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측정 기술을 이용한 고속Moire

차원 형상 측정기 개발에3

관한 연구

최종보고서

2003 . 9 .

주관기관 주 다 인 기 공( )

참여기관 주 다인 시스템( )

위탁기관 전 북 대 학 교

산 업 자 원 부

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최종보고서 제출서

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최 종 보 고 서 제 출 서

년 산업기술개발사업에 의하여 완료한2003 측정 기술을 이용한 고속 차Moire 3원 형상 측정기 개발 사업의 최종보고서를 별첨과 같이 제출합니다.

동사업운영요령 제 조 기술개발사업 결과의 활용 에 따라 최종보고서의 산업( 30 ( )계 학계 관련 연구기관 등으로의 배포에 동의합니다, , .)

첨부최종보고서 부1. 7최종보고서 요약서 전산출력물 부2. ( ) 1참여기업대표의 기술개발성과 확약서 각 부3. 1완료과제에 대한 주관기관 대표자의 평가의견서 각 부4. [ ] 1

2003.09.30

총괄책임자 윤 동 환:

주관기관 : 주 다인기공( ) 윤 동 환 인( )

참여기관 : 주 다인시스템( ) 윤 두 환 인( )

위탁기관 : 전 북 대 학 교 강 영 준 인( )

산업자원부장관 귀하

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀하

본 보고서를 측정기술을 이용한 고속 차원 형상측정기 개발 에 관한 개발“Moire 3 ” (

기간 과제의 최종보고서로 제출합니다: 2001. 9.~ 2003. 8.) .

2003. 9. 30 .

주관기관 : 주 다인기공( ) 대표이사 윤 동 환 인( )

참여기업 : 주 다인시스템( ) 대표이사 윤 두 환 인( )

위탁기관 : 전 북 대 학 교 교 수 강 영 준 인( )

총괄책임자 윤 동 환ː

연 구 원 ː 윤 두 환 연 구 원 ː 강 영 준

연 구 원 ː 박 재 택 연 구 원 ː 이 영 선

연 구 원 ː 김 미 종 연 구 원 ː 조 동 훈

연 구 원 ː 유 원 재 연 구 원 ː 안 중 근

연 구 원 ː 최 정 표 연 구 원 ː 송 대 호

연 구 원 ː 엄 철 연 구 원 ː 김 도 훈

연 구 원 ː 이 희 승 연 구 원 ː 이 연 태

산업기술개발사업 운영요령 제 조에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널29

리 배포함에 동의합니다.

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산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호 00013943

과 제 명 측정기술을 이용한 고속 차원 형상측정기 개발Moire 3

키 워 드 모아레 영사식 형상측정 위상이동 비접촉/ / / /

개발목표 및 내용

최종목표1.

무아레 현상을 이용한 비접촉 고속 차원 형상 측정기를 개발하기 위한 연구로3

서 형상측정 방법중의 하나인 무아레 현상의 이론정립과 영사식 무아레 방법을

이용한 측정물체의 차원 형상을 측정할 수 있는 차원 형상측정기의 개발3 3 .

개발내용 및 결과2.

물리적인 격자대신 컴퓨터를 사용하여 가상의 격자를 만들어 차원 형상을1) 3

측정할 수 있는 영사식 무아레 토포그래피 시스템을 구성.

가상의 격자를 이용한 영사식 무아레 토포그래피를 이용한 차원 물체 형상2) 3

의 거시적 측정을 빠르고 쉽게 측정.

구성된 영사식 무아레토포그래피 시스템으로 단차가 없는 물체에 대해 서는3)

단파장 방법을 사용하여 측정을 수행하였고 단차가 존재하는 물체는 중파장방, 2

법을 사용하여 측정.

중파장 방법을 사용하여 기존의 위상이동방법의 문제인 단차로 인한 모호4) 2 2π

성의 문제를 극복한 측정이 가능함을 확인.

중파장 방법에서 무아레 무늬 가시도로 인한 차수 추출과정에서의 오차를5) 2

제거할 수 있었음.

차원 형상 복제에 필요한 형상 를 생성하였다6) 3 Data .

굽은 곡면에 조사된 왜곡된 컨텐츠를 보정하여 임의의 형상면에서도 원래의7)

컨텐츠를 디스플레이 할수 있게 함.

기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )

기술적 측면○

비접촉 전면식 차원 고속 형상 측정기의 구성 및 양산 실현, 3

광학식 차원 형상 측정 기술의 급속한 진전3

전산 기계 광학 등 각 분야의 기술 결합에 의한 시너지 효과 극대화, ,

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기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )

기술적 측면○

비접촉 전면식 차원 고속 형상 측정기의 구성 및 양산 실현- , 3

광학식 차원 형상 측정 기술의 급속한 진전- 3

전선 기계 광학 등 각 분야의 기술 결합에 의한 시너지 효과 극대화- , ,

경제 산업적 측면○ ㆍ

차원 형상측정기의 기업체 적용에 따른 국내기업의 생산성 향상- 3

저가 광학 부품의 사용에 의한 비용 절감 효과-

차원 형상 측정기의 국산화에 따른 수입대체 수출 효과- 3 /

제품 개발 주기 단축에 따른 인력 비용 시간의 절약- / /

적용분야4.

금번 개발된 차원 형상측정기는 본 주관기관 생산제품의 차원 형상 검사를 위3 3

한 장비로서 사용되고 있다 특히 자동차 산업 전자산업 금형제작 등의 신제품. , , ,

개발 과정에서 이루어지는 시제품 의 제작 및 수정이 그 대표적인 예(prototype)

이다 또한 사람의 형상을 스캔하여 흉상이나 부조를 제작할 수 있으며 모델하. ,

우스나 가정에서 굽은 벽면에서도 왜곡되지 않은 화면을 활용하여 몰입감이 큰

영상환경에 활용가능하다.

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목 차

제 장 서론1

제 절 최종개발목표1

제 절 기술개발의 목적 및 필요성2

제 장 기술개발 내용 및 방법2

제 절 영사식 무아레1

제 절 기존의 영사식 무아레 방법의 문제점2

제 절 위상이동방법3

제 절 위상이동법의 장점4

제 절 위상이동법의 문제점5

제 절 위상이동영사식 무아레6

제 절 중파장 영사식 무아레7 2

제 절 투영보정8

투영보정8.1

전역변환8.2

시점변환8.3

투영변환8.4

제 장 결론3

제 절 기술개발결과1

제 절 결 론2

제 절 기대효과3

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제 장 서 론1

제 절 최종개발목표1

광학적 현상인 무아레 현상을 이용한 비접촉 고속 차원 형상 측정기를 개발하기3

위한 연구로서 형상측정 방법중의 하나인 무아레 현상의 이론정립과 영사식 무아레

방법을 이용한 측정물체의 차원 형상을 측정할 수 있는 차원 형상측정기를 개발3 3

하고자 하였다 또한 측정된 무아레 무늬를 자동으로 해석하기 위한 위상이동 및. 3

차원 형상 복원을 위한 알고리즘과 프로그램을 개발하고 또한 노이즈 제거를 위한,

방법을 개발 및 측정물체에 존재하는 측정면의 높이차 단차 가 큰 차원 형상을 고( ) 3

속 비접촉으로 측정할 수 있는 중파장 영사식 무아레 시스템을 설계하고자 하였, 2

다.

