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KR101245529B1 - 카메라 캘리브레이션 방법 - Google Patents

카메라 캘리브레이션 방법 Download PDF

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KR101245529B1 KR1020090022404A KR20090022404A KR101245529B1 KR 101245529 B1 KR101245529 B1 KR 101245529B1 KR 1020090022404 A KR1020090022404 A KR 1020090022404A KR 20090022404 A KR20090022404 A KR 20090022404A KR 101245529 B1 KR101245529 B1 KR 101245529B1
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Abstract

본 발명은 한 쌍의 데이터와 기준 범위를 이용하여 차량의 데이터 로거에 적합한 캘리브레이션을 수행하는 카메라 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 특정 지점의 실좌표를 측정하는 단계;와 실좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;와 상기 실좌표계의 기준범위 좌표를 캘리브레이션 행렬로 변환하여 영상 좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;와 상기 영상좌표계의 기준범위 좌표를 조정하여 카메라 캘리브레이션을 수행하는 단계;를 포함하므로, 한 개의 데이터 쌍과 기준 범위만으로 데이터 로거의 카메라 캘리브레이션을 신속하고 간편하게 수행할 수 있다.

Description

카메라 캘리브레이션 방법{CAMERA CALIBRATION METHOD}
본 발명은 카메라 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 데이터 로거에 적합한 캘리브레이션을 수행하는 카메라 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 카메라를 장착시켜 주위를 감시하는 시스템이 널리 알려져 있다. 이와 같은 시스템은 차량에 설치된 복수 대의 카메라 화상을 수취하고 투시변환에 의하여 가상시점으로부터 합성화상을 생성한다.
이 때, 차량에 설치된 카메라가 어느 위치, 어느 방향으로 장착되어 있는지를 미리 정확하게 계산해 낼 필요가 있으며, 이러한 계산을 카메라의 캘리브레이션(calibration)이라 한다. 캘리브레이션 방법으로는 좌표위치를 이미 알고 있는 특징점을 각각의 카메라로 촬영하고, 각 특징점의 카메라 화상 상에서의 좌표와 실제 공간좌표를 대응시킨 1조의 데이터를 이용하는 방법이 있다.
또한, 카메라 캘리브레이션에 관해서는 로봇 핸들링 장치에서 로봇 좌표계에 대한 고정 3차원 시각수단의 설치 오차를 구하는 기술(일본특허공보 특공평 7-27408호에 게시)등이 알려져 있다. 그러나 차량과 같은 이동체에 탑재된 카메라 의 캘리브레이션에 대해서는 아직 유효한 기술이 확립되어 있지 못한 것이 실정이다.
또한, 차량에 설치된 데이터 로거(data logger)에서는 센서의 측정치와 실제 물체의 위치를 비교, 검증하기 위해 카메라를 도입하고, 센서의 측정위치를 카메라의 영상좌표로 변환하는 기술을 필요로 한다. 이 때, 종래의 기술에 의한 캘리브레이션 방법은 정확한 보정을 위해 영상 좌표계와 실좌표계 사이에 최소 8개의 위치데이터 쌍이 필요하다. 구체적으로, 기존의 카메라 캘리브레이션 파라미터의 계산은 이론적으로 8개의 데이터 쌍을 사용하므로 정확도가 높은 방법을 사용하고 있다. 그 계산과정을 알아보면, 아래의 식은 3차원의 일반적인 경우의 파라미터 P와 P를 통해 x-y-z의 실좌표계의 데이터를 ix-iy의 이미지 좌표계로 변환하는 관계식이다.
Figure 112009015910111-pat00001
이 때, z = 0(x-y 평면에서만 고려)이라고 가정하고, 모든 원소를 m34로 나누면, 다음과 같다.
Figure 112009015910111-pat00002
Figure 112009015910111-pat00003
이 때 변환 행렬 P는 다음과 같은 계산으로 구할 수 있다.
Figure 112009015910111-pat00004
상술한 행렬식을 검토하면, 데이터 쌍이 4개 있어야 연립방정식 8개를 얻어서 캘리브레이션 행렬을 구할 수 있다는 것을 알 수 있다.
그러나, 종래의 캘리브레이션 행렬을 구하는 방법은 모두 영상처리 시스템에서 사용되는 높은 정확도를 요구하는 변환을 대상으로 고안된 방법이므로 단순히 캘리브레이션을 비교, 검증 용도로 사용하는 차량의 데이터 로거에서 사용되기에는 적합하지 않다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 데이터 로거에 적합한 캘리브레이션을 수행하는 방법을 제시하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 카메라 캘리브레이션 방법은 특정 지점의 실좌표를 측정하는 단계;와 실좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;와 상기 실좌표계의 기준범위 좌표를 캘리브레이션 행렬로 변환하여 영상 좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;와 상기 영상좌표계의 기준범위 좌표를 조정하여 카메라 캘리브레이션을 수행하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 실좌표계의 기준범위는 직사각형 형태이고 상기 영상좌표계의 기준범위는 사다리꼴 형태인 것이 바람직하다.
