KR101562467B1 - 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 스마트 폰; 상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 대상 물체에 격자 무늬를 형성하도록 격자 무늬의 영상을 송출하는 프로젝터; 상기 스마트 폰의 일면에 구비되며, 상기 대상 물체로부터 반사되는 격자 무늬의 영상을 촬영하는 카메라; 상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 상기 프로젝터에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체로 반사시키는 반사경; 상기 카메라와 상기 대상 물체 사이의 거리를 측정하는 거리측정수단; 및 상기 스마트 폰에 구비되며, 상기 카메라에서 촬영한 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 프로젝터에는 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device)가 구비되며, 상기 DMD는 다수 개의 미세 거울을 제어하여 위상 천이가 수행된 격자 이미지를 발산하고, 상기 영상 처리부는 위상 확장 기법과 격자 이미지 오버랩 매칭 기법을 이용하여 영상 처리 시 발생되는 오류를 보정하는 것을 특징으로 하는 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.
따라서, 프로젝터와 DMD를 이용하여 격자를 생성하기 때문에 이미지의 격자 무늬 간격의 조절을 통해 형상 정밀도의 조절이 가능하고, 거리측정수단을 이용하여 대상 물체의 정확한 치수를 측정할 수 있다.

Description

스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치{3 dimensional measurement device using smart phone}

본 발명은 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모아레 현상에 기초한 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.

대한민국 등록특허 제0982050호에 기재된 배경기술을 참조하면, 종래 관찰 대상물의 높이를 측정할 수 있는 3차원 형상 측정 방법이 다수 제안되었다. 제안된 기술로는 광삼각법(optical triangulation), 광촉침식(optical profilometry), 공초점현미경(confocal microscopy), 모아레(moire) 무늬 등을 이용한 비접촉식 측정법 등이 있다. 상기 기술들은 대상물에 손상을 입히지 않는 장점으로 인하여 널리 이용되고 있었다.

상기 3차원 형상 측정 방법 중 모아레 무늬를 이용한 형상 측정 방식은 측정하고자 하는 물체의 표면에 일정 형태를 가지는 두 개 이상의 주기적인 패턴이 겹쳐지는 간섭 무늬를 측정 및 해석하여 물체 표면의 높이에 대한 정보를 획득하는 것이다.

일반적으로, 모아레 무늬를 이용한 3차원 형상 측정 방법에는 그림자식 모아레(shadow moire)와 투영식 모아레(projection moire) 방법으로 구분된다.

상기 그림자식 모아레(shadow moire)는 렌즈를 사용하지 않고 피사체의 표면에 나타나는 격자무늬의 그림자로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피사체의 형상을 측정하는 방식이고, 투영식 모아레(projection moire)는 피사체의 백색광 내지는 단색광 프로젝터를 이용하여 격자패턴을 주사하고 물체의 형상에 따라 변형되어진 격자 이미지를 주사하여 한 격자와 동일한 피치를 가지는 기준격자에 겹침으로써 모아레 무늬를 획득하는 기술이 있었다.

그러나, 상술한 그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피사체를 충분히 근접시킬 수 있는 경우에만 적용되는 문제점이 있었다.

아울러, 상술한 투영식 모아레는 격자의 크기에 의해서 대상 물체의 크기가 제한받지 않고, 작은 높이 차를 갖는 미세한 물체의 측정 시 물체에 가까이 위치시켜야 하는 제한이 없기 때문에 선호되고 있지만, 투영식 모아레 방식은 일정한 각도로 기울여서 피사체에 격자무늬를 투영하므로 상기 기울어진 각도에 의해서 피사체의 높이에 의해 투영되는 곳의 반대편은 그림자가 발생되며, 상기 발생된 그림자를 제거하기 위하여 한쪽 투영방식에서 투영체를 중심으로 양쪽에서 격자무늬를 투영하는 방식이 사용되었다.

종래에는 액추에이터와 같은 기계적인 장치를 이용하여 위상 천이를 수행한 격자 이미지를 이용하여 3차원 형상을 측정하였다.

