KR920010549B1 - 3D curved shape measuring method and device - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도 본 발명의 측정원리를 나타낸 설명도.1 is an explanatory diagram showing the measuring principle of the present invention.
제2도는 종래의 빛 절단법의 개념도.2 is a conceptual diagram of a conventional light cutting method.
제3a,b도는 종래의 빛 절단법의 사면각도에 의한 측정 정밀도의 변화를 나타낸 설명도.3A and 3B are explanatory diagrams showing a change in measurement accuracy due to a slope angle of a conventional light cutting method.
제4도는 본 발명의 한실시예에 관한 3차원 형상 계측장치의 구성도.4 is a block diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
제5도는 사면형상의 측정예를 나타낸 설명도.5 is an explanatory diagram showing a measurement example of a slope shape.
제6도는 제4도의 화상 합성회로의 상세를 나타낸 블록도.6 is a block diagram showing details of the image combining circuit of FIG.
제7도는 형상 연산회로의 그밖의 예를 나타낸 블록도.7 is a block diagram showing another example of a shape calculation circuit.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1:기준면 2:피측정대상1: Reference plane 2: Measured object
3:슬릿광원 4:회전미러3: slit light source 4: rotating mirror
5:동력제어기 6:모우터5: power controller 6: motor
7:회전각도센서 8:텔레비카메라7: Rotation angle sensor 8: TV camera
9:형상계측장치 10:형상연산회로9: Shape measuring device 10: Shape calculating circuit
11:투광(投光)각도 연산회로 12:순차제어기11: Flood angle calculation circuit 12: Sequential controller
13:화상(??像)합성연산회로 14:높이연산회로13: Image synthesis computation circuit 14: Height computation circuit
15:3차원 형상메모리 18:최대휘도화상연산부15: 3D shape memory 18: Maximum luminance image calculation unit
19:합성화상연산부 21:메모리 애드레스 발생회로19: synthetic image calculation unit 21: memory address generation circuit
20:동기회로 22: 출력제어회로20: synchronous circuit 22: output control circuit
23:최대휘도(輝道)화상 메모리 24:A/D변환회로23: Maximum luminance image memory 24: A / D conversion circuit
27:스위치회로 28:합성화상 메모리27: switch circuit 28: synthetic image memory
본 발명은 3차원 곡면의 형상을 비접촉으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for non-contact measurement of the shape of a three-dimensional curved surface.
3차원 곡면 형상의 계측은 3차원 CAD입력, 로봇비젼, 혹은 의료용 및 의복디자인용 인체 형상 계측 등, 넓은 분야에의 응용을 생각할 수 있기 때문에, 종래부터 여러가지 기법이 제안되어 있다.Since the measurement of the three-dimensional curved shape can be considered in a wide range of applications such as three-dimensional CAD input, robot vision, or human body shape measurement for medical and garment design, various techniques have been proposed in the past.
그중에서도 빛의 절단법으로서 일반에 알려져 있는 방법은, 예컨대 일본에서 발행된「화상처리안내서(가부시기가이샤 쇼오고오도오)」의 제398, 399페이지에도 기재되어 있으나, 제2도에 나타낸 바와같이, 피측정물(51)에 대하여 슬릿광원(52)으로 부터의 슬릿광(53)을 조사하였을때에 물체 표면에 형성되는 빛의 비임패턴이, 이것을 조사 방향과 다른 방향으로 부터 관찰하였을때 피측정물(51)의 슬릿광 조사 위치에서의 단면 형상에 대응한다고 하는 현상에 착안한 방식이 그 간편성, 비접촉성 및 정량성 때문에 종래부터 널리 사용되어온 방법이다.Among them, a method known in general as a method of cutting light is described, for example, on pages 398 and 399 of the "Image Processing Guide (Shogoodo Shokai Co., Ltd.)" issued in Japan, as shown in FIG. When the
본 빛의 절단법을 이용하여 3차원 자유곡면의 형상을 측정함에 있어서는, 제2도에서 슬릿광(53)을 회전미러(58)등을 사용하여 화살표(54의 방향으로 이동시키면서 빛의 비임패턴을 텔레비젼카메라(55)로 관찰하여, 얻은 비데오 신호를 처리함에 따라서, 시시각각 화면내의 빛 절단선(빛의 비임패턴의 형상)을 추출(56)하고 이것을 재구성함에 따라 곡면 형상을 구축(57)한다.In measuring the shape of the three-dimensional free curved surface using the cutting method of the present light, in FIG. 2, the
광학시스템의 구성으로서는, 광원으로서 슬릿광원(52) 대신에 광점(light spot)주사를 이용하여, 촬상시스템으로서, 텔레비젼 카메라(55) 대신에 예컨대 PSD(Position Sensitive Detector)센서로서 알려져 있는 바와같은 고속의 광점 위치검출장치를 사용하는 방법도 있으나, 기본 원리로서는 제2도의 것과 동일하다As an optical system, a light spot scan is used instead of the
상기한 빛 절단법은 여러가지 잇점을 지니고 있는 방법이지만, 피측정물상의 각 점을 검출하여 특정하기 위하여는 각 화면마다에 화면내의 빛 절단선을 추출하는 프로세스가 불가결하며, 이것에 기인하여 다음에 나타낸 바와같이 측정 정밀도상에서, 혹은 신뢰성상에서의 문제점이 발생하고 있다.Although the above-described light cutting method has various advantages, the process of extracting the light cutting line in the screen is indispensable for detecting and specifying each point on the measured object. As shown, a problem occurs in measurement accuracy or reliability.
