KR20040006622A - 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의좌표변환시스템 및 그 방법 - Google Patents

기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의좌표변환시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

대상물의 3차원 영상 및 측점들로부터 지구표면에서의 방위각과 방향 등에 관한 정보를 얻을 수 있도록, 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지는 기준좌표대와, 대상물 및 수평판과 진북판에 대한 측량을 행하는 레이저스캐너와, 측정한 대상물의 3차원 위치정보를 이용하여 3차원 영상을 구현하고 기준좌표계를 이용하여 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 컴퓨터를 포함하는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템을 제공한다.
또 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지는 기준좌표대를 측량하고자 하는 대상물과 근접한 위치에 설치하고, 기준좌표대의 수평판을 수평면으로 맞추고 진북판을 진북방향과 일치하도록 위치맞춤을 행하고, 레이저스캐너를 소정의 각도로 회전시키면서 대상물의 각 측점 및 수평판과 진북판의 3차원 위치정보를 수집하고, 컴퓨터로 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 대상물의 3차원 영상을 구현하고 수평판 및 진북판의 위치정보를 이용하여 기준좌표계를 설정하고 대상물의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 과정으로 이루어지는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법을 제공한다.

Description

기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법 {Coordinate Transformation System of Three-Dimension Image and Data Points Using Reference Coordinate and The Same Method}
본 발명은 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대상물에 레이저를 주사하여 측정할 때에 기준좌표값을 함께 측정하므로 각 측점의 3차원 위치정보를 3차원 영상으로 구현한 다음 이를 기준좌표계로 좌표변환할 수 있는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이저를 이용하여 대상물(건물, 도로의 사면, 암반의 절리면 등)의 3차원 위치를 측정하는 경우에는 다양한 방법을 사용하며, 대표적으로는 대상물에 주사된 레이저빔이 반사되어 돌아오는 빛과의 간섭여부를 이용하여 측정하는 방법, 주사되는 원래의 빛과 반사되어 돌아오는 빛과의 위상차를 이용하여 측정하는 방법, 펄스광을 이용하여 그 펄스가 대상물에 반사되어 돌아오는 반사펄스를 측정하는 방법 등이 사용된다.
종래의 레이저를 이용한 측정방법에 있어서는 레이저 측정기로부터 대상물까지의 거리에 대한 값은 정밀하게 측정이 가능하지만, 대상물과 지구상의 수평면 및 진북방향과의 관계는 알 수 없다. 즉 대상물의 각 측점(측정점)으로부터 레이저 측정기까지의 거리 및 각, 이웃하는 측정점 사이의 거리 및 각 등에 대한 정보는 정밀하게 얻을 수 있지만, 각 측점들이 지표면에서의 수평 및 방위 등의 방향에 대한 정보는 얻을 수 없다.
예를 들면 대상물이 도로의 사면에 위치한 암반의 절리면인 경우에 레이저 측정기로부터 각 측점까지의 거리와 측점 사이의 거리에 대한 측정값은 얻을 수 있지만, 암반 절리면의 주향과 경사에 대한 정보는 얻을 수 없다.
본 발명은 이러한 점에 착안하여 수평 및 방위에 대한 정보를 제공하는 기준좌표계를 사용하므로 레이저를 이용하여 측정한 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 대상물의 3차원 영상을 구현한 다음 이를 기준좌표계에 맞추어 좌표변환하는 것이 가능한 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저스캐너의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 기준좌표대의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 기준좌표대의 다른 실시예를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법의 일실시예를 나타내는 순서도.
도 6은 본 발명에 따른 기준좌표대를 대상물에 근접한 위치에 설치한 상태를 나타내는 사진.
도 7은 본 발명에 따른 레이저스캐너를 이용하여 대상물과 기준좌표대의 수평판 및 진북판을 측량한 각 측점을 나타내는 이미지 사진.
도 8은 도 7에 나타낸 각 측점을 삼각망으로 연결하여 프레임을 구성한 상태를 나타내는 이미지 사진.
도 9는 도 8에 나타낸 프레임을 랜더링처리하여 3차원 영상으로 구현한 상태를 나타내는 이미지 사진.
