KR100809379B1 - 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그방법 - Google Patents

삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그방법 Download PDF

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KR100809379B1 KR1020070009005A KR20070009005A KR100809379B1 KR 100809379 B1 KR100809379 B1 KR 100809379B1 KR 1020070009005 A KR1020070009005 A KR 1020070009005A KR 20070009005 A KR20070009005 A KR 20070009005A KR 100809379 B1 KR100809379 B1 KR 100809379B1
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Abstract

본 발명은 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 데이터 입력부; 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표를 설정하고, 중심좌표를 둘러싸고 일정한 반경을 갖는 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 삼각영역 구성부; 삼각영역 구성부를 통해 추출된 세 점의 위치를 바탕으로 삼각평면 영역을 구성하되, 원주를 균등하게 세 등분한 세 점을 소정 각도로 회전시킴으로써 또 다른 삼각평면 영역을 추출하는 삼각평면 추출부; 추출된 각각의 삼각평면 영역의 세 점의 3차원 좌표를 이용하여 해당 평면에 수직하는 직교방향 벡터를 추출하는 직교벡터 추출부; 직교벡터 추출부를 통해 추출된 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00001
)를 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00002
)를 추출하는 방향벡터 추출부; 및 중심좌표를 둘러싸는 두 삼각평면 영역의 각도 차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 두 배열의 상관치를 계산함으로써 중심좌표를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 평면영역 추출부; 를 포함한다.
삼각영역, 보팅, 직교벡터

Description

삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그 방법{Apparatus for extracting of flat region using triangle region orthogonal vector and method therefor}
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치에 관한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 스테레오 카메라로부터 취득한 영상(a) 및 이를 바탕으로 한 3차원 거리정보(b)를 나타내는 일예시도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 중심좌표를 중심으로 하는 원호 상에서 추출된 세 점을 나타내는 일예시도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 추출된 세 점의 좌표를 바탕으로 구성된 삼각평면 영역을 나타내는 일예시도.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 전체 흐름도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 제 S300 과정의 세부 흐름도.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 세 개의 점을 회전시킴으로써 인접한 점 으로 구성된 다른 삼각평면 영역이 구성된 나타내는 일예시도.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 제 S400 과정의 세부 흐름도.
도 9 는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법을 나타내는 전체 흐름도.
도 10 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 제 S600 과정의 세부 흐름도.
도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 중심좌표를 중심으로 구성된 서로 다른 반경을 갖는 두 원호를 나타내는 일예시도.
도 12 는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 제 S700 과정의 세부 흐름도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 평면영역 추출 장치 110: 데이터 입력부
120: 삼각영역 구성부 130: 삼각평면 추출부
140: 직교벡터 추출부 150: 방향벡터 추출부
160: 평면영역 추출부 170: 후처리부
본 발명은 평면영역 추출 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이동로봇 또는 자율 이동체(이하, '이동체')가 3차원 거리정보를 이용하여 평면영역을 고속으로 추출함으로써 이동체의 이동방향 및 특정 영역상에서의 작업 수행을 하도록 하는 삼각평면 영역의 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 3차원의 미지공간에서 작동하는 이동체는 주행을 하거나 필요한 작업을 위해 3차원 공간을 인식해야 한다. 최근 소형, 저가의 연산장치(computer)의 발전과 함께 빠른 속도로 3차원 공간을 측정하는 센서장치가 연구되고 있으며 실시간으로 3차원 깊이(depth) 정보를 발생시키는 많은 센싱 시스템들이 개발되어 있다. 3차원 측정을 수행하는 센서의 발전과 더불어 센서 측정데이터를 이용하여, 미지공간에서의 주행에 사용하기 위한 방법의 개발 또한 필수적이며 센서 개발과 동시에 연구되어야 하는 분야이다.