(1) 피측정대상의 형상에 의한 측정 정미도 및 공간 분해능의 열등화 :(1) Inferiority of the measured fineness and spatial resolution by the shape of the object to be measured:
빛 절단법에 있어서는 제3a도에 나타난 바와같이 슬릿광(53)의 광축에 대하여 피측정물(51)의 면이 직각에 가까운 각도의 사면에 있을 경우에는, 물체 표면에서의 빛 비임 패턴의 폭(w)이 좁기 때문에 정밀도가 높은 측정이 가능하다. 그러나, 제3도(b)에 나타낸 바와같이 피측정물면이 슬릿광(53)의 광축으로 평행에 가까운 각도의 사면이 되면, 물체 표면에서의 빛 비임 패턴의 폭(w)이 넓어져서 및 절단선 추출시의 위치의 불확정성이 증대하여 정밀도가 열화함과 동시에, 슬릿광원(53)을 이동하였을때의 물체 표면상에서의 빛 비임 패턴의 이동량이 커지고, 이에 따라서 공간적인 측정이 분해능도 동시에 열등화 한다.In the light cutting method, as shown in FIG. 3A, the width of the light beam pattern on the surface of the object when the surface of the object to be measured 51 is at an angle close to the right angle with respect to the optical axis of the
(2) 피측정대상의 표면 반사율에 의한 측정 신뢰성의 저하: 빛 절단법에 있어서는 화면내의 빛 절단선을 추출하는 프로세스에 있어서 빛 비임 패턴이 주위보다도 충분히 밝다는 것이 전제로 되어 있기 때문에, 예컨대 물체 표면의 사면각도가 슬릿광의 광축에 가갑고, 반사광 강도가 낮을 경우에는 빛 절단선 추출시에 왕왕 단점이 생긴다거나, 혹은 전혀 다른 점을 빛 절단선과 잘못 검출하는 경우가 일어난다. 이와 같은 현상은, 측정시에 슬릿광 이외의 배경광(俳景光)이 존재하는 경우에도 생기며, 어느경우에도 측정의 신뢰성의 저하나 적용대상 측정환경에 대한 제약으로 되어 있다.(2) Degradation of measurement reliability due to the surface reflectance of the object to be measured: In the light cutting method, it is assumed that the light beam pattern is sufficiently brighter than the surroundings in the process of extracting the light cutting lines in the screen. If the slope angle of the surface is acute on the optical axis of the slit light, and the reflected light intensity is low, there are some disadvantages in extracting the light cutting line, or a wrong detection of the completely different point occurs. Such a phenomenon occurs even when background light other than slit light exists at the time of measurement, and in either case, there is a limitation on the reliability of the measurement and a limitation on the application target measurement environment.
이와 같이 빛 절단법에는 빛 절단선 추출 프로세스에 기인하여 발생하는 측정상의 몇가지 문제 때문에, 피측정 대상의 형상, 표면성 상태 혹은 측정환경 등 적용상의 제약이 많고, 그 간편성, 비접촉성, 정량성등의 우위성에 비하면, 그 용도가 한정되어 있어, 이제까지 널리 사용하는 3차원 곡면형상 계측장치로서 조립되어서 널리 실용화되기 까지에는 이르지 못하였다.As such, the light cutting method has many application constraints such as shape, surface state, or measurement environment of the object to be measured due to some measurement problems caused by the light cutting line extraction process. Compared with its superiority, its use is limited and it has not been assembled until it has been widely used as a three-dimensional curved measuring device widely used.
본 발명은 빛 절단법이 지닌 전술한 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것이며, 빛 절단법과 마찬가지의 광학시스템을 사용하면서도 슬릿광을 매체로 하여 피측정대상 표면을 슬릿광 투광각도에서 코우딩한다고 하는 새로운 방식을 도입함에 따라, 빛 절단선 추출 프로세스를 전혀 필요로 하지 않는 새로운 측정원리에 따른 3차원 곡면 형상의 측정방법 및 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the light cutting method, and a new method of coding the surface to be measured at a slit light transmission angle using slit light as a medium while using an optical system similar to the light cutting method. As a result, the object of the present invention is to obtain a method and apparatus for measuring a three-dimensional curved shape according to a new measuring principle that does not require any light cutting line extraction process.
