KR100647807B1 - 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공위성이나 비행기 등에서 건물을 촬영한 한 장의 영상으로부터 건물의 3차원 정보를 추출하는 방법을 제공하며, 본 발명은 도북 또는 진북방향과 영상이 이루는 방위각, 촬영지역에서의 태양의 방위각과 고도각, 촬영지역에서의 카메라의 방위각과 고도각을 이용하여 건물의 높이가 주어졌을 때 이에 따르는 건물수직선과 건물그림자를 영상에 투영시키는 과정을 반복함으로써 투영된 건물그림자가 실제 영상에서 관측되는 건물의 그림자와 일치될 때의 건물의 높이값을 구하고 건물지붕 외곽선을 구해진 건물의 높이값에 따르는 건물수직선 만큼 수평 이동하여 건물의 위치를 구하게 된다. 따라서 본 발명은 한 장의 영상에서 건물의 위치와 높이를 측정하게 되므로 비용이 매우 절감된다.

3차원, 건물정보, 추출, 지형분석, 지도제작, 영상, 그림자 분석, 건물 높이, 건물 위치

Description

그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법{METHOD FOR EXTRACTION OF 3D BUILDING INFORMATION USING SHADOW ANALYSIS}

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 하드웨어 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 건물 높이와 위치를 추출하는 과정의 흐름도.

도 3은 영상의 방위각과 태양의 방위각 및 카메라의 방위각에 따른 영상 내에서의 수직선과 그림자의 방향에 대한 관계를 나타낸 도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명을 통해서 건물의 높이와 위치를 추출하는 실시 예를 나타낸 도.

도 5는 본 발명을 통해서 건물의 높이가 주어지면 지표면의 높이차를 추출하는 실시 예를 나타낸 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 입력부 200 : 중앙처리장치

300 : 메모리 400 : 출력부

본 발명은 인공위성이나 항공기에서 촬영한 영상으로부터 건물의 높이와 위치를 추출하는 건물정보 추출방법에 관한 것으로서, 특히 그림자를 영상에 투영하는 방식을 사용하여 건물 높이를 추출한 이후에 건물지붕의 외곽선을 건물수직선 방향으로 이동시켜 단 한 장의 영상으로부터 건물의 높이와 위치를 추출할 수 있도록 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법에 관한 것이다.

고해상도 인공위성이 발사된 이후, 고해상도 위성영상으로부터 건물, 도로 등의 인공지물 정보를 추출하기 위한 연구들이 진행되어 왔다. 특히 항공/위성 영상에서 3차원 건물 정보를 추출하기 위한 연구들이 활발히 수행되고 있다.

기존의 영상에서 건물의 위치와 높이를 추출하는 대표적인 방법으로는 동일지역을 다른 위치에서 중첩하여 촬영한 스테레오 영상으로부터 두 영상의 동일지점을 측정하여 이점의 3차원 좌표를 계산하는 방법을 이용한 수치사진측량의 원리를 이용한 것이 있다.

그러나 이러한 방법은 두장 이상의 영상을 항상 필요로 하고, 아울러 측정된 2차원 영상점을 3차원 좌표로 변환하기 위해서는 별도의 기준점 관측과 이에 수반된 복잡한 계산 과정이 필요하게 된다. 따라서 종래 기술은 높은 비용이 수반되고 처리 시간도 많이 걸리게 되는 단점이 있다.

또한, 종래 항공사진/위성영상 건물 추출 연구에서 그림자를 이용하여 건물의 유무를 확인하거나 건물의 높이를 계산하는 알고리즘들이 있었으나(1. 예철수, 이쾌희, 2000, 그림자정보를 이용한 Kompsat 위성영상에서의 건물-추출, 대한원격 탐사학회지, 16(3):235-242, Chungan Lin and Ramakant Nevatia, 1998, Building Detection and Des-cription from a Single Intensity Image, Computer Vision and Image Understanding, 72(2):101-121, 2. Irvin, R.B., D.M. McKeown Jr.,1989, Methods for exploiting the rela-tionship between buildings and their shadows in aerial imagery, IEEE T. Systems, Man and Cybernetics, 19(6):1564-1575), 이들은 그림자의 길이를 측정하여 건물 높이를 계산하거나, 영상에서 건물의 유무를 확인하기 위해서 그림자를 사용하였으며, 3차원 건물 정보를 추출하기 위해서 그림자를 이용하지 않았다.

