KR102644608B1 - 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법 - Google Patents

디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법에 관한 것으로, 가상세계에서 모니터링 된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과를 바탕으로 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달하여 현실세계를 효과적으로 관리할 수 있도록 디지털 트윈을 통하여 카메라가 바라보는 중앙점을 정확하게 확인하여 카메라가 바라보는 방향을 초기화하는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법을 제공한다.

Description

디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법 {Camera position initialization method based on digital twin}
본 발명은 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디지털 트윈 환경 하에서 현실세계를 촬영하는 카메라의 중앙점 위치를 추정하고 이를 통해 카메라의 위치를 초기화하는 방법에 관한 것이다.
디지털 트윈(Digital Twin)이란, 현실세계와 이에 대응되는 가상세계를 구축하고, 현실세계에서의 다양한 모니터링 결과를 가상세계에 표현하여 가상세계에서 모니터링된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행하며, 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 가상세계에서 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달함으로써 궁극적으로는 현실세계를 효과적으로 관리하는 것이다.
이러한 디지털 트윈은 미국 제너럴 일렉트릭(GE)이 주창한 개념으로, 기계장치와 쌍둥이가 되는 가상모델을 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 가상모델에서 시뮬레이션 함으로써 결과를 예측하는 기술이다.
하지만, 현재 디지털 트윈은 관련된 선행기술로서 공개특허 제10-2020-0081066호(참고문헌 1)의 기계장치의 제어 시나리오를 최적화하는 디지털 트윈 시스템 및 방법에서와 같이, 제조업 등과 같은 극히 제안된 곳에서만 활용되고 있는 실정이다.
한편, 영상에서 중앙점의 위치를 판별하기 위한 방법 및 카메라 위치 초기화 방법은 통상적으로 카메라가 바라보는 방향을 제어하는 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoom)의 값을 확인하고 그에 따라 중앙점의 좌표를 계산하게 된다.
이렇게 중앙점의 좌표를 확인함으로써, 영상에 포함된 객체의 위치를 측정할 수 있게 되며, 그에 따라 특정 객체의 위치를 모니터링 하거나 트랙킹할 수 있게 된다.
이러한 트랙킹 시스템들에서, 객체 위치측정의 정확성은 매우 중요한 문제인데, 객체의 위치를 정확하게 측정하기 위해서는 영상의 중앙점을 정확하게 알고 있어야 가능하다.
그런데, 영상에서 단순히 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoom)의 값에 의해 중앙점을 판단할 경우, 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoom)의 값에 의해 제어되는 카메라의 방향이 실제 의도한 값과 동일하게 제어하기가 어려운 문제점이 있다.
참고문헌 1: 공개특허 제10-2020-0081066호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 디지털 트윈을 통하여 카메라가 바라보는 중앙점을 정확하게 확인하여 카메라가 바라보는 방향을 초기화할 수 있는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 가상세계에서 모니터링 된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과를 바탕으로 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달하여 현실세계를 효과적으로 관리할 수 있는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
현실세계를 촬영하는 실제 카메라와, 상기 실제 카메라에서 촬영하는 현실세계를 가상세계에 구현하는 디지털 트윈을 구축하고, 상기 디지털 트윈을 이용해 상기 실제 카메라의 중앙점 위치를 추정하고 실제 카메라의 위치를 초기화하는 제어반을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 시스템을 제공한다.
이때, 상기 실제 카메라는 팬, 틸트 및 줌 기능을 수행하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어반은 상기 실제 카메라에서 촬영된 현실세계 영상에서 중앙점을 추정하고 실제 카메라의 위치 초기화를 진행하기 위해 가상세계를 구현하며 시뮬레이션하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어반은 실제 카메라를 통해 촬영되는 현실세계를 모사한 3차원 지도에 가상 카메라를 배치하여 가상세계를 구축하고, 현실세계에서의 모니터링 결과를 가상세계에 표현하여 시뮬레이션을 수행한 후, 상기 실제 카메라에서 촬영된 현실세계 영상에서 중앙점을 추정하고 실제 카메라의 위치를 초기화하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어반은 실제 카메라의 팬, 틸트, 줌 값이 변화될 때마다 디지털 트윈의 가상 카메라도 동일하게 이동시키며 현재 실제 카메라의 중앙점 위치를 추정하고, 디지털 트윈 상의 카메라의 위치를 동일화시켜 실제 카메라의 위치를 초기화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
실제 카메라에서 촬영되는 실제영상을 모사한 가상세계에 가상 카메라를 구현하여 디지털 트윈을 구축하는 제1단계; 상기 가상세계에서 실제세계 좌표를 구해 실제 카메라 중앙점의 위치를 추정하는 제2단계; 및 상기 디지털 트윈 상의 실제 카메라와 가상 카메라의 위치를 동일화하여 실제 카메라의 위치를 초기화하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법도 제공한다.
