KR20100128919A - 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계단의 각 높이와 너비 등의 수치를 측정하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로 더욱 자세하게 설명하자면, 단일 카메라를 이용하여, 레이저 광막이 투사된 계단 영상을 촬영하고, 이를 분석하여 계단의 수치를 측정하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템은 계단의 외부 형상을 촬영하는 카메라부; 계단 상에 레이저를 투사하는 레이저부; 상기 카메라부 및 레이저부와 연결되어, 카메라부 및 레이저부의 동작을 제어하고, 계단 치수 산출 동작을 제어하는 제어부; 상기 카메라부 및 제어부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상을 처리하여, 제어부에 전달하는 영상처리부; 상기 제어부와 연결되어, 계단에 투사된 레이저의 위치정보를 분석, 산출하여 제어부에 전달하는 연산부 및 상기 제어부 및 영상처리부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상 및 연산부에서 산출된 계단 수치 데이터를 저장하는 저장부로 구성된 것을 특징으로 한다.
카메라, 계단, 치수, 측정

Description

단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템 및 방법{System and method for automatic measuring of the stair dimensions using a single camera and a laser}
본 발명은 계단의 각 높이와 너비 등의 수치를 측정하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로 더욱 자세하게 설명하자면, 단일 카메라를 이용하여, 레이저 광막이 투사된 계단 영상을 촬영하고, 이를 분석하여 계단의 수치를 측정하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 주행로봇 또는 이동로봇이 주행 시, 주변 환경에 존재하는 계단들의 배치 구조를 감지하여 자신의 이동 영역에 대한 자율적인 경로 계획과 계단 감지 및 충돌 회피 기능이 필요로 하였으며, 이를 위해 진행 방향의 전방에 위치한 계단과의 거리를 측정하는 기술이 다양하게 개발되었다.
특히 계단 계단의 경우에는 회피하여야 하는 계단이 아니라 계단을 승하강하여야 하기 때문에 관측 위치로부터 계단까지의 거리뿐만 아니라 계단의 단 높이와 단 너비 치수를 측정할 필요가 있다. 또한 이동 로봇 등의 이동체에 쉽게 탑재하기 위하서는 측정 장비가 단순하여야 하며 소형이어야 한다.
시각 센서나 초음파 센서 혹은 접촉 센서를 이용한 계단 감지 기술은 계단을 감지하고, 계단과의 거리를 산출할 수 있지만 계단의 형상에 따른 위치를 산출할 수 없으며, 산출 수치의 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
또 다른 방법으로 한국 공개특허 10-2004-2164(레이저를 이용한 위치 측정 장치 및 방법)는 다수 개의 레이저 빔을 발생시키고, 빔들에 의해 계단에 형성되는 포인트들을 영상물을 통해 분석하여, 계단과의 거리를 측정하는 기술에 대하여 개시하고 있다.
하지만 상기 종래기술 또한 계단과의 거리를 측정하는 기술만을 제시하고 있으며, 계단의 형상에 관한 위치 정보를 산출하는 방안은 제시하고 있지 못한다.
또한 계단 3차원 형상 측정 기술로 많이 이용되는 방법은 광삼각법(optical triangulation)이 있는데, 상기 광삼각법은 임의의 높이를 가지는 측정점에 조사되는 조명광의 위치의 변화로부터 측정점의 높이를 산출하고, 이때 높이 산출방법에 이용되는 수식에는 광원을 측정점에 조사하는 조명수단과 이를 검출하는 검출수단 그리고 측정점으로 구성되는 삼각형 형태의 기하학적인 관계를 이용하게 된다.
이러한 종래 광삼각법을 이용한 계단 3차원 형상 측정 방법은 계단의 표면과 수직인 축에 대하여 조명수단과 검출 수단이 반드시 일정한 각도를 이루고 있어야하며, 측정점의 높이 계산식에는 반드시 이 각도의 변수가 포함되어야 한다.
또한 그림자효과(shading effect)로 인하여 검출 수단에서 측정되지 않는 영역이 발생하게 된다. 그 예로서 하강 계단 등과 같은 계단의 경우, 하강 수직면이 검출 수단에 표시되지 않는 것이다.
종래 기술은 이러한 검출 수단에 표시되지 않는 영역에 관한 위치 정보의 산출이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템의 목적은 주행로봇 또는 이동로봇의 이동체에 레이저 선 영상의 분석에 따른 계단의 수치를 산출할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다른 목적은 영상처리부를 이용하여, 카메라부에서 촬영된 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 차영상을 획득 후, 계단에 투사된 레이저 선만이 추출된 영상을 제공하는 데 있다.
또 다른 목적은 영상처리부를 이용하여, 차영상 획득 시, 다수의 레이저 투사 영상을 수집 후, 평균화하여, 레이저 선 영상의 노이즈를 감소시키는 데 있다.
또 다른 목적은 영상처리부를 이용하여, 레이저 선을 세선화(Thinning)하여, 정교한 레이저 선의 분석이 가능하게 하는 데 있다.