그러나, 기계적인 방식으로 위상 천이를 수행하는 경우, 위치 에러값 때문에 정밀한 결과를 얻는데 한계가 있으며, 위상 천이 속도가 느리고, 격자 이미지의 간격을 조절하기도 복잡한 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 정밀한 방식으로 위상 천이를 수행하여 격자 무늬의 조절을 통해 형상 정밀도의 조절이 가능하고 위상 천이 영상을 카메라로 촬영할 수 있는 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 스마트 폰; 상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 대상 물체에 격자 무늬를 형성하도록 격자 무늬의 영상을 송출하는 프로젝터; 상기 스마트 폰의 일면에 구비되며, 상기 대상 물체로부터 반사되는 격자 무늬의 영상을 촬영하는 카메라; 상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 상기 프로젝터에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체로 반사시키는 반사경; 상기 카메라와 상기 대상 물체 사이의 거리를 측정하는 거리측정수단; 및 상기 스마트 폰에 구비되며, 상기 카메라에서 촬영한 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 프로젝터에는 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device)가 구비되며, 상기 DMD는 다수 개의 미세 거울을 제어하여 위상 천이가 수행된 격자 이미지를 발산하고, 상기 영상 처리부는 위상 확장 기법과 격자 이미지 오버랩 매칭 기법을 이용하여 영상 처리 시 발생되는 오류를 보정하는 것을 특징으로 하는 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 반사경은 상기 프로젝터에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체로 경사지게 반사시킬 수 있다.

삭제

상기 거리측정수단으로는 레이저 변위 센서 또는 초음파 센서와 같은 거리측정센서가 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치는 프로젝터와 DMD를 이용하여 격자를 생성하기 때문에 이미지의 격자 무늬 간격의 조절을 통해 형상 정밀도의 조절이 가능하고, 거리측정수단을 이용하여 대상 물체의 정확한 치수를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 따른 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 대상 물체를 측정하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 프로젝터 또는 DMD가 위상 천이 방식에 따라 격자 이미지를 생성하는 일례를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 영상 처리부에서 측정 오류가 발생한 지점을 측정하는 기법의 개념을 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명의 따른 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 대상 물체를 측정하는 상태를 개략적으로 도시한 도면, 도 2 내지 도 5는 프로젝터 또는 DMD가 위상 천이 방식에 따라 격자 이미지를 생성하는 일례를 도시한 도면, 도 6 내지 도 8은 영상 처리부에서 측정 오류가 발생한 지점을 측정하는 기법의 개념을 설명하는 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치(100)는, 스마트 폰(110)과, 프로젝터(120)와, 카메라(130)와, 반사경(140)과, 거리측정수단(150)를 포함하며, 영상 처리부(160)를 더 포함할 수 있다.

상기 스마트 폰(110)은 시중에 널리 유통되는 스마트 폰을 말하며, 상기 스마트 폰(110)의 일면에는 카메라(130)가 일체로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 스마트 폰(110)는 일반적인 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 스마트 폰(110)의 일단에는 프로젝터(120)가 구비되며, 상기 프로젝터(120)는 형상을 측정하고자 하는 대상 물체(10)에 격자 무늬를 형성하도록 격자 무늬의 영상을 송출하는 역할을 한다. 상기 프로젝터(120)에는 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device;122)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 DMD(Digital Micromirror Device;122)는 다수개의 미세 거울을 제어하여 위상 천이가 수행된 격자 이미지를 발산하는 역할을 하며, 상기 DMD(122)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여, 수십 만개의 미세 거울을 반도체 칩으로 집적화시킨 장비로서, 광 변조 등의 다양한 동작을 수행한다.

별도의 광원(미도시)을 통해 발산된 빛이 DMD에 입력되는 경우, 상기 DMD(122)는 상기 광원(미도시)에 의한 빛을 이용하여 격자 이미지를 발산할 수 있다. 도 2 내지 도 5는 DMD(122)가 위상 천이(PSI) 방식에 따라 격자 이미지를 생성하는 일례를 나타낸다. 광원의 빛을 반사/무반사 시키도록, 도시된 바와 같이, 1024*768 개의 픽셀 수를 가지는 DMD(122)의 픽셀을 선택적으로 On/Off 시켜 격자 이미지를 생성하고, 이를 DMD(122)의 내부 또는 외부에 구비되는 프로젝션 렌즈(124)를 통해 측정 대상물 등에 투영할 수 있다.

도 2 내지 도 5에 도시된 각각의 격자 이미지는 서로 λ/4 만큼의 위상차가 발생하므로, 도 2 내지 도 5와 같은 4개의 격자 이미지를 순차적으로 투영한 이후, 순차적으로 투영된 격자 이미지가 반사된 결과를 종래의 위상 천이 기법(PSI)에 따라 처리하여 3차원 영상을 획득할 수 있다.

