KR102456516B1 - 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법 및 시스템 - Google Patents

수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법이 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법은, 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법으로서, 광학 카메라를 이용하여 생성된 광학 이미지로부터 광학 체적 모델을 획득하는 단계, 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 음향 체적 모델을 획득하는 단계 및 광학 체적 모델의 정보를 기초로 음향 체적 모델을 보정하는 단계를 포함한다.

Description

수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OBTAINING 3D ACOUSTIC VOLUME MODEL FOR UNDERWATER OBJECTS}
본 발명은 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수중 물체의 3차원 복원을 위해 광학 카메라로 SLAM (Simultaneous Localization And Mapping)을 수행한다.
이와 관련하여, 맑은 물에서 표적 물체 주변을 여러 각도에서 촬영하면 광학 카메라가 제공하는 RGB 색상의 고화질 광학 이미지로 정밀한 SLAM이 가능하다. 그러나 50m 이상 수심에서는 파란색 계열 태양의 빛만 도달하며, 70m 이상의 수심에서는 태양빛이 거의 도달하지 못한다. 따라서 별도의 조명 시스템이 없으면 광학 카메라의 사용이 제한된다.
또한 수중에는 해중설(Marine snow)라는 박테리아의 사체를 포함한 해양생물들의 사체 조각들은 해저로 천천히 침전하는데, 해저 근처에서는 이 해중설로 인해 시계가 탁해진다. 그리고 광학 이미지는 이미지 상의 물체에 대한 원근 정보는 제공하지 않기 때문에 광학 카메라와 물체 사이의 거리를 정확히 추정하기 위해서는 목표 물체를 여러 각도에서 촬영해야 한다. 그러나 GPS를 사용할 수 없는 해저에서 광학 카메라의 자세를 빈번히 바꾸게 되면 광학 카메라의 자세를 추정하는데 사용되는 자세 측정 센서의 오차가 누적되어 광학 카메라의 자세 정보가 부정확 해지므로 되도록 적은 방향에서 촬영하는 것이 바람직하다.
이와 비교하여, 이미징 소나는 빛의 산란이나 물의 탁도와 같은 측정 환경에 덜 민감하고, 이미징 소나가 제공하는 음향 이미지는 촬영된 물체의 위치에 대한 원근과 방위각 정보를 제공한다. 그러나 음향 이미지는 흑백의 저화질이고, 물체의 고도 (elevation) 정보는 제공하지 않는 단점이 있다.
따라서, 광학 카메라와 이미징 소나를 동시에 이용하되, 서로의 단점을 보완함으로써, 보다 정확하게 수중 물체를 3차원으로 복원하는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-2095009호
본 발명의 일 실시예는 오차를 최소화하여 정확성 높일 수 있는 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법으로서, 상기 광학 카메라를 이용하여 생성된 광학 이미지로부터 광학 체적 모델을 획득하는 단계; 상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 음향 체적 모델을 획득하는 단계 및 상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계를 포함하는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법이 제공된다.
이 때, 상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계에서는, 상기 음향 체적 모델에 포함된 어느 한 점을 인접한 상기 광학 체적 모델 상의 점으로 이동시킬 수 있다.
이 때, 상기 어느 한 점은, 상기 광학 체적 모델을 기준으로 판단하였을 때 음향 빔의 반사가 발생되기 어려운 영역에 위치하는 점을 의미할 수 있다.
이 때, 상기 어느 한 점은, 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점과 상기 어느 한 점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 이동될 수 있다.
이 때, 상기 직선 상에 복수개의 상기 교차점이 존재할 경우, 상기 어느 한 점은 상기 복수개의 교차점 중에서 상기 어느 한 점과 가장 인접한 점으로 이동될 수 있다.
이 때, 상기 광학 체적 모델은 상기 광학 이미지를 SLAM 알고리즘을 통해 상기 수중 물체의 표면을 이루는 점구름의 3차원 좌표를 추정하여 획득될 수 있다.