제 절 기술개발의 목적 및 중요성2

현대의 생산체계의 발달로 제품에 대한 소비자의 요구가 다양해지고 다품종 소량생

산이 날로 증가하고 생산된 제품의 수명 도 점점 짧아져서 제품개발에(Life cycle)

필요한 기간이 짧아지고 있다 생산현장에서 생산되는 제품의 불량률감소 및 소비.

자들의 욕구충족을 위한 제품검사 제품의 정밀화와 소형화로 인한 요소부품의 차, 3

원 초정밀검사 소비자들의 다양한 요구에 빠르게 대응하기 위한 쾌속시작품제작,

에서의 차원형상측정기술 전체 생산공정에 있어서 마지막 생(Rapid prototyping) 3 ,

산품의 품질검사를 통한 전체 생산라인의 여러 요인들을 제어하는 통합생산시스템

구축 등에서 핵심기술인 차원형상측정에 대한 수요는 갈수록 증가하고 있다(CIM) 3 .

이러한 차원 형상측정 자동화 기술은 가공물의 최종적인 합격여부를 판정하기 위3

한 목적으로 쓰이고 공정 중 검사를 가능케 하여 제품의 품질 향상과, (In-process)

원가 절감에 직접적인 영향을 미치게 된다 이는 함께 차원 형상측정기술은 공학. 3

분야에만 국한되지 않고 의학 영화산업 오락 산업 의복산업 등 한, , (Entertainment) ,

층 더 우리 생활과 밀접한 관계를 갖는 분야로 그 응용범위를 확장하고 있다.

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그 좋은 예로 먼저 금형 제작 통합시스템을 보면 금형 도면은 시스템에, CAD/CAM

서 도면 설계를 하고 이것을 공작기계로 가공해서 클레이 모델을 만든다 만들NC .

어진 금형모델을 차원 측정시스템으로 측정하여 다시 시스템의 처음3 CAD/CAM

모형과 비교 검토하여 금형의 수정하여 완성한다 이때 외형이 차원 자유 곡면으. 3

로 되어 있어서 접촉식 차원 측정기로는 측정이 곤란하여 비접촉 차원 측정기로3 3

측정해야만 한다 의학분야에서 인체의 차원형상측정을 통해서 척추의 휨 등을 판. 3

단하여 자세교정과 몸의 이상유무를 검사하기도 하고 뼈에 손상을 입은 큰 사고에,

서 뼈 모양의 완벽한 복원을 위해서도 차원형상측정기술은 유효하게 사용되어지고3

영화산업에서도 사람이 직접하기에 불가능하거나 많은 위험이 따르는 고난도의 연

기에는 과거에 스턴트맨의 이용한 연기대신 배우의 몸을 차원형상측정을 통해 그3

모습을 측정하고 이를 기초로 하여 모델을 생성한 다음 컴퓨터 그래픽 상에서 처리

를 함으로써 많은 문제점들을 해결하고 있다 또한 오락이나 캐릭터산업에서 보다.

인간의 모습에 가깝고 자연스러운 동작이나 모습을 위해서 차원형상측정기술을 유3

효하게 사용하고 있다 최근 들어서는 의복산업이나 신발산업에까지 그 범위를 확.

대해서 소비자의 체형을 측정하여 소비자에게 가장 적합한 옷이나 신발을 추천하는

등 그 응용범위가 증가하고 있다.

특히 차원 형상측정기술의 발전방향은 고 정밀화 고속화 그리고 비접촉화이다3 , .

그러나 현재의 측정 방법은 의 형상을 갖는 측정자 를 피측정물에 접촉시(probe)球

키는 접촉식 측정을 하고 있다 이와 같은 접촉식 측정에는 피측정면이 평면인 경.

우에는 측정 정도가 좋지만 피측정면이 경사진다든지 곡면이 있는 자유 곡면의 경, ,

우는 측정자의 크기에 의한 오차가 측정 결과에 영향을 미쳐 정도가 떨어진다 또.

오차를 작게 하기 위해서 측정자를 작게 하면 측정자에 걸리는 압력이 크게 되어

피측정면을 변형시킨다든지 표면에 결함을 만들어 동적 응답이 늦은 문제점들이, ,

있다 그러므로 이것들의 문제점을 해결하기 위하여 비접촉식의 측정법의 개발이.

강하게 요청되고 있다.

이를 위해 본 연구에서는 산 학이 협동하여 광학적 현상인 무아레 현상을 이용하ㆍ

여 고속 차원 형상 측정기를 설계 제작함으로서 최첨단 기술의 하나인 광학 기술3

의 국내 축적에 기여함과 동시에 이를 국산화해서 고가 제품의 수입 대체효과를 가

져와서 국가경제에 도움이 되고자 하였다 또한 측정기의 자동화를 통하여 측정 시.

간의 단축 인건비의 절약 등으로 인한 국제 경쟁력강화에 도움이 되고자 하였다, .

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제 장 기술개발 내용 및 방법2

무아레는 많은 사람들에 의해서 다양하게 연구가 진행되었고 특히 본 연구에서의

입체 무아레 는 임의의 형상을 가진 물체의 기준평면에 대해(Out-of-plane moire)

높이방향의 상대변위 측정에 많은 장점을 가진다.

입체 무아레는 무아레 무늬를 발생시키는 방법에 따라 크게 그림자식 무아레

와 영사식 무아레 및 반사식 무아레(Shadow moire) (Projection moire) (Reflection

로 나뉘어진다 이들 방법들은 다같이 광 삼각법에 기초한 방법으로써 무아moire) .

레 무늬를 어떻게 생성하느냐에 따라 많은 응용분야에 선택적으로 사용되어 진다.

초기에 무아레 무늬 해석 방법으로는 단순히 간섭무늬를 추종하는 프린지 추적

기법이 사용되어졌다 하지만 이 간섭무늬추적 방법은 낮은 측(Fringe contouring) .

정분해능 및 낮은 정밀도로 인해서 점차 사용빈도가 줄어들게 되었고 이 방법이,

가지는 단점들을 보완하기 위해서 무아레 무늬 해석에 관한 많은 연구가 수행되어

졌다 많은 연구 중에 푸리에변환을 이용한 프린지 해석 기법은 격자의 주파수성분.

과 무아레 무늬의 주파수성분을 각각 분리하고 상대적으로 높은 주파수를 가지는

격자에 의한 주파수 성분을 제거함으로써 역 푸리에 변환을 통하여 무아레 무늬의

콘트라스트를 향상시키는 동시에 프린지의 위치를 정확히 알아내는 방법으로써 널

리 연구되어졌다 그러나 무아레 무늬 해석에 있어서 가장 괄목할만한 발전은 위상.

