KR102061461B1 - 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법이 개시된다. 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법은, 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법으로서, 제1 레벨 내지 제n 레벨의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보를 획득하는 단계, 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보에서 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 1차 방정식을 구하는 단계, 및 1차 방정식과 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법{STEREO CAMERA SYSTEM USING VARI-FOCAL LENS AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 스테레오 카메라에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
스테레오 카메라는 일정 간격 이격되어 설치되는 두 대의 카메라들에 탑재된 두 개의 이미지 센서들에서 각각의 영상정보를 획득하고 영상 제어 프로그램 등을 이용하는 제어장치에서 싱크를 맞춰 영상을 출력하는 장치이다. 스테레오 카메라는 삼각법을 기반으로 거리 정보를 획득할 수 있는 장치로서 영상과 거리 정보를 동시에 제공할 수 있다.
이러한 스테레오 카메라는 모노 카메라 사용 방식에 비해 하드웨어 가격이 비싸고 알고리즘 복잡도가 높은 단점이 있지만, 하드웨어와 소프트웨어 기술의 발전으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다. 일례로, 스테레오 카메라는 주변 환경을 인식하는 스테레오 비전, 지능형 로봇의 지각 센서들 중 중추적인 역할을 담당하는 시각센서, 지능형 교통체계에서 도로 정보의 실시간 수집과 처리를 위해 차량을 검지하고 차량 모델을 인식하는 교통 모니터링 장치 등으로 사용되고 있다.
한편, 스테레오 비전이라 불리는 종래의 방법에서는 고정된 초점거리를 사용할 수밖에 없어서, 측정할 수 있는 최대거리는 그에 상응하여 제한적이고, 카메라가 바라보는 방향 역시 고정되는 방식이어서, 다른 방향으로의 전환은 불가능하였다.
또한, 종래의 스테레오 카메라 시스템에서 측정거리를 확장하고자 하거나 현재 방향과 다른 방향을 촬영하고자 하는 경우에는 초점거리가 다른 렌즈로 교환하고 촬영방향을 변경하여 재설치한 다음, 계산에 필요한 모든 환경(내부표정, 외부표정, 영상정렬 등)을 재구성하는 복잡한 과정을 거치게 된다.
또한, 고정된 초점거리 렌즈를 이용하는 경우 측정 최대값에 근접할수록 거리 간극이 넓어지거나 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2017-0078031(2017.07.07.)
본 발명은 전술한 종래기술의 한계를 극복하고 가변 초점거리 렌즈를 스테레오 카메라에서 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 안개 등의 시정 환경의 변화에 따라 스테레오 카메라의 줌 동작으로 가시거리를 적절하게 제어하고 해당 시정 환경에서 최적의 스테레오 영상을 얻을 수 있는 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 스테레오 카메라 시스템은, 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법으로서, 제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보를 획득하는 단계; 상기 줌 레벨 각각에 대한 상기 스테레오 영상 보정 정보에서 상기 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 1차 방정식을 구하는 단계; 및 상기 1차 방정식과 상기 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 상기 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정하는 단계;를 포함한다.
