KR20040043283A - 가로수 관리 정보 추출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가로수 관리 정보 추출 시스템에 관한 것으로, 차량의 이동 중에 가로수에 대한 영상 정보를 수집하는 영상 정보 취득수단과, 수집된 영상의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 표정요소 산출부와, 영상 정보의 획득 순간에 차량의 위치를 획득하기 위한 GPS 수신기와, 영상 정보의 획득 순간에 차량의 자세를 결정하는 IMU와, 영상 정보 취득 수단에 의하여 수집된 영상 정보를 수신하는 영상 데이터 수신부와, GPS 수신기 및 IMU의 통합으로 GPS 신호 미 수신 지역에서 차량의 위치 획득이 가능하고, IMU 정보의 보정이 가능하도록 데이터를 통합하는 항법 데이터 처리부와, 표정요소 산출부에 의해 추출된 외부표정요소와 항법 데이터 처리부에 의한 GPS/IMU 통합 정보의 위치 및 자세를 보정하여 움직이는 차량에서의 영상 정보 취득 수단의 위치 및 자세를 추출하는 위치 및 자세 추출부와, 영상 정보와 영상 취득 수단의 위치 및 자세를 이용하여 가로수에 대한 3차원 위치를 추출하는 3차원 위치 산출부와, 수집된 영상 정보를 분석하여 가로수의 병충해를 판단하는 영상 분석 처리부와, 영상 분석 처리부의 처리 결과를 가로수 데이터 베이스와 비교하여 수치지도에 표시하는 수치지도 갱신부를 포함하며, 한번의 차량이동으로 많은 도심가로수들의 병해충 상태 및 병해충이 발생한 위치를 수치지도에 표시하여 효율적으로 도심가로수들을 관리할 수 있는 이점이 있다.

Description

가로수 관리 정보 추출 시스템{SYSTEM FOR EXTRACTING MANAGEMENT INFORMATION OF A ROADSIDE TREE}
본 발명은 가로수 관리 정보 추출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칼라 CCD(Charge Coupled Device) 카메라와 GPS/IMU(Global Positioning System/Inertial Measurement Unit) 및 IR(Infrared Ray) 카메라가 설치된 차량을 이용하여 한번의 차량 이동을 통해 많은 가로수의 위치정보 및 영상정보를 획득한 후 병충해 유무를 판단할 수 있도록 한 가로수 관리 정보 추출 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 도심 가로수의 병충해를 관리하기 위해서는 보통 사람이 가로수들을 직접 관찰하고 판단하여 가로수를 관리하고 있으나 대부분 체계적인 관리가 힘든 형편이다.
따라서, 근래에는 위성의 영상을 이용하여 산림 관리 등에 이용하는 방법들을 연구하고 있는 실정이나 위성의 영상을 사용하여 가로수 병충해 관리 시스템을 구축할 경우 위성 영상의 공간 해상도가 가로수 병충해 관리 정보 추출에 부적합한 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 칼라 CCD 카메라와 GPS/IMU 및 IR 카메라가 설치된 차량을 이용하여 한번의 차량 이동으로 많은 가로수의 위치정보 및 영상정보를 획득한 후 병충해 정보를 추출하도록 함으로써, 가로수의 위치정보 및 영상정보에 대한 취득 효율을 향상시키면서도 이로부터 추출하는 병충해 관리 정보의 신뢰성이 향상되도록 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가로수 관리 정보 추출 시스템은, 차량의 이동 중에 가로수에 대한 영상 정보를 수집하는 영상 정보 취득수단과; 상기 수집된 영상의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 표정요소 산출부와; 상기 영상 정보의 획득 순간에 상기 차량의 위치를 획득하기 위한 GPS 수신기와, 상기 영상 정보의 획득 순간에 상기 차량의 자세를 결정하는 IMU와; 상기 영상 정보 취득 수단에 의하여 수집된 영상 정보를 수신하는 영상 데이터 수신부와; 상기 GPS 수신기 및 IMU의 통합으로 