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KR102248197B1 - Large reflector 3D surface shape measuring method by using Fringe Pattern Reflection Technique - Google Patents

Large reflector 3D surface shape measuring method by using Fringe Pattern Reflection Technique Download PDF

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KR102248197B1
KR102248197B1 KR1020190078579A KR20190078579A KR102248197B1 KR 102248197 B1 KR102248197 B1 KR 102248197B1 KR 1020190078579 A KR1020190078579 A KR 1020190078579A KR 20190078579 A KR20190078579 A KR 20190078579A KR 102248197 B1 KR102248197 B1 KR 102248197B1
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Abstract

본 발명은 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에 관한 것으로, 거울과 같이 빛을 반사하는 물체의 3차원 표면을 구조광 패턴을 이용하여 정밀 측정하는 방법에 대한 것이다.
제안하는 구조광 패턴 반사기법(fringe pattern reflection)을 사용하여 짧은 시간에 대형 반사 집광판의 3차원 표면형상을 측정하고, 반사판의 곡률, 왜곡, 집광률 등의 분석을 수행할 수 있다.
The present invention relates to a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique, and to a method of accurately measuring a three-dimensional surface of an object that reflects light, such as a mirror, using a structured light pattern.
The proposed structured light pattern reflection technique (fringe pattern reflection) can be used to measure the three-dimensional surface shape of a large reflective light collecting plate in a short time, and analyze the curvature, distortion, and light collection rate of the reflecting plate.

Description

구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법{Large reflector 3D surface shape measuring method by using Fringe Pattern Reflection Technique}Large reflector 3D surface shape measuring method by using Fringe Pattern Reflection Technique}

본 발명은 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 거울과 같이 빛을 반사하는 물체의 3차원 표면을 구조광 패턴을 이용하여 정밀 측정하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology, and more particularly, to a method of accurately measuring a three-dimensional surface of an object that reflects light, such as a mirror, using a structured light pattern. For.

3차원의 표면 형상 측정 기술은 장비의 정밀도, 해상도 및 신뢰도가 높아짐에 따라 산업현장에서 정밀부품의 측정 기술에 사용되어지고 있다. 특히, 자동화 시스템에서 광학기술을 이용한 3차원 비전 시스템은 대상물체에 대한 거리 정보 혹은 형상 정보를 얻을 수 있기 때문에 각광을 받기 시작했고, 반도체의 표면 검사나 결함을 검출하는 자동 검사 시스템에서 유용하게 적용되고 있다.The three-dimensional surface shape measurement technology is being used in the measurement technology of precision parts in industrial sites as the precision, resolution and reliability of equipment increase. In particular, 3D vision systems using optical technology in automated systems have begun to gain attention because they can obtain distance information or shape information about an object, and are usefully applied in automatic inspection systems that detect surface inspections or defects of semiconductors. Has become.

이러한 3차원의 표면 형상 측정기술은 초기에는 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. 이후 광삼각법, 공초점 현미경, 광 간섭계, 근거리 광학 현미경 등 광학을 바탕으로 한 비접촉식의 기술이 많은 발전을 거듭하고 있으며 측정 정밀도, 측징 시간, 측정 물체의 특성 등에 따라 다양한 방식으로 발전하고 있다.This three-dimensional surface shape measurement technology initially confirmed the surface shape by contacting the object surface through a contact sensor. However, this has a disadvantage in that the speed is slow, it is difficult to apply it to a large area locally, and it cannot be used in an area that can damage the surface even with a small pressure. Since then, optical-based non-contact technologies such as optical triangulation, confocal microscopes, optical interferometers, and near-field optical microscopes have been developing in various ways depending on the measurement precision, measurement time, and characteristics of the object to be measured.

광학적 비접촉 3차원 형상 측정 방법(Optical non-contacting 3-D Profile Measurement Method)은 레이저 라인 스캔 방식, 홀로그래피, 스패로그래피, 전자 스페클 간섭계, 무아레 방법 등 빛의 특징이나 종류에 따라 다양하다. 최근에는 광패턴 무늬를 투영하여 형상 정보를 얻는 구조광 패턴 반사 기술(Fringe Pattern Reflection Technique)이 대표적이다.Optical non-contacting 3-D Profile Measurement Method varies depending on the characteristics and types of light such as laser line scan method, holography, spherography, electronic speckle interferometer, and Moire method. Recently, the structured light pattern reflection technique (Fringe Pattern Reflection Technique), which obtains shape information by projecting a light pattern pattern, is representative.

구조광 패턴 반사 기술은 모니터에 디스플레이되는 구조광 패턴을 측정하고자하는 물체에 투사시켜 물체의 형태에 따라 변형된 패턴을 카메라를 통해 획득하고, 일련의 기울기 추출 과정을 통해 물체의 표면 높이 및 기울기를 확인하는 방법이다.Structured light pattern reflection technology projects a structured light pattern displayed on a monitor onto an object to be measured, and acquires a pattern deformed according to the shape of the object through a camera, and determines the surface height and inclination of the object through a series of tilt extraction processes. This is how to check.

최근 태양광 에너지의 효율적인 활용을 위해 태양열을 모으기 위하여 파라볼릭 실린더(parabolic cylinder) 형태의 거울형 대형 집광 반사판을 사용한다. 그런데 반사 집광판이 대형화됨에 따라 자체의 무게나 볼트 너트 등의 조임으로 인한 휘어짐 등 왜곡이 발생하여 집광 효율이 감소한다. 따라서 제작된 대형 집광 반사판의 3차원 표면측정을 통한 집광 반사판의 곡률 최적화 작업이 필요하다. 이를 위해 레이저 라인 스캔 방식을 사용하여 집광 반사판을 측정하는데, 정밀한 측정이 가능한 장점이 있지만 큰 물체를 측정하는데 시간이 매우 오래 걸리는 문제가 있었다.Recently, in order to collect solar heat for efficient use of solar energy, a large mirror-type condensing reflector in the form of a parabolic cylinder is used. However, as the reflective light collecting plate increases in size, distortion such as warpage due to its own weight or tightening of bolts and nuts occurs, and the light collecting efficiency decreases. Therefore, it is necessary to optimize the curvature of the condensing reflector by measuring the three-dimensional surface of the manufactured large condensing reflector. To this end, the laser line scan method is used to measure the condensing reflector, and although it has the advantage of being able to measure precisely, there is a problem that it takes very long time to measure a large object.

본 발명의 목적은 제안하는 구조광 패턴 반사기법(fringe pattern reflection)을 사용하여 짧은 시간에 대형 반사 집광판의 3차원 표면형상을 측정하고, 반사판의 곡률, 왜곡, 집광률 등의 분석을 수행하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is a structure to measure the three-dimensional surface shape of a large reflective light collecting plate in a short time using the proposed fringe pattern reflection method, and to analyze the curvature, distortion, and light collection rate of the reflecting plate. It is to provide a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a light pattern reflection technology.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이러한 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, (a) 프로젝터 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면거울에 나타나도록 평면거울을 배치하여 카메라를 보정하는 과정과, 스크린과 평면거울에 대한 기하보정 과정과, 구조광 패턴의 기준주소 기록과정을 수행하는 셋업 단계; 및 (b) 상기 평면거울 대신 실제 측정할 대형 반사체를 배치시키고 셋업 단계의 기하보정 과정에서 구한 평면거울과 스크린의 외부변수 행렬들과 구조광 패턴에 대응하는 스크린의 기준주소를 기반으로 반사체에서 반사된 변형된 구조광 패턴을 측정하는 측정 단계;를 포함한다.According to one aspect for achieving this purpose, (a) a process of calibrating the camera by arranging a flat mirror so that the structured light pattern displayed on the projector screen appears on the flat mirror, and the process of correcting the geometry of the screen and the flat mirror. , A setup step of performing a process of recording the reference address of the structured light pattern; And (b) arranging a large reflector to be measured instead of the flat mirror, and reflecting from the reflector based on the reference address of the screen corresponding to the plane mirror and the external variable matrices of the screen and the structured light pattern obtained in the geometric correction process of the setup step. And a measuring step of measuring the modified structured light pattern.

바람직하게 셋업 단계는 프로젝터에서 스크린에 구조광 패턴을 비출 수 있도록 배치하고, 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면거울에 나타나도록 평면거울을 배치하며, 카메라가 평면거울을 촬영할 수 있도록 배치한 환경을 구축한 후 카메라 보정 과정, 평면거울과 스크린에 대한 기하보정 과정 및 평면거울에 나타나는 구조광 패턴을 카메라가 촬영하여 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준주소로 등록하는 과정을 수행한다.Preferably, in the setup step, the projector is arranged so that the structured light pattern can be illuminated on the screen, the flat mirror is arranged so that the structured light pattern displayed on the screen appears on the flat mirror, and the environment is arranged so that the camera can photograph the flat mirror. After construction, the camera corrects the camera calibration process, the geometric correction process for the flat mirror and the screen, and the structured light pattern that appears on the flat mirror is captured by the camera, based on the three-dimensional position coordinates of the screen corresponding to the position coordinates of each pixel of the structured light pattern image. Perform the process of registering by address.