일실시예에서, 상기 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법은, 상기 결정하는 단계 전에, 상기 주점의 위치들에 기초하여 상기 주점들 간의 주점 이동 거리를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 획득하는 단계는, 제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제1 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제1 카메라의 제1 영상을 캘리브레이션하는 단계; 제2 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제2 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제2 카메라의 제2 영상을 캘리브레이션하는 단계; 상기 제1 영상과 상기 제2 영상 각각에서 특징점들을 추출하는 단계; 캘리브레이션된 제1 영상과 캘리브레이션된 제2 영상의 대응 특징점들을 y축상에서 매칭시키는 단계; 상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 정렬하여 제1 정규화 영상 및 제2 카메라의 제2 정규화 영상을 생성하는 단계; 상기 제1 정규화 영상과 상기 제2 정규화 영상 중 어느 하나의 영상을 기준으로 나머지 영상에 대하여 각 픽셀에서의 시차를 기록한 깊이 지도를 생성하는 단계; 및 상기 깊이 지도에서 픽셀 단위의 시차에 기초하여 제1 카메라와 제2 카메라에서 촬영한 스테레오 영상을 보정하기 위한 스테레오 영상 보정 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 획득하는 단계는, 체크보드를 다수의 각도에서 촬영한 영상들에 기초하여 좌우 카메라 각각의 가변 초점거리 렌즈에 의한 초점길이와 주점을 포함한 매개변수(parameter)를 추출하는 단계; 상기 좌우 카메라의 좌우 영상에서 특징점을 추출하는 단계; 상기 매개변수를 토대로 캘리브레이션된 상기 좌우 영상의 특징점 중 공액점을 기준으로 좌우 영상을 정렬하여 정규화 영상을 생성하는 단계; 상기 정규화 영상에 대한 스테레오 정합을 수행하는 단계; 및 상기 스테레오 정합된 정합 영상에서 각 픽셀의 시차를 기록하여 깊이 지도를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 스테레오 카메라 시스템은, 제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제1 카메라; 상기 제1 카메라에 결합하는 제1 수평조정장치; 제2 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제2 카메라; 상기 제2 카메라에 결합하는 제2 수평조정장치; 상기 제1 카메라, 상기 제1 수평조정장치, 상기 제2 카메라 및 상기 제2 수평조정장치를 수납하는 카메라 하우징; 상기 카메라 하우징에 결합하는 팬틸트 드라이버; 및 상기 제1 카메라, 상기 제1 수평조정장치, 상기 제2 카메라, 상기 제2 수평조정장치 및 상기 팬틸트 드라이버에 연결되는 구동제어부를 포함하고, 상기 구동제어부는 제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보에서 상기 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 직선 또는 1차 방정식과 상기 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 상기 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정한다.
일실시예에서, 상기 구동제어부에서 접근가능한 기록매체에 저장되는 스테레오 영상 보정 정보는, 상기 제1 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제1 카메라의 제1 영상을 캘리브레이션하고, 상기 제2 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제2 카메라의 제2 영상을 캘리브레이션하고, 상기 제1 영상과 상기 제2 영상 각각에서 특징점들을 추출하고, 캘리브레이션된 제1 영상과 캘리브레이션된 제2 영상의 대응 특징점들을 y축상에서 정렬시켜 제1 카메라의 제1 정규화 영상 및 제2 카메라의 제2 정규화 영상을 생성하고, 제1 정규화 영상과 제2 정규화 영상 중 어느 하나의 영상을 기준으로 나머지 하나의 영상에 대하여 각 픽셀에서의 시차를 기록하여 깊이 지도를 생성할 수 있다.
일실시예에서, 상기 구동제어부는, 상기 제1 및 제2 카메라들의 촬영 영상들을 에피폴라 기하에 의해 정규화하는 영상처리모듈; 및 상기 정규화된 영상들에서 깊이지도(depth map)를 생성하는 DM(depth map)생성모듈을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 영상처리모듈은, 상기 2대의 스테레오 카메라에 속한 제1 카메라와 제2 카메라 각각의 가변 초점거리 렌즈의 특정 줌 배율에서 영상 캘리브레이션을 수행하여 매개변수를 측정하는 단계; 제1 카메라의 제1 영상과 제2 카메라의 제2 영상에서 특징점을 각각 추출하고 두 영상의 공액점을 추출하는 단계; 두 영상의 공액점을 y축에 정렬시켜 두 영상을 정규화하는 단계; 및 정규화된 두 영상을 스테레오 정합하는 단계;를 포함할 수 있다.
일실시예에서, DM 생성모듈은, 스테레오 정합된 두 영상에 대하여 어느 한 영상을 기준으로 나머지 한 영상의 깊이 지도(depth map)를 생성하는 단계; 및 상기의 단계들을 적어도 조작가능한 줌 배율 개수만큼 반복 수행하여 가변 초점거리 렌즈의 모든 줌 배율 각각에 대하여 깊이 지도들을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 깊이 지도들을 생성하는 단계는 최소배율에서 최대배율까지 또는 최대배율에서 최소배율까지 줌 배율을 단계별 변경하면서 반복 수행하고, 초점거리 상관 그래프 및 주점변화 데이터를 생성할 수 있다. 생성된 데이터는 정보저장모듈에 저장될 수 있다.
