KR101923581B1 - Normal vector extraction apparatus and method thereof based on stereo vision for hull underwater inspection using underwater robot - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중로봇을 이용한 선체검사 작업의 수행 중 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 하기 위해 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터를 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상술한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)는, 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110); 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);를 포함하여 구성된다.
The present invention can extract a normal vector of a tangent plane viewed by a camera in order to enable a submersible robot to keep a distance and an attitude from a surface to be inspected constantly while following a hull inspection operation using an underwater robot The present invention relates to a stereo vision-based normal vector extraction apparatus and a method thereof for underwater inspection of a ship using an underwater robot.
The stereo vision-based normal vector extraction apparatus 100 includes a stereo-vision-based normal vector extraction unit 100 for receiving a stereo image including left and right images of a target plane photographed through a stereo camera, (110); A stereo vision unit 120 for calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on the camera coordinate system included in the left and right images with improved image quality; And a plane determination unit 130 for determining a plane using three-dimensional coordinates obtained by the stereo vision unit 120 and extracting and outputting a normal vector.

Description

수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법{NORMAL VECTOR EXTRACTION APPARATUS AND METHOD THEREOF BASED ON STEREO VISION FOR HULL UNDERWATER INSPECTION USING UNDERWATER ROBOT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a stereo vision-based normal vector extracting apparatus and a method thereof for a submersible inspection of a hull using an underwater robot. [0002]

본 발명은 선체 수중 검사에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수중로봇을 이용한 선체검사 작업의 수행 중 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 하기 위해 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터를 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hull underwater inspection, and more particularly, to a hull inspection method using an underwater robot, in which a camera is hung in order to keep a distance and a posture constant Based normal vector extracting apparatus and method thereof for an underwater inspection of a ship using an underwater robot capable of extracting a normal vector on a tangent plane.

선박의 유지보수 측면에서 주기적인 수중 선체 검사는 매우 중요한 과정이다. 잠수부에 의해 수행되어 온 기존의 선체검사 작업의 안정성 및 효율성은 수중 로봇 시스템을 투입함으로써 크게 향상될 수 있다. 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도는 부분적으로 취득된 영상들을 자동 영상 모자이킹 알고리즘을 적용함으로써 얻어질 수 있다. 보다 정밀한 영상 모자이킹을 수행하려면 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종하는 기능이 요구되며, 이를 실현하기 위해서는 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터 계측이 필수적이다.Periodic underwater hull inspection is a very important process in terms of maintenance of the ship. The stability and efficiency of the existing hull inspection work performed by the divers can be greatly improved by introducing an underwater robot system. A hull surface image developed as a result of a hull inspection using an underwater robot can be obtained by applying an automatic image mosaicking algorithm to partially acquired images. In order to perform a more precise image mosaicking, the underwater robot needs to keep the distance and posture constant from the surface to be inspected and follow it. In order to realize this, it is essential to measure the normal vector of the tangent plane viewed by the camera.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도를 얻기 위하여 부분적으로 취득된 영상들에 대한 정밀한 영상 모자이킹의 수행을 위해, 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 카메라의 영상 평면과 대상 물체 평면을 정렬하기 위한 위치 및 자세 정보를 얻을 수 있도록 하는 대상 물체 평면의 법선 벡터를 스테레오 비전의 특성을 이용하여 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the conventional technology, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for performing accurate image mosaicking on partially acquired images in order to obtain a hull- The normal vector of the object plane, which enables the robot to obtain the position and attitude information for aligning the image plane of the camera and the object plane so that the distance and posture from the surface to be inspected are kept constant, Based normal vector extracting apparatus and method thereof for an underwater inspection of a hull using an underwater robot capable of extracting the normal vector based on the characteristics of the underwater robot.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치는,According to an aspect of the present invention, there is provided a stereovision-

스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110);An underwater image enhancement unit 110 that receives a stereo image including left and right images of a target plane captured through a stereo camera, and then changes the brightness distribution to improve the image quality;

상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및A stereo vision unit 120 for calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on the camera coordinate system included in the left and right images with improved image quality; And

상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);를 포함하여 구성된다.And a plane determining unit 130 for determining a plane using the three-dimensional coordinates obtained by the stereo vision unit 120 and extracting and outputting a normal vector.