본 발명에 관한 3차원 곡면 형상의 측정방법은 선형의 슬릿광을 피측정 대상의 전체면에 걸쳐서 회전주사하는 공정과 슬릿광 투광각도를 측정하는 공정과, 피측정대상 표면을 촬상하여 얻을 수 있는 비데오신호의 화면내의 각 화소에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다에, 그 점을 슬릿광이 통과한 슬릿광 투광각도 또는 그에 상당하는 값을 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 공정등을 지니고, 나아가서 전술한 합성화상에 따라서 피측정 대상의 3차원 곡면 형상을 측정하는 공정을 지니고 있다.The method for measuring a three-dimensional curved shape according to the present invention includes the steps of rotating scanning linear slit light over the entire surface of the object to be measured, measuring the slit light transmission angle, and imaging the surface to be measured. A process of synthesizing an image in which the slit light transmission angle at which the slit light passes or the corresponding value is the pixel value at each position of the target object surface corresponding to each pixel in the video signal screen; And further has a step of measuring a three-dimensional curved shape of the object to be measured in accordance with the above-described synthetic image.
또, 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 선형의 슬릿광을 투광하는 슬릿광 투광 수단과 슬릿광선의 면내에서, 또한 기준면에 평행한 직선을 회전축으로 슬릿광 투광수단을 회전시켜, 피측정 대상 표면의 전면에 걸쳐서 슬릿광을 주사시키는 슬릿광 회전주사 수단과, 슬릿광의 투광각도를 측정하는 슬릿광 투광각도 측정수단과, 피측정대상 표면을 슬릿광 투광과는 다른 방향으로부터 촬상하는 텔레비젼 카메라를 지니고 있다. 나아가서, 이 텔레비젼 카메라로 부터의 비데호신호를 처리하여, 화면내의 각 화소에 대응하는 피측정 대상표면의 각 위치마다에, 그 점을 슬릿광이 통과한 순간의 투광각도를 슬릿광 각도 측정수단으로부터 판독하여 그 각도 또는 그에 상당하는 값을 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 화상 합성 수단과, 합성 화상을 기초로 연산처리하여 피측정대상의 3차원 곡면형상을 측정하는 화상연산수단을 지니고 있다. 그리고 텔레비젼 카메라는 기준면에 대하여 수직한 방향으로부터 피측정 대상을 촬상하도록 배치된다.Moreover, the three-dimensional curved shape measuring apparatus which concerns on this invention is a slit light transmitting means which transmits linear slit light to the surface to-be-measured, and a slit light transmitting means in the plane of a slit beam, and the straight line parallel to a reference plane with a rotation axis. Rotational scanning means for scanning the slit light over the entire surface of the surface to be measured, slit light transmission angle measuring means for measuring the light transmission angle of the slit light, and a surface to be measured different from the slit light transmission. It has a television camera that picks up from the direction. Furthermore, by processing the bidet signal from this television camera, the slit light angle measuring means measures the projection angle at which the slit light passes through the point at each position on the surface under measurement corresponding to each pixel in the screen. Image synthesizing means for synthesizing an image having an angle or an equivalent value thereof as the value of the pixel, and image computing means for calculating a three-dimensional curved shape of the object to be measured by arithmetic processing based on the synthesized image; have. The television camera is arranged to capture an object to be measured from a direction perpendicular to the reference plane.
또, 본 발명에 관한 3차원 자유곡면 형상의 측정장치는 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 슬릿광 투광각도 합성화상 θ(x,y)((x,y)는 기준면의 좌표)를 기초로, 피측정 대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)를 기준면의 원점에 대한 슬릿광 회전중심축의 수평범위(x0) 및 수직변위(z0)를 사용하여,In addition, the three-dimensional free-curved measuring device according to the present invention has a slit light transmission angle composite image θ (x, y) ((x obtained when the slit light is scanned on the surface to be measured. , y) is the horizontal range (x 0 ) and the vertical displacement (z 0 ) of the slit light center of rotation axis relative to the origin of the reference plane based on the three-dimensional shape f (x, y) of the surface to be measured use with,
f(x,y)=z0-(x0-x)tanθ(x,y) 의 식에 기초하여 구간 화상연산수단을 구비하고 있다.The section image calculating means is provided on the basis of the expression f (x, y) = z 0- (x 0 -x) tanθ (x, y).