일실시예에서, 영상장비제어모듈은 줌 배율에 따라 생성된 깊이지도, 저장된 깊이지도 혹은 줌 배율에 따른 깊이 지도들 각각의 주점의 관계를 줌 배율에 따른 일차 방정식으로 산출한 결과에 기초하여 제1 카메라와 제2 카메라를 포함한 영상 장비를 제어할 수 있다.
전술한 스테레오 카메라 시스템 및 그 작동 방법을 사용하는 경우에는, 스테레오 카메라에서 가변 초점거리 렌즈의 줌 레벨에 따라 그에 적합한 주점과 초점거리로 스테레오 영상을 높은 신뢰도와 품질로 안정성 있게 보정하여 출력할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 안개 등의 시정 환경의 변화에 맞추어 스테레오 카메라에서 가장 적절하게 측정할 수 있는 가시거리로 렌즈의 초점거리를 자동으로 조정할 수 있고 그에 의해 교통 모니터링용 스테레오 카메라에서 작동 편의성과 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 도 1의 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법 중 스테레오 영상 보정 정보의 획득 과정에 대한 상세 흐름도이다.
도 3은 도 2의 상세 흐름도에서 영상 캘리브레이션 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 도 3의 영상 캘리브레이션 과정을 통해 얻은 매개변수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 도 2의 상세 흐름도에서 공액점 추출 및 영상 정렬 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 1의 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법 중 각 줌 레벨에서의 주점의 상대적인 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법에 대한 순서도이다.
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 9는 도 8의 스테레오 카메라 시스템에 채용되는 시차와 거리와의 관계를 예시한 그래프이다.
도 10은 도 8의 스테레오 카메라 시스템에 채용할 수 있는 초점거리와 줌 배율과의 관계를 예시한 그래프이다.
도 11은 도 8의 스테레오 카메라 시스템의 활용 방법을 예시한 흐름도이다.
도 12는 도 11의 활용 방법에 따라 스트레오 카메라의 가시거리를 자동 조정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 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.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법에 대한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법은, 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법으로서, 제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보를 획득하는 단계(S10), 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보에서 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 1차 방정식을 구하는 단계(S20), 및 1차 방정식과 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정하는 단계(S30)를 포함한다.
스테레오 영상 보정 정보는 스테레오 카메라의 제1 카메라와 제2 카메라 각각에 탑재된 가변 초점거리 렌즈의 각 줌 레벨에 대하여 소정의 전처리 과정을 통해 획득한 깊이 지도 혹은 이러한 깊이 지도들 간의 주점들의 관계를 포함할 수 있다. 주점들의 관계는 주점들에 가장 인접하게 지나는 1차 방정식이나 최소 배율에서 최대 배율로 줌 배율이 변할 때 최소 배율에서 이동 배율까지의 주점의 이동 거리와 방향을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법 중 스테레오 영상 보정 정보의 획득 과정에 대한 상세 흐름도이다. 도 3은 도 2의 상세 흐름도에서 영상 캘리브레이션 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 4는 도 3의 영상 캘리브레이션 과정을 통해 얻은 매개변수를 설명하기 위한 예시도이다. 도 5는 도 2의 상세 흐름도에서 공액점 추출 및 영상 정렬 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 6은 도 1의 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법 중 각 줌 레벨에서의 주점의 상대적인 위치를 계산하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 스테레오 영상 보정 정보의 획득 과정은, 제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제1 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 제1 카메라의 제1 영상을 캘리브레이션하고, 제2 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제2 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 제2 카메라의 제2 영상을 캘리브레이션하는 단계를 포함한다(S11).
영상 캘리브레이션은 영상처리모듈에 의해 수행될 수 있다. 영상 캘리브레이션은 스테레오 카메라의 촬영 영상들에 대하여 수행될 수 있다(도 3 참조). 도 3에서 (a)는 렌즈 왜곡 보정 전 영상이고, (b)는 렌즈 왜곡 보정 후 영상이다.
