KR102131493B1 - 스마트폰과 qr코드를 이용한 실내측위 방법 - Google Patents

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Abstract

스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 (a)카메라와 QR 코드와의 거리 및 각도를 측정하기 위해 캘리브레이션을 수행하는 단계; (b)QR코드를 향한 카메라의 방향을 검출하는 단계;를 포함하되, 상기 (a)단계는, 하기의 수학식 (1)을 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하고,
(1) Pi = K ㆍB ㆍPw = K ㆍ[R ｜t]ㆍPw
(상기의 식에서 Pi 는 2차원상의 평면에서의 한 점을 나타내며, K는 내부 파라미터, E는 외부 파라미터, Pw 는 3차원상의 한 점을 나타냄)
상기 (b)단계는, 하기의 수학식 (2)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
(2) Pc = RPs + T, Ps = R-1 (Pc -T)
(상기의 식에서 3차원 공간상의 한 점 Pw 에 대한 월드좌표를 Ps 라 할때, 카메라에서의 좌표는 Pc 이며, 회전변환행렬을 R, 평형이동 벡터를 T라 함)

Description

스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법{Indoor Positioning Method using Smartphone with QR code}
본 발명은 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카메라로 인식된 QR코드의 위치 정보를 설정된 캘리브레이션을 통해 사용자의 위치를 획득한 뒤, 이 QR 코드의 2차원 평면상의 위치 정보를 3차원의 공간 정보로 변환시키 뒤 카메라와의 거리 및 방향 등을 검출하여 위치 정보를 획득하는 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법에 관한 것이다.
일상생활에서 볼 수 있는 마커로는 바코드와 QR코드가 있다. 이 마커들과 같이 평면을 기반으로 하는 2차원 마커들은 관측되는 형태로부터 위치와 각도 정보를 파악할 수 있다.
바코드는 문자나 숫자를 흑과 백의 막대모양 기호로 조합한 것으로, 컴퓨터가 판독하기 쉽고　데이터를 빠르게 입력하기 위하여 쓰인다. 이것은 광학식 마크판독장치로 자동 판독되어　입력된다. 바코드를 식별하는　원리는 반사광의 크기를 가지고 측정한다.　
레이저　광선을 바코드에 비추면 검은색 면은 빛을 많이 흡수하기 때문에 반사가 적고, 흰색면은 반사를 많이 하는데 이를 스캐너가 구분하여 읽어 들인다.
세계상품코드(UPC:universal product code)를 따르는 상품의 종류를 나타내거나, 슈퍼마켓 등에서 매출정보의 관리(POS:point of sales system) 등에 이용되며, 도서분류, 신분증명서 등에도 이용된다.
QR 코드는 사각형의 가로세로 격자무늬에 다양한 정보를 담고 있는 2차원(매트릭스) 형식의 코드로, ‘QR’이란‘Quick Response’의 머리글자이다. 1994년 일본 덴소웨이브사(社)가 개발하였으며, 덴소웨이브사가 특허권을 행사하지 않겠다고 선언하여 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.
기존의 1차원 바코드가 20자 내외의 숫자 정보만 저장할 수 있는 반면 QR코드는 숫자 최대 7,089자, 문자(ASCII) 최대 4,296자, 이진(8비트) 최대 2,953바이트, 한자 최대 1,817자를 저장할 수 있으며, 일반 바코드보다 인식속도와 인식률, 복원력이 뛰어나다.
바코드가 주로 계산이나 재고관리, 상품확인 등을 위해 사용된다면 QR코드는 마케팅이나 홍보, PR 수단으로 많이 사용된다.
상기 바코드 및 QR코드는 정면에서 벗어날 경우, 비전센서와의 상대각도 차이가 커짐에 따라 다소 불안정한 인식률을 보이며 인식가능범위 또한 제한적인 단점이 존재한다.
따라서 마커의 자세 측정을 필요로 하는 경우, 특히 이동로봇 분야에서는 일반적으로 원기둥 형태의 3차원 마커가 고려된다. 원기둥 마커는 2차원 평면에서 동일한 형태로 관측되기 때문에 관측자의 위치에 구애 받지 않고 위치를 파악할 수 있다는 장점을 지니지만 반대로 마커의 각도 정보를 파악하기는 어렵다.
한편, 최근 스마트폰의 사용자가 많이 늘어나고, 이에 따라 다양한 기능 및 성능향상 등이 이루어지고 있다.
