KR100483345B1 - A scanning system based upon two-wavelength projection Moire method and its autonomous calibration using registration for multi-head system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치 및 멀티헤드 시스템의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치는, 영사계 광축과 결상계 광축을 평행하게 설치하고, 다파장 방법중의 하나인 이중파장법을 적용하여, 큰 단차에 구애받지 않고 피측정물체의 형상을 측정할 수 있다. 또한, 물리적으로 고정된 격자 대신 컴퓨터를 사용하여 피치가 다른 두 개의 조절 가능한 가상의 기준 격자를 만들어, 분해능을 조절하면서 다양한 높이의 물체를 측정 할 수 있으며, 격자 구동부가 필요 없기 때문에 측정 시간을 크게 줄일 수 있다. 또한, 백색광을 사용하는 비접촉식 측정 방식이므로, 인체에 해가 없으며 문화재와 같이 손상이 철저히 배제되어야 하는 물체 측정도 가능하다. 또한, 복수의 개별 측정기를 유연하게 연결시켜 레지스트레이션 기반의 캘리브레이션 방법을 적용하여 피측정물의 크기에 제한 없이 멀티헤드시스템의 캘리브레이션 작업을 간단하면서도 정밀하게 수행할 수 있다. The present invention relates to a dual wavelength projection moiré-based shape measuring apparatus and a calibration method of a multihead system. The dual wavelength projection type moiré-based shape measuring device according to the present invention is installed in parallel with the optical axis of the projection system and the imaging system, and by applying the dual wavelength method, which is one of the multiple wavelength methods, the measurement is performed regardless of the large step. The shape of the object can be measured. In addition, by using a computer instead of a physically fixed grid, two adjustable virtual reference grids with different pitches can be created to measure objects of varying heights while controlling the resolution. Can be reduced. In addition, since it is a non-contact measurement method using white light, it is possible to measure an object that is harmless to the human body and that damage should be thoroughly excluded, such as a cultural property. In addition, by flexibly connecting a plurality of individual measuring instruments to apply a registration-based calibration method, it is possible to perform a simple and precise calibration of the multi-head system without limiting the size of the object to be measured.
Description
본 발명은 물체의 3차원 형상을 측정하는 장치 및 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 이중 파장 영사식 모아레에 기반한 형상 측정 장치에 레지스트레이션에 기반한 자동 캘리브레이션 방법을 적용하여 측정 높이가 높고 단차가 큰 물체 및 다양한 크기의 물체의 3차원 형상을 측정 할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a calibration method for measuring a three-dimensional shape of an object. Specifically, an object having a high measurement height and a large step by applying a registration-based automatic calibration method to a shape measurement device based on a dual-wavelength projection moire. And it relates to an apparatus capable of measuring the three-dimensional shape of objects of various sizes.
통상적으로, 영사식 모아레의 광학계는 크게 영사계와 결상계로 구성되는데, 영사계에는 광원, 집광렌즈, 영사격자 그리고 영사렌즈로 구성되고, 결상계는 측정대상물에 생긴 변형격자의 영상을 기준격자 위에 결상하기 위한 결상렌즈, 기준격자, 릴레이렌즈 그리고 영상입력부인 CCD 카메라로 구성된다. 이 때 영사격자 및 기준격자는 같은 피치를 가지는 동일한 직선격자로써, 물리적인 격자로 구현되어 경우에 따라 별도의 격자 구동부가 필요하게 되는데, 이 격자 구동에 의해 측정시간이 증가하게 되는 문제가 있다.In general, the optical system of the projection type moire mainly consists of a projection system and an imaging system. The projection system is composed of a light source, a condenser lens, a projection lattice, and a projection lens, and the imaging system uses an image of a strain grating formed on a measurement object as a reference lattice. It consists of an imaging lens, a reference grid, a relay lens, and a CCD camera as an image input unit. In this case, the projection lattice and the reference lattice are the same linear lattice having the same pitch, and are implemented as a physical lattice. In this case, a separate lattice driving unit is required. There is a problem that the lattice driving increases measurement time.