또 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 슬릿광 투광 각도 합성화상 θ(x,y)과, 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성 수단으로 얻을 수 있는 합성화상 θ0(x,y)을 기초로 피측정 대상표면의 3차원 형상 f(x,y)을 기준면의 원점에 대한 슬릿광 회전중심축의 수평변위(x0)을 사용하여In addition, the three-dimensional curved shape measuring device according to the present invention is characterized in that the slit light transmission angle composite image θ (x, y) obtained by the image synthesizing means when the slit light is scanned on the surface to be measured and the reference plane Rotating center of the slit light with respect to the origin of the reference plane based on the three-dimensional shape f (x, y) of the surface to be measured based on the synthesized image θ 0 (x, y) obtained when the slit light is scanned. Using the horizontal displacement of the axis (x 0 )
f(x,y)={tanθ0(x,y)-tanθ(x,y)}(x0-x)의 식에 기초하여 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다. 또, 본 발명에 관한 3차원 자유곡면형상의 측정장치는 피측정 대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상 합성수단으로 얻을 수 있는 슬릿광 투광각도 합성화상 θ(x,y)과, 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 θ0(x,y)등을 기초로 하여, 피측정 대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)를, 기준면의 원점에 대한 슬릿광 회전 중심축의 수직변위(z0)를 사용하여and image calculating means obtained on the basis of the formula f (x, y) = {tanθ 0 (x, y) -tanθ (x, y)} (x 0 -x). In addition, the three-dimensional free-form surface measuring apparatus according to the present invention has a slit light transmission angle composite image θ (x, y) obtained by image combining means when scanning slit light on the surface to be measured, and a reference plane. The three-dimensional shape f (x, y) of the surface to be measured is the origin of the reference plane based on the synthesized image θ 0 (x, y) or the like obtained when the slit light is scanned with respect to. Using the vertical displacement (z 0 ) of the central axis of rotation of the slit light relative to
의 식에 따라서 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다.An image calculating means obtained according to the equation is provided.
또, 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단에 의하여 얻을 수 있는 슬릿광 투광각도 합성화상 θ(x,y)과 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 θ0(x,y)과, 나아가서, 기준면과 평행이고 또한 거리 d(텔레비젼에 가까워지는 쪽을 +, 떨어지는 쪽을 -로 한다)만큼 떨어진 제2기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성 수단에 의하여 얻을 수 있는 합성화상 θ1(x,y)등을 이용하여, 피측장 대상면의 3차원 형상 f(x,y)을Further, the three-dimensional curved shape measuring device according to the present invention has a slit light transmission angle composite image θ (x, y) obtained by the image synthesizing means when scanning slit light on the surface to be measured and the reference plane. When the slit light is scanned, the synthesized image θ 0 (x, y) obtained by the image synthesizing means, and furthermore, the distance d parallel to the reference plane (the side closer to the television + and the side falling −). Three-dimensional shape f (x, y) of the measurement target surface using a synthesized image θ 1 (x, y) obtained by the image synthesizing means when scanning the slit light with respect to the second reference plane separated by of
의 식에 따라서 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다.An image calculating means obtained according to the equation is provided.
본 발명에 있어서는, 슬릿광의 선형의 반사 패턴이 피측정대상물 표면상을 이동하여 가는 상태를 텔레비젼 카메라로 촬상하고, 화면내의 각 화소 마다에 대응하는 피측정 대상물 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광 투광각도를 그 화소의 값으로 하는 슬릿광 투광각도 합성화상을 작성한다.In the present invention, the moment when the slit light passes through the position of the object under measurement corresponding to each pixel in the screen by imaging with a television camera a state where the linear reflection pattern of the slit light moves on the object under measurement. A slit light transmission angle synthesized image having a slit light transmission angle of as the value of the pixel is created.
그리고, 그 합성화상에 따라서 피측정대상의 3차원 형상을 측정하게 된다. 또 기준면 또는 제2기준면에 대하여도 마찬가지로 하여 합성화상을 작성하여 이것들의 합성화상도 이용하여 피측정 대상의 3차원형상을 측정하게 된다. 이러한 경우에는 계측정수의 일부 또는 전부를 생략하게 된다.Then, the three-dimensional shape of the object to be measured is measured according to the composite image. Similarly with respect to the reference plane or the second reference plane, a synthetic image is created, and the three-dimensional shape of the object to be measured is measured using these synthetic images. In this case, some or all of the measurement constants are omitted.
본 발명의 실시예의 설명에 앞서서, 다음에 본 발명의 측정원리를 제1도에 따라서 먼저 개념적으로 설명한다.Prior to the description of the embodiments of the present invention, the measuring principle of the present invention is first conceptually described according to FIG.