이때, 상기 제2단계는 실제 카메라의 팬, 틸트, 줌 값이 변화시 디지털 트윈의 가상세계 카메라도 동일하게 이동시키고, 가상세계에서 현재 가상 카메라의 중앙점에서 직선을 영상방향으로 확장하고 그 직선과 가상세계에서 만나는 그리드를 찾아 해당 직선이 만나는 점의 로컬 좌표를 찾아 그리드와 중앙점과의 거리를 통하여 만나는 점의 실제세계 좌표를 구하여 현재 실제 카메라 중앙점의 위치를 추정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제3 단계는 실제 카메라의 직선 아래 특정위치에 과녁 형태의 원형판을 위치시키고 가상세계에서도 가상세계 원형판을 위치시킨 후, 실제 카메라의 틸트 값을 최소화하여 회전하면서 과녁 형태의 원형판을 탐색하여 탐색된 원형판 중심에 실제 카메라의 영상 중앙점을 위치시키고 가상 카메라는 가상세계 원형판으로 위치시켜 실제 카메라의 위치를 초기화하는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 디지털 트윈을 통하여 카메라 영상의 중앙점을 정확하게 확인하여 카메라가 바라보는 방향을 초기화하여 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoom)의 값에 의해 제어되는 카메라의 방향이 실제 의도한 값과 동일하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 디지털 트윈을 기반으로 현실세계와 이에 대응되는 가상세계를 구축하고 현실세계에서의 다양한 모니터링 결과를 가상세계에 표현하여 가상세계에서는 이러한 모니터링 된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행하며 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 가상세계에서 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달함으로써 현실세계를 효과적적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 트윈의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 제어 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
우선 카메라는 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 기능에 의하여 바라보는 방향을 제어하지만, 실제로 전자적으로 제어되는 팬, 틸트, 줌의 값에 의하여 물리적으로도 동일한 값을 가지고 실제 카메라가 제어되지는 않는다.
따라서, 카메라가 현재 어떠한 팬, 틸트, 줌 값을 가지고 있는지와 무관하게 현재 보여지고 있는 영상에서의 중앙 또는 특정 지점의 좌표를 추정할 필요가 있다.
이에 본 발명은 디지털 트윈을 기반으로 카메라에서 현재 보여지고 있는 현실세계를 모사한 가상세계를 구현하고 현실세계의 다양한 모니터링 결과를 가상세계에 표현하고 시뮬레이션하는 결과를 바탕으로 가상세계에서 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달한다.
여기서, 디지털트윈이란, 현실세계와 이에 대응되는 가상세계를 구축하고, 현실세계에서의 다양한 모니터링 결과를 가상세계에 표현하여, 가상세계에서는 이러한 모니터링 된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행하며, 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 가상세계에서 현실세계를 제어하기 위한 명령을 전달함으로써 궁극적으로는 현실세계의 효과적인 관리하는 것을 말한다.
이와 같은 본 발명은 현실세계를 촬영하는 실제 카메라(100)와, 상기 실제 카메라(100)에서 촬영하는 현실세계의 기계나 장비, 사물 등을 가상세계에 구현하는 디지털 트윈(digital twin)을 구축하고, 상기 디지털 트윈을 이용해 상기 실제 카메라(100)의 중앙점 위치를 추정하고 실제 카메라(100)의 위치를 초기화하는 제어반(200)을 포함한다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
상기 실제 카메라(100)는 통상 피사체의 실제영상을 촬영하는 것으로, 이러한 카메라는 상하 좌우로 피사체를 따라가며 영상을 확대 또는 축소가 가능하도록 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 기능을 수행하는 구동부(110)를 포함함이 바람직하다.
이때, 상기 구동부(110)는 실제 카메라(100)를 수평 회전시키는 팬(Pan) 구동부, 상하 방향으로 각도를 조절하는 틸트(Tilt) 구동부, 영상의 확대 및 축소 기능을 수행하는 줌(Zoon) 구동부를 포함한다.
