KR101672710B1 - 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템 - Google Patents

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천세범
임순
허문범
임덕원
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한국항공우주연구원
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Abstract

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템은 실내에 설치되어 실내에 진입한 내부요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실내 송신기; 실내요원이 착용하고 전파측위 기반, 추측항법 기반, 또는 전파측위와 추측항법을 통합하여 실내요원의 위치를 결정하는 내부요원 장비; 실외에 설치되어 실외에서 실내요원을 모니텅링하기 위한 관측요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실외 송신기; 관측요원이 착용하고 실외 송신기의 설치된 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호를 수신하여 상기 관측요원의 위치를 결정하는 관측요원 장비; 내부요원 장비와 관측요원 장비로부터 각각 실내요원 위치정보와 관측요원 위치정보 수신하여, 상대위치를 결정하고 관측요원의 시선벡터를 계산하여 관측요원 장비에 증강현실로 디스플레이될 수 있는 영상을 생성하는 중앙처리 서버;를 포함하여, 화재 및 붕괴 사고 등의 현장에서 구조 활동 전개 시, 실내에 위치한 구조요원의 위치 정보를 제공함으로써, 효율적인 구조 활동 전개는 물론 구조요원의 안전을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템{INDOOR MONITORING SYSTEM USING AUGMENTED REALITY}
본 발명은 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 추측항법(보행항법: (Pedestrian Dead Reckoning)을 통해 실내요원의 실내위치를 추적하여 관측요원에게 증강현실로 제공하고, 추측항법으로 추측한 실내요원의 실내위치 오차를 전파측위로 보정하여 보다 정확한 관측요원의 위치를 증강현실로 제공하여 관측요원이 내부요원을 모니터링할 수 있도록 한 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에 관한 것이다.
종래에도 증강현실을 이용하여 실내 위치를 모니터링하는 기술들이 많이 있었다.
예를 들어, 카레라 혹은 레이저 스캐너 등을 이용하여 획득된 영상 혹은 맵을 기반으로 대상물체의 형상을 분석하는 영상 기반의 모니터링 기술은 실시간 영상 처리가 필요하여 연산 부하가 크고, 영상 분석의 신뢰성이 낮아 제한된 대상에 대해서만 가능하다는 문제점이 있다.
또한, 대상물체에 비주얼 타겟(visual target)을 부착하고 이를 추적하여 대상물체의 위치 및 자세를 추정하는 옵티컬 타겟(optical target)기반의 모니터링 기술도 실시간 연상처리가 필요하여 연산 부하가 크고, 거리가 멀거나 차단물이 있는 경우와 같이 가시성이 확보되지 않은 상황에서 구현이 불가능하며, 넓은 영역에서 서비스 제공이 어려운 문제점이 있다.
마지막으로, 고정된 송신기와 헤드(head)에 부착된 센서를 이용하여 시선 방향을 파악하는 헤드 타겟(head target)기반의 모니터링 기술은 고정된 송신기가 있어야 하기 때문에 항공기 등의 칵핏에서만 구현되는 사용상에 제한이 따르는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0025200호(2013. 03. 11)
본 발명은 추측항법(보행항법: (Pedestrian Dead Reckoning)을 통해 실내요원의 실내위치를 추적하여 관측요원에게 증강현실로 제공하고, 추측항법으로 추측한 실내요원의 실내위치 오차를 전파측위로 보정하여 보다 정확한 관측요원의 위치를 증강현실로 제공하여 관측요원이 내부요원을 모니터링할 수 있도록 한 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템은 실내에 설치되어 상기 실내에 진입한 내부요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실내 송신기; 상기 실내요원이 착용하고 전파측위 기반, 추측항법 기반, 또는 상기 전파측위와 상기 추측항법을 통합하여 상기 실내요원의 위치를 결정하는 내부요원 장비; 실외에 설치되어 실외에서 상기 실내요원을 모니텅링하기 위한 관측요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실외 송신기; 상기 관측요원이 착용하고 상기 실외 송신기의 설치된 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호를 수신하여 상기 관측요원의 위치를 결정하는 관측요원 장비; 상기 내부요원 장비와 상기 관측요원 장비로부터 각각 실내요원 위치정보와 관측요원 위치정보 수신하여, 상대위치를 결정하고 상기 관측요원의 시선벡터를 계산하여 상기 관측요원 장비에 증강현실로 디스플레이될 수 있는 영상을 생성하는 중앙처리 서버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템은 화재 및 붕괴 사고 등의 현장에서 구조 활동 전개 시, 구조요원의 위치 정보를 제공함으로써, 효율적인 구조 활동 전개는 물론 구조요원의 안전을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템의 전파 측위 기반 위치 결정원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 시선벡터 계산을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 내부요원을 투영시켜 증강현실로 디스플레이한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 실내 송신기가 설치되지 않은 경우 추측항법으로 내부요원의 위치를 결정하는 것을 설명하기 위한 도면, 및
도 6은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 추측항법 기반으로 결정된 내부요원의 위치를 전파측위 기반 보정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템은 실내 송신기(100), 내부요원 장비(200), 중앙처리 서버(300), 실외 송신기(400), 및 관측요원 장비(500)를 포함한다.