도 10은 도 9의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하기 전의 상태를 나타내는 이미지 사진.
도 11은 도 9의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환한 상태를 나타내는 이미지 사진.
본 발명이 제안하는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템은 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지고 대상물에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대와, 소정의 각도로 회전하면서 레이저빔을 주사하고 대상물 및 상기한 수평판과 진북판에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 행하는 레이저스캐너와, 상기한 레이저스캐너를 안정적으로 지지하는 지지대와,상기한 레이저스캐너에서 측정한 대상물의 3차원 위치정보를 이용하여 대상물의 3차원 영상을 구현하고 상기한 수평판 및 진북판의 위치정보를 이용하여 설정하는 기준좌표계를 이용하여 상기한 대상물의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 컴퓨터를 포함하여 이루어진다.
상기한 지지대와 기준좌표대는 굴곡이 있는 지형에서도 안정적으로 지지할 수 있도록 삼각대로 구성한다.
그리고 본 발명이 제안하는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법은 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지는 기준좌표대를 측량하고자 하는 대상물과 근접한 위치에 설치하고, 기준좌표대의 수평판을 수평면으로 맞추고 진북판을 진북방향과 일치하도록 위치맞춤을 행하고, 레이저스캐너를 소정의 각도로 회전시키면서 레이저빔을 대상물 및 기준좌표대의 수평판과 진북판에 주사하고 대상물 및 상기한 수평판과 진북판에서 반사되는 빛을 수광하여 대상물의 각 측점에 대한 3차원 위치정보 및 상기한 수평판과 진북판의 위치정보를 수집하고, 컴퓨터로 상기한 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 임의의 좌표계로 대상물의 3차원 영상 및 각 측점애 대한 이미지를 구현하고 상기한 수평판과 진북판의 위치정보를 이용하여 기준좌표계를 설정하고 대상물의 3차원 영상 및 측점을 기준좌표계로 좌표변환하는 과정으로 이루어진다.
다음으로 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템의 일실시예는 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 수준계(13)가 설치되는 수평판(12)과 나침반(15)이 설치되는 진북판(14)으로 이루어지고 대상물(2)에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대(10)와, 소정의 각도로 회전하면서 레이저빔을 주사하고 대상물(2) 및 상기한 수평판(12)과 진북판(14)에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 행하는 레이저스캐너(20)와, 상기한 레이저스캐너(20)를 안정적으로 지지하는 지지대(30)와, 상기한 레이저스캐너(20)에서 측정한 대상물(2)의 3차원 위치정보를 이용하여 대상물(2)의 3차원 영상을 구현하고 상기한 수평판(12) 및 진북판(14)의 위치정보를 이용하여 설정하는 기준좌표계를 이용하여 상기한 대상물(2)의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 컴퓨터(40)를 포함하여 이루어진다.
상기한 기준좌표대(10)에는 굴곡이 있는 지형에서도 안정된 상태로 설치할 수 있도록 3개의 다리(16)를 설치한다.
상기한 3개의 다리(16)는 길이를 변경시킬 수 있도록 구성하며, 서로의 각도를 변경시키는 것도 가능하도록 구성하는 것이, 필요에 따라 다양하게 변화시켜 대응하는 것이 가능하므로 바람직한다.
상기한 3개의 다리(16)는 일반적으로 카메라나 측량기구 등에 많이 사용하는 삼각대의 구성을 이용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
그리고 상기한 기준좌표대(10)의 수평판(12)과 진북판(14)의 이웃하는 한쪽 모서리에는 수직판(19)을 설치하여 수평판(12)과 진북판(14)의 위치가 구조적으로 안정된 상태를 유지하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기한 진북판(14)에 설치하는 나침반(15)은 진북판(14)의 방향을 진북(도북)에 정확하게 일치시키기 위한 것으로, 진북판(14)의 윗면에는 나침반(15)의 N극 및/또는 S극의 일치여부를 확인할 수 있는 표시를 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 수평판(12)에 설치하는 수준계(13)는 수평판(14)의 수평여부를 정확하게 맞추기 위한 것으로, 도 3에 나타낸 바와 같이 직각을 이루는 2개의 직선형상으로 구성하는 것도 가능하고, 도 4에 나타낸 바와 같이 십자표시가 있는 원형상으로 구성하는 것도 가능하다.