이동방법 의 무아레 무늬 해석에 적용이라고 말 할 수 있(phase shifting method)

다.

무아레 무늬의 광축 방향으로의 광강도 분포가 가간섭성이 높은 두 광파의 간섭에

의한 광강도 분포와 같다는 가정에서 출발하는 위상 이동 무아레 간섭법(phase

이라고 지칭되는 이 알고리즘을 사용하면 기존의 프shifting moire interferometry)

린지 추적에 비래서 수십 내지는 수백배의 측정분해능 및 정밀도 향상을 가져올 수

있다.

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일반적으로 레이저와 같이 가간섭이 아주 뛰어난 두 광파의 간섭에 의한 간섭무늬

를 해석하는데 위상 이동법이 도입된 후 위상 이동법은 이와 비슷한 성질을 가지는

프린지의 해석에 있어서 없어서는 안 될 중요한 도구로서 자리잡게 되었다 년. 1987

에 의해 처음으로 무아레 프린지의 해석에 위상 이동법M. Kujawinska 3-Buckets

이 사용된 후 많은 사람들에 의해 다양한 연구가 진행되어 왔다 는. Kai Engehatdt

격자무늬의 형상을 가지는 물체는 카메라를 이용해서 관찰할 때 발생하는 무CCD

아레 무늬를 이용해서 차원형상을 측정하기도 했다 등은 위상 이3 . Toru Yoshizawa

동법을 그림자식 무아레에 적용하여 동전형상을 측정하였다 등. Gerarad Mauvosin

은 위상이동을 주는 방법에 대해서 연구를 수행하여 물체를 움직이는 방법이 제일

효과적임을 보여주었다.

앞서 언급한 것과 같이 최근의 차원형상측정 분야에 있어서 위상이동 무아레는 많3

은 주목을 받고 활발한 연구가 진행되고 있다 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한.

위상이동 무아레가 가지는 여러 문제점들을 해결하고 차원형상을 측정하기 위한3

연구를 수행하고자 하였다.

제 절 영사식 무아레1

그림 은 영사식 무아레 구현을 위한 가장 보편적인 광학계의 구성을 나타낸다1 .

그림 1 Projection type moire topography

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차원 형상을 측정하는데 있어서 영사식 무아레는 컴퓨터 를 이용하여3 (Computer)

가상의 기준격자를 생성하고 영사기 를 이용하여 측정하고자 하는 물체, (Projector)

면에 기준격자를 투영시킨다 이렇게 물체에 투영된 격자는 측정물체의 형상에 따.

라 형성된 변형격자를 를 이용하여 획득하고 컴퓨터 상의 기준격자와CCD Camera ,

간단한 화상처리 알고리즘을 사용하여 무아레 무늬를 얻는다.

영사식 무아레는 크게 가상의 기준격자를 투영하기 위한 영사시스템(Projection

과 투영된 가상의 기준격자 이미지를 결상 하기 위한 결상 시스템system) (Viewing

으로 나누어진다 광원으로는 일반적으로 백색 광원이 사용되고 직선격자system) . ,

가 가상의 기준격자로 사용된다 일반적으로 격자는 횡 방향으로 투과도가 싸인 분.

포를 가지는 싸인 격자 내지는 여백과 격자선 두께의 비가 인 론끼 룰링1:1 -

격자를 사용한다 투영기 에 의해 투영된 가상의 기준격(Ronchi-rulling) . (Projector)

자는 측정 대상물체에 형상에 따라 변형되어지고 이 변형된 직선형태의 격자는 결,

상 시스템에 의해서 결상된다 이렇게 결상된 변형격자 이미지와 기준격자 이미지.

를 간단한 화상처리 알고리즘으로 사용하여 무아레 무늬를 얻을 수 있다 이때 이.

광학계에서 무아레 무늬의 등차수면 이 평면으로 형성되기 위해서(Equi-oder plane)

는 영사시스템의 광축과 결상 시스템의 광축이 평행해야한다 즉 영사시스템과 결. ,

상 시스템에서 격자와 렌즈가 광축과 평행한 임의의 한 축에 대해서 대칭적으로 구

성되어야 한다 그림 는 평행 광축 광학계의 구성을 보여주고 그림 은 등차수면. 2 , 3

에 형성되는 무아레무늬는 등고선에 해당하는 그림을 보여준다.

그림 2 Parallel-optical-axes for projection moire

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그림 3 Equi-order plane

제 절 기존의 영사식 무아레 방법의 문제점2

무아레를 이용한 차원 형상 측정법에는 크게 다음과 같은 세가지의 문제점을 가지3

고 있다 측정대상물체의 표면 반사도에 따른 무아레 무늬의 가시성변화로 인한 측.

정불확도 변화가 그 첫 번째 한계점이고 두 번째로는 낮은 측정분해능을 들 수 있,

다 그리고 세 번째로는 무아레 간섭무늬의 종류에 따라서 측정이 불가능할 수도.

있다는 점이다.

기본적으로 빛을 측정매개체로 사용하고 있는 무아레법은 측정물체의 표면의 반사

도에 따라서 무아레 무늬의 가시성에 큰 영향을 받는다 측정 물체가 거울면과 같.

이 거의 모든 빛을 반사해 버리거나 또는 검은색과 같이 거의 모든 빛을 흡수해 버

릴 경우에는 무아레 무늬가 형성되지 않아 다른 광학식 측정법이 다 그렇듯 측정이

불가능해져 버린다 일반적으로 영사식 무아레법에 있어서는 측정 물체위에 형성된.

기준격자의 영상 즉 변형격자를 이용하기 때문에 흰색의 반짝거리지 않는 측정 표

면일수록 좋은 가시성을 가지게 된다.

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기존의 무아레법이 가지는 두 번째 문제점으로는 좋지 않은 측정분해능을 들 수 있

다 측정물체에 기준격자를 새겨 넣는 평면 무아레의 경우에는 예외가 되지만 격자.

를 새겨 넣지 못하는 입체 무아레의 경우에는 정밀한 측정분해능을 가지지 못한다.

간섭무늬의 중심을 찾아서 그 무늬의 무아레 차수로부터 높이를 산출하는 측정법은

넓이 방향으로 낮은 측정분해능을 가지게 되고 높이 방향 역시도 측정 데이터의,

숫자에 영향을 받게 된다.

세 번째로는 측정하고자 하는 물체가 비교적 평면에 가까운 물체일수록 간섭무늬의

폭 자체가 상당히 커지게 된다 이렇게 되면 어디가 무늬이고 어디가 배경인지도.

구분하기 힘들게 되므로 이럴 경우는 간섭무늬의 중심으로부터 높이를 산출하는 기

존의 방법은 사용하기가 상당히 곤란하다.

제 절 위상이동방법3 (Phase-shifting method)

위상이동법의 제일 기본적인 개념은 간섭계에서 사용되는 기준파 와 측정파(Wr) (Wt)

사이에 시간에 따라 변하는 위상이동을 줌으로써 관심 있는 측정표면의 높이정보를

형성된 간섭무늬를 이용해서 알아내는 것이다 두 파면 사이의 위상차를 일정한 양.