영사식 모아레에 기반한 형상측정에 있어서는 격자의 이동에 의해 4 개의 화상을 얻어 이로부터 모아레 위상도를 얻는 위상이동법이 사용되었으나, 위상이동법에서 얻어진 위상의 아크탄젠트 특성상, 피측정물체 표면의 단차가 큰 경우 위상도가 불연속적으로 얻어지고 정확한 형상측정이 어려운 단점이 있었다. In the shape measurement based on the projection moiré, a phase shift method of obtaining four images by moving the lattice and obtaining a moiré phase diagram was used.However, due to the arc tangent of the phase obtained by the phase shift method, When is large, the phase diagram is obtained discontinuously, and accurate shape measurement is difficult.
이를 극복하기 위해 두 개의 비슷한 파장을 가진 격자를 이용하여 두 차례의 측정을 한 후, 얻어진 두 개의 모아레 위상도를 합성하여 불연속부분이 없는 이미지를 얻는 이중파장법이 사용되게 되었다. 다만 이 경우에도 영사격자 및 기준격자는 물리적인 격자로 구현되어 격자 구동부가 필요하고, 이 격자 구동에 의해 측정시간이 증가하게 되는 문제는 여전히 남아있다.To overcome this problem, two measurements were made using two similar wavelength gratings, and then the double-wavelength method was used to synthesize two moiré topologies to obtain images without discontinuities. However, even in this case, the projection lattice and the reference lattice are implemented as a physical lattice, and thus a lattice driving unit is required, and the problem of increasing the measurement time by the lattice driving still remains.
3차원 물체의 형상측정장치는 흔히 복수의 측정기를 사용하는 멀티헤드시스템을 채용한다. 즉, 여러 대의 측정기를 연동하여 3차원 물체를 측정함으로써, 사용자는 별도의 조작 없이 360°회전 가능한 입체 형상을 신속하게 얻을 수 있다. 이러한 멀티헤드시스템에 있어서 각각의 측정기에서 측정된 데이터를 결합하는 과정에는 캘리브레이션 작업이 필요하게 된다. 이러한 멀티헤드시스템의 캘리브레이션 작업을 위하여, 여러 위치에서 측정된 즉, 시점이 다른 데이터들을 하나의 좌표계로 위치를 통일시켜주는 레지스트레이션 작업이 선행된다. 레지스트레이션 작업을 위해 각 측정 데이터가 겹치는 영역에서의 각 다각형 모델간의 거리 차가 최소가 되도록 변환행렬을 계산하는 ICP(Iterative Closest Point) 기반의 레지스트레이션 알고리즘이 가장 많이 사용된다. 종래의 ICP 기반의 레지스트레이션 알고리즘은 한 위치에서 측정한 데이터는 다른 위치에서 측정한 데이터의 부분집합이어야 한다는 가정 하에 레지스트레이션을 수행한다. 그러나 실제로는 이러한 가정을 만족시키는 데이터가 존재하지 않음으로써 이러한 단점을 극복하기 위한 추가적인 계산 과정을 필요로 하는 문제가 있다.Apparatuses for measuring the shape of three-dimensional objects often employ a multihead system using a plurality of measuring devices. That is, by measuring a three-dimensional object in conjunction with a plurality of measuring devices, the user can quickly obtain a three-dimensional shape that can be rotated 360 ° without a separate operation. In such a multihead system, a calibration process is required to combine the data measured by each measuring instrument. For the calibration work of such a multi-head system, a registration work is performed to unify the data measured at various positions, that is, the data having different viewpoints, into one coordinate system. The registration algorithm based on ICP (Iterative Closest Point), which calculates the transformation matrix so that the distance difference between each polygonal model in the area where each measurement data overlaps, is most used for registration. The conventional ICP-based registration algorithm performs registration on the assumption that the data measured at one location should be a subset of the data measured at another location. In reality, however, there is no data that satisfies these assumptions, and thus there is a problem in that an additional calculation process is required to overcome this disadvantage.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 영사식 모아레를 이용한 3차원형상측정장치에 있어서 광학계의 영사격자 및 기준격자가 물리적인 격자이기 때문에 생기는 측정 시간이 길어지는 단점을 극복하고, 멀티헤드시스템을 도입할 때 문제되는 각각의 측정기에서 측정한 데이터간의 캘리브레이션 알고리즘에서 현실적이지 못한 가정을 제거하여 캘리브레이션 알고리즘의 제한요소를 제거하는 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention is a measurement time that occurs because the projection grid and the reference grid of the optical system in the three-dimensional shape measurement apparatus using the projection moiré is a physical grating In order to overcome this prolonged shortcoming and to eliminate unrealistic assumptions in the calibration algorithm between data measured by each measuring device, which is a problem when introducing a multihead system, a method of removing the limitation of the calibration algorithm is provided.