KR101409802B1 - 3차원 3ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라인 카메라(Line Scan Camera)가 아닌 평면 카메라(Area Scan Camera)에 의해 획득된 컬러화상정보와 3차원 레이저 스캐너에 의해 스캐닝된 좌표값을 매핑하여 3차원 영상으로 모델링할 수 있는 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템에 관한 것이다.

Description

3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템{SYSTEM FOR ANALYSIS SPACE INFORMATION USING THREE DIMENSIONS 3D SCANNER}

본 발명은 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라인 카메라(Line Scan Camera)가 아닌 평면 카메라(Area Scan Camera)에 의해 획득된 컬러화상정보와 3차원 레이저 스캐너에 의해 스캐닝된 좌표값을 매핑하여 3차원 영상으로 모델링할 수 있는 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 우리나라의 지형측량은 평면위치(X,Y)만을 측량하고 토지의 높이는 관리하고 있지 않아 이원화된 위치정보체계로 운영되고 있다.

지형측량의 실시를 위해 도시 및 시골 구석구석까지 전국을 대상으로 수많은 지형기준점을 설치하여 관리하고 있지만, 표고정보를 제외한 평면위치만 성과를 산출 고시하고 있어 건설회사를 위한 일반측량 및 공공측량 등 다양한 분야에 활용되지 못하고 있는 실정이다.

한편, 이미지 기반의 사진측량 기술은 2차원 이미지 상에 존재하는 픽셀이 x,y,z의 3차원 공간상에 어떤 좌표값으로 표현되는지를 찾아내는 기술이다. 기본적인 원리는 삼각측량의 원리를 이용한 것인데, 촬영각도를 달리한 2장 이상의 사진을 종시차가 모두 소거된 상태의 영상인 공액영상으로 만들고, 이 두 개의 공액영상에서 동일한 지점을 표현하는 공액점을 영상정합을 통해 찾게 된다.

여기서, 영상정합(image matching)이란, 중복 촬영된 사진상에서 일치되는 점(point)이나, 선, 면 또는 객체를 찾아내는 과정을 말하며, 이러한 일치되는 것들을 찾아내면 그것들의 영상(映像) 상(上)의 좌표와 외부표정 요소를 활용하여 x,y,z의 3차원 공간상의 좌표를 계산할 수 있다.

이러한 영상정합 과정을 거쳐 얻어진 3차원 좌표값은 실세계의 위도, 경도, 고도로 변환되어 질 수 있는데, 이러한 사진측량 기술을 이용하여 기존에는 항공기등에 탑재된 카메라로부터 정밀한 수치지도를 제작하는데 활용되었다.

GPS/INS란 인공위성을 이용하여 위치를 결정하는 GPS와 각속도 운동 및 가속도 운동을 감지하는 관성 계측 장치와 항법 계산기를 포함하는 INS 장비를 결합한 장비로 INS의 센서 자체의 각종 오차와 양자화 오차 및 누적오차를 GPS를 통해 보정하는 시스템이다. 따라서, 이 장비는 장비가 장착된 이동체의 절대적인 위도, 경도, 고도의 위치와 자세정보를 제공해 준다.

최근에는 이러한 GPS/INS 장비에 사진측량장비를 차량 등의 지상 이동체에 장착하여, 이동체를 이동시키는 동안에 사진측량 장비로써 영상을 촬영하여, 촬영 시점에서의 이동체 위치와 자세정보를 기초값으로 하여 사진측량 장비인 카메라의 위치 및 자세를 계산하고, 이렇게 촬영된 2장 이상의 영상에서 영상 이미지 상의 특정 물체의 위치에 해당되는 공액점을 찾아서 해당 물체의 실제 위치를 파악하는 시스템이 개발되었다.

