KR101272571B1 - 지능형 자동차의 스테레오 비전 시스템에 대한 시뮬레이션 장치 및 이를 이용한 카메라 교정 방법 - Google Patents

지능형 자동차의 스테레오 비전 시스템에 대한 시뮬레이션 장치 및 이를 이용한 카메라 교정 방법 Download PDF

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Abstract

차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치로서, 스테레오 영상을 저장하고 전송하는 서버부와, 상기 서버부로부터 스테레오 영상을 받아 표시하는 디스플레이부와, 좌우 2대의 카메라로 이루어져서 상기 디스플레이부에서 표시하는 스테레오 영상을 좌우 영상으로 각각 획득하는 스테레오 카메라부와, 상기 스테레오 카메라부로부터 좌우 영상을 받아 영상 처리를 실행하는 영상 처리부와, 상기 영상 처리부에서 처리된 영상을 출력하고 상기 영상 처리부의 동작을 감시하는 모니터링부를 포함하여 이루어지며, 스테레오 비전 시스템에 대해 다양한 시험과 검증을 용이하게 실행할 수 있다.

Description

지능형 자동차의 스테레오 비전 시스템에 대한 시뮬레이션 장치 및 이를 이용한 카메라 교정 방법{Simulator for stereo vision system of intelligent vehicle and camera calibration method using the same}
본 발명은 자동차의 비전 기능 등을 검증하는 시뮬레이션 장치에 관한 것으로서, 특히 지능형 자동차에서의 스테레오 비전 시스템의 신뢰성을 검증할 수 있는 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
최근, 차량의 안전성, 편리성 및 지능화를 위하여 카메라를 이용하여 도로, 차량, 보행자 등을 검출하는 연구가 진행되고 있다.
이와 같은 차량용 비전 기술은, 차선 이탈 경고와 같이 간단한 정보를 제공하는 시스템에서부터 조명, 날씨, 배경 등과 같은 복잡한 환경에서도 차량, 보행자, 교통 표지판등 다양한 객체를 인지하는 시스템으로 발전되고 있다. 특히, 스테레오 카메라를 이용한 비전 기술은 3차원 정보를 제공할 수 있으므로, 객체의 검출 및 위치 정보에 대한 신뢰성이 높아서 많이 연구되고 있다.
이러한 차량용 비전 기술을 사용하는 시스템의 성능이나 그 신뢰성을 검증하기 위해서는, 다양한 도로 환경에서 수많은 시험과 디버깅이 요구되기 때문에, 연구 개발에 많은 시간과 노력이 필요하다. 또한, 비용이나 실제 도로의 사용 문제 등을 고려하면, 실제 도로 환경에서의 시험은 현실적으로 제한될 수밖에 없다. 따라서 차량용 비전 시스템의 검증을 위한 시뮬레이션 장치의 개발이 절실히 요구된다.
비전 시스템의 시뮬레이션 장치와 유사한 것으로서 특허문헌 1에 스테레오 카메라의 고속 캘리브레이션 및 렉티피케이션 장치가 나타나 있다. 그러나 이러한 장치는 스테레오 카메라의 영상을 보정할 수 있지만 실제 도로 영상을 사용하는 것은 아니며, 스테레오 비전 시스템을 검증하는 기능도 포함하고 있지 않다.
특허문헌 1: 한국공개특허 제2011-0003611호
본 발명은 실험실 환경 하에서 시스템을 충분히 검증할 수 있고, 실제 도로 환경의 상황을 재현하여 시스템에서의 문제점을 쉽게 찾을 수 있게 하는 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 스테레오 비전 시스템의 카메라를 용이하게 교정할 수 있어서 정확한 시뮬레이션을 실행할 수 있는 시뮬레이션 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치는, 스테레오 영상을 저장하고 전송하는 서버부와, 상기 서버부로부터 스테레오 영상을 받아 표시하는 디스플레이부와, 좌우 2대의 카메라로 이루어져서 상기 디스플레이부에서 표시하는 스테레오 영상을 좌우 영상으로 각각 획득하는 스테레오 카메라부와, 상기 스테레오 카메라부로부터 좌우 영상을 받아 영상 처리를 실행하는 영상 처리부와, 상기 영상 처리부에서 처리된 영상을 출력하고 상기 영상 처리부의 동작을 감시하는 모니터링부를 포함하여 이루어진다.
상기한 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에서, 상기 디스플레이부에서 출력되는 좌우 영상이 상기 스테레오 카메라부에 맵핑되도록 좌우 카메라를 교정하는 방법은, 특정 패턴을 갖는 영상을 상기 디스플레이부에 출력시켜 상기 좌우 카메라에 각각 입력시키는 단계와, 상기 좌우 카메라에 입력된 영상의 특징점들의 좌표(x)와 교정될 특징점들의 좌표(x')와의 관계를 이용하여 호모그래피 행렬(H)을 추정하는 단계와, 상기 추정된 호모그래피 행렬로써 상기 좌우 카메라에 입력된 영상을 변환하여, 상기 좌우 카메라를 각각 교정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치를 이용하면, 실험실 내에서 스테레오 비전 시스템에 대해 다양한 시험과 검증을 실행할 수 있으므로, 연구 개발을 위해 필요한 비용 및 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치를 이용하면, 스테레오 비전 시스템의 문제점을 용이하게 검출하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에서는 카메라를 용이하게 교정할 수 있어서 정확한 시스템 시뮬레이션을 실행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 실제 도로 환경에서 스테레오 영상을 획득할 수 있는 스테레오 영상 캡쳐 시스템의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 액티브 방식을 이용한 3D 디스플레이 및 스테레오 카메라 시스템의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 패시브 방식을 이용한 3D 디스플레이 및 스테레오 카메라 시스템의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에서 카메라 교정을 위한 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에서, 호모그래피 행렬을 이용한 카메라 교정 과정을 개략적으로 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1에 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치를 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치는, 서버부(100), 디스플레이부(200), 스테레오 카메라부(300), 영상 처리부(400), 모니터링부(500)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 서버부(100)는 스테레오 영상을 저장하고 전송하는 장치로서 컴퓨터 등으로 구성될 수 있다. 