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물체 인식을 위한 비행시간 측정 카메라의 성능 비교 및 분석
임윤섭(Y. S. Lim),정성진(S. J. Cheong),이성현(S. H. Lee),권욱현(W. H. Kwon),박용화(Y. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 3 차원 거리 정보를 활용한 물체 인식 기술의 개발과 더불어 고성능, 고화질의 3 차원 거리 측정 센서의 개발이 활발히 진행되고 있다. 그중 간접 비행시간 측정(Indirect Time-of-flight, ToF) 카메라는 비교적 저렴한 가격과 고정밀의 거리 측정 성능을 장점으로 갖고 있어 개발이 가속화되고 있다. 이전에는 QVGA 급 미만의 저해상도를 지닌 비행시간 측정 카메라가 주를 이루었지만, 최근에는 VGA 급의 높은 해상도를 지닌 고정밀의 비행시간 측정 카메라가 등장하는 추세이다. 본 연구에서는 비교적 최근에 등장한 비행시간 측정 카메라 제품들의 거리 측정 성능을 비교하고 분석하였다. 구체적으로 PMD Technologies 사의 Piocomonstar, LUCID Vision Labs 의 Helios2, 미래컴퍼니 사의 MDC200DW와 S100D 를 활용하였으며, 각 제품들에 대해 측정할 수 있는 거리의 범위와 각 거리에서의 오차와 표준편차를 다양한 실험 조건하에서 분석 및 비교하였다. 또한 기존에 개발된 물체 인식 알고리즘을 각 카메라로 촬영한 3 차원 물체 이미지에 적용하여 물체의 특징이 추출되는 정도와 인식률을 서로 비교하였다. 본 연구에서 분석한 비행시간 측정 카메라는 추후 물체 인식을 위한 센서 복합 시스템 개발에 활용될 뿐만 아니라, 3 차원 물체 인식 알고리즘의 개발에도 활용될 것으로 기대된다.
디지털-병렬 복조를 활용한 삼차원 거리 측정 센서 개발
이성현(S. H. Lee),권욱현(W. H. Kwon),임윤섭(Y. S. Lim),박용화(Y. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 논문은 디지털-병렬 복조를 활용한 삼차원 거리 측정 센서를 소개한다. 디지털-병렬 복조 방법은 기존의 광 비행 시간 측정 카메라의 복조 기법과 비교하여 높은 복조 대비를 지니고 있어 짧은 광 노출 시간 이내에 매우 정밀한 거리 측정 결과를 가능케 한다. 이러한 디지털-병렬 복조 기법과 하나의 아발란치 포토다이오드(Avalanche Photo Diode, APD)를 활용한 두 축 스캐닝 광학계 구조를 연동시킨 삼차원 거리 측정 센서는 높은 복조 대비와 광 수신 잡음비 및 센서 간 전자 간섭의 최소화와 같은 특성들을 지니며, 이로 인해 해당 삼차원 거리 측정 센서는 기존의 광 비행 시간 측정 카메라보다 높은 거리 측정 정밀성을 선보인다. 본 논문에서는 이러한 삼차원 거리 측정 센서의 측정 성능을 노이즈 모델을 활용하여 이론적으로 분석한다. 또한 제안된 삼차원 거리 측정 센서의 측정 성능을 실험적으로 검증하기 위하여 실제 거리 및 삼차원 좌표 측정 값의 분석 결과가 본 논문에서 제시되며, 더 나아가 제안된 센서와 기존의 다른 광 비행 시간 측정 카메라들과의 성능 비교 결과 역시 제시된다. 향후 본 논문에서 제시한 삼차원 거리 측정 센서의 소형화 작업 및 해당 센서를 다양한 공학적 응용 사례에 적용시키는 작업이 진행될 예정이다.
스캐닝 기반 간접 비행시간 측정 센서에서의 상관된 미광으로 인한 구조적인 거리 오차 분석 및 제거 방법
권욱현(W. H. Kwon),이성현(S. H. Lee),임윤섭(Y. S. Lim),박용화(Y. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
산업 전반에 걸쳐 3 차원 거리 정보에 대한 활용이 늘어남에 따라, 정확하고 정밀한 3 차원 거리 정보를 획득할 수 있는 센서가 더욱 중요해고 있다. 그중 간접 비행시간 측정 센서는 간단한 하드웨어 구성과 비교적 저렴한 가격으로 인해 널리 사용되어 왔지만, 기존의 상용 간접 비행시간 측정 센서는 주변광과 내부 반사로 인한 미광 등의 외란에 민감하여 측정 환경 및 대상에 따라 정확도와 정밀도가 크게 달라지는 문제가 있다. 또한, 수신광의 세기가 약할수록 외란에 의한 왜곡이 심해지기 때문에, 수신 신호 세기가 약한 픽셀은 필터링으로 제거되어 이미지에서 많은 영역이 사라지게 된다. 미광은 변조된 광신호와 선형적으로 상관되어 광학 필터 및 주파수 필터와 같은 일반적인 노이즈 필터링 기법으로는 제거하기 어렵다는 특징을 갖는다. 본 연구에서는 측정 신호의 정확도 및 정밀도에 대한 미광과 외광의 영향을 분석하였으며, 스캐닝 방식의 디지털 병렬 복조 기반 간접 비행시간 측정 센서를 사용하여 미광과 외광의 영향을 연산과정에서 사전 제거하는 방법을 제안하였다. 이를 통해 후보정 과정 없이도 미광에 의한 측정 비선형성이 제거되었으며 수신 신호 세기가 약한 영역의 거리 정보도 활용할 수 있게 되었다. 실험을 통해 측정 대상의 반사율 변화에 따른 거리 측정 정확도와 정밀도 향상을 정량적으로 검증하고 3D Depth Map을 통해 정성적으로도 비교해보았다. 제안된 기법은 추후 센서에 포함된 구조적인 에러를 제거하는 방법으로서 다양한 광측정 응용 분야에 활용될 것으로 기대된다.
