KR101614654B1 - 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법 - Google Patents

단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법 Download PDF

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Abstract

[목적]
본 발명은 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단일 카메라에 의하여 촬영된 후 이미지 화면상에 표시되는 소정 객체의 드론으로부터의 실제 이격 거리를 측정할 수 있는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법에 관한 것이다.
[구성]
본 발명에서 제안하는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법은 고도계를 구비하며 공중 부양된 드론에 장착된 단일 카메라를 이용하여 지상에 위치하는 소정 객체의 촬영하는 단계; 상기 단일 카메라에 의하여 촬영된 이미지 화면상에 표시되는 상기 소정 객체를 식별하여 사각형 박스로 레이블링한 후 상기 소정 객체의 위치를 판별하는 단계로 이루어진다.
[효과]
본 발명에 따른 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법을 사용하는 경우 하나의 카메라를 이용하여 이미지 화면상에 표시되는 소정 객체의 실제 거리를 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 드론에 장착된 GPS 모듈을 이용하여 탐지된 객체의 실제 좌표를 용이하게 구할 수 있다는 부가적 이점도 있다.

Description

단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법{Distance measurement of objects from droned with a monocular camera and GPS location data}
본 발명은 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단일 카메라에 의하여 촬영된 후 이미지 화면상에 표시되는 소정 객체의 드론으로부터의 실제 이격 거리를 측정할 수 있는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공중에 부양된 무인비행체(이하 드론)를 이용하여 사람, 동물, 자동차 등과 같은 소정의 객체를 추적하거나 객체까지의 거리를 측정하는 기술은 영상 처리 분야에서 다양하게 연구되고 있다.
이 중에서 거리 정보 추적 기술의 경우 일반적으로 두 대의 스테레오 카메라를 사용하여 두 영상 간의 시차를 바탕으로 객체까지의 거리를 계산하는 방법을 사용하고 있다.
예컨대, 한국공개특허 제10-2011-0015142호(공개일 2011년 02월 15일)에는 최적화 된 디스패리티(disparity)를 이용하여 스테레오 카메라와 물체 간의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 스테레오 카메라를 사용하여 객체까지의 거리를 계산하는 경우 추가적인 비용이 소요되고 드론과 같이 공중에 부양되는 장치에 사용되는 경우 전체 중량이 커져 에너지 소비 측면에서 불리한 측면도 많다.
따라서, 하나의 단일 카메라를 이용하여 객체의 거리를 추적할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
1. 한국공개특허 제10-2011-0015142호
[1] Jernej Mrovlje and Damir Vracic, Distance measuring based on stereoscopic pictures, 9th International PhD Workshop on Systems and Control: Young Generation Viewpoint, Izola, Slovenia, October, 2008. [2] W. Ti-Ho, L. Ming-Chih, H. Chen-Chien, L. Yin Yu and T. Cheng-Pei. Three dimensional distance measurement based on single digital camera, Proceedings of the 2007 WSEAS Int. Conference on Circuits, Systems, Signal and Telecommunications, Gold Coast, Australia, January 17-19, 2007. [3] M. Achtelik, M. Achtelik, S. Weiss, and R. Siegwart. Onboard IMU and monocular vision based control for MAVs in unknown in- and outdoor environments. In Proc. Of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2011. [4] C. Bills, J. Chen, and A. Saxena. Autonomous MAV flight in indoor environments using single image perspective cues. In Proc. of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2011.