상기 캘리브레이션 행렬은 상기 특정 지점에 대한 실좌표 및 영상좌표와 상기 실좌표계의 기준범위의 각 변의 길이와 상기 영상좌표계의 기준범위의 각 변의 길이로 계산하는 것이 바람직하다.
상기 캘리브레이션 행렬은 상기 영상좌표계의 기준범위의 각 변의 길이를 조정하여 변경할 수 있는 것이 바람직하다.
이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명의 카메라 캘리브레이션 방법은 한 개의 데이터 쌍과 기준 범위의 도입으로 차량의 데이터 로거에 적합한 카메라 캘리브레이션을 수행할 수 있다는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 차량에 설치된 카메라와 센서의 위치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 카메라(20)와 센서(10)의 피사체가 2차원 평면으로 근사화 가능한 경우에 적용된다. 즉, 차량에서는 카메라(20)와 센서(10)의 설치 높이(b)가 감지 거리(a)에 비해 상대적으로 작아 무시할 수 있으므로 피사체가 2차원 평면으로 근사화 가능하다. 또한, 카메라(20)와 센서(10)의 각각의 x-y 좌표 상의 거리가 0이라고 가정한다. 그러면 센서(10)의 감지 정보는 x-y 좌표계로 주어지고, 카메라(20)의 영상좌표계는 ix-iy 좌표계로 주어지게 되므로, 본 발명에서는 센서(10)에서 측정된 실좌표 (x,y)를 영상좌표(ix,iy)로 변환하는 카메라(20) 캘리브레이션 행렬을 계산하면 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 카메라 캘리브레이션 수행 전 특정지점에 대한 좌표 및 기준범위를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 카메라 캘리브레이션 수행 후 특정지점에 대한 좌표 및 기준범위를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 카메라 캘리브레이션 수행 방법을 알아보면, 본 발명은 종래의 캘리브레이션 파라미터를 구하는 방법과는 달리, 4개의 데이터 쌍을 구하는 것이 아니라 1개의 데이터 쌍과 기준 범위를 도입한다. 1개의 데이터 쌍은 특정 위치에 대해 센서(10)에서 측정한 실좌표 및 영상좌표를 의미하며, 기준 범위는 센서(10) 및 카메라(20)의 비젼 영역을 정하여 표시한 범위를 의미한다. 도 2(a)에서 보이는 바와 같이, 실좌표계에서 기준 범위(30)는 직사각형이 되 며, 도 2(b)에서 보이는 바와 같이 실좌표계의 기준범위인 직사각형 영역은 영상 좌표계에서는 사다리꼴 형태의 기준범위(40)로 변환된다. 따라서, 센서(10)와 카메라(20)의 방향이 틀어진 각도를 보정하기 위해서 한 쌍의 데이터를 측정치로부터 구한 뒤, 실좌표계의 기준범위인 직사각형 영역(30)이 영상좌표계에 사다리꼴(40)로 표시되었을 때, 사다리꼴의 윗변(P1), 아랫변(P2) 및 높이(P3) 즉, 3가지의 파라미터를 직관적으로 조절하여 관심영역의 카메라(20) 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 예를 들면, 초기에 사용자가 지정한 한 쌍의 점을 실좌표계에서 (xC,yC), 영상좌표계에서 (ixC,iyC)라 하고, 영상좌표계 기준범위의 각 변의 길이인 윗변(P1), 아랫변(P2) 및 높이(P3)를 각각 P1,P2,P3라 하고, 직사각형인 실좌표계 기준범위의 각 변의 길이를 Wx, Wy라고 하면, 캘리브레이션을 위해 필요한 4쌍의 데이터 (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)와 (ix1,iy1),(ix2,iy2),(ix3,iy3),(ix4,iy4)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112009015910111-pat00005
Figure 112009015910111-pat00006
한편, 상술한 과정을 통해 구한 P행렬을 통하여 실좌표계에서 센서(10)에 의해 측정된 모든 지점을 영상좌표계에 표시할 수 있다. 이 때, 도 2(b)에서와 같이, 오른쪽 차선의 가까운 차량(52)의 영상위치는 추정위치(다이아몬드 표시)와 잘 맞으나 오른쪽 차선의 먼 차량(53)의 영상위치가 추정위치(다이아몬드 표시)가 잘 맞지 않으면, 직관적으로 P1의 길이를 감소시킴으로서 도 3(b)에 도시한 것처럼, 영상위치와 추정위치를 어느 정도 유사하게 맞출 수 있다. 한편, 상술한 과정으로 파라미터(P1,P2,P3)가 변경되면, 변경된 파라미터로 캘리브레이션 행렬이 다시 계산된다.
예를 들면, 센서(10)에서 임의의 지점에 대한 좌표 (x,y)를 측정하고, 좌표가 (x-5,y-3), (x-5,y+2), (x+1,y+2), (x+1,y-3)인 기준범위가 정해지면, 영상좌 표계 기준범위의 파라미터 윗변(P1), 아랫변(P2) 및 높이(P3)에 대한 임의의 초기값, 한 쌍의 데이터 쌍((x1,y1),(ix1,ix2)) 및 실좌표계의 기준범위의 각 폭(Wx,Wy)의 길이를 이용하여 캘리브레이션 행렬을 유도하며, 실좌표계 기준범위의 해당 좌표를 유도된 캘리브레이션 행렬을 통해 변환한 결과가 좌표 (ix-15,iy-10), (ix-10,iy+4), (ix+4, iy+4), (ix+8, iy-10)인 사다리꼴의 기준범위로 표시되었을 때,