또 다른 목적은 제어부를 이용하여, 레이저 선의 연속성 여부에 따라 계단의 형태를 판단하는 데 있다.
또 다른 목적은 연산부를 이용하여, 2차원 영상에 나타난 레이저 선의 각 교점 또는 양단점을 카메라 좌표계로 기술된 3차원 공간 좌표로 변환하여, 각 카메라 좌표 이용하여, 계단의 높이와 너비를 산출하는 데 있다.
또 다른 목적은 하우(hough)변환에 의한 레이저 직선 식을 산출하는 데 있다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법의 목적은,
레이저 광막이 투사된 계단 영상에서 레이저 선의 위치 정보를 분석하여, 계단의 수치를 산출하고 이를 제공하는 데 있다.
다른 목적은 2차원 영상의 레이저 선을 분석하여 카메라좌표로 기술된 3차원 공간 좌표로 변환하여 계단의 높이 및 너비 정보를 산출하는 데 있다.
또 다른 목적은 영상처리부를 이용하여, 카메라부에서 촬영된 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 차영상을 획득하는 단계를 수행하여, 계단에 투사된 레이저 선만이 추출된 영상을 제공하는 데 있다.
또 다른 목적은 영상처리부를 이용하여, 차영상 획득 시, 다수의 레이저 투사 영상을 수집하여, 평균화하는 단계 및 레이저 선의 세선화(Thinning)단계를 수행하여, 정교한 레이저 선의 분석이 가능하게 하는 데 있다.
또 다른 목적은 제어부를 이용하여, 레이저 선의 연속성 여부에 따라 계단의 형태를 판단하는 데 있다.
또 다른 목적은 제어부를 이용하여, 계단 형태 판단을 하는 단계에서 상승계단일 경우, 레이저 선의 교점 좌표간의 거리 연산으로 상승계단의 높이와 너비를 산출하고, 하강계단의 경우, 레이저 선의 양단점 및 직선간의 최단거리 산출로 하 강계단의 높이와 너비를 산출하는 데 있다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템은 계단의 외부 형상을 촬영하는 카메라부; 계단 상에 레이저를 투사하는 레이저부; 상기 카메라부 및 레이저부와 연결되어, 카메라부 및 레이저부의 동작을 제어하고, 계단 치수 산출 동작을 제어하는 제어부; 상기 카메라부 및 제어부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상을 처리하여, 제어부에 전달하는 영상처리부; 상기 제어부와 연결되어, 계단에 투사된 레이저의 위치정보를 분석, 산출하여 제어부에 전달하는 연산부 및 상기 제어부 및 영상처리부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상 및 연산부에서 산출된 계단 수치 데이터를 저장하는 저장부로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법은 계단의 표면에 광막 레이저를 투사하고, 투사된 레이저 선을 영상으로 추출하여, 레이저 선의 위치 정보를 분석 산출하여, 계단의 수치를 산출하는 것을 특징으로 하며, 상기 계단 수치를 산출하는 하는 방법은 카메라부를 이용하여, 계단의 배경 영상을 획득하는 단계; 레이저부를 이용하여, 계단의 표면에 광막 레이저를 투사하는 단계; 카메라부를 이용하여, 상기 레이저가 투사된 계단 영상을 획득하는 단계; 영상처리부를 이용하여, 상기 레이저 투사 계단 영상과 계단 배경 영상의 차영상을 획득하는 단계; 연산부를 이용하여, 2차원 레이저 선 영상의 각 좌표를 카메라 좌표로 기술된 3차원 공간 좌표로 산출하는 단계; 상기 연산부에서 산출된 카메라 좌표를 이용하여, 계단의 치수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템은 주행로봇 또는 이동로봇의 이동체에 계단 수치를 측정하기 위해 탑재되는 장비를 간소화 및 경량화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 영상처리부를 이용하여, 카메라부에서 촬영된 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 차영상을 획득 후, 계단에 투사된 레이저 선만이 추출된 영상을 제공하여, 계단의 정확한 수치 분석이 가능한 효과가 있다.
또한, 영상처리부를 이용하여, 차영상 획득 시, 다수의 레이저 투사 영상을 수집 후, 평균화함으로써, 레이저 선 영상의 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다
또한, 영상처리부를 이용하여, 레이저 선을 세선화(Thinning)하여, 레이저 선의 보다 정교한 분석이 가능한 효과가 있다.
