본 연구는 위상천이 영사식 모아레 측정기의 기준 위상 측정단계에서 기준 위상의 검출 정확도를 높이기 위한 방안으로, 일반적인 N-bucket 방법이 아닌, 줄무늬 패턴 투사 영상의 직접적인 영상처리를 기반으로, 노이즈가 포함된 영상으로부터 기준 위상을 자동으로 검출하고 보정하는 방법을 다룬다. 일반적으로 기준위상을 정확히 구하기 위해서는 상대적으로 노이즈가 원천적으로 적은 고정밀도의 교정 시편과 이에 맞는 세분화된 교정방법이 필요하다. 하지만, 고가의 시편 제작비용 절감과 고정도 교정을 위한 교정시간의 단축을 위해, 상대적으로 일반 정밀도등급의 제작된 시편으로부터 획득된 영상을 이용하여, 효율적인 기준위상 교정 방법을 제안한다. 투사된 평행 라인 띠가 시편에서 반사되어 카메라로 입력되는 영상으로부터, 영상처리 라인마스크를 이용하여 격자 라인들의 중심점을 정밀하게 추출하고, 각 라인들에서 추출된 샘플링점 기반의 최소자승법을 이용하여, 라인 특징치인 기울기와 절편을 추출함으로써 실제 관측되는 격자 라인의 중심선을 획득하였으며, 획득된 중심선들을 이용하여 N-bucket 알고리즘에 적용할 수 있도록 위상을 추출한 후, 기준위상을 자동으로 생성하였다. 본 연구를 통하여 고가의 시편 제작 없이 빠르게 자동으로 기준위상을 추출할 수 있었다.
본 연구는 위상천이 영사식 모아레 측정기의 기준 위상 측정단계에서 기준 위상의 검출 정확도를 높이기 위한 방안으로, 일반적인 N-bucket 방법이 아닌, 줄무늬 패턴 투사 영상의 직접적인 영상처리를 기반으로, 노이즈가 포함된 영상으로부터 기준 위상을 자동으로 검출하고 보정하는 방법을 다룬다. 일반적으로 기준위상을 정확히 구하기 위해서는 상대적으로 노이즈가 원천적으로 적은 고정밀도의 교정 시편과 이에 맞는 세분화된 교정방법이 필요하다. 하지만, 고가의 시편 제작비용 절감과 고정도 교정을 위한 교정시간의 단축을 위해, 상대적으로 일반 정밀도등급의 제작된 시편으로부터 획득된 영상을 이용하여, 효율적인 기준위상 교정 방법을 제안한다. 투사된 평행 라인 띠가 시편에서 반사되어 카메라로 입력되는 영상으로부터, 영상처리 라인마스크를 이용하여 격자 라인들의 중심점을 정밀하게 추출하고, 각 라인들에서 추출된 샘플링점 기반의 최소자승법을 이용하여, 라인 특징치인 기울기와 절편을 추출함으로써 실제 관측되는 격자 라인의 중심선을 획득하였으며, 획득된 중심선들을 이용하여 N-bucket 알고리즘에 적용할 수 있도록 위상을 추출한 후, 기준위상을 자동으로 생성하였다. 본 연구를 통하여 고가의 시편 제작 없이 빠르게 자동으로 기준위상을 추출할 수 있었다.
This paper presents the automatic vision algorithm to generate and calibrate reference phase plane to improve the accuracy of 3D measuring machine of using phase shifting projection moire method, which is not traditional N-bucket method, but is based on direct image processing method to the pattern ...
This paper presents the automatic vision algorithm to generate and calibrate reference phase plane to improve the accuracy of 3D measuring machine of using phase shifting projection moire method, which is not traditional N-bucket method, but is based on direct image processing method to the pattern projection image. Generally, to acquire accurate reference phase plane, the calibration specimen with well treated surface is needed, and detailed calibration method should be performed. For the cost reduction of specimen manufacturing and the calibration time reduction, on the specimen, not specially designed, with general accuracy level, an efficient calibration procedure for the reference phase generation is proposed. The proposed vision algorithm is developed to extract the line center points of the projected line pattern from acquired images, derive the line feature information consisting of its slope and intercept by using sampled feature points, and finally generate the related reference phase between line pairs. Experimental results show that the proposed method make reference phase plane with a good accuracy under noisy environment and the proposed algorithm can reduce the total cost to make high accurate calibration specimen, also increase the accuracy of reference phase plane, and reduce the complex calibration procedure to move grid via N-bucket algorithm precisely.
