KR100972041B1 - 카메라를 이용한 장애물 인식방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 카메라를 이용한 장애물 인식방법에 관한 것으로, 차량 중앙의 하부에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 설치된 수평 카메라인 제 1 카메라와, 차량 중앙의 상부에 차량 전방의 지면을 향하여 설치된 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해 영상을 획득하고, 상기 제 1 및 제 2 카메라 각각의 영상에서 장애물로 추측되는 물체의 윤곽선을 추출한 후, 각 윤곽선의 최고와 최저의 수직 위치를 산출한 다음, 상기 산출된 값들의 비교에 의해 차량 전방의 장애물을 인식함과 동시에 장애물까지의 거리 및 장애물의 높이를 산출하여 안전하게 운전할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 카메라를 이용한 장애물 인식방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 중앙에 수직방향으로 배열된 두 개의 카메라, 즉 차량 중앙의 하부에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 설치된 수평 카메라인 제 1 카메라와, 차량 중앙의 상부에 차량 전방의 지면을 향하여 설치된 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해 영상을 획득하여, 차량 전방의 장애물을 인식함과 동시에 차량에서 장애물까지의 거리 및 장애물의 높이를 산출할 수 있는 카메라를 이용한 장애물 인식방법에 관한 것이다.
최근, 이륜차, 자가용 및 버스와 같은 차량이 도로의 주행차선을 따라 이동할 때, 카메라 등을 사용하여 주행차선에 존재하는 장애물에 대한 영상을 인식함으로써 안전운전에 대비하는 기술이 개발되고 있다.
예를 들면, 영상을 이용하여 장애물을 인식하는 하나의 예로서, 스테레오 비전 방식이 있다.
즉, 상기 스테레오 비전 방식은 차량의 전방을 향하여 차량의 좌우에 각각 수평방향으로 설치된 두 개의 카메라의 좌우영상으로부터 장애물에 대한 대응점(Corespondence problem)을 찾고, 상기 대응점에 대한 공간상의 시점차를 이용하여 3차원 좌표값을 산출하는 방식이다.
그러나, 상기와 같은 스테레오 비전 방식은 하나의 카메라로부터 얻은 영상 내의 각 화소에 대응하는 대칭점(Matching point)을 다른 하나의 카메라의 영상에서 찾아내야 하는 어려움 때문에 실제적으로 활용하는데 문제점이 있다.
한편, 영상을 이용하여 장애물을 인식하는 다른 하나의 예로서, 하나의 영상에서 장애물로 추정되는 부분이 그림자나 신문지 조각처럼 노면에 돌출된 문체가 아니라고 가정한 다음 좌표변환방법을 이용하여 영상좌표계로부터 도로좌표계 상의 위치를 계산하는 방식이 있다.
즉, 상기 다른 하나의 예는, 도로좌표계 상의 점들을 수평방향의 다른 위치에 설치된 카메라가 바라본다면, 이점들이 화면의 어느 위치에 나타나게 될 것인가를 좌표변환방법을 이용하여 계산한 후, 화면 상에 나타나게 될 위치와 실제 촬영된 점들의 위치가 일치하는지를 확인하고, 만약 일치하지 않는다면 노면에 돌출된 물체가 아니라는 가정을 기각함으로써 노면에 돌출된 장애물을 인식하는 방법이다.
그러나, 상기와 같은 다른 하나의 예에 대한 방법은, 상기 스테레오 비전 방법에 비해서는 적용이 간단하지만, 장애물로 의심되는 영상 부분의 외곽선 전체가 추출되어야 하며, 좌측 및 우측 카메라에 보이는 영상 자체에 차이가 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 차량 중앙의 하부에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 설치된 수평 카메라인 제 1 카메라와, 차량 중앙의 상부에 차량 전방의 지면을 향하여 설치된 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해 영상을 획득하고, 상기 제 1 및 제 2 카메라 각각의 영상에서 장애물로 추측되는 물체의 윤곽선을 추출한 후, 각 윤곽선의 최고와 최저의 수직 위치를 산출한 다음, 상기 산출된 값들의 비교에 의해 차량 전방의 장애물을 인식함과 동시에 장애물까지의 거리 및 장애물의 높이를 산출할 수 있는 카메라를 이용한 장애물 인식방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카메라를 이용한 장애물 인식방법은 (A) 차량 전방의 하부 중앙의 라디에이터 그릴에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 제 1 카메라(110)를 설치하여 차량 전방의 수평방향 영상을 획득하고, 차량 전방의 상부 중앙의 지붕부에 차량 전방의 노면을 향하여 제 2 카메라(120)를 설치하여 차량 전방의 경사방향 영상을 획득하는 단계(S210); (B) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상으로부터 차선 내에 존재하는 장애물(130)의 윤곽선을 각각 추출하는 단계(S220); (C) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 각 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 상하 두 점의 교차점을 산출하는 단계(S230); (D) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)의 초점과 상기 (C) 단계를 통해 얻은 상하 교차점을 잇는 가상의 선분이 지면을 통과하는 두 점간의 수평거리를 각각의 영상에 대하여 계산하는 단계(S240); (E) 상기 (D) 단계를 통해 계산된 각각의 수평거리 값에 임계치 이상의 차이가 발생하면 화면의 장애물이 노면에서 돌출된 장애물로 인식하는 단계(S250)를 포함한다.