제1도에 나타낸 바와같이, 기준면(1)위에 놓여진 피측정대상물(2)의 표면에 비스듬히 상방으로 부터 지면에 수직방향으로 넓힌 슬릿광(3a)을 투광하여, 이 슬릿광(3a)을 예컨대 회전미터(4)를 이용하여 지면 가로방향으로 이동시키면서, 예컨대 피측정대상(2)바로 위로부터 텔레비젼 카메라(8)를 사용하여 촬상한다. 이때, 텔레비젼 카메라(8)에 접속된 모니터 텔레비젼(8a)상에서는 물체 표면에서의 슬릿광의 선형의 반사패턴이 화면 가로방향으로 이동하여 가는 모습을 관찰할 수 있다.As shown in FIG. 1, the slit light 3a which is widened from the obliquely upward to the ground perpendicularly to the ground is transmitted to the surface of the
상기한 바와같이, 상기 슬릿광(3a)의 선형의 반사 패턴의 선형상은 물체 표면의 요철정보(凹凸情報)를 반영(反映)하고 있으며, 종래의 빛 절단법에 있어서는 반사 패턴의 선형상을 시시각각 추출하여 이것을 재구성함에 따라 피측정대상의 3차원 형상을 측정하여 왔다.As described above, the linear image of the linear reflection pattern of the slit light 3a reflects the uneven information on the surface of the object. The three-dimensional shape of the object to be measured has been measured by extracting and reconstructing it.
본 발명에 있어서는 슬릿광(3a)의 선형의 반사 패턴이 물체 표면상을 이동하여 가는 모습을 찍은 텔레비젼 카메라(8)로부터 출력되는 비데오 신호를 기초로 하여 화면내의 각 화소마다에, 그 화소에 대응하는 물체표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광 투광각도를 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성한다.In the present invention, each pixel in the screen corresponds to each pixel on the basis of the video signal output from the
이와 같이 하여 합성한 화상은, 그 각 화상에 있어서의 값이 그 화소에 대응하는 물체표면의 위치로부터 회전미터(4)의 슬릿광 회전중심을 쳐다 보았을때의 앙각에 대응한 화상으로 되어 있다. 따라서 합성화상을 그에 대응하는 물체표면의 좌표계(x,y)를 사용하여 θ(x,y)로 표현할 때, 물체 표면의 프로우필 f(x,y)은 제1도를 기초로한 간단한 기하하적 계산에 따라, 다음식으로 구할 수 있다.The image thus synthesized is an image corresponding to an elevation angle when the value in each image looks at the center of rotation of the slit light of the
이제, 본 측정원리의 응용예로서, 다음의 측정방법도 용이하게 생각할 수 있다. 먼저, 제1응용예로서는, 기준면(1)에 대하여 상기한 측정을 하여, 얻을 수 있는 합성화상을 이용함에 따라 파라미터및를 생략하는 방법이다. 즉, 기준면(1)에 있어서의 합성화상 θ0(x,y)는 (1)식에서 f(x,y)이라고 놓음에 따라Now, as an application example of the present measuring principle, the following measuring method can also be easily considered. First, as the first application example, the above-described measurement is performed on the
따라서 (1)식으로 부터 z0혹은 x0을 소거(消去)함에 따라, 물체면 프로우필 f(x,y)은 다음식의 관계로 구성할 수 있다.Therefore, by eliminating z 0 or x 0 from Eq. (1), the object plane profile f (x, y) can be constructed in the following equation.
나아가서, 제2의 응용예로서는 2개의 기준면 f(x,y)=0 및 f(x,y)=d에 대하여 상기한 측정을 하여 얻을 수 있는 합성화상을 사용함에 따라, 파라미터 x0및 z0의 양쪽을 생략하는 방법이다.Further, as a second application example, the parameters x 0 and z 0 are obtained by using a synthesized image obtained by performing the above measurements with respect to two reference planes f (x, y) = 0 and f (x, y) = d. This is how to omit both sides.
즉, 제2기준면에 있어서의 합성화상 θ1(x,y)는 (1)식에서 f(x,y)=d라고 놓음에 따라 다음식을 얻을 수 있다.That is, as the composite image θ 1 (x, y) on the second reference plane is set to f (x, y) = d in the formula (1), the following equation can be obtained.
따라서, (2)식 및 (5)식의 관계를 (1)식에 대입함에 따라 x0및 z0을 소거하여 f(x,y)는 다음식의 형으로 구한다.Therefore, by substituting the relationship between equations (2) and (5) into equation (1), x 0 and z 0 are eliminated, and f (x, y) is obtained by the following equation.
이제, 본 발명에 있어서는 피측정대상표면을 슬릿광 투광각도로 코우딩하지만, 그 수단으로서는, 반드시 직접 슬릿광 투광각도를 측정할 필요는 없고, 그것과 같은 값인 예컨대 회전미러의 회전각도, 혹은 회전미러의 회전각속도가 등속이라고 하는 전제하에서 회전미러의 주사 개시후의 시간등으로 피측정대상표면을 일단 코우딩한다음, 이것을 연산처리하여 슬릿광 투광각도로 변환하여도 좋다. 나아가서 (1)식-(6)식으로 부터도 아는 바와같이, 슬릿광 투광각도로 코우딩한 합성화상θ(x,y)는 이후의 형상연산에서는 모두 그 탄젠트(tangent)인 tanθ(x,y)의 형으로 사용하는 것이므로, 당초의 화상합성시에 슬릿광 투광각도 대신에 갑자기 슬릿광 투광각도 탄젠트로 코우딩하여 두어도 좋다.Now, in the present invention, the surface to be measured is coded by the slit light transmission angle, but as the means, it is not necessary to measure the slit light transmission angle directly, for example, the rotation angle of the rotation mirror or the same value as that means. Under the premise that the rotational angular velocity of the mirror is constant, the surface to be measured may be coded once, such as after the scanning start of the rotational mirror, and then converted into a slit light transmission angle by arithmetic processing. Furthermore, as seen from equations (1)-(6), the composite image θ (x, y) coded at the slit light transmission angle is tangent to tantang (x, y) in all subsequent shape operations. Since it is used in the form of y), instead of the slit light transmission angle at the time of initial image synthesis, the slit light transmission angle may be coded by tangent.
