KR101356172B1 - 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치 및 방법 - Google Patents

원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치는, 이미지 정보를 촬영하는 카메라; 거리 정보를 감지하는 3차원 레이저 센서; 상기 카메라 및 3차원 레이저 센서의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)하는 매핑부; 및 상기 매핑한 결과를 기초로 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성하는 영상 생성부;를 포함하며, 상기 매핑부는, 상기 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 상기 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 한다.

Description

원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONAL IMAGE FOR REMOTE CONTROL}
본 발명은 이동 로봇을 원격 제어하기 위해 이동 로봇 주변의 3차원 영상을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이동 로봇의 원격 제어 장치는 이동 로봇 주변의 공간을 정확하게 인지할 수 있어야 한다. 이를 위해, 원격 제어 장치는 이동 로봇에 장착된 카메라가 촬영한 이동 로봇의 주변 영상을 유무선 통신을 통해 전송받고, 전송된 영상을 바탕으로 원격 제어를 수행한다.
그러나 원격 제어 장치가 카메라가 촬영한 2차원 영상만으로 이동 로봇의 크기, 위치 및 주변 환경 등의 3차원 환경을 인지하는데는 어려움이 있다. 예를 들면, 원격 제어 장치는 2차원 영상만으로 3차원 장애물의 정확한 크기나 위치 등을 판단해야 한다.
따라서 이동 로봇의 원활한 원격 제어를 위해 원격 제어 장치가 이동 로봇 주변의 공간을 정확하게 인지할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 원격 제어하기 위한 이동 로봇 주변의 공간을 정확하게 인지할 수 있는 실재감있는 3차원 영상을 생성하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치는, 이미지 정보를 촬영하는 카메라; 거리 정보를 감지하는 3차원 레이저 센서; 상기 카메라 및 3차원 레이저 센서의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)하는 매핑부; 및 상기 매핑한 결과를 기초로 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성하는 영상 생성부;를 포함하며, 상기 매핑부는, 상기 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 상기 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 매핑부는, 상기 비지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 3차원 영상을 수신한 원격 제어 장치로부터 원격 제어 명령을 수신하여 동작하는 동작부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 생성부는, 제1시점의 이전 시간 동안 생성한 3차원 영상을 기초로 상기 제1시점에서의 3차원 영상을 생성할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 생성부는, 상기 제1시점의 이전 시간 동안 측정한 상기 동작부의 항법 정보를 이용하여 상기 제1시점에서의 3차원 영상을 생성할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 생성부는, 상기 거리 정보와 매핑된 이미지 정보를 제외한 이미지 정보를 통합하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 방법은, 카메라로 이미지 정보를 촬영하는 단계; 3차원 레이저 센서로 거리 정보를 감지하는 단계; 상기 카메라 및 3차원 레이저 센서의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)하는 단계; 및 상기 매핑한 결과를 기초로 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 매핑하는 단계에서, 상기 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 상기 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 3차원 영상을 수신한 원격 제어 장치로부터 원격 제어 명령을 수신하여 동작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이동 로봇 주변의 공간을 실재감 있는 3차원 영상으로 가시화하여 원격 제어의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 원격 제어 시 전송되는 통신량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 센서 조립체의 일 실시 예를 구현한 것이다.
도 3은 도 2의 센서 조립체가 획득한 데이터를 보여주는 개념도이다.
도 4는 3차원 공간의 점들과 촬영한 영상을 매핑한 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 5는 거리 정보를 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 결과를 보여주는 개념도이다.
도 6은 도 1의 3차원 영상 생성 장치가 생성한 3차원 영상과 원격 제어를 위한 환경을 보여주는 개념도이다.
도 7은 도 1의 3차원 영상 생성 장치에서의 데이터 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 8은 도 1의 3차원 영상 생성 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치(100)를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치(100)는 카메라(110), 3차원 레이저 센서(120), 매핑부(130), 영상 생성부(140) 및 동작부(150)를 포함한다.
카메라(110)는 이미지 정보(영상)를 촬영한다. 구체적으로, 이미지 정보는 이동 로봇의 주변을 촬영한 2차원 영상으로 색상 데이터를 포함하고 있다.
그리고 3차원 레이저 센서(120)는 거리 정보(3차원 공간의 점들)를 감지한다. 구체적으로, 3차원 레이저 센서(120)는 센서를 기준으로 수직 및 수평 방향으로 일정 범위에 존재하는 사물이나 지형 등에 대한 거리 정보를 감지할 수 있다.