이와 같이 지상에서 이동이 가능한 이동체에 의해 지상의 영상을 촬영하는 측량 장비들은 기존 항공사진 등에서 얻어지기 힘들었던 지상의 소형 시설물들, 예를 들어 맨홀이나 소화전, 전신주 등의 정확한 좌표값을 수많은 인력의 동원 없이 간단하게 구축할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 지상 이동체에 탑재되는 사진측량 장비로서, 레이저 스캐너 장비가 널리 사용되고 있다.

레이저 스캐너 장비는 레이저와 이의 반사파를 받아들이는 리시버의 결합체로 레이저 펄스를 보내고 반사되어 돌아온 파의 도달시간과 강도를 측정하는 원리로 동작하는 것으로서, 이 때 도달시간은 레이저로부터 레이저 펄스를 반사시킨 물체의 거리를 나타낸다. 또한 레이저가 보내지는 각도를 알고 있기 때문에 레이저 스캐너와 반사체와의 상대적 위치를 계산할 수 있다. 이는 앞서 말한 GPS/INS장비로부터 얻어진 절대 좌표와 더해져 반사체의 절대 좌표를 취득하게 된다. 차량에 설치되는 스캐너는 상하로 빠르게 레이저를 보내고 받으며, 2차원적인 거리와 각도만을 취득하나, 이동체에 의해 이동되면서 3차원 공간상에 반사체의 절대좌표값을 취득하게 된다.

이러한 레이저 스캐너를 이용한 종래 기술로서, 대한민국 특허 공개번호 제2004-0035892호(2004.04.30.공개) "레이저 스캐너를 갖는 이동 차량의 공간 모델링 장치 및 이동차량의 레이저 스캐너 제어 방법" 및 대한민국 특허 등록번호 제0445428호(2004.08.25.공고) "시시디 라인카메라를 이용한 3차원 지형, 지물 모델의 텍스쳐 매칭 방법" 등이 개시되어 있으나, 전자는 라인 스캐너만으로 3차원 공간영상을 생성하기 때문에, 사실감 있는 영상을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 건물의 면(面)을 표현하는 색감 또는 패턴의 표현이 불가능하다는 단점이 있고, 후자는 수직 방향의 라인 영상을 획득하는 "CCD 라인 카메라"를 채용함으로써 레이저 스캐너에 의해 획득된 데이터(상하로 스캐닝된 데이터)와 영상 데이터의 텍스쳐 매핑을 간단하게 처리할 수 있도록 한 것으로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 스캐너에 의해 취득된 지형의 절대 좌표값을 취득하여 3차원 형상모델을 추출하고, 카메라에 의해 취득된 1차원 영상정보를 상기 3차원 형상모델의 시작점과 끝점에 맞도록 잘라서, 상기 3차원 형상모델에 텍스쳐링(texturing)하는 것이다. 그러나, 이러한 종래기술2는, 건물라인의 시작점과 끝점의 위치좌표만을 기준으로 해당 화상을 투영하기 때문에 사실감 있는 영상을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 차량에 장착된 라인 카메라의 특성상 차량의 진동에 의해 화상이 물결치듯 흔들려 보이는 문제점이 있어서 이를 위한 추가적인 보정을 하여야만 하는 문제가 여전히 남아 있다.

이러한 문제점을 일부 개선하기 위한 종래기술로 대한민국 특허 등록번호 제0800554호(2008.01.28.) "이동형 사진측량 시스템에서의 레이저 스캐너와 카메라영상정보를 이용한 3차원 모델링 방법"이 개시된 바 있다.

그러나 개선된 종래기술에 의한 상기 특허 등록번호 제0800554호(2008.01.28.)는 영상 정보와 레이저 데이터 정보를 융합하여 생성된 3 차원 모델의 각 지점에 텍스쳐를 매핑하는 하여야 하며, 텍스쳐 매핑에 많은 인력과 시간이 소요되는 문제가 남아 있다.

그러므로 3 차원 모델에 텍스쳐를 매핑하는데 소요되는 많은 인력과 시간을줄이도록 하는 기술의 개발 필요가 있다.

