KR102616962B1 - 비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법 - Google Patents

비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 본 발명의 비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법은, 촬영정보가 비행체로 전송되는 단계, 상기 비행체의 예상 비행경로를 산출하는 단계, 상기 비행체가 촬영영역의 좌표를 산출하는 단계, 상기 비행체로부터 상기 촬영영역의 최단 거리 지점을 산출하는 단계, 상기 촬영영역의 좌표를 분할하기 위한 기준 발자국(footprint) 좌표를 획득하는 단계, 상기 촬영영역의 분할 간격을 산출하는 단계, 상기 비행경로에 대한 폭방향 및 길이방향의 촬영 수를 산출하는 단계, 촬영 시작 단계를 포함한다.

Description

비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법 {Overlapping Geo-Scanning Techniques for Aircraft-mounted Optical Device}
본 발명은 비행체 탑재 광학장비로 지상 촬영 시, 정보의 누락없이 중첩된 영상을 획득하고자 하는 촬영방법에 관한 발명이다.
UAV 및 전투기와 같은 비행체 정찰임무 수행을 위해 넓은 범위의 영역을 촬영하는 경우, 제한된 시야각에서 높은 해상도의 정보를 얻기 위하여 여러 장의 영상을 획득해서 모자이크 형태로 이어 붙이는 방법이 일반적이다.
이러한 영상을 획득하기 위한 촬영 임무는 주로 계획된 비행경로를 바탕으로 수행하게 되므로 예측 가능한 촬영 계획을 사전에 결정할 수 있다. 하지만 실제 비행에서의 다양한 변수에도 임무영역 내 빈틈없는 영상 획득을 위하여 촬영 계획 시 영상 간 중첩 적용에 여유 마진이 필요하다.
이러한 여유 마진을 최소화 하는 것뿐만 아니라 다양한 방향의 촬영영역에 대해서 중첩된 영상정보를 효율적으로 얻기 위해 최적화된 중첩 촬영계획기법이 요구된다.
나아가 계획된 임무 수행이 아닌 비행 중 자유롭게 수행하는 수동촬영 임무에서도 마찬가지로 안정적인 영상을 획득하기 위하여 On-board상에서 수행될 수 있도록 최적화된 촬영계획 기법이 요구되고 있다.
10-2141646 B1 (2020.07.30)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비행체 탑재 광학장비로 지상 촬영 시, 정보의 누락없이 중첩된 영상을 획득하고자 한다.
본 발명의 비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법은, 촬영정보가 서버로부터 비행체로 전송되는 단계, 상기 비행체가 상기 비행체의 예상 비행경로를 산출하는 단계, 상기 비행체가 촬영영역의 좌표를 산출하는 단계, 상기 비행체로부터 상기 촬영영역의 최단 거리 지점을 산출하는 단계, 상기 촬영영역의 좌표를 분할하기 위한 기준 발자국(footprint) 좌표를 획득하는 단계, 상기 촬영영역의 분할 간격을 산출하는 단계, 상기 비행경로에 대한 폭방향 및 길이방향의 촬영 수를 산출하는 단계, 상기 비행체가 촬영을 시작하는 단계를 포함한다.
또한, 기준 발자국(footprint) 좌표는 상기 최단 거리 지점에서의 영상 발자국(Footprint) 좌표로부터 계산되며, 상기 영상 발자국(Footprint) 좌표는 시선 방향의 지상 표면에 투영된 영상 센서로부터 취득된 투영영상의 꼭짓점 4개인 것을 특징으로 한다.
또한, 분할 간격을 산출하는 단계는, 상기 최단 거리에서 산출한 상기 영상 발자국(Footprint)의 4개 꼭짓점 좌표를 기준으로 상기 촬영영역을 분할하여 그 간격(14)을 산출하며, 상기 투영영상은 평행사변형인 것을 특징으로 한다.촬영영역의 분할은 기준되는 상기 기준 투영영상(10)과 상기 촬영영역 모서리와의 교점(12)을 산출하여 각각의 모서리 방향으로 투영영상(10-1, 10-2, 10-3)이 서로 접하도록 이어붙인다. 이 때, 이어 붙인 투영영상(10-1,10-2,10-3)의 위치를 촬영영역의 모서리 방향으로 재조정하여 최적의 분할간격을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 제시된 방법을 활용하면 임무 전 촬영계획 단계에서 중첩 마진과 촬영 총 횟수를 최소화시킨 촬영영역 분할이 가능하다. 또한 사전 계획된 촬영임무 수행 시에는 촬영시작 시점에서 필요에 따라 촬영영역을 재분할함으로써 다양한 비행 환경 변수에 대응 할 수 있다. 더불어 비행 중 임의로 수행하는 수동 촬영 임무의 경우에도 중첩된 영상정보를 안정적이고 신속하게 획득 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전체 촬영방법에 대한 순서도이다.
