3차원의 표면 형상 측정 기술은 장비의 정밀도, 해상도 및 신뢰도가 높아짐에 따라 산업현장에서 정밀 부품의 측정 기술에 사용되어지고 있다. 뿐만 아니라 인체의 크기 및 형태의 스캔을 통한 의학 및 의류산업, 지능형 로봇의 제어, 위험지역 무인 운송 시스템의 방해물 및 지형도 확인, ...
3차원의 표면 형상 측정 기술은 장비의 정밀도, 해상도 및 신뢰도가 높아짐에 따라 산업현장에서 정밀 부품의 측정 기술에 사용되어지고 있다. 뿐만 아니라 인체의 크기 및 형태의 스캔을 통한 의학 및 의류산업, 지능형 로봇의 제어, 위험지역 무인 운송 시스템의 방해물 및 지형도 확인, 가상현실 구현, 비파괴 검사, 역공학에 의한 유지 보수 등 여러 분야에서 광범위하게 연구 개발 및 사용되고 있다.[1,22-23] 이러한 3차원의 표면 형상 측정 기술은 초기 접촉식 센서를 통해 물체 표면에 접촉시켜 표면 형상을 확인하였다. 하지만 이는 속도가 느리고 접촉부위가 국소적으로 넓은 면적에 적용하기 힘들며, 작은 압력에도 표면에 손상을 입힐 수 있는 영역에서는 사용이 불가능하다는 단점이 있다. 때문에 광학을 바탕으로 한 비접촉식의 기술이 많은 발전을 거듭하고 있으며 측정 정밀도, 측정 시간, 측정 물체의 특성 등에 따라 다양한 방식으로 발전하고 있다.[1,4,6] 광학적 비접촉 3차원 형상 측정 방법(Optical Non-contacting 3-D Profile Measurement Method)[1]은 레이저 라인 스캔 방식[2], 홀로그래피[3], 스패로그래피[4], 전자 스페클 간섭계[5-6], 무아레 방법[7-8] 등 빛의 특징이나 종류에 따라 다양하다. 근래에는 정현파 무늬를 투영하여 형상 정보를 얻는 정현파 무늬 반사 기술(Fringe Reflection Technique)[9-13]이 대표적이다. 이는 정현파 무늬를 측정하고자하는 물체에 투사시켜 물체의 형태에 따라 변형된 무늬를 영상장치를 통해 획득하고, 일련의 위상 추출 과정을 통해 위상맵을 얻는다. 이를 토대로 물체의 표면 높이 및 기울기를 확인하는 방법이다.[14-15] 정현파 무늬 반사 기술은 무늬를 투사하는 투사계와 변형된 무늬를 획득하는 카메라와 같은 결상장치가 필요하다. 이 측정 시스템에서 영상 결상 장치는 비접촉 3차원 표면 형상 측정에서 매우 중요한 부분으로서 측정 물체의 형상 데이터에 많은 영향을 미친다. 대부분의 머신비전에서 CCD 카메라를 사용하고 있으며, 형상 이미지 획득에 있어서 CCD 카메라의 발전에 따라 더욱더 높은 분해능을 가질 수 있게 되었다. 하지만 이에 따른 영상의 왜곡도 무시할 수 없는 부분이다. 이를 위한 카메라의 보정은 영상처리 분야에서는 거의 필수적이다. 시야각이 넓은 광각렌즈나 어안렌즈를 사용하면 사각이 증가해 넓은 범위를 볼 수 있지만 상대적으로 영상 왜곡은 심해진다. 이러한 영상 왜곡은 시각적으로도 문제가 되지만 분석을 통해 물체의 높이나 위치 정보를 얻는데 큰 오차를 발생시킨다. 때문에 카메라 보정 및 왜곡 보정은 이미지 처리, 컴퓨터 비전, 머신 비전 분야 등에서 매우 중요하다.[29] 이미지 획득에 사용되는 CCD 카메라의 영상 왜곡을 보정하기 위해서는 카메라의 내․외부 매개변수값들을 구하여, 적용시키는 방법을 사용한다. 대표적인 카메라 보정 방식은 3차원 공간에서 물체나 평면을 촬영하여 데이터를 얻는 항공 사진 측량 시스템[34], 고정된 화면에서 카메라를 이동하여 데이터를 얻는 셀프 보정 시스템[35-37], 카메라를 고정시킨 상태에서 다양한 각도에서 촬영한 체스판을 이용하여 데이터를 얻는 데스크톱 비전 시스템[38]으로 나뉜다. 본 논문에서는 다양한 광학적 비접촉 3차원 형상 측정 방법 중 정현파 무늬를 사용하여, 반사식 푸리에 변환 형상 측정 방법(Fourier Transform Profilometry, FTP)[14-27] 방법을 통해 위상맵을 얻었다. 획득한 위상 정보로부터 측정 및 계산된 물체 표면의 3차원 높이 정보를 확인하였다. 또한 데스크톱 비전 시스템을 사용하여 보정하지 않은 정현파 무늬와 보정된 정현파 무늬를 생성하였다.[30,38,41-44] 이를 통해 같은 조건일 때 선 보정된 무늬를 통해 획득한 위상맵의 차이점을 확인하였다. 정밀 측정을 위하여 이동 스테이지를 이용한 변위에 따른 위상맵을 획득하고, 그 특징과 정밀도를 분석하였다. 이와 더불어 획득한 위상맵으로부터 물체 표면의 3차원 높이 정보를 정밀하게 나타내기 위한 위상과 높이간의 환산 보정 데이터를 시뮬레이션 하였다. 이 일련의 과정을 통하여 푸리에 변환법을 이용한 3차원 표면 측정에서 카메라 영상 보정 및 보정계수의 적용과 정밀도에 대해 알아보았다.