만큼씩 변화시켜 이에 따라 변화되는 무아레 무늬의 강도 를 물체의 모(Intensity)Δ

든 지점에서 측정하여 각 지점에서의 위상을 직접 측정하는 방법이다 그림 는 위. 4

상이동 간섭계의 기본개념을 나타내는 그림이다.

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차원 형상정보를 포함하는 무아레 무늬의 해석 방법으로 많이 사용되고 위상이동3

법을 사용하기 위해서는 무아레 무늬가 다음과 같은 형태의 주기적인 분포를 가져

야 한다.

여기서, I0 는 무아레 무늬 평균강도 는 무아레 간섭무늬의 정규화된 가시(x,y) , r(x,y)

이고 는 위상이동량 는 측정하고자 하는 초기 위상 값이다, , (x,y) .Δ Φ

측정물체 각 지점의 상대적인 위상값을 얻기 위해서는 순차적으로 일정하게 위상을

이동시켜 개의 무아레 무늬를 얻으면 된다 오차의 최소화와 효율적인 계산을 위4 .

해서 많은 알고리즘이 개발되어 있으나 보통 씩 위상을 이동시켜 개의 무늬를/2 4π

얻는 위상이동 방법이 많이 쓰여지고 있다4-frame .

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그림 4 Concept of phase-shifting interferometry

측정물체 각 지점의 상대적인 위상값을 얻기 위해서는 순차적으로 일정하게 위상을

이동시켜 개의 무아레 무늬를 얻으면 된다 오차의 최소화와 효율적인 계산을 위4 .

해서 많은 알고리즘이 개발되어 있으나 보통 씩 위상을 이동시켜 개의 무늬를/2 4π

얻는 위상이동 방법이 많이 쓰여지고 있다4-frame .

가상의 기준격자를 수직으로 이동시켜 측정물체를 에 연결된 메라PC CCD Camera

로 개의 화상을 얻는다 위상이동법에 의하여 얻어진 개의 화상의 강도4 . 4-frame 4

은 각각 다음과 같이 나타낸다.

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식 는 삼각함수 동치값의 계산에 의해 다음의 식들로 변환을 할(2), (3), (4), (5)

수 있다.

개의 미지수3 I0 를 갖는 개의 방정식을 풀면 표면의 각 점에 대(x,y), r(x,y), (x,y) 4φ

한 위상 를 구할 수 있다(x,y) .φ

이 두 방정식을 나누면 다음 식을 얻는다.

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위 식을 위상 에 대해 다시 쓰면 다음과 같이 된다(x,y) .φ

이렇게 하여 얻은 위상도는 아크탄젠트 조합으로 이루어지기 때문에(Arctangent) 2

마다 불연속성을 지니게 되는 계단형 위상지도 형태로 나타나게 되며 이 위상도,π

만으로는 정량적인 정보를 추출할 수 없기 때문에 위상도 펼침 작업을(Unwrapping)

통하여 불연속적인 부분을 이어주어야 한다 그림 는 위상지도 펼침작업. 5

을 나타내는 그림이다 이 위상도 펼침 작업을 통하여 불연속점들을(Unwrapping) .

연결시켜 최종적으로 측정 물체의 차원 형상을 완성시킨다3 .

그림 5 Concept of the unwrapping

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제 절 위상이동법의 장점4

기존에는 간섭무늬를 해석하는데 있어서 많이 사용되었던 방법으로 간섭무늬의 직

진성이나 차수 를 구하는 방법 그리고 간섭무늬의 중심을 찾아서 간섭(Fringe order)

무늬의 중심부분의 높이를 대표하는 방법 등이 있었다 이러한 방법들에서 우리가.

얻을 수 있는 높이 방향으로의 분해능은 프린지 사이의 간격에 따라서 달라진다.

즉 간섭무늬의 중심을 구하는데 필요한 정보가 많을 경우에는 분해능이 올라가고,

그렇지 못할 경우에는 분해능이 저하되게 된다 특히 횡 방향으로의 분해능은 위와.

같은 이유로 상당히 떨어진다 분해능을 향상시키기 위한 방법으로는 프린지 사이.

의 높이변화를 단순히 프린지 사이의 거리에 비례하는 일차함수로 가정하고 단순히

보간하는 방법들이 사용되었고 더 정확하게 간섭 무늬의 중심을 구하기 위해서는,

간섭무늬 광강도 변화를 가우시안 분포 또는 다차항 함수로 가정하고 이를 최소 자

승법등을 이용해서 끼워 맞춤 을 함으로써 측정분해능을 어느 정도 향상시킬(Fitting)

수 있었다 이와 같은 방법들은 기본적인 원리는 간섭무늬의 주변 점들에 의해 우.

리가 측정하고자 하는 측정점이 영향을 받는다는 단점을 가지고 있다 그리고 정확.

한 측정을 하기 위해서는 그만큼 많은 주변의 측정점들이 필요하게 되어 데이터의

양이 증가하게 된다 그리고 간섭무늬의 화상에 노이즈가 있을 경우 주변의 측정점,

들도 이 노이즈로 인하여 많은 영향을 받게 되어 신호대 잡음비 도 상당(S/N Ratio)

히 떨어지게 된다 또 존재하는 문제점중에 하나는 이러한 하나의 간섭무늬를 가지.

고 요철여부 를 판별할 수 없다는 것이다 오목인지 볼록인지(Convex or Concave) .

를 구별하기 위해서는 부가적인 정보 즉 간섭무늬의 이동방향 등에 관한 정보가 필

요하게 된다 앞에서 언급된 여러 가지 이유로 인해 간섭무늬 해석에 있어서 정밀.

도를 향상시키는데 있어서 상당한 문제점으로 존재해 왔다.

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이러한 기존의 여러 가지 방법들에 비해 위상 이동법은 많은 장점을 가진다 위상.

이동법은 간섭무늬의 중심을 찾을 필요가 없고 프린지 형태에 따라 영향을 받지,

않는다 화상의 전 영역에 걸쳐서 하나의 프린지가 형성되거나 매우 복잡한 형태의.

간섭무늬가 형성되어도 아무런 영향을 받지 않는다 간섭무늬의 형태에 따라서 정.

밀도에 영향을 받는 기존의 방법들에 비해서 큰 장점을 가진다 그리고 앞서 언급.

한 다른 노이즈에 의해서 측정점이 전혀 영향을 받지 않는다 그리고 수광 소자의. ,

불안정으로 인한 오차도 영향을 크게 미치지 못한다 식 에 다음과 같은 두 개의. (1)

오차를 포함시켜 보자 수광 소자의 불안정과 화상에 있는 노이즈를 각각. s(x,y),

라고 한다 이 경우 얻어지는 화상의 광강도는 다음과 같다n(x,y) . .