상기 실내 송신기(100)는 복수 개가 실내에 설치되고, 해당 설치된 위치정보를 포함하여 상기 내부요원 장비(200)가 수신할 수 있는 거리 측정이 가능한 무선신호를 송신한다.
상기 내부요원 장비(200)는 내부요원 위치추적모듈(210)과 내부요원 보행센서(220)를 포함한다.
상기 내부요원 위치추적모듈(210)은 복수의 상기 실내 송신기(100)에서 송신되는 상기 실내 송신기(100)의 좌표로 표시되는 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호를 수신하여 상기 내부요원의 위치를 결정한다.
즉, 상기 내부요원 위치추적모듈(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 실내에 설치된 복수의 상기 실내 송신기(100) 중, 임의의 두 실내 송신기로부터 송신되는 신로를 수신하여 상기 내부요원의 위치를 결정한다.
참고로, 도 2는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템의 전파 측위 기반 위치 결정원리를 설명하기 위한 도면이다.
보다 구체적으로, 상기 내부요원 위치추적모듈(210)은 임의의 두 실내 송신기(100)로부터 해당 실내 송신기(100)의 좌표 및 두 실내 송신기(100)간의 거리, 그리고 임의의 두 실내 송신기(100)와 내부요원이 이루는 삼각형에서 상기 실내 송신기(100)에 해당되는 각도를 이용하여 삼각 측량법으로 상기 내부요원의 위치를 결정한다.
상기 내부요원 보행센서(220)는 내부요원의 신발 등과 같은 보행수단에 장착되며, 센서 기반 측위기술로 보행 수를 인식하고, 보폭 길이를 추정하며, 보행방향을 추정하여 상기 내부 요원의 위치를 결정한다.
상기 보행 수 인식은 주로 가속도계 크기의 주기적인 변화 내에서 최대값, 최소값 또는 영 교차점을 인식하여 찾아내며, 상기 보폭 길이 추정은 주로 가속도계 및 자이로 크기의 변화량, 보폭 주기, 키, 성별 등과 보폭 길이의 상관관계식을 통해 계산된다.
상기 보행방향은 주로 단기간 정확한 상대 방향을 제공하는 자이로와, 절대 방향을 제공하는 지자기계를 결합하여 계산된다.
특히, 상기 내부요원 보행센서(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 상기 실내 송신기(100)가 실내에 설치되어 있지 않은 경우, 추측항법 기반으로 내부요원의 보행에 따라 상기 내부요원의 위치를 결정할 수 있다.
참고로, 도 5는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 실내 송신기가 설치되지 않은 경우 추측항법으로 내부요원의 위치를 결정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
상기 중앙처리 서버(300)는 상기 내부요원 장비(200)와 연결되어 상기 내부요원 위치추적모듈(210)에 의해 결정된 내부요원의 위치정보와, 상기 보행센서(220)가 추정한 보행 수, 보폭 길이 및 보행방향 정보를 가지고 결정한 내부요원 위치정보를 수신하고, 각각의 상기 위치정보를 가지고 상기 관측요원 장비(500)에 증강현실로 내부요원의 위치를 투영시킨다.
또한, 상기 중앙처리 서버(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 추측항법만으로 내부요원의 위치를 결정하는 경우, 오차 발생을 억제하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이, 내부요원이 외부에서 내부로 진입하여 상기 실내 송신기(100)를 직접 설치함에 따라 전파측위 기반의 위치결정 방법을 추측항법 기반 위치 결정 방법에 추가반영하여 오차를 보정함으로써 상기 관측요원 장비(500)에 증강현실로 내부요원의 위치를 더욱 정확하게 투영시킨다.
참고로, 도 6은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 추측항법 기반으로 결정된 내부요원의 위치를 전파측위 기반 보정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
상기 실외 송신기(400)는 상기 실내 송신기(100)와 달리 실외에 설치되어, 실외에서 실내요원을 모니터링하기 위한 관측요원의 위치를 추적하기 위한 장비이다.