This paper presents the automatic vision algorithm to generate and calibrate reference phase plane to improve the accuracy of 3D measuring machine of using phase shifting projection moire method, which is not traditional N-bucket method, but is based on direct image processing method to the pattern projection image. Generally, to acquire accurate reference phase plane, the calibration specimen with well treated surface is needed, and detailed calibration method should be performed. For the cost reduction of specimen manufacturing and the calibration time reduction, on the specimen, not specially designed, with general accuracy level, an efficient calibration procedure for the reference phase generation is proposed. The proposed vision algorithm is developed to extract the line center points of the projected line pattern from acquired images, derive the line feature information consisting of its slope and intercept by using sampled feature points, and finally generate the related reference phase between line pairs. Experimental results show that the proposed method make reference phase plane with a good accuracy under noisy environment and the proposed algorithm can reduce the total cost to make high accurate calibration specimen, also increase the accuracy of reference phase plane, and reduce the complex calibration procedure to move grid via N-bucket algorithm precisely.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이러한 노이즈를 줄이기 위해서는 고가의 시편이 필요하며 완벽한 사인파를 얻기 위해서는 고 정밀도의 패턴 제작이 필요하다. 그러나 본 연구에서는 고가의시편과 패턴을 이용하지 않고 손쉽게 구할 수 있는 패턴과 시편으로 얻은 그림 3과 같은 영상으로부터 노이즈를 제거하여 정학한 기준위상을 구하기 위하여 다음과 같은 영상처리 과정을 수행한다.
본 논문에서는 영사식 위상 천이 모아레법을 사용하여 3차원 정보를 획득하는 과정에서, 센서 시스템의 교정단계에 해당하는 기준위상 획득 단계 동안, 노이즈가 포함되어 입력되는 영상으로부터 노이즈에 의한 영향을 효과적으로 제거하여, 기준 위상을 정확한 사인파의 형태로 만드는, 자동 기준 위상 생성 및 획득 방법에 대한 연구를 수행하였다. 일반적으로 기준 위상의 정확도는 측정 정밀도에 직접적인 영향을 미치므로, 고가의 정밀 기준시편을 제작하여 격자를 투사하여 기준 위상 영상을 획득하고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 시편 면에 주사된 패턴의 반사 관측 영상에 대해, 직접적인 영상처리 기법을 이용하여, 획득된 영상으로부터 줄무늬패턴의 특징치 정보를 추출하고, 기준면의 이상적인 위상을 만들어, 영사식 모아레 측정 방식의 기준위상 교정 시발 생하는 노이즈를 효과적으로 감소시키고, 최종적인 3 차원 측정의 정밀도 오차를 줄이고자 한다.
제안 방법
1) 중저가의 시편을 대상으로 정밀한 기준위상을 얻을 수 있는 방법을 제안하였다.
먼저 획득한 영상으로부터 격자의 중심선을 획득하고, 획득된 격자 중심선의 기울기와 Y 절편 등 직선의 특징 치를 추출하였다. 이러한 직선의 특징치로 부터 사인파를 생성하여 기준 위상을 구하였다.
PZT는 위상 패턴 생성 그리드를 수평 이동할 수 있도록 기구를 구성하였다. PZT 입력 전압을 제어하기 위하여 1。배 증폭률을 가지는 증폭구동기를 사용하여 0v~10v를 D/A 변환기를 통해 컴퓨터에서 제어하도록 하였디..
