KR100750347B1 - 스테레오비디오 카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 영역구성 및 3차원 좌표를 이용한 검지 알고리즘에 관한 것으로, 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장의 선로변의 승객 검지 알고리즘이다.

본 발명은 복수의 스테레오 비디오카메라로부터 승강장 모니터링 영역에 대한 영상을 획득하는 단계; 상기 획득된 모니터링 영역에 대한 영상의 픽셀마다 통계적 데이터를 구하는 단계; 상기 모니터링 영역에 다른 물체가 등장하였는지를 판단하여 이미 분석한 배경영상과 비교하여 실제 물체와 배경을 분리하는 단계; 상기 분리된 물체에 해당하는 픽셀로 물체의 크기 및 부피를 추정하는 단계를 포함하여 스테레오 비디오카메라를 이용하여 감시하고자 하는 영역과 물체를 3차원으로 표현하여 물체인식의 성능을 높이기 위한 인지기술 및 지하철의 신호시스템과 연계하여 진입열차를 정지시키고 신속한 대응을 할 수 있도록 한 것이다.

전동차, 지하철, 3차원, 스테레오, 비디오카메라, 모니터링

Description

스테레오비디오 카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 시스템{A Monitoring System for Subway Platform using Stereoscopic Video Camera}

도 1은 본 발명에 따른 스테레오 비디오카메라를 이용하여 지하철 승강장 선로변에 물체를 감지하여 신속한 사고 현장 상황을 전송하고 대응하는 상태를 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 스테레오 비디오카메라를 이용하여 지하철 승강장 선로변의 물체를 감지하는 모니터링 시스템의 실시예를 나타낸 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 스테레오 비디오카메라를 이용하여 3차원 좌표를 획득하는 방법을 나타낸 도표이다.

도 4는 본 발명에 따른 스테레오 비디오카메라로부터 검지된 신호로 진입되는 전동차를 정지시키기 상태를 나타낸 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 장애물체의 판단과정을 설명하는 흐름도이다.

도 6는 본 발명에 따른 스테레오 비디오카메라를 이용하여 지하철 승강장을 모니터링 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.

본 발명은 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 시스템과 그에 수반하는 모니터링 영역구성 및 3차원 좌표를 이용한 위치 검지 알고리즘 등에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테레오비디오 카메라를 이용하여 지하철 승강장의 선로 주변에서 감시하고자 하는 영역과 물체를 3차원으로 표현하여 물체인식의 성능을 높이기 위한 인지기술 및 지하철 신호시스템과 연계하여 진입열차를 정지시키고 신속한 대응을 위한 지하철 승강장 모니터링 시스템에 관한 것이다.

철도분야에서 승객의 안전은 무엇보다 중요한 과제로서 철도안전이 집중 관리되고 있음에도 여전히 매년 수십 명의 승객들이 승강장 추락사고로 인해 숨지고 있으며, 이는 철도분야에서 해결해야 할 가장 시급한 문제로 떠오르고 있다.

최근, 정보기술(IT)의 발전과 함께 철도환경에서 폐쇄회로 TV나 다양한 형태의 비전 센서를 이용한 응용시스템이 시도되고 있다. 현재 지하철 폐쇄회로 TV는 열차운전의 확인 및 승객의 이동, 승하차 등을 감시할 목적으로 각 역의 승강장 또는 승객 밀집지역에 설치하여 운영되고 있으며, 차량 및 선로상태를 비롯한 철도 인프라의 유지보수 목적으로 다양한 형태의 카메라 센서가 적용되고 있다.

종래의 폐쇄회로 TV가 단순히 수동적으로 영상정보를 기관사나 지역 사령실에 전송하는데 반하여, 사람이나 기타 장애물의 위치 및 동작을 감지하여 스스로 지능적으로 위험 상황을 판단하고 신속히 대응하기 위해 관련 근무자에게 알려주는 다양한 형태의 시도가 필요한 실정이었다.

이와 같이 종래의 모니터링 시스템은 단순히 감시하고자 하는 장소에 아날로그 방식의 폐쇄회로 TV를 설치하여 화면으로 보이는 상황(CCTV 개수에 따라 여러 분할 화면을 순차적으로 보여줌)을 항시 근무자가 모니터링을 해야만 하기 때문에 현실적으로 신속하고 정확한 상황파악에 어려움을 가지고 있다. 또한 승강장 사고 상황을 인식한 근무자가 진입열차를 정지시키기 위해서는 종합사령실과의 통신을 거쳐 진입열차의 운전자에게 지령을 내리는 방식으로 신속한 사고현장에 대한 대처가 불가능하였다.