바람직하게 측정 단계는 평면거울 대신 실제 측정할 대형 반사체를 위치시키고, 셋업단계의 기하보정 과정에서 구한 평면거울과 스크린의 외부변수 행렬들과 구조광 패턴에 대응하는 스크린의 기준주소를 기반으로 반사체에서 반사된 변형된 구조광 패턴을 측정하여 반사체의 국소 기울기를 산출하는 대형 반사체의 3차원 표면형상을 측정한다.Preferably, in the measurement step, a large reflector to be measured is placed instead of a flat mirror, and based on the reference address of the screen corresponding to the planar mirror and the external variable matrices of the screen and the structured light pattern obtained in the geometric correction process of the setup step. The three-dimensional surface shape of a large reflector that calculates the local tilt of the reflector by measuring the reflected deformed structured light pattern is measured.

또한 바람직하게 셋업 단계는 카메라에서 나타날 수 있는 왜곡 보정과 카메라에서 획득하는 영상좌표와 카메라 초점을 기준으로 하는 3차원 카메라 좌표의 관계를 구하는 카메라 보정단계; 카메라에서 획득한 영상의 화소 좌표에 대응하는 평면거울의 3차원 좌표와 스크린의 3차원 좌표를 구할 수 있는 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 구하는 기하보정 단계; 및 상기 프로젝터에서 스크린에 투사한 구조광 패턴을 평면거울에 비춘 후 카메라가 촬영하여 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준주소(reference address)로 등록하여 대형 반사체의 3차원 표면형상 측정 셋업하는 단계를 포함한다.In addition, the setup step preferably includes: a camera correction step of obtaining a relationship between distortion correction that may appear in the camera and an image coordinate obtained from the camera and a three-dimensional camera coordinate based on the camera focus; A geometric correction step of obtaining an external variable matrix (rotation matrix and movement vector) capable of obtaining the three-dimensional coordinates of the plane mirror and the three-dimensional coordinates of the screen corresponding to the pixel coordinates of the image acquired from the camera; And the structured light pattern projected on the screen by the projector is projected onto a flat mirror and then photographed by the camera, and the three-dimensional position coordinates of the screen corresponding to the position coordinates of each pixel of the structured light pattern image are registered as a reference address. And setting up a three-dimensional surface shape measurement of a large reflector.

바람직하게 기하보정 과정은 대형 반사체의 3차원 표면형상 측정 셋업단계 중 프로젝터에서 스크린으로 규격이 미리 정해진 체커보드와 같은 특정패턴 화면을 비추고 카메라는 평면거울에서 반사되는 체커보드를 촬영하여 가상 스크린(virtual screen) 에 대한 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 수학식 4를 이용하여 구한다.Preferably, the geometric correction process is performed by projecting a screen with a specific pattern, such as a checker board with a predetermined standard, from the projector to the screen during the setup step of measuring the three-dimensional surface shape of a large reflector, and the camera photographs a checkerboard reflected from a flat mirror, and The external variable matrix (rotation matrix and motion vector) for screen) is obtained using Equation 4.

(수학식 4)(Equation 4)

Figure 112019066957692-pat00001
Figure 112019066957692-pat00001

여기서, n은 평면 거울의 법선벡터, d는 카메라 원점에서 거울까지의 거리, I는 unit 행렬이고,

Figure 112019066957692-pat00002
Figure 112019066957692-pat00003
는 가상 스크린에 대한 외부변수,
Figure 112019066957692-pat00004
는 회전행렬,
Figure 112019066957692-pat00005
는 이동벡터를 의미한다.Where n is the normal vector of the plane mirror, d is the distance from the camera origin to the mirror, and I is the unit matrix,
Figure 112019066957692-pat00002
Wow
Figure 112019066957692-pat00003
Is an external variable to the virtual screen,
Figure 112019066957692-pat00004
Is the rotation matrix,
Figure 112019066957692-pat00005
Means a motion vector.

바람직하게 구조광 패턴의 기준주소 기록과정은 카메라-평면거울-스크린에 대한 기하보정 후에 복호화된 수평/수직 구조광 패턴에 대해 카메라를 원점으로 하는 3차원 좌표계에서 카메라에서 획득한 복호화된 수평/수직 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표값을 기준주소(reference address)를 등록한다.Preferably, the process of recording the reference address of the structured light pattern is the decoded horizontal/vertical data obtained from the camera in a three-dimensional coordinate system with the camera as the origin for the decoded horizontal/vertical structured light pattern after geometric correction for the camera-planar mirror-screen. A reference address is registered for a three-dimensional position coordinate value of the screen corresponding to the position coordinate of each pixel of the structured light pattern image.

그리고 바람직하게 측정단계는 반사체를 카메라로 촬영하여 얻은 변형된 구조광 패턴 영상의 각 화소값에 대응하는 스크린의 기준주소와 셋업단계의 기하보정 과정에서 얻은 스크린과 평면거울의 외부변수 행렬들을 이용하여 구조광 패턴 영상의 각 화소값에 대응하는 입력 광 벡터 i와 출력 광 벡터 r을 구하여 수학식 5에 따라 법선벡터를 구한 후 수학식 7을 이용하여 반사체의 국소 기울기를 산출한다.And, preferably, the measuring step uses the reference address of the screen corresponding to each pixel value of the deformed structured light pattern image obtained by photographing the reflector with a camera and the external variable matrices of the screen and the flat mirror obtained in the geometric correction process of the setup step. After obtaining the input light vector i and the output light vector r corresponding to each pixel value of the structured light pattern image, a normal vector is obtained according to Equation 5, and a local slope of the reflector is calculated using Equation 7.

(수학식 5)(Equation 5)

Figure 112019066957692-pat00006
Figure 112019066957692-pat00006

(수학식 7)(Equation 7)

Figure 112019066957692-pat00007
Figure 112019066957692-pat00007

i : 평면 거울좌표 M에서의 입력 광 벡터, r : 평면 거울좌표 M에서의 출력 광 벡터, n : 평면 거울좌표 M에서의 법선벡터(normal vector),

Figure 112019066957692-pat00008
: 평면거울 좌표,
Figure 112019066957692-pat00009
: 반사체 표면의 높이,
Figure 112019066957692-pat00010
: 스크린 좌표,
Figure 112019066957692-pat00011
: 영상 좌표,
Figure 112019066957692-pat00012
: 평면거울과 카메라의 거리,
Figure 112019066957692-pat00013
: 거울과 스크린의 거리 i : input light vector in planar mirror coordinate M, r : output light vector in planar mirror coordinate M, n : normal vector in planar mirror coordinate M,
Figure 112019066957692-pat00008
: Plane mirror coordinates,
Figure 112019066957692-pat00009
: Height of reflector surface,
Figure 112019066957692-pat00010
: Screen coordinates,
Figure 112019066957692-pat00011
: Image coordinates,
Figure 112019066957692-pat00012
: Distance between the flat mirror and the camera,
Figure 112019066957692-pat00013
: Distance between mirror and screen

본 발명에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에 의하면, 제안하는 구조광 패턴 반사기법(fringe pattern reflection)을 사용하여 짧은 시간에 대형 반사 집광판의 3차원 표면형상을 측정하고, 반사판의 곡률, 왜곡, 집광률 등의 분석을 수행할 수 있다. 또한 자동차, 항공기, 선박 표면의 3차원 형상을 정밀하고 신속하게 측정할 수 있다. 따라서 금형-사출을 통해 제작되는 빛을 반사하는 재질의 대형 물체 표면에 대한 정밀 측정이 가능하므로, 금형-사출 제품의 검증에 사용될 수 있다.According to the method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to the present invention, a three-dimensional surface shape of a large reflective light collecting plate is measured in a short time using the proposed structured light pattern reflection technique (fringe pattern reflection). And, it is possible to perform analysis of the curvature, distortion, and light collection rate of the reflector. In addition, it is possible to accurately and quickly measure the three-dimensional shape of the surface of automobiles, aircraft, and ships. Therefore, since it is possible to accurately measure the surface of a large object made of a material that reflects light produced through mold-injection, it can be used for verification of mold-injection products.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 측정환경을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 3차원 표면형상 측정 단계를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 가상스크린 개념을 이용한 카메라-평면거울-모니터 구성의 기하보정 과정을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 평면거울에 비친 구조광 패턴 일부 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 복호화된 구조광 패턴을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 구조광 패턴 반사기술에 의한 반사판 표면형상의 기울기 측정을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 집광반사판에 비친 구조광 패턴 일부 예를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 집광반사판에 비친 구조광 패턴의 복호화 결과를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 집광반사판에 대한 기울기 측정 결과를 나타낸 예시도이다.
1 is an exemplary view showing a measurement environment in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view showing a step of measuring a 3D surface shape in a method for measuring a 3D surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view showing a geometric correction process of a camera-planar mirror-monitor configuration using a virtual screen concept in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing some examples of structured light patterns reflected on a flat mirror in a method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary view showing a structured light pattern decoded in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an exemplary view showing inclination measurement of a surface shape of a reflector by a structured light pattern reflection technique in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary view showing some examples of a structured light pattern reflected on a light collecting reflector in a method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
8 is an exemplary view showing a result of decoding a structured light pattern reflected on a light collecting reflector in a method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.
9 is an exemplary view showing a result of measuring the inclination of a light collecting reflector in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the following description. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. The same reference numbers throughout the specification indicate the same elements. Meanwhile, terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, actions and/or elements in which the recited component, step, operation and/or element is Or does not preclude additions.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체의 구동 시스템 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a system and method for driving a moving body according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

