KR20090020027A - 이동체의 위치 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이동체의 위치 검출 장치는, 광원 표식이 장착된 이동체와, 이동체가 위치한 공간 영상을 획득하는 영상 촬영 수단과, 영상 촬영 수단에서 획득한 공간 영상으로부터 광원 표식 영역의 검출을 통해 영상 좌표를 검출하는 영상처리부와, 검출된 영상좌표와 영상 촬영 수단의 높이, 팬 각 및 틸트 각 정보를 이용하여 이동체의 위치 정보를 산출하는 위치 검출부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 하나의 영상 촬영 수단과 이동체에 설치된 광원 표식만을 사용하여 넓은 영역에서 움직이는 이동체의 위치 정보를 정밀하게 산출할 수 있다.
위치 산출, 이동로봇, 카메라, 광원

Description

이동체의 위치 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING A LOCALIZATION OF MOBILITY}
본 발명은 광학 표식이 장착된 이동체와 단일 카메라를 이용하여 이동체의 위치 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보 통신부의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-092-03, 과제명: USN 기반의 Ubiquitous Robotics Space 기술개발].
일반적으로, 자율 이동체는 일정 공간을 자유롭게 이동하고 이동 경로를 계획하기 위하여 현재의 자기 위치 정보를 정확히 인식한 후 현재 위치로부터 목표 위치로 오차없이 이동하거나 이동 경로 계획에 의거하여 이동할 수 있어야 한다.
이를 위하여 이동체는 자기 위치를 정확히 인식하는 것이 중요하다. 이동체의 위치를 결정하는 방법에는 매우 많이 존재하며, 그 예로서 전파의 신호강도 또는 전파의 이동시간을 측정하여 삼각측량법으로 위치를 결정하는 방법은 통상적으로 1 ~ 3 미터 정도의 위치 오차를 가지고 있으며 정밀한 위치정보를 제공하지 못하는 단점을 갖는다.
수 센티미터 이내의 정밀도를 요구하는 경우에 있어서 많이 사용되는 방법은 이동체에 카메라를 설치하고 주변 환경에 대한 영상을 획득하여 자신의 위치를 결정하는 방법이다. 그러나, 영상을 분석하여 위치를 결정하는 방법은 높은 연산량을 요구하고 또한 조명 변화 등에 영상이 민감하기 때문에 제한된 환경에서만 적용 가능한 문제점을 갖는다. 영상 인식을 좀더 쉽게 하기 위해서 벽이나 천장에 배경과 구분되는 특정 표식을 인위적으로 부착하는 방법도 사용된다. 공개특허 10-2004-0064930 에서는 벽면에 LED 광원 표식을 설치하고 카메라 영상에서 이를 검출하여 로봇의 위치를 결정하는 방법을 사용하였다. LED 광원 표식을 사용할 경우 조명 변화 등에 영향을 받지 않고 위치를 안정적으로 결정할 수 있지만 공간 내에 LED를 설치해야 하는 부담이 있다.
또한, 설치한 LED 들의 위치를 미리 측정해서 저장해야할뿐만 아니라 LED에 전원을 제공해야 하는 문제점이 있으며 카메라의 시야각에는 한계가 있기 때문에 공간이 넓을 경우에는 다수의 표식을 설치해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 공간 내에 특별한 표식을 설치하지 않고 단일 카메라만을 이용하여 넓은 공간에서 조명 변화 등에 관계없이 이동체의 정밀한 위치정보를 실시간으로 제공할 수 있는 이동체의 위치 정보 산출 장치 및 방법을 하는데 있다.
본 발명의 제 1 관점으로서 이동체의 위치 검출 장치는, 광원 표식이 장착된 이동체와, 상기 이동체가 위치한 공간 영상을 획득하는 영상 촬영 수단과, 상기 영상 촬영 수단에서 획득한 공간 영상으로부터 상기 광원 표식 영역의 검출을 통해 영상 좌표를 검출하는 영상처리부와, 상기 검출된 영상좌표와 상기 영상 촬영 수단의 높이, 팬 각 및 틸트 각 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 산출하는 위치 검출부를 포함한다.