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래기술이 갖는 신속 정확한 상황파악의 어려움과, 근무자에게 단순히 현장상황을 보여주어 사람으로 하여금 일일이 모니터링을 해서 인위적으로 상황을 판단을 하여야 하는 수동적인 통신기법의 문제점을 해결하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 스테레오비디오 카메라를 이용하여 감시해야 할 현장 및 움직이는 물체를 시스템이 지능적으로 인지하여 스스로 위험상황을 판단하고, 이를 동시에 관련 근무자 및 사령실에 전송하여 신속하고 효율적인 대처가 가능한 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 복수의 스테레오 비디오카메라로부터 승강장 모니터링 영역에 대한 영상을 획득하는 단계;

상기 획득된 모니터링 영역에 대한 영상의 픽셀마다 통계적 데이터를 구하는 단계;

상기 모니터링 영역에 다른 물체가 등장하였는지를 판단하여 이미 분석한 배경영상과 비교하여 실제 물체와 배경을 분리하는 단계;

상기 분리된 물체에 해당하는 픽셀로 물체의 위치 좌표와 크기 및 부피를 추정하는 단계; 를 포함하여 이루어진 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 시스템을 제공한 것이 특징이다.

또한, 3차원 모니터링 영역을 설정하는 경우, 카메라 가까이 지나는 물체와 같이 중점 검지영역을 벗어난 경우는 모니터링 대상에서 배제하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 스테레오 비디오 카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 시스템의 운영 방법은 상기의 승강장 모니터링 영역구성 및 3차원 좌표를 이용한 물체의 검지방법을 이용한 스테레오 카메라를 이용하여 승강장 선로변의 위험 상황 감시하는 제 1과정; 상기 제 1과정에서 선로에 승객이 추락하거나 위험물체가 떨어진 경우 이를 감지하여 이용하여 진입열차에 경고와 함께 사고 현장상황에 대한 영상을 전송하는 제 2과정; 진입열차 비상제동 체결 여부 확인하는 제 3과정; 및 CTC, 지역사령실, 해당 역 근무자에게 사고상황에 대한 정보를 전송하고, 비상방송을 송출하는 제 4과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2과정은 평상시 진입시에는 영상화면에는 아무것도 전송이 되지 않으나, 사고 발생시 알람과 함께 선로상황을 알수 있는 영상이 전송되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3과정은 만약 비상제동체결이 되지 않았으면, ATO를 통해 다시 비상체결을 시도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 상기 영상을 획득하는 단계 이전에 모니터링 영역을 설정하는 단계와 전동차 운전 장애 물체인지를 판단하는 기준치 설정 단계를 더 포함한다. 상기 모니터링 영역은 승강장 주변 선로에 대한 x,y,z의 3차원 공간 좌표를 기준으로 설정하고, 장애물 여부의 판단은 물체 형상의 x,y,z 좌표점으로 파악되는 크기를 기준으로 설정할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 지능적이고 정확한 사고 상황 인지를 위해서 승강장 선로변에 복수의 스테레오 비디오카메라를 일정한 간격으로 설치하여 감시가 필요한 전체 승강장 선로변을 3차원 공간으로 정의한다.

스테레오 비디오카메라는 일반적인 모노 카메라와는 달리 획득된 영상의 픽셀마다 3차원 좌표를 얻을 수 있기 때문에 검지영역을 임의의 3차원 공간으로 정의할 수 있으며, 이에 따라 상기 검지영역내에 위치하는 물체(또는 사람)에 대한 3차원 좌표 정보를 얻는 것도 가능하다.

선로변의 물체를 검지하기 위해서, 첫째로 물체(또는 사람)의 좌표가 모니터링 영역에 속해 있는지 판단하고, 둘째는 운행에 지장을 주지 않는 물체인지, 그렇지 않은 사람인지의 판단을 수행한다. 예를 들어, 가장 간단한 방법으로는 물체에 해당하는 크기가 미리 정해진 특정 크기와 비교하여 사람인지 물체인지 구별가능하며, 다른 방법으로는 3차원 물체의 형상을 가지고 구별하는 방법도 있다.

검지시스템에 의해서 선로변에 전동차의 운행에 지장을 주는 물체가 발견되면 진입되는 전동차가 있는 경우에는 운전자가 알람과 함께 확인이 가능하도록 선로 상황을 영상으로 무선네트워크로 전송한다.