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 소정의 격자 간격을 가지는 가상격자를 만드는 가상격자형성부, 피측정물체에 상기 가상격자형성부에서 만들어진 가상격자를 투사하는 영사부, 가상격자가 투사된 상기 피측정물체 상에 피측정물체의 표면의 요철로 인해 생기는 모아레 현상에 따른 변형격자의 영상데이터를 얻는 영상입력부, 상기 영상입력부에서 받아들인 영상데이터를 디지털데이터로 변환하는 디지털변환부, 및 상기 디지털변환부에서 변환된 변형격자의 디지털데이터를 받아들이고, 받아들인 디지털데이터와 상기 가상격자와 같은 피치를 가지는 동일한 직선격자인 기준격자의 데이터와의 연산을 통해 피측정물체의 형상데이터를 생성하는 영상데이터연산부로 구성되는 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치를 제공함으로써 달성된다.An object of the present invention as described above, a virtual grid forming unit for making a virtual grid having a predetermined lattice spacing, a projection unit for projecting a virtual grid made by the virtual grid forming unit on the object to be measured, the measured object is projected virtual grid An image input unit for obtaining the image data of the strain grating according to the moiré phenomenon caused by the irregularities of the surface of the object under measurement on the object, a digital conversion unit for converting the image data received by the image input unit into digital data, and the digital conversion unit The image data calculation unit receives the digital data of the strain grating transformed from and generates shape data of the object under measurement by calculating the received digital data and the data of the reference grating of the same linear grating having the same pitch as the virtual grating. It is achieved by providing a dual wavelength projection moiré-based shape measuring apparatus.
여기서, 상기 가상격자형성부는 가상격자의 격자 간격을 별도의 구동장치 없이 조절하는 것이 가능하다.Here, the virtual grid forming unit may adjust the grid spacing of the virtual grid without a separate driving device.
또한 여기서, 상기 형상측정장치는, 피측정물체의 크기를 고려하여 피측정물체의 주위에 소정의 각도를 이루도록 배치되는 멀티헤드 시스템으로 구성되는 것이 가능하다. In addition, the shape measuring apparatus may be configured as a multihead system arranged to form a predetermined angle around the object under consideration in consideration of the size of the object under measurement.
또한, 본 발명의 목적은, 소정의 격자 간격을 가지는 가상격자를 만드는 가상격자형성 단계, 피측정물체에 상기 가상격자를 투사하는 영사 단계, 가상격자가 투사된 상기 피측정물체 상에 피측정물체의 표면의 요철로 인해 생기는 모아레 현상에 따른 변형격자의 영상데이터를 얻는 단계, 변형격자의 영상데이터를 디지털데이터로 변환하는 단계, 및 상기 변형격자의 디지털데이터와 기준격자의 데이터와의 연산을 통해 피측정물체의 형상데이터를 생성하는 단계로 구성되는 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.In addition, an object of the present invention, the virtual grid forming step of making a virtual grid having a predetermined lattice spacing, the projection step of projecting the virtual grid on the object to be measured, the object to be measured on the measured object on which the virtual grid is projected Obtaining the image data of the strain grating according to the moire phenomenon caused by the irregularities of the surface of the surface, converting the image data of the strain grating to digital data, and through calculation of the digital data of the strain grating and the data of the reference grid It can be achieved by providing a dual wavelength projection moiré-based shape measurement method consisting of generating the shape data of the object under measurement.
여기서, 상기 형상측정방법은 피측정물체의 크기를 고려하여 피측정물체의 주위에 소정의 각도와 위치를 설정하고, 설정된 각 위치별로 상기 방법을 통하여 피측정물체의 형상데이터를 복수개 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The shape measuring method may include setting a predetermined angle and a position around the object under consideration in consideration of the size of the object to be measured, and generating a plurality of shape data of the object under measurement through the method for each set position. It may further include.
또한 여기서, 각기 다른 위치별에서 피측정물체의 형상데이터를 동시에 측정하는 것도 가능하다.Here, it is also possible to simultaneously measure the shape data of the object under measurement at different positions.
