KR20220094610A - 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법 - Google Patents

초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법 Download PDF

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KR20220094610A
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Abstract

본 발명은 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 이미지센서의 광포화현상에 제한받지 않고 노면건조율을 판별할 수 있으며, 또한 대면적의 이미지를 단번에 처리할 수 있도록 하는 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 종래의 광학식 노면상태 탐지장치가 이미지센서가 초점이 잘 맞는 노면 이미지를 획득하고 이를 분석하여 노면건조율을 판별했던 것과는 달리, 초점거리 조절이나 광분산식 렌즈를 이용하여 의도적으로 임의의 빛번짐(defocusing)현상을 만들어서 얻어진 노면 이미지를 분석함으로써 노면건조율을 판별하는 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 제공함에 있다.

Description

초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법 {Device and method for detecting state of road surface using defocusing}
본 발명은 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학식으로 노면의 반사율을 감지하고 분석함으로써 노면의 건조율을 판별할 수 있도록 하는 노면상태 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다.
현대사회에서 산업발전에 있어서 원활한 유통망의 확보가 매우 중요하다는 것은 자명하다. 육지내 유통망에서는 차량 및 기차 등을 이용하여 유통이 이루어지는데, 차량의 원활한 운행은 날씨 등에 따른 도로의 상태, 즉 건조, 습윤, 빙결 등의 노면상태에 따라 달라진다. 따라서 이러한 노면상태정보를 빠르고 정확하게 판별하고 공유하는 것은 원활한 유통망 확보에 있어 매우 중요하다. 물론 유통 뿐만 아니라 일반인들의 생활에 있어서도 노면상태정보는 생활의 편의성을 위하여 상당히 중요하게 여겨지는 정보이다.
이에 따라 노면상태정보를 판별하기 위한 다양한 장치들이 개발되어 사용되어 왔으며, 그 중에서도 특히 광학식 판별방식이 상당히 다양하게 연구되어 왔다. 한 예로 한국특허등록 제2081513호("차량을 이용하는 노면 상태 측정 방법 및 장치", 2020.02.19.)에는 타이어의 슬립률을 이용하여 노면의 결빙여부를 판단하고, 결빙되었다고 판단되면 적외선 광학센서를 이용하여 노면 반사율을 측정함으로써 블랙아이스를 판별하는 기술이 개시된다. 다른 예로 일본특허공개 제2015-197358호("노면 상태 검지 시스템", 2015.11.09.)에는 단일 촬상계를 이용하여 광학 특성이 다른 복수의 화상 신호를 동시 취득하고 이를 비교 분석함으로써 노면 상태를 감지하는 기술이 개시된다.
도 1은 종래의 광학식 노면상태 탐지장치의 실시예이다. 노면의 건조여부는 노면의 빛에 대한 반사율을 측정하여 간접적으로 측정이 가능하며, 대부분의 광학식 노면상태 탐지장치는 이러한 방식을 사용하고 있다. 종래의 광학식 노면상태 탐지장치의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 노면에 조사되었다가 반사된 빛을 렌즈를 통해 이미지센서로 입사받아서 이미지를 획득하게 된다. 한편 도 2는 종래의 광학식 노면상태 탐지장치의 문제점이 도시된다. 이미지센서에는 기본적으로 도 2 상측도면에 도시된 바와 같은 포화현상이 존재한다. 렌즈와 이미지센서 및 노면 간 초점이 맞는 경우 빛이 이미지센서 상의 일부 몇 개의 픽셀에 집중됨에 따라 포화가 발생하여, 반사도가 높거나 낮음 여부를 구분하기 어렵게 된다. 도 2 하측도면은 이처럼 광포화현상으로 인하여 반사율 구분이 불가능하게 된 이미지의 예시를 도시한 것으로서, 도 2 하측도면의 좌측은 노면 이미지 원본이고 우측은 하얀색으로 나타난 픽셀들을 강조하여 표시한 이미지인데, 실질적으로 우측에서 하얀색으로 나타난 지점들이 원래 노면 상의 그 지점이 하얀색 재질이어서 하얀색으로 나타난 것인지, 젖은 지점이라서 빛이 잘 반사됨에 따라 광포화가 일어나 하얀색으로 나타난 것인지 구별하기 어렵다.