예1)오른쪽 차선의 가까운 차량(52)은 실제 영상위치와 추정위치가 잘 맞으나, 같은 차선상의 먼 차량(53)이 추정위치보다 안쪽에 있는 경우 윗변(P1)의 길이를 감소시켜 사다리꼴의 윗변(P1)을 줄이는 방향으로 기준범위를 조정한다.
예2)오른쪽 차선의 먼 차량(53)은 실제 영상위치와 추정위치가 잘 맞으나, 같은 차선상의 가까운 차량(52)은 추정위치보다 안쪽에 있는 경우 사다리꼴의 아랫변(P2)을 줄이는 방향으로 기준범위를 조정한다.
또한, 추가적으로 관심영역의 여러 감지 데이터의 위치를 현재의 파라미터로 구성된 캘리브레이션 행렬을 이용하여 변환시키고, 변환된 위치를 영상으로 확인하면 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 제어블록도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 데이터 로거는 전방 물체의 실좌표를 측정하는 센서(10)와, 영상을 촬영하는 카메라(20)와, 카메라 캘리브레이션 제어 전반을 관장 하는 제어부(60)와, 영상을 표시하는 표시부(80)와, 캘리브레이션 파라미터를 수동으로 조정하는 입력부(70)를 포함할 수 있다.
센서(10)는 차량의 전면에 부착되며, 전방에 있는 물체의 실좌표를 측정하여 그 정보를 제어부(60)에 전송한다.
카메라(20)는 차량에 전면에 센서(10)의 설치 높이와 유사하게 부착되며, 전방에 있는 물체의 영상을 촬영하여 제어부(60)에 영상신호를 전송한다.
제어부(60)는 센서(10)에 의해 측정된 실좌표 (x,y)에 대한 기준범위 좌표를 설정하고, 설정된 실좌표계의 기준범위 좌표를 캘리브레이션 행렬로 변환하여 영상좌표계의 기준범위 좌표를 도입하며, 설정된 영상좌표계의 기준범위를 표시부(80)에 표시한다. 한편, 실좌표계의 기준범위는 직사각형 형태이고, 영상좌표계의 기준범위는 사다리꼴 형태이며, 영상좌표계의 기준범위 좌표는 사용자에 의한 입력부(70)의 조작에 의해 조정될 수 있다.
입력부(70)는 영상좌표계 기준범위의 각 변의 길이를 사용자가 수동으로 조정할 수 있는 인터페이스이며, 제어부(60)는 사용자에 의해 조정된 영상좌표계 기준범위의 각 변의 길이로 새로운 캘리브레이션 행렬을 유도한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 카메라의 캘리브레이션을 수행하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 카메라(20) 캘리브레이션 작업이 개시되면 특정 지점에 대한 실좌표 (x,y) 및 영상좌표 (ix,iy)를 획득한다.(S10)
다음으로, 실좌표계의 기준범위(30)를 도입하고, 기준범위에 대한 각 변의 길이(Wx,Wy)와 영상좌표계 기준범위(40)의 각 변의 길이에 대한 임의의 초기값(P1,P2,P3)를 도입한다.(S20)
다음으로, 상술한 과정에 의해 획득한 실좌표 (x,y), 영상좌표(ix,iy), 실좌표계의 기준범위의 폭(Wx,Wy) 및 영상좌표계의 기준범위의 파라미터(P1,P2,P3)를 이용하여 캘리브레이션을 수행하기 위해 필요한 4쌍의 데이터 (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)와 (ix1,iy1),(ix2,iy2),(ix3,iy3),(ix4,iy4)를 상술한 식에 의해 계산한다.(S30)
다음으로, 상술한 과정에 의해 구한 4쌍의 데이터 (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)와 (ix1,iy1),(ix2,iy2),(ix3,iy3),(ix4,iy4)로 캘리브레이션 행렬 P를 계산한다.(S40)
다음으로, 제어부(60)는 사용자에 의해 영상좌표계의 기준범위에 대한 파라미터 P1,P2,P3가 변경되는지 확인하고, 사용자에 의해 P1,P2,P3중 어느 하나 이상의 파라미터가 변경된 것으로 확인되면, 변경된 파라미터로 새로운 4쌍의 데이터를 계산하고, 그 결과값으로 새로운 캘리브레이션 행렬을 계산한다.(S50)
한편, 추가적으로 관심 영역의 여러 감지 데이터의 위치를 현재의 파라미터로 구성된 캘리브레이션 매트릭스로 변환시키고, 그 변환된 위치를 영상으로 확인하면 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 차량에 설치된 카메라와 센서의 위치를 설명하기 위한 개략적인 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 카메라 캘리브레이션 수행 전 특정지점에 대한 좌표 및 기준범위를 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 카메라 캘리브레이션 수행 후 특정지점에 대한 좌표 및 기준범위를 도시한 개략도
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 데이터 로거의 제어블록도
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 카메라의 캘리브레이션을 수행하는 과정을 도시한 흐름도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 센서 20 : 카메라
30, 40 : 기준 범위