이 때, 상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 음향 체적 모델을 획득하는 단계는 상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 음향 빔의 첫번째 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 1 경계면을 설정하는 단계 및 상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 상기 음향 빔의 마지막 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 2 경계면을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 경계면과 제 2 경계면은 각각 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 중심으로 하는 구면의 일부를 포함하여 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 경계면과 제 2 경계면은 상기 이미지 소나의 전진에 따라 계속적으로 갱신될 수 있다.
이 때, 상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계에서는, 상기 제 1 경계면 또는 제 2 경계면 상에 위치하는 제 1 점 또는 제 2 점과 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 상기 제 1 점 또는 제 2 점을 이동시킬 수 있다.
이 때, 상기 교차점은 상기 제 1 경계면과 상기 제 2 경계면 사이의 공간에 위치하는 점을 의미할 수 있다.
이 때, 상기 교차점이 복수개인 경우, 상기 제 1 점 또는 제 2 점은 상기 복수개의 교차점 중 상기 제 1 점 또는 제 2 점과 가장 인접한 교차점으로 이동될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 광학 체적 모델을 획득하는 음향 체적 모델 획득 시스템으로서, 상기 광학 카메라를 이용하여 생성된 광학 이미지로부터 광학 체적 모델을 획득하는 광학 체적 모델부; 상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 음향 빔의 첫번째 반사가 발생되는 지점이 포함된 제 1 경계면과, 상기 음향 빔의 마지막 반사가 발생되는 지점이 포함된 제 2 경계면을 포함하는 음향 체적 모델을 획득하는 음향 체적 모델부 및 상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 보정부를 포함하고, 상기 보정부는 상기 제 1 경계면 또는 제 2 경계면 상에 위치하는 제 1 점 또는 제 2 점과 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 상기 제 1 점 또는 제 2 점을 이동시키는, 음향 체적 모델 획득 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델에 포함된 오차를 광학 체적 모델을 이용하여 보정함으로써 보다 정확한 광학 체적 모델을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델과 관련하여 제 1 경계면 뿐만 아니라 제 2 경계면도 함께 고려하여 공간을 세분화함으로써 보다 신뢰성 높은 음향 체적 모델을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 SLAM 알고리즘을 이용하여 광학 체적 모델을 형성하는 것의 일 예시를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템에 의해 획득된 광학 체적 모델 및 음향 체적 모델을 중첩하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법 중 음향 체적 모델을 획득하는 단계의 세부 단계를 나타낸 순서도이다.
도 6 및 도 7은 이미징 소나를 이용하여 음향 이미지를 획득하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템의 음향 체적 모델부가 음향 체적 모델을 갱신하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템에 의해 획득된 음향 체적 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템의 보정부가 음향 체적 모델에 포함된 점을 보정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템이 보정부에 의해서 음향 체적 모델을 보정하기 전과 후를 나누어 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 3은 SLAM 알고리즘을 이용하여 광학 체적 모델을 형성하는 것의 일 예시를 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템에 의해 획득된 광학 체적 모델 및 음향 체적 모델을 중첩하여 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법(이하, '음향 체적 모델을 획득하는 방법'이라 함)은 음향 이미지로부터 3차원 음향 체적 모델을 획득하고, 이를 광학 이미지를 기초로 보정함으로써 상기 3차원 음향 체적 모델의 정확성을 향상시킬 수 있는 방법이다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템(10)에 의해서 각 단계가 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법의 각 단계 위주로 설명하되, 음향 체적 모델 획득 시스템(10) 중에서 음향 체적 모델을 획득하는 방법의 각 단계를 수행하는 주체에 대해서도 함께 기술하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델 획득 시스템(10)의 광학 체적 모델부(20)을 이용하여 광학 체적 모델을 획득하는 단계를 포함한다.(S10)
이 때, 광학 체적 모델부(20)는 2차원 광학 이미지로부터 3차원 광학 체적 모델을 획득할 수 있다. 여기서 상기 2차원 광학 이미지는 수중에서 광학 카메라가 수중 물체(M)를 대상으로 촬영한 RGB 색상의 고화질 광학 이미지 일 수 있다.