상기 수중영상개선부(110)는,The underwater image enhancement unit 110 includes:

입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성될 수 있다.The contrast limited adaptive histogram equalization method may be applied to improve the image quality by changing the brightness distribution of the inputted left and right images.

상기 스테레오 비전부(120)는,The stereo vision unit (120)

수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성될 수 있다.It is possible to apply epipolar geometry and stereo matching to the left and right images whose image quality has been improved by the underwater image improving unit 120 so as to calculate the three-dimensional coordinates of the stereo corresponding points with respect to the camera coordinate system .

상기 평면결정부(130)는,The plane determining unit 130 determines,

스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성될 수 있다.(RANDAM SAmple Consensus) technique is applied to the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120 to determine a plane using residual coordinates and to derive a normal to the determined plane .

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a stereovision-

수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100);An underwater image enhancement process (S100) in which an underwater image enhancement unit (110) receives a stereo image including left and right images of a target plane shot through a stereo camera, and then changes the brightness distribution to improve the image quality;

스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200); 및A three-dimensional coordinate calculation step (S200) of calculating the three-dimensional coordinates of the stereo corresponding points based on the camera coordinate system in which the stereo vision unit 120 is included in the left and right images with improved image quality; And

평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The plane determining unit 130 determines a plane using three-dimensional coordinates obtained from the stereo vision unit 120, extracts a normal vector, and outputs the extracted normal vector (S300).

상기 수중 영상 개선 과정(S100)은,The submerged image enhancement process (S100)

입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행될 수 있다.The contrast limited adaptive histogram equalization method may be applied to improve the image quality by changing the brightness distribution of the input left and right images.

상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은,The three-dimensional coordinate calculation process (S200)

수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정일 수 있다.Dimensional coordinates of stereo corresponding points on the basis of the camera coordinate system by applying epipolar geometry and stereo matching to the left and right images whose image quality is improved by the underwater image improving unit 120 .

상기 평면결정과정(S300)은,The planarization process (S300)

스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정일 수 있다.A method of applying a RANSAC (Solidarity Consensus) technique to the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120 to remove anomalous points, determining a plane using residual coordinates, and deriving a normal to the determined plane Lt; / RTI >

상술한 구성의 본 발명은, 카메라의 영상 평면과 대상 물체 평면을 정렬하기 위한 위치 및 자세 정보를 얻을 수 있도록 하는 대상 물체 평면의 법선 벡터를 스테레오 비전의 특성을 이용하여 추출할 수 있도록 하는 것에 의해, 수중 로봇이 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 함으로써, 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도를 얻기 위한 부분적으로 취득된 영상들에 대한 정밀한 영상 모자이킹을 수행할 수 있도록 하여, 수중 로봇을 이용한 선체 검사 작업의 효율성을 대폭 향상시키는 효과를 제공한다.The present invention having the above-described structure can extract the normal vector of the target object plane from which the position and orientation information for aligning the image plane of the camera and the target object plane can be obtained by using the characteristics of stereo vision , The underwater robot can keep track of the distance and attitude from the surface to be inspected and follow the underwater robot, so that the partially captured images for obtaining the hull image development result, which is the result of the hull inspection using the underwater robot, It is possible to perform accurate image mosaicing, thereby providing an effect of greatly improving the efficiency of the hull inspection work using an underwater robot.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출장치(100)의 블록 구성도.
도 2는 스테레오 이미지에 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 적용 결과 나타내는 도면.
도 3은 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산 과정을 나타내는 도면.
도 4는 법선벡터 추정 결과를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
1 is a block diagram of a stereoscopic vision-based normal vector extraction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a result of applying a Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method to a stereo image; FIG.
3 is a diagram illustrating a process of calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on a camera coordinate system.
4 is a diagram showing a result of normal vector estimation;
5 is a flowchart showing a process of a stereo-based-based normal vector extraction method according to an embodiment of the present invention;