또한, 제어부를 이용하여, 레이저 선의 연속성 여부에 따라 계단의 형태를 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제어부를 이용하여, 레이저 선의 형태에 따라 상승계단 또는 하강계단을 구분하여, 계단의 높이와 너비를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하우(hough)변환에 의한 레이저 직선 식을 산출함으로써, 레이저 선의 위치 연산이 더욱 용이한 효과가 있다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법은,
레이저 광막이 투사된 계단 영상에서 레이저 선의 위치 정보를 분석하여, 계단의 정확한 수치를 산출하고 이를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 영상부를 이용하여, 2차원 영상의 레이저 선을 분석하여 카메라 좌표로 기술된 3차원 공간 좌표로 변환하여 계단의 높이 및 너비 정보를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 영상처리부를 이용하여, 카메라부에서 촬영된 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 차영상을 획득하는 단계를 수행함으로써, 계단에 투사된 레이저 선만이 추출된 영상을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 영상처리부를 이용하여, 차영상 획득 시, 다수의 레이저 투사 영상을 수집하여, 평균화하는 단계 및 레이저 선의 세선화(Thinning)단계를 수행함으로써, 정교한 레이저 선의 분석이 가능한 효과가 있다.
또한, 제어부를 이용하여, 레이저 선의 형태에 따라 상승계단 또는 하강계단을 구분 단계를 수행함으로써, 계단의 형태에 따른 정확한 수치를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연산부를 이용하여, 2차원 영상에 나타난 레이저 선의 각 교점 또는 양단점을 카메라 좌표로 기술된 3차원 공간 좌표로 변환하여, 각 카메라 좌표 이용 하여, 계단의 높이와 너비를 산출할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템 및 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템은 [도 1]에 도시된 바와 같이, 카메라부(1), 레이저부(2), 제어부(3), 영상처리부(4), 연산부(5) 및 저장부(6)로 구성된다.
상기 카메라부(1)는 계단의 외부 형상을 촬영하는 역할을 한다.
상기 레이저부(2)는 계단 상에 광막 레이저를 투사하는 역할을 한다. 상기 광막 레이저는 계단의 치수 측정 목적에 따라 다양한 방향으로 투사가 가능하지만 본 발명에서는 계단에 수직 방향으로 투사하는 경우에 국한하기로 한다.
상기 카메라부(1)와 연결된 영상처리부(4)는 카메라부(1)에서 촬영된 계단 배경 영상과 상기 레이저부(2)에 의해 레이저가 투사된 계단의 레이저 투사 영상을 획득하여, 영상정보를 디지털 신호로 변환하여 저장부(6)에 저장하는 역할을 한다.
또한 영상처리부(4)는 상기 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 차영상 즉, 계단에 투사된 레이저의 선만 추출된 레이저 선 영상(차영상)을 획득하는 역할을 한다.
더불어 상기 영상처리부(4)는 상기 레이저 선 영상(차영상)을 획득 시, 다수 의 레이저 투사 영상을 수집 후, 영상을 평균화하여, 레이저 선 영상의 노이즈를 감소시키고, 레이저 선의 세선화(Thinning) 작업을 통해 보다 정교한 레이저 선 영상분석을 하는 것이 바람직하다.
상기 카메라부(1)는 레이저부(2)와 연결된 제어부(3)는 상기 카메라부(1)의 촬영 동작 및 계단 촬영 시간 및 간격에 관한 제어를 하며, 상기 레이저부(2)의 작동 시간 및 레이저 투사 방법을 제어하는 역할을 한다. 또한 계단 치수 산출 명령을 제어하는 역할을 한다.
더불어, 상기 제어부(3)는 상기 영상처리부(4)와 연결되어, 영상처리부(4)에서 획득한 레이저 선 영상(차영상)에 나타난 레이저 선의 형태에 따라 상승 계단 또는 하강 계단을 판단하게 되는데, 상기 계단 형태의 판단 방법은 다음과 같다.
상기 레이저부(2)에서 계단의 축방향으로 광막 레이저를 투사할 경우, 상기 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 연결된 형태일 경우 상승 계단으로 판단하고, 상기 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 불연속 형태인 경우 하강 계단으로 판단하는 것이다.
상기 제어부(3)와 연결된 연산부(5)는 영상처리부(4)에서 획득한 레이저 선 영상의 레이저 선의 위치정보를 분석, 산출하는 역할을 한다.
상기 연산부(5)에서 레이저 선 영상 정보를 이용하여 상승 계단 또는 하강 계단의 치수를 계산하기 위해서는 다음과 같은 카메라 모델식에 사용되는 파라미터 들과 평면식에서의 계수들을 추정실험을 통해 미리 계산되어 저장부(6)에 저장하고 있는 것이 바람직하다.
일반적인 핀홀(pin-hole) 렌즈 카메라 모델식에 따르면 카메라 영상에서의 임의의 점
Figure 112009032639051-PAT00001
과 3차원 공간 상의 점
Figure 112009032639051-PAT00002
간에는 다음의 관계식이 성립한다.