본 발명은 전술한 종래의 문제점에 착안하여 제안된 것으로 드론에 단일 카메라를 장착하고 이로부터 획득한 이미지를 이용하여 추적하고자 하는 소정 객체까지의 거리를 산정하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 제안하는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법은 고도계를 구비하며 공중 부양된 드론에 장착된 단일 카메라를 이용하여 지상에 위치하는 소정 객체의 촬영하는 단계; 상기 단일 카메라에 의하여 촬영된 이미지 화면상에 표시되는 상기 소정 객체를 식별하여 사각형 박스로 레이블링한 후 상기 소정 객체의 위치를 판별하는 단계로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 고도계에 의하여 측정된 상기 드론의 고도가 h이고,
상기 단일 카메라의 초점 거리(f)와 연계되는 상기 이미지 화면의 이미지 중심점이 (xC, yC)이며, 상기 이미지 화면에 표시되는 상기 소정 객체의 위치 좌표가 (x', y')(x'는 상기 이미지 화면의 xC 를 기준점으로 한 수평축상의 임의의 위치, y'는 yC를 기준점으로 한 수직축상의 임의의 위치)이고, 상기 드론의 수평 방향과 상기 단일 카메라의 촬영 중심 방향 사이의 각도가 제 1 각도(Ψi)이고, 상기 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 상기 이미지 화면상에 표시된 상기 소정 객체를 y축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도가 제 2 각도 Ψ(y)이고, 상기 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 상기 이미지 화면상에 표시된 상기 소정 객체를 x축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도가 제 3 각도 Ψ(x)이고, 상기 이미지 화면상에 표시되는 상기 소정 객체의 x축상 거리는 ㅣ이고, y축상 거리는 yd이다.
본 발명에 있어서, ㅣ과 yd는 각각 xc 및 yc로부터 계산한 픽셀수에 의하여 측정된다.
또한, 본 발명에서는 하기의 식 1 내지 식 8에 의하여 상기 드론으로부터 상기 소정 객체의 y 방향으로의 실제 거리 d와 x 방향으로의 실제 거리 xd를 구한 후 삼각 함수법에 상기 드론으로부터 상기 소정 객체까지의 실거리를 판별하는 것을 주요 특징으로 한다.
식 1
Figure 112015053132745-pat00001
식 2
Figure 112015053132745-pat00002
식 3
Figure 112015053132745-pat00003
식 4
Figure 112015053132745-pat00004
식 5
Figure 112015053132745-pat00005
식 6
Figure 112015053132745-pat00006
식 7
Figure 112015053132745-pat00007
식 8
Figure 112015053132745-pat00008
.
본 발명에 따른 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법을 사용하는 경우 하나의 카메라를 이용하여 이미지 화면상에 표시되는 소정 객체의 실제 거리를 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 드론에 장착된 GPS 모듈을 이용하여 탐지된 객체의 실제 좌표를 용이하게 구할 수 있다는 부가적 이점도 있다.
또한, 스테레오 카메라를 사용하지 않기 때문에 드론의 전체 중량을 저감시킬 수 있음은 물론 저렴한 가격으로 제작 가능하다는 이점도 있다.
도 1은 드론에 장착된 단일 카메라를 통하여 촬영된 이미지 화면의 일예이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따라 공중 부양된 드론에 장착된 단일 카메라를 이용하여 지상에 위치하는 소정 객체의 위치를 판별하는 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에서 제안하는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 드론에 장착된 단일 카메라를 통하여 촬영된 이미지 화면의 일예이다. 참고로, 본 발명에서 제안하는 드론은 기본적으로 드론의 고도를 측정하기 위한 고도계와 소정의 객체 촬영을 위한 영상 촬영 장치인 카메라를 구비하고 있으며 필요에 따라서는 좌표 인식을 위한 GPS 모듈이나 무선 송수신기를 구비할 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서는 단일 카메라를 통하여 소정 거리의 객체(예컨대, 사람)를 판별한 다음 이를 사각형 박스로 레블링 처리한 후 객체의 하단부 중앙점을 x', y'로 처리한다.
여기서, xc, yc는 이미지 화면의 중심점이고, 거리 l = │ xc - x' │이고, 거리 yd = │ yc - y' │이다.