대한민국 특허 공개번호 제2004-0035892호(2004.04.30.공개) "레이저 스캐너를 갖는 이동 차량의 공간 모델링 장치 및 이동차량의 레이저 스캐너 제어 방법" 대한민국 특허 등록번호 제0445428호(2004.08.25.공고) "시시디 라인카메라를 이용한 3차원 지형, 지물 모델의 텍스쳐 매칭 방법" 대한민국 특허 등록번호 제0800554호(2008.01.28.) "이동형 사진측량 시스템에서의 레이저 스캐너와 카메라영상정보를 이용한 3차원 모델링 방법"

본 발명은 상술한 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 획득된 컬러화상정보와 3차원 레이저 스캐너에 의해 스캐닝된 좌표값을 매핑하여 3차원 영상으로 모델링할 수 있는 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 2차원 영상을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라와, GPS/INS 장비와, 2대의 제1,2 레이저 스캐너를 이동형 사진측량 장비에 탑재하되, 상기 카메라의 데이터 획득 중심 방향이 제1,2 레이저 스캐너의 스캐닝 각도의 중간방향과 동일한 방향이 되게 하여 이동형 사진측량 장비에 탑재하는 제1 단계; 상기 이동형 사진측량 장비가 이동하는 동안에 상기 레이저 스캐너에 의해 취득된 지형, 지물의 상대적 위치값과, GPS/INS장비로부터 얻어진 레이저 스캐너의 절대 좌표값을 이용하여 각 지형, 지물의 절대 좌표값을 취득하여 3차원 형상모델을 추출하는 제2 단계; 상기 이동형 사진측량 시스템이 이동하는 동안에 상기 카메라에 의해 획득된 2차원 영상을 촬영하고, 각 영상의 촬영순간의 카메라 절대좌표값 및 자세값(바라보는 각도)을 각각의 영상정보에 저장하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 카메라 절대좌표값 및 자세값, 상기 제2 단계의 레이저 스캐너의 절대좌표값을 동일 좌표계로 변환하고, 이 좌표계에 상기 제3 단계에서 획득된 2차원 영상과 상기 제2 단계에서 획득된 3차원 형상모델 정보를 융합하여, 상기 2차원 영상의 각 지점마다 3차원 절대좌표값을 부여하는 제4 단계; 객체 모형의 단순화를 위하여, 상기 제4 단계에 의해 융합된 데이터에서 원하는 좌표점들을 선택하거나 또는 2차원 영상에서 특정 지형물을 선택하고 단일 객체로 지정하여 3차원 객체를 생성하는 제5단계;로 이루어진 3차원 모델링 방법을 활용하여 공간정보 분석 시스템을 구현함에 있어서; 상기 제1,2 레이저 스캐너는 각각 제1,2 클램프를 통해 제1,2회동판 상에 클램핑되고, 상기 제1,2회동판은 각각 이동장비 상에 회전될 수 있도록 축 고정되며, 상기 제1,2회동판의 외주면에는 반경방향을 따라 치형이 형성되고, 상기 제1,2회동판의 외주면에 형성된 치형에는 제1,2래크기어가 각각 치결합되며, 상기 제1,2래크기어의 일단에는 