이에 상기 실제 카메라(100)는 촬영대상인 피사체의 움직임을 관찰하거나 필요한 부분에 회전, 줌을 함으로써 넓은 영역을 모니터링할 수 있도록 상하 좌우로 피사체를 따라가며 영상을 확대 또는 축소 가능한 PTZ 카메라(Pan/Tilt/Zoom Camera)를 사용할 수 있으며, 일 예로 PTZ형 CCTV를 사용함이 바람직하다.
이러한 실제 카메라(100)는 현실세계를 촬영하되 일 예로 복수의 컨테이너가 적재된 항만(port)을 촬영하며, 이와 같이 쵤영된 항만 영상은 제어반(200)에 수집되어 항만 영상에서의 중앙점을 추정할 수 있다.
물론, 실제 카메라(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 건축물이 존재하는 일반 도로를 촬영할 수도 있다.
한편, 상기 제어반(200)은 상기 실제 카메라(100)에서 촬영된 현실세계(RW) 영상에서 중앙점을 추정하고 실제 카메라(100)의 위치 초기화를 진행하기 위해 가상세계(VW)를 구현하며 시뮬레이션한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제어반(200)은 실제 카메라(100)를 통해 촬영되는 현실세계(RW)를 모사한 3차원 지도에 가상 카메라를 배치하여 가상세계(VW)를 구축하고, 현실세계에서의 다양한 모니터링 결과를 가상세계에 표현하며 가상세계에서는 이러한 모니터링 된 센서 값들을 기반으로 향후 전개될 상황에 대한 시뮬레이션을 수행한다.
그리고, 상기 제어반(200)은 실제 카메라(100)의 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 값이 변화될 때마다 디지털 트윈의 가상 카메라 역시 동일하게 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 값을 반영하여 동일하게 이동시키며 현재 실제 카메라(100)의 중앙점 위치를 추정하고, 디지털 트윈 상의 카메라의 위치를 동일화시켜 실제 카메라(100)의 위치를 초기화한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고로 본 발명에 따른 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 과정을 설명한다.
이때, 실제 카메라(100)에서 촬영되는 실제영상은 일 예로 차량이 이동하는 도로, 복수의 컨테이너가 적재된 항만(port) 등 다양한 현실세계(RW)를 촬영한 영상일 수 있으며, 이에 실제 카메라(100)를 통해 촬영되는 현실세계(RW)를 모사한 3차원 지도인 가상세계(VW)은 항만 등의 맵(map)일 수 있다.
이러한 본 발명은 현실세계(RW)를 모사한 3차원 가상세계(VW)에 가상 카메라를 구현하여 현실과 디지털 트윈을 구축하는 제1단계(S1)와, 실제 카메라(100)의 중앙점을 추정하는 제2단계(S2)와, 상기 실제 카메라(100)의 위치를 초기화하는 제3단계(S3)로 이루어진다.
이하, 본 발명의 제1 내지 제3단계를 구체적으로 설명한다.
우선, 상기 제1단계(S1)는 실제 카메라(100)에서 촬영되는 실제영상을 모사한 가상세계(VW)에 가상 카메라를 구현하여 디지털 트윈을 구축하는 단계로서, 일 예로 항만 맵과 카메라를 구현한다.
이러한 제1단계(S1)에서 제어반(200)은 일 예로 항만의 현 모습과 그를 모사한 3차원 지도를 구현하는 것을 기본으로 하는데, 항만의 지도를 모사하고 특히 적재된 컨테이너를 표현할 수 있다. 실제 카메라(100)가 배치되는 지역을 기준으로 3차원 지도인 가상세계(VW)에 현실과 같은 높이와 사양을 가지는 가상 카메라로서 CCTV 카메라를 배치할 수 있다.
상기 단계(S1)에서 제어반(200)은 예를 들어 항만의 현 모습과 그를 모사한 3차원 지도인 가상세계(VW)를 구현하는 것을 기본으로 하여, 가상세계(VW)에서 항만의 지도를 모사한다. 크레인, 컨테이너, 항만내 도로 등 다양한 설비를 표현할 수 있다.
그리고, 실제 카메라(100)가 배치되는 지역을 기준으로 3차원 지도 상에 현실과 같은 높이와 사양을 가지는 CCTV 카메라를 배치한다. 가상세계(VW)의 바닥은 일정한 간격(예: 1m)의 그리드로 분할하고, 각 그리드는 센터의 좌표를 가지고 있도록 한다.