본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 인공위성이나 항공기 등으로부터 획득된 건물에 대한 단 한 장의 영상으로부터 별도의 기준점이 없이 그림자를 이용하여 간단히 건물의 높이와 위치 등의 건물 3차원 정보를 추출할 수 있도록 한 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법은, 인공위성이나 항공기 등에서 촬영한 건물의 촬영 영상과 건물정보 추출을 위한 메타데이터를 입력받는 단계; 해당 촬영지역에서의 태양의 방위각과 고도각, 카메라의 방위각과 고도각을 계산하는 단계; 상기 영상으로부터 위치와 높이를 구하고자 하는 건물의 지붕부분 외곽선을 추출하는 단계; 추출된 건물의 외곽선에 높이값을 할당하고 할당된 높이값이 소정 조건을 만족할 때 까지 높이값을 조절하는 단계; 상기 높이값 조절에 따라 얻어진 높이값에 따른 건물의 수직선과 건물 그림자를 영상에 투영하는 단계; 및 영상에 투영된 그림자의 위치가 영상에 존재하는 건물그림자의 위치와 일치하면 해당 건물 높이값과 건물 수직선을 이용하여 건물위치를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메타데이터는 상기 영상의 촬영일시, 촬영지역 및 카메라에 대한 위치 정보를 갖는 데이터이며, 상기 영상의 방향이 지도 또는 위경도 상의 북쪽방향과 다를 경우 영상의 방위각을 계산하고, 상기 영상의 방위각은 영상의 세로축을 영상에서의 북쪽이라고 할 때, 실제 북쪽의 위치를 나타내는 각인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 높이값의 조절은 초기 높이값을 0으로 설정하고 순차적으로 높이값을 증가시키며, 상기 건물의 수직선을 이용하여 상기 추출된 건물 지붕의 외곽선을 평행이동시켜 건물의 위치를 추출하고, 주어진 건물의 높이에 따르는 건물의 그림자가 투영되는 지역이 평평하지 않고 경사가 있거나 다른 높이의 물체가 그 지역 내에 존재하는 경우, 투영되는 지역의 경사정도 또는 다른 물체의 높이를 구하여 해당 건물의 높이를 구하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명이 적용되는 일반적인 컴퓨터의 구성도로, 사용자로부터 각종 데이터를 입력받기 위한 입력부(100), 상기 입력부(100)를 통해 입력되는 데이터를 바탕으로 본 발명의 전반적인 기능을 수행하게 되는 중앙처리장치(200), 상기 중앙처리장치(200)의 연산에 필요한 데이터를 임시 보관하기 위한 메모리(300) 및 중앙처리장치(200)의 처리 결과를 출력하는 출력부(400)로 구성되며, 상기 출력부(400)는 모니터 또는 프린터 등의 다양한 종류가 있을 수 있다.

이와 같은 시스템에서 수행되는 본 발명을 도 2의 흐름도와 함께 설명한다.

먼저, 본 발명을 적용하기 위하여 인공위성이나 항공기 또는 다른 방식으로 건물을 촬영한 영상과 이 영상의 촬영일시, 촬영지역 및 카메라에 대한 개략적인 위치 등이 나타나 있는 메타데이터를 입력부(100)를 통해 입력받는다(S100).

그러면 중앙처리장치(200)에서 촬영지역에서의 태양의 방위각과 고도각, 카메라의 방위각과 고도각을 계산하게 된다.

또한, 영상의 방향이 지도 또는 위경도 상의 북쪽방향과 다르다면 역시 영상의 방위각을 계산하게 된다(S200).

여기서, 영상의 방위각은 태앙과 카메라의 방위각을 영상 위에서 이용하기 위해서 사용된다. 영상에서 태양과 카메라의 방위각을 사용하기 위해서는 방위각의 기준이 되는 실제 북쪽 위치를 영상에서 찾아야 하며, 영상의 세로축을 영상에서의 북쪽이라고 했을 때, 실제 북쪽의 위치를 나타내는 각이 영상의 방위각이 된다.