예를 들어, 영상 캘리브레이션은 스테레오 카메라의 제1 카메라와 제2 카메라에 대하여 빛이 잘 비취는 밝은 장소에서 촬영을 하고, 초점거리, 주점 등의 각 매개변수의 값을 산출할 수 있다(도 4 참조).
측정된 파라메타는 도 4에 도시한 바와 같이 캘리브레이션 일자(calibration date), 영상 개수(number of images), 베이스 템플릿(base, template), 영상의 사각형 크기(square size), 초점 거리(focal length), 주점(principal point), 왜곡(distortion), 카메라 매트릭스(the camera matrix), 픽셀 에러(pixel error)를 포함하고, 측정 결과에 따른 값(values)를 가질 수 있다.
다음, 상기의 획득 과정은, 제1 영상과 제2 영상 각각에서 특징점들을 추출하고 두 영상의 대응 특징점들을 연결한 공액점을 추출하는 단계를 포함한다(S12).
공액점 추출 과정은 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 카메라와 제2 카메라의 촬영 영상에 대하여 대응 특징점을 연결하고 원하지 않는 대응 특징점을 삭제하는 방식으로 수행될 수 있다.
일례로, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 카메라의 좌/우 영상((L) 및 (R))에서 특징점을 추출하고, 대응 특징점들 간을 연결한 직선의 기울기의 오차범위를 설정하고, 오차범위를 벗어나는 일부 특징점(CP_err)을 제거할 수 있다.
오차범위를 벗어난 특징점이 제거된 영상은 영상처리모듈에서 에피폴라 기하에 의해 에피폴라 매트릭스를 생성하는데 이용될 수 있다. 영상처리모듈에 의해 생성된 정보는 메모리나 데이터저장부에 저장될 수 있다.
다음, 상기의 획득 과정은, 캘리브레이션된 제1 영상과 캘리브레이션된 제2 영상의 대응 특징점들을 y축상에서 정렬하여 정규화 영상을 생성하는 단계를 포함한다(S13). 그리고 상기의 획득 과정은, 정규화된 제1 영상과 제2 영상을 스테레오 정합하는 단계를 포함한다(S14).
다음, 상기의 획득 과정은, 스테레오 정합된 제1 영상과 제2 영상에서 각 픽셀에서의 시차를 기록하여 깊이 지도를 생성하는 단계를 포함한다(S15).
다음, 상기의 획득 과정은, 줌 배율별 깊이 지도에서 픽셀 단위의 시차에 기초하여 제1 카메라와 제2 카메라에서 촬영한 스테레오 영상을 보정하기 위한 스테레오 영상 보정 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 스테레오 영상 보정 정보는 제1 카메라와 제2 카메라의 동작이나 초점거리 등을 조정하는데 이용될 수 있으며, 각 깊이지도에서의 주점들 간의 관계를 산출하는데 이용될 수 있다(S16).
깊이 지도와 주점들 간의 관계는 스테레오 카메라의 줌 동작 시(S17), 이동되는 줌 레벨 또는 줌 배율에 대한 특정 깊이 지도에 저장된 시차 정보를 이용하여 스테레오 카메라의 초점거리를 조정하거나 촬영 영상을 처리하는데 이용될 수 있다(S18).
줌 배율별 광학 중심점(center)인 주점 위치는 일례로써 도 6을 참조할 수 있다. 도 6에서는 가변 초점거리 렌즈의 1배율에서 32배율까지의 줌 배율에서의 주점이 적색 점들로 표시되어 있다. 이러한 줌 배율에 따른 주점들은 보통 방향이 상이할 뿐 외곽에서 중심을 향한 직선 형태를 가지는 것을 확인하였다. 이에 본 실시예에서는 이러한 줌 배율과 주점들 간의 관계를 이용하여 직선 방정식을 계산하고, 계산하여 얻은 직선 방정식을 이용하여 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라에서 효과적으로 영상을 획득하도록 이루어진다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법에 대한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법은, 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법으로서, 제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보를 획득하는 단계(S10), 각 줌 레벨의 스테레오 영상 보정 정보를 토대로 각 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 근접하게 지나는 직선 혹은 1차 방정식을 계산하는 단계(S22), 주점의 위치들에 기초하여 주점들 간의 주점 이동 거리를 산출하는 단계(S24), 및 카메라의 가변 초점거리 렌즈의 줌 레벨 변경에 따라 이동 주점의 위치를 결정하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 주점 이동 거리를 산출하여 더욱 효과적으로 스테레오 카메라를 제어하고 신뢰성 있는 스테레오 영상을 얻도록 이루어진다.