이러한 카메라(110)와 3차원 레이저 센서(120)를 조합한 센서 조립체는 다양한 방식으로 구현되어 이동 로봇에 탑재될 수 있다.
도 2는 센서 조립체의 일 실시 예를 구현한 것이다.
도 2를 참조하면, 센서 조립체는 3대의 카메라(110)를 구비하고 있다. 이는 영상의 왜곡 없이 사람의 시야와 유사한 수준의 시야를 확보하기 위함이다. 또한 센서 조립체는 1대의 3차원 레이저 센서(120)를 구비하고 있다. 이때 3차원 레이저 센서(120)는 회전하면서 수평 방향으로 360°및 수직 방향으로 40°를 측정할 수 있다. 그리고 시차(parallax) 문제를 최소화하기 위해 카메라(110)와 3차원 레이저 센서(120)를 최대한 가깝게 배치하였다.
이는 일 실시 예에 해당하는 것으로, 탑재하는 3차원 레이저 센서(120)에 따라 수평 및 수직 방향의 측정 범위를 다양하게 설정할 수 있다. 또한 카메라(110)도 필요에 따라 임의의 수만큼 설치할 수 있다. 다만, 복수의 카메라(110)를 활용할 때 3차원 레이저 센서(120)의 좌표와 카메라(110)의 배치 축을 일치시켜야 시차로 인한 문제를 최소화할 수 있다.
도 3은 도 2의 센서 조립체가 획득한 데이터를 보여주는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 좌측의 데이터는 3차원 레이저 센서(120)가 획득한 거리 정보(3차원 공간의 점들)이고, 우측의 데이터는 카메라(110)가 촬영한 이미지 정보(영상)이다. 이때, 카메라(110)는 3차원 레이저 센서(120)의 데이터 획득 주기에 맞게 동기화되어 이미지 정보를 촬영할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 매핑부(130)는 카메라(110) 및 3차원 레이저 센서(120)의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)한다.
그리고 영상 생성부(140)는 매핑부(130)가 매핑한 결과를 기초로 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성한다.
3차원 레이저 센서(120)의 거리 정보는 3차원 공간의 점들을 데이터로 가지고 있지만 색상 데이터는 가지고 있지 않기 때문에, 영상 생성부(140)가 거리 정보만으로 가시화하여 3차원 영상을 생성하기는 어렵다. 따라서, 영상 생성부(140)는 카메라(110)가 촬영한 영상으로부터 획득한 색상 데이터를 3차원 공간의 점들에 병합하여야 한다.
이를 위해, 매핑부(130)는 카메라(110)와 3차원 레이저 센서(120) 간 캘리브레이션을 별도로 수행한다.
구체적으로, 매핑부(130)는 캘리브레이션을 통해 카메라(110)의 내부 파라미터(focal length, skew, principle point, ratio)와 3차원 레이저 센서(120) 사이의 외부 파라미터(3차원 회전 및 병진)를 산출할 수 있다.
그 후, 매핑부(130)는 산출한 파라미터를 이용한 다음의 수학식 1에 의해 3차원 공간의 각 점을 영상으로 매핑(mapping)할 수 있다.
Figure 112013009114755-pat00001
여기서, P는 3차원 공간의 한 점을 의미하고, p는 3차원 공간의 한 점이 투영되는 영상 위의 점을 의미한다. 그리고 K는 카메라의 내부 파라미터 행렬을 의미하며, R은 3차원 회전 행렬을 의미하고, t는 3차원 병진 벡터를 의미한다.
도 4는 3차원 공간의 점들과 촬영한 영상을 매핑한 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 3차원 공간의 점들이 카메라(110)가 촬영한 영상 위의 점들과 각각 매핑됨을 알 수 있다. 그 결과, 3차원 공간의 점들은 색상 데이터를 갖게 된다.
또한 매핑부(130)는 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 이미지 정보와 매핑할 수 있다.
이는 원격 제어 장치로 전송되는 데이터의 양을 감소시켜, 원격 제어를 위한 통신 품질을 향상시키기 위함이다. 이를 위해, 매핑부(130)는 모델링을 통해 거리 정보의 양을 축소할 수 있다. 예를 들면, 지면 데이터로 분류된 거리 정보를 메쉬(mesh) 형태로 모델링하여 축약할 수 있다.