도 2는 촬영하고자하는 영역을 위도와 경도 좌표계에 나타낸 그림이다.
도 3은 비행경로 1, 2, 3에 대하여 촬영 시작위치를 나타낸 그림이다.
도 4는 촬영영역 분할한 그림이다.
도 5는 분할 간격을 결정하는 방법을 설명하는 그림이다.
도 1은 본 발명을 이해하기 위하여 촬영 계획 및 임무 수행이 이루어지는 전체 흐름을 순서도로 나타낸 것이다.
촬영 계획의 목적은 가장 먼저 촬영하고자 하는 지상의 촬영영역에 대한 영상정보를 누락 없이 취득하는 것이다. 이를 위해 중첩된 영상을 획득하는 것이 필요하며, 동시에 임무의 효율성을 위해 중첩된 영상의 촬영 개수를 최소화 할 필요가 있다.
도 1의 각 단계에 대한 구체적인 설명은 다음과 같다.
먼저, 촬영 정보 전송 단계(S10)이다. 비행경로를 따라 임무를 시작하기 위해 촬영에 필요한 정보를 서버로부터 비행체로 전송하는 단계이거나, 비행체로 전송하기 전에 촬영 정보가 서버로 전송되는 단계이다. 촬영에 필요한 정보로는 비행체의 위치 및 속도, 카메라 시선의 자세 및 시선 방향, 지형고도 및 경사거리, 카메라 시계, 촬영영역 길이, 폭, 회전방향, 촬영중심 좌표, 중첩률 등이 있다.
다음은, 비행체의 예상 비행경로를 산출하는 단계(S20)이다. 비행체가 임무 중의 비행경로 상에서 비행체의 속도 성분을 고려하여 예상 경로를 나타내는 진행 방향 벡터를 산출 한다. 비행체에서 계산이 산출될 수도 있고, 비행체와 서버의 통신을 통해 서버에서 산출된 계산결과가 비행체로 전송 될 수도 있다. 촬영영역 사각형의 길이방향과 폭방향의 좌표 분할은 비행체의 속도 및 영상의 크기(Field Of View)를 기초로 계산될 수 있다.
다음은, 촬영영역의 좌표를 산출하는 단계(S30)이다. 촬영하고자 하는 직사각형의 영역을 지도상에서 위도와 경도 단위로 산출하는 단계이다. 도 2는 촬영하고자하는 직사각형 영역(width, length)을 위도와 경도 좌표계에 나타낸 것이다. 위도 및 경도로 표시된 촬영영역 내 점들 중 촬영시작 위치점(100)을 기준으로 분할영상(20)이 촬영영역의 폭(width)방향 및 길이(length)방향으로 취득된다. 폭방향 및 길이방향의 분할영상(20) 간에는 중첩영역(30)이 반드시 있어야 한다. 촬영 시작위치(100)으로부터 폭방향 및 길이방향의 분할영상 개수를 정하기 위해, 위도(latitude) 및 경도(longitude)를 따라 단위폭 및 단위길이를 알아야 한다. 이를 위해, 촬영 시작위치(100)을 위도를 따라 연장(50)하고, 경도를 따라 연장(40)해서 위도 및 경도로 나타낼 수 있으며, 비행경로의 회전성분을 고려하여 배치한다. 비행방향에서 촬영시작 위치(100)는 비행 경로로부터 가장 근접한 촬영영역의 꼭짓점위치이다. 촬영방향은 비행방향 중 폭방향으로 시작한다.
도 3은 비행경로 1, 2, 3에 대하여 촬영 시작위치는 P1이다.
다음은, 최단 거리 지점을 산출하는 단계(S40)이다. 산출한 촬영영역을 영상크기에 맞추어 다수의 촬영좌표로 분할하기 위해서 기준이 되는 영상 발자국(Footprint)이 필요하다. 특히, 분할 결과가 반드시 중첩될 수 있도록 설정하기 위해서 경로 상 발자국(Footprint) 크기가 가장 작은 지점인 최단거리 지점을 산출하는 것이 목적이다.
이 때, 촬영영역의 면과 예상 비행경로 상의 최단 거리가 되는 비행 위치를 기준 지점으로 하여, 촬영영역을 분할하기 위해 기준이 되는 FOV(field of view) 발자국(Footprint) 크기를 가장 작게 설정하여 분할중첩을 최우선으로 하는 것이 목적이다.
도 3에서 비행경로는 촬영영역 상공을 지나는지 여부에 따라 비행경로 1과 비행경로 2,3으로 나눌 수 있다. 촬영영역 상공을 지나지 않는 비행경로 1의 경우, P1, P2와 비행경로 벡터의 거리 비교만으로 최단거리 지점을 산출 할 수 있다.