바람직하게는, (F) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120) 중 하나의 카메라 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 두 점의 화상 좌표 중 수직 좌표 값을 이용하여 장애물까지의 거리 및 장애물의 높이를 계산하는 단계(S260)를 더 포함한다.
더 바람직하게는, 상기 (D) 단계를 통해 계산된 수평거리 값에 차이가 발생하지 않으면, 화면의 장애물은 노면에서 돌출되지 않은 평평한 장애물로 인식하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 장애물 인식방법.
본 발명에 따른 카메라를 이용한 장애물 인식방법에 의하면, 차량 중앙에 수직방향으로 배열된 두 개의 카메라, 즉 차량 중앙의 하부에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 설치된 수평 카메라인 제 1 카메라와, 차량 중앙의 상부에 차량 전방의 지면을 향하여 설치된 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해, 장애물을 인식하여 장애물까지의 거리와 높이를 갖는 장애물을 인식할 수 있게 함으로써 안전운전을 도모할 수 있다.
즉, 종래의 스테레오 비전 방식 및 도로좌표계 상의 위치를 계산하는 방식에 비해 간략한 방식으로 장애물을 인식하여 대비할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 장애물 인식방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 카메라의 설치위치를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 카메라를 이용한 장애물 인식방법을 나타내는 순서도이다.
또한, 도 3의 (a)는 수평 카메라인 제 1 카메라를 통해 획득한 영상을 나타내는 도면이고, (b)는 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해 획득한 영상을 나타내는 도면이며, (c)는 제 1 카메라를 통해 획득한 화면에 나타난 장애물의 기하학적인 특성을 나타내는 도면이고, (d)는 제 2 카메라를 통해 획득한 화면에 나타난 장애물의 기하학적인 특성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이, 차량 중앙에 수직방향으로 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 설치한다.
즉, 차량 중앙의 하부, 예컨대 차량의 라디에이터 그릴에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 제 1 카메라(110)를 설치하여 차량 전방의 수평방향 영상을 획득하고, 상기 제 1 카메라(110)보다 상대적으로 높은 위치, 예컨대 차량 전방의 상부 중앙의 지붕부에 차량 전방의 지면을 향하여 제 2 카메라(120)를 설치하여 차량 전방의 경사방향 영상을 획득한다(S210).
이때, 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라인 것이 바람직하지만, 각각 차량 전방의 수평방향 및 경사방향의 지면을 촬영할 수 있기만 하면 어떠한 영상촬영장치이어도 상관없음은 물론이다.
한편, 본 발명에서는 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상으로부터 차선 내에 장애물로 추정되는 물체의 모양을 인식할 수 있으며, 이 물체는 노면에서 돌출된 장애물일 수도 있고, 아스팔트 공사의 흔적 및 그림자와 같이 노면에서 돌출되지 않은 물체일 수도 있다.
즉, 상기 장애물과 같은 물체는 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 수평 카메라인 제 1 카메라(110)만을 통해서는 인식할 수 없으며, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 경사 카메라인 제 2 카메라(120)만을 통해서도 인식할 수 없으므로, 본 발명에서는 상기 제 1 카메라(110)를 통해 획득한 영상과 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상을 연계하여 해석하면, 장애물의 돌출 여부, 장애물까지의 거리 및 돌출 높이를 계산할 수 있다.
한편, 상기 S210 단계 이후, 도 3의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상으로부터, 차선 내에 존재하는 장애물(130)의 윤곽선을 각각 추출한다(S220).
