KR20000031079A - 센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선추출방법 - Google Patents

센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선추출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테레오 영상에서 수립한 센서모델과 상응점쌍의 변환관계를 가정하는 영상정합방식을 이용하여 3차원 높이 모델을 통하지 않고 직접 등고선을 추출하므로써, 스테레오 영상에서 보다 정확한 등고선을 추출할 수 있는 센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선 추출방법을 제공하려는 것이다.
본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 입력받은 스테레오 영상들로부터 센서모델을 수립하고, 상기 스테레오 영상에 대한 영상정합을 수행한다. 그러한 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 스테레오 영상의 동일한 지점에 해당하는 상응점쌍을 찾는 제1단계(S203)와, 상기 제1단계(S203)의 상응점쌍과 같은 높이값을 갖는 인접한 각 영상내의 점들의 위치를 추정하는 제2단계(S204)를 포함한다. 또한, 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제2단계(S204)에서 추정한 상기 점들의 상응점쌍들을 정합하는 제3단계(S205)와, 상기 제2단계(S204)와 상기 제3단계(S205)를 반복수행(S206)하여 동일한 높이값을 갖는 일련의 정합점들을 구하는 제4단계(S207)를 포함한다. 또한, 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제4단계(S207)의 정합점들로부터 등고선을 추출하는 제5단계(S208)를 포함한다.

Description

센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선 추출방법
본 발명은 센서모델(sensor model)과 영상정합(stereo matching)을 이용한 스테레오 영상의 등고선 추출방법에 관한 것이며, 특히, 스테레오 영상에서 해당 영역의 높이값과, 촬영 당시의 카메라 촛점으로부터 구한 상기 해당 영역 간의 거리값 또는, 주어진 좌표계 상에서 추출한 상기 해당 영역의 3차원 좌표값을 이용하여 상기 해당 영역의 표면을 3차원으로 복원해 내는 스테레오 영상의 등고선 추출방법에 관한 것이다.
여기에서 스테레오 영상은 동일한 영역을 다른 각도와 다른 위치에서 촬영하여 상기 영역내의 해당점들의 음영, 또는 색상이 기록된 두개 이상의 영상을 의미한다.
일반적으로 스테레오 영상을 이용하여 해당 영역의 표면을 3차원으로 복원해 내는 기술분야는 항공기나 위성에서 촬영한 지표면의 스테레오 영상에서 지표면을 3차원으로 복원하는데 사용된다. 이런 기술분야는 추출된 지표면의 3차원 좌표값을 이용하여 지형도를 제작하는데 사용된다. 또한, 이런 기술분야는 주어진 물체를 촬영한 스테레오 영상에서 그 물체의 3차원 형상을 추출해 내는 데에도 사용된다.
스테레오 영상에서 추출할 수 있는 3차원 정보 중에서 동일한 높이값을 갖는 점들의 연속선인 등고선은 3차원 복원을 위한 매우 중요한 정보이다. 특히, 항공기나 위성에서 촬영한 스테레오 영상으로 지형도를 제작할 경우, 등고선은 반드시 필요한 매우 중요한 정보이다.
일반적인 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 측량기술 분야에서 사용되는 사용되는 기계식 도화기를 사용하여 숙련된 전문가의 경험 및 시각적 판단에 의해 수동으로 수행되어 왔다.
근래에 들어서는 컴퓨터 및 관련 기술의 발달과 함께, 디지탈 형태로 표현된 스테레오 영상에서 컴퓨터를 이용, 자동적으로 3차원 정보를 추출해 내는 기술들이 개발되고 있다.
종래 기술에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 도 1에 보이듯이, 동일한 영역을 다른 각도와 다른 위치에서 촬영한 스테레오 영상을 입력받는다(S101).
