839425-pat00011
를 구해낼 수 있다.
Figure 112011049839425-pat00012
를
Figure 112011049839425-pat00013
픽셀에서의 반사율이라 할 때, 반사율과 광원의 위치는 아래의 [수학식 4]와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112011049839425-pat00014
상기한 [수학식 4]를 이용하여 픽셀의 반사율
Figure 112011049839425-pat00015
을 분석할 수 있다.
N(x,y)를 법선 벡터라 할 때, 법선 벡터와 광원(120)의 위치는 아래의 [수학식 5]와 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112011049839425-pat00016
상기한 [수학식 5]를 이용하여 법선 벡터를 구할 수 있으며, 이러한 법선 벡터를 적분하여 시료의 표면 높이를 구할 수 있다.
양방향 반사 분포함수 추정부(150)는 촬영부(130)에서 촬영된 영상과 표면 높이 분석부(140)에서 측정된 법선 벡터의 각도와 광원 방향 정보를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 입사되는 각도를 기준으로 XY 평면에 대한 각을 θ, Z축에 대한 각을 Φ라 한다.
도 5에 도시된 바와 같이 N개의 광원(120)을 이용하여 취득된 영상과 법선 벡터 N(x,y)를 이용하여 광원(120)이 입사하는 각도
Figure 112011049839425-pat00017
와 빛이 촬영부(130)의 위치로 반사되어 출사하는 각도
Figure 112011049839425-pat00018
를 구할 수 있다. 이때의 밝기 값
Figure 112011049839425-pat00019
를 양방향 각도
Figure 112011049839425-pat00020
에 대하여 기록한다. 축적된 양방향 각도에 대한 밝기 값 기록들은
Figure 112011049839425-pat00021
의 파장을 갖는 광원(120)에 대한 양방향 반사 분포함수
Figure 112011049839425-pat00022
가 된다.
중간시점 영상 생성부(160)는 광원방향 및 관찰방향을 설정하고 표면 높이 및 법선 방향과 양방향 반사분포함수를 이용하여 주어진 광원방향 및 관찰 방향에서 취득될 수 있는 영상을 생성한다.
도 6에 도시된 바와 같이 광원(120)의 위치를 나타내는 벡터
Figure 112011049839425-pat00023
와 관찰자의 위치를 나타내는 벡터
Figure 112011049839425-pat00024
가 정해지면, 법선 벡터
Figure 112011049839425-pat00025
와 이들 벡터간의 관계로부터
Figure 112011049839425-pat00026
픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도
Figure 112011049839425-pat00027
와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도
Figure 112011049839425-pat00028
를 구할 수 있다. 구해진 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값
Figure 112011049839425-pat00029
을 중간시점 영상의 밝기 값
Figure 112011049839425-pat00030
으로 이용하여 중간시점 영상을 생성한다. 즉, 중간시점 영상은 촬영된 영상에서 설정된 관찰자의 위치에 따라 변화한 밝기 값이 적용된 영상이 된다.
거칠기 분석부(170)는 생성된 중간시점 영상의 밝기 값을 분석하여 주어진 광원(120)과 관찰자의 위치에서 시료(110)의 표면 거칠기를 분석한다. 예를 들어 생성된 중간시점 영상 밝기 값의 변화, 분산 등을 이용하여 표면 거칠기를 분석, 측정할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 복수 개의 광원(120)을 이용하여 시료(110)의 표면을 촬영하고, 이에 대한 중간시점 영상을 생성하므로 중간시점 영상을 통해서 더욱 정밀한 표면 거칠기를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 관찰자의 위치에서 관찰자가 인지하는 표면 거칠기를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 거칠기 분석 방법은 광 조사 단계(S101)와 영상 획득 단계(S102)와, 표면 높이 분석 단계(S103), 양방향 반사 분포함수 추정 단계(S104)와 중간시점 영상 생성 단계(S105), 및 거칠기 분석 단계(S106)를 포함한다.
광 조사 단계(S101)는 복수 개의 광원(120)을 이용하여 시료에 순차적으로 광을 조사한다.
영상 획득 단계(S102)는 촬영부(130)를 이용하여 각 광원(120)에서 빛이 조사될 때, 시료(110) 표면의 영상을 촬영하여 저장한다. 이때의 영상은 사진일 수 있으며, 동영상일 수도 있다.
표면 높이 분석 단계(S103)에서는 촬영부(130)에서 촬영된 영상을 이용하여 시료(110)의 반사율과 시료(110) 표면의 법선 벡터를 구하고 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석한다. 또한, 표면 높이 분석 단계(S103)에서는 픽셀의 밝기 값을 이용하여 광원 위치를 구하고, 광원 위치 벡터로부터 반사율을 구한다.
양방향 반사 분포함수 추정 단계(S104)는 영상 획득 단계(S102)에서 촬영된 영상과 표면 높이 분석 단계(S103)에서 측정된 법선 벡터의 각도와 광원(120)의 방향 정보를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정한다.