본 발명에 따른 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치(100)는 DMD(122)를 이용하여 격자 이미지를 생성하므로, 기계적인 방법으로 격자 이미지를 생성하던 종래 기법에 비해, 격자 이미지의 위상 천이를 신속하게 수행할 수 있고, 소프트웨어적인 간단한 제어를 통해 격자 이미지의 간격(Pitch)을 용이하게 제어할 수 있으며, 기계적인 오차 없이 정확한 격자 이미지의 생성이 가능하다.

특정한 시계(field of view) 상의 측정 대상물을 측정하는 경우, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 간격(Pitch)를 갖는 격자 이미지를 순차적으로 투영한다. 격자 이미지의 간격은 분해능과 관련되므로, 우선 정밀한 측정을 위해 상대적으로 작은 크기의 간격으로 격자 이미지를 생성하고, 만약 측정 대상물의 높이의 측정범위가 기존 격자 이미지의 간격으로 측정 불가한 경우, 격자 이미지의 간격을 증가시키는 것이 바람직하다.

상기 스마트 폰(110)의 일면에는 카메라(130)가 구비되며, 상기 카메라(130)는 대상 물체(10)로부터 반사되는 격자 무늬의 영상을 촬영하는 역할을 한다. 상기 카메라(130)는 상기 스마트 폰(110)의 일면에 일체로 구비되는 것이 바람직하며, 상기 카메라(130)는 일반적인 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 프로젝터(120)가 구비되는 상기 스마트 폰(110)의 일단에는 반사경(140)이 구비된다. 상기 반사경(140)은 상기 프로젝터(120)에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체(10)로 반사시키는 역할을 하며, 상기 반사경(140)은 상기 프로젝터(120)에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체(10)로 경사지게 반사시켜 투영하는 역할을 한다. 상기 반사경(140)을 통해 상기 대상 물체(10)로 투영된 격자 이미지는 상기 카메라(130)를 통해 촬영되게 된다.

상기 카메라(130)가 구비되는 상기 스마트 폰(110)의 일면에는 거리측정수단(150)이 구비되며, 상기 거리측정수단(150)은 상기 카메라(130)와 상기 대상 물체(10) 사이의 거리를 측정하는 역할을 한다.

상기 거리측정수단(150)으로는 레어저 변위 센서 또는 초음파 센서와 같은 거리측정센서가 이용되는 것이 바람직하며, 상기 거리측정수단(150)이 구비됨으로 인하여 3차원 형상을 가지는 상기 대상 물체(10)의 정확한 치수가 측정 가능해지며, 상기 거리측정수단(150)은 일반적인 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 스마트 폰(110)에는 상기 카메라(130)에서 촬영한 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부(160)가 구비되며, 상기 영상 처리부(160)에서 상기 카메라(130)에서 촬영한 복수개의 격자 이미지를 중첩시켜 최종적인 3차원 영상을 얻을 수 있다.

반사된 격자 이미지를 이용하여 3차원 영상을 얻는 방법은 종래의 위상 천이 기법(PSI)에 따를 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4와 같이, 1/4 주기로 4 개의 격자 이미지를 순차적으로 투영하는 경우, 4 개의 격자 이미지 각각에 상응하는 광 강도(I1, I2, I3, I4)를 얻을 수 있다. 이 경우, 특정한 위치(x,y)에서의 위상Φ는 다음과 같이 결정된다.

즉, 4 개의 광 강도는 해당 위치에서의 위상으로 변환되고, 해당 위치에서의 위상 값을 알게 되면, 기준 파장을 이용하여 해당 측정 위치의 높이를 산출할 수 있다.

상기 영상 처리부(160)는 상기 카메라(130)에서 1차로 촬영한 격자 이미지가 반사된 결과상에서 오류가 발생된 부분에 상기 카메라(130)가 2차로 촬영한 격자 이미지가 반사된 결과를 중첩시켜 오류 발생 부분을 보정할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 상기 영상 처리부(160)에서 측정 오류가 발생한 지점을 측정하는 기법의 개념을 설명하는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 정현파를 이용하여 위상을 획득시에, '-PI/2' 초과 'PI/2' 미만의 위상들이 하나의 주기를 이루며, 그 주기는 측정 영역을 통해 반복적으로 나타난다.