이동체는 장애물(obstacles)을 인식할 수 있어야 하며, 이동을 위해 검출된 장애물을 피하거나 넘어서서 주행할 수 있어야 한다. 이동체가 넘어지지 않고 미지의 3차원 공간을 주행하기 위해서는 측정된 3차원 깊이 정보(3D depth data)를 이용하여 주행할 방향에서 장애물이 존재하지 않고 넘어지지 않고 이동할 수 있는 평탄한 영역(planar regions)을 찾아내어야 한다.
이러한 평면공간의 인식은 많은 응용분야를 가질 수 있다. 예를 들면, 실내에서 이동하는 이동체는 주행을 위해 평평한 마루 바닥(floor)을 인식할 수 있어야 한다. 또한 장애물인 벽(wall)을 인식하거나 특정 작업을 위해서는 물건이 놓일 수 있는 테이블(table)이나 책상 면을 인식해야 한다. 주행 중인 이동체에 탑재된 스테레오 카메라 또는 레이저스캔센서에서 측정된 데이터로부터 평면영역 추출을 통해 이동체가 스스로 주행해야 하는 길의 중심위치를 찾을 수도 있다. 또는 휴머노이드타입의 보행로봇이 계단을 올라가기 위해서는 계단 면(평면)을 인식 할 수 있어야 한다.
한편, 3차원 거리정보의 측정은 레이저 스캐너(laser scanner)나 구조화된 조명 패턴(structured lighting pattern) 조사와 같은 능동 센싱(active sensing) 방법, 스테레오 카메라 시스템 등에 의해 획득되는 수동적 방법이 있으며, 3차원 거리데이터인 정확한 레인지 정보(range data)를 얻기 위해 레이저 스캐너나 구조화된 조명을 이용하여 데이터를 획득하는 방법이 주로 사용되어 왔다.
이러한 방법들은 상대적으로 정확한 레인지 데이터를 제공하나 거리정보를 실시간으로 얻기가 어려워 보행로봇과 같은 이동체에 직접 적용하기가 어려운 문제점이 있었다. 최근, 컴퓨터 처리 용량 및 속도 증가와 저가, 고성능의 스테레오 카메라시스템의 개발과 함께 고속으로 3차원 거리정보를 제공하는 시스템이 상용화되어 판매되고 있으며 레인지 데이터의 질적 수준은 능동적 방법보다 떨어지나 고속으로 거리정보를 제공할 수 있는 장점으로 인해 이동로봇에 적용이 되고 있는 추세이다.
기존 연구는 주로 레인지데이터를 파라메트릭 방법(parametric methods)을 이용하여 분할(segmentation)하는데 집중되어 왔으며 레인지 데이터를 평 면(planes), 구(spheres), 실린더(cylinders), 원뿔(cones) 등의 큰 카테고리로 분류하고 측정 데이터를 이러한 기본 기하타입에 피팅(fitting)하여 대응되는 파라미터를 구함에 의해 분할을 수행하여 왔다. 이 방법들은 레인지 데이터에 기반하여 정확한 기하 형상들을 분할할 수 있으나 과도한 실행시간의 요구와 정밀한 측정 데이터의 필요성 등으로 인해 실시간 처리가 중요한 로봇과 같은 이동체에 적용하기는 쉽지 않은 문제점을 가진다.
최근, 하프변환(Hough transform)에 기반하여 이동체의 주행을 위해 실시간으로 평면영역을 추출하는 방법이 제안되었고 ASIMO와 같은 2족 보행 이동체에 적용되어 계단주행과 장애물 회피 등에 성공적으로 적용된 사례가 있다. 상기 하프변환은 3차원 공간에서 X-Y-Z 데이터를 원점에서의 수직거리와 평면의 회전각을 나타내는 ρ-θ-φ의 다른 파라미터 공간으로 바꾸어 보팅(voting)하고, 보팅 공간에서 피크(peaks)를 검출함에 의해 대응되는 평면을 추출하는 방법이다.