구조광 패턴 반사 기술을 이용한 3차원 표면측정 방식의 경우 모니터를 통해 패턴을 투사하고 반사물체에 의해 변형되어 반사된 패턴을 카메라로 입력받아 측정물체의 표면높이를 계산하여 3차원 형상을 측정한다. 일반적으로 작은 반사 물체의 경우 모니터를 이용하여 반사체 전체에 구조광 패턴을 투사하여 3차원 표면형상을 측정할 수 있지만, 반사체의 크기가 모니터 보다 큰 경우는 측정하기 어렵다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서는 대형 반사체의 표면을 측정하기 위한 구조광 패턴 반사 기술을 제시한다.In the case of a three-dimensional surface measurement method using structured light pattern reflection technology, a three-dimensional shape is measured by projecting a pattern through a monitor and receiving the reflected pattern transformed by a reflective object into a camera and calculating the surface height of the object to be measured. In general, in the case of a small reflective object, a three-dimensional surface shape can be measured by projecting a structured light pattern on the entire reflector using a monitor, but it is difficult to measure when the size of the reflector is larger than that of the monitor. Accordingly, in a method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology according to an embodiment of the present invention, a structured light pattern reflection technology for measuring the surface of a large reflector is proposed.

기존 구조광 패턴 반사 기술을 이용한 3차원 표면측정 방식의 경우 보통 작은 반사체를 측정하므로 도 1의 (a)와 같이「모니터-측정물체-카메라」로 측정환경을 구성하지만, 측정하는 대상이 대형 반사체인 경우는 작은 모니터에 디스플레이되는 구조광 패턴이 반사체 전체를 비추지 못하고 일부만을 비추기 때문에 대형 반사체의 표면 형상을 측정하기 어렵다. In the case of a three-dimensional surface measurement method using the existing structured light pattern reflection technology, a small reflector is usually measured, so the measurement environment is composed of a ``monitor-measurement object-camera'' as shown in Fig.1 (a), but the object to be measured is a large reflector In the case of, it is difficult to measure the surface shape of a large reflector because the structured light pattern displayed on a small monitor does not illuminate the entire reflector but only a part of it.

따라서 본 실시 예에서는 대형 반사체 전체를 비출 수 있도록 하기 위해 모니터를 사용하지 않고 도 1의 (b)와 같이 프로젝터와 대형 스크린을 사용하는 「프로젝터-스크린-측정물체-카메라」로 측정환경을 구성한다. 이와 같이 구성된 환경을 통해 프로젝터에서 대형 스크린으로 구조광 패턴을 투사하고, 대형 스크린에 디스플레이 되는 구조광 패턴을 반사체에 비추고, 카메라로 반사체에서 반사되는 구조광 패턴을 촬영하여 반사체 표면곡률에 따라 변화된 구조광 패턴의 변형 정도를 분석하여 반사체의 3차원 표면 형상을 측정한다.Therefore, in this embodiment, in order to illuminate the entire large reflector, a measurement environment is constructed with a "projector-screen-measurement object-camera" that uses a projector and a large screen as shown in (b) of FIG. 1 without using a monitor. . The structure changed according to the surface curvature of the reflector by projecting a structured light pattern from the projector to a large screen through this environment, illuminating the structured light pattern displayed on the large screen to the reflector, and photographing the structured light pattern reflected from the reflector with a camera. By analyzing the degree of deformation of the light pattern, the three-dimensional surface shape of the reflector is measured.

제안하는 구조광 패턴 반사 기술을 사용한 3차원 형상 측정방법은 도 2와 같은 단계를 수행한다. 우선 카메라 보정(Camera calibration)을 수행하여 카메라의 내부변수를 구하여 카메라 자체의 고유 왜곡(방사왜곡, 접선왜곡 등)을 보정한다. 그리고 기하보정(Geometric calibration)을 수행하여 「카메라-평면거울-스크린」간의 상대적 위치를 나타내는 외부변수를 구한다. 카메라 외부변수는 카메라 좌표계와 월드 좌표계 사이의 변환 관계를 나타내는 변수로서, 두 좌표계 사이의 회전, 평행 이동이나 카메라의 위치와 방향 등 외부 공간과 관련된 변수이다. 카메라 외부변수는 얻기 위해서는 내부변수를 구한 상태에서 샘플링한 3차원 월드 좌표계와 2차원 영상좌표의 매칭을 통해 회전변환과 이동변환을 수행하는 행렬로서 얻을 수 있다. 기하보정 단계는 다음과 같다. The 3D shape measurement method using the proposed structured light pattern reflection technique performs the same steps as in FIG. 2. First, camera calibration is performed to obtain the camera's internal variables and corrects the camera's own inherent distortion (radiation distortion, tangential distortion, etc.). Then, by performing geometric calibration, an external variable indicating the relative position between “camera-plane mirror-screen” is obtained. The camera external variable is a variable representing the transformation relationship between the camera coordinate system and the world coordinate system, and is a variable related to the external space such as rotation, translation, or the position and direction of the camera between the two coordinate systems. In order to obtain the external variable of the camera, it can be obtained as a matrix that performs rotation transformation and movement transformation through matching of the 3D world coordinate system and 2D image coordinates sampled while the internal variable is obtained. The geometric correction steps are as follows.

① 2차원 영상 - 3차원 카메라 좌표 변환행렬 산출 : 카메라에서 촬영한 2차원 영상의 좌표계와 3차원 카메라 좌표계의 변환관계를 구한다. 이 과정을 통해 2차원 영상의 각 화소의 위치에 대응하는 카메라 좌표계에서의 3차원 좌표값을 구할 수 있다. ① 2D image-3D camera coordinate transformation matrix calculation: Calculate the transformation relationship between the coordinate system of the 2D image captured by the camera and the coordinate system of the 3D camera. Through this process, a 3D coordinate value in the camera coordinate system corresponding to the position of each pixel of the 2D image may be obtained.

② 카메라 - 평면거울 변환행렬 산출 : 평면거울을 사용하여 카메라 좌표계를 기준좌표로 하고, 평면거울 상의 좌표값을 계산할 수 있는 변환관계를 구한다. ①에서 구한 변환관계와 이 과정을 통해 구한 변환관계를 사용하면 평면거울에 나타난 영상을 카메라로 촬영했을 때 2차원 영상의 각 화소의 위치에 대응하는 평면거울에 나타나는 영상의 3차원 좌표값을 구할 수 있다.② Calculation of camera-plane mirror conversion matrix: Using a plane mirror, the camera coordinate system is used as the reference coordinate, and the conversion relationship that can calculate the coordinate value on the plane mirror is calculated. Using the transformation relationship obtained in ① and the transformation relationship obtained through this process, the 3D coordinate value of the image appearing in the plane mirror corresponding to the position of each pixel of the 2D image can be obtained when the image displayed in the plane mirror is photographed with a camera. I can.

③ 카메라 - 스크린 변환행렬 산출 : 카메라 좌표계를 기준좌표로 스크린 면에 디스플레이 되는 화소의 3차원 공간좌표를 구할 수 있는 변환관계를 구한다. 그런데, 스크린은 카메라와 같은 방향을 향하므로 카메라가 스크린을 직접 볼 수 없기 때문에 스크린에 대한 기하보정은 직접적으로 하지 못하고 평면거울에 반사된 스크린 화면을 측정하여 보정하는 가상스크린 방법을 사용한다.③ Calculation of camera-screen transformation matrix: Calculate the transformation relationship to obtain the three-dimensional spatial coordinates of pixels displayed on the screen using the camera coordinate system as the reference coordinate. However, since the screen faces the same direction as the camera, since the camera cannot directly see the screen, it does not directly correct the geometry of the screen, and uses a virtual screen method that measures and corrects the screen screen reflected by a flat mirror.