뿐만 아니라 종래의 광학식 노면상태 탐지장치는 다음과 같은 문제점도 가지고 있다. 종래에 제설장비에 부착되어 사용되는 노면상태 탐지장치의 대표적인 상용화 사례로서 MARWIS-UMB 광학식 노면센서가 있다. 상기 노면센서는 앞서 설명한 바와 같은 광학적 원리를 이용하여 노면의 수막두께, 노면온도, 결빙률, 마찰계수 등을 측정하도록 이루어져 있다. 그러나 상기 노면센서의 경우 측정할 수 있는 노면 범위가 상당히 협소하여, 제설장비의 제설면적을 고려할 때 최소 5~10개 이상이 배치되어야 한다는 문제점이 알려져 있다.
1. 한국특허등록 제2081513호("차량을 이용하는 노면 상태 측정 방법 및 장치", 2020.02.19.) 2. 일본특허공개 제2015-197358호("노면 상태 검지 시스템", 2015.11.09.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이미지센서의 광포화현상에 제한받지 않고 노면건조율을 판별할 수 있으며, 또한 대면적의 이미지를 단번에 처리할 수 있도록 하는 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 종래의 광학식 노면상태 탐지장치가 이미지센서가 초점이 잘 맞는 노면 이미지를 획득하고 이를 분석하여 노면건조율을 판별했던 것과는 달리, 초점거리 조절이나 광분산식 렌즈를 이용하여 의도적으로 임의의 빛번짐(defocusing)현상을 만들어서 얻어진 노면 이미지를 분석함으로써 노면건조율을 판별하는 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치(100)는, 노면(500)에 빛을 조사하는 광원(110); 상기 광원(110)으로부터 조사되어 상기 노면(500)에서 반사되어 온 빛을 입사받는 렌즈(120); 상기 렌즈(120)를 통과하여 온 빛을 입사받아 이미지를 획득하는 이미지센서(130); 상기 렌즈(120)를 이동시켜 상기 렌즈(120) 및 상기 이미지센서(130) 간 거리를 조절하는 렌즈이동수단(140); 상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하며, 상기 이미지센서(130)에서 획득된 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 사용하여 노면의 상태를 판별하는 제어분석부(150); 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 제어분석부(150)는, 상기 초점이탈이미지 상의 기결정된 특정패턴에 상응하는 빛번짐지점을 추출하고 상기 빛번짐지점의 픽셀값을 이용하여 반사율을 계산할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제어분석부(150)는, 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하고, 추출된 가장자리로부터 원형패턴을 자동감지하고, 기결정된 반경 이하의 원을 추출하고 원의 픽셀값을 사용하여 반사율을 계산할 수 있다.
이 때 상기 제어분석부(150)는,
상기 초점이탈이미지에서 추출된 원을 넘버링(k = 0, …, n)하고, 상기 원 내부의 픽셀값 I(xk, yk)를 산출하고, 하기의 식과 같이 산출된 원 내부의 픽셀값들을 합하여 반사율 V를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
이 때 상기 제어분석부(150)는, 계산된 반사율이 기결정된 기준 이상이면 상기 노면(500)이 젖은 상태라고 판단할 수 있다.
또한 상기 렌즈(120)는, 광분산렌즈일 수 있다.
또는 상기 렌즈(120)는, 광집중렌즈일 수 있다. 이처럼 상기 렌즈(120)는 광집중렌즈일 때, 상기 제어분석부(150)는 가우시안분포를 이용하여 기결정된 기준에 따라 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출할 수 있다.