또한 여기서, 상기 피측정물체의 형상데이터를 복수개 생성하는 단계에 의하여 측정된 형상데이터들을 하나의 좌표계로 위치를 통일시켜주는 레지스트레이션 단계, 상기 레지스트레이션 단계의 결과로부터 각 측정위치 사이의 상대위치행렬을 구하는 단계, 상기 상대위치행렬로부터 각 측정위치 간의 상대위치를 정밀하게 계산하여 각 측정 데이터를 유연하게 연결하는 캘리브레이션 단계를 더 포함하는 것도 가능하다.In addition, a registration step of unifying the position of the shape data measured by generating a plurality of shape data of the object to be measured in one coordinate system, and obtaining a relative position matrix between each measurement position from the result of the registration step The method may further include a calibration step of flexibly connecting the respective measurement data by precisely calculating the relative position between the respective measurement positions from the relative position matrix.
또한 여기서, 상기 캘리브레이션 단계는, ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘을 이용하는 것도 가능하다.In this case, the calibration step may use a registration algorithm based on ICP.
또한 여기서, 상기 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘을 이용할 때, 거리가 기준 한도 이상이 되는 점쌍, 한 점이라도 메쉬 경계 위에 있는 점쌍, 및 거리 또는 법선 벡터 등과 같이 기하학적 성질이 인접한 다른 점들과 상이한 모든 점쌍은 상기 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘의 이용에 있어서 포함시키지 않는 휴리스틱 조건을 함께 적용하는 것도 가능하다.In addition, when the registration algorithm based on the ICP is used, all the pairs of points that have a distance greater than or equal to a reference limit, a pair of points at least one point on a mesh boundary, and other points having different geometrical properties, such as distance or normal vector, are It is also possible to apply heuristic conditions not included in the use of a registration algorithm based on ICP.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)는 가상격자형성부(16), 영사부(12), 영상입력부(15), 디지털변환부(13), 및 영상데이터연산부(17)로 구성되고, 피측정물체상의 정확한 등고선 형성을 위해 영사계광축과 결상계광축의 사이 각이 0도인 평행광축 광학계로 구성된다.As shown in FIG. 1, the dual wavelength projection type moire-based shape measuring apparatus 1 according to the present invention includes a virtual lattice forming unit 16, a projection unit 12, an image input unit 15, and a digital conversion unit 13. And an image data calculation unit 17, and a parallel optical axis optical system having an angle of 0 degrees between the projection optical axis and the imaging optical axis to form an accurate contour line on the object to be measured.
상기 가상격자형성부(16)는 임의로 격자 간격을 조절할 수 있는 가상격자를 만들고, 상기 영사부(12)는 상기 가상격자형성부(16)에서 만든 가상격자를 피측정물체(10)에 투사한다. 상기 영사부(12)에 의해 가상격자가 투사된 상기 피측정물체(10) 상에는, 피측정물체(10)의 표면의 요철로 인해 모아레 현상에 따른 변형격자가 생긴다. 즉, 투사된 격자의 모양이 피측정물체(10) 표면의 고저에 따라 표면의 등고선 모양을 따라 변형된다. 이 변형격자를 영상입력부(15)로 받아들인 영상데이터는 영상입력부(15)의 출력이 아날로그 신호인 경우, 데이터 연산이 용이하도록 디지털데이터로 변환되어야 한다. 이 역할은 디지털변환부(13)에 의해 이루어진다. 상기 디지털변환부(13)에서 변환된 변형격자의 디지털데이터는 영상데이터연산부(17)로 보내진다. 영상데이터연산부(17)에서는 이 변형격자의 영상데이터에서 변형이 일어나기 전의 기준격자의 데이터와 비교하여 피측정물체(10)의 모아레 위상도를 얻을 수 있다.The virtual lattice forming unit 16 creates a virtual lattice that can arbitrarily adjust the lattice spacing, and the projection unit 12 projects the virtual lattice made by the virtual lattice forming unit 16 onto the object to be measured. On the measurement target object 10 on which the virtual grid is projected by the projection unit 12, a deformation grid due to moiré phenomenon occurs due to the irregularities of the surface of the measurement object 10. That is, the shape of the projected grating is deformed along the contour of the surface according to the height of the surface of the object 10 to be measured. The image data having received the strain grating to the image input unit 15 should be converted into digital data to facilitate data calculation when the output of the image input unit 15 is an analog signal. This role is played by the digital conversion unit 13. The digital data of the strain grating transformed by the digital converter 13 is sent to the image data calculator 17. The image data operation unit 17 can obtain the moiré phase diagram of the object to be measured 10 by comparing with the data of the reference grid before deformation occurs in the image data of the strain grating.