상술한 방법은 잡음이 많고 복잡한 많은 평면이 존재하는 레인지 데이터에 대해서도 비교적 좋은 결과를 보이나, 보팅을 위한 과도한 메모리 요구와 컴퓨터 처리 속도를 개선하기 위해 많은 부가적인 처리가 필요한 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 원호의 반경과 세 점의 회전각도를 기 설정하여 새롭게 구성될 세 점의 좌표를 미리 계산함으로써, 연속적으로 추출하는 삼각영역을 고속으로 추출하도록 하는, 삼각영역 직 교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그 방법을 제공함에 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 원호 상의 삼각영역에 대한 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00003
)를 추출하여, 원호가 평면위에 존재하는지 판단함으로써, 잡음에 영향을 받지 않고, 데이터가 균일하지 않은 평면영역도 추출하도록 하는, 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 및 그 방법을 제공함에도 목적이 있다.
본 발명은 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치에 관한 것으로서, 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 데이터 입력부; 상기 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 둘러싸고 일정한 반경을 갖는 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 삼각영역 구성부; 상기 삼각영역 구성부를 통해 추출된 세 점의 위치를 바탕으로 삼각평면 영역을 구성하되, 원주를 균등하게 세 등분한 세 점을 소정 각도로 회전시킴으로써 또 다른 삼각평면 영역을 추출하는 삼각평면 추출부; 상기 추출된 각각의 삼각평면 영역의 세 점의 3차원 좌표를 이용하여 해당 평면에 수직하는 직교방향 벡터를 추출하는 직교벡터 추출부; 상기 직교벡터 추출부를 통해 추출된 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00004
)를 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00005
)를 추출하는 방향벡터 추출부; 및 상기 중심좌표를 둘러싸는 두 삼각평면 영역의 각도 차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써 중심좌표를 둘러싸는 각각의 원 호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 평면영역 추출부; 를 포함한다.
구체적으로, 상기 삼각영역 구성부는, 원호의 반경(r)과 세 점의 회전각도(
Figure 112007008705124-pat00006
)를 기 설정함으로써, 새롭게 구성될 삼각영역의 세 점의 좌표를 미리 계산하는 연산모듈(121); 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평면영역 추출부를 통해 취득한 평면영역 데이터를 바탕으로 이동체의 움직임을 수행할 수 있도록 데이터를 가공하는 후처리부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 데이터 취득수단은, 스테레오 카메라(C) 또는 레이저 스캐닝 센서(R) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 것으로서, (a) 상기 평면영역 추출 장치가 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 과정; (b) 상기 평면영역 추출 장치가 3차원 거리정보를 바탕으로 해당 영상의 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 둘러싸며 일정한 반경을 갖는 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 과정; (c) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 세 점의 좌표 값을 이용하여 세 점의 공간좌표가 만드는 삼각평면을 추출하고, 상기 삼각평면 영역에 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00007
)를 추출하고 상기 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00008
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00009
)를 추출하는 과정; 및 (d) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 중심좌표를 둘러싸는 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하여 추출하는 과정; 을 포함한다.
구체적으로, 상기 (c) 과정은, (c-1) 상기 평면영역 추출 장치가 원호를 균등한 간격으로 삼등분하여, 삼등분한 꼭지점을 세 개의 점으로 하는 삼각평면 영역을 구성하는 단계; (c-2) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 세 개의 점을 소정 각도 회전시킴으로써 상기 세 개의 점과 인접한 점으로 구성된 다른 삼각평면 영역을 구성하는 단계; (c-3) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00010
)를 추출하는 단계; 및 (c-4) 상기 평면영역 추출장치가 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00011
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00012
)을 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (d) 과정은, (d-1) 상기 평면영역 추출 장치가 중심좌표를 둘러싸는 원호에서 추출된 두 삼각평면 영역의 각도차를 보팅하여 보팅 배열을 산출하는 단계; (d-2) 상기 평면영역 추출 장치가 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주위에 분포되는지 여부를 판단하는 단계; 및 (d-3) 상기 (d-2) 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 상기 평면영역 추출 장치는 상기 중심좌표를 평면위에 있는 점이라 판단하고 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관한 것으로서, (e) 상기 평면영역 추출 장치가 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 과정; (f) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00013
)를 설정하고, 상기 중심좌표를 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호를 구성하고, 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼 각평면을 구성함으로써 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00014
)를 추출하고, 상기 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00015
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00016
)를 추출하는 과정; 및 (g) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 중심좌표를 둘러싸는 두 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써, 중심좌표를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 과정; 을 포함한다.