주점 이동 거리는 다음의 수학식 1에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112019102886076-pat00001
위의 수학식 1에서,
Figure 112019102886076-pat00002
는 렌즈의 최고 배율,
Figure 112019102886076-pat00003
는 최고 배율에서의 변위(최대변위), 그리고
Figure 112019102886076-pat00004
는 임의의 렌즈 배율(n)에서의 변위를 각각 나타낸다.
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 9는 도 8의 스테레오 카메라 시스템에 채용되는 시차와 거리와의 관계를 예시한 그래프이다. 도 10은 도 8의 스테레오 카메라 시스템에 채용할 수 있는 초점거리와 줌 배율과의 관계를 예시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템은 크게 카메라부(10)와 제어부(20)로 구분된다.
카메라부(10)는 제1 가변초점 카메라(11)(이하 간략히 '제1 카메라'라고도 한다), 제1 카메라(11)에 결합하는 제1 수평조정 장치(13), 제2 가변초점 카메라(12)(이하 간략히 '제2 카메라'라고도 한다), 제2 카메라(12)에 결합하는 제2 수평조정 장치(14), 카메라 하우징(15), 및 팬틸트 구동 장치(16)를 구비하고, 카메라부(10)의 각 구성요소의 동작은 제어부(20)에 의해 제어될 수 있다.
또한, 카메라부(10)에서 제1 카메라(11)는 제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하고, 제2 카메라(12)는 제2 가변 초점거리 렌즈를 구비한다. 카메라 하우징(15)은 제1 카메라(11) 및 제1 수평조정 장치(13)의 결합 구조와 제2 카메라(12) 및 제2 수평조정 장치(14)의 결합 구조를 수납한다.
카메라 하우징(15) 내에서 제1 수평조정 장치(13)와 제2 수평조정 장치(14)는 각 장치와 결합된 카메라를 3축(x,y,z) 방향에서의 이동이나 각도 조정을 통해 그 수평 상태를 정렬할 수 있다.
팬틸트 구동 장치(16)는 카메라 하우징(15)에 결합하여 가변 초점거리 렌즈(zoom lens)를 구비하고 일정 거리 이격 배치되는 제1 및 제2의 카메라들과 이들의 수평조정장치들의 결합 구조를 팬 및/혹은 틸트 구동한다.
본 명세서에서 제1 카메라와 제2 카메라는 스테레오 카메라로 지칭될 수 있다. 제1 카메라(11)와 제2 카메라(12)는 하드웨어적으로 동일한 사양의 가변 초점거리 렌즈와 이미지 센서를 사용할 수 있다. 하지만, 동일한 사양과 모델의 가변 초점거리 렌즈와 이미지 센서를 사용하더라도 이들 부품은 미세하지만 유의미한 특성 혹은 성능 차이를 가질 수 있다. 이에 본 발명에서는 가변 초점거리 렌즈 자체나 설치 오차 등에 의해 스테레오 카메라에서 줌 배율을 사용하기 어려운 문제를 효과적으로 해결하여 그에 대하여는 아래에서 상세히 설명될 것이다.
제어부(20)는, 통신모듈(21), 프로세서(22) 및 메모리(미도시)를 구비하고, 프로세서(22)는 전처리모듈(23), 영상처리모듈(24), DM(depth map)생성모듈(25), 영상장비제어모듈(26), 및 정보저장모듈(27) 등을 탑재할 수 있다.