상기 실외 송신기(400)는 상기 실내 송신기(100)와 마찬가지로 복수 개가 설치되고, 해당 설치된 위치정보를 포함하여 관측요원이 수신할 수 있는 거리 측정이 가능한 무선신호를 송신한다.
한편, 상기 실내요원 장비(200)도 실내로 진입하기 전까지는 상기 실외 송신기(400)의 신호를 수신받을 수 있다.
이때, 상기 실외 송신기(400)와 상기 실내 송신기(100)의 위치정보, 및 상기 실외 송신기(400)와 상기 실내 송신기(100)간의 상대위치 정보는 상기 중앙처리 서버(300)에 기저장되어 있는 것이 바람직하다.
상기 관측요원 장비(500)는 HMD(Head Mounted Display)와 같이 머리에 착용하는 장비로서, 관측요원 위치추적모듈(510), 관측요원 보행센서(520), 어레이 안테나(530), 카메라(540), 스크린(550), 및 관성센서(560)를 포함한다.
상기 관측요원 위치추적모듈(510)은 상기 실외 송신기(400)에서 송신되는 상기 실외 송신기(400)의 좌표로 표시되는 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호 및 방위각을 수신하여 상기 관측요원의 위치를 결정한다.
상기 관측요원 보행센서(520)은 상기 내부요원 보행센서(220)와 마찬가지로 관측요원의 신발 등과 같은 보행수단에 장착되며, 보행 수를 인식하고, 보폭 길이를 추정하며, 보행방향을 추정한다.
상기 관측요원 위치추적모듈(510)에 의해 결정된 내부요원의 위치정보와 상기 관측요원 보행센서(520)가 추정한 보행 수, 보폭 길이 및 보행방향 정보는 상기 중앙처리 서버(300)에 전달되어 상기 관측요원의 보행에 따른 위치를 계산한다.
상기 중앙처리 서버(300)는 상기 내부요원의 위치와 상기 관측요원의 위치를 이용하여 상기 내부요원과 관측요원의 상대위치를 결정한다.
한편, 상기 어레이 안테나(530)는 상기 실외 송신기(400)에서 발신되는 전파를 수신하고, 수신되는 상기 전파의 시간차 혹은 위상차를 이용하여 방향을 탐지한다.
아울러, 상기 어레이 안테나(530)가 상기 실외 송신기(400)로부터 전파신호를 수신하면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 중앙처리 서버(300)는 상기 전파신호의 도달 각과 관측요원의 시선벡터를 계산한다.
참고로, 도 3은 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 시선벡터 계산을 설명하기 위한 도면이다.
상기 관측요원이 착용한 상기 관측요원 장비(500)의 스크린 경사도는 관측을 위해 주시하는 방향에 따라서 변경되는데 이때, 상기 시선벡터는 상기 스크린의 법선벡터에 해당되는 것이 바람직하다.
상기 카메라(540)는 상기 관측요원 장비(500)의 외부에 장착되어 관측요원이 관측하는 외부 전경을 촬영한다.
상기 스크린(550)은 상기 관측요원 장비(500)의 내부에 구비되어, 상기 카메라(560)가 촬영한 영상을 디스플레이하여 관측요원이 볼 수 있도록 한다.
이때, 상기 중앙처리 서버(300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 관측대상인 내부요원의 상기 상대위치와 관측요원의 시선벡터를 이용하여 내부요원의 위치를 상기 카메라(540)가 촬영한 영상과 함께 상기 스크린(550)에 투영시켜 증강현실로 디스플레이될 수 있도록 한다.
참고로, 도 4는 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템에서 내부요원을 투영시켜 증강현실로 디스플레이한 도면이다.
한편, 상술한 바와 같이, 외부 전경은 상기 카메라(540)에 의해 촬영되어 상기 스크린(550)에 디스플레이할 수도 있지만, 상기 스크린(550)이 투명한 스크린으로 이루어져, 증강현실 영상이 직접 투사될 수도 있다.
상기 관성센서(560)는 상기 관측요원 장비(500)인 HMD(Head Mounted Display)에 포함되어, 상기 관측요원의 움직임에 따라 자세(Roll, Pitch) 및 시선변화를 보정해 준다.
상기 시선 변화의 경우 상기 어레이 안테나(530)를 이용하여 추정하지만, 갱신 주기가 높이 않으므로 빠른 움직임에 대응하기 위해 상기 관성센서(560)가 추가적으로 사용된다.