본 발명의 제 2 관점으로서 이동체의 위치 검출 방법은, 광원 표식이 장착된 이동체의 공간 내 위치 정보를 검출하는 방법으로서, (a) 상기 공간 내에 설치된 영상 촬영 수단을 이용하여 상기 이동체가 위치한 공간을 촬영하여 공간 영상을 획득하는 단계와, (b) 상기 공간 영상으로부터 상기 광원 표식이 위치하는 영역의 검출을 통해 영상 좌표를 검출하는 단계와, (c) 상기 검출된 영상 좌표와 상기 영상 촬영 수단의 높이, 팬 각 및 틸트 각 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 1, 2 관점에서 상기 광원 표식은, 특정 파장대의 빛을 발산하 는 적어도 둘 이상의 발광체로 구성되며, 상기 영상 촬영 수단은 상기 광원 표식에서 발산되는 특정 파장대의 빛만을 투과시키는 광학필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 영상 촬영 수단과 이동체에 설치된 광원 표식만을 사용하여 넓은 영역에서 움직이는 이동체의 위치 정보를 정밀하게 산출할 수 있으며. 특히 광원을 표식으로 사용하면 20 미터 이상 떨어진 거리에서의 이동체의 위치를 영상 촬영 수단으로 걸출할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 광원 표식과 광학 필터를 사용함으로써 빛이 없는 야간에도 위치정보를 산출할 수 있으며, 외부 조명 효과에 영향을 받지 않기 때문에 알고리즘의 실패 없이 안정적으로 위치정보를 산출할 수 있다.
본 발명은 광학 필터를 사용함으로써 표식 검출을 위한 영상 처리가 매우 단순해지기 때문에 계산 시간이 최소화되어 실시간으로 좌표 정보를 갱신할 수 있을 뿐만 아니라 광학 표시의 영역만을 검출하기 때문에 카메라 설치에 따른 사생활 침해 문제의 소지를 없앨 수 있다.
또한, 본 발명에서는 위치정보를 산출하기 위해 과거 정보를 기억할 필요가 없으며 현재 영상에서 곧바로 이동체의 좌표가 계산되기 때문에 표식이 사람 등에 의해서 일시적으로 가려졌다가 나타날 경우에도 곧바로 정확한 위치를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광원 표식을 이동로봇에 설치할 경우에 로봇의 위치정 보를 산출하는데에 사용할 수 있기 때문에 로봇 주행에서 가장 어려운 자기 위치 인식 (self localization) 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 위치 인식을 위해서 카메라를 제외하고는 특별한 표식 등을 환경 내 공간에 부착하지 않기 때문에 손쉽게 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 영상 촬영 수단은 팬, 틸트, 줌 등의 기능을 요구하지 않기 때문에 저가의 일반 카메라를 사용하여도 무방하며 단지 광학 필터만을 장착하면 되기 때문에 본 발명에 따른 위치 인식 시스템을 적용하면 매우 저렴한 가격에 위치 인식 시스템을 구축할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 광학 표식을 구비한 이동체와 광학 필터를 구비한 영상 촬영 수단을 이용하여 이동체의 위치 정보를 산출한다는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이동체의 위치 검출 장치를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이동체의 위치 검출 장치는, 광학 표식(100a)이 장착된 이동체(100), 카메라(110), 영상 처리부(112) 및 위치 검출부(114)를 포함한다.
이동체(100)의 광학 표식(100a)은 영상 검출에 용이하도록 적외선 발광 다이오드, 예컨대 LED 등과 같이 특정 파장대의 빛을 내는 발광체이며, 이동체(100)의 상단에 천장을 바라보도록 장착되어 있다.
이러한 광학 표식(100a)은 하나의 발광체를 사용하여도 무방하나 통상적으로 발광체는 직진성을 가지고 있어서 측면에서 바라보았을 경우에 광의 세기가 약해지기 때문에 방사형으로 적어도 두 개 이상의 발광체를 사용함으로서, 임의의 방향에서 광원 표식(100a)을 포함한 이동체(100)를 촬영하여도 광 검출이 용이하다.
카메라(110)는 이동체(100)가 위치한 공간을 촬영하기 위한 영상 촬영 수단으로서, 공간의 어느 한 장고에 고정시키되 넓은 시야를 확보하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 실내 공간의 모서리에서 천장과 맞닿는 곳에 설치하는 것이 바람직하다.
도 2와 같이 카메라(100)를 설치하였을 경우에 카메라(110)의 렌즈 시야각이 90도면 실내 공간 전체가 카메라(110)의 시야 내에 들어온다. 카메라(110)에는 광원 표식(100a)에서 발생되는 특정 파장대의 빛만을 통과시키는 광학 필터(도시 생략됨)가 구비되어 광원 표식(100a)을 손쉽게 검출할 수 있다.
즉, 동일한 공간을 일반 카메라로 촬영한 영상은 도 3a에 도시된 바와 같고, 광학 필터가 장착된 카메라(110)로 획득한 영상은 도 3b에 도시된 바와 같이 광학 표식(100a)이 장착된 이동체(100)의 영역만 밝게 나타나는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 카메라(110)에서 획득한 영상은 영상 처리부(112)에 제공되며, 영상 처리부(112)는 영상 처리를 통해 영상으로부터 광원 표식(100a)의 영상 좌표 를 산출하여 위치 검출부(114)에 제공한다.