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.The embodiments according to the concept of the present invention can be variously modified and can take various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the specification or the application. It is to be understood, however, that the intention is not to limit the embodiments according to the concepts of the invention to the specific forms of disclosure, and that the invention includes all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Also, the word "exemplary" is used herein to mean "serving as an example, instance, or illustration." Any aspect described herein as "exemplary " is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other aspects.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing embodiments of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출장치(100)의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a stereoscopic vision-based normal vector extraction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 상기 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)는, 수중영상개선부(110), 스테레오 비전부(120) 및 평면결정부(130)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the stereo vision-based normal vector extraction apparatus 100 includes an underwater image enhancement unit 110, a stereo vision unit 120, and a plane determination unit 130.

상기 수중영상개선부(110)는 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하도록 구성된다. 이때, 상기 수중영상개선부(110)는 입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성될 수 있다.The underwater image enhancement unit 110 is configured to improve a picture quality by changing a brightness distribution after receiving a stereo image including left and right images of a target plane shot through a stereo camera. At this time, the underwater image enhancement unit 110 may be configured to apply the Contrast-limited Adaptive Histogram Equalization (HALF) technique to improve the image quality by changing the brightness distribution of the inputted left and right images.

도 2는 스테레오 이미지에 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 적용 결과 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a result of applying a Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method to a stereo image. FIG.

도 2와 같이, 상기 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법은 영상의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키는 방법으로 수중 환경에서 인공조명 사용 시 광량 집중으로 발생하는 영상 데이터의 왜곡 문제를 최소화 할 수 있다.As shown in FIG. 2, the Contrast-limited Adaptive Histogram Equalization Method is a method of improving the image quality by changing the brightness distribution of an image, minimizing the distortion problem of image data caused by the concentration of light when using artificial illumination in an underwater environment can do.

상기 스테레오 비전부(120)는 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성된다. 상기 스테레오 비전부(120)는 수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성될 수 있다.The stereo vision unit 120 is configured to calculate the three-dimensional coordinates of the stereo corresponding points based on the camera coordinate system included in the left and right images with improved image quality. The stereoscopic vision unit 120 applies epipolar geometry and stereo matching to the left and right images with improved image quality by the underwater image enhancement unit 120 so that stereoscopic images of three- And calculate the coordinates.

도 3은 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산 과정을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a process of calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on a camera coordinate system.

도 3과 같이, 스테레오 비전부(120)에서 스테레오 캘리브레이션 과정에 의해 두 이미지 평면이 정렬된 상태에서 스테레오 매칭을 적용하여 이미지 포인트 Pl과 대응점 Pr가 얻어졌다면, 도 3과 같이, Pl에 대한 3차원 좌표 P를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 3, if stereo matching is applied in a state where two image planes are aligned by a stereo calibration process in the stereo vision unit 120 to obtain an image point Pl and a corresponding point Pr, as shown in FIG. 3, The coordinate P can be obtained.

도 3에서, Ileft: 좌측 이미지, Iright: 우측 이미지, Cl: 좌측 이미지 중심 Cr: 우측 이미지 중심, xl: 좌측 이미지에 속하는 대응점의 x축 좌표, yl: 좌측 이미지에 속하는 대응점의 y축 좌표, Ol: 좌측 이미지 좌표축의 원점, xr: 우측 이미지에 속하는 대응점의 x축 좌표, yr: 우측 이미지에 속하는 대응점의 y축 좌표, Or: 우측 이미지 좌표축의 원점, X: 카메라 기준 좌표계의 X축, Y: 카메라 기준 좌표계의 Y축, Z: 카메라 기준 좌표계의 Z축, f: 초점거리, T: 두 카메라의 좌표축간 거리, P: 카메라 기준 좌표계에서 표현된 대응점의 3차원 좌표를 나타낸다.X: the x-axis coordinate of the corresponding point belonging to the left image, yl: the y-axis coordinate of the corresponding point belonging to the left image, and Ol: the left image, Iright: Y: the y axis coordinate of the corresponding point belonging to the right image, Or: the origin of the right image coordinate axis, X: the X axis of the camera reference coordinate system, Y: the origin of the right image coordinate axis, Z represents the Z axis of the camera reference coordinate system, f represents the focal length, T represents the distance between the coordinate axes of the two cameras, and P represents the three-dimensional coordinate of the corresponding point expressed in the camera reference coordinate system.