본 연구에서 그림 2 (a) 와 같이 영사식 모아레 3차원형상 측정 장비를 구성하였다 위상 패턴의 생성을 위해서는 선형 줄무늬 그리드를 사용하였으며 2배의 프로젝션 렌즈를 사용하여 측정 대상물에 해당 패턴을 주사한다. PZT는 0v~K)0v의 입력 전압을 입력받아 팽창 축소하여 구동된다.
본 연구에서 제안한 기준 위상 추출법은 기존의 고가고정도의 기준 시편 없이, 일반 가공정도의 시편으로부터 기준 위상 평면을 자동으로 생성하여, 영사식 위상 천이 모아레 측정기의 교정 시, 이의 정확도를 높이는 방법을 제안하였다. 그 결과 저가의 일반적인 시편으로 획득된 노이즈가 포함된 영상으로부터 깨끗한 기준위상을 구할 수 있었다.
추출하였다. 이러한 직선의 특징치로 부터 사인파를 생성하여 기준 위상을 구하였다.
이를 위해서 에지 추출 마스크 연산을 적용하였다. 에지 추출 마스크는 영상에서 1차 미분의 최대치와 최소치를 구하여 검정 라인과 흰 배경을 구분한다.
카메라 앞의 기준 격자 없이 물체의 형상에 따라 변형된 격자무늬만을 획득하고, 패턴 격자를 미소 간격으로 이송 시켜 주면서 획득한 여러 장의 영상 집합으로부터 물체의 위상 정보를 획득한다. 이미 교정단계에 컴퓨터에 저장되어 있는 기준면의 위상정보와 이를 직접적으로 상호 비교하여, 최종적인 대상물체의 3차원 정보를 추출한다.
대상 데이터
기준 위상을 구하기 위한 시편은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 백색 종이 타켓을 사용하였다. 잡음이 섞인 실제 입력 영상 이미지와 제안한 방법으로 새로 생성된 가상 패턴 이미지를 육안으로 확인하였을 때, 새로 생성된 이미지가, 대조대비가 뚜렷하고, 바닥노이즈에 둔감하면서 선명한 것을 확인할 수 있다.
두 번째 수행된 실험은 노이즈가 보다 심한 경우를 대상으로 하였다. 그림11 (a)은 대상체의 실제 획득영상으로써, 중앙에 선명한 노이즈가 관측된다.
데이터처리
첫 번째 수행된 실험으로써, 그림 8은 기존 시편에서 카메라로부터 직접 획득한 영상과 본 연구에서 제안한 방법에 의하여 추출된 가상 패턴의 줄무늬 영상을 비교하였다. 기준 위상을 구하기 위한 시편은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 백색 종이 타켓을 사용하였다.
이론/모형
있다. 3차원 형상 정보를 포함하는 모아레 무늬의 해석 방법으로 위상 이동 방법을 적용하기 위해서는 모아레 무늬가 주기적인 분포를 가져야 하고, 전체 FOV 내에서 모아레 위상 분포믈 얻기 우} 해, N-bucket 알고리즘을 이용한다. 4-bucket 알고리즘을 시용하였으며 다음과 같은 투사된 패턴의 이미지 빍기 값을 가진다.
3차원 형상 정보를 포함하는 모아레 무늬의 해석 방법으로 위상 이동 방법을 적용하기 위해서는 모아레 무늬가 주기적인 분포를 가져야 하고, 전체 FOV 내에서 모아레 위상 분포믈 얻기 우} 해, N-bucket 알고리즘을 이용한다. 4-bucket 알고리즘을 시용하였으며 다음과 같은 투사된 패턴의 이미지 빍기 값을 가진다.
성능/효과
4) 시편 바닥에 이물질이 묻어 있거나, 광학렌즈에 일시적인 부유물 혹은 이물질이 부착되어 있는 경우, 일반적인 기준 위상획득 방법을 사용할 경우, 기준위상에 원인 모를 노이즈를 발생시키거나, 왜곡을 생성시킨다.
4) 제안한 기준 위상 획득 방법의 유용성을 실험적으로 검증하였다.