또한 상기 제어분석부(150)는, 하기의 식을 이용하여 상기 이미지센서(130)에서 인식된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 산출하고, 산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경보다 큰 반경을 가지는 이미지는 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이의 눈입자의 이미지로 구분하여 반사율 계산에서 제거할 수 있다.
r = f(h-f)/D
(여기에서, D : 노면 상 젖은 지점의 실제 반경, r : 노면 상 젖은 지점의 이미지 반경, f : 이미지센서 및 렌즈 간 거리, h : 이미지센서 및 노면 간 거리)
또한 본 발명에 의한 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지방법은, 상술한 바와 같은 노면상태 탐지장치(100)를 이용한 노면상태 탐지방법에 있어서, 상기 제어분석부(150)가 상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하여 상기 렌즈(120)의 초점거리를 조절하는 초점이탈조절단계; 상기 이미지센서(130)가 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 획득하는 이미지획득단계; 상기 제어분석부(150)가 상기 초점이탈이미지 상의 기결정된 특정패턴에 상응하는 빛번짐지점을 선택하고 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하는 가장자리추출단계; 상기 제어분석부(150)가 추출된 가장자리로부터 원형패턴을 자동감지하는 원형자동감지단계; 상기 제어분석부(150)가 기결정된 반경 이하의 원을 추출하고 원의 픽셀값을 사용하여 반사율을 계산하는 픽셀값계산단계; 상기 제어분석부(150)가 계산된 반사율을 사용하여 노면건조율을 판별하는 노면건조율판별단계; 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 가장자리추출단계는, 캐니 에지 디텍션(Canny edge detection) 알고리즘을 이용하여 수행될 수 있다. 또는 상기 가장자리추출단계는, 가우시안분포를 이용하여 기결정된 기준에 따라 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출할 수 있다.
또한 상기 원형자동감지단계는, 휴 서클 트랜스폼(Hough circle transform) 알고리즘을 이용하여 수행될 수 있다.
또한 상기 픽셀값계산단계는, 상기 초점이탈이미지에서 추출된 원을 넘버링(k = 0, …, n)하는 단계, 상기 원 내부의 픽셀값 I(xk, yk)를 산출하는 단계, 하기의 식과 같이 산출된 원 내부의 픽셀값들을 합하여 반사율 V를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
Figure pat00002
또한 상기 픽셀값계산단계는, 하기의 식을 이용하여 상기 이미지센서(130)에서 인식된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 산출하고, 산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경보다 큰 반경을 가지는 이미지는 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이의 눈입자의 이미지로 구분하여 반사율 계산에서 제거할 수 있다.
r = f(h-f)/D
(여기에서, D : 노면 상 젖은 지점의 실제 반경, r : 노면 상 젖은 지점의 이미지 반경, f : 이미지센서 및 렌즈 간 거리, h : 이미지센서 및 노면 간 거리)
또한 상기 노면건조율판별단계는, 상기 픽셀값계산단계에서 계산된 반사율이 기결정된 기준 이상이면 상기 노면(500)이 젖은 상태라고 판단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 초점거리 조절이나 광분산식 렌즈를 이용하여 의도적으로 임의의 빛번짐(defocusing)현상을 만들어서 얻어진 노면 이미지를 사용하여, 노면건조율에 따라 발생되는 미리 알려진 특정 패턴을 획득함으로써 노면 반사율을 효율적으로 측정하고 이를 통해 노면이 건조한지, 젖었는지, 얼었는지 등과 같은 노면상태를 종래보다 정확하면서도 효율적으로 판별할 수 있는 큰 효과가 있다. 종래에는 이미지센서의 광포화현상으로 인하여 빛이 포화된 지점에서는 노면 반사율을 판별할 수 없는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 렌즈의 초점거리를 조절하여 의도적으로 빛번짐을 유도함으로써 광포화현상을 효과적으로 피할 수 있으며, 따라서 종래보다 훨씬 넓은 범위에서 노면상태를 판별할 수 있는 효과가 있는 것이다.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 종래에 비해 훨씬 대면적의 이미지를 단번에 처리할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 노면상태 탐지용 센서 제작시 센서 개수를 크게 줄일 수 있어 제작비용 등을 크게 저감할 수 있는 경제적 효과도 얻을 수 있다. 더불어 본 발명에서는 초점이 정확하게 잘 맞는 이미지를 획득할 필요가 없기 때문에 특수렌즈 등을 이용할 필요가 없이 일반렌즈를 이용해도 되며, 이에 따라 장비 제작비용을 더욱 절감하여 경제적 효과를 더욱 높일 수도 있다.
도 1은 종래의 노면상태 탐지장치의 실시예.