제어부(20)는 카메라부(10)가 설치된 장소에 함께 또는 인접하게 설치될 수 있다. 또한, 제어부(20)는 카메라부(10)가 설치된 장소와 상대적으로 멀리 떨어진 원거리 장소에 설치될 수 있다. 이 경우, 제어부(20)는 카메라부(10)의 통신서브시스템과 인터넷 등의 고속 네트워크를 통해 신호(S11 내지 S15)나 데이터 등을 송수신할 수 있다. 네트워크는 유선, 무선 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전처리모듈(23)은 스테레오 카메라의 촬영 영상에서 매개변수(parameter)를 측정할 수 있다. 전처리모듈(23)은 제1 카메라(11)와 제2 카메라(12)의 가변 초점거리 렌즈(Zoom Lenz)를 통한 최소 배율부터 최대 배율까지 사용가능한 모든 배율에 대한 모든 매개변수(parameter)를 측정하고, 측정된 매개변수에 기초하여 도 9에 도시한 바와 같이 줌 배율과 초점거리의 관계를 정의하고, 줌 배율별 주점의 변화에 따른 거리별 적용 시차를 결정할 수 있다.
또한, 전처리모듈(23)은 제1 카메라와 제2 카메라의 최소배율에서부터 최대배율에 이르기까지 생성된 각각의 매개변수에 대해 줌배율과의 선형방정식을 구하고, 구해진 선형방정식과 각 줌배율에 따른 파라메타 정보를 메모리 등의 정보저장부에 기록할 수 있다,
전술한 선형방정식은 줌 배율별 초점거리와의 상관관계를 나타내는 선형방정식과 거리에 다른 시차와의 상관관계를 나타내는 선형방정식일 수 있다. 이러한 선형방정식은 거리에 따라 시차의 오차범위 즉, 물리적으로 지원가능한 최대 시차에서 허용가능한 오차를 가지는 최소 시차(이하 '기준 시차'라고도 한다)를 고려하여 작성될 수 있다(도 10 참조).
여기서, 매개변수란 카메라의 초점거리, 줌배율별 거리, 거리별 시차, 줌배율별 광학 중심점(center)인 주점 위치 등 각종 파라메타를 포함할 수 있다. 시차는 2대의 카메라의 주점 간의 거리로서 이미지 센서 상의 픽셀 개수나 픽셀의 개수에 의해 결정되는 길이(픽셀거리값)을 가리킬 수 있다.
영상처리모듈(24)은 2대의 스테레오 카메라의 촬영 영상에서 영상 캘리브레이션을 수행하거나 특징점을 추출하고, 에피폴라 기하에 의해 에피폴라 매트릭스를 생성할 수 있다.
DM(depth map)생성모듈(25)은 스테레오 정합된 제1 영상과 제2 영상에서 깊이지도(depth map)를 생성한다.
영상장비제어모듈(26)은 제1 카메라(11), 제2 카메라(12), 제1 수평조정 장치(13), 제2 수평조정 장치(14) 및 팬틸트 구동 장치(16)의 동작을 제어한다.
영상장비제어모듈(26)은 제1 카메라(11)와 제2 카메라(12)에 각각 결합된 제1 수평조정 장치(13)와 제2 수평조정 장치(14)의 수평 정렬을 위한 팬 또는 틸팅 동작을 제어할 수 있고, 카메라부(10) 전체가 설정된 목표 지역에서 원하는 위치를 포커싱하도록 팬틸트 구동 장치(16)의 팬 또는 틸팅 동작을 제어할 수 있다.
이러한 영상장비제어모듈(26)은 제1 카메라(11) 및 제2 카메라(12)의 줌 배율을 동일한 배율로 동시 제어하거나 각각 다른 배율로 개별적으로 조정할 수 있으며, 제1 내지 제2 수평조정 장치를 제어하여 2대의 카메라의 수평을 조정할 수 있다.
정보저장모듈(27)는 램(RAM), 롬(ROM) 등의 반도체 메모리, 플래시 메모리, 하드디스크, 광디스크 등의 저장 수단을 포함하여 스테레오 카메라 시스템의 전처리모듈(23), 영상처리모듈(24), DM(depth map)생성모듈(25), 영상장비제어모듈(26)에서 처리된 데이터, 생성된 데이터, 촬영 영상 등을 저장할 수 있으며, 각 모듈의 구동을 위한 구동 제어 프로그램을 소프트웨어 모듈 형태로 저장할 수 있다.