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치를 실시함에 있어, 상기 가상격자형성부(16)는 PC(4)에 의해 구현될 수 있으며, 영사부(12)는 빔 프로젝터(2) 등이 사용될 수 있다. 영상입력부(15)로는 CCD 카메라(5) 또는 디지털 카메라 등이 사용될 수 있다. 영상데이터의 디지털변환부(13)로는 프레임 그레버(frame grabber)(3)나 비전 프로세서가 사용될 수 있다. 영상데이터연산부(17)는 PC(4)가 사용될 수 있다. 물론, 가상격자형성부(16)와 영상데이터연산부(17)를 포함하는 영상처리모듈(14)이 하나의 PC(4)를 사용하는 것이 가능하다. 다만, 도 2에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)를 구현하는 예로써 본 발명의 설명을 위한 것이지 본 발명의 구성을 한정하기 위한 것은 아니다.As shown in FIG. 2, in implementing the dual wavelength projection type moire-based shape measuring apparatus according to the present invention, the virtual grid forming unit 16 may be implemented by a PC 4 and the projection unit 12. The beam projector 2 and the like can be used. As the image input unit 15, a CCD camera 5 or a digital camera may be used. As a digital converter 13 of image data, a frame grabber 3 or a vision processor may be used. As the image data calculator 17, a PC 4 may be used. Of course, it is possible for the image processing module 14 including the virtual grid forming unit 16 and the image data calculating unit 17 to use one PC 4. However, the embodiment shown in FIG. 2 is an example for implementing the dual wavelength projection type moire-based shape measuring apparatus 1 according to the present invention for the purpose of describing the present invention and not for limiting the configuration of the present invention.
본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)는 측정된 데이터가 왜곡되는 것을 방지하고 정확한 측정을 하기 위해 이중파장법을 적용한다. 즉, 앞서 설명한 측정과정에서 사용된 가상의 격자와 유사한 주파수의 다른 격자를 사용하여 한차례 이 과정을 더 반복함으로써 모아레 위상도를 하나 더 얻는다. 이 두 개의 모아레 위상도를 합성하여 최종적인 모아레 위상도를 얻는다. 이 최종 모아레 위상도로부터 피측정물체(10)의 각 지점에서의 정확한 3차원 높이를 알 수 있다.The dual wavelength projection type moire-based shape measuring apparatus 1 according to the present invention applies the double wavelength method in order to prevent the measured data from being distorted and to make an accurate measurement. That is, one more moiré phase diagram is obtained by repeating this process one more time using another grating of similar frequency to the virtual grating used in the above-described measurement process. The two moiré topologies are synthesized to obtain the final moiré topologies. From this final moiré phase diagram, the exact three-dimensional height at each point of the object to be measured 10 can be known.
도 3에 도시된 것과 같이, 복수 개의 상기 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)를 피측정물체(10)의 크기를 고려하여 피측정물체(10)의 주위에 일정한 각도 φ를 이루도록 배치하여 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정시스템(31)을 구성한다. 이때, 각각의 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)들 간에 영상처리모듈(14)과 디지털변환부(13)를 공유하여 사용하는 것도 가능하다. As shown in FIG. 3, the plurality of dual-wave projection type moire-based shape measuring devices 1 are arranged to form a constant angle φ around the object 10 in consideration of the size of the object 10 to be measured. To configure a multihead dual wavelength projection moire-based shape measurement system 31. In this case, it is also possible to share the image processing module 14 and the digital converter 13 between the dual wavelength projection type moire-based shape measurement apparatus 1.
상기 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정시스템(31)에 의한 3차원 현상의 측정은 각각의 상기 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)로 각각 다른 위치에서 피측정물체(10)의 형상데이터, 즉 최종 모아레 위상도를 측정하고, 측정된 각각의 다시점 형상데이터를 하나의 좌표계로 위치를 통일시켜주는 레지스트레이션 작업을 수행함으로써 이루어진다.Measurement of three-dimensional phenomena by the multihead dual wavelength projection moiré-based shape measurement system 31 is performed by each of the dual wavelength projection moiré-based shape measurement device 1 at different positions of the object to be measured. The shape data, that is, the final moiré phase diagram is measured and a registration operation is performed to unify the position of each measured multi-view shape data in one coordinate system.