촬영일시와 촬영지역 및 카메라에 대한 개략적인 위치로부터 상기 방위각과 고도각 등을 계산하는 원리는 일반적인 공지기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 약한다.

상기 방위각 및 고도각을 계산한 이후에 사용자는 영상에서 위치와 높이를 구하고자 하는 건물의 지붕 부분의 외곽선을 추출한다(S300).

이때 영상촬영의 원리로 인하여 건물 지붕의 위치는 육안으로 쉽게 확인할 수 있으나, 평면상에서의 건물의 위치는 건물과 지표면이 맞닿은 건물 밑부분의 외곽선에 해당하며, 이 위치는 건물 지붕의 위치와는 다르다.

또한, 이러한 건물 밑부분의 외곽선은 건물의 옆면 등에 가려서 영상에서는 식별이 불가능할 수도 있다.

건물 지붕의 외곽선을 추출하고 나면 추출된 건물 지붕의 외곽선에 높이값을 할당하고, 할당된 높이값이 주어진 조건을 만족할 때 까지 높이값을 조절하는 과정을 수행하게 된다(S400).

높이값 조절을 효율적으로 수행하는 방식에는 초기에는 높이값을 0으로 설정하고 순차적으로 높이값을 증가시키는 방법이 있다.

높이값이 주어지면 주어진 높이값에 따라서 건물의 수직선과 건물 그림자를 영상에 투영시킨다(S500).

주어진 높이값에 따라서 건물의 수직선과 건물의 그림자를 영상에 투영시키는 방법은 하기에서 상세히 설명한다.

만약, 영상에 투영된 그림자의 위치가 영상에 존재하는 건물그림자의 위치와 일치한다면 그때 설정된 높이값이 실제 건물의 높이값이 된다(S600). 이러한 방식으로 한 장의 영상에서 건물의 높이값을 구할 수 있다.

건물의 높이값을 구하게 되면 해당 높이값에 따르는 건물의 수직선의 모양과 길이가 정확하게 구해질 수 있다. 이 수직선을 이용하여 상기 단계(S300)에서 추출한 건물 지붕의 외곽선을 평행이동시키면 건물 밑부분의 외곽선을 구할 수 있게 된다. 이러한 방식으로 한 장의 영상에서 건물의 위치값을 구할 수 있다(S700).

이하에서 영상의 방위각 및 태양의 방위각과 고도각, 그리고 카메라의 방위각과 고도각을 이용하여 건물의 높이와 위치를 추출하는 과정을 보다 상세히 설명한다.

도 3은 영상의 방위각과 태양의 방위각 및 카메라의 방위각에 따른 수직선과 그림자의 방향의 관계를 나타낸 도로, 영상의 방위각은 영상의 북쪽방향(Y축방향)과 도북 또는 진북방향과의 각도 Rn을 의미한다.

도 3에서 카메라의 방위각은 카메라와 도북 또는 진북방향과의 각도 Az를 의미한다. 모든 수직선은 카메라 방향을 향하게 되므로 이 원리를 이용하면 영상에서 수직선방향을 결정할 수 있다.

또한, 태양의 방위각은 태양과 도북 또는 진북방향과의 각도 Bz를 의미한다. 모든 그림자는 태양의 방위각에 의해서 결정되므로 영상에서 그림자의 방향을 결정할 수 있다.

이와 유사한 원리로 태양의 고도각과 카메라의 고도각을 이용하면 주어진 건물의 높이에 따르는 그림자와 수직선의 길이를 결정할 수 있다.

먼저, 태양의 고도각(Se)을 이용하면 주어진 건물의 높이 h에 대한 그림자의 길이를 다음의 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.

그림자 길이 Sl = h ×tan (Se)

또한, 카메라의 고도각(Ce)을 이용하면 주어진 건물의 높이 h에 대한 수직선의 길이를 아래의 식을 이용하여 계산할 수 있다.

수직선 길이 Vl = h ×tan (Ce)

그림자 길이와 수직선 길이, 그리고 그림자의 방향과 수직선의 방향을 구하고 나면 주어진 건물 높이 h에 대한 그림자와 수직선을 영상의 축적 또는 해상도를 이용하여 그릴 수 있다.