이에 본 발명은 스마트폰의 다양한 기능 중에 카메라를 이용한 영상처리 기반의 실내 측위 기술에 대한 것으로, 기존의 카메라를 이용한 영상처리 기반의 실내 측위 기술들은 아래와 같은 상황에 놓여 있다.
첫째, 고정된 형태의 마커들에 대한 학습데이터를 이용한다는 점에서 고정되지 않은 형태의 마커들에 대해서는 학습데이터를 이용하지 못하는 한계를 노출하고 있다.
둘째, 패턴인식을 통해 위치를 추정하는 방식들이 사용된다는 측면에서 마커의 위치를 확인할 수 있지만, 마커가 있는 공간의 3차원적인 정보는 획득할 수 없는 한계를 가지고 있다.
이에 본 발명은 기존에 사용되었던 고정된 형태의 마커가 아닌, 최근 다양한 분야에서 사용되고 있는 QR코드를 이용하여서 실내 측위를 하고자 함에 그 목적이 있고, 바코드를 포함한 QR코드는 정면에서 벗어날 경우, 비전센서와의 상대각도 차이가 커짐에 따라 다소 불안정한 인식률을 보이며 인식가능범위 또한 제한적인 단점을 극복할 수 있는 일종의 알고리즘을 제공함에 그 목적이 있다.
KR 10-1197088 (2012.10.29 등록)
종래에 실내에서 위치를 인식 하기 위해 GPS, 비콘, RFID, Wi-Fi, Bluetooth 등을 활용한 방법이 사용되었던 점을 고려하면 종래 기술은 비용적인 측면이 비효율적이고, 정확도 측면에서도 실내에서는 낮게 측정되는 등의 문제점들을 가지고 있었다.
이에 본 발명은 저비용, 사용의 편리성 등을 고려하여, 스마트폰의 카메라를 이용한 새로운 알고리즘이 구비된 비전 기반 측위 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 (a)카메라와 QR 코드와의 거리 및 각도를 측정하기 위해 캘리브레이션을 수행하는 단계; (b)QR코드를 향한 카메라의 방향을 검출하는 단계;를 포함하되, 상기 (a)단계는, 하기의 수학식 (1)을 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하고,
(1) Pi = K ㆍB ㆍPw = K ㆍ[R ｜t]ㆍPw
(상기의 식에서 Pi 는 2차원상의 평면에서의 한 점을 나타내며, K는 내부 파라미터, E는 외부 파라미터, Pw 는 3차원상의 한 점을 나타냄)
상기 (b)단계는, 하기의 수학식 (2)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
(2) Pc = RPs + T, Ps = R-1 (Pc -T)
(상기의 식에서 3차원 공간상의 한 점 Pw 에 대한 월드좌표를 Ps 라 할때, 카메라에서의 좌표는 Pc 이며, 회전변환행렬을 R, 평형이동 벡터를 T라 함)
상기 (a)단계의 상기의 수학식 (1)에 의해 하기의 수학식 (3)을 추출하는 것을 특징으로 한다.
(3) fㆍ(xc/zc)= Sx ㆍ(Xi - Ox)
fㆍ(yc/zc)= Sy ㆍ(Yi - Oy)
(상기의 식에서 f 는 초점거리, (xc, yc, zc)는 카메라의 한 점의 좌표값, (Sx, Sy) 는 카메라의 영상의 좌표간의 크기변화, (Ox , Oy) 는 광학 중심을 나타냄)
상기의 수학식 (3)을 이용하여 2차원 평면상의 한 점의 좌표값과 3차원 평면상의 한 점의 좌표값 관계를 아래의 수학식 (4)와 같이 도출하고, 하기의 수학식 (4)를 이용하여 입력된 QR 코드의 중심점과 카메라의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
(4) (x,y,z)= Pㆍ(X,Y,Z,1) = K ㆍB ㆍ(X,Y,Z,1)
상기 (b) 단계에서,
방향 정보를 획득하게 위해 QR 코드 인식시 얻은 코너점을 연결하여 사각형을 생성한 뒤, 생성된 사각형의 상,하,좌,우 변의 길이값을 측정하되, 하기의 수학식 (5)를 이용하여 측정된 변의 길이값을 이용하여 사각형의 넓이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
(5) Squadrangle = (1/2)ㆍACㆍBDㆍsinθ
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한다면 아래와 같은 다양한 효과가 구현된다.