도 2는 종래의 노면상태 탐지장치의 문제점.
도 3은 본 발명의 노면상태 탐지장치의 실시예.
도 4는 본 발명의 노면상태 탐지장치의 해결원리.
도 5는 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광집중식 렌즈 적용시 작동원리.
도 6은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광집중식 렌즈 적용시 탐지결과.
도 7은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광분산식 렌즈 적용시 작동원리.
도 8은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광분산식 렌즈 적용시 탐지결과.
도 9는 본 발명의 노면상태 탐지장치에서 눈에 의한 영향 제거 원리.
도 10은 본 발명의 노면상태 탐지방법 과정.
도 11은 본 발명의 노면상태 탐지장치로 획득된 젖은 노면 및 마른 노면 이미지.
도 12는 도 11의 이미지 분석을 이용하여 측정된 노면반사율 및 노면상태 판별 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 초점이탈을 이용한 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 노면상태 탐지장치의 실시예를 도시한다. 본 발명의 노면상태 탐지장치(100)는, 기본적으로 도시된 바와 같이 노면(500)에 빛을 조사하는 광원(110), 상기 광원(110)으로부터 조사되어 상기 노면(500)에서 반사되어 온 빛을 입사받는 렌즈(120), 상기 렌즈(120)를 이동시켜 초점거리를 조절하는 렌즈이동수단(140), 상기 렌즈(120)를 통과하여 온 빛을 입사받아 이미지를 획득하는 이미지센서(130), 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하여 상기 렌즈(120)의 초점거리를 조절하며, 상기 이미지센서(130)에서 획득된 상기 노면(500)의 이미지를 사용하여 노면의 상태를 판별하는 제어분석부(150)를 포함한다.
이 때 본 발명의 노면상태 탐지장치(100)는, 종래의 노면상태 탐지장치가 상기 노면(500)의 이미지를 초점이 맞은 상태로 획득했던 것과는 달리, 광포화된 지점이 발생하지 않도록 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 한다는 점에서 종래와는 크게 차이가 있다. 즉 상기 제어분석부(150)는, 상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하여 상기 렌즈(120)의 초점거리를 조절하며, 상기 이미지센서(130)에서 획득된 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 사용하여 노면의 상태를 판별한다.
앞서 도 2에서 설명한 바와 같이, 이미지센서에는 도 2 상측도면에 도시된 바와 같이 빛이 포화되는 현상이 발생한다는 점이 잘 알려져 있다. 한편 노면 상의 젖은 지점에서는 마른 지점에 비해 빛이 훨씬 잘 반사된다는 점 또한 잘 알려져 있으며, 종래 광학식 노면건조율 판별센서에서는 노면 이미지를 촬영하여 반사율이 높은 지점이 젖은 지점이라고 판단하였다. 그러나 도 2 하측도면으로 설명한 바와 같이, 실질적으로 하얀색으로 나타난 지점들이 원래 노면 상의 그 지점이 하얀색 재질이어서 하얀색으로 나타난 것인지, 젖은 지점이라서 빛이 잘 반사됨에 따라 광포화가 일어나 하얀색으로 나타난 것인지 구별하기 어려운 문제가 있었다.
도 4는 본 발명의 노면상태 탐지장치의 해결원리를 간략하게 도시한다. 본 발명에서와 같이 이미지를 획득할 때 초점을 이탈시켜 버리면, 원래 초점이 맞았다면 빛이 포화되어야 했을 지점에서 빛번짐현상이 발생하게 된다. 이처럼 빛번짐현상이 발생하면, 해당 지점에서는 도 4 상측도면에 도시된 바와 같이 오히려 광포화가 일어나는 범위는 벗어나게 된다. 즉 젖은 지점과 마른 지점이 섞여있는 노면의 이미지를 초점을 이탈시켜 촬영하게 되면, 원래 노면 상의 그 지점이 하얀색 재질인 부분은 그대로 하얀색으로 나타날 뿐이나, 젖은 지점인 부분은 빛이 잘 반사됨에 따라 (초점이 맞았다면 빛이 포화되었을 것이지만) 빛번짐지점으로 나타나게 된다. 그러나 도 4 하측도면의 우측을 보면, 광포화현상이 일어날 지점에서 빛번짐현상이 발생하여, 육안으로도 직관적인 확인이 가능할 만큼 확실하게 젖은 지점들을 구분할 수 있음을 알 수 있다.