상기 평면결정부(130)는 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하도록 구성된다. 상기 평면결정부(130)는, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성될 수 있다.The plane determining unit 130 is configured to determine a plane using three-dimensional coordinates obtained from the stereo vision unit 120 and to extract and output a normal vector. The plane determining unit 130 determines a plane using residual coordinates by applying RANSAC (Random Absolute Consensus) technique to the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120, And to derive a normal to the determined plane.

구체적으로, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보를 통해 각 픽셀에 해당하는 3차원 점군이 속하는 평면을 계산한다. 수중 환경에서 얻어진 영상을 통해 계산된 3차원 좌표 정보는 많은 이상점(outlier)들이 포함될 수 있으므로, 이를 강인하게 제거하기 위해 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 이용한다. RANSAC 기법의 적용을 통해 지배적인 평면에 대해 경향성이 같은 정상점(inlier)들을 추출할 수 있다. 다음은 평면 계산을 위해 적용된 RANSAC 알고리즘의 의사 코드(pseudo-code)의 예이다.Specifically, the plane in which the three-dimensional point group corresponding to each pixel belongs is calculated through the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120. Since the 3D coordinate information calculated through the image obtained in the underwater environment may contain many outliers, we use the RANSAC (Consecutive Random Space Consensus) method to robustly remove it. Through the application of the RANSAC technique, it is possible to extract steepest inliers with respect to the dominant plane. The following is an example of the pseudo-code of the RANSAC algorithm applied for the plane calculation.

Figure 112017035689283-pat00001
Figure 112017035689283-pat00001

도 4는 법선벡터 추정 결과를 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing a result of normal vector estimation.

도 4는 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)에 의해 얻어진 법선 벡터 추출 결과를 나타낸다. 도 4에서 녹색 점은 평면 계산에 활용된 정상점(inlier) 군을 나타내며, 붉은색 점은 RANSAC 알고리즘에 의해 이상점(outlier)으로 분류된 점들을 나타낸다. 파란색 선은 추정된 평면의 법선 벡터로, 이 벡터를 통해 기준 평면에 대한 카메라의 상대 거리 및 자세 정보를 계산할 수 있다.FIG. 4 shows a normal vector extraction result obtained by the stereo vision-based normal vector extraction apparatus 100 of the present invention. In FIG. 4, the green dot represents the group of inliers used for the plane calculation, and the red dot represents the points classified by the RANSAC algorithm as outliers. The blue line is the normal vector of the estimated plane through which the relative distance and attitude information of the camera to the reference plane can be calculated.

도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a process of a stereo-vector-based normal vector extraction method according to an embodiment of the present invention.

도 5와 같이, 상기 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법은, 수중 영상 개선 과정(S100), 3차원 좌표 계산 과정(S200) 및 평면 결정과정(S300)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 5, the stereo vision-based normal vector extraction method includes an underwater image enhancement process S100, a three-dimensional coordinate calculation process S200, and a plane determination process S300.

먼저, 수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100)을 수행한다. 상기 수중 영상 개선 과정(S100)은, 입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행될 수 있다.First, an underwater image enhancement unit 110 receives a stereo image including left and right images of a target plane photographed through a stereo camera, and then changes the brightness distribution to improve an image quality. . The underwater image enhancement process S100 may be performed by applying a Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method to improve the image quality by changing the brightness distribution of the input left and right images.