GPS 신호 미 수신 지역에서 차량의 위치 획득이 가능하고, 상기 IMU 정보의 보정이 가능하도록 데이터를 통합하는 항법 데이터 처리부와; 상기 표정요소 산출부에 의해 추출된 외부표정요소와 상기 항법 데이터 처리부에 의한 GPS/IMU 통합 정보의 위치 및 자세를 보정하여 움직이는 차량에서의 상기 영상 정보 취득 수단의 위치 및 자세를 추출하는 위치 및 자세 추출부와; 상기 영상 정보와 상기 영상 취득 수단의 위치 및 자세를 이용하여 상기 가로수에 대한 3차원 위치를 추출하는 3차원 위치 산출부와; 상기 수집된 영상 정보를 분석하여 상기 가로수의 병충해를 판단하는 영상 분석 처리부와; 상기 영상 분석 처리부의 처리 결과를 가로수 데이터 베이스와 비교하여 수치지도에 표시하는 수치지도 갱신부;를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 가로수 관리 정보 추출 시스템의 블록 구성도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 가로수 관리 정보 추출 시스템의 차량 탑재 배치도,
도 3은 본 발명에 따른 가로수 관리 정보 추출 시스템의 처리 과정을 보여주는 플로우차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : CCD 카메라 102 : IR 카메라
103 : GPS 수신기 104 : IMU
106 : DMI 201 : 영상 데이터 수신부
202 : 항법 데이터 처리부 203 : 카메라 내부표정요소 산출부
204 : 카메라 외부표정요소 산출부 205 : 영상 매칭 처리부
206 : 영상 분석 처리부 207 : 수치지도 갱신부
208 : 카메라 위치 및 자세 추출부 209 : 가로수 3차원 위치 산출부
301 : 전원 공급부 302 : 동기화부
400 : 영상 데이터 모니터부
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 가로수 관리 정보 추출 시스템은 도 1의 블록 구성도에 나타낸 바와 같이, CCD 카메라(101), IR 카메라(102), GPS 수신기(103), IMU(Inertial Measurement Unit)(104), DMI(Distance Measuring Instrument)(106), 영상 정보 저장과 처리를 위한 서버(200), 전원 공급부(301), 동기화부(302), 영상 데이터 모니터부(400)로 구성되며, 서버(200)는 영상 데이터 수신부(201), 항법 데이터 처리부(202), 카메라 내부표정요소 산출부(203), 카메라 외부표정요소 산출부(204), 영상 매칭 처리부(205), 영상 분석 처리부(206), 수치지도 갱신부(207), 카메라 위치 및 자세 추출부(208), 가로수 3차원 위치 산출부(209)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 가로수 관리 정보 추출 시스템은 차량과 같은 이동체에 탑재되는데, 도 2에는 그 일 예로서 차량에 탑재될 경우의 바람직한 배치도를 나타내었다. 도 2a는 차량 외부 배치도이고, 도 2b는 차량 내부 배치도이다.
차량에 센서들을 고정시킬 수 있도록 특수 제작된 구조대(P)를 설치한 후, 가로수의 스테레오 영상 획득이 가능하도록 미리 정해진 간격으로 차량의 앞쪽에 2대의 칼라 CCD 카메라(101a, 101b)를 설치하고, 동시에 칼라 CCD 카메라(101)와 IR 카메라(102)의 자세 및 위치를 획득할 수 있는 GPS 수신기(103a, 103b)와 IMU 센서(104)를 구조대(P)의 중심에 설치한다. 또한 IR 카메라(102)는 정면의 가로수에 대한 영상 정보를 획득하기 위하여 칼라 CCD 카메라(101a, 101b)의 가운데에 설치되며, 차량의 뒷부분에는 앞쪽 칼라 CCD 카메라(101a, 101b)의 영상에서 포착하지 못한 가로수에 대하여 촬영이 가능하도록 두 대의 칼라 CCD 카메라(101c, 101d)를 설치한다. 또한 GPS 수신기(103)와 IMU 센서(104)의 보정 정보 제공을 위하여 차량의 뒷바퀴에 DMI(106)를 설치한다.