첫째, 관측자의 위치 혹은 카메라의 위치에 구애받지 않고 위치를 파악할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 스마트폰 카메라에서 들어오는 QR코드를 인식한 후 카메라 캘리브레이션을 통해 2차원적인 QR코드의 위치 정보를 3차원 상의 정보로 변환한 뒤 이 변환된 정보를 이용하여, 카메라의 초점 거리, 각도 등의 값을 획득하여, 실시간으로 위치 정보를 획득할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 본 발명에서 제공되는 알고리즘을 통해 실내측위를 위한 모바일 카메라를 이용한 비전 측위 방법을 제공할 수 있는 등 다양한 효과가 구현된다.
도 1은 센서 기반 보행자 추측항법을 나타내는 도면,
도 2는 마커를 이용한 방법에 관한 도면,
도 3은 바코드를 이용한 방법에 관한 도면,
도 4는 카메라 캘리브레이션을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 의해 구현되는 순서도,
도 6 내지 도 8은 본 발명을 이용한 실시 예이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명인 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법의 바람직한 실시 예를 설명한다.
우선, '발명의 배경 기술'에서도 언급하였지만, 본 발명의 이해를 돕기 위해 종래의 센서에 기반한 보행자 추측항법, 마커를 이용한 방법, 바코드를 이용한 방법을 설명한다.
도 1은 센서 기반 보행자 추측항법을 나타내는 도면이고, 도 2는 마커를 이용한 방법에 관한 도면이며, 도 3은 바코드를 이용한 방법에 관한 도면이다.
도 1은 센서에 기반한 보행자 추측항법(PDR)으로, PDR은 실내 위치를 결정하기 위한 솔루션이며,
이 센서를 이용하여 보행자가 이동할 때 가속도, 자기장, 각속도 정보를 이용하여 걸음 정보를 검출한다. 이를 사용하여 최초 위치에서 움직이는 방향에 따라서 이동거리를 추정하여 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다.
도 2는 마커 기반의 위치 인식 방법에 관한 것으로, 마커의 형태에 따라 획득할 수 있는 정보를 다르게 할 수 있으며, 기하학적 계산을 통해 위치에 대한 오차를 최소화 할 수 있다. 마커는 2차원적인 정보를 획득하거나, 인식률은 높은 장점이 있다. 그러나, 마커 내에서 획득할 수 있는 정보가 많지 않다는 단점이 있다.
도 3은 바코드를 이용한 방법에 관한 것으로 마커보다 정보를 담을 수 있는 공간이 많고 인식률이 높은 장점이 있다. 그러나, 회전 및 기울기와 같은 기하학적 변환에 단점을 보인다.
이에 본 발명은 이하 구체적으로 후술하겠지만, 마커의 문제점 등을 해결하기 위해서, 최근 많이 사용되고 있는 QR코드를 이용하여 마커를 대체한 방법을 사용한다.
주지하다시피, QR코드는 기존의 바코드에 비해 인식속도 및 인식률, 복원력 등이 높다.
또한, 기존의 QR코드를 이용한 위치 추정방법에서는 단순하게 QR코드 내에 위치 정보를 넣은 채 생성하여 사용한다.
이러한 이유로 QR코드를 인식하여 현재 위치에 대한 정보만 획득하는 방향으로 연구가 진행되었다.
이에 본 발명은 이하 그 구체적인 단계에서 설명하겠지만, 스마트폰 카메라에서 들어오는 QR코드를 인식한다. 그리고, 카메라 캘리브레이션을 통해 2차원적인 QR코드의 위치 정보를 3차원 상의 정보로 변환한다. 이 변환된 정보를 이용하여, 카메라의 초점 거리, 각도 등의 값을 획득하여, 실시간으로 위치 정보를 획득할 수 있도록 한다.
우선, 본 발명은 하기와 같은 단계로 구성된다.
(a)카메라와 QR 코드와의 거리 및 각도를 측정하기 위해 캘리브레이션을 수행하는 단계, (b)QR코드를 향한 카메라의 방향을 검출하는 단계를 포함한다.
이때, (a)단계는, 하기의 수학식 (1)을 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 한다.
(1) Pi = K ㆍB ㆍPw = K ㆍ[R ｜t]ㆍPw
상기의 식에서 Pi 는 2차원상의 평면에서의 한 점을 나타내며, K는 내부 파라미터, E는 외부 파라미터, Pw 는 3차원상의 한 점을 나타낸다.
상기 (b)단계는, 하기의 수학식 (2)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
(2) Pc = RPs + T, Ps = R-1 (Pc -T)
상기의 식에서 3차원 공간상의 한 점 Pw 에 대한 월드좌표를 Ps 라 할때, 카메라에서의 좌표는 Pc 이며, 회전변환행렬을 R, 평형이동 벡터를 T라 한다.
