쉽게 설치하고, 쉽게 측정하고, 쉽게 확인하는 3D Laser Profile Scanner!
3D TV, 3D 지도, 3D 프린터, 3D 스캐너와 같이 3D라는 단어를 사용한 제품들이 산업 현장과 생활 속에 자리를 잡았다. 이중에서도, 3D 스캐너란 무엇이며 어떤 분야에 활용할 수 있을까? 3차원 스캐너 기술에 대한 이해를 돕기 위해 3차원 스캐너 종류, 측정 방식 등에 대해서 알아보고, 휴대성, 가격, 사용 편의성, 국산화 대체 등을 고려해 라온피플에서 개발 중인 3D 레이저 프로파일 스캐너에 대해서 자세히 살펴본다.
3D 스캐너의 개요
1. 3D Scanner란?
주변에서 3D라고는 하는데 2D와 3D의 차이점은 무엇일까? 수학적으로 매우 간단하게 설명하면, 2D+1D=3D이다.
2D에서는 이미지 영상에 2개의 좌표(일반적으로 X, Y)가 필요하다. 3D에는 X, Y좌표계 외에 추가적으로 높이 정보를 포함하고 있는 Z좌표가 추가된 것이다.
팩스, X-RAY는 대표적인 2D 스캐너라고 할 수 있다. 이러한 2D 스캐너에 높이(또는 깊이) 정보가 포함되는 것이 3D 스캐너이다. 즉, 3D 스캐너는 측정하고자 하는 피사체에 대해서 3차원 영상정보를 획득할 수 있는 제품을 의미한다.
3D 스캐너는 3D 영상 콘텐츠, Reverse engineering, 품질관리, 문화재 복원, 의료 등의 여러 분야에 활용할 수 있다. 특히, 비접촉식 3D 스캐너는 휴대성과 사용 편리성이 좋아 제품 수요는 계속 증가할 것으로 예상된다.
▲ 그림 1. 2D와 3D 차이
▲ 그림 2. 3D 스캐너 활용 분야
▲ 그림 3. 3 CMM 제품
2. 3D 스캐너의 분류
3D 스캐너는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 일반적으로 3D 스캐너라고 하면 비접촉식 스캐너를 한정하기도 한다.
(1) 접촉식 3D 스캐너
프루브(Probe)를 측정하고자 하는 피사체에 직접 접촉해서 측정하는 방식이고 오래전부터 이 방식이 사용됐으며, CMM(Coordinate Measuring Machine)이 대표적인 방식이다. CMM은 피사체의 표면 위치를 인식할 수 있는 프루브가 3차원 공간을 이동하면서 각 측정 포인트의 공간 좌표를 획득한 정보를 이용하여 3차원 정보를 측정할 수 있다.
(2) 비접촉식 3D 스캐너
접촉식 3차원 스캐너와의 가장 큰 차이점은 비접촉식 스캐너는 별도의 외부 광원이 필요한 점이다. 광원으로는 백색 조명, 레이저, LED, IR을 사용할 수 있으면 구현 방식에 따라서 적절한 광원을 선택 사용하여야 한다. 제품 형태에 따라서 프로파일 스캐너, 백색광 스캐너, TOF(Time of Flight) 스캐너, 핸드헬드 스캐너 등으로 구분할 수 있다.
ㆍ프로파일 스캐너 : 피사체에 반사된 레이저는 높이에 따라서 이미지 센서의 서로 다른 위치에 맺힌 각의 픽셀에 대해서 삼각 측정법을 이용해 각도, 거리 등의 정보를 알아낼 수 있다. 시스템 구성은 피사체에 레이저를 조사하는 광원부, 반사된 레이저를 촬영하는 영상 수신부, 수신된 영상을 디지털로 변환하는 데이터 처리부, PC와 통신을 위한 통신부로 나눌 수 있다.