3차원의 표면 형상 측정 기술은 장비의 정밀도, 해상도 및 신뢰도가 높아짐에 따라 산업현장에서 정밀 부품의 측정 기술에 사용되어지고 있다. 뿐만 아니라 인체의 크기 및 형태의 스캔을 통한 의학 및 의류산업, 지능형 로봇의 제어, 위험지역 무인 운송 시스템의 방해물 및 지형도 확인, 가상현실 구현, 비파괴 검사, 역공학에 의한 유지 보수 등 여러 분야에서 광범위하게 연구 개발 및 사용되고 있다.[1,22-23] 이러한 3차원의 표면 형상 측정 기술은 초기 접촉식 센서를 통해 물체 표면에 접촉시켜 표면 형상을 확인하였다. 하지만 이는 속도가 느리고 접촉부위가 국소적으로 넓은 면적에 적용하기 힘들며, 작은 압력에도 표면에 손상을 입힐 수 있는 영역에서는 사용이 불가능하다는 단점이 있다. 때문에 광학을 바탕으로 한 비접촉식의 기술이 많은 발전을 거듭하고 있으며 측정 정밀도, 측정 시간, 측정 물체의 특성 등에 따라 다양한 방식으로 발전하고 있다.[1,4,6] 광학적 비접촉 3차원 형상 측정 방법(Optical Non-contacting 3-D Profile Measurement Method)[1]은 레이저 라인 스캔 방식[2], 홀로그래피[3], 스패로그래피[4], 전자 스페클 간섭계[5-6], 무아레 방법[7-8] 등 빛의 특징이나 종류에 따라 다양하다. 근래에는 정현파 무늬를 투영하여 형상 정보를 얻는 정현파 무늬 반사 기술(Fringe Reflection Technique)[9-13]이 대표적이다. 이는 정현파 무늬를 측정하고자하는 물체에 투사시켜 물체의 형태에 따라 변형된 무늬를 영상장치를 통해 획득하고, 일련의 위상 추출 과정을 통해 위상맵을 얻는다. 이를 토대로 물체의 표면 높이 및 기울기를 확인하는 방법이다.[14-15] 정현파 무늬 반사 기술은 무늬를 투사하는 투사계와 변형된 무늬를 획득하는 카메라와 같은 결상장치가 필요하다. 이 측정 시스템에서 영상 결상 장치는 비접촉 3차원 표면 형상 측정에서 매우 중요한 부분으로서 측정 물체의 형상 데이터에 많은 영향을 미친다. 대부분의 머신비전에서 CCD 카메라를 사용하고 있으며, 형상 이미지 획득에 있어서 CCD 카메라의 발전에 따라 더욱더 높은 분해능을 가질 수 있게 되었다. 하지만 이에 따른 영상의 왜곡도 무시할 수 없는 부분이다. 이를 위한 카메라의 보정은 영상처리 분야에서는 거의 필수적이다. 시야각이 넓은 광각렌즈나 어안렌즈를 사용하면 사각이 증가해 넓은 범위를 볼 수 있지만 상대적으로 영상 왜곡은 심해진다. 이러한 영상 왜곡은 시각적으로도 문제가 되지만 분석을 통해 물체의 높이나 위치 정보를 얻는데 큰 오차를 발생시킨다. 때문에 카메라 보정 및 왜곡 보정은 이미지 처리, 컴퓨터 비전, 머신 비전 분야 등에서 매우 중요하다.[29] 이미지 획득에 사용되는 CCD 카메라의 영상 왜곡을 보정하기 위해서는 카메라의 내․외부 매개변수값들을 구하여, 적용시키는 방법을 사용한다. 대표적인 카메라 보정 방식은 3차원 공간에서 물체나 평면을 촬영하여 데이터를 얻는 항공 사진 측량 시스템[34], 고정된 화면에서 카메라를 이동하여 데이터를 얻는 셀프 보정 시스템[35-37], 카메라를 고정시킨 상태에서 다양한 각도에서 촬영한 체스판을 이용하여 데이터를 얻는 데스크톱 비전 시스템[38]으로 나뉜다. 본 논문에서는 다양한 광학적 비접촉 3차원 형상 측정 방법 중 정현파 무늬를 사용하여, 반사식 푸리에 변환 형상 측정 방법(Fourier Transform Profilometry, FTP)[14-27] 방법을 통해 위상맵을 얻었다. 획득한 위상 정보로부터 측정 및 계산된 물체 표면의 3차원 높이 정보를 확인하였다. 또한 데스크톱 비전 시스템을 사용하여 보정하지 않은 정현파 무늬와 보정된 정현파 무늬를 생성하였다.[30,38,41-44] 이를 통해 같은 조건일 때 선 보정된 무늬를 통해 획득한 위상맵의 차이점을 확인하였다. 정밀 측정을 위하여 이동 스테이지를 이용한 변위에 따른 위상맵을 획득하고, 그 특징과 정밀도를 분석하였다. 이와 더불어 획득한 위상맵으로부터 물체 표면의 3차원 높이 정보를 정밀하게 나타내기 위한 위상과 높이간의 환산 보정 데이터를 시뮬레이션 하였다. 이 일련의 과정을 통하여 푸리에 변환법을 이용한 3차원 표면 측정에서 카메라 영상 보정 및 보정계수의 적용과 정밀도에 대해 알아보았다.
The optical non-contact 3-D shape measurement method is being extensively researched, developed, and applied in many fields owing to its improving precision, resolution, and reliability. The objective of this study is to obtain data for the surface morphology of a 3-D object and for CCD camera disto...