Figure 112009032639051-PAT00003
Figure 112009032639051-PAT00004
,
Figure 112009032639051-PAT00005
Figure 112009032639051-PAT00006
,
Figure 112009032639051-PAT00007
Figure 112009032639051-PAT00008
여기서
Figure 112009032639051-PAT00009
,
Figure 112009032639051-PAT00010
는 카메라부에서 수집된 영상에서의 좌표,
Figure 112009032639051-PAT00011
,
Figure 112009032639051-PAT00012
는 왜곡 후 카메라 영상 좌표이며,
Figure 112009032639051-PAT00013
는 렌즈 방사상(radial) 왜곡 계수,
Figure 112009032639051-PAT00014
와
Figure 112009032639051-PAT00015
는 카메라 기준 좌표계로 기술되는 카메라 좌표계의 원점,
Figure 112009032639051-PAT00016
는 가로방향의 스케일 값,
Figure 112009032639051-PAT00017
와
Figure 112009032639051-PAT00018
는 x 방향과 y 방향에 대한 픽셀의 피치로 단위는 mm/pixel 로 나타낸다. 그리고
Figure 112009032639051-PAT00019
,
Figure 112009032639051-PAT00020
는 왜곡되지 않은 카메라 영상 좌표이며,
Figure 112009032639051-PAT00021
는 반경방향의 렌즈 왜곡 계수,
Figure 112009032639051-PAT00022
,
Figure 112009032639051-PAT00023
,
Figure 112009032639051-PAT00024
는 3차원 공간에서의 좌표 값을 의미하며,
Figure 112009032639051-PAT00025
는 핀홀 렌즈 초점 거리를 말한다.
그러나 상기 식들에서 보듯이 [식 1]과 [식 2]를 통해
Figure 112009032639051-PAT00026
및
Figure 112009032639051-PAT00027
의 계산은 가능하지만 [식 3]을 통해 2차원 영상 좌표
Figure 112009032639051-PAT00028
로부터 3차원 공간 좌표
Figure 112009032639051-PAT00029
를 계산할 수가 없다. 즉 수학적으로는 카메라 영상에서의 한 점은 공간 상의 한 점으로 역투영되는 것이 아니라 카메라 중심점을 지나는 직선으로 역투영되는 것이다,
본 발명에서는 이를 해결하기 위한 방법으로 레이저 광막을 물체에 투사하여 발생한 레이저 광막과 물체의 교차선을 이용하였다. 이 교차선 상의 점들은 레이저 광막의 평면 상에 위치하는 점들이므로 3차원 공간에서 수학적으로 다음의 레이저 광막 평면식을 만족하여야 한다.
Figure 112009032639051-PAT00030
따라서 [식 3]과 [식 4]을 통해
Figure 112009032639051-PAT00031
로부터
Figure 112009032639051-PAT00032
를 계산할 수 있게 된다.
결국 카메라 모델식에 사용되는 변수들, 즉
Figure 112009032639051-PAT00033
,
Figure 112009032639051-PAT00034
,
Figure 112009032639051-PAT00035
,
Figure 112009032639051-PAT00036
,
Figure 112009032639051-PAT00037
,
Figure 112009032639051-PAT00038
값들과 레이져 광막의 평면식에서의 계수
Figure 112009032639051-PAT00039
를 알고 있다면 카메라 영상에서의 레이저 직선상의 점
Figure 112009032639051-PAT00040
에 대한 3차원 공간 상의 점
Figure 112009032639051-PAT00041
를 계산할 수 있다. 카메라 모델식의 변수들과 레이저 광막 평면식에서의 계수들은 차후 설명되는 카메라 보정 방법과 광막 평면식 계산 알고리즘에 의해 계산된다.
또한 카메라의 2차원 영상에서 [식 5]로 기술되는 직선은 [식 6]의 역투영식을 통해 [식 6]의 3차원 공간상의 카메라 원점을 지나는 평면으로 역투영된다.
Figure 112009032639051-PAT00042
Figure 112009032639051-PAT00043
Figure 112009032639051-PAT00044
만약 카메라 영상의 직선이 레이저 광막이 물체와 교차하여 생긴 직선이라면 이 직선상의 점들은 3차원 공간에서 레이저 광막 평면에 존재하는 점들이므로 상기의 레이저 광막 평면식 [식 4]를 만족하여야 한다. 즉 [식 4]와 [식 7]의 교차 직선이 된다. 따라서 레이저 광막에 의한 카메라 영상의 직선으로부터 [식 1]부터 [식 7]까지의 식들을 이용하여 3차원 공간상의 직선을 계산할 수 있다.
상기 연산부(5)는 상기 제어부(3)에서 계단의 형태를 상승 계단으로 판단할 경우, 영상에 보이는 레이저의 직선들의 2차원 교점들을 식[1]에서 식[4]의 역투영식을 이용하여 계산한 3차원 공간 점들의 좌표값들을 계산하고, 상기 좌표값의 거리 정보로부터 상승 계단의 높이와 너비의 치수를 산출하는 것이다.
[도 2]는 상승계단에 레이저 선의 각 교점을 나타내는 사시도로 상승 계단(90)에 레이저 광막을 투사하면 지면과 제1계단(91)의 수직면에 투사된 두개의 레이저 선의 제1교점(A)이 발생되고, 제1계단(91)의 수직면과 수평면에 투사된 두개의 레이저 선의 제2교점(B)이 발생한다.