위의 식 에서 보면 알 수 있듯이 임의의 점에서의 오차는 다른 부분에는 영향(14)

을 주지 못한다 단지 시간 축에 따라서 변하는 동일한 점의 광 강도에 의해서만.

영향을 받는 위상 이동법은 이러한 우연오차 에 의한 오차를 최소화(Random noise)

한다 그리고 수광 소자의 불안정으로 인한 오차는 전체적인 광 강도의 가시성.

에만 영향을 줄 뿐 측정의 정밀도에 직접적으로 연관되어지는 에는(Visibility) (x,y)Φ

거의 영향을 주지 못한다 따라서 위상 이동법에 있어서 이러한 노이즈는 정밀도에.

큰 영향을 주지 못한다 하지만 이러한 위상 이동법은 측정을 하기 위해서는 위상.

을 이용하기 때문에 이 과정에서 오차 요인이 포함된다 위상 이동법에서 고려되어.

야 하는 오차요인으로는 기계적인 진동 사용광원의 불안정성 그리고 위상이동 오,

차 등을 들 수 있다.

- 21 -

제 절 위상이동법의 문제점5

위상 이동법을 이용하여 임의의 측정점 에 대해서 측정한 위상값은 아크탄젠트i

계산에 따른 때문에 모호성 이 발생한다 즉 측정(Arctangent) 2 2 (2 Ambiguity) . ,π π π

위상 ΦMi 와 실제위상(x,y) ΦRi 사이에는 다음과 같은 관계가 있다(x,y) .

그림 에서 보는 바와 같이 의 나머지 로만 표현되는 주 위상(6) 2 (Modulo) (Principalπ

을 연속위상으로 바꾸어주는 과정을 위상정렬 이라고 한phase) (Phase unwrapping)

다 식 로 부터 연속위상. (15) ΦRi 를 구하기 위해서는(x,y) Ki의 값을 구해야 한다.

이 Ki값을 구하기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 원리에 기초를 두고 구하고 있

는 실정이다.

- 22 -

인접한 두 측정점의 두 위상사이의 관계가 식 과 같이 될 경우 식 과 같은(16) (17)

조건을 만족할 수 있게 하기 위해서 인접한 두 점의 위상차가 보다 작고 보- -3π π

다 클 경우에는 를 더하고2 (Kπ i 보다 크고 보다 작을 경우에는 를=-1), 3 -2π π π

더함으로써 (Ki 인접한 두 측정점의 사이의 위상차이의 절대값을 식 과 같=-1) (18)

이 보다 작게 할 수 있다 하지만 인접한 두 측정점사이의 위상차가 보다 커지.π π

게 되면 정수값 Ki를 정할 수 없게 된다 따라서 위상이동법을 이용한 측정법에서.

측정의 한계는 인접한 두 측정점사이의 위상차가 이내인 경우에만 가능하게 된다.π

그림 6 2 Ambiguity problemπ

예를 들어보면 그림 에서 보는 바와 같이 측정점 에서 로 지나가는 과정에서(6) i-1 i

모호성 가 발생했다고 가정하면 그러면 위에서 언급한2 (2 Ambiguity) Kπ π i를 정할 수

없게 된다 즉 실제의 위상이 인지 인지 아니면 다른 어느 것인지를 알 수 없. (a) (b)

게 된다.

이런 모호성 로 인한 측정의 한계를 극복하기 위해서는 파장의 길2 (2 Ambiguity)π π

이가 약간 다른 두파장의 맥놀이 현상을 이용하여 파장의 길이가 큰 파장(Beating)

을 만들어 측정을 수행하는 방법이 있다 이 경우의 파장은 다음과 같다. .

맥놀이 현상으로 길어진 파장 λb는 λ1,λ2에 비해서 매우 크다 따라서 측정범위는.

증가하지만 측정정밀도는 떨어지게 된다.

- 23 -

제 절 위상이동 영사식 무아레6

그림자식 무아레에 비해서 다소 큰 물체에 적용되는 영사식 무아레법은 그림자식

무아레 방법에 비해서 넓은 측정 범위를 가지는 장점이 있다 또한 격자의 측정물.

체에 가까이 위치시켜야만 하는 그림자식 무아레와는 달리 투영렌즈를 이용해서 기

준격자를 주사함으로써 작동거리를 멀리할 수 있는 장점이 있다.

컴퓨터를 사용하여 만든 가상의 기준격자를 영사기 를 이용하여 측정물체(Projector)

에 투영하고 측정물체의 형상에 따라 변형된 변형격자를 를 이용하여CCD Camera

획득한다 위상이동법의 적용은 가상의 기준격자의 격자간격을 씩 이. 4-Frame 1/4

동하여 개의 화상을 얻는다 그림 은 가상의 기준격자를 이동시키는 방법이다4 . (7) .

개의 화상을 각각 가상의 기준격자와 간단한 화상처리 알고리즘을 사용하여 무아4

레 무늬를 얻는다 이 개의 무아레 무늬를 이용하여 식 에 적용하면 우리가. 4 (13)

측정하고자 하는 위상 ΦMi 를 얻을수 있다 이 얻어진 위상지도 를(x,y) . (Phase map)

위상정렬 과정을 거쳐 차원 형상을 복원할 수 있다(phase unwrapping) 3 .

그림 7 Virtual grating shifting

- 24 -

제 절 중파장 영사식 무아레7 2

위상정렬을 하는 과정에 있어 인접한 두 측정점 간의 상대 위상차이가 보다 큰π

경우에는 호모성문제가 발생한다 이 한계점은 식 을 이용해서 초기위상을2 . (13)π

구하게 되면 그 값이 사이의 주 위상값 만을 가지게 되는데 기인한다- ~ + .π π

실제 측정을 하는 경우에는 파장보다 큰 수직 단차를 가지는 측정물체의 측정은 불

가능하다 더불어 위상이동 영사식 무아레에서 측정물체가 상대적으로 많은 높낮이.

분포를 가지는 경우에는 축 방향으로 넓은 영역에 분포하게 되어 하나의 파장내에z

놓이지 않고 여러 개의 파장 내에 걸쳐 놓이게 된다 이럴 경우에는 파장을 상수로.

가정하는 것이 많은 오차를 포함하므로 결국에는 무아레 무늬의 차수 산출에 어려

움이 따르게 된다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 중 파장을 사용한 방법을 이용하였2

다 중 파장 방법의 기본원리는 비슷한 파장을 가지는 두 파장을 사용함으로써 두. 2

파의 맥놀이 현상으로 원래의 파장에 비해서 훨씬 길어진 파장을 사용함으로써 2π

모호성으로 인한 측정의 한계를 넓힐 수 있다는 것이다 또한 길어진 파장을 이용.

하여 절대 무아레 무늬의 차수를 산출하는데도 사용되어지는 장점을 가진다.

그림 은 가상의 기준격자의 파장을 결정하는 방법이다 사용되어진 두 격자의 피(8) .

치를 각각 g1, g2라고 하면 각각의 파장은 다음과 같이 정해진다.