이하에서는 도 1에 도시된 이미지 화면상에 표시된 객체의 실제 위치 즉 거리를 판별 내지 측정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따라 공중 부양된 드론에 장착된 단일 카메라를 이용하여 지상에 위치하는 소정 객체의 위치를 판별하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 드론에는 단일 카메라가 장착된다. 단일 카메라의 장착 방향은 수평 상태의 드론으로부터 소정 각도각도(Ψi) 기울어진 상태로 장착된다. 즉, 드론의 수평 방향과 단일 카메라의 촬영 중심 방향(초점 거리 방향) 사이의 각도가 제 1 각도(Ψi)가 되도록 단일 카메라를 드론의 전방 일측에 장착한다. 참고로, 공중 부양된 드론의 고도(h)는 고도계에 의하여 측정된다.
도 2에서 이미지 화면은 카메라에 의하여 촬영되어 디스플레이부에 표시되는 화면으로, 단일 카메라의 초점 거리를 f(초점 거리 f는 카메라 제조사에 의하여 주어지는 것으로 카메라의 종류에 따라 달라질 수 있음), 이미지 화면의 중심점(이하, 이미지 중심점이라 한다) 좌표를 (xc, yc)로 표시하기로 한다.
또한, 드론으로부터 객체까지의 수평 거리를 d, 객체가 이미지 화면상에 표시되는 경우 y 축상을 기준으로 이미지 중심점의 yc 좌표에서 객체의 좌표 yc까지의 거리를 yd, 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 이미지 화면상에 표시된 객체를 y축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도를 제 2 각도 Ψ(y)로 하면, 다음과 같은 식을 구할 수 있다.
참고로, 초점 거리 f, 제 1 각도 Ψi, 고도 h를 알고 있으며, 제 2 각도 Ψ(y)는 y축 방향의 픽셀 수를 계산하여 구하되, 제 2 각도 Ψ(y)가 yc 아래방향으로 형성되는 경우에는 포지티브 값을 가지며, yc 윗방향으로 형성되는 경우에는 네거티브 값을 가진다.
식 1
Figure 112015053132745-pat00009
식 2
Figure 112015053132745-pat00010
식 3
Figure 112015053132745-pat00011
식 4
Figure 112015053132745-pat00012
위와 같은 식에 의하여 드론으로부터의 수평 거리 d를 측정할 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여 이미지 화면상에 표시된 객체의 x 축상의 거리 l 를 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
도 3에서, 이미지 중심점 (xc, yc)에서 x축 방향으로 떨어져 위치하는 객체의 좌표 x'는 다음과 같이 구할 수 있다. 참고로, 제 3 각도 Ψ(x)는 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 이미지 화면상에 표시된 객체를 x축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도이다. xc에서 x'까지의 거리는 픽셀수를 계산하여 알 수 있다.
드론으로부터 x 방향으로 소정 거리 이격되어 이미지 화면상에 표시되는 실제 객체의 x 방향 거리 xd는 다음과 같이 구할 수 있다.
식 5
Figure 112015053132745-pat00013
식 6
Figure 112015053132745-pat00014
식 7
Figure 112015053132745-pat00015
식 8
Figure 112015053132745-pat00016
따라서, 도 1과 같이 단일 카메라에 의하여 이미지 화면상에 표시되는 객체의 실제 거리는 식 4 및 식 8을 이용하여 삼각함수법에 의하여 용이하게 구할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 이미지 화면의 중심점 (xc, yc)을 기준으로 이미지 화면상의 임의의 위치에 표시되는 소정 객체의 x 축상 거리 ㅣ 과 y축상 거리 yd를 픽셀 수를 소프트웨어적으로 구한 다음 이를 이용하여 위와 같은 식을 계산함으로서 지상에 위치하고 있는 실제 객체의 거리를 식 4 및 식 8을 조합하여 구할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법을 단계별로 구분하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
1. 지상의 객체 촬영을 위해 드론의 수평 방향 대비 지상을 향하여 소정 각도(제 1 각도) 기울어져 있는 단일 카메라를 동작시킨다.
2. 단일 카메라에 의하여 촬영된 이미지가 이미지 화면상에 표시된다. 참고로, 이미지 화면은 디스플레이부에 표시될 수도 있으며 기억 장치에 저장될 수 있다.
3. 추적하고자 하는 객체를 탐지한 후 사각형 박스로 레이블링 처리한다.
4. 레이블링 처리한 사각형 박스의 하단부 중심점을 객체의 위치 좌표 (x', y')로 선정한다
5. 식 1 내지 식 8을 조합하여 드론으로부터 객체까지의 실제 거리 (y 방향으로의 실제 거리 d와 x 방향으로의 실제 거리 xd를 구한 후 삼각 함수법에 의하여 드론으로부터의 실제 거리를 산정한다. 따라서, 실거리는 d2 + xd2 의 제곱근이다.
이상과 같은 본 발명에 따른 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법을 사용하는 경우 하나의 카메라를 이용하여 이미지 화면상에 표시되는 소정 객체의 실제 거리를 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 드론에 장착된 GPS 모듈을 이용하여 탐지된 객체의 실제 좌표를 용이하게 구할 수 있다는 부가적 이점도 있다.