광원(120)이 입사하는 각도와 빛이 촬영부의 위치로 반사되어 출사하는 각도를 구할 수 있으며, 이때의 밝기 값을 양방향 각도에 대하여 기록하면,
Figure 112011049839425-pat00031
의 파장을 갖는 광원(120)에 대한 양방향 반사 분포함수
Figure 112011049839425-pat00032
가 된다.
중간시점 영상 생성 단계(S105)는 표면 높이 및 법선 방향과 양방향 반사분포함수를 이용하여 주어진 광원 방향 및 관찰 방향에서 취득될 수 있는 영상을 생성한다. 중간시점 영상 생성 단계(S105)에서는 구해진 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값
Figure 112011049839425-pat00033
을 중간시점 영상의 밝기 값
Figure 112011049839425-pat00034
으로 이용하여 중간시점 영상을 생성한다.
거칠기 분석 단계(S106)는 중간시점 영상 생성 단계(S105)에서 생성된 중간시점 영상의 밝기 값을 분석하여 주어진 광원과 관찰자의 위치에서의 거칠기를 분석한다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 중간시점 영상 생성 단계를 통해서 관찰자의 위치에서 시료의 거칠기를 측정할 수 있다. 또한, 복수개의 조명을 이용하여 거칠기를 분석하므로 조명의 각도에 따라 거칠기가 달라지는 문제를 해결할 수 있으며, 복수 개의 조명의 밝기를 비교하여 상대적인 거칠기를 용이하게 측정할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 표면 거칠기 측정 장치 110: 시료
120: 광원 130: 촬영부
140: 표면 높이 분석부 150: 반사 분포함수 추정부
160: 중간시점 영상 생성부 170: 거칠기 분석부

Claims (8)

  1. 복수 개의 광원;
    시료를 촬영하는 촬영장치;
    상기 촬영장치에서 촬영된 영상을 이용하여 상기 시료 표면의 법선 벡터를 구하고 상기 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석부;
    상기 촬영장치에서 촬영된 영상과 상기 법선 벡터를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정부;
    상기 법선 벡터, 상기 표면 높이, 및 상기 양방향 반사 분포함수를 이용하여 기 설정된 광원 방향 및 관찰 방향에서의 중간시점 영상을 제작하는 중간시점 영상 생성부; 및
    상기 중간시점 영상의 밝기 값 분포를 이용하여 기 설정된 관찰 방향에서의 표면 거칠기를 측정하는 거칠기 분석부;
    를 포함하며,
    상기 표면 높이 분석부는 상기 촬영장치에서 촬영된 영상에서 픽셀의 밝기 값을 이용하여 광원 위치를 구하고, 광원 위치 벡터로부터 픽셀의 반사율을 분석하는 표면 거칠기 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    광원은 복수의 방향에서 상기 시료를 향하여 순차적으로 빛을 조사하는 표면 거칠기 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 중간시점 영상 생성부는 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도를 구하고 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도에 대한 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값을 중간시점 영상의 밝기 값으로 하여 중간시점 영상을 생성하는 표면 거칠기 측정 장치.
  5. 복수 개의 광원에서 빛이 조사될 때 촬영장치가 시료의 영상을 촬영하는 영상 획득 단계;
    표면 높이 분석부가 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상을 이용하여 상기 시료 표면의 법선 벡터를 구하고 상기 법선 벡터를 이용하여 표면 높이를 분석하는 표면 높이 분석 단계;
    양방향 반사 분포함수 추정부가 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상과 상기 표면 높이 분석 단계에서 측정된 법선 벡터의 각도와 광원의 방향 정보를 이용하여 양방향 반사분포함수(BRDB)를 추정하는 양방향 반사 분포함수 추정 단계;
    중간시점 영상 생성부가 표면 높이 및 법선 방향과 양방향 반사분포함수를 이용하여 주어진 광원 방향 및 관찰 방향에서 취득될 수 있는 영상을 생성하는 중간시점 영상 생성 단계; 및
    거칠기 분석부가 중간시점 영상 생성 단계에서 생성된 중간시점 영상의 밝기 값을 분석하여 주어진 광원과 관찰자의 위치에서의 거칠기를 분석하는 거칠기 분석 단계;
    를 포함하며,
    상기 표면 높이 분석 단계에서는 상기 표면 높이 분석부가 상기 영상 획득 단계에서 촬영된 영상에서 픽셀의 밝기 값을 이용하여 광원 위치를 구하고, 광원 위치 벡터로부터 픽셀의 반사율을 분석하는 표면 거칠기 측정 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 영상 획득 단계에서는 복수 개의 광원이 복수의 방향에서 상기 시료를 향하여 순차적으로 빛을 조사하는 표면 거칠기 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 중간시점 영상 생성 단계에서는 중간시점 영상 생성부가 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도를 구하고 픽셀의 표면에 입사하는 광원의 각도와 표면에서 관찰자 위치로 반사되는 각도에 대한 양방향 각도에 해당하는 양방향 반사 분포함수의 값을 중간시점 영상의 밝기 값으로 하여 중간시점 영상을 생성하는 표면 거칠기 측정 방법.
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