또한 제1계단(91)의 수평면과 제2계단(93)의 수직에 투사된 레이저 선의 교점인 제3교점(C)과 제2계단(93)의 수직면과 수평면에 투사된 레이저 선의 교점인 제4교점(D)이 발생한다.
이들 교점들은 카메라 영상에서 점 a, b, c로 나타난다.
따라서 카메라 영상에서의 카메라 영상에서 점 a, b, c 를 [식 1]에서 [식 4]를 이용하여 3차원 공간 상의 제1교점(A), 제2교점(B), 제3교점(C)의 좌표 값을 계산하고, 제1교점(A)과 제2교점(B)의 높이방향의 좌표값의 차로 계단의 단 높이를 계산할 수 있으며, 제2교점(B)과 제3교점(C)의 가로방향 좌표값의 차로 계단의 단 너비를 계산할 수 있는 것이다.
또한 연산부(5)는 상기 제어부(3)에서 하강 계단으로 판단할 경우, 영상에 보이는 레이저 직선들을 식[1]에서 식[7]의 역투영식을 이용하여 계산한 3차원 공간 직선들 간의 최단 거리를 하강 계단의 높이 수치로 산출한다.
더불어 영상에 보이는 레이저에 의한 직선의 불연속이 일어나는 점의 3차원 역투영 점에서 인접 레이저 직선을 역투영시킨 직선과의 최단 거리 교차점과, 인접 레이저 직선의 타단을 3차원 역투영시킨 점과의 거리 정보로 하강 계단의 너비 치수를 산출하는 것이다.
[도 3]은 하강 계단에 레이저 선의 각 교점을 나타내는 사시도로 하강 계단에 레이저 광막을 투사하면 하강 계단 수직부에 레이저가 도달하지 않으므로 카메라 영상에 불연속적인 레이저 직선이 보이게 된다. 이러한 불연속 직선의 끝단을 제1영상점(e), 제2영상점(f), 제3영상점(h), 제4영상점(i), 제5영상점(j), 제6영상점(k)이라고 할 때, 제1영상점(e)과 제2영상점(f)이 이루는 직선을 역투영하여 계산한 공간상의 직선 EF와 제3영상점(h)과 제4영상점(i)이 이루는 직선을 역투영하여 계산한 공간상의 직선 HI의 최단거리가 계단의 높이가 된다.
또한 제2영상점(f)를 역투영 시킨 3차원 공간상의 점 F와 앞서 계산한 공간상의 직선 HI 와의 최단거리 교점인 G와 제4영상점(i)을 역투영한 공간상의 점 I와의 거리가 계단의 너비가 된다.
본 발명에서 상기 영상에서의 레이저에 의한 직선의 수학적 식을 산출하는 방법은 하우(hough) 변환에 의한 직선 추출법을 이용하는데 상기 하우(hough) 변환에 의한 직선 추출법은 일반적으로 공지된 기술이므로, 세부적인 수학적 알고리즘에 관한 설명은 생략하도록 한다.
[도 4]는 레이저 광막 추정 알고리즘을 설명을 위한 사시도이며, 광막 추정 알고리즘은 다음과 같다. 레이저 광막을 카메라 중심에 설정된 좌표계로 기술하기 위해서는 먼저 임의로 기준좌표계를 설정하고 기준 좌표계와 카메라 좌표계의 관계식을 알아내야 한다. 좌표계간의 관계식은 [식 8]와 같이 주어진다.
Figure 112009032639051-PAT00045
여기서
Figure 112009032639051-PAT00046
은 카메라 좌표계로부터 기준 좌표계로의 회전행렬이며,
Figure 112009032639051-PAT00047
는 카메라좌표계로부터 기준 좌표계로 이송(translation) 벡터이다. 좌표계간의 관계식 추정을 위해 먼저 계단의 임의의 꼭지점, 여기서는 점A를 기준 좌표계의 원점으로 잡고 나머지 꼭지점 B, C, D, E, F, G, H와 레이저 광막이 계단과 교차하여 생긴 점 a, b, c, d 들의 3차원 위치를 측정하여 기준 좌표계로 기술한다. 이 좌표값과 해당 점의 카메라 영상에서의 좌표값을 이용하여 기준 좌표계와 카메라 좌표계의 관계식을 추정한다. 좌표계의 관계식 추정 알고리즘은 카메라 카메라 보정 알고리 즘, 즉 차이(Tsai) 방법과 동일하며 다만 카메라 모델 변수들을 알고 있으므로 추정 변수에서 제외되고 기준 좌표계와 카메라 좌표계의 좌표변환 변수인 회전행렬
Figure 112009032639051-PAT00048
과 이송벡터
Figure 112009032639051-PAT00049
만을 추정한다.