다음에, 본 발명의 한 실시예를 제4-제6도에 따라서 설명한다.Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
제4도는 상기한 실시예에 관한 3차원 형상계측장치의 구성도이다. 측정의 기준으로 되는 기준면(1)위에 피측정대상(2)을 놓는다. 슬릿광원(3)으로부터 나온 슬릿광은, 회전미러(4)에서 반사되어서 피측정대상(2)에 비스듬히 상방으로 부터 투광된다. 회전미러(4)는 동력제어기(5)에 따라 제어되는 모우터(6)로 구동되어, 슬릿광(3a)이 기준면(1)상의 피측정 대상(2)을 전면에 걸쳐서 주사하도록 구동된다. 이때, 회전미러(4)의 회전중심측의 기준면(1)에 대한 위치(x0,z0)는 정확히 측정된 것으로 한다. 또 회전미러(4)의 기준면(1)에 대한 각도는, 모우터(6)의 축에 연동하여 부착된 회전각도센서(7)에 따라 검출되도록 구성되어 있으며, 동력제어기(5)를 개재하여 형상계측장치(8)에 입력되어서), 피측정대상(2)에 대한 시시각각의 슬릿광 투광각도(θ)를 연산할 수 있도록 되어 있다. 한편, 피측정대상물(2)의 표면은, 광축이 기준면(1)과 직교하도록 배설된 텔레비젼 카메라(8)로 촬상되어 얻을 수 있는 비데오 신호를 형상계측장치(9)에 입력된다. 형상계측장치(9)는 대별하여 화상합성에 의한 형상연산을 하는 화상연산 수단으로서의 형상연산회로(10)와, 회전각도센서(11)와, 동력제어기(5)에 대한 지령이나 형상연산회로(10)에 대한 연산타이밍제어를 하는 순차제어기(11)등으로 되어 있다. 형상측정을 함에 있어서는, 형상계측장치(9)는 외부로부터 부여되는 스타아트 신호에 따라서, 순차제어기(11)를 개재하여 모우터(6)을 구동하여 회전미러(4)를 초기위치에 설정한다. 그런다음, 회전미러(4)의 회전을 개시하여, 슬릿광(3a)에 의한 주사를 개시한다.4 is a configuration diagram of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the above-described embodiment. The object to be measured (2) is placed on the reference surface (1) on which the measurement is to be made. The slit light emitted from the slit
형상연산회로(10)는 그 입력부에, 나중에 설명하는 화상 합성회로(13)를 지니고 있으며, 슬릿광원(3)의 주사개시와 동시에, 텔레비젼 카메라(8)로부터 입력되는 비데호신호를 시시각각 처리하여, 화면내의 각 화소마다에 그 화소를 슬릿광이 투과한 순간의 투광각도를 투광각도 연산회로(11)로부터 읽어넣어서 그 화소의 값으로 하는 화상합성 연산을 슬릿광(3a)의 1주사기간중에 한다. 합성화상θ(x,y)연산완료후, 형상연산회로(10)는 순차제어기(12)의 지시에 따라서, 높이연산회로(14)를 이용하여 (1)식에 따라서 높이 프로우필 f(x,y)을 연산하고, 이동데이터를 3차원형상메모리(15)에 저축된 높이 프로우필 데이터는 상위의 계산기 및 CAD시스템으로부터의 지령에 따라서 적당히 계산기 및 CAD 시스템에 이송된다. 이 실시예에 있어서는, 예컨데 제5도에 나타낸 바와같이 슬릿광의 투광각도에 가까운 각도의 사면을 지닌 피측정대상(2)에 대하여 측정하면, 사면의 기울기가 슬릿광의 투광각도에 매우 가까우므로 슬릿광이 도면중“1”로 나타낸 위치에 왔을때, 사면전체가 똑같이 밝아지게 된다. 그러나 이 각도 코우딩이 된 합성화상을 (1)식에 따라서 연산하면, 도시한 바와같이 측정결과를 얻을 수 있게 된다. 이러한 사실로부터, 슬릿광의 각도에 가까운 면을 지닌 형상에 대하여도 충분히 뛰어난 분해능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.The
종래에 이러한 화상으로 부터 빛 절단선을 추출하는 것은 이미 설명한 바와같이 곤란하며, 이와 같은 사면에 대하여 빛의 절단법을 적용하려할때, 측정 정밀도, 공간 분해능을 다같이 기대할 수 없었으나. 본 실시예에서는 이와 같은 사면에 대하여도 슬릿광의 비임폭 및 샘플링 피치 정도의 측정 정밀도 및 공간 분해능에서의 측정이 가능하며, 슬릿광의 각도와 근사한 면을 가진 형상에 대하여도 충분히 높은 분해능이 얻어진다.Conventionally, it is difficult to extract light cutting lines from such an image as described above. When applying a light cutting method to such a slope, measurement accuracy and spatial resolution could not be expected together. In this embodiment, such a slope can also be measured at the measurement accuracy and spatial resolution of the non-width and sampling pitch of the slit light, and a sufficiently high resolution can be obtained even for a shape having a surface approximating the angle of the slit light.