그리고 평상시에는 전동차가 승강장의 선로로 진입할 때에는 영상화면에는 아무것도 전송이 되지 않으나, 사고가 발생하게 되면 알람과 함께 선로상황을 알 수 있는 영상이 전송된다. 이는 열차 운전자가 항시 모니터링해야 함으로써 야기되는 실수를 없애는 장점을 가진다. 또한, 사고현장의 신속한 대처를 위하여 사고상황을 도 1과 같이 사령실 및 현장근무자, 열차시스템에 동시에 전송할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명에서 제안한 스테레오카메라를 이용한 승강장 모니터링 시스템이다. 전체 승강장 선로변의 상황을 모니터링 하기 위해서 복수의 스테레오 비디오카메라를 일정한 간격으로 설치하여 구성한다. 사용된 스테레오 비디오카메라의 대수는 모니터링 해야 할 승강장 선로변의 길이와, 사용된 스테레오 비디오카메라의 해상도 및 실시간 인지 동작을 위하여 사용된 컴퓨터의 처리능력에 따라 달라 질 수 있다. 모니터링 영역은 다른 카메라와 중복이 되지 않도록 정의하며, 스테 레오 비디오카메라로부터의 거리 정보에 의하여 실제 모니터링 영역 내에 침입한 물체만을 분석하여 신속하고, 지능적인 물체 인식이 가능하도록 한다. 예를 들어, 일반적인 모노 카메라를 이용한 모니터링 방법은 스테레오 비디오카메라 가까이에 물체와 멀리 존재하는 물체를 구별하기 어렵다. 즉, 새나 곤충이 스테레오 비디오카메라와 근접하여 머무를 경우에는 사람으로 잘못 인식할 수 있다. 그러나 도 2와 같이 박스형태의 3차원 모니터링 영역을 구성한 경우에는 스테레오 비디오카메라 근처를 지나는 물체는 모니터링 해야 할 관심물체로 고려하지 않을 수 있다.

도 3은 스테레오 비디오카메라를 이용해서 3차원 좌표를 획득하는 방법을 나타낸 그래프이다. 스테레오 비디오카메라로부터 얻은 두 장의 영상과 피사체의 관계를 표현한 것이다. 스테레오 비디오카메라 특성에 의해서 하나의 물체점(x, y, z)에 대해서 좌우 카메라에 맺히는 영상의 위치가 각각

(

,

)과

(

,

)으로 서로 다르다. 카메라가 위치하는 베이스라인 b가 주어지고, 렌즈의 촛점거리(focal length) f를 알고 있을 때, 삼각비에 의해서 깊이 정보 Z는 b*f/(

)로 표현이 가능하다. 즉, 깊이 정보(Z)는 좌측 카메라(Cl)와 우측 카메라(Cr) 각각의 렌즈 상호간의 거리(b)와 렌즈의 초점거리(f)에 비례하고 양안차(

) 값에 반비례하는 것이다. 여기서 유의해야 할 것은 복수의 카메라들은 모두 동일한 높이(Elevation)에 배치되고, 동일한 초점 거리를 갖는 것이 좋다.

그리고 검지 알고리즘은 다음과 같다. 우선 승강장 모니터링 영역에 대한 영상을 획득하여 픽셀마다 통계적 데이터(즉, 평균, 분산, 표준편차)를 구한다. 모니터링 영역에 다른 물체가 등장할 경우에는 이미 분석한 배경영상과 비교하여 실제 물체와 배경을 분리한다. 다음으로 분리된 물체에 해당하는 픽셀로 물체의 크기 및 부피를 추정가능하며, 더 나아가서는 물체의 형상으로부터 물체를 인지하여 전동차 운행에 지장을 주는 물체인지 여부를 판단하여 대응토록 할 수 있다.

도 4는 지하철 승강장에 사람이나 전동차의 운행에 지장을 주는 물체가 떨어져 있는 경우를 나타낸 구성도로서, 진입하는 전동차로 영상과 경고신호를 전송하는 것이다. 따라서 선로에 사람이 떨어졌거나 운행에 지장을 주는 물체가 발견되면, 승강장으로부터 전동차가 충분한 제동거리가 확보되는 거리로서, 약 1Km 전방에서 진입하는 전동차로 선로 상황을 알람과 함께 전송하여 운전자가 한 번 더 확인하고 비상 제동을 할 수 있도록 사고 상황 영상을 무선네트워크로 전송한다. 일단, 진입 전동차가 정지되면, 사고현장 상황의 신속한 대처를 위해 사고현장 상황을 사령실 및 현장 근무자, 열차시스템에 동시에 전송하게 된다.