촬영영역 상공을 지나는 비행경로는 촬영영역의 길이방향 성분인 P1, P2 위를 지나는지 여부에 따라 다시 비행경로 2와 비행경로 3으로 나눈다. 비행경로 2의 최단 거리 지점은 P4, 비행경로 3의 최단 거리지점은 P3인데, P3은 경로 상 임의의 지점이다.
따라서 촬영영역 상공을 지나는 비행경로의 경우에는 최단 거리 지점에서의 표적-비행체간 위도 및 경도 거리가 0이다. 즉, 촬영영역 상공을 지나는 경우에 기준 영상 발자국(Footprint)은 경로 상 임의의 수직하방 투영영상이다.
다음은 기준 발자국(Footprint) 좌표를 획득하는 단계(S50)이다. 중첩을 고려하여 촬영영역의 좌표를 분할하기 위해, 전 단계에서 산출한 최단 거리지점에서의 영상 발자국(Footprint) 좌표를 계산한다.
영상 발자국(Footprint) 좌표란, 시선 방향의 지상 표면에 투영된 영상 센서의 꼭짓점 4개을 의미한다. 즉, 카메라와 같은 영상센서에서 설정된 사각형 프레임의 4개 꼭짓점의 좌표를 의미한다. 지상 좌표를 산출하기 위해서는 시선벡터와 고도/경사거리 정보를 이용한 지오로케이션(GeoLocation) 기법이 널리 쓰인다.
항공 분야에서의 지오로케이션 기법은 임의의 상공 위치에서 시선이 향하는 벡터와 지상 면과의 교점 위치를 구하는 방법으로 카메라의 항법정보인 위치(위도,경도,고도) 및 자세(헤딩,피치,롤)와 지상 면까지의 거리 혹은 시선이 향하고 있는 지상 면의 고도정보가 있어야 그 해가 산출된다.
이 때 카메라의 항법정보는 INS와 같은 항법센서를 통해 획득하며, 지상 표면의 고도 정보는 주로 사전에 측지된 지형정보인 DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 활용하고, 지상 면까지의 경사거리는 별도의 레이저 장비를 통해 레이저 거리 측정 값 등을 사용한다.
촬영영역 분할 간격 산출 단계로 넘어가기 전에 계산의 편의를 위하여 획득한 기준 발자국(Footprint)의 중심(12)을 촬영 시작지점(100)인 P1에 평행 이동시킨다.
다음은 촬영영역 분할 간격을 산출하는 단계(S60)이다. 앞서 최단 거리에서 산출한 영상 발자국(Footprint)의 4개 꼭짓점 좌표를 기준으로 촬영영역을 분할하여 그 간격(14)을 산출하는 단계이다. 이 때, 촬영영역의 회전 방향과 시선의 방향에 따라서 간격을 구하는 방법이 상이하다.
먼저, 촬영영역을 분할하는 케이스를 나누기 위해 투영영상이 평행사변형이라고 간주한다. 실제 투영영상은 윗변이 아랫변보다 긴 형태의 사다리꼴에 가까운 사각형 형태이지만, 항공 촬영과 같이 먼 거리와 시계의 크기가 작은 조건에서의 투영영상에서는 평행사변형에 가깝기 때문이다. 또한, 앞서 최단 거리 기준으로 기준 투영영상을 설정하게 되면 중첩 마진이 어느 정도 확보되기 때문에 평행사변형으로 간주할 수 있다.
도 4는 두 가지의 촬영영역을 분할하는 경우이다. 도 4(a)는 영상 발자국(Footprint)인 기준 투영영상(10)과 촬영영역 모서리와의 교점(12)을 산출하여 각 모서리 방향으로 투영영상(10-1, 10-2, 10-3)이 서로 접하도록 이어붙인 것이다.
도 4(a)는 투영영상 4개의 중심(14)이 영상 내에 모두 포함되는 경우(#1)이다.
반면, 도 4(b)는 투영영상 4개의 중심(16)이 영상에 포함되지 않아 공간이 생기는 경우 #2로 구분된다. 즉, 도 4(a)는 촬영영역에 투영영상(10, 10-1, 10-2, 10-3)의 중심이 포함되는 반면, 도 4(b)는 투영영상(10, 10-1, 10-2, 10-3)의 중심이 빈 공간이다.
도 5는 분할 간격을 결정하는 방법을 설명하는 그림이다. 도 5(a)에서 나타낸 동일한 기준 발자국(Footprint)에 대해 분할 간격을 설정하는 방법은 도 5(b)(c)(d)로 다양하다.