제 6도는 형상계측장치(9)의 구성요소인 화상합성회로(12)의 한 예를 나타낸 구성도이다.6 is a configuration diagram showing an example of the
화상합성회로(12)는 텔레비젼 카메라(8)로 부터 입력되는 비데호 신호를 처리하여 각 화소마다에 가장 밝아진 순간이 휘도를 연산하는 최대 휘도화상 연산부(18)와, 각 화소과 시간적으로 최대의 휘도를 잡는 순간의 슬릿광투광각도(θ)를 그 화소의 값으로 하는 화상합성 연산을 하는 화성합성 연산부(19)로 구성되어 있으며, 이것들의 제어용으로서 동기회로(20), 메모리 애드레스 발생회로(21) 및 출력제어회로(22)를 구비하고 있다.The
최대휘도 연산부(18)는, 최대휘도 화상연산의 완충기억기(buffer memory)인 최대휘도화상 메모리(23)를 중심으로 하여 동기회로(20)로부터 출력되는 타이밍 신호에 따라서 비데오신호를 A/D변환하여 디지틀화하는 A/D변환회로(24), 메모리 애드레스 발생회로(21)로부터 지정되는 최대휘도화상 메모리의 애드레스의 데이터의 판독하고, 써넣음을 제어하는 최대휘도화상 메모리(25), 나아가서 텔레비젼 카메라로부터 입력되는 화상과 최대휘도 메모리의 화상의 대응하는 화소의 값을 비교하여 큰 쪽의 값을 선택 출력하는 비교회로(26) 및 스위치회로(27)로 구성되어 있다.The maximum luminance calculating section 18 A / D outputs a video signal in accordance with a timing signal output from the
한편, 합성화상 연산부(19)는 합성화상 연산결과를 격납하는 합성화상 메모리(28)를 중심으로 하여 구성되어 있으며, 최대휘도화상 연산부(18)중의 비교회로(26)의 출력신호에 따라서 텔레비젼 카메라로 부터 입력되는 신호레벨이 그에 대응하는 최대휘도화상 메모리(23)의 애드레스으 호소값보다도 컸을때에 슬릿광의 투광각도(θ)를 합성화상메모리(28)에 써넣은 기능을 지닌 합성화상 메모리 제어회로(29)를 구비하고 있다.On the other hand, the synthesized
이 회로는 연산개시의 타이밍에서 최대휘도화상 메모리(13) 및 합성화상메모리(28)가 영으로 클리어된 상태에서 스타아트하여 텔레비젼 카메라에서 입력되는 비데오 신호를 A/D변환회로(24)를 사용하여 디지틀화하면서 비데오 신호의 값과 그 화소의 위치에 대응하는 최대휘도화상 메모리(13)의 화소의 값을 비교하여, 비데오 신호의 값 쪽이 큰때에만 최대휘도화상 메모리(13)의 그 화소의 값을 비데오 신호의 값으로 갱신함과 동시에, 합성화상의 대응하는 화소에 그때의 슬릿광투광각도(θ)를 써넣는 기능을 지니고 있다.This circuit uses the A /
이와 같이 하여 외부로 부터의 연산제어신호에 따라서 지시되는 시간, 상기한 연산이 이루어지는 결과, 연산종료시에, 합성화상 메모리(28)에, 먼저 설명한 일정한 화상이 생성되어 있다. 이와 같이 하여 연산된 합성화상은, 출력제어회로(22)를 개재하여 다음의 연산회로에로 전송된다.In this way, the constant image described above is generated in the
그런데, 상기한 실시예에 있어서는, 높이연산회로(14)에서 (1)식을 연산하고 있으나, 상술한 바와같이 연산정밀도 높이기 위하여, 상기 (1)식의 z0또는 x0을 생략할 수가 있다. 이러한 경우에는, 기준면(1)에 대하여도, 피측정대상과 마찬가지로 하여 합성화상을 구하고, 그 합성화상을 θ0(x,y)라고 하여, 제7도에 나타낸 바와 같이 피측정대상의 합성화상 θ(x,y)와 기준면의 합성화상 θ0(x,y)를 각지 일단 물체면 합성메모리(30) 및 기준면합성메모리(31)에 각각 격납한 다음 높이연산회로(14a)로 (3)식 또는 (4)식을 연산함에 따라 3차원 형상을 얻는다. 더우기, 기준면(1) 및 제2기준면의 합성화상은 한번 작성하면 되기 때문에 2번째 이후의 측정시에는 최초에 작성한 합성화상을 그대로 사용하여도 좋다. 또 이 기준면(1) 및 제2기준면의 합성화상은 단순한 구성이기 때문에, 형상 연산회로(10)에 연산기능을 부가하여, 가상의 기준면을 (2)식 및 (5)식에 의하여 계산으로 구하여 그 합성화상을 작성하고, 각기 메모리(31),(32)에 격납하도록 하여도 좋다.By the way, in the above embodiment, the equation (1) is calculated by the
이상과 같이 본 발명에 의하면, 빛 절단법과 마찬가지의 광학시스템을 사용하면서도, 슬릿광투광각도를 코우딩 피측정대상의 합성화상에 따라 3차원 형상을 얻도록 하였으므로, 예컨대 피측정대상이 슬릿광의 투광각도에 가까운 각도의 사면의 형상을 지니고 있을 경우에 있어서도, 그와 같은 사면에 대하여도 슬릿광의 비임폭 및 샘플링 피치 정도의 측정정밀도 및 공간분해능에서의 측정이 가능하여, 슬릿광의 각도와 근사한 면을 가진 형상에 대하여도 충분히 높은 분해능이 얻어진다.As described above, according to the present invention, the slit light transmission angle is obtained to obtain a three-dimensional shape according to the composite image of the coding target to be measured while using the same optical system as the light cutting method. Even when the slope has a shape close to the angle, the slope can be measured at the measurement accuracy and spatial resolution of the slit light beam and the sampling pitch of the slit light. A sufficiently high resolution is also obtained for the excited shape.