이렇게 입력받은 스테레오 영상을 이용하여 상기 스테레오 영상 촬영 당시의 카메라와 지표면 간의 기하학적 관계인 센서모델을 수립한다(S102). 이렇게 수립한 센서모델에서는 영상정합을 적용하여 이산(離散)화된 다수의 3차원 좌표값을 추출한다(S103). 여기에서, 이산화된 다수의 3차원 좌표값은 상기 스테레오 영상에 내재된 전체 정보가 아닌 일부 정보를 수치적으로 표현한 정보이다. 또한, 영상정합의 수행은 스테레오 영상 내의 동일한 지점에 해당하는 각 영상점들인 상응점쌍을 구하는 일반적인 방법이다. 또한, 이후에는 상기와 같이 추출된 일부 지점의 정보인 3차원 좌표값의 높이값들을 전체 지점의 정보들로 추정하는 보간을 수행하며(S104), 상기 보간을 수행한 3차원 좌표값들을 이용하여 일정한 간격의 격자점에 높이 값이 할당된 수치표고모형을 제작하고(S105), 이런 수치표고모형의 높이에 따른 단면을 분석하며(S106), 이렇게 분석한 각 높이당 단면의 가장자리를 등고선으로 추정하여 등고선을 추출한다(S107).
그러나, 종래 기술에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 높이값 보간을 통한 간접적인 등고선 추출방법으로서, 상기 보간에서 실제와 다른 결과를 산출하는 실수를 유발한다.
또한, 종래의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 이미 스테레오 영상에 내재되어 있는 정보를 무시한 체, 격자점 형태의 일부 지점에서의 정보만을 취합하여 등고선을 추정한다는 논리적 모순을 갖고 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스테레오 영상에서 수립한 센서모델과 상응점쌍의 변환관계를 가정하는 영상정합방식을 이용하여 3차원 높이 모델을 통하지 않고 직접 등고선을 추출하므로써, 스테레오 영상에서 보다 정확한 등고선을 추출할 수 있는 센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선 추출방법을 제공하려는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법을 설명하기 위한 블럭도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법을 설명하기 위한 블럭도.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 입력받은 스테레오 영상들로부터 센서모델을 수립하고, 상기 스테레오 영상에 대한 영상정합을 수행하는 스테레오 영상의 등고선 추출방법이 제공된다. 그러한 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 스테레오 영상의 동일한 지점에 해당하는 상응점쌍을 찾는 제1단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제1단계의 상응점쌍과 같은 높이값을 갖는 인접한 각 영상내의 점들의 위치를 추정하는 제2단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제2단계에서 추정한 상기 점들의 상응점쌍들을 정합하는 제3단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제2단계와 상기 제3단계를 반복수행하여 동일한 높이값을 갖는 일련의 정합점들을 구하는 제4단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상기 제4단계의 정합점들로부터 등고선을 추출하는 제5단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제2단계는 상기 센서모델과 상기 초기점에 대한 영상정합의 결과로 상기 인접한 각 영상내의 점들의 위치를 추정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1단계의 상응점쌍에 대한 상기 제2단계의 인접한 각 영상내의 점들은 상기 센서모델과 상기 상응점쌍에 대한 영상정합의 변환관계의 결합시, 아래의 수학식 5와 수학식 8을 조건식으로 하여 추정하는 것이 바람직하다.
아래에서, 본 발명에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
이 실시예에서 설명하는 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 영상정합 시에 얻어진 상응점쌍의 변환관계와 센서모델을 이용하여 상기 상응점쌍과 동일한 높이값을 갖는 인접한 새로운 상응점쌍의 위치를 추정하고, 상기 센서모델과 영상정합을 결합하여 스테레오 영상에서 직접적으로 등고선을 추출하는 것을 제외하고는 종래 기술과 동일하다. 또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 동작원리를 설명하기 위해서 정합방식의 한 실시예로 상응점쌍의 변환관계를 유사변환으로 가정하는 영상정합 방법을 이용한다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 스테레오 영상의 등고선 추출방법을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2에 있어서, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 동일한 영역을 다른 각도와 다른 위치에서 촬영한 스테레오 영상을 입력받는다(S201). 이렇게 입력받은 스테레오 영상을 이용하여 상기 스테레오 영상 촬영 당시의 카메라와 지표면 간의 기하학적 관계인 센서모델을 수립하고(S202), 이렇게 수립한 센서모델을 이용하여 초기점에 대한 정합을 수행한다(S203).