한편, 컴퓨터를 통해 발생시킨 구조광 패턴은 프로젝터를 통해 투사하여 대형 스크린에 디스플레이 되는데, 스크린에 디스플레이 되는 구조광 패턴의 3차원 공간좌표에 해당되는 기준 주소를 평면거울을 사용하여 측정하여 메모리에 기록한다. 마지막으로 평면거울 위치에 실제로 측정하고자 하는 반사체를 위치시키고, 카메라 보정과 기하보정 과정에서 구한 내외부변수와 등록된 구조광 패턴 주소 정보를 이용하여 반사체의 3차원 형상을 측정한다.Meanwhile, the structured light pattern generated by a computer is projected through a projector and displayed on a large screen. The reference address corresponding to the three-dimensional spatial coordinates of the structured light pattern displayed on the screen is measured using a flat mirror and recorded in memory. do. Finally, the reflector to be measured is placed at the position of the plane mirror, and the three-dimensional shape of the reflector is measured using the internal and external variables obtained in the process of camera calibration and geometric correction, and the registered structured light pattern address information.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법은 거울과 같이 빛을 반사하는 물체의 3차원 표면을 구조광 패턴을 이용하여 정밀 측정하는 방법에 대한 것이다. 특히 본 실시 예에 따르면, 태양광을 모으는 대형 반사 집광 판이나 자동차, 선박, 비행기 표면과 같이 빛을 잘 반사하는 대형 물체 표면의 정밀 측정에 적용될 수 있다. A method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention relates to a method of accurately measuring a three-dimensional surface of an object that reflects light, such as a mirror, using a structured light pattern. . In particular, according to the present embodiment, it can be applied to precise measurement of a large reflective light collecting plate that collects sunlight or a large object surface that reflects light well, such as a surface of a car, ship, or airplane.

기존 구조광 패턴 반사 기술을 이용한 3차원 표면측정 방식의 경우 작은 반사체만을 측정하였으나, 본 실시 예는 짧은 시간에 대형 반사체의 3차원 표면형상을 측정하고, 반사판의 곡률, 왜곡, 집광률 등의 분석을 수행할 수 있다. 따라서 대형 집광 판, 자동차, 항공기, 선박 표면과 같은 대형 반사체의 3차원 표면 형상을 정밀하고 신속하게 측정할 수 있다.In the case of the three-dimensional surface measurement method using the existing structured light pattern reflection technology, only a small reflector was measured, but in this embodiment, the three-dimensional surface shape of a large reflector was measured in a short time, and the curvature, distortion, and light collection rate of the reflector were analyzed. You can do it. Therefore, it is possible to accurately and quickly measure the three-dimensional surface shape of large reflectors such as large light collecting plates, automobiles, aircraft, and ship surfaces.

본 발명의 일 실시예에서 제안하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서, 대형 반사체의 3차원 표면형상 측정 방법은 셋업 단계와 측정 단계로 구분할 수 있다. In a method of measuring a 3D surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique proposed in an embodiment of the present invention, a method of measuring a 3D surface shape of a large reflector may be divided into a setup step and a measurement step.

먼저, 셋업 단계에서는 평면거울을 사용하여 3차원 표면형상 측정을 기본 파라메터들을 결정한다. 셋업 단계의 환경은 도 3에 나타난 바와 같이, 프로젝터에서 스크린에 구조광 패턴을 비출 수 있도록 배치하고, 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면거울에 나타나도록 평면거울을 배치하며, 카메라가 평면거울을 촬영할 수 있도록 배치한다. First, in the setup stage, the basic parameters of the 3D surface shape measurement using a planar mirror are determined. As shown in Fig. 3, the environment of the setup stage is arranged so that the structured light pattern can be illuminated on the screen from the projector, the flat mirror is placed so that the structured light pattern displayed on the screen appears on the flat mirror, and the camera Arrange it so that you can shoot.

셋업 단계에서 우선 카메라 보정을 통해 카메라에서 나타날 수 있는 왜곡 보정과 카메라에서 획득하는 영상좌표와 카메라 초점을 기준으로 하는 3차원 카메라 좌표의 관계를 구한다. 이후, 기하보정 과정을 수행하는데, 기하보정은 카메라 좌표를 기준으로 평면거울과 스크린의 외부변수 행렬을 구한다. 평면거울에 대한 기하보정은 평면거울에 미리 규격이 정해진 특정패턴(체커보드 패턴 등)을 붙이고 보정된 카메라로 촬영하여 카메라 좌표를 기준으로 평면거울에 대한 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 구한다. 그리고 스크린에 대한 기하보정은 프로젝터에서 스크린으로 규격이 미리 정해진 특정 패턴 화면을 비추고 카메라는 평면거울에서 반사되는 패턴을 촬영하여 스크린에 대한 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 구한다. 이러한 기하보정 과정을 통해 카메라에서 획득한 영상의 화소 좌표에 대응하는 평면 거울의 3차원 좌표와 스크린의 3차원 좌표를 구할 수 있다. 마지막으로 프로젝터에서 구조광 패턴을 스크린에 투사하고, 평면거울에 나타나는 구조광 패턴을 카메라가 촬영하여 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준주소(reference address)로 등록한다.In the setup step, first, through camera correction, the relationship between the distortion correction that may appear from the camera and the image coordinate obtained from the camera and the coordinates of the 3D camera based on the camera focus is obtained. Thereafter, a geometric correction process is performed. In the geometric correction, a matrix of external variables of the plane mirror and the screen is obtained based on the camera coordinates. For geometric correction for a flat mirror, attach a specific pattern (checkerboard pattern, etc.) with a predetermined standard to the flat mirror and shoot with a calibrated camera to create a matrix of external variables (rotation matrix and movement vector) for the flat mirror based on the camera coordinates. Seek. In addition, for the geometric correction of the screen, a specific pattern screen with a predetermined standard is projected from the projector to the screen, and the camera photographs the pattern reflected from the flat mirror to obtain a matrix of external variables (rotation matrix and motion vector) for the screen. Through this geometric correction process, the three-dimensional coordinates of the plane mirror and the three-dimensional coordinates of the screen corresponding to the pixel coordinates of the image acquired from the camera can be obtained. Finally, the structured light pattern is projected on the screen from the projector, and the camera photographs the structured light pattern that appears on the flat mirror, and the three-dimensional position coordinates of the screen corresponding to the positional coordinates of each pixel of the structured light pattern image are used as a reference address. ) To register.

측정 단계는 평면거울 대신 실제 측정할 대형 반사체를 위치시키고, 셋업 단계의 기하보정 과정에서 구한 평면 거울과 스크린의 외부 변수 행렬들과 구조광 패턴에 대응하는 스크린의 기준주소를 기반으로 반사체에서 반사된 변형된 구조광 패턴을 측정하여 반사체의 국소 기울기를 측정한다. 그리고 반사체의 국소 기울기를 누적(integration) 처리 또는 모델기반의 추정방식을 사용하여 반사체의 3차원 형상을 복원한다. In the measurement step, a large reflector to be measured is placed instead of a flat mirror, and the reflected from the reflector is based on the reference address of the screen corresponding to the plane mirror and external variable matrices of the screen and the structured light pattern obtained in the geometric correction process of the setup step. By measuring the modified structured light pattern, the local inclination of the reflector is measured. Then, the three-dimensional shape of the reflector is restored using an integration process or a model-based estimation method of the local slope of the reflector.

본 발명의 일 실시예에서 사용되는 카메라 보정, 기하 보정, 구조광 패턴 생성과 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴의 3차원 좌표(기준 주소) 등록 방법, 대형 반사체의 국소 기울기 측정 방법은 다음과 같다.Camera correction, geometric correction, structured light pattern generation, a method of registering three-dimensional coordinates (reference address) of a structured light pattern displayed on a screen, and a method of measuring a local inclination of a large reflector used in an embodiment of the present invention are as follows.