구체적으로, 상기 (f) 과정은, (f-1) 상기 평면영역 추출 장치가 3차원 거리정보를 바탕으로 영상의 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호를 구성하여 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 단계; (f-2) 상기 평면영역 추출 장치가 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼각평면을 구성하는 단계; (f-3) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00017
)를 추출하는 단계; 및 (f-4) 상기 평면영역 추출 장치가 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00018
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00019
)를 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (g) 과정은, (g-1) 상기 평면영역 추출 장치가 두 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅하여 보팅 배열을 산출하는 단계; (g-2) 상기 평면영역 추출 장치가 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주위에 분포되는지 여부를 판단하는 단계; (g-3) 상기 (g-2) 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 상기 평면영역 추출 장치가 상기 중심좌표를 평면위에 있 는 점이라 판단하고 상기 두 배열의 상관치를 계산하는 단계; (g-4) 상기 평면영역 추출 장치가 상기 상관치가 소정 비율 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 (g-5) 상기 (g-4) 단계의 판단결과, 상기 상관치가 소정 비율 이상일 경우 상기 평면영역 추출 장치가 상기 중심좌표를 둘러싸는 원호 영역을 평면으로 판단하여 추출하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치 설명에 앞서, 상기 장치는 이동로봇 또는 자율이동체(이하, '이동체')에 탑재되되, 이동체가 취득하는 입력영상을 3차원 평면영역으로 고속 추출하기 위한 장치인 것으로 이해하는 것이 바람직하다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치(100)(이하, '평면영역 추출 장치')에 관한 구성도로서, 도시된 바와 같 이 데이터 입력부(110)와, 삼각영역 구성부(120)와, 삼각평면 추출부(130)와, 직교벡터 추출부(140)와, 방향벡터 추출부(150) 및 평면영역 추출부(160)를 포함한다.
데이터 입력부(110)는 스테레오 카메라(C)와 같은 데이터 취득수단으로부터 도 2 의 (a)에 도시된 영상정보를 바탕으로 한 (b)와 같은 3차원 거리정보를 입력받는다. 본 실시예에서, 상기 데이터 취득수단을 스테레오 카메라(C)를 설정하겠으나, 레이저 스캐닝 센서(R)를 이용하여 3차원 거리정보를 입력받는 것도 가능하다.
삼각영역 구성부(120)는 도 3 에 도시된 바와 같이, 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00020
)를 설정하고, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00021
)를 둘러싸고 일정한 반경(r)을 갖는 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출한다.
이때, 중심좌표의 위치 정보와 원호의 반경(r) 정보를 입력받아 세 점의 위치를 추출할 경우, 실행시간에 삼각함수의 호출을 포함하는 많은 연산량이 요구되게 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 '연속적으로 추출하는 삼각영역을 고속으로 추출하도록 한다' 라는 특징적인 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 원호의 반경(r)과 세 점의 회전각도(
Figure 112007008705124-pat00022
)를 기 설정함으로써, 새롭게 구성될 삼각영역의 세 점의 좌표를 미리 계산하는 연산모듈(121)을 포함한다.
삼각평면 추출부(130)는 도 4 에 도시된 바와 같이 상기 삼각영역 구성부를 통해 추출된 세 점의 좌표를 바탕으로 삼각평면 영역을 구성하되, 원호를 균등하게 세 등분한 세 점을 소정 각도로 회전시킴으로써 또 다른 삼각평면 영역을 추출할 수 있다. 이때, 상기 연산모듈(121)에서 상기 원호의 반경 및 세 점의 회전각도가 미리 계산되어 있는 바, 또 다른 삼각평면 영역을 고속으로 추출할 수 있다.