구체적으로, 매핑부(130)는 거리 정보를 현재 이동 로봇의 위치와 자세를 기준으로 지면 데이터와 비지면 데이터로 분류할 수 있다. 즉, 거리 정보가 이동 로봇이 위치한 높이와 유사한 높이를 가지는 경우 지면 데이터로 분류하고, 이동 로봇이 위치한 높이보다 높거나 낮은 경우 비지면 데이터로 분류할 수 있다.
그 후, 매핑부(130)는 비지면 데이터로 분류된 거리 정보 모두를 이미지 정보와 매핑한다. 반면에, 매핑부(130)는 지면 데이터로 분류된 거리 정보는 그 중 일부만을 선택하고 선택된 거리 정보만을 이미지 정보와 매핑한다.
다른 방식으로, 매핑부(130)는 비지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 이미지 정보와 매핑할 수도 있다. 또는 지면 데이터 및 비지면 데이터로 분류된 거리 정보에 다른 기준을 적용하여, 그 수를 감소시킨 후 이미지 정보와 매핑할 수도 있다. 즉, 원격 제어 통신 품질을 향상시키기 위해 다양한 방식으로 거리 정보의 수를 축약시킬 수 있다.
도 5는 거리 정보를 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 결과를 보여주는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 녹색 영역은 지면 데이터를 나타내고, 노란색 영역은 비지면 데이터를 나타낸다. 이에 따라, 매핑부(130)는 노란색 영역은 모두 카메라 영상과 매핑하고, 녹색 영역은 일부만을 선택하여 카메라 영상과 매핑할 수 있다.
이와 같은 매핑된 결과로부터, 도 1의 영상 생성부(140)는 3차원 공간의 점과 각각의 점에 대한 색상 데이터를 통합하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.
또한, 동작부(150)는 3차원 영상을 수신한 원격 제어 장치로부터 원격 제어 명령을 수신하여 동작할 수 있다.
구체적으로, 동작부(150)는 카메라(110) 및 3차원 레이저 센서(120)가 탑재된 이동 로봇으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 원격 제어 장치는 3차원 영상으로부터 장애물의 존재를 파악한 후, 이를 피하기 위해 동작부(150)에 좌회전 또는 우회전 등의 원격 제어 명령을 전송할 수 있다. 동작부(150)는 수신한 명령에 따라 좌회전 또는 우회전 등의 동작을 수행하게 된다.
한편, 영상 생성부(140)는 제1시점의 이전 시간 동안 생성한 3차원 영상을 기초로 제1시점에서의 3차원 영상을 생성할 수 있다. 또한, 제1시점의 이전 시간 동안 측정한 동작부(150)의 항법 정보를 이용하여 제1시점에서의 3차원 영상을 생성할 수 있다.
구체적으로, 이전 시간 동안 이동 로봇이 지나온 공간에 대한 3차원 영상과 현재 시점에서의 3차원 영상을 시공간에 대해 통합하여 가상의 3차원 공간에 표현하고, 이를 가시화하는 방법을 적용할 수 있다. 이때, 연속적인 시점에서의 3차원 영상 간의 시공간 통합을 위해서 각각의 시점에서의 이동 로봇의 위치, 자세 등을 포함하는 항법 정보를 이용할 수 있다. 이러한 항법 정보는 항법 센서에 의해 획득될 수 있다.
또한 영상 생성부(140)는 거리 정보와 매핑된 이미지 정보를 제외한 이미지 정보를 통합하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.
구체적으로, 3차원 레이저 센서(120)가 획득한 3차원 데이터는 원격 제어 장치의 운용자가 이동 로봇 주변의 공간을 인지할 수 있게 해준다. 그러나, 고속 주행 시 운용자가 3차원 데이터 만으로 수백 미터 전방의 상황을 인지하기는 어렵다. 반면, 운용자는 카메라(110)가 획득한 영상으로 수백 미터 전방의 실제 거리는 알 수 없으나 대략적인 상황(장애물의 존재 등)은 파악할 수 있다.
먼 거리를 3차원 가시화하는 경우, 실제 거리를 판단할 필요는 없으며 운용자가 상황을 인지할 수 있으면 충분하다. 따라서 영상 생성부(140)는 카메라(110) 영상을 투사하는 가상의 벽을 이동 로봇 앞에 생성하여, 운용자가 먼 거리의 상황도 인지할 수 있게 해주는 3차원 영상을 생성할 수 있다.