다음에, 제 1 및 제 2 카메라(110 및 120)를 통해 획득한 각 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 상하 두 점의 교차점을 산출한다(S230).
즉, 도 3의 (a)를 참조하면, 제 1 카메라(110)를 통해 획득한 영상의 중심점(o)을 통과하는 수직선이 최하단 점에서 시작하여 상기 장애물(130)의 윤곽선과 첫 번째 만나는 점을 s로 표시하고, 두 번째 만나는 점을 u로 표시한다.
이때, 상기 도 3의 (a)에 나타낸 도면의 특징은, 제 1 카메라(110)가 노면에 수평으로 설치되어 있기 때문에, 도로 차선의 양 차선이 맞닿는 소실점(vanishing point)은 항상 영상의 중심점(o)을 통과하는 수평선 하단에 나타나므로, 노면 상에 있는 윤곽선과 첫 번째 만나는 점(s)도 항상 수평선 하단에 나타난다.
또한, 도 3의 (b)를 참조하면, 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상의 중심점(o')을 통과하는 수직선이 최하단 점에서 시작하여 상기 장애물(130)의 윤곽선과 첫 번째 만나는 점을 s'로 표시하고, 두 번째 만나는 점을 u'로 표시한다.
한편, 상기 S230 단계 이후, 제 1 및 제 2 카메라(110 및 120)의 초점과 상기 S230 단계를 통해 얻은 상하 교차점을 잇는 가상의 선분이 지면을 통과하는 두 점간의 수평거리를 각각의 영상에 대하여 계산한다(S240).
이후, 상기 S240 단계를 통해 계산된 수평거리 값에 차이가 발생, 즉 임계치 이상의 차이가 발생하면 화면의 장애물이 노면에서 돌출된 장애물로 인식한다(S250).
이때, 상기 S240 단계를 통해 계산된 수평거리 값에 차이가 발생하지 않으면, 화면의 장애물은 노면에서 돌출되지 않은 평평한 장애물, 예컨대 공사의 흔적 및 그림자와 같은 물체로 인식한다.
그 다음, 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120) 중 하나의 카메라 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 두 점의 화상 좌표 중 수직 좌표 값을 이용하여 장애물 까지의 거리 및 장애물의 높이를 계산한다(S260).
여기서, 상기 S230 단계 내지 S260 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같 다.
도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이, 수평 카메라인 제 1 카메라(110)의 초점 위치(f)와, 영상 위의 점(s)을 잇는 가상의 선분이 노면을 통과하는 점을 S로 표시하고, 초점 위치(f)와 영상 위의 점(u)을 연결하는 가상의 선분이 노면을 통과하는 점을 U로 표시하며, 거리좌표계 XYZ의 중심점을 O로 표시한다.
이때, 도 3의 (a)에 나타낸 장애물(130)의 돌출여부와 관계없이 노면을 통과하는 점(S)은 장애물이 노면을 접촉하고 있는 노면 상의 위치를 나타내며, 만약 장애물(130)이 노면으로부터 돌출된 장애물이라면, 이 장애물의 높이는 SV로 표시되며, 점 V는 점 S를 통과하는 수직선이 선분 fU와 맞닿는 점이다.
따라서, 제 1 카메라(110)의 장착 높이를 h1, 초점 거리를 f1, 제 1 카메라의 경사각을 φ1(수평일때 90°)으로 표시하면, 아래와 같은 수학식 1이 성립한다.
또한, os는 화면의 중심점(o)으로부터 점(s) 까지의 화소거리이고, ou는 화 면의 중심점(o)으로부터 점(u)까지의 화소거리이다.
한편, 도 3의 (d)에 나타낸 바와 같이, 경사 카메라인 제 2 카메라(120)의 초점 위치(f')와, 영상 위의 점(s')을 잇는 가상의 선분이 노면을 통과하는 점을 S'로 표시하고, 초점 위치(f')와 영상 위의 점(u')를 연결하는 가상의 선분이 노면을 통과하는 점의 위치를 U'로 표시하며, 거리좌표계 XYZ의 중심점을 O'로 표시한다.
따라서, 제 2 카메라(120)의 장착 높이를 h2, 초점 거리를 f2, 제 2 카메라(120)의 경사각을 φ2로 표시하면, 아래와 같은 수학식 2가 성립한다.
또한, o's'는 화면의 중심점(o')으로부터 점(s') 까지의 화소거리이고, o'u'는 화면의 중심점(o')으로부터 점(u')까지의 화소거리이다.