초점이탈이미지는, 일반적으로 촬상용 렌즈로서 많이 사용되는 광집중식 렌즈, 즉 렌즈를 통과하는 광이 수렴되어 초점에 모이도록 하는 일반 렌즈를 사용해서 얻을 수도 있고, 또는 렌즈를 통과하는 광이 발산되도록 하는 광분산식 렌즈를 사용해서 얻을 수도 있다.
도 5는 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광집중식 렌즈 적용시 작동원리를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 촬영지점(scene point)의 이미지가 광집중식 렌즈(lens)를 통과하여 수렴된다 할지라도 초점거리를 이탈한 지점에 이미지센서(image sensor)가 배치되게 함으로써 초점이탈된 이미지를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 노면상태 탐지장치(100)는 상기 렌즈(120)를 이동시켜 상기 렌즈(120) 및 상기 이미지센서(130) 간 거리를 조절하는 상기 렌즈이동수단(140)을 포함하며, 따라서 상기 렌즈이동수단(140)을 이용하여 상기 렌즈(120) 위치를 적절히 조절하여 초점을 이탈시키면 된다. 도 6은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광집중식 렌즈 적용시 탐지결과를 도시한 것으로, 확대도면으로 잘 나타나는 바와 같이 빛번짐지점에서 가장자리가 조금 흐리게 나타나는 원형패턴들이 나타나고 있음이 확인된다.
도 7은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광분산식 렌즈 적용시 작동원리를 도시한 것으로, 광분산식 렌즈의 경우 렌즈 전방에 초점이 존재하기 때문에 상기 이미지센서(130)가 상기 렌즈(120) 후방에 있는 한 반드시 초점이탈이미지가 획득된다. 따라서 이 경우 상기 렌즈이동수단(140)이 굳이 포함될 필요는 없으나, 빛번짐정도를 적절하게 조절하기 위하여 상기 렌즈이동수단(140)을 이용해서 상기 렌즈(120) 위치를 조절할 수도 있다. 특히 광분산식 렌즈의 경우에는 빛을 도넛 모양 등과 같은 기설계된 특정 모양으로 왜곡시킬 수 있다. 도 8은 본 발명의 노면상태 탐지장치에 광분산식 렌즈 적용시 탐지결과를 도시한 것으로, 도 8의 실시예의 경우 빛을 도넛 모양으로 왜곡시킴에 따라 도 6에서 보이는 바와 같은 가장자리의 흐린 부분이 거의 없어지고 상당히 완전한 경계를 가지는 원형패턴이 나타나고 있음이 확인된다.
한편 상기 노면상태 탐지장치(100)는 대부분 제설작업차량 등에 구비되어 사용되는데, 이 때 눈이 내리고 있는 상황에서도 올바르게 노면상태를 탐지할 수 있어야 한다. 즉 구체적으로 설명하자면, 상기 노면(500) 상의 젖은 지점과 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이에 부유하는 눈입자를 구분할 수 있어야 한다는 것이다.
도 9는 본 발명의 노면상태 탐지장치에서 눈에 의한 영향 제거 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서, f는 상기 이미지센서(130) 및 상기 렌즈(120) 간 거리이며, h는 상기 이미지센서(130) 및 상기 노면(500) 간 거리이다. 또한 d는 상기 이미지센서(130) 및 눈입자 간 거리이다. 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 실제 반경을 D라 하고, 상기 이미지센서(130)에서 인식된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 r이라 할 때, D 및 r 간에는 하기의 식과 같은 관계가 성립한다.
r = f(h-f)/D
눈입자의 실제 반경 및 상기 이미지센서(130)에서 인식된 눈입자의 이미지 반경 간에도 상기의 식과 마찬가지의 관계가 성립할 것인데, 이로부터 상기 눈입자의 이미지 반경은 젖은 지점의 이미지 반경보다 반드시 클 것이라는 것을 쉽게 유추할 수 있다. 즉 상기 제어분석부150)는, 상기의 식을 이용하여 산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경보다 큰 반경을 가지는 이미지는 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이의 눈입자의 이미지로 구분하여 (이후 설명될) 반사율 계산에서 제거할 수 있다.