구체적으로, 광학 체적 모델부(20)는 광학 체적 모델의 획득과 관련하여, 오픈 소스 기반의 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘을 통해 광학 이미지를 처리함으로써, 수중 물체(M)의 표면을 이루는 점구름(K)의 3차원 좌표를 추정할 수 있다.
여기서, 도 3을 참조하면, SLAM 알고리즘은 컴퓨터 시각(Computer Vision, CV) 기반의 동시적 위치추정 및 지도작성 알고리즘으로서, 주변 환경의 어떠한 사전 지식도 요구하지 않고 실제 환경에 대한 카메라의 위치 및/또는 배향을 결정하고 실제 주변 환경의 기하학적 모델을 생성하기 위한 기술이다. 이러한 SLAM 알고리즘은 위치 추정 기술 분야의 공지의 기술이므로, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
이 때, 광학 체적 모델부(20)는 LSD-SLAM(Large-Scale Direct SLAM) 알고리즘을 이용하여 수중 물체(M)와 관련된 위치를 추정할 수 있다. 이는 광학 카메라에 의해 생성된 광학 이미지에 대하여 특징점(Feature Point)를 검출하는 과정을 거치지 않고 바로 Semi-Dense를 사용함으로써 보다 신속하게 위치를 추정하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학 체적 모델은 도 4에 도시된 바와 같이 수중 물체(M)의 표면을 따라 점구름(K)의 형태로 도시될 수 있다. 그러나, 광학 체적 모델 자체가 가진 원근 오차에 의하여 점구름(K)을 구성하는 모든 점이 수중 물체(M)의 표면을 의미하는 것은 아님을 유념한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 후술될 음향 체적 모델을 이용하여 상술한 원근 오차에 의해 생성된 점구름을 보정함으로써, 광학 체적 모델의 정확성을 높일 수 있는 방법이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법 중 음향 체적 모델을 획득하는 단계의 세부 단계를 나타낸 순서도이다. 도 6 및 도 7은 이미징 소나를 이용하여 음향 이미지를 획득하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템의 음향 체적 모델부가 음향 체적 모델을 갱신하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템에 의해 획득된 음향 체적 모델을 설명하기 위한 도면이다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델 획득 시스템(10)의 음향 체적 모델부(30)를 이용하여 음향 체적 모델을 획득하는 단계를 포함한다. (S20)
이 때, 음향 체적 모델부(30)는 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지를 이용하여 음향 체적 모델을 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이미징 소나는 도 6에 도시된 바와 같이, 방위각
Figure 112020117774799-pat00001
이내에서 균등한 간격으로
Figure 112020117774799-pat00002
개의 음향 빔을 발사하고(고도각은
Figure 112020117774799-pat00003
), 상기 음향 빔이 수중 물체(M) 등에 의해 반사되어 돌아온 음향 빔을 감지함으로써 음향 이미지를 생성할 수 있다. 여기서, 이미징 소나가 감지할 수 있는 음향 빔의 반사 지점 거리 범위는
Figure 112020117774799-pat00004
(최소 반사 지점 거리)에서 최대
Figure 112020117774799-pat00005
(최소 반사 지점 거리) 일 수 있다.
보다 상세하게, 도 7을 참조하면, 음향 이미지 내 각 픽셀은 반사되어 돌아온 음향 빔의 강도에 따라 각기 다른 명암이 표시될 수 있다. 즉,
Figure 112020117774799-pat00006
-번째 음향 빔이 거리
Figure 112020117774799-pat00007
에서 반사된다면, 음향 이미지의
Figure 112020117774799-pat00008
-번째 열,
Figure 112020117774799-pat00009
-번째 행에 해당하는 픽셀의 밝기 값은 반사돼 돌아온 음향 빔의 강도가 강할수록 높아지며, 최종적으로
Figure 112020117774799-pat00010
크기의 음향 이미지가 생성된다. (여기서,
Figure 112020117774799-pat00011
,
Figure 112020117774799-pat00012
,
Figure 112020117774799-pat00013
은 샘플링 수)
이와 관련하여, 음향 이미지 내의 각 픽셀이 가지는 의미를 살펴보면 다음과 같다. 구체적으로, 음향 이미지는 세 종류의 영역으로 나눌 수 있다. 도 8의 (a)를 기준으로 살펴보면, 음향 이미지의 각 열은 이미징 소나로부터 가까운 위치에서부터 검은 픽셀(S1), 흰색 혹은 회색 픽셀(S2), 그리고 또다른 검은 픽셀(S3)로 구성됨을 알 수 있다.