차량의 내부에는 차량에 설치된 센서들로부터 영상 정보를 수집하여 가로수의 관리 정보를 추출하며 영상을 저장하는 서버(200)가 배치되고, 서버(200)의 출력 영상을 외부로 표시하는 영상 데이터 모니터부(400)가 배치된다. 서버(200) 및 모니터부(400)는 특수 제작된 랙(Rack)(도시 생략됨)에 고정 설치된다. 아울러 차량 내부에는 차량의 전력을 각 센서들에게 맞도록 전압을 바꿔 공급하는 전원 공급부(301)와 센서들의 동기를 위한 동기화부(302)가 배치된다.
상기와 같이 차량에 탑재되는 가로수 관리 정보 추출 시스템의 구성 요소별 기능을 설명하면 다음과 같다.
CCD 카메라(101)와 IR 카메라(102)는 영상 정보 취득 수단으로서 차량의 이동 중에 가로수에 대한 영상정보를 수집한다.
GPS 수신기(103)는 CCD 카메라(101)의 CCD 영상 획득 순간에 차량의 위치를 획득한다.
IMU(104)는 CCD 카메라(101)의 CCD 영상 획득 순간에 차량의 자세를 결정한다.
DMI(106)는 GPS 수신기(103)와 IMU(104)의 정밀도 향상을 위한 보정 정보를 제공한다.
영상 데이터 수신부(201)는 CCD 카메라(101)와 IR 카메라(102)에서의 영상 정보를 수신한다.
항법 데이터 처리부(202)는 GPS 수신기(103) 및 IMU(104)의 통합으로 GPS 신호 미 수신 지역에서 차량의 위치 및 자세 획득이 가능하다.
카메라 내부표정요소 산출부(203)는 영상 데이터 수신부(201)에 의해 수신된 영상 정보로부터 주점, 방사왜곡, 초점거리 등과 같은 내부표정요소를 산출한다.
카메라 외부표정요소 산출부(204)는 영상 데이터 수신부(201)에 의해 수신된 영상 정보로부터 위치, 자세 등과 같은 외부표정요소를 산출한다.
영상 매칭 처리부(205)는 CCD 영상과 IR 영상의 대상을 일치시킨다.
영상 분석 처리부(206)는 CCD 영상의 적색과 IR을 이용하여 영상 정보에 포함된 가로수의 병충해를 판단한다.
카메라 위치 및 자세 추출부(208)는 카메라 외부표정요소 산출부(204)에 의해 추출된 외부표정요소와 항법 데이터 처리부(202)에 의한 GPS/IMU 통합 정보의 위치 및 자세를 보정하여 움직이는 차량에서의 카메라(101, 102)의 위치 및 자세를 추출한다.
가로수 3차원 위치 산출부(209)는 카메라(101, 102)에 의해 취득된 영상 정보와 카메라(101, 102)의 위치 및 자세를 이용하여 도로 주변의 가로수에 대한 3차원 위치를 추출한다.
수치지도 갱신부(207)는 수집된 영상 정보를 분석하여 가로수의 병충해를 판단하며 그 처리 결과를 가로수 데이터 베이스와 비교하여 수치지도에 표시한다.
전원 공급부(301)는 차량 자체의 전원을 이용하여 센서들에게 안정된 전원을 공급한다.
동기화부(302)는 GPS 수신기(103), IMU(104), IR카메라(102), CCD카메라(101)의 동기를 맞추어 준다.
영상 데이터 모니터부(400)는 서버(200)의 출력 영상을 외부로 표시한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 가로수 관리 정보 추출 시스템에 의한 가로수 병충해 관리 과정을 도 3의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, CCD 카메라(101)와 IR 카메라(102)는 차량의 주행 중에 도로의 가장자리에 심어진 가로수의 영상을 취득하는데, CCD 카메라(101)는 카메라 조립상의 불일치 및 제조사의 문제로 인한 오차가 보정되어야 하므로 CCD 카메라(101)의 위치 및 자세 정보를 산출하여야 한다.
이를 위해, 카메라 내부표정요소 산출부(203)는 영상 데이터 수신부(201)에 의해 수신된 영상 정보로부터 주점, 방사왜곡, 초점거리 등과 같은 내부표정요소를 산출하며, 카메라 외부표정요소 산출부(204)는 영상 데이터 수신부(201)에 의해 수신된 영상 정보로부터 위치, 자세 등과 같은 외부표정요소를 산출한다.