도 10은 본 발명의 노면상태 탐지방법 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 통해, 상술한 바와 같은 본 발명의 노면상태 탐지장치(100)를 이용한 노면상태 탐지방법을 단계적으로 상세히 설명한다. 본 발명의 노면상태탐지방법은, 도 10에 도시된 바와 같이 초점이탈조절단계, 이미지획득단계, 가장자리추출단계, 원형자동감지단계, 픽셀값계산단계, 노면건조율판별단계를 포함한다.
상기 초점이탈조절단계에서는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 제어분석부(150)가 상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하여 상기 렌즈(120) 및 상기 이미지센서(130) 간 거리를 조절한다. 상기 렌즈(120)가 광집중식 렌즈일 경우 이 단계는 반드시 수행되어야 하며, 상기 렌즈(120)가 광분산식 렌즈일 경우 이 단계는 수행되지 않을 수 있다.
상기 이미지획득단계에서는, 상기 이미지센서(130)가 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 획득한다. 이렇게 획득된 초점이탈이미지에서는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 노면(500) 상의 젖은 지점에서 빛번짐이 발생하게 된다.
상기 가장자리추출단계에서는, 상기 제어분석부(150)가 상기 초점이탈이미지 상의 기결정된 특정패턴에 상응하는 빛번짐지점을 선택하고 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출한다. 앞서의 도 6 및 도 8 등에서 확인되는 바와 같이 빛번짐지점은 거의 원형패턴으로 나타나며, 따라서 상술한 '기결정된 특정패턴'은 '원형패턴'으로 쉽게 이해할 수 있다. 이 때 상기 렌즈(120)가 광집중식 렌즈일 경우 상기 빛번짐지점은 도 6 하측도면에 도시된 이미지에 보이는 바와 같이 가장자리가 약간 뿌옇게 흐린 원형패턴으로 나타난다. 이 경우 상기 제어분석부(150)는, 가우시안분포를 이용하여 기결정된 기준(예를 들어 90% 이상 / 95% 이상 / 98% 이상인 지점 등)에 따라 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출할 수 있다. 한편 상기 렌즈(120)가 광분산식 렌즈인 경우, 도 8 하측도면에 도시된 이미지에 보이는 바와 같이 경계가 상당히 뚜렷한 원형패턴이 나오게 되며, 이 경우에는 그대로 가장자리를 추출하기만 하면 된다. 이 때 이미지 상에서 경계가 뚜렷한 부분의 가장자리를 추출하는 알고리즘 중 널리 알려진 것으로서 캐니 에지 디텍션(Canny edge detection) 알고리즘이 있으며, 상기 가장자리추출단계는 상기 알고리즘을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 원형자동감지단계에서는, 상기 제어분석부(150)가 추출된 가장자리로부터 원형패턴을 자동감지한다. 이 때 이미지 상에서 원형패턴을 자동감지하는 알고리즘 중 널리 알려진 것으로서 휴 서클 트랜스폼(Hough circle transform) 알고리즘이 있으며, 상기 원형자동감지단계는 상기 알고리즘을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 픽셀값계산단계에서는, 상기 제어분석부(150)가 기결정된 반경 이하의 원을 추출하고 원의 픽셀값을 사용하여 반사율을 계산한다. 여기에서 '기결정된 반경 이하의 원'을 추출하는 것은, 앞서 도 9를 통해 설명한 눈입자에 의한 교란을 막기 위해서이다. 즉 여기에서 '기결정된 반경'은, 도 9의 설명에서 산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경일 수 있다. 또는 미리 이러한 작업이 이전에 수행된 적이 있을 경우, 매번 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 새로 산출할 필요 없이 미리 계산된 값 테이블을 이용하여도 된다.