'ㄱ'형상으로 절곡된 제1,2로드가 연결 고정되고, 상기 제1,2로드는 각각 제1,2방향전환실린더에 연결되며, 상기 제1,2방향전환실린더는 상기 이동장비 상에 고정되고, 상기 이동장비의 하부 양측에는 각각 제1,2높이조절실린더가 더 설치되며, 상기 제1,2높이조절실린더에는 각각 제1,2작동로드가 연결되고, 상기 제1,2작동로드의 하단에는 각각 제1,2레그가 상기 이동장비 내부로 인출입될 수 있도록 고정되며, 상기 제1,2레그의 하단면은 상측에 비해 넓은 삼각형상으로 형성되고, 상기 제1,2높이조절실린더 간의 거리 중간에는 디지털각도계가 더 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존에 영상과 레이저 데이터의 통합이 이루어 지지 않아 발생하였던 문제점을 해결하기 위해 영상과 레이저 데이터를 융합한 후 함께 사용하여 한번에 위치를 정의하고 이미지를 맵핑하여 후처리를 최소화 할 수 있다. 이로 인해 기존에 3차원 모델과 그 모델에 텍스쳐를 맵핑하기 위해 소요되었던 많은 인력 및 시간을 줄일 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 레이저 스캐너와 카메라 영상정보를 이용한 3차원 모델링 과정을 나타낸 설명도.
도 2는 본 발명에 따른 3D 레이저 스캐너 취득정보와 카메라 영상정보를 이용한 3차원 모델링 방법을 나타낸 설명도.
도 3은 3D 레이저 스캐너와 카메라를 이동식 측량시스템에 탑재한 상태를 도시한 사진.
도 4a 및 도 4b는 카메라에서 획득된 2차원 영상과 3D 레이저 스캐너에서 획득된 3차원 형상모델 정보를 융합하여, 2차원 영상의 각 지점마다 3차원 절대좌표값을 부여하는 방법을 설명하는 설명도.
도 5a 및 도 5b는 카메라에 의해 촬영된 2차원 영상정보와, 3차원 형상모델 정보를 융합한 상태를 예시적으로 도시한 그림.
도 6은 레이저 포인트를 3차원 공간상에서 선택한 결과를 설명하기 위한 설명도.
도 7은 선택된 레이저 포인트를 영상과 함께 표현한 그림.
도 8은 이미지상에서 3차원 모델을 만들고자 하는 객체에 투영된 3차원 포인트를 마우스로 드래그하여 선택한 상태도.
도 9는 도 7에서 선택된 포인트가 포함하는 부분만 추출한 이미지.
도 10은 선택된 포인트들이 이루는 객체 표면에 이미지로 바로 맵핑되어 3차원 상(上)에 객체로 표시된 예시적인 그림.
도 11은 3D 레이저 스캐너와 카메라를 탑재하는 다양한 방식을 예시적으로 도시한 그림.
도 12a 및 도 12b는 2대의 3D 레이저 스캐너를 이용하여 장애물로 인한 음영지역을 측량하는 방법을 나타낸 설명도.
도 13은 본 발명에 따른 추가 실시예를 보인 예시도.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 후술되는 선등록특허 제0800554호를 그대로 이용한다. 때문에, 이하 설명되는 장치 구성상 특징들은 모두 등록특허 제0800554호에 기재된 사항들이다.