다음으로, 스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200)을 수행한다. 상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은, 수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정일 수 있다.Next, the stereo vision unit 120 performs a three-dimensional coordinate calculation process (S200) of calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on the camera coordinate system including the left and right images with improved image quality. In the three-dimensional coordinate calculation step (S200), epipolar geometry and stereo matching are applied to the left and right images with improved image quality by the underwater image improving unit 120, and a stereo corresponding point Dimensional coordinates of the target object.

이 후, 상기 평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300)을 수행한다. 상기 평면결정과정(S300)은, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정일 수 있다.Thereafter, the plane determining unit 130 determines a plane using the three-dimensional coordinates obtained by the stereo vision unit 120, extracts a normal vector, and performs a plane determining process (S300). The plane determining process S300 is a process of determining a plane using residual coordinates by applying a RANSAC (Random Absolute Consensus) technique to three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120, And deriving a normal to the determined plane.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 스테레오 기반 법선 벡터 추출 장치100: Stereo-based normal vector extraction device

Claims (8)

수중 로봇을 이용하여 선체의 수중 검사를 위해 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110);
상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및
상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);
상기 수중영상개선부(110)는,
입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
An underwater image enhancement unit 110 for improving the image quality by receiving a stereo image including left and right images of a target plane photographed through a stereo camera using an underwater robot for underwater inspection, ;
A stereo vision unit 120 for calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points based on the camera coordinate system included in the left and right images with improved image quality; And
A plane determination unit (130) for determining a plane using the three-dimensional coordinates obtained by the stereo vision unit (120) and extracting and outputting a normal vector;
The underwater image enhancement unit 110 includes:
A stereo vision-based normal vector extraction device configured to apply a contrast-limited adaptive histogram equalization method to improve image quality by changing a brightness distribution of inputted left and right images.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 스테레오 비전부(120)는,
수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성되며,
상기 평면결정부(130)는,
스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
The stereoscopic vision system according to claim 1, wherein the stereoscopic vision unit (120)
Dimensional coordinates of stereo corresponding points on the basis of the camera coordinate system by applying epipolar geometry and stereo matching to the left and right images whose image quality is improved by the underwater image improving unit 120,
The plane determining unit 130 determines,
(RANDAM SAmple Consensus) technique is applied to the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120 to determine a plane using residual coordinates and to derive a normal to the determined plane Stereo Vision Based Normal Vector Extraction Device.
삭제delete 수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100);
스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200); 및
평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300);
상기 수중 영상 개선 과정(S100)은,
입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
An underwater image enhancement process (S100) in which an underwater image enhancement unit (110) receives a stereo image including left and right images of a target plane shot through a stereo camera, and then changes the brightness distribution to improve the image quality;
A three-dimensional coordinate calculation step (S200) of calculating the three-dimensional coordinates of the stereo corresponding points based on the camera coordinate system in which the stereo vision unit 120 is included in the left and right images with improved image quality; And
A plane determining step (S300) of determining the plane by using the three-dimensional coordinates obtained by the stereo vision unit (120), extracting a normal vector and outputting the normal vector;
The submerged image enhancement process (S100)
A stereo vision-based normal vector extraction method performed by applying a Contrast-limited Adaptive Histogram Equalization (AMC) technique to improve image quality by varying the brightness distribution of inputted left and right images.
삭제delete 청구항 5에 있어서, 상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은,
수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정;
상기 평면결정과정(S300)은,
스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정인 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
The method of claim 5, wherein the three-dimensional coordinate calculation step (S200)
Calculating three-dimensional coordinates of stereo corresponding points on the basis of the camera coordinate system by applying epipolar geometry and stereo matching to the left and right images whose image quality is improved by the underwater image improving unit 120;
The planarization process (S300)
A method of applying a RANSAC (Solidarity Consensus) technique to the three-dimensional coordinate information obtained by the stereo vision unit 120 to remove anomalous points, determining a plane using residual coordinates, and deriving a normal to the determined plane Stereo Vision Based Normal Vector Extraction Method.
삭제delete
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