그림 8. Basic concept for calculating wavelength

- 25 -

여기서, λ1 : 𝑔1격자에서의 파장, λ2 : 𝑔2격자에서의 파장 기준평면에서, L : CCD

카메라 사이의 거리 영사시스템 광축과 결상시스템 광축과의 거리 카메, d : (CCD

라와 사이의 거리Projector )

이렇게 각각 두가지의 파장을 사용해서 간섭무늬를 얻고 이로부터 각각 주위상값

Φ1(x,y), Φ2 를 구한다(x,y) .

그림 9 Basic concept of two-wavelength moire

그림 는 맥놀이 효과를 얻는 방법을 나타낸 그림이다(9) . Φ1(x,y), Φ2 가 각각(x,y) λ

1, λ2에대한 위상이라고 할 때 이런 비슷한 두 개의 짧은 파장을 사용하여 맥놀이

효과를 얻는 방법은 다음과 같다.

- 26 -

여기서 구한 주위상값 Φ12 는 맥놀이 효과로 얻어진 파장(x,y) λ12에 대한 것이다.

이 과정에서 주위상값 Φ12 이 보다 크면 를 주위상값에서 빼주고 위상값(x,y) 2 ,π π

Φ12 이 보다 작으면 를 주위상값에서 더해줘서 맥놀이 효과로 얻어진 주위(x,y) 2π π

상값을 위상 이동법을 사용하기 위한 영역으로 위치시킨다- ~ + .π π

따라서 λ1, λ2의 크기를 잘 정함으로써 굉장히 큰 파장을 사용하는 것과 같은 효과

를 얻을 수 있다 이렇게 해서 얻은 주위상값. Φ12 를 위상정렬에 사용할 경우(x,y) 2

모호성 문제를 해결할 수 있다.π

측정점의 높이 를 두 개의 위상값h(x,y) Φ12(x,y), Φ1 에 관해서 표현하면 다음(x,y)

과 같다.

여기서, Φ1Ρ 는 위상정렬을 거치지 않은 주 위상값을 나타내고 은 임의의 정(x,y) , m

수를 나타낸다.

식 을 다시 에 대해서 다시 쓰면(23) m ,

와 같이 된다 은 애초 정수로 정의된 수였지만 측정과정에서 오차 등으로 인하. m

여 정확한 정수값을 가지는게 사실상은 불가능하다 따라서 얻어진 에 값에 정수. m

화 연산을 통해서 그 값을 정하게 된다 따라서 기존의 측정정밀도를 유지하면서.

측정범위를 현저하게 크게 하는 효과를 가져오게 된다.

따라서 위상이동법을 사용하여 높은 분해능은 그대로 유지하면서 모호성의 문제2π

를 극복하여 차원 형상을 측정할 수 있다3 .

- 27 -

제 절 투영보정8

위에서 기술한 기술을 차원 형상측정에만 국한하지 않고 적용분야를 넓혀Moire 3 ,

적용하였는데 최근들어 게임의 성장이 가속화 됨에 따라 몰입감 효과적으로 전, VR

달하고자 나 프로젝터와 같은 디스플레이 장치가 등장을 하고 있다 이러한 디HMD .

스플레이 장치를 이용하여 영사면의 형상을 측정하고 광역의, FOV(Field of View)

출력의 요구에 부응하기 위해서 전통적인 무아레 방법을 탈피하여 임의의 형태의

영사면에 대한 프로젝션 시스템을 구현하여 스크린 형태에 관계없이 자동으로 켈리

브레이션이 가능한 시스템을 구현하였다 또한 이러한 프로젝션 시스템은 대형 스.

크린이 준비되어 있지 않은 일반 가정에서 프로젝터와 임의의 형태의 벽면을 비교

하여 비교적 큰 화면에서 오락이나 영화를 즐길 수 있고 보다 큰 시스템을 사용하,

면 모델하우스 등의 가상 디스플레이에 사용할 수 있도록 하였다.

투영보정8.1

위에서 기술한 형상측정 기법을 통해서 형상 데이터를 에서 제공하는DirectX

를 이용하여 알고리즘을 적World, View, Projection Matrix Library 2Pass Rendering

용하여 투영 보정을 하게 된다.

전역변환8.2 (World Transformation)

전역변환은 모델의 로컬원점으로 관련된 들의 모델 공간에서 에서 모vertices scene

든 물체들이 공통된 원점으로 정의되는 전역공간 으로 좌표를 바꿔준(world space)

다 필수적으로 전역 변환은 모델이 전역에 내에 위치해야 한다. .

이 전역변환에서 는 다음과 같이 를 사용하3-D transformation matrix 4x4 Matrix

여 점 에서 새로운 점 로 변환한다, (x,y,z) (x' ,y' ,z') .

대부분의 전역변환은 크기 회전 이동의 조합 을 포함하고 있다, , .

- 28 -

시점변환8.3 (View Transformation)

시점변환은 카메라 공간내의 를 변환하면서 전역공간 내에 뷰어 를vertices (viewer)

위치시킨다 는 전역공간에서 물체를 카메라의 위치 카메라공간의 원점. view matrix ( )

주변으로 재위치 시킨다 여러 가지 방법으로 를 만들어진다 이런 경우. view matrix .

들 모두 카메라는 로컬위치와 상 내의 모델들에 적용되는 를 만(scene) view matrix

드는 시작점으로 사용되는 전역공간 내의 원점을 가진다 는 물체를 회. view matrix

전과 이동을 하여 카메라 공간내에 물체를 위치시킨다 를 만드는 한. view matrix

가지 방법은 각 축에 대해 회전 를 가진 이동 의 조합으로 만들 수 있Matrix Matrix

다.

여기서 는 는 전역공간에서 재 위치된 물체의 이동 이고V View matrix, T matrix , R

은 각 축에 대한 회전 이다 위의 이동과 회전 는 카메라의 로컬위치와matrix . matrix

전역공간의 원점을 기준으로 하고 있다.

- 29 -

투영변환8.4 (Projection Transformation)

투영변환은 스케일과 투시 투영이다 이 투영 변환은 을 육면체 모. viewing frustum

양으로 변환한다 의 끝 근처는 멀리 있는 끝보다 작기 때문에 카. viewing frustum

메라와 가까운 거리에 있는 물체를 팽창시키는 영향을 준다.

시점변형 공간의 원점에서 카메라와의 거리는 이다 다음(viewing transformation) D .

과 같이 투영변환은 와 시점을 에 의해 방향으로 이동하여 카projection matrix -D Z

메라에서 원점으로 이동시키는 의 복합형태로 표현된다 복합Translation Matrix .

는projection matrix(T*P)

식 의 는 카메라와 가까운 과의 거리에 바탕을 둔 물체에(27) Matrix Clipping plane

대하여 이동과 크기에 대한 것이다 그러나 식 는 를 고. (27)Matrix fov(field of view)

려하지 않았으며 먼 거리에서 물체의 값은 거의 동일해서 높이 를 비교하, Z (depth)

기 어렵다 이러한 문제들에 역점을 두어 시계 의 종횡비. , (viewport) (the aspect

를 사용하여 정점들 들을 조정하여 다음의 투시투영 를 쓸 수ratio) (vertices) Matrix

있다.