즉, 상기 관성센서(560)만을 가지고 있는 경우 시간에 따른 오차 증분(각속도 적분에 따른)이 있거나, 외란(지자기계를 이용하는 경우)이 있을 수 있으므로, 상기 어레이 안테나(530)를 이용한 시선벡터의 추정을 통해 상기 오차 증분과 외란에 따른 문제점을 보완해 준다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 실내 송신기
200 : 내부요원 장비
210 : 내부요원 위치추적모듈
220 : 내부요원 보행센서
300 : 중앙처리 서버
400 : 실외 송신기
500 : 관측요원 장비
510 : 관측요원 위치추적모듈
520 : 관측요원 보행센서
530 : 어레이 안테나
540 : 카메라
550 : 스크린
560 : 관성센서

Claims (11)

  1. 실내에 설치되어 상기 실내에 진입한 내부요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실내 송신기(100);
    전파측위 기반, 추측항법 기반, 또는 상기 전파측위와 상기 추측항법을 통합하여 상기 내부요원의 위치를 결정하는 내부요원 장비(200);
    실외에 설치되어 실외에서 상기 내부요원을 모니터링하기 위한 관측요원의 위치를 결정하기 위한 신호를 송신하는 복수의 실외 송신기(400);
    상기 관측요원의 머리에 착용되고 상기 실외 송신기(400)의 설치된 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호를 수신하여 상기 관측요원의 위치를 결정하는 관측요원 장비(500);
    상기 내부요원 장비(200)와 상기 관측요원 장비(500)로부터 각각 내부요원 위치정보와 관측요원 위치정보 수신하여, 상대위치를 결정하고 상기 관측요원의 시선벡터를 계산하여 상기 관측요원 장비(500)에 증강현실로 디스플레이될 수 있는 영상을 생성하는 중앙처리 서버(300);를 포함하고,
    상기 관측요원 장비(500)는
    상기 실외 송신기(400)에서 송신되는 상기 실외 송신기(400)의 좌표로 표시되는 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호 및 방위각을 수신하여 상기 관측요원의 위치를 결정하는 관측요원 위치추적모듈(510);
    상기 실외 송신기(400)에서 발신되는 전파를 수신하고, 수신되는 상기 전파의 시간차 또는 위상차를 이용하여 관측요원이 주시하는 방향을 탐지하는 어레이 안테나(530);
    외부에 장착되어 상기 관측요원이 관측하는 외부 전경을 촬영하는 카메라(540);
    내부에 구비되어, 상기 카메라(540)가 촬영한 영상에 상기 내부요원의 위치가 투영된 증강현실이 디스플레이되는 스크린(550); 및
    상기 관측요원의 움직임에 따라 자세(Roll, Pitch) 및 시선변화를 보정하기 위한 관성센서(560);를 포함하되,
    상기 중앙처리 서버(300)는
    상기 어레이 안테나(530)가 상기 실외 송신기(400)로부터 전파신호를 수신하면, 상기 전파신호의 도달 각과 관측요원의 시선벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내부요원 장비(200)는
    내부요원 위치추적모듈(210)과 내부요원 보행센서(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 내부요원 위치추적모듈(210)은
    상기 실내 송신기(100)로부터 상기 실내 송신기(100)의 설치된 위치정보와 거리 측정이 가능한 무선신호를 수신하여 전파측위 기반으로 상기 내부요원의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 내부요원 위치추적모듈(210)은
    임의의 두 실내 송신기(100)로부터 해당 실내 송신기(100)의 좌표 및 두 실내 송신기(100)간의 거리, 그리고 임의의 두 실내 송신기(100)와 내부요원이 이루는 삼각형에서 상기 실내 송신기(100)에 해당되는 각도를 이용하여 삼각 측량법으로 상기 내부요원의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 내부요원 보행센서(220)는
    내부요원의 신발에 장착되며, 보행 수를 인식하고, 보폭 길이를 추정하며, 보행방향을 추정하여 추측항법으로 상기 내부요원의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 중앙처리 서버(300)는
    상기 추측항법 기반 위치결정에 상기 실내 송신기(100)를 통한 전파측위 기반의 위치결정을 통합반영하여 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 관측요원 장비(500)는
    상기 관측요원의 신발에 장착되며, 보행 수를 인식하고, 보폭 길이를 추정하며, 보행방향을 추정하여 추측항법으로 상기 관측요원의 위치를 결정하기 위한 관측요원 보행센서(520);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 관측요원 장비(500)는
    상기 카메라(540)의 부재시, 상기 스크린(550)이 투명하게 이루어져 상기 외부 전경을 그대로 투시한 상태에서 상기 내부요원의 위치가 투영되도록 하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 실내 위치 모니터링 시스템.

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