기준 좌표계와 카메라 좌표계의 관계식을 추정한 후 이 결과들 이용하여 카메라 좌표계로 기술된 레이저 광막의 평면식을 추정한다. 3차원 공간상에서의 평면의 식은 다음과 같다.
Figure 112009032639051-PAT00050
레이저 광막이 계단과 교차하여 생긴 점 a, b, c, d 들은 레이저 광막 평면상에 위치하므로 각각의 좌표값들은 다음 식을 만족하여야 한다.
Figure 112009032639051-PAT00051
상기 연립 방정식을 최소자승법(Least squares methd)으로 풀면 레이저 광막의 평면식 즉,
Figure 112009032639051-PAT00052
을 구할 수 있다. 단, 카메라 좌표계로 기술된 평면식을 구할 목적이므로 점 a, b, c, d 들을 카메라 좌표계로 기술하여야 한다. 이것은 앞서 추정된 기준 좌표계와 카메라 좌표계의 좌표변환 변수인 회전행렬
Figure 112009032639051-PAT00053
과 이송 벡터
Figure 112009032639051-PAT00054
을 이용한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법은 [도 5]에 도시된 바와 같이, 카메라부(1)를 이용하여, 계단 배경 영상을 획득하는 단계를 수행한다.(S10)
[도 6]은 상기 S10 단계의 계단 배경 영상의 실시예로 카메라부(1)의 촬영 지점을 기준으로 볼 때, 제1계단(91)과 제2계단(93)의 두개 계단으로 구성된 상승계단(90)을 계단으로 인식하고 촬영한 계단 배경 영상(11)이다.
다음으로, 레이저부(2)를 이용하여, 계단의 표면에 광막 레이저를 투사하고, 카메라부(1)를 통해 레이저 광막이 투사된 계단 영상을 획득하는 단계를 수행한다.(S20)
[도 7]는 상기 S20 단계의 레이저 투사 계단 영상의 실시예로 상승계단(90)에 레이저부(2)에서 레이저 광막을 축방향으로 투사하고, 이렇게 레이저 광막이 투사된 계단을 촬영한 레이저 투사 계단 영상(13)이다.
레이저 광막이 하나의 평면에 투사되면 하나의 직선을 형성하게 되고, 두개의 평면에 투사되면 두개의 직선을 형성하게 되고, 직선간의 교점이 발생한다.
상기 S10 단계에서의 카메라부(1) 촬영 시간 및 간격과 S20단계에서의 레이저부(2)의 레이저 투사 시간 및 방법의 명령은 제어부(3)에 의해 제어된다.
다음으로, 영상처리부(4)를 이용하여, 상기 레이저 투사 계단 영상과 계단 배경 영상의 차영상을 획득하는 단계를 수행한다.(S30)
상기 S30 단계를 더욱 자세히 설명하자면 [도 7]에 도시된 바와 같이, 먼저, 계단 배경 영상(11) 및 레이저 투사 계단 영상(21)을 획득하는 단계를 수행한다.(S31)
다음으로, 상기 레이저 투사 계단 영상(21)을 평균화하는 단계를 수행한다.(S33)
상기 S33 단계에서 영상을 평균화하는 작업은 레이저 투사 계단 영상(21)의 노이즈를 제거하여, 레이저 선의 선명도를 높이기 위함이다.
다음으로, 계단 배경 영상(11)과 레이저 투사 계단 영상(21)의 공통 영상 부분을 제거하여 레이저 선 영상(31)을 획득하는 단계를 수행한다.(S35)
다음으로, 상기 획득된 레이저 선 영상(31)의 레이저 선을 세선화(Thinning)하는 단계를 수행한다.(S35)
상기 S35의 세선화(Thinning) 단계는 레이저 선 영상(31)에 나타난 레이저 선을 가늘게 조절하여, 레이저 선의 위치 정보의 정확도를 높이기 위함이다.
[도 8]는 상기 S30 단계의 수행으로 획득된 레이저 선 영상(차영상)(31))의 실시예를 나타내는 영상으로, 영상 내에는 계단을 투사한 레이저 선만이 표시되며,
4개의 교점(a, b, c, d)이 발생한 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 제어부(3)를 이용하여, 계단의 유형을 판단하는 단계를 수행한다.(S40)
상기 S40 단계는 레이저 선 영상에 나타난 레이저 선의 연속 여부에 따라 계단의 형태를 판단하게 된다.
만일, [도 7]에 도시된 바와 같이, 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 연속적인 형태의 경우 상승계단으로 판단하고, 만일, 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 불연속적인 형태일 경우 하강계단으로 판단하는 것이다.
또한 [도 10]은 상기 하강계단(95)에 레이저 광막을 투사하여, 이를 촬영한 레이저 광막 투사 영상(23)의 실시예이다.
더불어 [도 11]은 상기 하강계단(95)의 배경 영상(13)과 레이저 광막 투사영상(23)의 레이저 선만 추출된 차영상(33)의 실시예이다.