Claims (2)

  1. 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법으로서,
    고도계를 구비하며 공중 부양된 드론에 장착된 단일 카메라를 이용하여 지상에 위치하는 소정 객체의 촬영하는 단계;
    상기 단일 카메라에 의하여 촬영된 이미지 화면상에 표시되는 상기 소정 객체를 식별하여 사각형 박스로 레이블링한 후 상기 소정 객체의 위치를 판별하는 단계로 이루어지며,
    상기 고도계에 의하여 측정된 상기 드론의 고도가 h이고,
    상기 단일 카메라의 초점 거리(f)와 연계되는 상기 이미지 화면의 이미지 중심점이 (xC, yC)이며,
    상기 이미지 화면에 표시되는 상기 소정 객체의 위치 좌표가 (x', y')(x'는 상기 이미지 화면의 xC 를 기준점으로 한 수평축상의 임의의 위치, y'는 yC를 기준점으로 한 수직축상의 임의의 위치)이고,
    상기 드론의 수평 방향과 상기 단일 카메라의 촬영 중심 방향 사이의 각도가 제 1 각도(Ψi)이고,
    상기 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 상기 이미지 화면상에 표시된 상기 소정 객체를 y축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도가 제 2 각도 Ψ(y)이고,
    상기 단일 카메라로부터 향하는 초점 거리 방향과 상기 이미지 화면상에 표시된 상기 소정 객체를 x축상에 위치시킨 상태에서 이루어지는 각도가 제 3 각도 Ψ(x)이고,
    상기 이미지 화면상에 표시되는 상기 소정 객체의 x축상 거리가 ㅣ이고, y축상 거리가 yd인 경우,
    ㅣ과 yd는 각각 xc 및 yc로부터 계산한 픽셀수에 의하여 측정되며,

    식 1
    Figure 112016027929561-pat00017

    식 2
    Figure 112016027929561-pat00018

    식 3
    Figure 112016027929561-pat00019

    식 4
    Figure 112016027929561-pat00020

    식 5
    Figure 112016027929561-pat00021

    식 6
    Figure 112016027929561-pat00022

    식 7
    Figure 112016027929561-pat00023

    식 8
    Figure 112016027929561-pat00024

    상기 식 1 내지 식 8에 의하여 상기 드론으로부터 상기 소정 객체의 y 방향으로의 실제 거리 d와 x 방향으로의 실제 거리 xd를 구한 후 삼각함수법에 의하여상기 드론으로부터 상기 소정 객체까지의 실거리(
    Figure 112016027929561-pat00028
    )를 판별하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 l =│xc-x'│이며 상기 yd = │yc-y'│인 것을 특징으로 하는 단일 카메라가 장착된 드론을 이용한 추적 객체 위치 판별 방법.
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