이때, 기본적인 공선조건식에 카메라 렌즈 왜곡 파라미터를 추가하여 외부 표정요소(카메라의 자세 및 위치)뿐만 아니라 초점거리, 주점의 위치를 미지수로 두고 최소제곱법(Least-Square)으로 해를 구하는 방법을 이용하여 초점거리, 주점위치, 렌즈 왜곡 파라미터뿐만 아니라 외부표정요소까지 함께 얻을 수 있는 셀프-캘리브레이션(Self-Calibration) 방법을 이용한다(S501∼S502).
아울러, 항법 데이터 처리부(202)는 GPS 수신기(103) 및 IMU(104)의 통합으로 GPS 신호 미 수신 지역에서 차량의 위치 획득이 가능하고, IMU(104) 정보의 보정이 가능하도록 처리 데이터를 통합한다. 다시 말해서, GPS 수신기(103)를 이용하여 차량의 방위각을 산출하고(S503), 상호 보완적인 오차 특성을 가지고 있는 GPS/IMU의 통합을 위한 각기 다른 좌표의 일치 과정(S504)을 거친 후, GPS 수신기(103)의 반송파 위상을 측정치로 사용하는 방법인 강결합 방식의 칼만 필터를 사용해 통합하여 정밀한 차량의 자세 및 위치를 얻어낸다(S505).
이후, 카메라 위치 및 자세 추출부(208)는 카메라 외부표정요소 산출부(204)에 의해 추출된 외부표정요소와 항법 데이터 처리부(202)에 의한 GPS/IMU 통합 정보의 위치 및 자세를 보정하여 움직이는 차량에서의 카메라(101, 102)의 위치 및 자세를 추출한다. 즉, CCD 카메라(101)와 IR 카메라(102)로부터 획득되어지는 영상들과 GPS/IMU 통합 정보는 영상에 가로수가 찍힐 당시의 차량의 위치 및 자세를 파악하기 위하여 동기화부(302)를 통한 이벤트(Event)마크 처리시 동기 되어 서버(200)에 저장되어야 한다(S506).
따라서, 차량 이동시의 카메라 중심의 위치 및 자세를 얻기 위해서는 카메라 자체 오차가 보정되어 얻어진 카메라의 위치 및 자세와 차량의 위치 및 자세와의 통합을 통하여 각기 다른 위치에 설치되어 있는 GPS(103)과 IMU(104) 및 CCD 카메라(101)의 초기 위치오차와 자세오차를 측정하여 차량의 주행시 실시간으로 카메라의 중심 위치 및 자세를 획득할 수 있는 과정을 거친다(S507).
다음으로, 가로수 3차원 위치 산출부(209)는 획득된 각 CCD 영상별 외부표정 요소와 렌즈보정 요소를 이용하여 대상물에 대한 3차원 좌표를 추출하는 과정으로 공선조건식을 변형한 공간 전방교회(space intersection)기법을 이용한다(S508). 이러한 공간 전방교회기법의 수학식은 다음과 같다.
단, f : 초점거리,: 모델좌표,: 3x3 크기의 회전행렬 (rotation matrix)의 요소.
영상 매칭 처리부(205)는 열 IR 카메라와 근접 IR 카메라(102)의 영상은 원하는 가로수의 병충해 판단 분석을 위하여 칼라 CCD와의 영상 매칭이 필요하다. 영상 매칭 처리부(205)에 의한 영상의 매칭 방법은 일반적으로 대표적인 여러 개의 type point를 기준으로 서로 매칭하는 기법을 사용한다(S509).
이와 같은 영상 매칭을 통하여 얻어진 IR 영상과 CCD 영상은 영상 분석 처리부(206)에서 가로수의 병충해 판단을 위하여 칼라 CCD의 RGB 영상 중 Red영상을 분리하고, IR 카메라의 IR 밴드 파장을 이용하여 두 파장의 차를 이용하여 병충해 유무를 판단하는 슬로프-베이스트(Slope-based) 기법을 이용한다(S510).