상기 픽셀값계산단계를 보다 세부단계로 나누어 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6, 8, 10 등에 도시된 바와 같이 상기 초점이탈이미지에서 추출된 원은 대개 복수 개가 되며, 먼저 이 원을 적절하게 넘버링(k = 0, …, n)한다(물론 단일 개의 원만 추출될 수도 있으며 이 경우에는 단순히 k = 0으로 넘버링된 원 하나만 사용하여 이후 계산을 수행하면 된다). 다음으로 이렇게 추출된 상기 원 내부의 픽셀값 I(xk, yk)를 산출한다. 마지막으로 하기의 식과 같이 산출된 원 내부의 픽셀값들을 합하여 반사율 V를 계산해 낼 수 있다.
Figure pat00003
상기 노면건조율판별단계에서는, 상기 제어분석부(150)가 계산된 반사율을 사용하여 노면건조율을 판별한다. 도 11은 본 발명의 노면상태 탐지장치로 획득된 젖은 노면 및 마른 노면 이미지를 도시한 것으로, 상측도면이 젖은 노면 이미지이며, 하측도면이 마른 노면 이미지이다. 도 11 상측도면에 잘 나타난 바와 같이, 노면이 젖은 상태일 때 이미지 상에서 원형패턴으로 나타나는 빛번짐지점이 다수 나타남을 확인할 수 있다. 한편 도 11 하측도면에 잘 나타난 바와 같이, 노면이 마른 상태일 때 빛번짐지점이 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 도 12는 도 11의 이미지 분석을 이용하여 측정된 노면반사율 및 노면상태 판별 그래프인데, 실제 실험은 도 12 하측도면의 그래프와 같이 마른 노면 및 젖은 노면을 적절한 시간주기에 따라 교대로 촬영하면서 수행되었다. 이 때 얻어진 초점이탈이미지에서 계산된 반사율이 도 12 상측도면의 그래프와 같이 나타나는데, 실제 노면이 마른 상태 / 젖은 상태 각각에 따라 상당히 높은 정확도로 도 12 하측도면의 그래프를 따라가고 있음이 확인된다. 즉 이로써, 본 발명의 노면상태 탐지장치 및 탐지방법을 이용하여 노면상태가 말랐는지 젖었는지를 올바르게 판별할 수 있음이 확인되는 것이다.
특히 본 발명은, 실제 시험 수행 시 1프레임 당 반사율 계산시간이 2ms 정도로 상당히 신속하게 이루어짐이 확인되었으며, 이에 따라 도 12 상측도면의 그래프와 같이 실시간 탐지결과를 얻을 수 있다. 본 발명은 이처럼 신속한 계산이 가능하기 때문에, 종래에 비해 훨씬 대면적의 이미지도 그리 높지 않은 계산부하로 쉽게 처리할 수도 있다. 이에 따라 종래에 처리 가능한 이미지 면적이 상당히 작아서 센서를 여러 개 구비해야 했던 것에 비하여, 본 발명에서는 단일 개의 장치만으로 노면상태 탐지가 가능하여, 장비 구성에 있어 필요한 비용을 크게 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 노면상태 탐지장치 500 : 노면
110 : 광원 120 : 렌즈
130 : 이미지센서 140 : 렌즈이동수단
150 : 제어분석부

Claims (16)

  1. 노면(500)에 빛을 조사하는 광원(110);
    상기 광원(110)으로부터 조사되어 상기 노면(500)에서 반사되어 온 빛을 입사받는 렌즈(120);
    상기 렌즈(120)를 통과하여 온 빛을 입사받아 이미지를 획득하는 이미지센서(130);
    상기 렌즈(120)를 이동시켜 상기 렌즈(120) 및 상기 이미지센서(130) 간 거리를 조절하는 렌즈이동수단(140);
    상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하며, 상기 이미지센서(130)에서 획득된 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 사용하여 노면의 상태를 판별하는 제어분석부(150);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어분석부(150)는,
    상기 초점이탈이미지 상의 기결정된 특정패턴에 상응하는 빛번짐지점을 추출하고 상기 빛번짐지점의 픽셀값을 이용하여 반사율을 계산하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어분석부(150)는,
    상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하고, 추출된 가장자리로부터 원형패턴을 자동감지하고, 기결정된 반경 이하의 원을 추출하고 원의 픽셀값을 사용하여 반사율을 계산하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어분석부(150)는,
    상기 초점이탈이미지에서 추출된 원을 넘버링(k = 0, …, n)하고, 상기 원 내부의 픽셀값 I(xk, yk)를 산출하고, 하기의 식과 같이 산출된 원 내부의 픽셀값들을 합하여 반사율 V를 계산하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
    Figure pat00004

  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어분석부(150)는,
    계산된 반사율이 기결정된 기준 이상이면 상기 노면(500)이 젖은 상태라고 판단하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈(120)는,
    광분산렌즈인 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈(120)는,
    광집중렌즈인 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 렌즈(120)는 광집중렌즈이며,
    상기 제어분석부(150)는 가우시안분포를 이용하여 기결정된 기준에 따라 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 제어분석부(150)는,
    하기의 식을 이용하여 상기 이미지센서(130)에서 인식된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 산출하고,
    산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경보다 큰 반경을 가지는 이미지는 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이의 눈입자의 이미지로 구분하여 반사율 계산에서 제거하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지장치.