상기한 지지대(30)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 굴곡이 있는 지형에서도 안정적으로 레이저스캐너(20)를 지지할 수 있도록 삼각대형상으로 구성한다.
상기한 지지대(30)는 도 1에 나타낸 바와 같이 수평상태로 레이저스캐너(20)를 위치시키는 것도 가능하고, 도 2에 나타낸 바와 같이 수직상태로 레이저스캐너(20)를 지지하는 것이 가능하도록, 각도를 변경시키는 것이 가능하게 구성하는 것이 바람직하다.
상기한 지지대(30)는 상기한 레이저스캐너(20)를 회전가능하게 지지하는 축지지부(32)와, 상기한 축지지부(32)의 밑면에 설치되는 제1브라켓(33)과, 상기한 제1브라켓(33)과 소정의 각도로 변화시키는 것이 가능하도록 연결되는 제2브라켓(34)과, 상기한 제2브라켓(34)의 밑면에 설치되는 3개의 다리(36)로 이루어진다.
상기한 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)은 일정 각도(예를 들면 0.1°단위, 0.5°단위, 1°단위 또는 5°단위 등)단위로 각도를 변경시킨 다음 위치를 고정할 수 있도록 구성한다.
상기한 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)의 각도는 최대 90°까지 변경가능하게 구성한다.
상기한 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓, 3개의 다리(36) 등의 구성은 일반적으로 카메라 또는 측량기구의 삼각대에 사용하는 구성을 이용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기한 레이저스캐너(20)는 예를 들면 320°회전가능하게 구성되고, 레이저빔을 주사하는 레이저부(22)와, 반사되어 돌아오는 빛을 수광하는 수광부(24)와, 레이저빔을 주사할 때에 대상물(2)의 촬영을 행하는 카메라부(26)를 포함하여 이루어진다.
상기에서 레이저부(22)의 미러(mirror)(도면에 나타내지 않음) 및/또는 카메라부(26)의 렌즈(도면에 나타내지 않음)를 소정의 각도(예를 들면 46°정도)로 회전하도록 구성하면, 레이저스캐너(20)가 320°회전하면서 다시 좌우로 46°회전하므로, 구의 일부를 이루는 면적에 대하여 폭넓게 레이저를 주사하는 것이 가능하고 선이 아닌 면에 대하여 측량하는 것이 가능하다.
그리고 상기한 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34) 사이의 각도를 조절하는 것에 의하여 1개의 지점에 고정된 상태에서 보다 넓은 면적을 측량하는 것이 가능하다.
상기한 카메라부(26)는 CCD 카메라를 이용하여 이루어진다.
상기한 레이저스캐너(20)는 다양한 방식으로 구성하여 사용하는 것이 가능하며, 기본적인 구성은 일반적인 레이저 측정방법에서 사용하는 다양한 시스템을 적용하여 실시하는 것이 가능하므로, 구체적인 구성에 대한 설명은 생략한다.
그리고 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법의 일실시예는 도 5∼도 11에 나타낸 바와 같이, 수준계(13)가 설치되는 수평판(12)과 나침반(15)이 설치되는 진북판(14)으로 이루어지는 기준좌표대(10)를 측량하고자 하는 대상물(2)과 근접한 위치에 설치하고, 기준좌표대(10)의 수평판(12)을 수평면으로 맞추고 진북판(14)을 진북방향과 일치하도록 위치맞춤을 행하고, 레이저스캐너(20)를 소정의 각도(예를 들면 320°×46°×90°)로 회전시키면서 레이저빔을 대상물(2) 및 기준좌표대(10)의 수평판(12)과 진북판(14)에 주사하고 대상물(2) 및 상기한 수평판(12)과 진북판(14)에서 반사되는 빛을 수광하여 대상물(2)의 각 측점에 대한 3차원 위치정보 및 상기한 수평판(12)과 진북판(14)의 위치정보를 수집하고, 컴퓨터(40)로 상기한 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 대상물(2)의 3차원 영상 및 각 측점의 이미지를 구현하고 상기한 수평판(12)과 진북판(14)의 위치정보를 이용하여 기준좌표계를 설정하고 대상물(2)의 3차원 영상 및 측점을 기준좌표계로 좌표변환하는 과정으로 이루어진다.