▲ 그림 4. 프로파일을 이용한 3D 영상정보 획득
ㆍ백색광 스캐너 : 특정한 패턴을 프로젝트로 조사한 후에 획득한 이미지에서 각 패턴의 형태를 삼각 측정 방식으로 이용해 3D 정보를 만들어내는 방식이다. 프로파일과 다르게 백색광 방식은 패턴 및 패턴을 조사하는 프로젝트가 추가되어야 한다.
▲ 그림 5. 구조광 방식 3D 스캐너 시스템
ㆍTOF 스캐너 : 레이저 또는 IR을 조사하여 되돌아오는 피사체의 높낮이에 따라서 돌아오는 시간이 모두 다르기 때문에, 이러한 시간차를 이용하여 3D 스캐닝을 할 수 있다. 계산상으로 측정할 수 있는 분해능은 1mm이기 때문에 정밀 측정에는 적합하지 않고 토목, 건축물과 같은 대형 측정체에 많이 사용되고 작은 사이지의 제품은 IT 기기와 연동해서 사용할 수 있다.
▲ 그림 6. TOF 스캐너
ㆍ핸드헬드 스캐너 : 프로파일, 백색광 스캐너와 마찬가지로 삼각 측정법을 이용하며 다수의 점 또는 선 레이저를 피사체에 조사 후에 수신된 레이저 영상정보를 이용해 이미 알고 있는 기준 좌표계에 매핑해서 3D 영상정보를 획득하는 방식의 스캐너이다.
▲ 그림 7. 핸드헬드 스캐너
3. 비접촉식 3D 스캐너 비교
스캐너는 종류가 다양한 만큼 제품별로 성능 차이가 있다. 제품 선택 시에는 사용하는 피사체의 종류, 측정 거리, 가격, 휴대성 등을 모두 고려해서 사용해야 한다.
표 1은 각 스캐너의 일반적인 성능 차이점을 보여주기 때문에 실제로 3D 스캐너 선택 시에는 각 제조사 사양과 측정하고자 하는 제품 특성, 측정 범위, 가격 등으로 비교해서 선택해야 한다.
▲ 표 1. 비접촉식 3D 스캐너 성능 비교
3D 레이저 프로파일 스캐너 파헤치기
현재 라온피플의 3D 레이저 프로파일 스캐너의 구현 사례를 통해서 3D 프로파일 스캐너에 대해 자세히 알아본다. 3D 레이저 프로파일 스캐너의 경우, 빠른 측정 속도로 고속 라인에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
1. 주위 환경에 강하게-프로파일 데이터 획득
레이저를 광원으로 사용하는 경우 가장 어려운 부분이 피사체의 재질, 색상, 외부 조명 조건 등에 의한 영향으로 원하는 레이저 영상 획득에 실패하는 경우이다. 레이저를 강하게 조사하거나 Exposure time 등을 조정해서 데이터 획득이 가능하지만 이러한 경우 사용상의 불편함과 Noise 요소가 발생할 수 있다.
레이저 파인딩 기술을 이용해서 수신된 레이저 영상이 잘 획득이 안 된 경우에도 양질의 프로파일 데이터를 획득하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로, 레이저 프로파일 스캐너는 레이저 영상 오인식, 피사체 2차 반사에 의한 잘못된 좌표값이 발생하지 않도록 피사체가 거의 보이지 않는 조건에서 측정해야 한다.
그림 8은 동일한 모양이지만 피사체 색상이 서로 다르다. 녹색과 검은색 피사체는 레이저 영상이 거의 보이지 않지만 프로파일 이미지는 빨강 및 주황색 피사체와 거의 동등 수준으로 획득한 것을 보여주고 있다. 레이저 파인딩이 안되면 이러한 경우 매번 레이저 강도, Exposure time 등을 바꾸어 주어야 하는 사용상의 불편함을 초래할 수 있다.