도 4에 도시된 바와 같이, 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)들 중에 인접한 두 개의 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1)의 영상입력부들(15', 15")에서 측정된 데이터들간의 레지스트레이션 작업은, 하나의 영상입력부가 다른 하나에 대해 x, y, z의 각 축 방향으로 회전되어있는 각도 a, b, c를 알아내고, 일방의 좌표축 x1, y1, z1축에서 타방의 좌표축 x2, y2, z2축으로의 변환행렬, 즉 아래의 수학식 1로 표현되는 상대위치행렬을 구함으로써 이루어진다.As shown in FIG. 4, measurement is performed at the image inputs 15 ′ and 15 ″ of two adjacent double wavelength projection moire based shape measurement apparatuses 1 among the dual wavelength projection type moire based shape measurement apparatus 1. The registration operation between the acquired data finds the angles a, b, and c which are rotated in the direction of each axis of x, y, z with respect to the other one, and then, on one coordinate axis x1, y1, z1 axis. This is achieved by obtaining a transformation matrix on the other coordinate axis x2, y2, z2 axes, that is, a relative position matrix represented by the following expression (1).
레지스트레이션 과정을 통해 인접 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치(1) 사이의 상대위치 행렬을 계산하고, 계산된 상대 위치 행렬로부터 각각의 형상측정장치의 영상입력부(15', 15")들의 좌표축간에 캘리브레이션 작업을 수행함으로써 3차원형상을 한번에 측정할 수 있다.The registration process calculates the relative position matrix between the adjacent dual-wavelength projection moiré-based shape measuring apparatus 1 and between the coordinate axes of the image input units 15 'and 15 "of each shape measuring apparatus from the calculated relative position matrix. By performing a calibration operation, three-dimensional shapes can be measured at once.
상기 캘리브레이션 작업은, 각 측정데이터가 겹치는 영역에서 각 폴리곤 모델간의 거리 차가 최소가 되는 변환행렬 값을 계산하는 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘을 적용한다.The calibration operation applies an ICP-based registration algorithm that calculates a transformation matrix value that minimizes the distance difference between each polygon model in an area where each measurement data overlaps.
도 5에 도시된 바와 같이, 메쉬 A와 메쉬 B를 레지스트레이션하는 경우를 고려하면, ICP 기반의 레지스트레이션 알고리즘은 가장 먼저 메쉬 A 상의 각각의 점들에 대해 메쉬 B 상의 어느 점이 최단거리에 위치하는지를 찾는다. 따라서, 도 5의 (가) 부분의 쇄선으로 그려진 점들은 모두 메쉬 B의 왼쪽 외곽에 위치하고 있는 점 β와 최단 거리에 위치하게 된다. 메쉬 B 상의 각각의 점들에 대해서도 작은 작업을 통해 (나) 부분의 점들이 모두 점 α와 최단거리에 존재한다는 것을 알 수 있다. (가) 및 (나) 부분에 있는 점들은 두 메쉬 A 및 B를 레지스트레이션하는데 불필요하기 때문에, 상기 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘의 적용에 있어서, 거리가 어느 한도 이상이 되는 점쌍, 한 점이라도 메쉬 경계 위에 있는 점쌍, 및 거리 또는 법선 벡터 등과 같이 기하학적 성질이 인접한 다른 점들과 상이한 모든 점쌍들은 포함시키지 않는 휴리스틱 조건을 함께 적용한다.As shown in FIG. 5, considering the case of registering mesh A and mesh B, the ICP-based registration algorithm first finds which point on mesh B is located at the shortest distance for each point on mesh A. FIG. Accordingly, the points drawn by the dashed lines in part (a) of FIG. 5 are located at the shortest distance from the point β located at the left outer side of the mesh B. FIG. Even for each of the points on the mesh B, a little work shows that the points of part (b) are all at the shortest distance to the point α. Since the points in (A) and (B) are unnecessary to register two meshes A and B, in the application of the ICP-based registration algorithm, a pair of points or distances exceeding a certain limit are placed on the mesh boundary. A heuristic condition is applied together that does not include all the pairs of points, and all pairs of points that differ from other points of adjacent geometric properties, such as distance or normal vectors.