다만, 본 발명은 상기 등록특허 제0800554호에 개시된 구성들 중 목적을 달성하기 위해 특정 구성 일부를 개선한 추가 실시예 부분이 가장 핵심적인 구성상 특징을 이룬다.

따라서, 이하 설명되는 장치 구성과 특징 및 작동관계는 상기 등록특허 제0800554호의 내용을 그대로 인용하기로 하며, 후단부에서 본 발명의 주된 특징과 관련된 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 스캐너와 GPS/INS장비에 의해 획득된 3차원 모델정보와, 카메라와 GPS/INS장비에 의해 획득된 2차원 영상정보를 동일한 지형 좌표계에서 융합하여 2차원 영상에 3차원 좌표값을 부여하는 데이터 융합단계와; 객체 모형의 단순화를 위하여, 융합된 데이터에서 원하는 좌표점들을 선택하거나 또는 2차원 영상에서 특정 지형물을 선택하여 단일 객체로 지정하여 3차원 객체를 생성하는 과정으로 이루어진다.

이와 같이 3차원 객체로 단순화된 데이터를 활용하면, 컬러 3차원 입체 모델링이 가능해지게 된다.

본 발명에서 차량을 이용한 이동식 측량시스템을 구성함에 있어서는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 3D 레이저 스캐너(20)의 상부에 카메라(10)를 얹거나, 또는 카메라(10)의 상부에 레이저 스캐너(20)를 얹어서 장착하며, 특히 카메라의 방향이 레이저 스캐너의 스캐닝 중심방향과 동일한 방향이 되도록 하여 탑재(제1 단계)하게 되는데, 이것은 카메라(10)와 스캐너(20)가 동일한 수직축(z축) 상에 위치하도록 함으로써, 카메라와 스캐너의 절대좌표값 중에서 수평 좌표값(x,y)을 사전에 미리 일치시킴으로써, 각 장비(카메라 및 스캐너)에 의해 획득된 정보의 절대좌표값 보정이 용이하도록 함과 동시에, 레이저 스캐너와 카메라가 바라보는 방향을 일치시킴으로써 스캐너가 반사체의 위치를 취득할 당시의 반사체 주변의 영상을 카메라로부터 취득함으로써 보다 정확하고 사실감 있는 영상을 획득하기 위한 것이다.

상기 종래기술에서도 언급되어 있듯이, 이동형 사진측량 장비(1)가 이동함에 따라 카메라 및 스캐너의 절대좌표와 촬영방향 및 스캔 방향을 알 수 있다.

아이엔에스(INS; Inertial Navigation System, 관성항법체계)를 이용한 항법은 관성항법이라 불리우는데, INS의 기본 기능은 감지, 계산, 출력 등이다. 가속도계와 자이로는 감지기능을 수행하며, 가속도와 각 회전량과 같은 관측값을 중앙처리장치(CPU)로 전송한다.

중앙처리장치(CPU)는 이 자료를 이용하여 속도와 위치, 자세, 자세변화율, 방향, 고도 등을 계산한다. 출력기능은 사용자의 목적에 맞게 적절한 자료를 출력하는 것이다. 위치나 속도를 결정하는데 이용되는 외부 항법장비들을 아이엔에스에 결합할 수 있다.

현재 이용되고 있는 관성항법체계는 크게 안정 지지대 방식과 묶음방식으로 나눌 수 있다. 과거에는 안정 지지대 방식이 주로 이용되었으나, 최근에는 묶음방식의 이용이 증가하고 있는 추세이다.

묶음 방식은, 탐측기가 일정한 표정요소를 갖도록 하는 안정 지지대를 갖는 안정 지지대 방식과는 달리, 탑재기의 외부표정요소를 일정하게 유지할 수 없기 때문에 컴퓨터에서 많은 연산(탑재기에 장착된 자이로의 출력값을 이용하여 탑재기 좌표계와 INS사이의 방향 여현 계산, 가속도계의 출력값을 국지좌표계인 관성항법좌표계로 변환하기 위하여 방향 여현 행렬을 이용하여 수평 및 수직 가속도 계산)을 수행해야 하는 단점이 있으나, 소형이고, 경량이며, 경제적인 측면을 고려할 때 이동식 측량시스템에 활용하기가 용이하다는 장점을 가지고 있다.

묶음 방식은 안정지지대 방식과는 다르게 자이로의 출력이 탑재기 좌표계를 기준으로 하여 발생하기 때문에 탑재기 좌표계를 기준좌표계로 변환해야 한다.

이러한 좌표변환방법에는 오일러방법(Euler method), 방향 여현 행렬법(Direction Cosine Matrix method), 4인수법(Quartenion method) 등이 있다. 3축의 각 회전량 변화율 p,q,r(좌우 회전각 변화율 p, 전후 회전각 변화율 q, 방향각 변화율 r)로부터 탑재기의 자세(오일러각)(Ψ,θ,Φ)는 일반적인 오일러변환이나 방향 여현행렬, 4인수 변환의 미분식을 적분하여 구할 수 있다.

