[논문]2대의 CCD 카메라를 이용한 새로운 3차원 형상 측정법

김장주; 정국영

2대의 CCD 카메라를 이용한 새로운 3차원 형상 측정법
A New 3D Shape Measurement Method using 2 CCD Cameras 원문보기

Accurate acquisition of surface geometries such as machined surfaces, biological surfaces, and deformed parts have been very important technique in scientific study and engineering, expecially for system design, manufacturing and inspection. Two camera method is relatively simple with an acceptable accuracy. In this paper, a new method is studied to acquire 3D geometric data of the small object such as a die in stone model. When the devices, cameras, laser beam and object are in a perfect plane, the calculation becomes very simple with less error. But this paper shows that arbitrarily positioned system can also be used to obtain 3D data.

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문제 정의

본 논문에서는 치형 표면의 3차원 형상데이터를 획득하기 위하여 치형의 영상을 두 대의 카메라로 캡쳐하여 거리를 측정하는 새로운 방법을 제안하였다. 두 영상의 2차원 좌표 값으로부터 실세계의 3차원 좌표 값을 얻는 변환 파라미터를 최소자승법으로 구하여 두 카메라의 영상좌표 값이 실세계의 좌표 값과 선형 관계가 있음을 증명하였다.
본 연구에서는 높은 분해능으로 치형을 스캔하기 위해 전용 디바이스를 제작하였다. 디바이스 구성은 모터 드라이버, 위치 검출부, 통신부 등으로 구성되고 이를 관리하는 마이크로프로세서가 탑재된 구조이다(강원찬,2001).