▲ 그림 8. 색상별 레이저 영상과 프로파일
2. 하나의 점도 놓치지 말아라-Peak detection 알고리즘
3D 레이저 프로파일 스캐너 기술의 핵심은 양질의 프로파일 데이터를 얻기 위한 Peak Detection 알고리즘이다. 점들이 모여서 3D가 만들어지기 때문에 각각의 점에 대한 정보 획득이 매우 중요하다.
피사체의 높이에 따라서 이미지 센서의 위치에 서로 다르게 상이 맺히고 이것을 찾아내는 방식은 Max, COG, 가우시안 등의 기술을 적용할 수 있다. 이론상으로는 가우시안이 정밀도 측면에서는 가장 우수하지만, 주변 환경 등에 대해서 너무 민감하므로 실제 적용하는 데에는 어려움이 있기 때문에 라온피플에서는 자체 필터 알고리즘을 적용했다. 그림 8에서 하늘색 부분은 좌푯값이 계속적으로 움직이는 부분을 표시한 것이다. 레이저 라인에 대해서 불안정한 프로파일 데이터는 3D 영상과 측정 결과에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
▲ 그림 9. 라온피플 자체필터 Vs 가우시안
3. 1초 이내의 캘리브레이션 시간
대부분의 측정 장비는 캘리브레이션을 해야 하듯이 3D 프로파일 스캐너도 캘리브레이션을 해야 한다. 제품 출하 시 캘리브레이션을 하지만 사용자가 직접 해야 하는 경우도 발생할 수 있다. 사용자로서는 매우 어렵게 또는 불편하게 느낄 수 있기 때문에 단 한 번의 클릭으로 캘리브레이션을 할 수 있도록 해야 한다. 체스 보드 또는 3D 캘리브레이션 패턴을 이용해서 진행할 수 있으며 4개 포인트만 존재하면 사용자가 직접 제작한 캘리브레이션 패턴도 적용할 수 있다.
측면에서 촬영하기 때문에 동일한 피사체도 위치에 따라서 높이/폭이 서로 다르게 보이는 피사체와 스캐너 거리에 상관없도록 영상을 보정하는 것이 가장 큰 목적이다.
캘리브레이션 패턴을 제작하는 경우 레이저 영상이 최대한 잘 보일 수 있는 조건으로 제작해야 하며 외관은 아노다이징, 무광 처리해야 하고 직각보다는 사선 형태로 제작되어야 캘리브레이션 진행 시 오차를 최소화할 수 있다.
▲ 그림 10. 캘리브레이션
4. 레이저를 이용해서 문자도 인식하자
피사체에 높이 정보가 있는 문자에 대한 품질관리가 필요할 때도 있다. 예를 들어 높이가 다르게 생성된 문자에 대해서 치수 측정 및 인식이 필요한 경우, 일반 머신비전 카메라를 이용하는 것은 매우 어렵고 불편하다. 하지만 3D 프로파일 스캐너를 이용하면 단 한 번의 클릭으로 인식할 수 있다. 획득한 3D 영상정보는 Gray scale로 변환해서 문자 인식 알고리즘을 이용해서 판단할 수 있도록 할 수 있다.
▲ 그림 11. 문자 인식 기능
5. 치수 측정
3D 프로파일 스캐너는 2D 및 3D 측정 기능을 제공해야 한다. 레이저를 자세하게 보면 동일한 위치에 고정되어 있지 않고 계속 움직임이 있다. 이것은 결국 측정 오차로 발생할 수 있는데 이러한 측정 오차를 최소화할 수 있도록 Average, Median 등의 필터 기법을 적용해서 측정 기능을 구현해야 한다.
사용자가 직접 영역을 설정하거나 원하는 높이의 제품에 대해 미리 정해진 기준의 측정 결과 비교를 통해서 피사체 전체 이미지를 획득하지 않더라도 불량이 발견되는 경우 즉시 알 수 있다.
▲ 그림 12. 측정과 GUI 구성
김의석 수석 _ 라온피플