그 중에서, 4인수법은 4인수에 관련된 식들이 선형으로 취급되며, 변환행렬을 구할 때 초월함수를 사용하지 않는다는 장점을 가지고 있기 때문에 현재 많이 사용되고 있다.

INS의 가속도계와 자이로센서의 신호에 의해 카메라 및 스캐너의 절대좌표와 촬영방향 및 스캔 방향을 연산하는 과정에 대해서는 일반적으로 알려져 있는 절차에 따라 이루어지는 과정이므로 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 2차원 영상을 촬영하는 카메라(10)와, GPS/INS 장비와, 레이저 스캐너(20)를 탑재한 이동형 사진측량장비(1)를 이동시키는 동안에, 상기 레이저 스캐너(20)와 카메라(10)는 설정조건에 따라 동작하게 되는데, 상기 레이저 스캐너(20)는 각각 지형, 지물의 상대적 위치값을 측정하고, 상기 카메라(10)는 2차원 영상을 반복적으로 촬영하게 된다.

이때, 중앙처리장치(CPU)는 상기 레이저 스캐너(20)에 의해 취득된 지형, 지물의 상대적 위치값과, GPS/INS장비로부터 얻어진 가속도, 각 회전량 등의 관측값을 이용하여 속도, 위치, 자세, 자세변화율, 방향 고도 등을 계산해 냄으로써, 각 지형, 지물의 절대 좌표값을 취득하여 3차원 형상모델을 추출한다(제2 단계).

이와 동시에, 상기 중앙처리장치(CPU)는 상기 카메라(10)에 의해 반복적으로 촬영되는 2차원 영상을 입력받아 왜곡부분을 보정하고, 또한 상기 INS/GPS장비로부터 얻어진 가속도, 각 회전량 등의 관측값을 이용하여 촬영순간의 카메라 위치정보와 카메라가 바라보는 방향정보를 상기 보정된 2차원 영상정보와 함께 DB에 저장한다.

상기 카메라(10)에 의해 촬영된 2차원 영상은, 피사체가 곡면형상이거나 또는 카메라의 방향에 대해 피사체가 비스듬한 각도로 위치한 경우, 또는 렌즈의 굴절 등이 원인이 되어 피사체의 형상이 일그러지게 보이는 "왜곡현상"이 발생되는데, 상기 중앙처리장치는 이와 같은 2차원 영상의 왜곡을 보정하는 기능을 수행하게 된다.

카메라(10)에 의해 촬영된 2차원 영상은 이미 많이 알려진 방법에 의해 그 왜곡이 제거될 수 있다.

그리고, 카메라에 의해 취득되어 왜곡이 제거된 각각의 영상정보는 해당 영상이 촬영된 순간의 카메라 절대좌표값 및 자세값(즉, 바라보는 각도)과 함께 저장된다(제3 단계).

다음 단계로서, 상기 제2 단계의 레이저 스캐너의 절대좌표값과, 상기 제3 단계의 카메라 절대좌표값 및 자세값을 실제 좌표계로 변환하고, 이 좌표계에 상기 제3 단계에서 획득된 2차원 영상과 상기 제2 단계에서 획득된 3차원 형상모델 정보를 융합하여, 상기 2차원 영상의 각 지점마다 3차원 절대좌표값을 부여하게 된다(제4 단계).

상기 제4단계의 과정을 보다 상세하게 설명하면, 스캐너에 의해 측량된 각 좌표점들은 이미 그 취득과정에서 각각의 절대좌표값을 가지고 있기 때문에, 도 4b에 도시된 바와 같이 이미지 상(上)에 그 위치를 투영할 수 있게 된다.

이 과정을 자세히 설명하면, 카메라의 내부표정요소(카메라 검정 정보와 렌즈 왜곡 보정자료)와 외부표정요소(카메라의 위치와 자세값)를 가지고 있을 경우, 사진측량이론 중 공선조건(collinearity condition)을 이용할 수 있다.