직교벡터 추출부(140)는 상기 삼각평면 영역 각각의 세 점의 3차원 좌표를 이용하여 해당 평면에 수직하는 직교방향 벡터(
Figure 112007008705124-pat00023
)를 추출한다.
방향벡터 추출부(150)는 중심좌표를 둘러싸는 원호에서 추출된 여러 삼각평면의 방향이 일정한지 판단하는 기능을 수행하는 바, 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00024
)를 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00025
)를 추출한다.
즉, 원호가 실제 평면에 놓여있다면 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00026
)는 일정한 평균 값 주위로 작은 값의 편차를 갖는 분포를 나타낼 것이며, 평면이 아니거나 물체의 경계면 또는 곡면상에 놓여있는 원호라면 큰 편차 값을 나타낸다.
평면영역 추출부(160)는 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00027
)를 둘러싸는 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도 차이를 보팅하여 보팅 배열을 산출함으로써, 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00028
)를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출한다.
바람직하게, 상기 평면영역 추출 장치(100)는, 상기 평면영역 추출부를 통해 취득한 평면영역 데이터를 이동체의 움직임을 수행할 수 있도록 가공하는 후처리부(170)를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성과 특징적인 기능을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각평면 영역의 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치를 이용하여 평면영역을 추출하는 방법에 관한 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법을 나타내는 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 데이터 입력부(110)는 스테레오 카메라(C)로부터 3차원 거리정보 데이터를 입력받는 과정을 수행한다(S100).
다음으로, 삼각영역 구성부(120)는 상기 도 3 에 나타낸 바와 같이 3차원 거리정보를 바탕으로 해당 영상의 특정 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00029
)를 설정하고, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00030
)를 둘러싸며 일정한 반경을 갖는 원호(r) 상의 세 개의 점(
Figure 112007008705124-pat00031
)을 추출하는 과정을 수행한다(S200).
다음으로, 도 6 을 참조하여 상기 원호 상에 존재하는 세 점(
Figure 112007008705124-pat00032
)의 좌표 값을 이용하여 세 점의 공간좌표가 만드는 삼각평면을 추출하고, 상기 삼각평면 영역에 수직한 방향벡터를 추출하여 상기 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00033
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00034
)를 추출하는 과정(S300)을 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 삼각평면 추출부(130)는 상기 도 4 에 나타낸 바와 같이 원호(r)를 균등한 간격으로 삼등분하여, 삼등분한 꼭지점을 세 개의 점으로 하는 삼각평면 영역을 구성하며(S310), 도 7 에 도시된 바와 같이 상기 세 개의 점을 소정 각도 회전시킴으로써 상기 세 개의 점과 인접한 점으로 구성된 다른 삼각평면 영역을 구성한다(S320).
직교벡터 추출부(140)는 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00035
)를 추출한다(S330). 이때, 세 개의 좌표점에 의해 얻어지는 각각의 평면에 수직하는 직교(normal) 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00036
)는 다음의 [수식 1]과 같이 계산된다.
[수식 1]
Figure 112007008705124-pat00037
여기서, 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00038
)는 공간상의 세 개의 점에 의해 이루어지는 영역의 직교벡터를 나타낸다.
방향벡터 추출부(150)는 다음의 [수식 2]와 같이 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00039
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00040
)를 추출한다(S340).
[수식 2]
Figure 112007008705124-pat00041
상기 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00042
)는, 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00043
)가 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00044
)를 중심으로 동일한 방향성을 갖는 부분 영역의 방향을 의미한다.
여기서, 이동체가 평면상에 놓여있다고 가정한다면, 중력방향이나 이동체가 놓여있는 지표면의 방향을 얻을 수 있으며 이 방향을 g라 가정한다. 이때, 임의의 한 삼각평면 영역에서 얻어진 직교(normal)방향을
Figure 112007008705124-pat00045
라 한다면 이 두 벡터 사이의 각의 크기는 다음과 [수식 3]과 같다.