도 6은 도 1의 3차원 영상 생성 장치가 생성한 3차원 영상과 원격 제어를 위한 환경을 보여주는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 3차원 영상은 색상 데이터가 할당된 3차원 데이터와 가상의 벽에 표현된 카메라(110)의 영상을 적용하여 임의의 시점(이동 로봇의 후방)에서 가시화되었음을 확인할 수 있다.
통합된 3차원 데이터는 2차원 영상과 달리 임의의 시점에서 가시화 될 수 있기 때문에, 운용자는 3차원 원격 실재감 정보를 임의의 시점으로 변환하여 가시화할 수 있다.
도 7은 도 1의 3차원 영상 생성 장치에서의 데이터 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 3차원 공간의 점(Point Cloud)을 지면 데이터(Ground Point Cloud)와 비지면 데이터(Non-ground Point Cloud)로 분류한 후, 축약(Reduction)하여 카메라(110)에서 촬영된 2차원 영상과 매핑한다.
또한 GPS에서 산출된 항법 정보(Navigation Information)와 이동하는 동안 저장된 지면 모델(Ground Model Accumulation) 및 비지면 모델(Non-ground Model Accumulation)을 이용하여 3차원 영상을 생성한다.
도 8은 도 1의 3차원 영상 생성 방법을 보여주는 순서도이다. 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치(100)는 카메라(110), 3차원 레이저 센서(120), 매핑부(130), 영상 생성부(140) 및 동작부(150)를 포함한다(도 1참조).
먼저, 카메라(110)는 2차원 영상을 촬영하고 3차원 레이저 센서(120)는 3차원 공간의 점들에 대한 거리 정보를 획득한다(S810).
그 후, 매핑부(130)는 3차원 공간의 점들을 이동 로봇의 위치를 기준으로 지면 상의 점인지 비지면 상의 점인지 분류한 후(S820), 지면 상의 점은 데이터의 수를 감소시켜 매핑시키고자 하는 점을 선정한다(S830). 이는 원격 통신량을 감소시키기 위한 것으로, 메쉬 형태로 모델링하거나 대표 값을 선정하는 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.
그 다음으로, 매핑부(130)는 선정된 지면 상의 점 및 비지면 상의 점들을 각각 2차원 영상과 매핑시킨다(S840).
마지막으로, 영상 생성부(140)는 매핑된 결과를 기초로 2차원 이미지와 3차원 공간의 점들을 통합한 3차원 영상을 생성한다(S850)
결과적으로, 본 발명에 의하면, 이동 로봇 주변의 2차원 영상으로부터 보다 실재감 있는 3차원 영상을 생성할 수 있다. 또한 3차원 영상으로 정확하게 주변 공간을 인지하여 이동 로봇의 원격 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치 및 방법은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 이미지 정보를 촬영하는 카메라;
    거리 정보를 감지하는 3차원 레이저 센서;
    상기 카메라 및 3차원 레이저 센서의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)하는 매핑부; 및
    상기 매핑한 결과를 기초로 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성하는 영상 생성부;를 포함하며,
    상기 매핑부는,
    상기 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 상기 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 매핑부는,
    상기 비지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 3차원 영상을 수신한 원격 제어 장치로부터 원격 제어 명령을 수신하여 동작하는 동작부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 영상 생성부는,
    제1시점의 이전 시간 동안 생성한 3차원 영상을 기초로 상기 제1시점에서의 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 영상 생성부는,
    상기 제1시점의 이전 시간 동안 측정한 상기 동작부의 항법 정보를 이용하여 상기 제1시점에서의 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 영상 생성부는,
    상기 거리 정보와 매핑된 이미지 정보를 제외한 이미지 정보를 통합하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 장치.
  7. 카메라로 이미지 정보를 촬영하는 단계;
    3차원 레이저 센서로 거리 정보를 감지하는 단계;
    상기 카메라 및 3차원 레이저 센서의 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 매핑(mapping)하는 단계; 및
    상기 매핑한 결과를 기초로 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통합한 3차원 영상을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 매핑하는 단계에서,
    상기 거리 정보를 설정한 기준에 따라 지면 데이터 또는 비지면 데이터로 분류한 후, 상기 지면 데이터로 분류된 거리 정보의 수를 감소시켜 상기 이미지 정보와 매핑하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 3차원 영상을 수신한 원격 제어 장치로부터 원격 제어 명령을 수신하여 동작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 제어를 위한 3차원 영상 생성 방법.
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