    r = f(h-f)/D
    (여기에서, D : 노면 상 젖은 지점의 실제 반경, r : 노면 상 젖은 지점의 이미지 반경, f : 이미지센서 및 렌즈 간 거리, h : 이미지센서 및 노면 간 거리)
  10. 제 1항에 의한 노면상태 탐지장치(100)를 이용한 노면상태 탐지방법에 있어서,
    상기 제어분석부(150)가 상기 이미지센서(130)에서 광포화된 지점이 발생하지 않으면서 초점이탈(defocusing)이미지가 획득되도록 상기 렌즈이동수단(140)을 제어하여 상기 렌즈(120) 및 상기 이미지센서(130) 간 거리를 조절하는 초점이탈조절단계;
    상기 이미지센서(130)가 상기 노면(500)의 초점이탈이미지를 획득하는 이미지획득단계;
    상기 제어분석부(150)가 상기 초점이탈이미지 상의 기결정된 특정패턴에 상응하는 빛번짐지점을 선택하고 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하는 가장자리추출단계;
    상기 제어분석부(150)가 추출된 가장자리로부터 원형패턴을 자동감지하는 원형자동감지단계;
    상기 제어분석부(150)가 기결정된 반경 이하의 원을 추출하고 원의 픽셀값을 사용하여 반사율을 계산하는 픽셀값계산단계;
    상기 제어분석부(150)가 계산된 반사율을 사용하여 노면건조율을 판별하는 노면건조율판별단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 가장자리추출단계는,
    캐니 에지 디텍션(Canny edge detection) 알고리즘을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 가장자리추출단계는,
    가우시안분포를 이용하여 기결정된 기준에 따라 상기 빛번짐지점의 가장자리를 추출하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 원형자동감지단계는,
    휴 서클 트랜스폼(Hough circle transform) 알고리즘을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 픽셀값계산단계는,
    상기 초점이탈이미지에서 추출된 원을 넘버링(k = 0, …, n)하는 단계,
    상기 원 내부의 픽셀값 I(xk, yk)를 산출하는 단계,
    하기의 식과 같이 산출된 원 내부의 픽셀값들을 합하여 반사율 V를 계산하는 단계
    Figure pat00005

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 픽셀값계산단계는,
    하기의 식을 이용하여 상기 이미지센서(130)에서 인식된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경을 산출하고,
    산출된 상기 노면(500) 상 젖은 지점의 이미지 반경보다 큰 반경을 가지는 이미지는 상기 노면(500) 및 상기 이미지센서(130) 사이의 눈입자의 이미지로 구분하여 반사율 계산에서 제거하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.
    r = f(h-f)/D
    (여기에서, D : 노면 상 젖은 지점의 실제 반경, r : 노면 상 젖은 지점의 이미지 반경, f : 이미지센서 및 렌즈 간 거리, h : 이미지센서 및 노면 간 거리)
  16. 제 10항에 있어서, 상기 노면건조율판별단계는,
    상기 픽셀값계산단계에서 계산된 반사율이 기결정된 기준 이상이면 상기 노면(500)이 젖은 상태라고 판단하는 것을 특징으로 하는 노면상태 탐지방법.

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