[3D] 광 삼각법 구성과 3D 데이터

광 삼각법이 사용되는 어플리케이션은 아래 글을 참고해주세요.

[3D] 광 삼각법 어플리케이션

[3D] 광 삼각법 어플리케이션

광 삼각법(Triangulation method)은 어떤 원리일까요? 그리고 사용하기 위해서는 어떻게 준비해야 할까요? 먼저 구성품은 크게 카메라, 레이저, 알고리즘 이렇게 세 가지이고, 경우에 따라 다음과 같은 구성품이 필요합니다.

① 3D 카메라 + (보드) + 레이저
카메라에서 3D 데이터를 PC로 출력하는 구성입니다. 3D 생성 알고리즘이 카메라 FPGA에 탑재되어 있습니다.

② 일반 카메라 + 3D 보드 + 레이저
보드에서 3D 데이터를 PC로 출력하는 구성입니다. 3D 생성 알고리즘이 보드 FPGA에 탑재되어 있습니다.

③ 일반 카메라 + (보드) + 레이저 + 알고리즘
레이저 프로파일이 촬상된 일반 영상을 모두 얻은 후 PC에서 3D 데이터를 생성하는 방식입니다.

※ 여기서 언급된 3D 데이터는 PCD(Point Cloud Data)가 아닌, Depth Map 혹은 Range Map입니다.

위 구성 방식에 따라 제약조건이 달라지는데, 지원되는 인터페이스의 한계라든가 처리 속도가 대표적입니다. 보통 3D 카메라는 GigE 인터페이스가, 3D 보드의 경우 CoaXPress 인터페이스가 주로 사용됩니다. 알고리즘은 제품마다 비슷하지만 얼마나 정확한 위치를 출력시키는지가 제일 중요합니다. Euresys사의 Open eVision Easy3D Software는 3D 데이터 생성에 관한 라이브러리를 제공합니다.

자, 그럼 광 삼각법은 어떻게 사용하는 것일까요?

위 그림은 광 삼각법을 보여주는 대표적인 예시입니다. 레이저는 물체와의 수직인 위치에 있고 카메라와는 특정 각도(θ)를 이루고 있습니다. 그리고 물체가 한 쪽 방향으로 움직이면, 카메라는 레이저에 반사된 데이터를 취득하여 3D 데이터를 생성하는 것입니다. 마치 복합기에 있는 스캐너가 A4용지 내용을 복사하듯이 움직입니다.

대충 감이 오시나요? 실제 예시를 보여드리겠습니다.

아래 사진은 Automation Technology사의 C5-2040CS23-100이라는 제품입니다. (맨 위에서 설명한 ① 구성 방식이 하나의 스캐너 형태로 판매되는 제품입니다.)

화살표는 물체가 움직이는 방향을 의미합니다. 

아래 그림은 위 사진에서 스캐너가 보고있는 모습입니다. 필요한 부분만 AOI(Area Of Interest)설정하여 출력한 2D Grayscale이미지입니다. (Automation Technology사에서 제공하는 3DExplorer프로그램에서 영상 취득이 가능합니다.)

이렇게 레이저 라인이 투영된 2D Grayscale이미지를 여러 프레임을 획득하고, 각 프레임 마다의 Peak Position 데이터들을 추출해야 합니다. 여기서 Peak Position이란, 각 열(column) pixel 기준으로 가장 정확한 위치를 의미하여 이를 위한 알고리즘을 보통 'Peak Detection'이라고 합니다. 각 제조사마다 제공하는 알고리즘의 속도 및 정확도가 다르며, 노이즈 제거를 위해 추가로 필터(filter)기능을 제공하는 것도 있습니다.

아래 그림은 특정 열에서 Peak Position을 취득하기 위해 Intensity 그래프로 변환한 모습입니다.

Intensity 그래프로 변환하면 가우시안 그래프 형태가 얻어집니다. 만약, 난반사 데이터가 있다면 가우시안 그래프 여러개가 겹쳐보이듯 나올 것입니다. 이런 경우 알고리즘 및 필터를 이용하여 불필요한 데이터를 줄여주는 것이 정확한 데이터를 얻는데 도움이 됩니다. 대표적인 Peak Detection 알고리즘으로는 무게중심(Center of Gravity)이 있습니다. (보통 각 알고리즘의 수식은 제조사에서 제공하지 않습니다.)

제조사마다 다르지만, Automation Technology는 Maximum, Threshold, FIR-Peak라는 알고리즘을 추가로 제공합니다. 각 알고리즘마다 Sub-pixel 정도가 다르기도 하며, 어플리케이션에 따라 적절한 알고리즘을 선택하면 됩니다.

자, 설명이 길어졌습니다. 실제로 물체를 스캔하여 얻은 Range Map은 다음과 같습니다. 이 Range Map은 16bit grayscale이며, SDK에서 Calibration 데이터와 계산하여 PCD(Point Cloud Data)로 변환하여 3D Rendering이 가능해집니다.

이 데이터를 Point Cloud로 변환하면 아래 처럼 보여집니다. 아래 Tool은 Automation Technology에서 제공하는 cxShow3d 프로그램입니다.