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정방법은 소정의 격자 간격을 가지는 가상격자를 만드는 가상격자형성 단계(S1), 피측정물체(10)에 상기 가상격자를 투사하는 영사 단계(S2), 가상격자가 투사된 상기 피측정물체 상에 피측정물체(10)의 표면의 요철로 인해 생기는 모아레 현상에 따른 변형격자의 영상데이터를 얻는 단계(S3), 변형격자의 영상데이터를 디지털데이터로 변환하는 단계(S4), 및 상기 변형격자의 디지털데이터와 기준격자의 데이터와의 연산을 통해 피측정물체의 형상데이터를 생성하는 단계(S5)로 구성된다.As shown in FIG. 6, in the dual wavelength projection type moire-based shape measuring method according to the present invention, a virtual lattice forming step (S1) of forming a virtual lattice having a predetermined lattice spacing, the virtual lattice on the object to be measured 10. Projection step (S2) of projecting, obtaining the image data of the strain grating according to the moiré phenomenon caused by the irregularities of the surface of the object to be measured 10 on the object to be projected virtual grid (S3), deformation Converting the image data of the grid into digital data (S4), and generating shape data of the object to be measured through calculation of the digital data of the strain grating and the data of the reference grating (S5).
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정방법은, 피측정물체(10)의 크기를 고려하여 개별 형상측정장치의 각도와 위치를 설정하는 단계(S11), 각 위치별로 도 6에 도시된 본 발명에 따른 형상측정방법으로 피측정물체(10)의 데이터를 측정하는 단계(S12), 각각의 측정위치에서 얻어진 형상데이터들을 하나의 좌표계로 위치를 통일시켜주는 레지스트레이션 단계(S13), 상기 레지스트레이션 결과로부터 인접 측정위치 사이의 상대위치행렬을 계산하는 단계(S14), 및 상기 상대위치행렬로부터 각각의 측정위치 간의 상대 위치를 정밀하게 계산하여 각 측정 데이터를 유연하게 연결하는 캘리브레이션 단계(S15)를 거쳐 피측정물체의 완전한 3차원 형상데이터를 얻을 수 있다(S16).As shown in FIG. 7, in the multi-head dual wavelength projection moiré-based shape measuring method according to the present invention, the angle and position of the individual shape measuring apparatus are set in consideration of the size of the object 10 to be measured (S11). ), By measuring the data of the object to be measured 10 by the shape measuring method according to the present invention shown in FIG. 6 for each position (S12), the shape data obtained in each measuring position is unified in one coordinate system Registration step (S13), calculating the relative position matrix between adjacent measurement positions from the registration result (S14), and calculating the relative position between each measurement position from the relative position matrix with precision by measuring each measurement data. Through the calibration step S15 of flexibly connecting, complete three-dimensional shape data of the object under measurement can be obtained (S16).
위에서 설정된 각각의 개별 측정 위치에서의 측정은 복수의 형상측정장치(1)를 각각의 위치에 배치하여 한번에 측정함으로써 측정 시간을 크게 단축하는 멀티헤드 시스템을 구성하여서도 가능하다.The measurement at each individual measurement position set above can also be constituted by a multihead system in which a plurality of shape measuring devices 1 are placed at each position and measured at once to greatly shorten the measurement time.
상기 캘리브레이션 단계에는, ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘이 이용된다.In the calibration step, a registration algorithm based on ICP is used.
상기 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘을 이용할 때, 거리가 어느 한도 이상이 되는 점쌍, 한 점이라도 메쉬 경계 위에 있는 점쌍, 및 거리 또는 법선 벡터 등과 같이 기하학적 성질이 인접한 다른 점들과 상이한 모든 점쌍은 상기 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘의 적용과정에 포함시키지 않는 휴리스틱 조건을 함께 적용한다.When using the ICP-based registration algorithm, all pairs of points whose distance is greater than or equal to a limit, a pair of points that are at one point above the mesh boundary, and all other point pairs that have different geometric properties, such as distance or normal vectors, are based on the ICP. The heuristic conditions that are not included in the application of the registration algorithm are applied together.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 3차원형상을 측정함에 있어 이중파장 영사식 모아레의 원리를 적용하면서 컴퓨터를 이용한 가상 격자를 사용함으로써 분해능을 자유롭게 조절할 수 있고, 물리적 격자를 이용하는 경우에 격자의 구동부가 별도로 필요하고 이 구동부를 구동하는 시간만큼 측정 시간이 길어지는 문제점을 극복할 수 있다. As described above, according to the present invention, the resolution can be freely adjusted by using a computer-based virtual grating while applying the principle of dual wavelength projection moiré in measuring a three-dimensional shape, and in the case of using a physical grating It is possible to overcome the problem that a separate driving unit is required and the measurement time is longer by the time for driving the driving unit.