또, 본 발명에 의하면, 슬릿광의 선형의 반사 패턴이 피측정대상면상을 이동하여 가는 모습을 텔레비젼 카메라로 촬상하고, 도면내의 각 화소마다에 그 화소에 대응하는 물체 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간에 슬릿광 투광각도를 그 화소의 값으로 하는 화상합성연산을 하지만, 이 화상합성연산이 성립하여 형상정보가 정확히 구하기 위한 필요조건은, 각 화소에 대응하는 물체표면의 각 위치의 밝기가 슬릿광이 그 위치를 통과한 순간에 최대로 된다고 하는 조건뿐이다.In addition, according to the present invention, the linear reflection pattern of the slit light moves on the measurement target surface with a television camera, and the slit light passes through the position of the object surface corresponding to the pixel for each pixel in the drawing. At one moment, the image synthesis operation is performed using the slit light transmission angle as the pixel value. However, the condition for obtaining the shape information accurately by establishing the image synthesis operation is that the brightness of each position on the object surface corresponding to each pixel is different. The only condition is that the slit light is maximized at the moment it passes through the position.
따라서, 피측정대상의 공간적인 표면반사율의 얼룩은 측정에 영향을 미치지 않을 뿐 아니라. 배경의 빛이 있었다하여도 그 광량이 시간적으로 일정하고, 또한 텔레비젼 카메라의 신호가 포화하지 않을 정도의 밝기만이라도 한다면 물체 표면상의 각 점의 밝기는 역시 슬릿광 통과한 순간에 치대로 되기 때문에 측정대상의 표면반사율이나 배경 및 빛의 영향을 받지 않는 측정이 가능하다.Thus, staining of the spatial surface reflectivity of the subject under test does not only affect the measurement. Even if there is light in the background, if the amount of light is constant in time and the brightness of the TV camera signal is not saturated enough, the brightness of each point on the surface of the object is also corrected at the moment when the slit light passes. It is possible to measure the surface reflectivity of and without being affected by background and light.
나아가서, 본 발명에 의하면, 기준면의 합성화상 혹은 제2합성화상도 피측정대상의 경우와 마찬가지로 하여 작성하여 이것들의 합성화상을 사용하여 피측정대상의 3차원형상을 구하므로, 높이 프로우필을 연산하는 경우의 계측 정수의 일부를 생략할 수 있어, 이 때문에 측정정밀도를 높일 수 있다.Furthermore, according to the present invention, since the composite image or the second composite image of the reference plane is prepared in the same manner as in the case of the object to be measured and the three-dimensional shape of the object to be measured is obtained using these composite images, the height profile is calculated. In this case, a part of the measurement constant can be omitted, so that the measurement accuracy can be increased.
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