따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 2를 통해, 제 1 카메라(110)로부터 계산된 수평거리(SU)와 제 2 카메라(120)로부터 계산된 수평거리(S'U')간에 차이가 발생하 게 되면, 이는 점(S)에서 노면 위로 돌출한 장애물이 존재함을 인식할 수 있다.
이때, 상기 장애물의 높이는 SV로 표시되며, 장애물 까지의 거리는 OS로 주어진다. 만약, 점(S)에서 노면 위로 돌출한 장애물이 아니면, 각 카메라(110 및 120)로부터 계산된 수평거리(SU 및 S'U') 값에는 차이가 발생하지 않고 동일한 값이 된다.
그러나, 각 카메라를 통한 영상 처리상의 부정확성이나 오차 때문에, 상기 수평거리(SU 및 S'U') 값 사이에는 약간의 차이가 발생할 수 있으므로, 차이가 일정한 임계치 이상일 때 장애물로 인식하는 방법을 취한다.
일예로서, 장애물이 노면으로부터 돌출되어 있을 경우, 제 1 카메라(110)의 높이(h1)가 낮을수록 수평거리(SU)의 값은 증가하고, 제 2 카메라(120)의 높이(h2)가 높을수록 수평거리(S'U')의 감소하게 되므로, SU와 S'U'의 차이값은 증가된다.
따라서, 높이가 낮은 장애물을 인식하기 위해서는 제 1 카메라(110)를 노면에 가까운 하부방향에 설치하여 h1 값을 작게 하는 것이 바람직하다.
하나의 특수한 경우로서, 도 3의 (c)에 나타난 물체의 상단점(u)이 영상의 중심점(o)을 통과하는 수평선 상단에 나타난 경우에는 제 1 카메라에서 얻은 수평거리 SV나 제 2 카메라에서 얻은 수평거리 S'V'값에 관계없이 물체는 h1이상의 높이를 갖는 장애물로 판단하게 된다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
도 1은 본 발명에 적용되는 카메라의 설치위치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 카메라를 이용한 장애물 인식방법을 나타내는 순서도.
도 3의 (a)는 수평 카메라인 제 1 카메라를 통해 획득한 영상을 나타내는 도면.
도 3의 (b)는 경사 카메라인 제 2 카메라를 통해 획득한 영상을 나타내는 도면.
도 3의 (c)는 제 1 카메라를 통해 획득한 화면에 나타난 장애물의 기하학적인 특성을 나타내는 도면.
도 3의 (d)는 제 2 카메라를 통해 획득한 화면에 나타난 장애물의 기하학적인 특성을 나타내는 도면.
Claims (3)
- (A) 차량 전방의 하부 중앙의 라디에이터 그릴에 차량 전방을 향하여 노면과 수평하게 제 1 카메라(110)를 설치하여 차량 전방의 수평방향 영상을 획득하고, 차량 전방의 상부 중앙의 지붕부에 차량 전방의 노면을 향하여 제 2 카메라(120)를 설치하여 차량 전방의 경사방향 영상을 획득하는 단계(S210);(B) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 영상으로부터 차선 내에 존재하는 장애물(130)의 윤곽선을 각각 추출하는 단계(S220);(C) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)를 통해 획득한 각 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 상하 두 점의 교차점을 산출하는 단계(S230);(D) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120)의 초점과 상기 (C) 단계를 통해 얻은 상하 교차점을 잇는 가상의 선분이 지면을 통과하는 두 점간의 수평거리를 각각의 영상에 대하여 계산하는 단계(S240);(E) 상기 (D) 단계를 통해 계산된 각각의 수평거리 값에 임계치 이상의 차이가 발생하면 화면의 장애물이 노면에서 돌출된 장애물로 인식하는 단계(S250)를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 장애물 인식방법.
- 제 1항에 있어서,(F) 상기 제 1 카메라(110) 및 제 2 카메라(120) 중 하나의 카메라 영상의 중심점을 통과하는 수직선이 윤곽선과 교차하는 두 점의 화상 좌표 중 수직 좌표 값을 이용하여 장애물까지의 거리 및 장애물의 높이를 계산하는 단계(S260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 장애물 인식방법.
- 제 1항에 있어서,상기 (D) 단계를 통해 계산된 수평거리 값에 차이가 발생하지 않으면, 화면의 장애물은 노면에서 돌출되지 않은 평평한 장애물로 인식하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 장애물 인식방법.
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