상기 (a)단계의 상기의 수학식 (1)에 의해 하기의 수학식 (3)을 추출하는 것을 특징으로 한다.
(3) fㆍ(xc/zc)= Sx ㆍ(Xi - Ox)
fㆍ(yc/zc)= Sy ㆍ(Yi - Oy)
상기의 식에서 f 는 초점거리, (xc, yc, zc)는 카메라의 한 점의 좌표값, (Sx, Sy) 는 카메라의 영상의 좌표간의 크기변화, (Ox , Oy) 는 광학 중심을 나타낸다.
상기의 수학식 (3)을 이용하여 2차원 평면상의 한 점의 좌표값과 3차원 평면상의 한 점의 좌표값 관계를 아래의 수학식 (4)와 같이 도출하고, 하기의 수학식 (4)를 이용하여 입력된 QR 코드의 중심점과 카메라의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
(4) (x,y,z)= Pㆍ(X,Y,Z,1) = K ㆍB ㆍ(X,Y,Z,1)
상기 (b) 단계에서, 방향 정보를 획득하게 위해 QR 코드 인식시 얻은 코너점을 연결하여 사각형을 생성한 뒤, 생성된 사각형의 상,하,좌,우 변의 길이값을 측정하되, 하기의 수학식 (5)를 이용하여 측정된 변의 길이값을 이용하여 사각형의 넓이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
(5) Squadrangle = (1/2)ㆍACㆍBDㆍsinθ
이하, 각각의 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 카메라와 QR코드와의 거리 및 각도를 측정하기 위해서 카메라 캘리브레이션을 한다.
카메라의 3차원적인 정보를 획득하기 위해서 2차원상의 QR코드의 좌표 값을 이용하여 3차원상의 공간좌표를 복원하기 위해 파라미터를 추출한다.
다음 수식은 3차원상의 좌표 값과 2차원 상의 좌표 값의 관계를 나타낸다.
(1) Pi = K ㆍB ㆍPw = K ㆍ[R ｜t]ㆍPw
상기의 식에서 Pi는 2차원상의 평면에서의 한 점을 나타내며, K는 내부 파라미터, E는 외부 파라미터, Pw는 3차원상의 한 점을 나타낸다. 여기에서 E는 3×3 회전 행렬과 3×1 병진 벡터로 이루어진다. K는 초점거리와 광학중심, 왜곡의 방향으로 이루어진다. 이를 이용하여 다음 수식을 얻을 수 있다.
(3) fㆍ(xc/zc)= Sx ㆍ(Xi - Ox)
fㆍ(yc/zc)= Sy ㆍ(Yi - Oy)
상기의 식에서 f 는 초점거리, (xc, yc, zc)는 카메라의 한 점의 좌표값, (Sx, Sy) 는 카메라의 영상의 좌표간의 크기변화, (Ox , Oy) 는 광학 중심을 나타낸다.
이 식을 이용하여 2차원 평면상의 한 점의 좌표 값과 3차원 상의 한 점의 좌표 값의 관계는 다음 식과 같이 나타낸다.
(4) (x,y,z)= Pㆍ(X,Y,Z,1) = K ㆍB ㆍ(X,Y,Z,1)
이 식을 이용하여 입력된 QR코드의 중심점과 카메라와의 거리를 측정할 수 있다.
그 다음으로, 카메라 방향 검출 단계가 이루어진다.
현재 사용자가 QR코드와의 방향에 대한 각도 값을 얻기 위해서 회전, 기울기의 값을 알아야 한다. 3차원 공간상의 한점 Pw에 대한 월드좌표를 Ps=(xs,ys,zs)라 할 때, 카메라에서의 좌표는 Pc=(xc,yc,zc)이며, 회전 변환 행렬을 R, 평행이동 벡터를 T라고 하면 다음 수식과 같다.
(2) Pc = RPs + T, Ps = R-1 (Pc -T)
상기의 식에서 3차원 공간상의 한 점 Pw 에 대한 월드좌표를 Ps 라 할때, 카메라에서의 좌표는 Pc 이며, 회전변환행렬을 R, 평형이동 벡터를 T라 한다.
방향 정보를 획득하기 위해서 QR 코드 인식 때 얻은 코너점을 연결하여 사각형을 생성한다. 생성된 사각형의 상·하·좌·우 변의 길이 값을 측정한다.