상기에서 기준좌표대(10)의 수평판(12)에 설치된 수준계(13)를 이용하여 수평을 맞추면서 3개로 이루어진 다리(16)의 높이 및 각도를 조절하여 설정된 기준위치로 수평판(12)을 위치맞춤한다.
그리고 상기한 진북판(14)에 설치된 나침반(15)을 이용하여 진북판(14)의 방향을 진북(도북)방향으로 위치맞춤한다.
즉 상기한 기준좌표대(10)를 도 6에 나타낸 바와 같이 대상물(2)에 근접한 위치에 설치하고 수평판(12)과 진북판(14)을 각각 수평면 및 진북방향으로 위치맞춤한다.
상기와 같이 수평면과 진북방향으로 위치맞춤된 기준좌표대(10)의 수평판(12), 진북판(14), 수직판(19)이 만나는 내부의 꼭지점을 기준좌표계의 기준원점(0,0,0)으로 설정하고, 수평판(12)과 수직판(19)이 만나는 안쪽 모서리를 위도축으로 설정하고, 진북판(14)과 수평판(12)이 만나는 안쪽 모서리를 경도축(또는 진북축)으로 설정하고, 수직판(19)과 진북판(14)이 만나는 안쪽 모서리를 높이축으로 설정한다.
즉 레이저스캐너(20)에서 측량한 기준좌표대(10)의 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 상기한 컴퓨터(40)에서 형상화한 기준좌표대(10)의 수평판(12), 진북판(14), 수직판(19)에 대한 3차원 영상 및 측점을 대상물(2)의 3차원 영상 및 측점에 대한 기준좌표계로 설정한다.
상기한 레이저스캐너(20)는 소정의 각도(예를 들면 320°)로 회전하면서 대상물(2)에 대한 스캐닝을 행한 다음, 레이저부(22) 미러(mirror)의 각도를 일정 간격(예를 들면 0.1°)으로 조정하고, 다시 소정의 각도로 회전하면서 스캐닝을 행하는 과정을 반복하여 대상물(2)에 대한 측량을 수행한다. 상기한 레이저스캐너(20)에 의하여 측량이 가능한 각 측점 사이의 간격은 0.1㎜ 정도까지 정밀하게 설정하는 것이 가능하므로, 매우 정확하게 대상물(2)에 대한 3차원 위치정보를 얻을 수 있다.
상기에서 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)의 각도를 조정하면 스캔하여 측량할 수 있는 범위가 매우 폭넓은 범위로 확대된다.
상기와 같이 측량된 대상물(2) 및 기준좌표대(10)의 각 측점에 대한 3차우너 위치정보는 컴퓨터(40)에서 점으로 표시된다(도 7 참조). 상기한 컴퓨터(40)에서는 점으로 표시된 각 측점을 이웃하는 측점끼리 삼각망으로 연결하여 프레임을 만들고(도 8 참조), 프레임에 랜더링처리를 행하므로 면을 구성하는 것에 의하여 대상물(2) 및 기준좌표대(10)를 3차원 영상으로 구현한다(도 9 참조).
상기에서 3차원 영상으로 구현된 기준좌표대(10)는 기준좌표계로 사용하게 된다. 상기와 같이 구현되는 기준좌표계를 기준으로 대상물(2)의 3차원 영상 및 측점을 위도와 경도에 맞추어 좌표변환을 행하면, 실제 대상물(2)의 방향성을 알 수 있다.