이 때, 첫 검은 픽셀(S1)은 물체가 존재하지 않아 반사돼 돌아온 음향 빔이 없는 공간과 대응된다. 그리고 흰색 혹은 회색 픽셀(S2)은 물체나 해저면에 의해 음향 빔이 반사되는 공간과 대응된다. 마지막 검은 픽셀(S3)은 음향 빔이 물체나 해저면에 막혀 도달하지 못하는 공간과 대응된다. 이와 같은 영역(S3)은 빛 또한 같은 물체나 해저면에 의해 막혀 도달할 수 없으므로, 상기 공간(S3)은 광학 카메라도 관측될 수 없는 공간에 해당된다.
계속 도 8의 (a)를 참조하되 설명의 편의상 음향 이미지의
Figure 112020117774799-pat00014
-번째 열에 대해서만 살펴보면,
Figure 112020117774799-pat00015
-번째 열에서 이미징 소나와 가장 가까운 지점(
Figure 112020117774799-pat00016
)에서 시작되어 가장 마지막으로 연속적인 검은 픽셀(
Figure 112020117774799-pat00017
)은
Figure 112020117774799-pat00018
-번째 열에서 음향 빔의 첫 번째 반사(first reflection, 이하, 'f.r.')가 발생한 지점까지의 거리(
Figure 112020117774799-pat00019
)와 대응된다.
이와 유사하게,
Figure 112020117774799-pat00020
-번째 열에서 이미징 소나와 가장 먼 지점(
Figure 112020117774799-pat00021
)에서 시작되어 가장 마지막으로 연속적인 검은 픽셀(
Figure 112020117774799-pat00022
)은 음향 빔의 마지막 반사(last reflection, 이하, 'l.r.')가 발생한 지점까지의 거리(
Figure 112020117774799-pat00023
)와 대응된다. 이와 관련하여,
Figure 112020117774799-pat00024
-번째 빔의
Figure 112020117774799-pat00025
과
Figure 112020117774799-pat00026
는 다음 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020117774799-pat00027
,
Figure 112020117774799-pat00028
.
다음으로, 음향 체적 모델부(30)가 음향 이미지로부터 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 과정에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
음향 이미지로부터 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 과정은 크게 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 음향 빔의 첫번째 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 1 경계면(A1)을 설정하는 단계(S21)와, 음향 빔의 마지막 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 2 경계면(A2)을 설정하는 단계(S22)로 구분할 수 있다.
제 1 경계면(A1) 또는 제 2 경계면(A2)을 설정하기 위하여, 음향 체적 모델부(30)는 먼저 음향 이미지의
Figure 112020117774799-pat00029
-번째 열(
Figure 112020117774799-pat00030
-번째 음향 빔에 의한 음향 이미지)에 대하여, 첫 번째 반사(f.r)와 마지막 반사(l.r)가 발생한 반사 지점을 포함하는 구면을 상정하여 음향 체적 모델의 일부를 생성할 수 있다. 이 때, 상기 구면은 이미징 소나가 위치하는 기준점을 중심으로 한다.
이러한 음향 체적 모델의 일부를 음향 빔의 방위각(
Figure 112020117774799-pat00031
)과 고도각(
Figure 112020117774799-pat00032
)을 고려하여 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 2]
첫 번째 반사 지점을 포함하는 구면 =
Figure 112020117774799-pat00033
마지막 반사 지점을 포함하는 구면 =
Figure 112020117774799-pat00034
Figure 112020117774799-pat00035
,
Figure 112020117774799-pat00036
,
Figure 112020117774799-pat00037
.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 첫 번째 또는 마지막 반사 지점의 위치를 특정한 하나의 좌표를 특정하지 않고, 반사가 발생한 반사 지점을 포함하는 구면을 상정하여 음향 체적 모델을 구성하는 것은 반사 지점의 고도각에 대한 정보를 알 수 없는 이미징 소나의 특징에 기인한다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이 반사 지점의 고도각이 다르더라도 반사 지점까지의 거리(
Figure 112020117774799-pat00038
또는
Figure 112020117774799-pat00039
)가 동일하다면 이들은 음향 이미지 상에서 동일한 픽셀로서 표현될 수 있기 때문이다.