또한, 본 발명에 의하면, 멀티헤드시스템을 이중파장 영사식 모아레에 기반한 3차원형상측정장치에 적용함으로써, 사람과 같이 움직임이 있는 경우나, 물체를 돌려가며 촬영할 수 없는 경우, 또는 다양한 각도에서의 데이터가 빠른 시간 안에 많이 필요한 경우에도 측정할 수 있다.In addition, according to the present invention, by applying a multi-head system to a three-dimensional shape measurement apparatus based on a dual-wavelength projection moiré, when there is a movement like a person, when it is impossible to take pictures while rotating objects, or at various angles You can measure even when you need a lot of data quickly.
또한, 본 발명에 의하면, 멀티헤드시스템을 이중파장 영사식 모아레에 기반한 3차원형상측정장치에 적용할 때 필요한 캘리브레이션 과정에 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘을 적용하고 이와 함께 앞서 설명한 휴리스틱 조건을 적용함으로써 ICP에 기반한 레지스트레이션 알고리즘의 제한요소를 제거할 수 있다.In addition, according to the present invention, the ICP-based registration algorithm is applied to the calibration process required when the multihead system is applied to the three-dimensional shape measurement apparatus based on the dual wavelength projection moiré, and the heuristic condition described above is applied to the ICP. Eliminate the constraints of the based registration algorithm.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.In the above, certain preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. will be.
도 1은 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치의 구성도.1 is a block diagram of a dual wavelength projection moire-based shape measuring apparatus according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치의 실시예를 도시한 구성도.Figure 2 is a block diagram showing an embodiment of a dual wavelength projection moire-based shape measurement apparatus according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정시스템의 구성도.Figure 3 is a block diagram of a multi-head dual wavelength projection moire-based shape measurement system according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정시스템에 있어서, 각 형상측정장치의 좌표계를 회전 변환하여 레지스트레이션 작업을 수행하는 것을 설명하는 도면.FIG. 4 is a diagram illustrating a registration operation by rotationally converting a coordinate system of each shape measuring apparatus in a multihead dual wavelength projection type moire-based shape measuring system according to the present invention. FIG.
도 5는 인접 형상측정장치에 측정된 데이터들 간에 측정데이터가 겹치는 부분을 레지스트레이션할 때 적용하는 본 발명에 따른 휴리스틱 조건을 도출하는 배경을 설명한 도면.5 is a view for explaining a background for deriving a heuristic condition according to the present invention applied when registering a portion where measurement data overlaps between data measured in an adjacent shape measuring apparatus.
도 6은 본 발명에 따른 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정방법을 설명하는 순서도.Figure 6 is a flow chart illustrating a dual wavelength projection moiré-based shape measurement method according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정방법을 설명하는 순서도.Figure 7 is a flow chart illustrating a multihead dual wavelength projection moire based shape measurement method according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정장치1: Dual wavelength projection moiré based shape measuring device
2 : 빔 프로젝터 3 : 프레임 그레버(frame grabber)2: beam projector 3: frame grabber
4 : PC 5 : CCD 카메라4: PC 5: CCD camera
10 : 피측정물체 12 : 영사부 10: measuring object 12: projection unit
13 : 디지털변환부 14 : 영상처리모듈13 digital conversion unit 14 image processing module
15, 15', 15" : 영상입력부 16 : 가상격자형성부15, 15 ', 15 ": Image input unit 16: Virtual grid forming unit
17 : 영상데이터연산부17: image data calculation unit
31 : 멀티헤드 이중파장 영사식 모아레 기반 형상측정시스템31: Multihead dual wavelength projection moire based shape measurement system
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