이후에는 상기 센서모델과 정합결과를 이용하여 초기점과 같은 등고선상에 인접한 새로운 정합점의 위치를 추정하고(S204), 상기 추정 정합점에 대한 정합을 수행하며(S205), 상기 위치 추정(S204)과 정합(S205)을 반복하고(S206), 동일한 높이를 갖는 인접한 새로운 정합점들을 추출한다(S207). 따라서, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기 추출한 정합점들을 이용하여 등고선을 추출한다(S208).
아래에서, 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법의 동작원리를 설명하겠다.
본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 항공측량 분야에서 사용되는 동일한 영역을 다른 각도와 다른 위치에서 촬영한 스테레오 영상을 입력받는다(S201). 이렇게 입력받은 스테레오 영상은 수식상의 편의를 위하여, 두개의 영상으로 이루어져 있다. 또한, 두 영상을 촬영할 때 사용한 카메라는 동일한 촛점거리를 가졌다고 가정한다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기와 같이 입력받은 스테레오 영상을 이용하여 센서모델을 수립한다(S202). 상기 스테레오 영상은 영상의 촬영위치에 따라 좌 영상과 우 영상으로 구분된다. 상기 스테레오 영상으로부터 주어진 좌 영상내의 한 점인 좌측 영상점( xl, yl )과 그 점에 해당하는 지상점( X, Y, Z )의 관계는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
여기에서, Xs, Ys, Zs 는 좌 영상 카메라의 초점 또는 좌 카메라 좌표계의 원점에 대한 주어진 지상기준좌표계 상의 좌표값이다. 또한, r11∼ r33 는 좌 카메라 좌표계를 주어진 지상좌표계와 일치하도록 좌 좌표계를 회전이동한 회전이동행렬의 인자들이다.
좌 영상의 센서모델은 좌 영상내의 한 점( xl, yl )과 그 점의 실제값인 지상점( X, Y, Z )을 측정하고, 상기 상기 수학식 1을 이용하여, 상기 좌 카메라 좌표계의 원점에 대한 주어진 지상기준좌표계 상의 좌표값( Xs, Ys, Zs )과 상기 좌 좌표계를 회전이동한 회전이동행렬( r11∼ r33 )을 구하여 수립한다.
우 영상의 센서모델은 좌 영상의 경우와 마찬가지로 상기 수학식 1과 유사한 식을 세우고, 우 카메라 좌표계의 원점에 대한 주어진 지상기준좌표계 상의 좌표값( Xs′, Ys′, Zs′ )과 우 좌표계를 회전이동한 회전이동행렬( r11′ ∼ r33′ )을 구하여 수립한다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기 스테레오 영상 내의 다수의 점인 초기점에 대한 정합을 수행한다(S203). 상기 초기점에 대한 정합수행에서는 상기 스테레오 영상에 대한 센서모델을 사용하도록, 스테레오 영상에 영상정합을 적용하여 상응점쌍을 찾고, 그러한 상응점쌍의 3차원 좌표값을 추출한다. 여기에서, 상기 좌 카메라 좌표계로 표현된 좌측 영상점( xl, yl )과 우 카메라 좌표계로 표현된 우 영상내의 한 점인 우측 영상점( xr, yr )은 지상점( X, Y, Z )에 해당하는 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )이다. 그리고, 상기 영상정합 방법이 상응점쌍 간에 유사변환을 가정하는 정합방식이므로, 이런 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )에서는 아래의 수학식 2와 같은 관계가 성립한다.
상기 수학식 2에서 a11, a12,a21,a22,s1 및 s2 는 영상정합을 통하여 얻을 수 있는 상응점쌍에 대한 변환관계를 나타내는 파라미터들이다. 영상정합에서는 좌우 영상의 정합하고자 하는 점 주변의 밝기값의 상관관계와 일반적인 최소자승법을 적용하여, 상기 수학식 2의 a11, a12,a21,a22,s1 및 s2 를 구한다. 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 일반적인 영상정합 방식을 이용하여, 좌우 카메라 좌표계로 표현된 좌측 영상점( xl, yl )과 우측 영상점( xr, yr )의 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )을 구한다.