도 5(a)는 촬영영역의 폭방향으로 비율이 가장 큰 경우(max dw = dw1)이고, 도 5(b)는 촬영영역의 길이방향으로 비율이 가장 큰 경우(max dl = dl2)이고, 도 5(c)는 촬영영역의 비율에 맞추어 전체 크기를 최대로 설정할 수 있는 경우(length : width ≒ dl3 : dw3)이다. 이 때, dw3 ≤ dw1, dl3 ≤ dl2 이다.
도 4(a)의 #1의 경우에는 도 5(a)의 dwo, dlo가 각각 도 5(b)의 dw1, 도 5(c)의 dl2에 상응하며, 도 4(b)인 #2의 경우에만 도 5(b)의 dw1, 도 5(c)의 dl2를 구하기 위해 투영영상을 촬영영역 모서리 방향에 따라서 적절하게 평행이동 시켜야한다. 최종적으로, 분할 간격을 설정하는 방법에 따라 촬영해야 할 총 개수가 상이하므로, 촬영영역의 비율을 고려하여 영상의 촬영 개수를 최소화 하도록 분할 간격 dw, dl을 산출한다.
다음은 방향 별 촬영 수를 산출하는 단계(S70)이다. 촬영영역 분할 간격 산출결과인 dw, dl을 이용하여 촬영 방향에 따른 촬영 수를 구한다. 기본적으로 촬영영역의 폭방향 거리인 width, 분할 간격 dw 및 중첩률을 고려해 폭방향 촬영 수(m)을 산출하면 촬영을 시작할 수 있다. 최종 촬영 지점이 정해져 있는 경우, 촬영영역의 길이방향 거리인 length, 분할 간격 dl 및 중첩률을 고려하여 길이방향 촬영 수(n)을 구하여 총 촬영 개수를 계산 할 수 있고 촬영의 시작과 끝 위치를 촬영 계획 단계에서 알 수 있다.
마지막으로 촬영 시작 단계(S80)이다. 촬영 영영 분할 간격 및 방향 별 촬영 수를 최종 결과로 전송하여 촬영임무를 시작한다. 폭방향을 시작으로 dw간격으로 촬영 m번을 수행한 후, 길이방향으로 dl간격 이동 후 다시 폭방향으로 -dw간격으로 촬영 m번을 수행하는 절차를 반복하여 최종 촬영 지점까지 임무수행을 완료한다.

Claims (8)

  1. 비행체의 위치 및 속도, 카메라 시선의 자세, 방향 및 시계, 지형고도, 경사거리, 촬영영역 길이, 폭, 회전방향, 촬영중심 좌표, 중첩률을 포함한 촬영정보를 서버로부터 상기 비행체로 전송하는 단계;
    상기 비행체에서 상기 비행체의 예상 비행경로를 산출하는 단계;
    상기 비행체가 촬영영역의 좌표를 산출하는 단계;
    상기 비행체가 상기 비행체로부터 상기 촬영영역의 최단 거리 지점을 산출하는 단계;
    상기 비행체가 촬영영역의 좌표를 분할하기 위한 기준 발자국(footprint) 좌표를 획득하는 단계;
    상기 비행체가 상기 촬영영역의 분할 간격을 산출하는 단계;
    상기 비행체가 상기 비행경로에 대한 폭방향 및 길이방향의 촬영 수를 산출하는 단계;
    상기 비행체가 촬영을 시작하는 단계;를 포함하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 발자국(footprint) 좌표는 상기 최단 거리 지점에서의 영상 발자국(Footprint) 좌표로부터 계산되는 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 영상 발자국(Footprint) 좌표는 시선 방향의 지상 표면에 투영된 영상 센서로부터 취득된 투영영상의 꼭짓점 4개인 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분할 간격을 산출하는 단계는,
    상기 최단 거리에서 산출한 상기 영상 발자국(Footprint)의 4개 꼭짓점 좌표를 기준으로 상기 촬영영역을 분할하여 그 간격(14)을 산출하는 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투영영상은 평행사변형인 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촬영영역의 분할은
    기준되는 상기 기준 투영영상(10)과 상기 촬영영역 모서리와의 교점(12)을 산출하여 각각의 모서리 방향으로 투영영상(10-1, 10-2, 10-3)이 서로 접하도록 이어붙인 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  7. 제6항에 있어서,
    상기 촬영영역과 상기 기준 투영영상 및 투영영상의 비율로부터 폭방향의 분할간격(dw) 및 길이방향의 분할간격(dl)을 산출하는 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촬영영역의 폭방향 거리(width) 및 폭방향 분할 간격(dw) 및 폭방향 중첩률을 고려해 폭방향 촬영 수(m),
    상기 촬영영역의 길이방향 거리(length), 길이방향 분할 간격(dl) 및 길이방향 중첩률을 고려하여 길이방향 촬영 수(n)로부터 총 촬영 개수(m x n)를 산출하는 것을 특징으로 하는
    비행체 탑재 광학장비 지상 중첩 촬영 방법
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