제안 방법

PC에 장착된 캡쳐보드를 통해 영상을 획득하여 처리하고, 다음으로 처리할 영상을 입력받기 위해 마이크로프로세서가 모터의 위치를 이동시키도록 영상처리 프로그램에서 통합 처리를 한다. 처리된 3차원 영상은 위치오차 0.
<그림 4>의 r은 식(12)에서 계산된 z값이므로 식 (14)와 같이 실세계의 3차원 좌표를 구할 수 있다. 그러나 z축에 대한 회전이 없으므로 옆면에 대한 측정이 부정확하므로 z축을 90º회전 시켜 재 측정 후 영상처리프로그램에서 매칭시켜 해결하였다.
따라서 C를 변환파라미터라 정의하고, 기지데이터를 이용하여 C파라미터를 구한다. 다섯 쌍의 정확한 점만 있으면 C파라미터가 결정되나 각 좌표 값에는 오차가 포함되어 있으므로 본 연구에서는 다수의 기지데이터를 취하여 최소자승법으로 C파라미터를 결정하였다. 식 (12)에 의해 실세계의 좌표 값이 결정되면 원점 O로 부터의 거리를 구할 수있게 된다.
하지만 외부의 충격이나 진동등에 의하여 그림 2의 설정값들이 변하면 정밀도가 감소하게된다. 따라서 카메라의 위치나 각 기구부의 거리가 정확한 값을 도출하기 어렵거나 변동이 되더라도 정확성을 유지하는 연구가 필요하다 이를 위해서 상관관계를 이용한 측정방법을 도입하였다.
카메라를 이용하여 치아의 기하학적인 정보 즉 치아표면의 좌표 값을 획득하는 방법과 이를 가공하여 수복물을 위한 설계를 자동화 할 수 있는 새로운 방법을 제안하였다. 시스템을 구현하기 위하여 레이저의 빔을 치형의 표면에 주사하여 스포트를 형성하고 그 위치를 카메라 영상으로 취하여 3차원 좌표 값을 계산하여 형상을 만들어내는 방법을 연구하였다(Nacjum et al, 1995).
제안한 시스템을 적용하여 유용성을 검증하고자 치과 수복물을 측정하는데 적용하였다. 이제까지의 치과 수복물을 제작하는 전형적인 방법은 인상을 채득하여 경석고 모형을 제작한 후, 모형에 왁스를 추가하여 납형 제작, 매몰, 소환, 주조 그리고 다듬질 및 연마하여 완성을 하였지만, 제안된 방법을 통하여 치형(die)의 정확한 데이터를 획득하여 최적의 수복물을 제작하는 방법인 치과용 CAD/CAM 시스템(Dental CAD/ CAM System)의 기술로 확장시키고자 한다(Jurgen et al,1998).
제안한 시스템을 적용하여 유용성을 검증하고자 치과 수복물을 측정하는데 적용하였다. 이제까지의 치과 수복물을 제작하는 전형적인 방법은 인상을 채득하여 경석고 모형을 제작한 후, 모형에 왁스를 추가하여 납형 제작, 매몰, 소환, 주조 그리고 다듬질 및 연마하여 완성을 하였지만, 제안된 방법을 통하여 치형(die)의 정확한 데이터를 획득하여 최적의 수복물을 제작하는 방법인 치과용 CAD/CAM 시스템(Dental CAD/ CAM System)의 기술로 확장시키고자 한다(Jurgen et al,1998).
이것은 3차원 측정프로그램의 메인 프로세스로써 영상캡쳐 보드와 디바이스에 탑재된 마이크로프로세서를 구동하여 측정한 후, 측정된 데이터를 저장하고, 차후 후처리프로그램에서 측정된 데이터를 처리하여 그래픽으로 보여주게 된다. 주 프로그램은 세 개의 쓰레드 즉 캡쳐보드 관리 프로세서, 시리얼 통신을 통한 마이컴 제어 프로세서, 3차원 좌표추출 프로세서로 구성되었다.
PC에 장착된 캡쳐보드를 통해 영상을 획득하여 처리하고, 다음으로 처리할 영상을 입력받기 위해 마이크로프로세서가 모터의 위치를 이동시키도록 영상처리 프로그램에서 통합 처리를 한다. 처리된 3차원 영상은 위치오차 0.025[mm]까지 측정이 가능하며, 영상의 해상도는 소프트웨어적으로 조절이 가능하도록 시스템을 설계하였다.
치과용 수복물의 설계시스템에 본 연구결과를 적용하기 위해 매칭 처리후 스캔된 치형에 금속물 모형을 입히는 코핑 과정을 통해 치과용 CAD/CAM 시스템을 구현 가능하도록 시뮬레이션 프로그램을 작성하였다.
그림 1에 본 논문에서 제안한 시스템의 사진을 보인다. 카메라를 이용하여 치아의 기하학적인 정보 즉 치아표면의 좌표 값을 획득하는 방법과 이를 가공하여 수복물을 위한 설계를 자동화 할 수 있는 새로운 방법을 제안하였다. 시스템을 구현하기 위하여 레이저의 빔을 치형의 표면에 주사하여 스포트를 형성하고 그 위치를 카메라 영상으로 취하여 3차원 좌표 값을 계산하여 형상을 만들어내는 방법을 연구하였다(Nacjum et al, 1995).

대상 데이터

디바이스 구성은 모터 드라이버, 위치 검출부, 통신부 등으로 구성되고 이를 관리하는 마이크로프로세서가 탑재된 구조이다(강원찬,2001). 마이크로프로세서는 원칩 마이크로프로세서인 AT89C52를 사용하였고, 스텝모터(PK-244, H-548)를 구동하기 위해 스텝모터 전용드라이버인 SLA7024AM과 L297을 사용하였고, PC의 응용 프로그램의 명령을 고속으로 처리하기 위해 고속 시리얼 통신을 사용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 치형 표면의 3차원 형상데이터를 획득하기 위하여 치형의 영상을 두 대의 카메라로 캡쳐하여 거리를 측정하는 새로운 방법을 제안하였다. 두 영상의 2차원 좌표 값으로부터 실세계의 3차원 좌표 값을 얻는 변환 파라미터를 최소자승법으로 구하여 두 카메라의 영상좌표 값이 실세계의 좌표 값과 선형 관계가 있음을 증명하였다. 여기에 필요한 변환 파라미터를 구하기 위해서는 정확하게 측정된 다섯 개 이상의 규칙성을 갖지 않는 데이터를 사용할 때 오차가 작았다.
025[mm]로 소형 물체를 측정할 수 있으나 분해능 높은 스텝모터나, 기어를 부착한 모터를 사용함으로 분해능을 자유롭게 조절이 가능하여, 소형에서 중∙대형의 3차원 측정 및 변형에 응용이 쉽고 제작가격이 매우 경제적이므로 높은 활용이 기대된다. 또한 제안한 상관관계 기법을 통한 위치측정법은 간단한 행렬연산을 통해 계산되므로 기존의 방법보다 훨씬 빠른 결과를 나타내었고, 특히 부하의 변동이나 다른 시스템으로의 적용에 이식성이 높다.
두 영상의 2차원 좌표 값으로부터 실세계의 3차원 좌표 값을 얻는 변환 파라미터를 최소자승법으로 구하여 두 카메라의 영상좌표 값이 실세계의 좌표 값과 선형 관계가 있음을 증명하였다. 여기에 필요한 변환 파라미터를 구하기 위해서는 정확하게 측정된 다섯 개 이상의 규칙성을 갖지 않는 데이터를 사용할 때 오차가 작았다.