서버부(100)에 저장된 스테레오 영상은, 실제 도로 환경에서 차량에 장착된 스테레오 카메라를 이용하여 획득한 영상일 수도 있고, 가상으로 제작한 영상일 수도 있다. 서버부(100)에 저장된 스테레오 영상은 사용자가 원하는 시험 절차에 따라 디스플레이부(200)로 전송된다. 도 2에 실제 도로 환경에서 스테레오 영상을 획득할 수 있는 스테레오 영상 캡쳐 시스템을 나타내었다.
다음으로, 디스플레이부(200)는 상기 서버부(100)로부터 스테레오 영상을 받아 표시하는 3차원 표시 장치로서 LCD 등 같은 화상 표시 장치로 구성될 수 있다. 이때, 디스플레이부(200)에서 영상을 표시하는 방식은 액티브 방식 혹은 패시브 방식이 될 수 있으며, 액티브 방식인 경우에는 액티브 3D 디스플레이 장치를 사용하고, 패시브 방식인 경우에는 패시브 3D 디스플레이 장치를 사용한다.
다음으로, 스테레오 카메라부(400)는 좌우 2대의 카메라로 이루어지며, 상기 디스플레이부(300)에서 표시하는 스테레오 영상을 좌우 영상으로 각각 획득한다.
이때, 상기 디스플레이부(200)가 액티브 방식일 경우, 상기 스테레오 카메라부(400)는 액티브 셔터 방식으로 영상을 획득하고, 상기 디스플레이부(200)가 패시브 방식일 경우, 상기 스테레오 카메라부(400)는 편광 필터를 이용하여 좌우 영상을 분리하여 영상을 획득한다. 도 3에 액티브 방식을 이용한 3D 디스플레이 및 스테레오 카메라 시스템의 일례를 나타내었고, 도 4에 패시브 방식을 이용한 3D 디스플레이 및 스테레오 카메라 시스템의 일례를 나타내었다.
다음으로, 영상 처리부(400)는 상기 스테레오 카메라부(300)로부터 좌우 영상을 받아 영상 처리를 실행한다. 상기 영상 처리부(400)에서 실행되는 영상 처리로는 스테레오 정합, 3차원 객체 검출, 인식 및 추적 처리 등이 있다.
다음으로, 모니터링부(500)는 상기 영상 처리부(400)에서 처리된 영상을 출력하고 상기 영상 처리부(400)의 동작을 감시한다. 상기 모니터링부(500)는 시뮬레이션 실행 중에 문제가 발생하면 그 결과를 실시간으로 출력할 수 있으며, 이에 따라 시스템의 실시간 디버깅을 가능하게 한다.
상기 스테레오 카메라부(300), 영상 처리부(400) 및 모니터링부(500)는 차량에 탑재되어 차량용 비전 시스템으로 사용될 수 있고, 상기 영상 처리부(400)는 차량에 내장되는 임베디드 시스템(embedded system)으로 구성될 수도 있다.
상기 설명한 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치를 이용하여 차량용 스테레오 비전 시스템의 기능 및 성능을 다양하게 검증할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치에서, 좌우 카메라의 내부 혹은 외부 파라미터에 기인하여, 상기 디스플레이부(200)에서 출력되는 좌우 영상이 상기 스테레오 카메라부(300)의 좌우 카메라에 정확히 일치되도록 입력되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 상기 디스플레이부(200)에서 출력되는 좌우 영상을 좌우 카메라에 정확하게 맵핑시키기 위해서는 카메라를 교정(calibration)하는 과정이 필요하다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에서 스테레오 카메라를 교정하는 방법에 대해 설명한다.
도 5에 카메라 교정을 위한 시스템의 구성을 나타내었고, 도 6에 호모그래피 행렬을 이용한 카메라 교정 과정에 대해 개략적으로 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 특정 패턴을 갖는 영상을 상기 디스플레이부에 출력시켜 상기 좌우 카메라에 각각 입력시킨다. 상기 특정 패턴은 흑백의 체크 무늬를 사용하거나 혹은 색상을 갖는 컬러 원을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 RGB 색상의 원으로 된 패턴을 사용한다.
다음으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 카메라에 입력된 영상의 특징점들의 좌표(x)와 교정될 특징점들의 좌표(x')의 관계를 이용하여 호모그래피 행렬(H)을 추정한다.
상기 추정된 호모그래피 행렬을 이용하여, 상기 좌우 카메라에 입력된 영상을 변환한다. 이때 변환 과정은 좌우 카메라 각각에 대해 실행된다. 호모그래피 행렬과 변환식은 다음과 같다.
Figure 112011089347535-pat00001
Figure 112011089347535-pat00002
다음으로, 변환된 영상은 상기 영상 처리부(400)에 입력되어, 스테레오 정합, 3차원 객체 검출, 인식 및 추적 등의 처리가 실행된다.
이상 설명한 방법에 의해 좌우 카메라를 교정함으로써, 디스플레이부(200)에서 출력되는 영상이 좌우 카메라에 정확하게 일치되어 입력되도록 할 수 있다. 이에 따라 차량용 스테레오 비전 시스템에 대해 더욱 정밀하게 시뮬레이션을 실행할 수 있다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
100: 서버부
200: 디스플레이부
300: 스테레오 카메라부
400: 영상 처리부
500: 모니터링부