(카메라 보정)(Camera calibration)

먼저, 카메라 보정을 설명하면 다음과 같다. 카메라 영상은 3차원 공간상의 점들을 2차원 이미지 평면에 투사(Perspective Projection)함으로써 얻을 수 있다. 카메라 보정 과정은 카메라의 기하학적 모델과 렌즈의 왜곡(Distortion) 모델을 알려주고, 3차원 공간상의 점들과 2차원 이미지 평면의 픽셀 사이의 관계를 결정하는 역할을 한다. 카메라 보정은 3차원 공간상의 점들과 2차원 이미지 평면의 픽셀 사이의 관계를 결정하여 컴퓨터 비전으로 활용하는데 필요한 과정이다. 일반적으로 사용하는 카메라 보정 방식은 체스판(Chessboard)의 촬영, 촬영된 영상에서 코너 추출, 최적화를 통한 코너 추출 오차값 최소화, 보정 매개변수 획득, 매개변수를 바탕으로 한 왜곡되지 않은 영상획득의 순으로 진행된다.First, camera calibration will be described as follows. The camera image can be obtained by projecting points in a three-dimensional space onto a two-dimensional image plane (Perspective Projection). The camera calibration process informs the geometric model of the camera and the distortion model of the lens, and determines the relationship between the points in the 3D space and the pixels of the 2D image plane. Camera calibration is a process necessary to determine the relationship between points on a 3D space and pixels on a 2D image plane and use it as a computer vision. In general, the camera correction method used is in the order of shooting a chessboard, extracting corners from the captured image, minimizing the error value of corner extraction through optimization, obtaining correction parameters, and obtaining non-distorted images based on the parameters. Proceeds to

카메라 보정을 통해 얻어지는 영상좌표와 카메라 좌표 및 월드좌표의 관계는 수학식 1과 같다. The relationship between the image coordinate obtained through camera correction, the camera coordinate, and the world coordinate is shown in Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019066957692-pat00014
Figure 112019066957692-pat00014

여기서 s는 scale factor, A는 카메라 내부변수 행렬,

Figure 112019066957692-pat00015
는 영상의 화소 위치 (x,y)에 대응하는 카메라 좌표계의 3차원 좌표이고, (X,Y)는 월드좌표계에서의 3차원 좌표이다. [R T]는 월드 좌표계를 카메라 좌표계로 변환시키기 위한 회전/이동 변환 행렬이다. Where s is the scale factor, A is the camera internal variable matrix,
Figure 112019066957692-pat00015
Is the 3D coordinate of the camera coordinate system corresponding to the pixel position (x,y) of the image, and (X,Y) is the 3D coordinate in the world coordinate system. [RT] is a rotation/movement transformation matrix for converting the world coordinate system to the camera coordinate system.

G행렬을 수학식 2로 정의하고 수학식 1을 적용하면 모든 촬영된 영상의 모든 화소 좌표 (x,y)를 수학식 3에 의해 카메라 좌표계의 3차원 좌표로 변환할 수 있다. 결국 수학식 3에 의해 영상 좌표 (x, y)에 대한 3차원 카메라 좌표

Figure 112019066957692-pat00016
를 구할 수 있다.If the G matrix is defined as Equation 2 and Equation 1 is applied, all pixel coordinates (x,y) of all captured images can be converted into 3D coordinates of the camera coordinate system by Equation 3. In the end, 3D camera coordinates for image coordinates (x, y) by Equation 3
Figure 112019066957692-pat00016
Can be obtained.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019066957692-pat00017
Figure 112019066957692-pat00017

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019066957692-pat00018
Figure 112019066957692-pat00018

(기하 보정)(Geometric correction)

가상 스크린을 이용한 '카메라 - 평면거울- 스크린' 사이의 기하보정을 설명하기로 한다. 본 발명에서 제시하는 구조광 패턴 반사기술을 사용한 대형 반사체의 3차원 형상 측정 방법은 다음과 같다. 프로젝터에서 구조광 패턴을 스크린으로 조사하고, 스크린의 구조광 패턴을 반사체에 맺히게 하는데, 반사체의 표면형상에 따라 반사체에서 반사되는 구조광 패턴이 변형된다. 변형된 구조광 패턴 정보와 스크린-반사체-카메라 사이의 좌표계 변환 정보를 이용하여 입력 광(incident ray)과 반사 광(reflected ray) 사이의 관계를 분석하여 반사체의 국부적인 표면기울기를 계산함으로써 반사체의 3차원 표면형상을 측정한다. 이러한 측정을 위해서는 반사체에 대한 기준 좌표가 필요한데, 평면 거울을 사용하여 반사체에 대한 기준좌표를 설정한다. 이와 같이 스크린-평면거울-카메라 사이의 좌표계의 관계를 계산하는 과정을 기하 보정(geometric calibration)이라 한다. The geometric correction between'camera-flat mirror-screen' using a virtual screen will be described. A method of measuring a three-dimensional shape of a large reflector using the structured light pattern reflection technique presented in the present invention is as follows. The projector irradiates the structured light pattern onto the screen, and the structured light pattern of the screen is formed on the reflector, and the structured light pattern reflected from the reflector is deformed according to the surface shape of the reflector. By analyzing the relationship between the incident ray and the reflected ray using the modified structured light pattern information and the coordinate system conversion information between the screen-reflector-camera, the local surface slope of the reflector is calculated. Measure the three-dimensional surface shape. For this measurement, a reference coordinate for the reflector is required, and a plane mirror is used to set the reference coordinate for the reflector. In this way, the process of calculating the relationship of the coordinate system between the screen-plane mirror-camera is called geometric calibration.

도 3은 가상스크린 개념을 이용한 기하보정 과정을 보여주는데, 스크린의 좌표 S에서 나오는 입력 광 i는 평면거울의 좌표 M에서 반사되고, 반사광 r은 카메라 원점을 통과하여 영상 C에 상을 맺는다. 기하 보정이 정확하면 영상 좌표, 스크린 좌표 그리고 평면거울 좌표에 대한 월드 좌표(world coordinate)를 알 수 있다. 따라서 입력 광 벡터 i와 출력 광 벡터 r이 구해지면 거울좌표 M에 대한 법선벡터(normal vector) n을 구할 수 있으므로 좌표 M에서의 국부적인 기울기가 구해진다. 3 shows a geometric correction process using the concept of a virtual screen. The input light i from the coordinate S of the screen is reflected from the coordinate M of the plane mirror, and the reflected light r passes through the camera origin to form an image on the image C. If the geometric correction is correct, you can know the world coordinates for the image coordinates, screen coordinates, and plane mirror coordinates. Therefore, when the input light vector i and the output light vector r are obtained, the normal vector n to the mirror coordinate M can be obtained, and thus the local slope at the coordinate M is obtained.

평면거울에 대한 기하보정 과정은 평면 거울에 체커 보드를 붙이고 보정된 카메라로 촬영하여 카메라와 평면거울에 대한 외부변수 [

Figure 112019066957692-pat00019
,
Figure 112019066957692-pat00020
]을 계산하는 것이다. 이 과정을 통해 카메라와 평면거울 간의 좌표변환을 할 수 있게 되어 촬영된 영상의 각 화소 위치에 대응하는 평면거울의 3차원 좌표값을 계산할 수 있다. The geometric correction process for a flat mirror is to attach a checker board to the flat mirror and shoot with a calibrated camera, and the external variables [
Figure 112019066957692-pat00019
,
Figure 112019066957692-pat00020
]. Through this process, it is possible to convert the coordinates between the camera and the plane mirror, so that the three-dimensional coordinate value of the plane mirror corresponding to the position of each pixel of the photographed image can be calculated.

스크린에 대한 기하보정 역시 평면거울의 기하보정과정과 같은 방식으로 수행할 수 있다. 그런데, 스크린은 카메라와 같은 방향을 향하므로 카메라가 스크린을 직접 볼 수 없다. 따라서 스크린에 대한 기하보정은 직접적으로 하지 못하고 평면거울에 반사된 스크린 화면을 이용하여 보정한다. 이와 같은 개념을 가상 스크린(virtual screen)이라 한다. 가상 스크린 개념을 이용한 기하보정 과정은 프로젝터에서 스크린으로 규격이 미리 정해진 체커보드 화면을 비추고 카메라는 평면거울에서 반사되는 체커보드를 촬영하여 가상 스크린에 대한 외부변수 [

Figure 112019066957692-pat00021
,
Figure 112019066957692-pat00022
]을 계산한다. 그리고 스크린에 대한 실제 회전행렬과 이동벡터 [
Figure 112019066957692-pat00023
,
Figure 112019066957692-pat00024
]는 수학식 4를 이용하여 구한다. The geometric correction for the screen can also be performed in the same way as the geometric correction process for a flat mirror. However, since the screen faces the same direction as the camera, the camera cannot directly see the screen. Therefore, it is not possible to directly correct the geometry of the screen, but it is corrected using the screen screen reflected by the flat mirror. This concept is called a virtual screen. The geometric correction process using the concept of a virtual screen projects a checkerboard screen with a predetermined standard from the projector to the screen, and the camera shoots a checkerboard reflected from a flat mirror, and external variables [
Figure 112019066957692-pat00021
,
Figure 112019066957692-pat00022
] Is calculated. And the actual rotation matrix and motion vector for the screen [
Figure 112019066957692-pat00023
,
Figure 112019066957692-pat00024
] Is obtained using Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019066957692-pat00025
Figure 112019066957692-pat00025

여기서, n은 평면 거울의 법선벡터, d는 카메라 원점에서 거울까지의 거리, I는 unit 행렬이고,

Figure 112019066957692-pat00026
Figure 112019066957692-pat00027
는 가상 스크린에 대한 외부변수,
Figure 112019066957692-pat00028
는 회전행렬,
Figure 112019066957692-pat00029
는 이동벡터를 의미한다.Where n is the normal vector of the plane mirror, d is the distance from the camera origin to the mirror, and I is the unit matrix,
Figure 112019066957692-pat00026
Wow
Figure 112019066957692-pat00027
Is an external variable to the virtual screen,
Figure 112019066957692-pat00028
Is the rotation matrix,
Figure 112019066957692-pat00029
Means a motion vector.