여기서 은 가까운 의 값이며 는 다음과 같다Zn Clipping plane z , w ,h ,Q .

와 는 시계 의 수평과 수직의 이다fovw fovh (viewport) Field of view .

- 30 -

제 장 결 론3

제 절 기술 개발 결과1

본 연구에서는 측정시스템의 시작품을 제작하여 이동성을 증대시켰으며 측정에 필,

요한 소프트웨어를 코딩 개발하였다 가상격자의 피치는 컴퓨터 해상도 의, . 800*600

간격으로 만들어 사용하였다 위상이동을 사용하여 가상 격자 이동4pixel . 4 Frame

은 컴퓨터 모니터의 간격으로 이동시켜 위상이동을 하였다 기준격자의 영향1pixel .

을 제거하기 위해 먼저 변형격자와 기준격자의 위상도를 구한 다음 이들의 강도값

을 빼주는 방법으로 측정을 하였다 각각의 가상 기준격자의 피치는. 𝑔1은

6.88mm, 𝑔2는 이다 그리고 은 는 이다 그림 과7.74mm . , L 1460mm, d 170mm . 10

에 시스템 개략도와 시제품 제작결과가 나타나 있다11 .

그림 10 The Schematic Diagram of System

- 31 -

그림 11 Prototype

그림 는 측정 를 나타낸다 기준격자의 영향을 제거하기 위하여 기(12) Flow chart .

준격자의 위상도와 변형격자의 위상도를 먼저 구한 다음 이를 이용하여 무아레 무,

늬 위상도를 구하는 방법을 사용하였다 그림 은 변형격자의 위상도를 나타내. (13)

고 그림 는 기준격자 위상도를 나타내고 그림 은 이 두 위상도를 이용하, (14) , (15)

여 구한 무아레 무늬 위상도를 나타낸다.

그림 12 Measurement flow chart

- 32 -

그림 13 Transformation grating phase map

그림 14 Reference grating phase map

- 33 -

그림 15 Moire fringe phase map

측정 시간을 줄이기 위해서 측정을 시작하기 전에 피치가 각각 𝑔1, 𝑔2인 가상의

기준격자를 이용하여 위상이동을 시켜 기준평면의 기준격자 위상도를 구4-frame

한다 측정물체를 의 앞에 놓은 후 가상의 격자를 투영시켜 변형격. Beam projector

자 위상도를 기준격자 위상도를 구하는 방법과 동일하게 각각의 피치에 대하여 구

한다 그런 다음 변형격자 위상도와 기준격자 위상도를 이용하여 간단한 화상처리.

알고리즘을 이용하여 각각의 피치에 해당하는 무아레 무늬 위상도를 얻는다 각각.

얻어진 무아레 무늬 위상도를 이용하여 맥놀이 현상을 이용하여 무아레 무Beating

늬 위상도를 구한다 구해진 무아레 무늬 위상도와 피치가. Beating 𝑔1인 무아레

무늬 위상도를 이용하여 피치가 𝑔1인 무아레 무늬 위상도의 차수 를 구한다 구m .

해진 차수를 피치가 𝑔1인 무아레 무늬에 적용하여 차원 형상 높이값 측정을 완료3

한다.

그림 에서 까지는 타이어 금형의 측정결과를 나타내고 있다16 19 .

- 34 -

그림 16 Phase map of short

pitch(g1)

그림 17 Phase map of long

pitch(g2)

그림 18 Phasemap of

Beating moiré

그림 19 Cloud data of Tire mold

- 35 -

앞서 언급한 알고리즘을 토대로 실제로 커다란 단차를 가지는 물체에 중파장 위상2

이동 영사식 무아레를 이용하였고 이를 이용하여 측정한 결과와 단파장 위상이동,

영사식 무아레를 이용해서 측정한 결과를 비교하였다.

그림 은 코 부분과 턱 부분에 단차를 가지는 아그리파상을 단파장으로 구한 결과20

의 프로파일 을 나타낸다(Profile) .

그림 20 Conventional moire method

그림 은 기존의 단파장 위상이동 영사식 무아레가 가지는 모호성문제로 인한20 2π

측정오차의 전파 의 좋은 예이다 코 부분과 턱부분에서 전체적(Error propagation) .

으로 오차가 발생하여 단차가 발생한 부분뿐만이 아니라 그 주변의 측정결과에2π

도 영향을 미쳐 전체적으로 형상이 왜곡되어지고 있다 이는 위상정렬과정에서 발.

생하는 위상이동법의 한계점을 보여준다.

- 36 -

그림 은 동일한 측정대상에 대해서 중파장 위상이동 영사식 무아레를 이용하여21 2

측정한 결과이다 측정분해능은 그대로 유지하면서 모호성 문제를 잘 해결하고. 2π

있음을 알 수 있다 그림 은 실제 측정높이값에 대한 프로파일 을 나타낸. 22 (Profile)

다.

그림. 21 Two-wavelength moire method

- 37 -

그림 22 Agrippa statue profile

위탁기관에서는 본 시스템을 구동시키기 위한 프로그램 작성과 인터페이스 구현을

실시하여 그림 과 같은 윈도우 기반의 측정 소프트웨어를 완성하였다23 .

그림. 23 Measurement Program

- 38 -

또한 영화나 오락산업에서 인체를 구현할 수 있는 기번으로 사용될 수 있도록 인,

체 흉상에 대한 측정실험을 하여 그 결과를 아래와 같이 얻을 수 있었다, .

은 실제 사람을 정면 좌측면 우측면에서 측정한 위상도 및 이Fig.24~26 , , 3-D plot

다 은 면의 측정 를 합성한 결과이다. Fig.27 3 data .

(a) g1 grating moire (b) g2 grating moire

(c) Beating moire (d) 3-D plot

그림. 24 The front view images

- 39 -

(a) g1 grating moire (b) g2 grating moire

(c) Beating moire (d) 3-D plot

그림. 25 The left view images

- 40 -

(a) g1 grating moire (b) g2 grating moire

(c) Beating moire (d) 3-D plot

그림. 26 The left view images

- 41 -

(a) Front view (b) Left view

(c) Right view (d) Back view

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그림. 27 Shape Measurement Result of Human face

투영보정을 하기 위해서는 카메라를 통해서 기준격자와 변형격자의 이미지를CCD

획득하며 는 를 영사하는 동시에 가상의 격자를 뿌려주는 역할을projector Contents

하게 한다 임의의 형상의 스크린은 일반적인 평면 스크린이 아닌 좌측은 반원모양.

을 하고 있으며 우측은 코너 모양을 하고 있다, .

- 43 -

그림. 28 The display contents for user's viewport

그림. 29 The distorted contents for user's viewport

그림 과 는 컴퓨터 모니터 상이나 프로젝터로 영사하는 컨텐츠의 상과28 29 Viewer

사용자 시점 의 관점에서 본 왜곡된 컨텐츠를 나타내고 있다( ) .