[수식 3]
Figure 112007008705124-pat00046
다음으로, 도 8 을 참조하여 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00047
)를 둘러싸는 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하여 추출하는 과정(S400)을 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, [수식 3] 에서 나타낸 바와 같이, 일정한 반경을 가진 원호 상에서 균등간격의 세 점을 가진 삼각평면 영역의 회전 각도, 바람직하게 각도차는
Figure 112007008705124-pat00048
이다.
평면영역 추출부(160)는 상기 각도
Figure 112007008705124-pat00049
를 0 내지 π/2 사이의 각도 값을 갖는 배열 a[0.. .π]에 보팅(voting)함으로써 보팅 배열(
Figure 112007008705124-pat00050
)을 산출한다(S410).
이후, 평면영역 추출부(160)는 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주위에 분포되는지 여부를 판단한다(S420).
제 S420 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 평면영역 추출부(160)는 상기 중심좌표를 평면위에 있는 점이라 판단하고 추출한다(S430).
부연하면, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00051
)가 평면 위에 놓여있는 점이라면 이 보팅 값들은 평면 방향을 나타내는 일정한 값 주위에 주로 보팅되며, 평면이 아니거나 물체 경계면상의 점이라면 각도 값이 서로 다른 크기를 가지므로 넓은 분포를 가지고 보팅된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법에 관하여 살펴보면 다음과 같다.
도 9 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법을 나타내는 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 데이터 입력부(110) 는 스테레오 카메라(C)로부터 3차원 거리정보 데이터를 입력받는 과정을 수행한다(S500).
다음으로, 도 10 을 참조하여 상기 3차원 거리정보를 바탕으로 해당 영상의 특정 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00052
)를 설정하고, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00053
) 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호를 구성하고, 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼각평면 영역을 추출하며, 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00054
)를 추출하여 상기 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00055
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00056
)를 추출하는 과정(S600)을 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 삼각영역 구성부(120)는 도 11 에 나타낸 바와 같이 3차원 거리정보를 바탕으로 영상의 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호(
Figure 112007008705124-pat00057
,
Figure 112007008705124-pat00058
)를 구성하여, 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출한다(S610).
삼각평면 추출부(130)는 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼각평면 영역을 구성하고(S620), 직교벡터 추출부(140)는 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00059
)를 추출한다(S630). 세 개의 좌표점에 의해 얻어지는 각각의 평면에 수직하는 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00060
)는 [수식 1]과 같이 계산된다.
[수식 1]
Figure 112007008705124-pat00061
여기서, 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00062
)는 공간상의 세 개의 점에 의해 이루어지는 영역의 직교벡터를 나타낸다.
방향벡터 추출부(150)는 다음의 [수식 2]와 같이 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00063
)를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00064
)를 추출한다(S640).
[수식 2]
Figure 112007008705124-pat00065
[수식 2]와 같이 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00066
)는 각각의 직교 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00067
)가 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00068
)를 중심으로 동일한 방향성을 갖는 부분 영역의 방향을 의미한다.
여기서, 이동체가 평면상에 놓여있다고 가정한다면, 중력방향이나 이동체 놓여있는 지표면의 방향을 얻을 수 있으며 이 방향을 g라 가정한다. 이때, 임의의 한 삼각평면 영역에서 얻어진 직교(normal)방향을
Figure 112007008705124-pat00069
라 한다면 이 두 벡터 사이의 각의 크기는 다음과 [수식 3]과 같다.
[수식 3]
Figure 112007008705124-pat00070
다음으로, 도 12 를 참조하여 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00071
)를 둘러싸는 두 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도 차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써, 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00072
)를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 과정(S700)을 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 서로 다른 두 반경을 갖는 원호에 각도 차는 [수식 3]에 도시된 바와 같이,
Figure 112007008705124-pat00073
로 나타낼 수 있다.
따라서, 평면영역 추출부(160)는 상기 각도
Figure 112007008705124-pat00074
를 0 내지 π/2 사이의 각도 값을 갖는 배열 a[0.. .π]에 보팅(voting)함으로써 보팅 배열(
Figure 112007008705124-pat00075
,
Figure 112007008705124-pat00076
)을 산출한다(S710).