상기 [도 11]에 도시된 바와 같이, 레이저 선 영상(33)의 레이저 선이 불연속적으로 표시될 경우, 제어부(3)에서 계단을 하강계단으로 판단하는 것이다.
또한 [도 12]는 상기 레이저 선 영상(33)에 도시된 직선의 양단점(e, g, h, j)의 위치를 정확히 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명의 실시예와 같이 계단의 형태가 하강계단(95)일 경우, 상승계단(90)일 때와 달리, 각 계단의 하강 수직면이 카메라 영상에 촬영되지 않기 때문에, 레이저 광막의 동일선상에 위치한 각 계단의 수직면과 수평면이 만나는 교점(f, i)은 영상으로 확인이 불가능하다.
따라서 계단의 형태에 따라, 레이저 선의 형태가 다르게 표시되기 때문에 레 이저 선의 위치 정보도 계단의 형태에 따라 수치를 연산하는 방법을 달리 하게 된다.
만일, 상기 S40 단계에서 계단의 형태가 상승계단 즉, 상승계단(90)으로 판단될 경우, 연산부(5)를 이용하여, 2차원 레이저 선 영상의 각 교점 좌표를 3차원 카메라 좌표로 역투영하는 단계를 수행한다.(S50)
다음으로, 각 카메라 좌표의 위치를 이용하여, 거리 정보로 연산하여, 상승계단(90)의 수직면의 높이와 수평면의 너비를 산출하는 단계를 수행한다.(S70)
상기 S70단계는 영상의 레이저의 직선들의 2차원 교점들을 역투영식을 이용하여 계산한 3차원 공간으로 점들의 좌표값들의 거리 정보로부터 상승 계단(90)의 높이와 너비의 치수를 산출하게 되는 것이다.
다음으로, 상기 산출된 계단의 수치 정보를 저장부(6)에 저장하는 단계를 수행한다.(S80)
만일, 상기 S40 단계에서 계단의 형태가 하강계단 즉, 본 발명의 실시예와 같이, 하강계단(95)으로 판단될 경우, 연산부(5)를 이용하여, 2차원 레이저 선 영상의 각 선의 양단점 좌표를 3차원 카메라 좌표로 역투영하는 단계를 수행한다.(S60)
상기 S60 단계에 따른 상기 S70단계는 영상에 보이는 레이저 직선들을 3차원 공간으로 역투영식을 이용하여 계산한 직선들 간의 최단 거리를 하강 계단의 높이 수치로 산출하고, 영상에 보이는 레이저에 의한 직선의 일단을 3차원으로 역투영시킨 점에서 인접 레이저 직선의 역투영시킨 직선과의 최단 거리 교차점과 인접 레이저 직선의 타단을 3차원 역투영시킨 점과의 거리 정보로 하강 계단(95)의 너비 치수를 산출하게 된다.
이상 본 발명의 실험예들 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 단일 카메라를 이용한 계단 치수 측정 시스템 및 방법으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측 정 방법의 상승계단에 레이저 선의 각 교점을 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 하강계단에 레이저 선의 각 교점을 나타내는 사시도
도 4는 레이저 광막 추정 알고리즘 설명을 위한 사시도
도 5는 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S10 단계의 상승계단 배경 영상의 실시 예를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S20 단계의 레이저가 투사된 상승 계단 영상의 실시 예 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S30 단계의 상승 계단의 레이저 선 영상(차영상)의 실시 예를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S30 단계의 상세 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S10 단계의 하강 계단 배경 영상의 두 번째 실시 예를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측정 방법의 S20 단계의 레이저가 투사된 하강 계단 영상의 실시 예 나타내는 도면.