그림 은 프로젝터가 영사하는 부위 전체를 측정한 임의의 형태를 갖는 스크린의30

형상 이다Data .

- 44 -

그림. 30 The data extraction of Arbitrary display surface

그림 에서 보는 바와 같이 얻은 를 이용하여 영사되는 컨텐츠 그림 를 임30 Data ( .29)

의의 스크린에 대하여 컨텐츠를 보정함으로서 프로젝터로 컨텐츠를 영사하였을 때

의 시점에서 올바른 컨텐츠를 얻을 수 있다Viewer .

그림 과 는 각각 임의의 스크린에 대해서 보정된 컨텐츠와 시점에서의31 32 Viewer

보정된 를 나타내고 있다Display .

그림. 31 The calibrated contents for arbitray display surface

- 45 -

그림. 31 The calibrated contents for user's viewport

그림 와 그림 은 벽면의 모서리부에 적용한 예를 보여주고 있다 이에따라 영. 32 .33 .

사면이 매우 클지라도 영사장치의 스펙만 맞게 갖추어 주면 매우 큰 화면에서도 보

정할 수 있어서 한결 몰입감이 강해진다 이는 건물 내부의 구조 안내나 모델하우.

스에서의 응용 대 화면 게임 등과 같은데 응용하여 큰 효과를 얻을 수 있다, ( ) .大

그림. 31 The display contents before calibration at the corner

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그림. 32 The display contents after calibration at the corner

제 절 결 론2

본 연구에서는 비접촉 차원 형상 측정법으로 많이 연구되고 있으며 가간섭광3 ,

을 광원으로 사용할 필요가 없고 진동이나 외란에 비교적 둔감한(Coherent light) ,

장점을 가지고 있는 영사식 무아레 토포그래피에 대해 연구를 하였다 영사식 무아.

레 방법의 장점인 넓은 측정영역과 높은 측정 분해능의 장점을 그대로 유지하면서

가상의 격자를 만들어 측정하고자 하는 물체의 무아레 위상을 간단한 화상처리를

통하여 쉽게 얻을 수 있음을 실험을 통하여 확인하였고 위상이동법의 측정 분해능,

은 그대로 유지하면서 기존의 위상이동법의 문제인 모호성을 해결한 중파장 방2 2π

법을 적용하여 실험을 수행하였다 본 연구의 연구내용을 용약하면 다음과 같다. .

물리적인 격자대신 컴퓨터를 사용하여 가상의 격자를 만들어 차원 형상을 측정1) 3

할 수 있는 영사식 무아레 토포그래픽 시스템을 구성하였다.

가상의 격자를 이용한 영사식 무아레 토포그래피를 이용하여 차원 물체 형상의2) 3

거시적 측정을 빠르고 쉽게 측정하였다.

- 47 -

구성된 영사식 무아레 토포그래피 시스템으로 단차가 없는 물체에 대해서는 단3)

파장 방법을 사용하여 측정을 수행하였고 단차가 존재하는 물체를 중파장 방법을, 2

사용하여 측정하였다.

중파장 방법을 사용하여 기존의 위상이동방법의 문제인 단차로 인한 모호성4) 2 2π

의 문제를 극복한 측정이 가능함을 확인하였다.

중파장 방법에서 무아레 무늬 가시도로 인한 차수 추출과정에서의 오차를 제거5) 2

할 수 있었다.

차원 형상 복제에 필요한 형상 를 생성하였다6) 3 Data .

임의의 형태의 스크린에 영사하였을 때 사용자 시점에서 발생하는 왜곡현상을7)

보정하여 대형 스크린이 준비되어 있지 않은 장소에서 보다 큰 몰입감을 줄 수 있,

는 기능으로도 적용할 수 있다.

제 절 기 대 효 과3

파급효과◉

본 연구의 고속 차원 형상측정기술은 세계적으로도 그 수요가 점차 증가하고 있는3

추세이다 본 연구의 수행으로 기술 집약적이고 고부가가치인 차원 형상측정기술. 3

의 기업체 적용이 가능해짐에 따라 원격성 정밀성 신속성으로 기술개발 및 생산제, ,

품검사에 커다란 파급효과를 가져올 것이다 또한 개발된 형상 측정기와 화상처리.

프로그램은 산업현장에서의 실시간 적용이 가능해짐에 따라 제품개발 및 검사의 시

간을 단축하여 비용 및 인력의 절감이 기대된다 또한 사용 광학계의 구성 및 가격, .

대가 다양한 광학부품을 사용한 설계로서 미소물체에서 대행물체에까지 측정 범위

및 가격대가 다양한 고속 차원 형상 측정이 가능할 것이며 형성 측정기의 국산화3 ,

를 통해 수입대체 효과 및 수출을 통한 국가 경쟁력을 가져올 것이다.

- 48 -

본 과제는 기계 전자 제어 전산 등 다분야 기술이 통합되어야 하는 미래지향적인, , ,

과제로써 요소기술 및 시스템기술을 확보함으로써 형상측정 분야에 국내 기업이,

세계 시장에 진출할 수 있는 교두보를 마련할 것이다 그 파급 내용을 요약하면.

기술적 측면○

비접촉 전면식 차원 고속 형상 측정기의 구성 및 향산 실현- , 3

광학식 차원 형상 측정 기술의 급속한 진전- 3

전산 기계 광학 등 각 분야의 기술 결합에 의한 시너지 효과 극대화- , ,

경제 산업적 측면○ ㆍ

차원 형상측정기의 기업체 적용에 따른 국내기업의 생산성 향상- 3

저가 광학 부품 사용에 의한 비용 절감 효과-

차원 형상 측정기의 국산화에 따른 수입대체 수출 효과- 3 /

제품 개발 주기 단축에 따른 인력 비용 시간의 절약- / /

활용방안◉

개발된 차원 형상측정기는 본 주관기관 생산제품의 차원 형상 검사를 위한 장비3 3

로서 사용될 것이며 또한 산업체 여러 분야에서 활용 될 수 있다 특히 자동차 산, . ,

업 전자산업 금형제작 등의 신제품 개발 과정에서 이루어지는 시제품, , (prototype)

의 제작 및 수정이 그 대표적인 예이고 생산된 부품의 차원 검사장비로 활용될, 3

수 있다 최근에는 사람의 형상을 차원 하여 흉상이나 부조를 제작하는. 3 scanning

차원 사진기도 상품화가 시도되고 있다 이밖에도 의료 정형 성형 피부 의류3 . , ( , , ), ,

신발 문화재 복원 영화 등 여러 분야에서 차원 측정을 통하여 실물이, animation, , 3

나 그래픽을 제작하는 일도 차원 측정기술을 활용한 것이다 또한 투영보정 알고3 . ,

리즘으로 대화면의 디스플레이를 가능하게 하여 몰입감을 증대시키는 기능을 하여

건물구조의 가상체험이나 게임분야에도 적용할 수 있다.