도5는 본 발명에서 제안한 장애물체를 판단하는 과정을 설명하는 흐름도이다. 우선, 미리 중점적으로 모니터링 해야 하는 대상영역에 대한 xyz 좌표를 설정하여 시스템에 입력하여야 한다. 이때 스테레오 비디오카메라 비추는 모든 영역을 감시대상으로 하기 보다는 전동차의 운행에 지장을 줄 수 있는 영역만을 제한하여 설정하는 것이 필요하다. 아울러, 전동차의 운전에 장애를 주는 물체에 대한 판단기준도 미리 설정되어야 한다. 장애물체 판단기준은 스테레오 비디오카메라에 의해 확보되는 영상으로부터 확인할 수 있는 크기(부피 및 길이)를 기준으로 설정됨이 바람직하다. 그런 다음 상기 모니터링 영역의 영상을 상시적으로 획득하여 픽셀마다 통계적 데이터(즉, 평균, 분산, 표준편차)를 구한다. 이때 모니터링 영역에 다른 물체가 등장할 경우에는 이미 분석한 배경영상과 비교하여 실제 물체와 배경을 분리하여 장애물체 여부를 판단하게 된다.

도6은 본 발명에서 제안한 승강장 모니터링 시스템을 이용한 전체적인 사고현장 대응을 위한 모니터링 시스템의 동작 과정에 대한 시나리오이다.

즉 지하철 승강장의 선로변의 위험상황을 적외선 카메라 및/또는 스테레오 비디오카메라를 통해 영상을 수집하여 감지한다. 그리고 승강장 선로변에 승객의 추락이나 위험 물체의 존재유무를 감지하고, 물체가 감지되는 진입되는 전동차의 운전자에게 유선이나 무선통신을 통하여 사고 현장상황을 영상으로 통지하여 경고하며, 진입되는 전동차가 비상제동을 체결하였는지의 여부를 확인한 다음에 비상제동을 체결하지 않았을 경우에 자동 차량 컨트롤러를 이용하여 진입되는 전동차를 비상 제동시킨다.

그리고 진입되는 전동차가 승강장으로부터 일정 거리 이내에 정차되었다면, CTC, 지역사령실 및 해당 역의 근무자에게 사고 상황을 전송함과 동시에 비상 방송을 수행할 수 있도록 한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스테레오 비디오카메라를 이용하여 신속하고 지능적인 지하철 승강장 모니터링 시스템과 이에 수반하는 감시 영역구성 및 3차원 좌표를 이용한 검지 알고리즘을 제공한 것으로, 물체의 검지 속도 및 정확성을 높이기 위하여 검지영역을 3차원 공간 내에서 박스 형태나 구 형태 등을 자유롭게 영역 설정이 가능하고, 깊이 정보를 이용한 물체 인지의 정확도를 높였으며, 신속한 사고대응을 위한 신호방안도 제시하였다.

또한, 본 발명은 지하철 승강장 모니터링 분야에 국한되지 않고 폐쇄회로 TV가 설치된 여러 어플리케이션을 대체 가능하며, 종래 폐쇄회로 CCTV를 비롯한 모니터링 시스템과 달리 지능적이고 능동적인 모니터링 시스템을 제공한 것이다.

Claims (5)

1. 복수의 스테레오 비디오카메라로부터 승강장 모니터링 영역에 대한 영상을 획득하는 단계;

   상기 획득된 모니터링 영역에 대한 영상의 픽셀마다 통계적 데이터를 구하는 단계;

   상기 모니터링 영역에 다른 물체가 등장하였는지를 판단하여 이미 분석한 배경영상과 비교하여 실제 물체와 배경을 분리하는 단계;

   상기 분리된 물체에 해당하는 픽셀로 물체의 크기 및 부피를 추정하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 통계적 데이터는 평균, 분산 및 표준편차를 통해 구해지는 것을 특징으로 하는 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 스테레오 비디오카메라에서 촬영한 물체의 깊이 정보 Z는 b*f/(

   

   ){단, 하나의 물체점(x, y, z)에 대하여 좌우측 스테레오 비디오카메라(Cl, Cr)에 맺히는 영상의 각각 다른 상의 위치로서

   

   (

   

   ,

   

   )과

   

   (

   

   ,

   

   )이고, 양안차는 (

   

   )이며, 두 개의 스테레오 비디오카메라 상호간 거리는 b, 렌즈의 초점거리는 f}로 획득하는 것을 특징으로 하는 스테레오 비디오카메라를 이용한 지하철 승강장 모니터링 방법.
4. 삭제
5. 복수의 스테레오 비디오카메라에서 촬영한 물체의 깊이 정보 Z는 b*f/(

   

   )로 정의되는 것을 이용하여 승강장 선로변의 위험 상황을 감시하는 제 1과정;

   상기 제 1과정에서 선로에 운전 장애 물체가 감지되는 경우 진입열차에 경고와 함께 사고 현장상황에 대한 영상을 전송하는 제 2과정;

   진입열차 비상제동 체결 여부를 확인하는 제 3과정; 및

   CTC, 지역사령실, 해당 역 근무자에게 사고 상황에 대한 영상정보를 전송하고, 비상방송을 송출하는 제 4과정을 이용하는 것을 특징으로 하는 지하철 승강장 모니터링 시스템.

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