도 12는 본 발명에 따른 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 자동 측 정 방법의 S30 단계의 하강 계단의 레이저 선 영상(차영상)의 실시 예를 나타내는 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 카메라부 2 : 레이저부
3 : 제어부 4 : 영상처리부
5 : 연산부 6 : 저장부
90 : 상승계단 95 : 하강계단

Claims (13)

  1. 계단의 외부 형상을 촬영하는 카메라부;
    계단 상에 레이저를 투사하는 레이저부;
    상기 카메라부 및 레이저부와 연결되어, 카메라부 및 레이저부의 동작을 제어하고, 계단 치수 산출 동작을 제어하는 제어부;
    상기 카메라부 및 제어부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상을 처리하여, 제어부에 전달하는 영상처리부;
    상기 제어부와 연결되어, 계단에 투사된 레이저의 위치정보를 분석, 산출하여 제어부에 전달하는 연산부; 및
    상기 제어부 및 영상처리부와 연결되어, 카메라부에서 촬영된 영상 및 연산부에서 산출된 계단 수치 데이터를 저장하는 저장부로 구성된 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상처리부는,
    상기 카메라부에서 촬영된 계단 배경 영상과 레이저가 투사된 계단의 레이저 투사 영상을 수집하고, 상기 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상의 일치 영상이 제외되어, 투사된 레이저의 선만 추출된 레이저 선 영상(차영상)을 획득하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 영상처리부는
    레이저 선 영상(차영상)을 획득 시, 다수의 레이저 투사 영상을 수집 후, 영상을 평균화하여, 레이저 선 영상의 노이즈를 감소시키는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 영상처리부는
    레이저 선 영상(차영상)을 획득 시, 레이저 선 영상에 나타난 레이저 선의 굵기를 세선화(Thinning)하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 영상처리부에서 획득한 레이저 선 영상(차영상)에 나타난 레이저 선의 형태에 따라 상승 계단 또는 하강 계단을 판단하되, 상기 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 연결된 형태일 경우 상승 계단으로 판단하고, 상기 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 불연속 형태인 경우 하강 계단으로 판단하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부가 상승 계단으로 판단할 경우, 상기 연산부는 영상에 보이는 레이저의 직선들의 2차원 교점들을 역투영식을 이용하여 계산한 3차원 공간으로 점들의 좌표값들의 거리 정보로부터 상승 계단의 높이와 너비의 치수를 산출하며,
    상기 제어부가 하강 계단으로 판단할 경우, 상기 연산부는 영상에 보이는 레이저 직선들을 3차원 공간으로 역투영식을 이용하여 계산한 직선들 간의 최단 거리를 하강 계단의 높이 수치로 산출하고, 영상에 보이는 레이저에 의한 직선의 일단을 3차원으로 역투영시킨 점에서 인접 레이저 직선의 역투영시킨 직선과의 최단 거리 교차점과 인접 레이저 직선의 타단을 3차원 역투영시킨 점과의 거리 정보로 하강 계단의 너비 치수를 산출하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    하강 계단 영상에서 레이저 직선 식은 하우(hough) 변환에 의한 직선 추출법을 이용하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 시스템.
  8. 계단의 표면에 광막 레이저를 투사하고, 투사된 레이저 선을 영상으로 추출하여, 상기 추출된 레이저 선의 위치 정보를 분석 산출하여, 계단의 수치를 산출하 는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 계단 수치를 산출하는 하는 방법은,
    카메라부를 이용하여, 계단의 배경 영상을 획득하는 단계;
    레이저부를 이용하여, 계단의 표면에 광막 레이저를 투사하는 단계;
    카메라부를 이용하여, 상기 레이저가 투사된 계단 영상을 획득하는 단계;
    영상처리부를 이용하여, 상기 레이저 투사 계단 영상과 계단 배경 영상의 차영상을 획득하는 단계;
    제어부를 이용하여, 레이저 선 영상에 나타난 레이저 선의 형태에 따라 장애물의 형태를 판단하는 단계;
    연산부를 이용하여, 2차원 레이저 선 영상의 각 좌표를 3차원 카메라 좌표로 산출하는 단계; 및
    상기 연산부에서 산출된 카메라 좌표를 이용하여, 계단의 치수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 영상처리부의 상기 레이저 투사 계단 영상과 계단 배경 영상의 차영상을 획득하는 단계는,
    카메라부에서 촬영된 계단 배경영상과 레이저가 투사된 계단의 영상을 수집하는 단계;
    상기 수집된 계단 배경 영상과 레이저 투사 영상 간의 공통부분이 제외된 차영상 즉, 투사된 레이저의 선만 추출하는 영상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 영상처리부의 레이저 선 영상(차영상)을 획득하는 단계는,
    다수의 레이저 투사 계단 영상을 평균화하여, 레이저 선의 노이즈를 감소시키는 단계 및
    레이저 선 영상에 나타난 레이저 선을 세선화(Thinning)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    제어부를 이용하여, 레이저 선 영상에 나타난 레이저 선의 형태에 따라 계단의 형태를 판단하는 단계는,
    만일, 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 연속적인 형태의 경우 상승계단으로 판단하여,
    만일, 제어부에서 레이저 선의 형태가 다수의 직선이 불연속적인 형태일 경우 하강계단으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레 이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연산부에서 산출된 카메라 좌표를 이용하여, 장애물의 치수를 산출하는 단계는,
    상승계단일 경우, 영상의 레이저의 직선들의 2차원 교점들을 역투영식을 이용하여 계산한 3차원 공간으로 점들의 좌표값들의 거리 정보로부터 상승 계단의 높이와 너비의 치수를 산출하는 단계를 포함하며,
    하강계단일 경우, 영상에 보이는 레이저 직선들을 3차원 공간으로 역투영식을 이용하여 계산한 직선들 간의 최단 거리를 하강 계단의 높이 수치로 산출하고, 영상에 보이는 레이저에 의한 직선의 일단을 3차원으로 역투영시킨 점에서 인접 레이저 직선의 역투영시킨 직선과의 최단 거리 교차점과 인접 레이저 직선의 타단을 3차원 역투영시킨 점과의 거리 정보로 하강 계단의 너비 치수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 및 레이저를 이용한 계단 치수 측정 방법.
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