도 10에는 좌표변환을 수행하기 전의 상태를 나타내고, 도 11에는 좌표변환을 수행한 상태를 나타낸다. 즉 직육면체로 표시되는 사용자가 설정한 좌표계(화면상 위도와 경도 및 높이를 나타내는 좌표계)와 기준좌표계가 소정의 각도로 어긋난 상태로 표시되는 도 10과 같은 상태에서 기준좌표계를 사용자가 설정한 좌표계와 방향을 일치시키는 것에 의하여 도 11과 같은 상태로 대상물(2)에 대한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환이 이루어진다. 따라서 좌표변환이 매우 용이하게 이루어진다.
상기에서는 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템 및 그 방법에 의하면, 기준좌표대가 대상물과 일체화된 상태로 레이저스캐너에 의하여 함께 스캔되어 각 측점에 대한 3차원 위치정보가 얻어지므로, 대상물을 3차원 영상화함과 동시에 기준좌표계가 구현된다. 따라서 기준좌표계를 기준으로 사용자가 원하는 좌표계로 대상물의 방향을 자유롭게 좌표변환하는 것이 가능하고, 좌표변환작업이 매우 용이하게 이루어진다.

Claims (5)

  1. 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지고 대상물에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대와,
    소정의 각도로 회전하면서 레이저빔을 주사하고 대상물 및 상기한 수평판과 진북판에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 행하는 레이저스캐너와,
    상기한 레이저스캐너를 안정적으로 지지하는 지지대와,
    상기한 레이저스캐너에서 측정한 대상물의 3차원 위치정보를 이용하여 대상물의 3차원 영상을 구현하고 상기한 수평판 및 진북판의 위치정보를 이용하여 설정하는 기준좌표계를 이용하여 상기한 대상물의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 컴퓨터를 포함하는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기한 기준좌표대의 수평판과 진북판의 이웃하는 한쪽 모서리에는 수직판을 설치하고,
    상기한 진북판의 윗면에는 나침반의 N극 및 S극의 일치여부를 확인할 수 있는 표시를 형성하고,
    상기한 수평판에 설치하는 수준계는 직각을 이루는 2개의 직선형상으로 구성하거나 십자표시가 있는 원형상으로 구성하는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 지지대는
    상기한 레이저스캐너를 회전가능하게 지지하는 축지지부와,
    상기한 축지지부의 밑면에 설치되는 제1브라켓과,
    상기한 제1브라켓과 소정의 각도로 변화시키는 것이 가능하도록 연결되는 제2브라켓과,
    상기한 제2브라켓의 밑면에 설치되는 3개의 다리로 이루어지는 기준좌표계를 이요한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환시스템.
  4. 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지는 기준좌표대를 측량하고자 하는 대상물과 근접한 위치에 설치하고,
    기준좌표대의 수평판을 수평면으로 맞추고 진북판을 진북방향과 일치하도록 위치맞춤을 행하고,
    레이저스캐너를 소정의 각도로 회전시키면서 레이저빔을 대상물 및 기준좌표대의 수평판과 진북판에 주사하고 대상물 및 상기한 수평판과 진북판에서 반사되는 빛을 수광하여 대상물의 각 측점에 대한 3차원 위치정보 및 상기한 수평판과 진북판의 위치정보를 수집하고,
    컴퓨터로 상기한 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 대상물의 3차원 영상 및 측점의 이미지를 구현하고 상기한 수평판과 진북판의 위치정보를 이용하여 기준좌표계를 설정하고 대상물의 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 과정으로 이루어지는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기한 컴퓨터에서 수행하는 좌표변환은
    컴퓨터에서 점으로 표시된 각 측점을 이웃하는 측점끼리 삼각망으로 연결하여 프레임을 만들고,
    프레임에 랜더링처리를 행하므로 면을 구성하는 것에 의하여 대상물 및 기준좌표대를 3차원 영상으로 구현하고,
    3차원 영상으로 구현된 기준좌표대를 기준좌표계로 사용하고,
    기준좌표계를 사용자가 설정한 좌표계에 맞추어 좌표변환하는 것에 의하여 3차원 영상 및 측점을 좌표변환하는 과정으로 이루어지는 기준좌표계를 이용한 3차원 영상 및 측점의 좌표변환방법.
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