그러한 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )에 대한 좌우 카메라 좌표계 상에서의 관계식은 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
상기 수학식 3의 f 는 카메라의 촛점거리이다. 또한, BY, BY, BZ 는 주어진 지상기준좌표계 상에서 좌 카메라 좌표계의 원점에서부터 우 카메라 좌표계의 원점까지의 위치벡터의 값이다. 이런 값들은 상기 제1단에서 구한 좌우 영상의 센서모델에서 구해질 수 있다. 그리고, C는 회전이동행렬로서, 우 카메라 좌표계의 3축 방향이 좌 카메라의 3축방향과 일치하도록 하는 행렬이다. 이런 값은 좌우 영상의 센서모델을 이용하여 구할 수 있다. 따라서, 상기 수학식 3을 이용하여 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )의 주어진 기준좌표계 상에서의 지상점( X, Y, Z )의 좌표값을 구하면 아래의 수학식 4와 같다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기 센서모델과 정합결과를 이용, 초기점과 같은 등고선상에 인접한 새로운 정합점의 위치를 추정한다(S204). 이렇게 초기점과 같은 등고선상에 인접한 새로운 정합점의 위치를 추정하는 것은 상기 영상정합으로 구한 상응점쌍( xl, yl ; xr, yr )과 동일한 높이값을 갖는 매우 작은 값 ▵xl 에 대한 인접한 새로운 상응점쌍( xl+▵xl,yl+▵yl ; xr+▵xr,yr+▵yr )을 찾아내는 것이다.
인접한 새로운 상응점쌍( xl+▵xl,yl+▵yl ; xr+▵xr,yr+▵yr )에서 우 영상점에 상기 수학식 3의 회전이동행렬 C를 적용한 후의 우측영상점의 좌표값을 x′r+▵x′r,y′r+▵y′r,z′r+▵z′r 로 가정한다. 그러면, 새로운 상응점쌍과 기존의 상응점쌍이 같은 높이값을 갖기 때문에, 상기 수학식 4에 의하여 아래의 수학식 5를 유도한다.
상기 수학식 5에서 Bzx′r-z′rBx=P , f x′r-xlz′r=Q 로 치환하면, 아래의 수학식 6을 얻을 수 있다.
그리고, ▵xl 이 충분히 작다면 상기 수학식 2는 새로운 상응점쌍에 대하여 아래의 수학식 7과 같이 표현 가능하다.
상기 수학식 7과 상기 수학식 2를 이용하여, 아래의 수학식 8을 얻을 수 있다.
여기에서, a11, a12,a21,a22 은 상기 상응점쌍 (xl, yl; xr, yr) 에 대한 변환관계를 나타내는 파라미터들이다.
또한, ▵x′r, ▵y′r, ▵z′r 과 ▵xr, ▵yr 의 관계는 아래의 수학식 9로 나타낼 수 있다.
상기 수학식 9에서 Cij(i=1,2,3 ; j=1,2,3 ) 는 회전이동행렬 C의 각 인자이다. 따라서, 상기 수학식 6과 수학식8 및 수학식 9를 이용하면, 주어진 ▵xl 에 대한 ▵yl, ▵xr, ▵yr, 을 구할 수 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기 추정된 새로운 상응점쌍을 이용하여 정합을 수행한다(S205). 이때, 상기 추정된 새로운 상응점쌍에 대하여 영상정합을 수행할 경우에는 새로운 상응점쌍에 적용되는 새로운 유사변환행렬을 구한다. 그리고, 여기에서 수행하는 정합방법은 상기 S203단계에서 수행한 정합방법과 동일하다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 상기 S204단계와 S205단계를 반복수행하여 다수의 인접한 새로운 상응점쌍과, 이런 상응점쌍에 대한 정합을 수행한다(S206). 이렇게 반복한 후에는 동일한 높이값을 갖는 일련의 정합점을 추출하고(S207), 상기 추출한 연속하는 정합점들을 서로 결합하므로써, 등고선을 추출한다(S208).
