KR20180115108A - 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법 - Google Patents

수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중로봇을 이용한 선체검사 작업의 수행 중 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 하기 위해 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터를 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상술한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)는, 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110); 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);를 포함하여 구성된다.

Description

수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법{NORMAL VECTOR EXTRACTION APPARATUS AND METHOD THEREOF BASED ON STEREO VISION FOR HULL UNDERWATER INSPECTION USING UNDERWATER ROBOT}
본 발명은 선체 수중 검사에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수중로봇을 이용한 선체검사 작업의 수행 중 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 하기 위해 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터를 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
선박의 유지보수 측면에서 주기적인 수중 선체 검사는 매우 중요한 과정이다. 잠수부에 의해 수행되어 온 기존의 선체검사 작업의 안정성 및 효율성은 수중 로봇 시스템을 투입함으로써 크게 향상될 수 있다. 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도는 부분적으로 취득된 영상들을 자동 영상 모자이킹 알고리즘을 적용함으로써 얻어질 수 있다. 보다 정밀한 영상 모자이킹을 수행하려면 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종하는 기능이 요구되며, 이를 실현하기 위해서는 카메라가 바라보는 접평면에 대한 법선 벡터 계측이 필수적이다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도를 얻기 위하여 부분적으로 취득된 영상들에 대한 정밀한 영상 모자이킹의 수행을 위해, 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 카메라의 영상 평면과 대상 물체 평면을 정렬하기 위한 위치 및 자세 정보를 얻을 수 있도록 하는 대상 물체 평면의 법선 벡터를 스테레오 비전의 특성을 이용하여 추출할 수 있도록 하는 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치는,
스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110);
상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및
상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);를 포함하여 구성된다.
상기 수중영상개선부(110)는,
입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성될 수 있다.
상기 스테레오 비전부(120)는,
수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성될 수 있다.
상기 평면결정부(130)는,
스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법은,
수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100);
스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200); 및
평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 수중 영상 개선 과정(S100)은,
입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행될 수 있다.
상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은,
수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정일 수 있다.
상기 평면결정과정(S300)은,
스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명은, 카메라의 영상 평면과 대상 물체 평면을 정렬하기 위한 위치 및 자세 정보를 얻을 수 있도록 하는 대상 물체 평면의 법선 벡터를 스테레오 비전의 특성을 이용하여 추출할 수 있도록 하는 것에 의해, 수중 로봇이 수중 로봇이 검사 대상면과의 거리 및 자세를 일정하게 유지하며 추종할 수 있도록 함으로써, 수중 로봇을 이용한 선체 검사의 결과물인 선체면 영상 전개도를 얻기 위한 부분적으로 취득된 영상들에 대한 정밀한 영상 모자이킹을 수행할 수 있도록 하여, 수중 로봇을 이용한 선체 검사 작업의 효율성을 대폭 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출장치(100)의 블록 구성도.
도 2는 스테레오 이미지에 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 적용 결과 나타내는 도면.
도 3은 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산 과정을 나타내는 도면.
도 4는 법선벡터 추정 결과를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출장치(100)의 블록 구성도이다.
도 1과 같이, 상기 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)는, 수중영상개선부(110), 스테레오 비전부(120) 및 평면결정부(130)를 포함하여 구성된다.
상기 수중영상개선부(110)는 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하도록 구성된다. 이때, 상기 수중영상개선부(110)는 입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성될 수 있다.
도 2는 스테레오 이미지에 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 적용 결과 나타내는 도면이다.
도 2와 같이, 상기 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법은 영상의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키는 방법으로 수중 환경에서 인공조명 사용 시 광량 집중으로 발생하는 영상 데이터의 왜곡 문제를 최소화 할 수 있다.
상기 스테레오 비전부(120)는 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성된다. 상기 스테레오 비전부(120)는 수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성될 수 있다.
도 3은 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산 과정을 나타내는 도면이다.
도 3과 같이, 스테레오 비전부(120)에서 스테레오 캘리브레이션 과정에 의해 두 이미지 평면이 정렬된 상태에서 스테레오 매칭을 적용하여 이미지 포인트 Pl과 대응점 Pr가 얻어졌다면, 도 3과 같이, Pl에 대한 3차원 좌표 P를 얻을 수 있다.
도 3에서, Ileft: 좌측 이미지, Iright: 우측 이미지, Cl: 좌측 이미지 중심 Cr: 우측 이미지 중심, xl: 좌측 이미지에 속하는 대응점의 x축 좌표, yl: 좌측 이미지에 속하는 대응점의 y축 좌표, Ol: 좌측 이미지 좌표축의 원점, xr: 우측 이미지에 속하는 대응점의 x축 좌표, yr: 우측 이미지에 속하는 대응점의 y축 좌표, Or: 우측 이미지 좌표축의 원점, X: 카메라 기준 좌표계의 X축, Y: 카메라 기준 좌표계의 Y축, Z: 카메라 기준 좌표계의 Z축, f: 초점거리, T: 두 카메라의 좌표축간 거리, P: 카메라 기준 좌표계에서 표현된 대응점의 3차원 좌표를 나타낸다.
상기 평면결정부(130)는 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하도록 구성된다. 상기 평면결정부(130)는, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보를 통해 각 픽셀에 해당하는 3차원 점군이 속하는 평면을 계산한다. 수중 환경에서 얻어진 영상을 통해 계산된 3차원 좌표 정보는 많은 이상점(outlier)들이 포함될 수 있으므로, 이를 강인하게 제거하기 위해 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 이용한다. RANSAC 기법의 적용을 통해 지배적인 평면에 대해 경향성이 같은 정상점(inlier)들을 추출할 수 있다. 다음은 평면 계산을 위해 적용된 RANSAC 알고리즘의 의사 코드(pseudo-code)의 예이다.
Figure pat00001
도 4는 법선벡터 추정 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치(100)에 의해 얻어진 법선 벡터 추출 결과를 나타낸다. 도 4에서 녹색 점은 평면 계산에 활용된 정상점(inlier) 군을 나타내며, 붉은색 점은 RANSAC 알고리즘에 의해 이상점(outlier)으로 분류된 점들을 나타낸다. 파란색 선은 추정된 평면의 법선 벡터로, 이 벡터를 통해 기준 평면에 대한 카메라의 상대 거리 및 자세 정보를 계산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 5와 같이, 상기 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법은, 수중 영상 개선 과정(S100), 3차원 좌표 계산 과정(S200) 및 평면 결정과정(S300)을 포함하여 이루어진다.
먼저, 수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100)을 수행한다. 상기 수중 영상 개선 과정(S100)은, 입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행될 수 있다.
다음으로, 스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200)을 수행한다. 상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은, 수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정일 수 있다.
이 후, 상기 평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300)을 수행한다. 상기 평면결정과정(S300)은, 스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정일 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 스테레오 기반 법선 벡터 추출 장치