영상 처리부(112)가 광원 표식(100a)의 영상 좌표를 산출하는 과정에 대해 설명하면 아래와 같다,
도 3b에 도시된 바와 같이, 광학 필터를 구비한 카메라(100)에서 출력되는 영상은 광원 표식(100a)의 영역만 밝게 나타나기 때문에 영상 처리부(112)는 이진화 과정을 통해 광학 표식(100a)의 영역을 검출한다. 여기서, 이진화는 영상에서 특정 밝기 값 이상의 밝기 값을 갖는 픽셀들을 검출하는 것으로, 즉 영상 처리부(112)는 특정 밝기 값 이상의 밝기 값을 갖는 픽셀들을 검출하고, 검출된 픽셀들을 이용하여 공간 상에 광학 표식(100a)이 존재하는 영역에 대한 영상 좌표를 검출할 수 있다. 여기서, 영상 좌표는 카메라(100)에서 촬영된 영상에서의 픽셀 좌표를 의미한다.
위치 검출부(114)는 영상 좌표에 대해 좌표계 변환 과정을 실시하여 검출된 광학 표식(100a)의 영상 좌표부터 이동체(100)의 공간 좌표를 산출하는데, 이때 공간 좌표는 실제 물리 공간에서의 좌표를 의미한다.
위치 검출부(114)가 공간 좌표를 산출하는 과정에 대해 설명하면 아래와 같다.
먼저, 영상 좌표의 기준이 되는 영상 좌표계는, 도 4에 도시된 바와 같이, 영상의 중심이 원점, 오른쪽 방향이 X축, 위쪽 방향이 Y축인 좌표계 시스템으로 정의하며, 영상 좌표계의 단위는 픽셀이다.
다음으로, 공간 좌표계는 이동체(100)의 위치를 나타내는 기준되는 좌표계로 서, 통상적으로 도 5에 도시된 바와 같이 공간의 바닥면이 xy평면이 되는 좌표계로 정의한다.
도 5에서 h는 지면으로부터 카메라(110)의 높이를 의미하며, θt는 카메라(110)의 틸트(tilt) 각을 의미하고, θp는 카메라(110)의 팬(pan) 각도를 의미한다. 여기서, 틸트 각(θt)은 카메라(110)의 광학축(optical axis)이 z축과 이루는 각도로서 카메라(110)가 바닥면을 수직으로 바라볼 경우 틸트 각(θt)은 0도가 된다. 카메라(110)의 팬 각(θp)은 카메라(110)의 광학축을 xy 평면에서 사상(projection)시켰을 경우에 y축과 이루는 각을 의미한다. 즉, 카메라(110)의 팬 각은 z축을 회전축으로 한 카메라(110)의 회전각으로서 기준은 y축 방향이다.
영상 좌표로부터 공간 좌표로의 좌표 변환은 영상 평면(image plane)(500)이 바닥면과 수평이고, 영상 중심이 공간 좌표계의 z축 상에 위치하면, 즉 카메라(110)의 팬과 틸트가 없으면 비례식을 이용하여 계산할 수 있다. 따라서, 위치 검출부(114)는 영상 처리부(112)를 통해 검출된 영상 좌표로부터 먼저 팬과 틸트를 보상한 영상 좌표를 산출한다. 여기서, 팬과 틸트를 보상한 영상 좌표(x', y')는, 도 6에 도시된 바와 같이, 카메라(110)의 초점을 고정시키고, 카메라의 광학축(600)이 z축과 일치하도록 영상 평면(610)을 회전이동시켰을 경우에 광학 표식(100a)이 영상 맺힐 영상 좌표를 의미한다.
카메리의 초점 거리를 f라고 하고, 검출된 광원 표식의 영상 좌표를 (x, y) 라고하면, 팬 각과 틸트 각을 보상한 후의 영상 좌표(x' y')은 아래의 수학식 1에 의해서 구해진다.
Figure 112007060710410-PAT00001
다음으로, 보정된 영상 좌표(x' y')로부터 비례식을 이용하여 광원 표식(110a)의 공간 좌표를 산출한다. 이때 카메라(110)의 설치 높이를 h라고 하며, 영상에서 하나의 픽셀이 차지하는 물리 거리를 s라고 하면, 광원 표식(110a)의 공간 좌표(X, Y)는 아래의 수학식 2에 의해서 산출된다.
Figure 112007060710410-PAT00002
상기의 수학식 1과 수학식 2를 연산하면, 최종 이동체(100)에 장착된 광원 표식(100a)의 공간 좌표(X, Y)는 아래의 수학식 3에 의해서 산출된다.