Claims (4)

  1. 특정 지점의 실좌표를 측정하는 단계;
    실좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;
    상기 실좌표계의 기준범위 좌표를 캘리브레이션 행렬로 변환하여 영상 좌표계의 기준범위 좌표를 설정하는 단계;
    상기 영상좌표계의 기준범위 좌표를 조정하여 카메라 캘리브레이션을 수행하는 단계;를 포함하되,
    상기 캘리브레이션 행렬은 하기 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 상기 특정 지점에 대한 실좌표 및 영상좌표와 상기 실좌표계의 기준범위에 해당하는 직사각형의 각 변의 길이와 상기 영상좌표계의 기준범위에 해당하는 사다리꼴의 각 변의 길이로 계산하는 카메라 캘리브레이션 방법.
    <수학식1>
    Figure 112012092566689-pat00012
    <수학식2>
    Figure 112012092566689-pat00013
    (초기에 사용자가 지정한 한 쌍의 점을 실좌표계에서 (xC,yC), 영상좌표계에서 (ixC,iyC)라 하고, 영상좌표계 기준범위의 각 변의 길이인 윗변(P1), 아랫변(P2) 및 높이(P3)를 각각 P1,P2,P3라 하고, 직사각형인 실좌표계 기준범위의 각 변의 길이를 Wx, Wy라고 하면, 캘리브레이션을 위해 필요한 4쌍의 데이터(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)와(ix1,iy1),(ix2,iy2),(ix3,iy3),(ix4,iy4)를 구할 수 있음.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 행렬은 상기 영상좌표계의 기준범위의 각 변의 길이를 조정하여 변경할 수 있는 카메라 캘리브레이션 방법.
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