Claims (8)

  1. 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중영상개선부(110);
    상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 스테레오 비전부(120); 및
    상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정부(130);를 포함하여 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 수중영상개선부(110)는,
    입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하도록 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 스테레오 비전부(120)는,
    수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하도록 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 평면결정부(130)는,
    스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하도록 구성되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치.
  5. 수중영상개선부(110)가 스테레오 카메라를 통해 촬영된 대상평면의 좌측과 우측 이미지를 포함하는 스테레오영상을 입력 받은 후, 밝기 분포를 변화시켜 화질을 개선하는 수중 영상 개선 과정(S100);
    스테레오 비전부(120)가 상기 화질이 개선된 좌측 및 우측 이미지에 포함되는 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 3차원 좌표 계산 과정(S200); 및
    평면결정부(130)가 상기 스테레오 비전부(120)에서 얻어진 3차원 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고 법선 벡터를 추출하여 출력하는 평면결정과정(S300);을 포함하여 이루어지는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 수중 영상 개선 과정(S100)은,
    입력된 좌측 및 우측 이미지의 밝기 분포를 변화시킴으로써 화질을 향상시키기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Method) 기법을 적용하여 수행되는 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 3차원 좌표 계산 과정(S200)은,
    수중영상개선부(120)에 의해 화질이 향상된 좌측 및 우측 이미지에 에피폴라 기하(Epipolar geometry) 및 스테레오 매칭을 적용하여, 카메라 좌표계를 기준으로 한 스테레오 대응점들의 3차원 좌표를 계산하는 과정인 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 평면결정과정(S300)은,
    스테레오 비전부(120)에 의해 얻어진 3차원 좌표 정보들에 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 기법을 적용하여 이상점들을 제거한 후, 잔여 좌표들을 이용하여 평면을 결정하고, 결정된 평면에 대한 법선을 도출하는 과정인 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 방법.
KR1020170047345A 2017-04-12 2017-04-12 수중 로봇을 이용한 선체 수중검사를 위한 스테레오 비전 기반 법선 벡터 추출 장치 및 그 방법 KR101923581B1 (ko)

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