위와 같이 음향 이미지의
Figure 112020117774799-pat00040
-번째 열에 대하여 음향 체적 모델의 일부를 생성하는 작업을,
Figure 112020117774799-pat00041
개의 전체 음향 빔에 대하여 모두 수행한 후, 이들을 일체로 연결하면 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)이 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 경계면(A1)은 첫 번째 반사 지점을 포함하는 구면
Figure 112020117774799-pat00042
을 연결하여 형성된 것이며, 제 2 경계면(A2)은 마지막 반사 지점을 포함하는 구면
Figure 112020117774799-pat00043
을 연결하여 형성된 것임은 물론이다. 도 8에는 상술한 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)의 일단면이 도시되어 있음을 유의해야 한다.
한편, 이미징 소나가 수중 물체(M) 방향으로 전진함에 따라, 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)은 계속적으로 갱신될 수 있다.
보다 상세하게, 이미징 소나는 공간 정보의 탐지 범위를 확장하기 위해서 수중 물체(M) 방향으로 이동하면서 반복하여 음향 빔을 방사하는데, 이러한 음향 빔의 방사시 마다 각기 다른 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)이 반복하여 생성될 수 있다.
이와 관련하여, 음향 체적 모델부(30)는 시간의 흐름에 따라 생성된 개별 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)을 누적적으로 연결하며, 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)을 새롭게 갱신할 수 있다. 도 8의 (a) 내지 (e)는 이러한 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)의 갱신 과정을 시간순으로 나열하고 있다. 상술한 경계면(A1, A2)의 갱신 과정에 의해, 도 10에 도시된 것처럼 최종적인 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)이 확정될 수 있으며, 이들을 포함하는 음향 체적 모델이 생성될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여, 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)에 의해 분할되는 음향 체적 모델 내 각 공간의 의미를 살펴본다. 이와 관련하여 본 명세서에서 경계면에 의해 분할되는 공간의 위치를 규정함에 있어서, 이미징 소나와 상대적으로 인접한 곳을 내측이라 규정하고, 이미징 소나와 먼 곳을 외측이라 규정함을 밝혀 둔다.
먼저, 제 1 경계면(A1) 사이에 존재하는 제 1 공간(S'1)은 음향 빔의 반사가 일어나지 않은 공간으로서, 수중 물체(M)가 존재하지 않는 공간일 수 있다.
그리고, 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2) 사이에 존재하는 제 2 공간(S'2)은 수중 물체(M)가 존재할 가능성이 있는 공간이다. 이 때, 제 2 공간(S'2)의 내부에는 수중 물체(M)가 존재하지 않을 수도 있는데, 이것은 앞서 살펴본 바와 같이 음향 체적 모델의 경계면(A1, A2)은 음향 빔의 반사 지점을 포함하는 포괄적인 구면으로 이루어져 있기 때문이다.
마지막으로, 제 2 경계면(A2)의 외측에 존재하는 제 3 공간(S'3)은 음향 빔의 진행이 수중 물체(M) 또는 해저면 의해 가로막혀 도달할 수 없는 공간을 의미한다. 따라서, 제 3 공간(S'3)은 실제 수중 물체(M)가 차지하는 공간을 의미할 수도 있고, 수중 물체(M) 너머의 빈 공간 또는 해저면 아래의 가상의 공간을 의미할 수 있다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템(10)은 음향 체적 모델을 구성함에 있어서, 첫 번째 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 1 경계면(A1) 뿐만 아니라, 마지막 반사(f.r)가 발생되는 지점을 포함하는 제 2 경계면(A2)을 함께 고려함으로써, 음향 체적 모델 내 공간을 보다 세분화할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템의 보정부가 광학 체적 모델에 포함된 점을 보정하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템이 보정부에 의해서 음향 체적 모델을 보정하기 전과 후를 나누어 나타낸 도면이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 보정부(40)가 상술한 광학 체적 모델의 정보를 기초로 음향 체적 모델을 보정하는 단계를 포함한다. (S30)
본 발명의 일 실시예에서, 음향 체적 모델 획득 시스템(10)의 보정부(40)는 상기 음향 체적 모델에 포함된 어느 한 점을 인접한 상기 광학 체적 모델 상의 점으로 이동시킬 수 있다. 이 때, 음향 체적 모델에 포함된 점 중에서, 광학 체적 모델 상의 점으로 이동하는 점(P1, P2)은 광학 체적 모델을 기준으로 판단하였을 때, 음향 빔의 반사가 발생되기 어려운 영역에 위치하는 점을 의미할 수 있다.