이후, 평면영역 추출부(160)는 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주위에 분포되는지 여부를 판단한다(S720).
제 S720 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 평면영역 추출부(160)는 상기 중심좌표를 평면위에 있는 점이라 판단하고, 상기 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산한다(S730).
상기 두 배열의 상관치는 다음과 같은 [수식 4]와 같이 계산된다.
[수식 4]
Figure 112007008705124-pat00077
이때,
Figure 112007008705124-pat00078
는 배열
Figure 112007008705124-pat00079
의 편차(standard deviation)와
Figure 112007008705124-pat00080
편차의 곱의 합이며,
Figure 112007008705124-pat00081
는 배열
Figure 112007008705124-pat00082
의 편차 제곱의 합,
Figure 112007008705124-pat00083
는 배열
Figure 112007008705124-pat00084
의 편차 제곱의 합이다.
이후, 평면영역 추출부(160)는 상기 상관치가 소정 비율 이상인지 여부를 판단한다(S740).
제 S740 단계의 판단결과, 소정 비율 이상일 경우 평면영역 추출부(160)는 중심좌표(
Figure 112007008705124-pat00085
)를 둘러싸는 원호 영역을 평면으로 판단하여 추출한다(S750).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하 여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 원호의 반경과 세 점의 회전각도를 기 설정하여 새롭게 구성될 세 점의 좌표를 미리 계산함으로써, 연속적으로 추출하는 삼각영역을 고속으로 추출할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 원호 상의 삼각영역에 대한 정규화한 방향벡터(
Figure 112007008705124-pat00086
)를 추출하여, 원호가 평면위에 존재하는지 판단함으로써, 잡음에 영향을 받지 않고, 데이터가 균일하지 않은 평면영역도 추출할 수 있는 효과도 있다.

Claims (10)

  1. 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치에 있어서,
    데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 데이터 입력부(110);
    상기 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 둘러싸고 일정한 반경을 갖는 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 삼각영역 구성부(120);
    상기 삼각영역 구성부를 통해 추출된 세 점의 위치를 바탕으로 삼각평면 영역을 구성하되, 원주를 균등하게 세 등분한 세 점을 소정 각도로 회전시킴으로써 또 다른 삼각평면 영역을 추출하는 삼각평면 추출부(130);
    상기 추출된 각각의 삼각평면 영역의 세 점의 3차원 좌표를 이용하여 해당 평면에 수직하는 직교방향 벡터를 추출하는 직교벡터 추출부(140);
    상기 직교벡터 추출부를 통해 추출된 각각의 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00087
    )를 정규화한 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00088
    )를 추출하는 방향벡터 추출부(150); 및
    상기 중심좌표를 둘러싸는 두 삼각평면 영역의 각도 차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써 중심좌표를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 평면영역 추출부(160); 를 포함하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각영역 구성부(120)는,
    원호의 반경(r)과 세 점의 회전각도(
    Figure 112007008705124-pat00089
    )를 기 설정함으로써, 새롭게 구성될 삼각영역의 세 점의 좌표를 미리 계산하는 연산모듈(121); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면영역 추출부를 통해 취득한 평면영역 데이터를 바탕으로 이동체의 움직임을 수행할 수 있도록 데이터를 가공하는 후처리부(170); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 취득수단은, 스테레오 카메라(C) 또는 레이저 스캐닝 센서(R) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출 장치.