측정된 변의 길이 값을 이용하여 사각형의 넓이를 계산한다. 이 때 사각형의 넓이를 구하는 수식은 다음과 같다.
(5) Squadrangle = (1/2)ㆍACㆍBDㆍsinθ
이 때 생성되는 사각형의 코너점 a와 c를 연결한 ac와 코너점 b와 d를 연결한 bd를 이용하여 사각형의 넓이를 측정한다.
이후 구해진 사각형의 무게중심을 계산한다. 대각선 ac와 bd를 기준으로 4개의 삼각형 T1, T2, T3, T4를 만든다. 각각의 삼각형의 무게중심을 계산한다.
삼각형의 무게중심을 구하는 수식은 다음과 같다.
G = ((a1 + b1+ c1 )/3, (a2 + b2 + c2 )/3)
계산된 무게 중심 값을 각각 G1, G2, G3, G4라고 할 때 G1과 G2를 연결한 선분 G1G2와 G3와 G4를 연결한 선분 G3G4의 교점이 사각형의 무게중심이 된다.
영상의 중심점을 (0,0) 이라고 할 때, 중심점과 무게중심의 거리 변화를 통해서 카메라의 방향을 검출한다.
한편, 도 5는 본 발명에 의해 구현되는 순서도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명을 이용한 시뮬레이션에 의한 결과이다.
이를 구현하기 위한 시뮬레이션 환경은 알고리즘의 실험을 위해 Android Studio 프로그램과 스마트폰(갤럭시 노트4)를 사용하였으며, QR코드는 30Cm×30Cm 크기를 사용하였다.
영상의 실험을 위해 1M의 거리에서 왼쪽, 오른쪽, 중앙에서 각각 촬영하였다. 각각의 결과를 보면 카메라의 중심점과 무게중심점이 가까울 때 정면을 나타낸다. 그리고 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동하였을 때 이동방향이 나타남을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. (a)카메라와 QR 코드와의 거리 및 각도를 측정하기 위해 캘리브레이션을 수행하는 단계;
    (b)QR코드를 향한 카메라의 방향을 검출하는 단계;를 포함하되,
    상기 (a)단계는, 하기의 수학식 (1)을 이용하여 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하고,
    (1) Pi = K ㆍB ㆍPw = K ㆍ[R ｜t]ㆍPw
    (상기의 식에서 Pi 는 2차원상의 평면에서의 한 점을 나타내며, K는 내부 파라미터, E는 외부 파라미터, Pw 는 3차원상의 한 점을 나타냄)
    상기 (b)단계는, 하기의 수학식 (2)를 이용하는 것을 특징으로 하되,
    (2) Pc = RPs + T, Ps = R-1 (Pc -T)
    (상기의 식에서 3차원 공간상의 한 점 Pw 에 대한 월드좌표를 Ps 라 할때, 카메라에서의 좌표는 Pc 이며, 회전변환행렬을 R, 평형이동 벡터를 T라 함)
    상기 (a)단계의 상기의 수학식 (1)에 의해 하기의 수학식 (3)을 추출하는 것을 특징으로 하는, 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법.
    (3) fㆍ(xc/zc)= Sx ㆍ(Xi - Ox)
    fㆍ(yc/zc)= Sy ㆍ(Yi - Oy)
    (상기의 식에서 f 는 초점거리, (xc, yc, zc)는 카메라의 한 점의 좌표값, (Sx, Sy) 는 카메라의 영상의 좌표간의 크기변화, (Ox , Oy) 는 광학 중심을 나타냄)
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기의 수학식 (3)을 이용하여 2차원 평면상의 한 점의 좌표값과 3차원 평면상의 한 점의 좌표값 관계를 아래의 수학식 (4)와 같이 도출하고, 하기의 수학식 (4)를 이용하여 입력된 QR 코드의 중심점과 카메라의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는, 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법.
    (4) (x,y,z)= Pㆍ(X,Y,Z,1) = K ㆍB ㆍ(X,Y,Z,1)
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    방향 정보를 획득하게 위해 QR 코드 인식시 얻은 코너점을 연결하여 사각형을 생성한 뒤, 생성된 사각형의 상,하,좌,우 변의 길이값을 측정하되, 하기의 수학식 (5)를 이용하여 측정된 변의 길이값을 이용하여 사각형의 넓이를 측정하는 것을 특징으로 하는, 스마트폰과 QR코드를 이용한 실내측위 방법.
    (5) Squadrangle = (1/2)ㆍACㆍBDㆍsinθ
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