수치지도 갱신부(207)는 영상 분석 처리를 통해 병충해가 분석된 가로수를 판단하고 그 가로수에 대한 3차원 위치를 획득하였으므로 기 구축된 수치지도상에 업데이트를 하는 과정을 거친다(S511).
상기에서는 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
전술한 바와 같은 본 발명은 동기화된 칼라 CCD 카메라와 GPS/INS, IR 카메라 정보를 이용하여 가로수에 대한 입체적인 영상정보를 획득할 수 있다.
또한, GPS/INS통합을 통하여 GPS 신호 미수신시의 오차 보정 및 누적되어지는 INS의 오차를 보정하여 정밀한 영상정보를 획득할 수 있으며, 그 정밀한 영상정보로부터 정밀한 가로수에 대한 정보를 추출할 수 있다.
따라서, 기존에 관리가 소홀하였거나, 관리 시 막대한 인력과 오랜 시간이 할애되던 도심가로수 병해충 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 차량의 이동 중에 가로수에 대한 영상 정보를 수집하는 영상 정보 취득수단과; 상기 수집된 영상의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 표정요소 산출부와; 상기 영상 정보의 획득 순간에 상기 차량의 위치를 획득하기 위한 GPS 수신기와, 상기 영상 정보의 획득 순간에 상기 차량의 자세를 결정하는 IMU와; 상기 영상 정보 취득 수단에 의하여 수집된 영상 정보를 수신하는 영상 데이터 수신부와; 상기 GPS 수신기 및 IMU의 통합으로 GPS 신호 미 수신 지역에서 차량의 위치 획득이 가능하고, 상기 IMU 정보의 보정이 가능하도록 데이터를 통합하는 항법 데이터 처리부와; 상기 표정요소 산출부에 의해 추출된 외부표정요소와 상기 항법 데이터 처리부에 의한 GPS/IMU 통합 정보의 위치 및 자세를 보정하여 움직이는 차량에서의 상기 영상 정보 취득 수단의 위치 및 자세를 추출하는 위치 및 자세 추출부와; 상기 영상 정보와 상기 영상 취득 수단의 위치 및 자세를 이용하여 상기 가로수에 대한 3차원 위치를 추출하는 3차원 위치 산출부와; 상기 수집된 영상 정보를 분석하여 상기 가로수의 병충해를 판단하는 영상 분석 처리부와; 상기 영상 분석 처리부의 처리 결과를 가로수 데이터 베이스와 비교하여 수치지도에 표시하는 수치지도 갱신부;를 포함하는 가로수 관리 정보 추출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 정보 취득 수단은 CCD 카메라와 IR 카메라가 상기 가로수의 스테레오 영상 획득이 가능하도록 미리 정해진 간격으로 상기 차량에 복수로 설치된 것을 특징으로 한 가로수 관리 정보 추출 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 카메라에 대한 위치 및 영상을 획득하기 위하여 셀프-캘리브레이션 방법이 적용된 것을 특징으로 한 가로수 관리 정보 추출 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 항법 데이터 처리부는 상기 GPS 수신기를 이용하여 차량의 방위각을 산출하고, 상호 보완적인 오차 특성을 가지고 있는 GPS/IMU의 통합을 위한 각기 다른 좌표의 일치 과정을 거친 후, 상기 GPS 수신기의 반송파 위상을 측정치로 사용하는 방법인 강결합 방식의 칼만 필터를 사용해 통합하여 정밀한 차량의 자세 및 위치를 얻어내는 것을 특징으로 한 가로수 관리 정보 추출 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 위치 산출부는 대상물에 대한 삼차원 좌표를 추출하는 과정으로 공선조건식을 변형한 공간 전방교회(space intersection)기법을 이용하는 것을 특징으로 한 가로수 관리 정보 추출 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 분석 처리부는 상기 IR 영상과 CCD 영상에서 가로수의 병충해 판단을 위하여 상기 CCD의 RGB 영상 중 Red영상을 분리하고, 상기 IR 카메라의 IR 밴드 파장을 이용하여 두 파장의 차를 이용하여 병충해 유무를 판단하는 슬로프-베이스트(Slope-based) 기법을 이용하는 것을 특징으로 한 가로수 관리 정보 추출 시스템.
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