(구조광 패턴 생성과 기준 주소 등록)(Structured light pattern creation and reference address registration)

구조광 패턴 생성과 기준 주소 등록을 설명하면 다음과 같다. The structured light pattern generation and reference address registration will be described as follows.

최근 구조광 패턴을 사용한 3차원 표면측정 방법이 측정도를 우수하게 유지하면서 광학계를 간소화시킨 측정법으로 주로 사용된다. 도 4는 약간 기운 평면거울에 맺힌 10비트 gray 코드화된 수평/수직 방향 구조광 패턴의 일부 비트패턴을 보여주고, 도 5는 복호화한 구조광 패턴 영상을 보여준다. Recently, a three-dimensional surface measurement method using a structured light pattern is mainly used as a measurement method that simplifies the optical system while maintaining excellent measurement accuracy. 4 shows some bit patterns of a 10-bit gray-coded horizontal/vertical structured light pattern formed on a slightly tilted flat mirror, and FIG. 5 shows a decoded structured light pattern image.

구조광 패턴을 사용하여 3차원 표면형상을 측정하기 위해서는 거울에 비친 구조광 패턴을 촬영한 카메라 영상의 각 화소와 스크린 화소간에 일대일 대응관계를 알아야 한다. 따라서 카메라-평면거울-스크린에 대한 기하보정 후에 복호화된 수평/수직 구조 패턴에 대해 카메라를 원점으로 하는 3차원 좌표계에서 카메라에서 획득한 복호화된 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준 주소(reference address)를 등록하여 반사체 표면형상 측정과정에서 사용한다. 기준주소에는 복호화된 구조 패턴 값에 대응하는 스크린의 3차원 좌표값이 등록된다.In order to measure a three-dimensional surface shape using a structured light pattern, it is necessary to know a one-to-one correspondence between each pixel of a camera image photographing a structured light pattern reflected in a mirror and a screen pixel. Therefore, the screen corresponding to the position coordinates of each pixel of the decoded structured light pattern image acquired from the camera in the 3D coordinate system with the camera as the origin for the decoded horizontal/vertical structure pattern after geometric correction for the camera-plane mirror-screen. The three-dimensional position coordinates of are registered as a reference address and used in the process of measuring the surface shape of the reflector. The three-dimensional coordinate value of the screen corresponding to the decoded structure pattern value is registered in the reference address.

(구조광 패턴 반사기술에 의한 반사체의 국소 기울기 측정 및 3차원 형상복원)(Measurement of local inclination of reflector and restoration of 3D shape by structured light pattern reflection technology)

도 6은 카메라 좌표계에서 스크린 좌표, 평면거울 좌표, 그리고 카메라 좌표의 상호관계를 나타낸 것이다. 스크린의 좌표

Figure 112019066957692-pat00030
에서 나오는 입력 광 i는 평면거울의 좌표
Figure 112019066957692-pat00031
에서 반사체에 반사되고, 반사광 r은 카메라 원점을 통과하여 영상
Figure 112019066957692-pat00032
에 상을 맺는다. 기하 보정이 정확하면 영상 좌표에 대응하는 스크린과 평면 거울에 대한 3차원 좌표를 알 수 있다. 따라서 입력 광 벡터 i와 출력 광 벡터 r을 구할 수 있고, 좌표
Figure 112019066957692-pat00033
에서의 반사체에 대한 법선벡터 n을 수학식 5로 구할 수 있다. 이때 2차원 영상좌표는 수학식 3 을 이용하여 3차원 카메라 좌표로 변환한다.6 shows the interrelationship of screen coordinates, plane mirror coordinates, and camera coordinates in the camera coordinate system. Screen coordinates
Figure 112019066957692-pat00030
The input light i emitted from is the coordinates of the plane mirror
Figure 112019066957692-pat00031
Is reflected by the reflector, and the reflected light r passes through the camera origin
Figure 112019066957692-pat00032
The prize is on. If the geometric correction is accurate, the three-dimensional coordinates for the screen and the plane mirror corresponding to the image coordinates can be known. Therefore, the input light vector i and the output light vector r can be obtained , and the coordinates
Figure 112019066957692-pat00033
The normal vector n for the reflector at can be obtained by Equation 5. At this time, the 2D image coordinates are converted into 3D camera coordinates using Equation 3.

(수학식 5)(Equation 5)

Figure 112019066957692-pat00034
Figure 112019066957692-pat00034

i : 평면 거울좌표 M에서의 입력 광 벡터, r : 평면 거울좌표 M에서의 출력 광 벡터, n : 평면 거울좌표 M에서의 법선벡터(normal vector) i : input light vector in planar mirror coordinate M, r : output light vector in planar mirror coordinate M, n : normal vector in planar mirror coordinate M

그리고 (

Figure 112019066957692-pat00035
) 좌표에서 반사체 표면의 수평, 수직방향 기울기는 수학식 6으로 계산된다.And (
Figure 112019066957692-pat00035
) In the coordinates, the horizontal and vertical slope of the reflector surface is calculated by Equation 6.

(수학식 6)(Equation 6)

Figure 112019066957692-pat00036
Figure 112019066957692-pat00036

평면거울 좌표 (

Figure 112019066957692-pat00037
)에서 반사체 표면의 높이는
Figure 112019066957692-pat00038
로 나타낼 수 있으므로 수학식 6의 기울기는 수학식 7로 표현할 수 있다.Plane mirror coordinates (
Figure 112019066957692-pat00037
), the height of the reflector surface is
Figure 112019066957692-pat00038
Since it can be expressed as Equation 6, the slope of Equation 6 can be expressed as Equation 7.

(수학식 7)(Equation 7)

Figure 112019066957692-pat00039
Figure 112019066957692-pat00039

여기서

Figure 112019066957692-pat00040
는 거울과 카메라의 거리,
Figure 112019066957692-pat00041
는 거울과 스크린의 거리이다. 그리고
Figure 112019066957692-pat00042
,
Figure 112019066957692-pat00043
,
Figure 112019066957692-pat00044
,
Figure 112019066957692-pat00045
,
Figure 112019066957692-pat00046
는 기하학적으로 구할 수 있다. 한편
Figure 112019066957692-pat00047
,
Figure 112019066957692-pat00048
,
Figure 112019066957692-pat00049
는 구조광 패턴 편향 측정을 통해 구한다. here
Figure 112019066957692-pat00040
Is the distance between the mirror and the camera,
Figure 112019066957692-pat00041
Is the distance between the mirror and the screen. And
Figure 112019066957692-pat00042
,
Figure 112019066957692-pat00043
,
Figure 112019066957692-pat00044
,
Figure 112019066957692-pat00045
,
Figure 112019066957692-pat00046
Can be obtained geometrically. Meanwhile
Figure 112019066957692-pat00047
,
Figure 112019066957692-pat00048
,
Figure 112019066957692-pat00049
Is obtained by measuring the deflection of the structured light pattern.

반사체에 나타난 구조패턴은 표면형상에 따라 평면거울과 비교하여 변형된 패턴값을 갖게 되는데, (

Figure 112019066957692-pat00050
,
Figure 112019066957692-pat00051
) 좌표에서 반사체에 나타난 구조광 패턴 값에 대응하는 3차원 스크린 좌표를 구하면
Figure 112019066957692-pat00052
,
Figure 112019066957692-pat00053
,
Figure 112019066957692-pat00054
을 계산할 수 있다. 하지만 식 (7)에서
Figure 112019066957692-pat00055
은 3차원 복원과정에서 반복적인 연산을 통해 구해지는 값이데, 초기값으로 평면거울의
Figure 112019066957692-pat00056
을 적용하여 계산한다. The structural pattern shown on the reflector has a deformed pattern value compared to the flat mirror according to the surface shape.
Figure 112019066957692-pat00050
,
Figure 112019066957692-pat00051
) If you obtain the 3D screen coordinates corresponding to the structured light pattern value displayed on the reflector from the coordinates,
Figure 112019066957692-pat00052
,
Figure 112019066957692-pat00053
,
Figure 112019066957692-pat00054
Can be calculated. But in equation (7)
Figure 112019066957692-pat00055
Is a value obtained through repetitive operations in the 3D restoration process, and is the initial value of the flat mirror.
Figure 112019066957692-pat00056
Calculate by applying.