The optical non-contact 3-D shape measurement method is being extensively researched, developed, and applied in many fields owing to its improving precision, resolution, and reliability. The objective of this study is to obtain data for the surface morphology of a 3-D object and for CCD camera distortion correction based on chessboard and sinusoidal patterns. In this study, we obtained a phase map with the reflective Fourier transform profilometry (FTP) method using the sinusoidal pattern, one of the various optical non-contact 3-D shape measurement methods. Through this process, we verified the computed and measured 3-D height information of an object surface from the phase map. To correct the image distortion of the CCD camera during image acquisition, we generated sinusoidal patterns before and after correction with the computer vision system using a chessboard, which is one of the camera correction schemes. By comparing the two patterns under the same conditions, we obtained the phase map of an object and confirmed the difference. To achieve high-precision measurement, we also obtained a displacement-based phase map using the moving stage and analyzed its features and precision. In addition, we simulated the conversion calibration data between the phase and the height and displayed the 3-D height information of an object surface from the obtained phase map. In this sequential process, we study the camera image correction and the application and accuracy of the calibration coefficients in the 3-D surface measurement using FTP.
The optical non-contact 3-D shape measurement method is being extensively researched, developed, and applied in many fields owing to its improving precision, resolution, and reliability. The objective of this study is to obtain data for the surface morphology of a 3-D object and for CCD camera distortion correction based on chessboard and sinusoidal patterns. In this study, we obtained a phase map with the reflective Fourier transform profilometry (FTP) method using the sinusoidal pattern, one of the various optical non-contact 3-D shape measurement methods. Through this process, we verified the computed and measured 3-D height information of an object surface from the phase map. To correct the image distortion of the CCD camera during image acquisition, we generated sinusoidal patterns before and after correction with the computer vision system using a chessboard, which is one of the camera correction schemes. By comparing the two patterns under the same conditions, we obtained the phase map of an object and confirmed the difference. To achieve high-precision measurement, we also obtained a displacement-based phase map using the moving stage and analyzed its features and precision. In addition, we simulated the conversion calibration data between the phase and the height and displayed the 3-D height information of an object surface from the obtained phase map. In this sequential process, we study the camera image correction and the application and accuracy of the calibration coefficients in the 3-D surface measurement using FTP.
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