  5. 데이터 입력부(110), 삼각영역 구성부(120), 삼각평면 추출부(130), 직교벡터 추출부(140), 방향벡터 추출부(150) 및 평면영역 추출부(160)로 구성된 평면영역 추출 장치(100)를 이용한 평면영역 추출방법에 있어서,
    (a) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 과정;
    (b) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 3차원 거리정보를 바탕으로 해당 영상의 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 둘러싸며 일정한 반경을 갖는 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 과정;
    (c) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 세 점의 좌표 값을 이용하여 세 점의 공간좌표가 만드는 삼각평면을 추출하고, 상기 삼각평면 영역에 수직한 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00090
    )를 추출하고 상기 각각의 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00091
    )를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00092
    )를 추출하는 과정; 및
    (d) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 중심좌표를 둘러싸는 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하여 추출하는 과정; 을 포함하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (c) 과정은,
    (c-1) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 원호를 균등한 간격으로 삼등분하여, 삼등분한 꼭지점을 세 개의 점으로 하는 삼각평면 영역을 구성하는 단계;
    (c-2) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 세 개의 점을 소정 각도 회전시킴으로써 상기 세 개의 점과 인접한 점으로 구성된 다른 삼각평면 영역을 구성하는 단계;
    (c-3) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00093
    )를 추출하는 단계; 및
    (c-4) 상기 평면영역 추출장치(100)가 각각의 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00094
    )를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00095
    )을 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 (d) 과정은,
    (d-1) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 중심좌표를 둘러싸는 원호에서 추출된 두 삼각평면 영역의 각도차를 보팅하여 보팅 배열을 산출하는 단계;
    (d-2) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주위에 분포되는지 여부를 판단하는 단계; 및
    (d-3) 상기 (d-2) 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 상기 평면영역 추출 장치(100)는 상기 중심좌표를 평면위에 있는 점이 라 판단하고 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
  8. 데이터 입력부(110), 삼각영역 구성부(120), 삼각평면 추출부(130), 직교벡터 추출부(140), 방향벡터 추출부(150) 및 평면영역 추출부(160)로 구성된 평면영역 추출 장치(100)를 이용한 평면영역 추출방법에 있어서,
    (e) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 데이터 취득수단으로부터 3차원 거리정보를 입력받는 과정;
    (f) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 3차원 거리정보를 바탕으로 특정 중심좌표(
    Figure 112007008705124-pat00096
    )를 설정하고, 상기 중심좌표를 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호를 구성하고, 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼각평면을 구성함으로써 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00097
    )를 추출하고, 상기 각각의 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00098
    )를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00099
    )를 추출하는 과정; 및
    (g) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 중심좌표를 둘러싸는 두 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅함으로써 중심좌표가 평면위에 존재하는지 여부를 판단하고, 두 배열의 상관치(correlation value)를 계산함으로써, 중심좌표를 둘러싸는 각각의 원호 영역이 평면인지 여부를 판단하여 추출하는 과정; 을 포함하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (f) 과정은,
    (f-1) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 3차원 거리정보를 바탕으로 영상의 특정 중심좌표를 설정하고, 상기 중심좌표를 중심으로 반경이 서로 다른 두 원호를 구성하여 각각의 원호 상의 세 개의 점을 추출하는 단계;
    (f-2) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 각각의 원호 상에서 취한 세 점으로 삼각평면을 구성하는 단계;
    (f-3) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 삼각평면 영역 각각에 대해 수직한 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00100
    )를 추출하는 단계; 및
    (f-4) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 각각의 직교 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00101
    )를 바탕으로, 정규화한 방향벡터(
    Figure 112007008705124-pat00102
    )를 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (g) 과정은,
    (g-1) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 두 원호에서 추출되는 삼각평면 영역의 각도차이를 보팅하여 보팅 배열을 산출하는 단계;
    (g-2) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 산출된 보팅 배열 값이 일정한 값 주 위에 분포되는지 여부를 판단하는 단계;
    (g-3) 상기 (g-2) 단계의 판단결과, 보팅 배열 값들이 일정한 값 주위에 분포될 경우, 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 중심좌표를 평면위에 있는 점이라 판단하고 상기 두 배열의 상관치를 계산하는 단계;
    (g-4) 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 상관치가 소정 비율 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    (g-5) 상기 (g-4) 단계의 판단결과, 상기 상관치가 소정 비율 이상일 경우 상기 평면영역 추출 장치(100)가 상기 중심좌표를 둘러싸는 원호 영역을 평면으로 판단하여 추출하는 단계; 를 포함하는 삼각영역 직교벡터를 이용한 평면영역 추출방법.
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