통신모듈(21)은, 스테레오 카메라 시스템 내 각 구성요소 간의 신호 및 데이터의 송수신을 지원할 수 있다. 또한, 통신모듈(21)은 본 시스템 내에서 프로세스 유닛들 간의 상호 연동을 위한 연결을 제공하거나 지원하는 수단이나 구성부를 포함할 수 있다. 통신모듈(21)은, 유선 통신망, 무선 통신망, 인트라넷, 이더넷, 근거리 무선 통신망 또는 이들의 조합을 지원하기 위한 적어도 하나의 통신 서브 시스템을 구비할 수 있다.
도 11은 도 8의 스테레오 카메라 시스템의 활용 방법을 예시한 흐름도이다. 도 12는 도 11의 활용 방법에 따라 스트레오 카메라의 가시거리를 자동 조정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 스테레오 카메라 시스템은 교통 모니터링 장치로 사용될 수 있다. 그 경우, 스테레오 카메라 시스템은 교통 모니터링 중에 스테레오 카메라 촬영을 수행하고(S111, S112), 촬영 영상의 영상 분석을 통해 시정 악화로 판단되면(S113의 예스), 줌 배율별 깊이지도를 이용하여 가시거리를 기준으로 특정 줌 배율을 설정하고(ㄴ114, S115), 팬틸트 구동으로 카메라의 촬영 중심점을 이용하여 소정의 촬영 각도로 스테레오 카메라의 회전시킴으로써(S116), 현재 시정 환경에서 가장 적합한 스테레오 영상을 촬영하도록 동작할 수 있다.
일례로, 도 12에 도시한 바와 같이, (a)의 제1 카메라 영상(오른쪽)에 대한 등깊이선을 검출하기 위한 영상(왼쪽)에서와 같이, 10배의 줌 배율에서 초점 거리 501m로 도로를 촬영하고 있을 때, (b)의 제2 카메라 영상(오른쪽) 내 특정 영역(A1)에서와 같이 안개로 인하여 시정이 좋지 않게 된 경우, 제2 카메라 영상에서의 차선에 대한 등깊이선이 상대적으로 짧게 검출되고 실질적인 시정거리가 331m가 되는 것을 감지된 경우, 본 실시예에 따른 카메라 시스템에서는 (c)의 제3 카메라 영상(오른쪽)과 같이 팬틸트 조정 장치로 초점거리331m에 근접한 317m로 카메라 하우징의 촬영 각도를 내려서 카메라에 좀더 근접한 도로 영역을 촬영하도록 한 후에 줌 배율을 초점 거리에 맞추어 10배에서 5배로 감소시킴으로써 제3 카메라 영상의 특정 영역(A2)에서와 같이 실질적인 가시거리를 연장할 수 있다.