후속연구

본 논문에서 제안된 시스템은 분해능 0.025[mm]로 소형 물체를 측정할 수 있으나 분해능 높은 스텝모터나, 기어를 부착한 모터를 사용함으로 분해능을 자유롭게 조절이 가능하여, 소형에서 중∙대형의 3차원 측정 및 변형에 응용이 쉽고 제작가격이 매우 경제적이므로 높은 활용이 기대된다. 또한 제안한 상관관계 기법을 통한 위치측정법은 간단한 행렬연산을 통해 계산되므로 기존의 방법보다 훨씬 빠른 결과를 나타내었고, 특히 부하의 변동이나 다른 시스템으로의 적용에 이식성이 높다.
향후 연구 과제는 더욱 향상된 3차원 측정 이론의 연구와 치형 데이터의 형상을 가공할 수 있는 가공시스템을 구축한다면 수작업에만 의존하던 치기공분야에 자동화 생산을 통한 고속화, 정밀화, 대량생산화, 저 비용화가 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

수동형 방법의 장단점은 무엇인가?

3차원 형상측정은 주로 접촉식과 비접촉식 방법을 이용하고 있는데, 접촉식 방법은 데이터 획득용 측정 침(probe)을 이용하는 방법으로서 수동형(floating or manual type), 조종간형(joystick type), 자동형(CNC type) 등으로 분류할 수 있고, 수동형 방법은 측정 침을 수동으로 이동시켜 측정하는 방법으로 정확도가 낮으나 구조가 간단하기 때문에 가격이 저렴하고, 유지 보수가 용이하여 산업체에 많이 이용되고 있다(Nacjum et al, 1995; Edward & John, 1994; Jurgen et al,1998).

두 대의 카메라를 이용하는 복안식을 사용함에 따른 장점은 무엇인가?

물체의 정확한 표면좌표를 획득하기 위해서는 단색광인 레이저빔의 스포트를 이용하는데 한대의 카메라로도 측정이 가능하지만 대상물의 그늘진 부위는 측정을 할 수 없어 이러한 점을 보완하기 위하여 두 대의 카메라를 이용하는 복안식을 주로 사용한다. 이 방법은 측정대상의 위치를 자동적으로 추적할 수 있기 때문에 빠른 측정이 가능하고 자동초점 기능이 부가되어 있는 경우에는 깨끗한 화상의 획득이 가능하여 보다 정확한 측정을 할 수 있다.

3차원 형상측정의 접촉식 방법은 어떻게 분류할 수 있는가?

3차원 형상측정은 주로 접촉식과 비접촉식 방법을 이용하고 있는데, 접촉식 방법은 데이터 획득용 측정 침(probe)을 이용하는 방법으로서 수동형(floating or manual type), 조종간형(joystick type), 자동형(CNC type) 등으로 분류할 수 있고, 수동형 방법은 측정 침을 수동으로 이동시켜 측정하는 방법으로 정확도가 낮으나 구조가 간단하기 때문에 가격이 저렴하고, 유지 보수가 용이하여 산업체에 많이 이용되고 있다(Nacjum et al, 1995; Edward & John, 1994; Jurgen et al,1998).

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