그 결과 저가의 일반적인 시편으로 획득된 노이즈가 포함된 영상으로부터 깨끗한 기준위상을 구할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 방법은 고가의 기준 시편제작이 필요 없이 간단하게 3차원 측정 장치의 교정을 할 수 있으므로 3차원 검사 장비 제조 원가 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대되어진다.
결과로써. 본 연구에서 제안한 방법이 정확한 위상평면을 구할 수 있음을 알 수 있고, 이는 측정치의 수치결과에 직접적인 관계를 가지브로, 결국 측정치의 정확도 개선에 기여한다.
기준 위상을 구하기 위한 시편은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 백색 종이 타켓을 사용하였다. 잡음이 섞인 실제 입력 영상 이미지와 제안한 방법으로 새로 생성된 가상 패턴 이미지를 육안으로 확인하였을 때, 새로 생성된 이미지가, 대조대비가 뚜렷하고, 바닥노이즈에 둔감하면서 선명한 것을 확인할 수 있다.
그림 9는 기존의 4-bucket 방법을 이용하여 얻은 위상 데이터와 본 연구에서 제안한 방법으로 얻은 위상 데이터를 식 (2) 와 (3) 을 이용하여 계산한 후 비교한 결과이다. 첫 번째 직접 획득한 패턴 영상에서 보이는 노이즈가 대부분 사라지고, 두 번째 가상의 패턴 영상에서는 노이즈가 없이, 동일한 진폭을 가지는 삼각함수의 형태가 얻어짐을 알 수 있다. 그림2은 최종적으로 얻은 기준위상의 결과이다.
그림2은 최종적으로 얻은 기준위상의 결과이다. 첫 번째가 4장의 Phase-Shifting 영상으로부터, Bucketing 방법을 이용하여, 얻은 기준위상의 값이고, 두 번째가 패턴 입력 영상에 대해, 본 논문에서 제안한 직접 영상처리 기법을 이용하여 획득한 기준 위싱-의 결과이다. 기존 방법에 자주 관측되는 노이즈 포인트가 거의 사라졌음을 획-인할 수 있다.
후속연구
그 결과 저가의 일반적인 시편으로 획득된 노이즈가 포함된 영상으로부터 깨끗한 기준위상을 구할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 방법은 고가의 기준 시편제작이 필요 없이 간단하게 3차원 측정 장치의 교정을 할 수 있으므로 3차원 검사 장비 제조 원가 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대되어진다.
한세현, “위상천이 법을 이용한 납 도포 상태의 3차원 검사기술 개발,” 석사학위 논문, 선문대학교, 2003.
양세영, “위상천이 법을 이용한 In-plane 마이크로 모아레 기법개발에 관한 연구,” 석사학위 논문, 한국과학기술원, 1999.
V. Srinivasan, H.C. Liu, and M. Halioua "Automated phase-measuring profilometry of 3-D diffuse objects," Applied Optics, Vol.23, No.18, pp. 3105-3108, 1984.
김민영, “모아레와 스테레오를 이용한 3차원형상 측정 시스템 및 방법,” 대한민국 특허 0841662, 2008.
고광일 등, “3차원 형상 측정 장치 및 방법,” 대한민국 특허 0612932, 2006.
장석준, “다파장 위상측정 형상 측정법에서 정도 향상에 관한 연구,” 석사학위 논문, 선문대학교, 2002.
박경근, “피치가변형 격자생성장치를 이용한 모아레 무늬 획득방법에 관한 연구,” 석사학위 논문, 선문대학교, 2000.
J.G. Zhong. "Linear integer unconcemed phase map profilometry by changing the projection angle of the grating," Optical Engineering, Vol.40 No.7, pp. 1377-1382, 2001.
오정택, “위상천이 영사식 모아레를 적용한 3차원 형상측정 시스템 보정,” 석사학위 논문, 한국과학기술원, 1997.
W. Li, and X. Su, "Real-Time Calibration algorithm for phase shifting in phase - measuring profilometry," Optical Engineering, Vol. 40 No.5, pp. 761-766, 2001.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.