보다 상세하게, 도 12의 (a)를 참조하면, 보정 전의 음향 체적 모델의 경우 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2) 사이에 존재하는 제 2 공간(S'2)이 지나치게 넓은 것을 알 수 있다. 이와 같이 제 2 공간(S'2)이 지나치게 넓게 형성될 경우, 수중 물체(M)의 경계가 불확실하게 특정된 것을 의미한다. 왜냐하면 앞서 살펴본 바와 같이, 제 2 공간(S'2)은 수중 물체(M)가 존재할 수도 있으나, 존재하지 않을 수도 있는 불확실한 성격의 영역이기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델 획득 시스템의 보정부(40)는 이와 같이 서로 이격되어 위치하는 제 1 경계면(A1)과 제 2 경계면(A2)을, 수중 물체(M)의 실제 경계를 의미하는 광학 체적 모델 상의 점으로 이동시킴으로써, 음향 체적 모델의 제 2 공간(S'2)의 영역을 보다 확실하게 한정할 수 있다. 그 결과 도 12의 (b)와 같이 수중 물체(M)의 실제 경계와 보다 인접하여 위치하게 되는 제 2 영역(S'2)을 얻을 수 있으며, 궁극적으로 음향 체적 모델의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 11을 참조하면, 음향 체적 모델의 불확실성에 기인한 제 1 점(P1)과 제 2 점(P2)을 이동시키는 구체적인 일례로서, 이미징 소나가 위치하는 기준점과 제 1 경계면 상의 제 1 점(P1) 또는 제 2 경계면 상의 제 2 점(P2)을 연결한 직선(L1, L2)과, 광학 체적 모델이 만나는 교차점(K)으로 제 1 점(P1) 또는 제 2 점(P2)을 이동시킬 수 있다. 이 경우, 이미징 소나를 향하는 음향 빔의 진행 경로를 최대한 유지하여 음향 체적 모델을 이동시킬 수 있는 장점이 있다. 이 때, 교차점(K)은 제 1 경계면과 제 2 경계면 사이의 공간에 위치하는 점을 의미함은 물론이다.
이 때, 만약, 광학 체적 모델의 점구름이 조밀하게 밀집되어 있어서, 교차점(K)이 복수개인 경우에는, 상기 제 1 점과 제 2 점은 각각 복수의 교차점(K) 중 가장 인접한 교차점을 향하여 개별적으로 이동할 수 있다.