공선조건이란, 공간상의 임의의 점(Xp, Yp, Zp)과 그에 대응하는 사진 상의 점(x,y) 및 사진기의 촬영중심(Xo,Yo,Zo)이 동일 직선상에 있어야 하는 조건을 공선조건이라 하며, 사진기 투영중심과 P의 상점(像點) 및 대상물 사이에는 아래와 같은 수학식 1 및 수학식 2의 관계가 성립한다.

도 4a는 카메라와 레이저 포인트의 위치 및 투영중심과의 관계를 나타낸 그림으로서, O는 카메라의 촬영중심 좌표, P는 레이저 포인트의 위치, p는 이미지상의 레이저 포인트의 위치를 의미한다.

상기 수학식 1을 수학식 2에 대입하고, PO(레이저 포인트 좌표와 카메라의 촬영중심 좌표 사이의 거리)와 pO(이미지상의 레이저 포인트 위치와 카메라의 촬영중심 좌표 사이의 거리)의 비(比)를 S(축척계수(縮尺係數))라 하면, 다음 수학식 3과 같은 관계식이 성립된다.

상기 수학식 3으로부터 다음 수학식 4를 얻게 된다.

주점(主點)에서의 사진좌표[xp,yp :상좌표(x,y)가 사진기 검정값과의 차], X, Y, Z 좌표축에 대한 x,y,z축의 방향여현(方向餘弦; Direction cosine)을 R이라 하면 다음 수학식 5가 성립한다.

여기서, 상기 수학식 5의 기호 f는 카메라 렌즈의 초점거리를 의미한다.

이때, R를 R_ωφχ로

라 할 때(여기서, ω,ψ,χ는 카메라의 자세값을 나타냄), 최종적인 이미지 상(像)의 절대좌표는 수학식 6의 공선조건식에 의해 계산될 수 있다.

즉, 공간상의 임의의점인 절대좌표를 갖는 레이저 포인트가 사진상의 점인 투영된 레이저 포인트 좌표(x,y)로 변환이 가능한 것이다.

도 4b는 실제 좌표계에 2차원 영상과 3차원 형상모델 정보를 융합하는 원리를 간략하게 설명하는 설명도로서, 위에서 설명한 과정을 도식화한 그림이다.

이러한 과정을 거쳐 여러 개의 절대좌표를 갖는 레이저 포인트들이 영상 1장에 투영된다.

도 5a는 상기 제3단계에 의해 획득된 영상정보를 예시적으로 도시한 것이며, 도 5b는 상기 도 5a의 2차원 영상정보와, 3차원 형상모델 정보를 융합한 상태를 예시적으로 도시한 것이다.

도 5b에서 보라색의 사각형은 레이저 포인트가 투영된 이미지로, 상기 레이저 포인트는 각각의 절대좌표값을 갖으며, 이미지상의 해당 좌표의 절대좌표를 나타낸다.

위와 같은 방식에 의해, 상기 제3 단계에서 획득된 2차원 영상과 상기 제2 단계에서 획득된 3차원 형상모델 정보를 융합하여, 상기 2차원 영상의 각 지점마다 3차원 절대좌표값을 부여할 수 있게 되는 것이다.

나아가, 본 발명은 위에서 설명한 과정을 거쳐 생성된 객체모형을 단순화함으로써, 수치지도의 제작이나 시설물지도 제작, 사면이나 도로의 경사도 제작 혹은 해안선 조사등 레이저 데이터와 영상의 통합을 통해 효율적으로 활용할 수 있다.

이를 위하여, 상기 제4 단계에 의해 융합된 데이터에서 원하는 좌표점들을 선택하거나 또는 2차원 영상에서 특정 지형물을 선택하여 단일 객체로 지정하여 3차원 객체를 생성하는 과정(제5단계)을 거칠 수도 있다.