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 동일한 영역을 다른 각도, 다른 위치에서 촬영한 스테레오 영상에서 등고선을 직접적으로 추출할 수 있는 장점이 있다. 그러한 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 기존의 간접적인 등고선 추출과 전혀 다른 새로운 방식이며, 기존의 간접적인 등고선 추출방식을 대치할 수 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 3차원 높이 모델의 생성을 통해 간접적으로 등고선을 추정하는 과정에서 수반되는 에러들을 제거할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 스테레오 영상 내에 내재되어 있는 지표면의 3차원 높이정보의 활용을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 수치표고모형의 제작이 없이 바로 등고선을 추출하므로써, 등고선 추출의 수행시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서는 일반적인 항공측량 분야에서 사용되는 공선방정식에 기초한 스테레오 영상을 한가지 실시예로 설명하였지만, 어떠한 방식으로 촬영된 스테레오 영상에 대해서도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에서 주어진 상응점쌍과 동일한 높이값을 갖는 새로운 상응점쌍의 위치를 추정하는 방식과, 또한 이를 이용하여 등고선을 직접적으로 추출하는 방법은 항공측량용 스테레오 영상에만 국한되어 적용되는 것이 아니며, 어떠한 방식으로 촬영된 스테레오 영상에 대해서도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법은 상응점쌍 간의 변환관계를 어떠한 형태로 가정하는 모든 정합 방법에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 스테레오 영상의 등고선 추출방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 입력받은 스테레오 영상들로부터 센서모델을 수립하고, 상기 스테레오 영상에 대한 영상정합을 수행하는 스테레오 영상의 등고선 추출방법에 있어서,
    상기 스테레오 영상의 동일한 지점에 해당하는 상응점쌍을 찾는 제1단계(S203)와,
    상기 제1단계(S203)의 상응점쌍과 같은 높이값을 갖는 인접한 각 영상내의 점들의 위치를 추정하는 제2단계(S204)와,
    상기 제2단계(S204)에서 추정한 상기 점들의 상응점쌍들을 정합하는 제3단계(S205)와,
    상기 제2단계(S204)와 상기 제3단계(S205)를 반복수행(S206)하여 동일한 높이값을 갖는 일련의 정합점들을 구하는 제4단계(S207) 및,
    상기 제4단계(S207)의 정합점들로부터 등고선을 추출하는 제5단계(S208)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테레오 영상의 등고선 추출방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2단계(S204)는 상기 센서모델과 상기 초기점에 대한 영상정합의 결과로 상기 인접한 각 영상내의 점들의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 스테레오 영상의 등고선 추출방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1단계(S203)의 상응점쌍 (xl, yl; xr, yr) 에 대한 상기 제2단계(S204)의 인접한 각 영상내의 점들 (xl+Δxl, yl+Δyl; xr+Δxr,yr+Δyr) 은 상기 센서모델과 상기 상응점쌍 (xl, yl; xr, yr) 에 대한 영상정합의 변환관계의 결합시, 아래의 수학식(I, II)들을 조건식으로 하여 추정하는 것을 특징으로 하는 스테레오 영상의 등고선 추출방법.
    (I).
    (II).
    여기에서, f 는 카메라의 촛점거리이고, BX, BZ 는 주어진 지상기준좌표계 상에서 좌 카메라 좌표계의 원점에서부터 우 카메라 좌표계의 원점까지의 위치벡터중에서 X좌표값과 Z좌표값이며, ( xr′ ,yr′ )과 ( xr′+Δxr′ , zr′+Δzr′ )은 각각 상기 상응점쌍의 우측 영상점( xr, yr )과 ( xr+Δxr, zr+Δzr )을 회전이동행렬 C로 회전이동시킨 값의 X좌표값과 Z좌표값이고, a11, a12,a21,a22 은 상기 상응점쌍 (xl, yl; xr, yr) 에 대한 변환관계를 나타내는 파라미터들이다.
KR1019980046942A 1998-11-03 1998-11-03 센서모델과 영상정합을 이용한 스테레오 영상의 등고선추출방법 KR100310820B1 (ko)

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