살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델의 제 2 공간에 포함된 불확실성 또는 고도 오차를 광학 체적 모델을 이용하여 보정함으로써 보다 정확한 음향 체적 모델을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 체적 모델을 획득하는 방법은 음향 체적 모델과 관련하여 제 1 경계면(A1) 뿐만 아니라 제 2 경계면(A2)도 함께 고려하여 공간을 세분화함으로써 보다 수중 물체(M)와 근접하여 위치하는 음향 체적 모델을 획득할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 음향 체적 모델 획득 시스템 20 광학 체적 모델부
30 음향 체적 모델부 40 보정부
M 수중 물체 A1 제 1 경계면
A2 제 2 경계면 K 점구름
P1 제 1 점 P2 제 2 점
Figure 112020117774799-pat00044
최소 반사 지점 거리
Figure 112020117774799-pat00045
최대 반사 지점 거리
S'1 제 1 공간 S'2 제 2 공간
S'3 제 3 공간 S1, S2, S3 음향 이미지의 픽셀

Claims (13)

  1. 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법으로서,
    상기 광학 카메라를 이용하여 생성된 광학 이미지로부터 광학 체적 모델을 획득하는 단계;
    상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 음향 체적 모델을 획득하는 단계 및
    상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계에서는, 상기 음향 체적 모델에 포함된 어느 한 점을 인접한 상기 광학 체적 모델 상의 점으로 이동시키고,
    상기 어느 한 점은, 상기 광학 체적 모델을 기준으로 판단하였을 때 음향 빔의 반사가 발생되기 어려운 영역에 위치하는 점을 의미하고
    상기 어느 한 점은, 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점과 상기 어느 한 점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 이동되고,
    상기 직선 상에 복수개의 상기 교차점이 존재할 경우, 상기 어느 한 점은 상기 복수개의 교차점 중에서 상기 어느 한 점과 가장 인접한 점으로 이동되는 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 체적 모델은 상기 광학 이미지를 SLAM 알고리즘을 통해 상기 수중 물체의 표면을 이루는 점구름의 3차원 좌표를 추정하여 획득되는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 음향 체적 모델을 획득하는 단계는
    상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 음향 빔의 첫번째 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 1 경계면을 설정하는 단계 및
    상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 상기 음향 빔의 마지막 반사가 발생되는 지점을 포함하는 제 2 경계면을 설정하는 단계를 포함하는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 경계면과 제 2 경계면은 각각 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 중심으로 하는 구면의 일부를 포함하여 형성되는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 경계면과 제 2 경계면은 상기 이미징 소나의 전진에 따라 계속적으로 갱신되는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 단계에서는, 상기 제 1 경계면 상에 위치하는 제 1 점 또는 상기 제 2 경계면 상에 위치하는 제 2 점과 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 상기 제 1 점 또는 상기 제 2 점을 이동시키는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 교차점은 상기 제 1 경계면과 상기 제 2 경계면 사이의 공간에 위치하는 점을 의미하는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 교차점이 복수개인 경우, 상기 제 1 점 또는 제 2 점은 상기 복수개의 교차점 중 상기 제 1 점 또는 제 2 점과 가장 인접한 교차점으로 이동되는, 수중 물체에 대한 3차원 음향 체적 모델을 획득하는 방법.
  13. 광학 카메라와 이미징 소나를 이용하여 수중 물체에 대한 3차원 광학 체적 모델을 획득하는 음향 체적 모델 획득 시스템으로서,
    상기 광학 카메라를 이용하여 생성된 광학 이미지로부터 광학 체적 모델을 획득하는 광학 체적 모델부;
    상기 이미징 소나를 이용하여 생성된 음향 이미지로부터 상기 이미징 소나의 위치를 기준으로 하였을 때, 음향 빔의 첫번째 반사가 발생되는 지점이 포함된 제 1 경계면과, 상기 음향 빔의 마지막 반사가 발생되는 지점이 포함된 제 2 경계면을 포함하는 음향 체적 모델을 획득하는 음향 체적 모델부 및
    상기 광학 체적 모델의 정보를 기초로 상기 음향 체적 모델을 보정하는 보정부를 포함하고,
    상기 보정부는 상기 제 1 경계면 상에 위치하는 제 1 점 또는 상기 제 2 경계면 상에 위치하는 제 2 점과 상기 이미징 소나가 위치하는 기준점을 연결한 직선과, 상기 광학 체적 모델이 만나는 교차점으로 상기 제 1 점 또는 상기 제 2 점을 이동시키고,
    상기 직선 상에 복수개의 상기 교차점이 존재할 경우, 상기 어느 한 점은 상기 복수개의 교차점 중에서 상기 어느 한 점과 가장 인접한 점으로 이동시키고
    상기 어느 한 점은, 상기 광학 체적 모델을 기준으로 판단하였을 때 음향 빔의 반사가 발생되기 어려운 영역에 위치하는 점을 의미하는 음향 체적 모델 획득 시스템.
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