도 7은 집광 반사판의 표면 형상에 의해 변형된 5번째 수평/수직 구조광 패턴을 보여주고, 도 8은 복호화된 구조패턴을 나타낸 것이다. 도 9는 집광반사판에 대한 수평, 수직방향 기울기를 보여준다. 집광 반사판에 나타난 구조광 패턴은 표면형상에 따라 평면 거울을 사용하여 등록된 기준 주소와 다른 패턴 값을 갖게 되는데, (

Figure 112019066957692-pat00057
,
Figure 112019066957692-pat00058
) 좌표에서 반사판에 나타난 구조광 패턴 값에 대응하는 3차원 스크린 좌표를 구하면
Figure 112019066957692-pat00059
,
Figure 112019066957692-pat00060
,
Figure 112019066957692-pat00061
을 계산할 수 있다. 하지만 식 (7)에서 반사판의 z(
Figure 112019066957692-pat00062
,
Figure 112019066957692-pat00063
)은 3차원 복원과정에서 반복적인 연산을 통해 구해지는 값이데, 초기값으로 평면거울의 높이
Figure 112019066957692-pat00064
을 적용하여 계산한다. 3차원 형상복원은 기울기에 대한 integration 처리 또는 모델기반의 추정방식이 주로 사용된다.7 shows the fifth horizontal/vertical structured light pattern modified by the surface shape of the light collecting reflector, and FIG. 8 shows the decoded structure pattern. 9 shows the inclination of the light collecting reflector in the horizontal and vertical directions. The structured light pattern displayed on the condensing reflector has a pattern value different from the reference address registered using a flat mirror according to the surface shape.
Figure 112019066957692-pat00057
,
Figure 112019066957692-pat00058
) If you obtain the 3D screen coordinates corresponding to the structured light pattern value displayed on the reflector from the coordinates,
Figure 112019066957692-pat00059
,
Figure 112019066957692-pat00060
,
Figure 112019066957692-pat00061
Can be calculated. But in equation (7), z(
Figure 112019066957692-pat00062
,
Figure 112019066957692-pat00063
) Is a value obtained through repetitive operations in the 3D restoration process, and is the initial value of the height of the flat mirror.
Figure 112019066957692-pat00064
Calculate by applying. In 3D shape restoration, the integration process for the slope or model-based estimation method is mainly used.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법은 대형 집광반사판, 자동차, 항공기, 선박 표면의 3차원 형상을 정밀하고 신속하게 측정할 수 있다. 따라서 금형-사출을 통해 제작되는 빛을 반사하는 재질의 대형 물체 표면에 대한 정밀 측정이 가능하므로, 금형-사출 제품의 검증에 사용될 수 있다.The method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology according to an embodiment of the present invention can accurately and quickly measure the three-dimensional shape of the surface of a large-sized light-converging reflector, automobile, aircraft, and ship. Therefore, since it is possible to accurately measure the surface of a large object made of a material that reflects light produced through mold-injection, it can be used for verification of mold-injection products.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법에서 용어(기호)설명을 하면 다음과 같다. s : 카메라의 scale factor, A : 카메라 내부변수 행렬, (

Figure 112019066957692-pat00065
,
Figure 112019066957692-pat00066
,
Figure 112019066957692-pat00067
) : 영상의 화소 위치 (x, y)에 대응하는 카메라 좌표계의 3차원 좌표, (X, Y) : 월드좌표계에서의 3차원 좌표, [R T] : 월드 좌표계를 카메라 좌표계로 변환시키기 위한 회전/이동 변환 행렬이다.In the method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique according to an embodiment of the present invention, terms (symbols) will be described as follows. s: scale factor of the camera, A: matrix of camera internal variables, (
Figure 112019066957692-pat00065
,
Figure 112019066957692-pat00066
,
Figure 112019066957692-pat00067
): 3D coordinates of the camera coordinate system corresponding to the pixel position (x, y) of the image, (X, Y): 3D coordinates in the world coordinate system, [RT]: Rotation to convert the world coordinate system to the camera coordinate system It is a shift transformation matrix.

Figure 112019066957692-pat00068
: 스크린의 좌표,
Figure 112019066957692-pat00069
: 카메라 좌표,
Figure 112019066957692-pat00070
: 평면 거울의 좌표, i : 평면 거울좌표 M에서의 입력 광 벡터, r : 평면 거울좌표 M에서의 출력 광 벡터, n : 평면 거울좌표 M에서의 법선벡터(normal vector),
Figure 112019066957692-pat00071
: 평면거울과 카메라의 거리,
Figure 112019066957692-pat00072
: 거울과 스크린의 거리
Figure 112019066957692-pat00068
: The coordinates of the screen,
Figure 112019066957692-pat00069
: Camera coordinates,
Figure 112019066957692-pat00070
: Coordinates of the plane mirror, i : input light vector in plane mirror coordinate M, r : output light vector in plane mirror coordinate M, n : normal vector in plane mirror coordinate M,
Figure 112019066957692-pat00071
: Distance between the flat mirror and the camera,
Figure 112019066957692-pat00072
: Distance between mirror and screen

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

Claims (7)