도 6의 경우는 특정한 위상 값들이 '-PI/2' 초과 'PI/2' 미만의 영역에 고정되므로 한 주기 내에서의 변화량 만을 판단할 수 있으므로, 각각의 주기들을 순차적으로 연결하는 위상 확장 기법이 적용된다.

도 7의 일례는 위상 확장 기법이 적용된 경우의 일례이다. 도시된 바와 같이, 주기가 N번째인 영역에 속하는 701 지점의 위상은 원래의 위상 A1에 (PI*N)이 더해진 값으로 결정된다. 또한, N번째인 영역에 속하는 702 지점의 위상은 원래의 위상 A2에 (PI*N)이 더해진 값으로 결정된다. 같은 방식으로 703 지점에서의 위상(원래 위상은 B1)은 B1+(PI*(N+1)), 704 지점에서의 위상(원래 위상은 B2)은 B2+(PI*(N+1))로 결정된다.

위와 같은 위상 확장 기법을 적용하면 수광된 격자 이미지의 위상은 어느 한 방향으로 계속 증가하는 방식으로 측정되어야 하지만, 도 8과 같이 측정 대상물(160)의 형상에 의해 그림자 영역이 발생하는 경우에는 위상이 계속 증가하지 않으므로 오류가 발생한 것을 알 수 있다.

위와 같이 오류가 발생한 지점은 다른 방향에서 투영하여 반사된 격자 이미지를 통해 획득한 결과로 중첩시켜 그림자 영역이 없는 측정 결과를 얻을 수 있다. 상기와 같은 위상 확장 기법 이외에도 종래에 제안된 격자 이미지 오버랩 매칭 기법 등이 추가적으로 적용되어 더 정확한 측정 결과를 얻는 것도 가능하다.

상기 프로젝터(120)가 상기 스마트 폰(110)의 일단에 구비되는 것으로 설명되었으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 9에 도시한 바와 같이 상기 프로젝터(120)가 상기 카메라(130)가 구비되는 상기 스마트 폰(110)의 일면에 구비될 수 있다. 상기 프로젝터(120)가 상기 카메라(130)가 구비되는 상기 스마트 폰(110)의 동일 면에 구비됨으로 인하여 상기 프로젝터(130)에서 조사되는 격자 무늬의 영상을 대상 물체(10)로 반사시키는 반사경(140)을 생략할 수 있게 된다. 상기 반사경(140)을 생략함으로 인하여 장치의 구성을 단순화시킬 수 있고, 그로 인한 비용을 절감시킬 수 있게 된다.

따라서, 프로젝터(120)와 DMD(122)를 이용하여 격자를 생성하기 때문에 이미지의 격자 무늬 간격의 조절을 통해 형상 정밀도의 조절이 가능하고, 거리측정수단(150)을 이용하여 대상 물체의 정확한 치수를 측정할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 스마트 폰를 이용한 3차원 형상 측정 장치
110 : 스마트 폰 120 : 프로젝터
122 : DMD 124 : 프로젝션 렌즈
130 : 카메라 140 : 반사경
150 : 거리측정수단 160 : 영상 처리부

Claims (6)

1. 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
   스마트 폰;
   상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 대상 물체에 격자 무늬를 형성하도록 격자 무늬의 영상을 송출하는 프로젝터;
   상기 스마트 폰의 일면에 구비되며, 상기 대상 물체로부터 반사되는 격자 무늬의 영상을 촬영하는 카메라;
   상기 스마트 폰의 일단에 구비되며, 상기 프로젝터에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체로 반사시키는 반사경;
   상기 카메라와 상기 대상 물체 사이의 거리를 측정하는 거리측정수단; 및
   상기 스마트 폰에 구비되며, 상기 카메라에서 촬영한 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되,
   상기 프로젝터에는 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device)가 구비되며,
   상기 DMD는 다수 개의 미세 거울을 제어하여 위상 천이가 수행된 격자 이미지를 발산하고,
   상기 영상 처리부는 위상 확장 기법과 격자 이미지 오버랩 매칭 기법을 이용하여 영상 처리 시 발생되는 오류를 보정하는 것을 특징으로 하는 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사경은 상기 프로젝터에서 송출되는 영상을 상기 대상 물체로 경사지게 반사시키는 것을 특징으로 하는 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 거리측정수단으로는 레이저 변위 센서 또는 초음파 센서와 같은 거리측정센서가 이용되는 것을 특징으로 하는 스마트 폰을 이용한 3차원 형상 측정 장치.
   

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