스테레오 기반 Large-scale 3 차원 정밀 계측을 위한 가상 PCG 패턴을 이용한 영상 왜곡 보정 방법
김정민(J. M. Kim),이재덕(J. D. Lee),박용화(Y. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
선박업 및 제조업 등 다양한 산업에서 제품 및 부품의 3 차원 좌표 계측은 중요하고 필수적인 공정이다. 현재 산업에서는 비행시간측정법 원리의 광파기를 이용해 계측을 진행하지만 번거롭고 시간이 오래 걸린다는 단점이 존재한다. 이를 개선할 수 있는 방안이 스테레오 방법이다. 하지만 선박업의 선체 블록 규모로 인해 스테레오 계측은 최소 10 m 거리 이상의 대규모라는 특수한 상황을 동반하고 이에 따라 체크보드의 위치가 극히 제한적이라는 치명적인 문제가 발생한다. 일반적인 카메라 캘리브레이션과 왜곡 보정 알고리즘은 이미지 전체 영역을 채우는 체크보드를 통해 카메라 파라미터를 추정하기 때문에 이미지 일부영역에만 체크보드가 놓여 지게 되는 대규모 상황에서의 캘리브레이션에서는 정확하게 작동하지 못한다. 본 논문은 이 문제를 개선하기 위해 아웃 포커스에서도 격자점 검출이 가능한 PCG 패턴을 모니터에 띄워 카메라로 촬영 후 왜곡 보정을 수행하여 전체 이미지 영역의 왜곡량맵을 획득한다. 컴퓨터 소프트웨어로 패턴을 생성하기에 원하는 자세에 해당하는 PCG 패턴을 무한정 만들 뿐 아니라 왜곡 중심점과 소실점을 정확히 추정할 수 있다. 추정한 왜곡량맵을 바탕으로 3 차원 스테레오 계측을 수행한 결과 선행연구들보다 더 정밀한 3 차원 좌표 계측이 가능하다. 해당 논문의 결과는 특수한 상황에 국한되지만 대규모 산업 현장에서의 3 차원 계측에 스테레오 기술에 대한 사용 가능성의 발판을 제시한다. 더욱 나아가 PCG 패턴의 격자점 검출 정확도 상승, 원근투영불변성 왜곡 보정 방법의 개선 등의 한계점을 극복한다면 스테레오 방법은 대규모에서의 산업에서 3 차원 계측 장비인 광파기를 대체할 혁신적인 방법이 될 수 있다
선박부재 계측 자동화을 위한 카메라 기반 원-직선 피팅 알고리즘
이재덕(J. D. Lee),김정민(J. M. Kim),박용화(Y. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
선체의 조립 및 가공 작업 시 가공 작업은 필수적으로 수행되며, 가공을 적용하는 부위에 대한 인식은 작업자들이 직접 수작업으로 진행을 하고 있다. 이러한 수작업으로 진행하게 되면 불필요한 시간을 소모하게 되어 생산성과 품질이 하락할 가능성이 있으며, 작업의 정밀도를 높이고 효율성을 높이기 위해서 부재 좌표의 정밀한 측정하는 자동화가 절실히 필요하다. 하지만 선박 건조 중에 사용되는 소부재는 각각 여러 모양을 가지고 있어 형상을 인식하여 자동화에 어려움이 있다. 따라서 본 연구는 원과 직선으로 이루어진 평면 형태의 선박 부재의 모서리 좌표를 정밀하게 측정하는 것을 목표로 한다. 일반적으로 머신 비전에서 자주 사용하는 허프 변환(Houph Transform)은 표면이 고르지 않은 부재에 대해서 직선과 원을 추정하는데 한계가 있다. 본 연구에 제안하는 원-직선 피팅 알고리즘은 Inlier-outlier 를 구분하는 방법을 활용하여 거친 환경에 대해서 원과 직선을 잘못 추정하는 문제를 해결하였다. 또, 상대적으로 저렴한 카메라 4 대를 병합하여 넓은 영역에서 정밀한 위치를 추정할 수 있게 하였으며 실험을 통해 3 ㎡ 영역에 대해서 0.63 mm 이내의 오차를 가짐을 확인하였다. 제안한 방법을 활용하여 실시간으로 좌표를 측정하는 분야에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.