다음으로 상기 제2단계는 실제 카메라(100)의 중앙점 추정 단계이다.
상기 제2단계에 제어반(200)은 실제 카메라(100)의 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 값이 변화될 때마다 디지털 트윈의 가상세계 카메라 역시 동일하게 팬(Pan), 틸트(Tilt), 줌(Zoon) 값을 반영하여 동일하게 이동시킨다.
그리고, 상기 제어반(200)은 어느 순간 실제 카메라(100)의 중앙점 위치를 알고자 할 경우, 가상세계(VW)에서 현재 가상 카메라의 중앙점에서 직선을 영상방향으로 확장하고 그 직선과 가상세계(VW)에서 만나는 그리드(grid)를 찾는다. 이와 같이 찾은 그리드에 해당 직선이 만나는 점의 로컬 좌표를 찾고, 이 그리드의 중앙점과의 거리를 통하여 만나는 점의 실제세계(RW) 좌표를 구한다. 이와 같이 구한 실제세계(RW) 좌표에 의하여 현재 실제 카메라(100) 중앙점의 위치를 추정한다.
그리고, 마지막으로 상기 제3 단계는 실제 카메라(100)의 위치를 초기화하는 단계로서, 어느 순간 팬, 틸트, 줌 값의 누적오차로 인하여 디지털 트윈 상의 실제 카메라(100)와 가상 카메라의 위치를 동일화 시키고자 한다.
이에 상기 제어반(200)은 실제 카메라(100)의 직선 아래 특정위치에 과녁 형태의 원형판을 위치시키고, 이와 동일하게 가상세계(VW)에서도 가상세계 원형판을 위치시킨다.
그리고, 상기 제어반(200)은 초기화가 시작되면 실제 카메라(100)는 틸트 값을 최소화하여 천천히 회전하면서 과녁 형태의 원형판을 탐색하며, 탐색된 원형판 중심에 실제 카메라(100)의 영상 중앙점을 위치시키고 가상 카메라는 가상세계 원형판으로 위치시킨다.
이로써 실제 카메라(100)의 위치 초기화가 완성되고 디지털 트윈 상 카메라 위치가 동기화된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 실제 카메라 110: 구동부
200: 제어반 RW: 현실세계
VW: 가상세계

Claims (8)

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  6. 제어반을 이용하여 실제 카메라에서 촬영되는 실제영상을 모사하여 3차원 지도의 형태를 갖는 가상세계를 구축하고, 구축된 가상세계에 실제 카메라와 동일 높이와 사양을 갖는 가상 카메라를 구현하여 디지털 트윈을 구축하는 제1단계;
    상기 제어반을 이용하여 가상세계에서 실제세계 좌표를 구해 실제 카메라 중앙점의 위치를 추정하는 제2단계; 및
    상기 제어반을 이용하여 디지털 트윈 상의 실제 카메라와 가상 카메라의 위치를 동일화하여 실제 카메라의 위치를 초기화하는 제3단계;를 포함하되,
    상기 제1단계에서 구축된 가상세계의 바닥은 일정한 간격의 그리드로 분할되고, 각 그리드는 센터의 좌표를 갖고 있도록 하며,
    상기 제2단계에서는 제어반에 의해 가상 카메라를 실제 카메라의 이동과 동일하게 이동시키고, 실제 카메라의 중앙점 위치를 알고자 하는 경우 가상세계에서 현재 가상 카메라의 중앙점에서 직선을 영상방향으로 확장하여 직선과 가상세계에서 만나는 그리드를 찾고, 상기 그리드와 해당 직선이 만나는 점의 로컬 좌표를 찾은 후, 상기 로컬 좌표와 그리드의 중앙점과의 거리를 통하여 만나는 점의 실제세계 좌표를 구하는 방식에 의해 실제 카메라의 중앙점 위치를 추정하며,
    상기 제3단계에서는 실제 카메라의 직선 아래 특정위치에 과녁 형태의 원형판을 위치시키고 가상세계에서도 가상세계 원형판을 위치시킨 후, 실제 카메라의 틸트값을 최소화하여 회전하면서 과녁 형태의 원형판을 탐색하여 탐색된 원형판 중심에 실제 카메라의 영상 중앙점을 위치시키고, 가상 카메라는 가상세계 원형판으로 위치시켜 실제 카메라의 위치를 초기화하는 단계인 것을 특징으로 하는 디지털 트윈 기반의 카메라 위치 초기화 방법.
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