도 4는 본 발명을 적용하여 영상에서 건물의 높이값과 위치를 추출한 실시 예를 보여주고 있다.

도 4a는 본 발명을 적용하기 이전에 영상에 촬영된 건물과 그림자를 보여주며, 도 4b는 본 발명을 적용하기 위하여 건물 지붕의 외곽선을 추출한 뒤 건물의 높이값에 따른 그림자가 실제 영상의 그림자와 일치하도록 건물의 높이값을 조절하고 그때의 건물수직선 길이만큼 건물 지붕의 외곽선을 이동하여 건물의 위치를 구한 것이다.

도 5는 본 발명을 적용하여 영상에서 건물의 높이값을 구한 경우, 또는 높이값을 알고 있는 건물의 그림자를 영상에 투영한 경우, 만약에 그림자가 투영된 지역이 평평하지 않고 경사가 있거나 다른 높이의 물체가 그 지역 내에 존재하는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비하여 영상에 투영되는 그림자의 위치가 달라지므로 투영되는 지역의 경사정도 및 다른 물체의 높이를 구하는 원리를 도식화하여 보여 주고 있다.

도 5에서와 같이, 지표면 높이차 때문에 투영되는 그림자의 위치가 달라진 폭을 측정하면 높이를 계산할 수 있으며, 이런 원리를 이용해서, 이미 높이를 알고 있는 건물의 그림자가 있는 지역에 다른 높이의 건물이 있다면, 다른 높이의 건물로 인해서 그림자의 위치가 달라진 폭을 측정하여 그 건물의 높이를 계산할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 인공위성, 항공기 또는 기타 다른 방식으로 특정 지역을 촬영한 영상으로부터 지형분석, 지도제작, 경관분석 등에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법은 단 한 장의 영상을 이용하여 건물의 높이와 위치를 추출할 수 있어 두 장 이상의 영상을 사용하는 것에 비하여 비용절감의 효과가 클 뿐만 아니라 사진측량학의 복잡한 수식을 사용하지 않기 때문에 범용으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 인공위성이나 항공기 등에서 촬영한 건물의 촬영 영상과 건물정보 추출을 위한 메타데이터를 입력받는 단계;

   해당 촬영지역에서의 태양의 방위각과 고도각, 카메라의 방위각과 고도각을 계산하는 단계;

   상기 영상으로부터 위치와 높이를 구하고자 하는 건물의 지붕부분 외곽선을 추출하는 단계;

   추출된 건물의 외곽선에 높이값을 할당하고 할당된 높이값이 소정 조건을 만족할 때 까지 높이값을 조절하는 단계;

   상기 높이값 조절에 따라 얻어진 높이값에 따른 건물의 수직선과 건물 그림자를 영상에 투영하는 단계; 및

   영상에 투영된 그림자의 위치가 영상에 존재하는 건물그림자의 위치와 일치하면 해당 건물 높이값과 건물 수직선을 이용하여 건물위치를 추출하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 메타데이터는 상기 영상의 촬영일시, 촬영지역 및 카메라에 대한 위치 정보를 갖는 데이터인 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 영상의 방향이 지도 또는 위경도 상의 북쪽방향과 다를 경우 영상의 방위각을 계산하는 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 영상의 방위각은

   영상의 세로축을 영상에서의 북쪽이라고 할 때, 실제 북쪽의 위치를 나타내는 각인 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 높이값의 조절은 초기 높이값을 0으로 설정하고 순차적으로 높이값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 건물의 수직선을 이용하여 상기 추출된 건물 지붕의 외곽선을 평행이동시켜 건물의 위치를 추출하는 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.
7. 제 1 항에 있어서, 주어진 건물의 높이에 따르는 건물의 그림자가 투영되는 지역이 평평하지 않고 경사가 있거나 다른 높이의 물체가 그 지역 내에 존재하는 경우, 투영되는 지역의 경사정도 또는 다른 물체의 높이를 구하여 해당 건물의 높이를 구하는 것을 특징으로 하는 그림자 분석을 통한 3차원 건물정보 추출방법.

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