Figure 112007060710410-PAT00003
본 발명에 따르면, 하나의 카메라(110)와 이동체(100)에 설치된 광원 표식(100a)만을 사용하여 넓은 영역에서 움직이는 이동체(100)의 위치정보를 정밀하 게 산출할 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이동체의 위치 검출 장치를 도시한 블록도이며,
도 2는 본 발명에서 카메라의 설치 위치를 도시한 예시도이며,
도 3a는 일반적인 카메라에서 획득한 영상을 도시한 도면이며,
도 3b는 본 발명에 따른 광학 필터가 구비된 카메라에서 획득한 영상을 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명에서 적용되는 영상 좌표계를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명에서 적용되는 공간 좌표계를 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명에서의 카메라의 팬과 틸트를 보상한 영상 좌표에 대해 설명하기 위한 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 이동체 100a : 광학 표식
110 : 카메라 112 : 영상 처리부
114 : 위치 검출부

Claims (13)

  1. 광원 표식이 장착된 이동체와,
    상기 이동체가 위치한 공간 영상을 획득하는 영상 촬영 수단과,
    상기 영상 촬영 수단에서 획득한 공간 영상으로부터 상기 광원 표식 영역의 검출을 통해 영상 좌표를 검출하는 영상처리부와,
    상기 검출된 영상좌표와 상기 영상 촬영 수단의 높이, 팬 각 및 틸트 각 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 산출하는 위치 검출부
    를 포함하는 이동체의 위치 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 표식은, 특정 파장대의 빛을 발산하는 적어도 둘 이상의 발광체로 구성되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광체들은, 방사형으로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 촬영 수단은,
    상기 광원 표식에서 발산되는 특정 파장대의 빛만을 투과시키는 광학필터
    를 더 포함하는 이동체의 위치 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 광학 필터를 장착한 영상 촬영 수단으로부터 제공받은 공간 영상을 이진화 처리하여 상기 광학 표식의 영역을 검출하고, 상기 검출된 광학 표식 영역의 중심을 상기 영상 좌표로 하여 상기 위치 검출부에 제공하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 검출부는,
    상기 영상 처리부에서 검출된 영상 좌표로부터 상기 팬 각과 틸트 각을 보상한 영상 좌표를 산출하는 수단과,
    상기 팬 각과 틸트 각을 보상한 영상 좌표, 상기 영상 촬영 수단의 높이(h) 및 상기 영상에서 하나의 픽셀이 차지하는 물리 거리(s)를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보인 상기 광원 표식의 공간 좌표를 산출하는 수단
    을 포함하는 이동체의 위치 검출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 팬 각과 틸트 각을 보상한 영상 좌표는,
    수학식"
    Figure 112007060710410-PAT00004
    , f는 상기 영상 촬영 수단의 초점 거리"에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 표식의 공간 좌표는,
    수학식 "
    Figure 112007060710410-PAT00005
    "에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 장치.
  9. 광원 표식이 장착된 이동체의 공간 내 위치 정보를 검출하는 방법으로서,
    (a) 상기 공간 내에 설치된 영상 촬영 수단을 이용하여 상기 이동체가 위치한 공간을 촬영하여 공간 영상을 획득하는 단계와,
    (b) 상기 공간 영상으로부터 상기 광원 표식이 위치하는 영역의 검출을 통해 영상 좌표를 검출하는 단계와,
    (c) 상기 검출된 영상 좌표와 상기 영상 촬영 수단의 높이, 팬 각 및 틸트 각 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 산출하는 단계
    를 포함하는 이동체의 위치 검출 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원 표식은, 특정 파장대의 빛을 발산하는 적어도 둘 이상의 발광체로 구성되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 특정 파장대의 빛만을 투과시킨 공간 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 검출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 특정 파장대의 빛만을 투과시킨 공간 영상을 이진화 처리하여 상기 광학 표식의 영역을 검출하는 단계와,
    상기 검출된 광학 표식 영역의 중심을 산출하여 상기 영상 좌표를 검출하는 단계
    를 더 포함하는 이동체의 위치 검출 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 검출된 영상 좌표로부터 상기 팬 각과 틸트 각을 보상한 영상 좌표를 산출하는 단계와,
    상기 팬 각과 틸트 각을 보상한 영상 좌표, 상기 영상 촬영 수단의 높이(h) 및 상기 영상에서 하나의 픽셀이 차지하는 물리 거리(s)를 이용하여 상기 이동체의 위치 정보인 상기 광원 표식의 공간 좌표를 산출하는 단계
    를 더 포함하는 이동체의 위치 검출 방법.
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