Claims (10)

  1. 차량용 스테레오 비전 시스템의 시뮬레이션 장치에 있어서,
    스테레오 영상을 저장하고 전송하는 서버부와,
    상기 서버부로부터 스테레오 영상을 받아 표시하는 디스플레이부와,
    좌우 2대의 카메라로 이루어져서, 상기 디스플레이부에서 표시하는 스테레오 영상을 좌우 영상으로 각각 획득하는 스테레오 카메라부와,
    상기 스테레오 카메라부로부터 좌우 영상을 받아 영상 처리를 실행하는 영상 처리부와,
    상기 영상 처리부에서 처리된 영상을 출력하고 상기 영상 처리부의 동작을 감시하는 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 3차원 표시가 가능한 액티브 방식 디스플레이 장치인 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 3차원 표시가 가능한 패시브 방식 디스플레이 장치인 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스테레오 카메라부는 액티브 셔터 방식으로 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스테레오 카메라부는 편광 필터를 이용하여 좌우 영상을 분리하여 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스테레오 카메라부, 상기 영상 처리부 및 상기 모니터링부는 차량에 탑재되는 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 스테레오 정합, 3차원 객체 검출, 인식 및 추적 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이션 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 시뮬레이션 장치에서, 상기 디스플레이부에서 출력되는 좌우 영상이 상기 스테레오 카메라부에 맵핑되도록 좌우 카메라를 교정하는 방법에 있어서,
    상기 방법은
    특정 패턴을 갖는 영상을 상기 디스플레이부에 출력시켜 상기 좌우 카메라에 각각 입력시키는 단계와,
    상기 좌우 카메라에 입력된 영상의 특징점들의 좌표(x)와 교정될 특징점들의 좌표(x')와의 관계를 이용하여 호모그래피 행렬(H)을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 호모그래피 행렬로써 상기 좌우 카메라에 입력된 영상을 변환하여, 상기 좌우 카메라를 각각 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 교정 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 특정 패턴은 흑백의 체크 무늬 또는 컬러 원으로 형성되는 것을 특징으로 하는 카메라 교정 방법.
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