(a) 프로젝터의 대형 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면거울에 나타나도록 평면거울을 배치하여 카메라를 보정하는 과정과, 상기 대형 스크린과 평면거울에 대한 기하보정 과정과, 구조광 패턴의 기준주소 기록과정을 수행하는 셋업 단계; 및
(b) 상기 평면거울 대신 실제 측정할 대형 반사체를 배치시키고 셋업 단계의 기하보정 과정에서 구한 평면거울과 스크린의 외부변수 행렬들과 구조광 패턴에 대응하는 대형 스크린의 기준주소를 기반으로 상기 대형 반사체에서 반사된 변형된 구조광 패턴을 측정하는 측정 단계;를 포함하며,
상기 셋업 단계는 프로젝터에서 대형 스크린에 구조광 패턴을 비출 수 있도록 배치하고, 상기 대형 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면 거울에 나타나도록 평면거울을 배치하며, 카메라에서 평면거울을 촬영할 수 있도록 배치한 환경을 구축하고,
상기 측정단계는 상기 대형 스크린의 좌표(S)에서 나오는 입력 광은 평면거울의 좌표(M)에서 반사되고, 반사광은 카메라 원점을 통과하여 카메라 좌표(C)에 상을 맺는 가상스크린을 이용한 기하 보정으로 상기 평면거울의 좌표(M)에서의 반사체에 대한 법선벡터를 구하여 상기 대형 반사체 표면의 수평, 수직방향 기울기를 측정하여 대형 반사체의 3차원 표면형상을 측정하되,
상기 구조광 패턴의 기준주소 기록과정에서 상기 대형 스크린의 구조광 패턴이 보정된 평면거울에 비취지는 영상을 카메라에서 촬영하여 구조 패턴 값에 대응하는 대형 스크린의 3차원 좌표값을 등록하며,
상기 측정 단계에서 측정하고자 하는 상기 대형 반사체에서 나타나는 구조광 패턴을 카메라로 촬영하고 상기 기준주소와의 차이값을 사용하여 측정하되, 평면거울 좌표(Xm, Ym)에서 상기 대형 반사체에 나타난 구조광 패턴값에 대응하는 3차원 스크린 좌표(Xs, Ys)와 거울-대형 스크린의 거리(dm2s)를 계산하고, 초기값으로 평면거울의 높이(Zm)를 적용하여 상기 대형 반사체 표면의 높이(z=z(Xm,Ym))를 계산하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
(a) The process of calibrating the camera by arranging the flat mirror so that the structured light pattern displayed on the large screen of the projector appears on the flat mirror, the geometric correction process for the large screen and the flat mirror, and the reference address of the structured light pattern. A setup step of performing a recording process; And
(b) Place a large reflector to be measured in place of the flat mirror, and the large reflector based on the reference address of the large screen corresponding to the plane mirror and the external variable matrices of the screen and the structured light pattern obtained in the geometric correction process of the setup step. Including; a measuring step of measuring the deformed structured light pattern reflected from the,
In the setup step, the projector is arranged so that the structured light pattern can be illuminated on the large screen, the flat mirror is arranged so that the structured light pattern displayed on the large screen appears on the flat mirror, and the flat mirror is arranged so that the camera can photograph the structured light pattern. Build the environment,
In the measuring step, the input light emitted from the coordinates (S) of the large screen is reflected from the coordinates (M) of the flat mirror, and the reflected light passes through the camera origin and is imaged to the camera coordinates (C). By obtaining the normal vector of the reflector at the coordinates (M) of the planar mirror, measuring the horizontal and vertical slope of the surface of the large reflector to measure the three-dimensional surface shape of the large reflector,
In the process of recording the reference address of the structured light pattern, an image projected on the flat mirror on which the structured light pattern of the large screen is corrected is photographed by a camera, and a three-dimensional coordinate value of the large screen corresponding to the structured pattern value is registered,
In the measuring step, the structured light pattern appearing on the large reflector to be measured is photographed with a camera and measured using a difference value from the reference address, but the structured light pattern appearing on the large reflector at plane mirror coordinates (Xm, Ym) Calculate the three-dimensional screen coordinates (Xs, Ys) and the mirror-large screen distance (dm2s) corresponding to the value, and apply the height of the flat mirror (Zm) as an initial value to the height of the large reflector surface (z=z A method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique, characterized in that (Xm,Ym)) is calculated.
제1항에 있어서,
상기 셋업 단계는 프로젝터에서 스크린에 구조광 패턴을 비출 수 있도록 배치하고, 스크린에 디스플레이되는 구조광 패턴이 평면거울에 나타나도록 평면거울을 배치하며, 카메라가 평면거울을 촬영할 수 있도록 배치한 환경을 구축한 후 카메라 보정 과정, 평면거울과 스크린에 대한 기하보정 과정 및 평면거울에 나타나는 구조광 패턴을 카메라가 촬영하여 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준주소로 등록하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
The method of claim 1,
In the setup step, the projector is arranged so that the structured light pattern can be illuminated on the screen, the flat mirror is placed so that the structured light pattern displayed on the screen appears on the flat mirror, and the environment is constructed so that the camera can photograph the flat mirror. After the camera calibration process, the geometric correction process for the flat mirror and the screen, and the structured light pattern appearing on the flat mirror, the camera photographs the three-dimensional position coordinates of the screen corresponding to the position coordinates of each pixel of the structured light pattern image as a reference address. A method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology, characterized in that performing a process of registering as.
제1항에 있어서,
상기 측정 단계는 평면거울 대신 실제 측정할 대형 반사체를 위치시키고, 셋업단계의 기하보정 과정에서 구한 평면거울과 스크린의 외부변수 행렬들과 구조광 패턴에 대응하는 스크린의 기준주소를 기반으로 반사체에서 반사된 변형된 구조광 패턴을 측정하여 반사체의 국소 기울기를 산출하는 대형 반사체의 3차원 표면형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
The method of claim 1,
In the measuring step, a large reflector to be measured is placed instead of a flat mirror, and reflected from the reflector based on the reference address of the screen corresponding to the plane mirror and external variable matrices of the screen and the structured light pattern obtained in the geometric correction process of the setup step. A method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology, characterized in that measuring a modified structured light pattern to measure a three-dimensional surface shape of a large reflector that calculates a local inclination of the reflector.
제1항에 있어서,
상기 셋업 단계는 카메라에서 나타날 수 있는 왜곡 보정과 카메라에서 획득하는 영상좌표와 카메라 초점을 기준으로 하는 3차원 카메라 좌표의 관계를 구하는 카메라 보정단계;
카메라에서 획득한 영상의 화소 좌표에 대응하는 평면거울의 3차원 좌표와 스크린의 3차원 좌표를 구할 수 있는 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 구하는 기하보정 단계; 및
상기 프로젝터에서 스크린에 투사한 구조광 패턴을 평면거울에 비춘 후 카메라가 촬영하여 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표를 기준주소(reference address)로 등록하여 대형 반사체의 3차원 표면형상 측정 셋업하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
The method of claim 1,
The setup step includes: a camera correction step of obtaining a relationship between the distortion correction that may appear in the camera and the image coordinates obtained from the camera and the three-dimensional camera coordinates based on the camera focus;
A geometric correction step of obtaining an external variable matrix (rotation matrix and movement vector) capable of obtaining the three-dimensional coordinates of the plane mirror and the three-dimensional coordinates of the screen corresponding to the pixel coordinates of the image acquired from the camera; And
The structured light pattern projected on the screen by the projector is projected onto a flat mirror, and then photographed by the camera, and the three-dimensional position coordinates of the screen corresponding to the position coordinates of each pixel of the structured light pattern image are registered as a reference address. A method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology, comprising the step of setting up a three-dimensional surface shape measurement of a reflector.
제1항에 있어서,
상기 기하보정 과정은 대형 반사체의 3차원 표면형상 측정 셋업단계 중 프로젝터에서 스크린으로 규격이 미리 정해진 체커보드와 같은 특정패턴 화면을 비추고 카메라는 평면거울에서 반사되는 체커보드를 촬영하여 가상 스크린(virtual screen) 에 대한 외부변수 행렬(회전행렬과 이동벡터)을 수학식 4를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
(수학식 4)
Figure 112019066957692-pat00073

여기서, n은 평면 거울의 법선벡터, d는 카메라 원점에서 거울까지의 거리, I는 unit 행렬이고,
Figure 112019066957692-pat00074
Figure 112019066957692-pat00075
는 가상 스크린에 대한 외부변수,
Figure 112019066957692-pat00076
는 회전행렬,
Figure 112019066957692-pat00077
는 이동벡터를 의미한다.
The method of claim 1,
In the geometric correction process, during the setup step of measuring the three-dimensional surface shape of a large reflector, a screen with a specific pattern, such as a checkerboard with a predetermined standard, is projected from the projector to the screen, and the camera photographs the checkerboard reflected from the flat mirror, and A method for measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technique, characterized in that the external variable matrix (rotation matrix and motion vector) for) is obtained using Equation 4.
(Equation 4)
Figure 112019066957692-pat00073

Where n is the normal vector of the plane mirror, d is the distance from the camera origin to the mirror, and I is the unit matrix,
Figure 112019066957692-pat00074
Wow
Figure 112019066957692-pat00075
Is an external variable to the virtual screen,
Figure 112019066957692-pat00076
Is the rotation matrix,
Figure 112019066957692-pat00077
Means a motion vector.
제1항에 있어서,
상기 구조광 패턴의 기준주소 기록과정은 카메라-평면거울-스크린에 대한 기하보정 후에 복호화된 수평/수직 구조광 패턴에 대해 카메라를 원점으로 하는 3차원 좌표계에서 카메라에서 획득한 복호화된 수평/수직 구조광 패턴 영상의 각 화소의 위치좌표에 대응하는 스크린의 3차원 위치 좌표값을 기준주소(reference address)를 등록하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
The method of claim 1,
The process of recording the reference address of the structured light pattern is the decoded horizontal/vertical structure obtained from the camera in a three-dimensional coordinate system with the camera as the origin for the decoded horizontal/vertical structured light pattern after geometric correction for the camera-plane mirror-screen. A method of measuring a three-dimensional surface shape of a large reflector using a structured light pattern reflection technology, characterized in that a reference address is registered for a three-dimensional position coordinate value of a screen corresponding to the position coordinate of each pixel of the light pattern image.
제1항에 있어서,
상기 측정단계는 반사체를 카메라로 촬영하여 얻은 변형된 구조광 패턴 영상의 각 화소값에 대응하는 스크린의 기준주소와 셋업단계의 기하보정 과정에서 얻은 스크린과 평면거울의 외부변수 행렬들을 이용하여 구조광 패턴 영상의 각 화소값에 대응하는 입력 광 벡터 i와 출력 광 벡터 r을 구하여 수학식 5에 따라 법선벡터를 구한 후 수학식 7을 이용하여 반사체의 국소 기울기를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조광 패턴 반사기술을 이용한 대형 반사판 3차원 표면형상 측정 방법.
(수학식 5)
Figure 112019066957692-pat00078

(수학식 7)
Figure 112019066957692-pat00079

i : 평면 거울좌표 M에서의 입력 광 벡터, r : 평면 거울좌표 M에서의 출력 광 벡터, n : 평면 거울좌표 M에서의 법선벡터(normal vector),
Figure 112019066957692-pat00080
: 평면거울 좌표,
Figure 112019066957692-pat00081
: 반사체 표면의 높이,
Figure 112019066957692-pat00082
: 스크린 좌표,
Figure 112019066957692-pat00083
: 영상 좌표,
Figure 112019066957692-pat00084
: 평면거울과 카메라의 거리,
Figure 112019066957692-pat00085
: 거울과 스크린의 거리
The method of claim 1,
The measuring step is the structured light using the reference address of the screen corresponding to each pixel value of the deformed structured light pattern image obtained by photographing the reflector with a camera and the external variable matrices of the screen and plane mirror obtained in the geometric correction process of the setup step. A structured light pattern, characterized in that the input light vector i and the output light vector r corresponding to each pixel value of the pattern image are obtained, the normal vector is calculated according to Equation 5, and the local slope of the reflector is calculated using Equation 7 Large reflector 3D surface shape measurement method using reflection technology.
(Equation 5)
Figure 112019066957692-pat00078

(Equation 7)
Figure 112019066957692-pat00079

i : input light vector in planar mirror coordinate M, r : output light vector in planar mirror coordinate M, n : normal vector in planar mirror coordinate M,
Figure 112019066957692-pat00080
: Plane mirror coordinates,
Figure 112019066957692-pat00081
: Height of reflector surface,
Figure 112019066957692-pat00082
: Screen coordinates,
Figure 112019066957692-pat00083
: Image coordinates,
Figure 112019066957692-pat00084
: Distance between the flat mirror and the camera,
Figure 112019066957692-pat00085
: Distance between mirror and screen
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