위에서 살핀 바와 같이, 본 발명에 의하면, 가변 초점거리 렌즈를 구비한 스테레오 카메라에서 가변 초점거리 렌즈의 줌 레벨에 따라 그에 적합한 주점과 초점거리로 높은 신뢰도와 우수한 품질의 스테레오 영상을 획득할 수 있고, 안개 등의 시정 환경의 변화에 맞추어 스테레오 카메라에서 가장 적절하게 가시거리로 스테레오 카메라의 모니터링 환경을 조정할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 가변 초점거리 렌즈를 이용하는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법으로서,
    제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보를 획득하는 단계;
    상기 줌 레벨 각각에 대한 상기 스테레오 영상 보정 정보에서 상기 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 1차 방정식을 구하는 단계;
    상기 주점의 위치들에 기초하여 상기 주점들 간의 주점 이동 거리를 산출하는 단계; 및
    상기 1차 방정식과 상기 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 상기 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 획득하는 단계는,
    제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제1 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제1 카메라의 제1 영상을 캘리브레이션하는 단계;
    제2 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제2 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제2 카메라의 제2 영상을 캘리브레이션하는 단계;
    상기 제1 영상과 상기 제2 영상 각각에서 특징점들을 추출하는 단계;
    캘리브레이션된 제1 영상과 캘리브레이션된 제2 영상의 대응 특징점들을 y축상에서 정렬하여 상기 제1 카메라의 제1 정규화 영상 및 제2 카메라의 제2 정규화 영상을 생성하는 단계;
    상기 제1 정규화 영상과 상기 제2 정규화 영상 중 어느 하나의 영상을 기준으로 나머지 하나의 영상에 대하여 각 픽셀에서의 시차를 기록하여 깊이 지도를 생성하는 단계; 및
    상기 깊이 지도에 기초하여 상기 제1 카메라와 상기 제2 카메라에서 촬영한 스테레오 영상을 보정하기 위한 스테레오 영상 보정 정보를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 주점의 위치는, 상기 제1 및 제2 가변 초점거리 렌즈의 줌 배율별 광학 중심점(center)인 주점 위치로서, 서로 다른 스테레오 카메라에 설치되는 제1 및 제2 가변 초점거리 렌즈에서 방향이 상이할 뿐 외곽에서 중심을 향한 직선 형태를 가지는 스테레오 카메라 시스템의 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제1 카메라;
    상기 제1 카메라에 결합하는 제1 수평조정장치;
    제2 가변 초점거리 렌즈를 구비하는 제2 카메라;
    상기 제2 카메라에 결합하는 제2 수평조정장치;
    상기 제1 카메라, 상기 제1 수평조정장치, 상기 제2 카메라 및 상기 제2 수평조정장치를 수납하는 카메라 하우징;
    상기 카메라 하우징에 결합하는 팬틸트 드라이버; 및
    상기 제1 카메라, 상기 제1 수평조정장치, 상기 제2 카메라, 상기 제2 수평조정장치 및 상기 팬틸트 드라이버에 연결되는 구동제어부를 포함하고,
    상기 구동제어부는, 상기 제1 및 제2 카메라들의 촬영 영상들을 에피폴라 기하에 의해 정규화하는 영상처리모듈; 및 상기 정규화된 영상들에서 깊이지도(depth map)를 생성하는 DM(depth map)생성모듈을 포함하고,
    상기 구동제어부는 제1 레벨 내지 제n 레벨(여기서, n은 2 이상의 자연수)의 줌 레벨 각각에 대한 스테레오 영상 보정 정보에서 상기 줌 레벨에서의 주점의 위치들을 가장 근접하게 지나는 직선 또는 1차 방정식과 상기 주점들 간의 주점 이동 거리에 기초하여 상기 제1 및 제2 카메라의 줌 레벨의 변화에 따라 이동 주점의 위치를 결정하며,
    상기 구동제어부에서 접근가능한 기록매체에 저장되는 스테레오 영상 보정 정보는, 상기 제1 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제1 카메라의 제1 영상을 캘리브레이션하고, 상기 제2 카메라의 초점거리와 주점의 위치에 기초하여 상기 제2 카메라의 제2 영상을 캘리브레이션하고, 상기 제1 영상과 상기 제2 영상 각각에서 특징점들을 추출하고, 캘리브레이션된 제1 영상과 캘리브레이션된 제2 영상의 대응 특징점들을 y축상에서 정렬하여 상기 제1 카메라의 제1 정규화 영상 및 제2 카메라의 제2 정규화 영상을 생성하고, 상기 제1 정규화 영상과 상기 제2 정규화 영상에서 대응 픽셀들 간의 시차를 기록하여 깊이 지도를 생성한 후, 상기 깊이 지도에 기초하여 생성되며,
    상기 주점의 위치는, 상기 제1 및 제2 가변 초점거리 렌즈의 줌 배율별 광학 중심점(center)인 주점 위치로서, 서로 다른 스테레오 카메라에 설치되는 제1 및 제2 가변 초점거리 렌즈에서 방향이 상이할 뿐 외곽에서 중심을 향한 직선 형태를 가지는 스테레오 카메라 시스템.
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