즉, 상기 제4단계에 의해 융합된 데이터에서, 3차원 상의 특정 레이저 포인트를 선택한다. 이를 위한 방법은 크게 레이저 포인트가 있는 3차원 공간상에서 레이저 포인트를 선택하는 방법과 영상에 매칭되어 있는 포인트를 선택하는 방법이 있다.

전자는 먼저 정면, 측면, 위에서 각각 포인트를 선택하는 방식을 취한다.

도 6은 레이저 포인트를 3차원 공간상에서 선택한 결과를 설명한 것으로서, 측면, 정면, 위에서 일반적인 마우스 드래그를 통해 3개의 방향에서 선택을 한다. 그러면, 선택된 객체는 도 6과 같은 결과를 보여준다. 그림(a)는 측면에서 본 선택된 레이저 포인트이고 그림(b)는 정면에서 본 선택된 포인트, 그림(C)는 위에서 본 선택된 포인트이다. 그림(d)는 선택된 laser point를 3차원으로 도시한 것이다.

도 7은 선택된 레이저 포인트를 영상과 함께 표현한 그림이다.

후자의 방식은 이미지에 투영된 3차원 포인트를 선택하는 방식으로서, 도 8은 이미지에 투영되어 있는 포인트를 선택하는 방법을 설명하기 위한 예시도면이다.

즉, 이미지상에서 3차원 모델을 만들고자 하는 객체에 투영된 3차원 포인트를 일반적인 마우스 드래그를 통해 선택한 상태가 도 8에 도시되어 있다. 도 8에서 보라색은 전체 포인트이며, 빨간색 포인트는 영상을 보고 선택한 포인트들이다.

이렇게 선택된 레이저 포인트와 이미지는 이후 과정에서 3차원 포인트들이 이루는 형태가 대부분 평면이나 원통 등 도형의 형태를 가지게 되므로, 3차원 객체로 변환할 수 있게 된다. 위의 예를 들면, 포인트가 도7에서 선택된 포인트나 도8에서 선택된 포인트가 대부분 평면을 이루고 있어서 그 포인트들을 대표하는 평면 객체를 만들고 그 객체에 해당 포인트가 포함하고 있는 이미지를 3차원 공간상에 표시할 수 있다.

도 9는 도 7에서 선택된 포인트가 포함하는 부분만 추출한 이미지이며, 이렇게 추출된 이미지는 도 7에서 보라색으로 나타낸 포인트들이 이루는 평면에 그대로 매핑이 된다. 즉, 도10에서와 같이 도 7에서 선택된 포인트들이 이루는 객체의 표면에 이미지로 바로 맵핑이 되어 3차원 상에 객체로 표시를 할 수 있다.

지금까지, 하나의 스캐너와 하나의 카메라를 탑재한 경우를 기준으로 하여 본 발명에 의한 3차원 입체 모델링 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 11의 그림(a)에 도시된 바와 같이, 하나의 스캐너와 하나의 카메라를 장착하였을 때 레이저 스캐너의 스캔 범위에 비해 카메라의 촬영 범위(상하방향의 촬영각도)가 좁은 경우가 있는데, 이 경우에는 도 11의 그림(b)에 도시된 바와 같이 두 대의 카메라(10a)(10b)를 설치하여 레이저 스캐너의 상하 스캐닝 영역을 포함하도록 구성하여, 본 발명에 의한 모델링 방법을 적용할 수도 있다.

이러한 실시예를 구현하기 위하여 별도의 추가적인 프로세스가 요구되는 것은 아니며, 다만, 처리해야 할 영상의 수(數)가 많아지고, 어떤 영상을 선택할 것인지에 대하여 작업자의 선택과정만이 추가될 뿐이다. 아래에서 설명되겠지만, 일단 하나의 카메라에 의해 획득된 영상정보를 기준으로 모델을 구축한 후, 음영지역이나 기타 필요에 따라 다른 카메라에 의해 획득된 영상정보를 이용해서 보완작업을 수행하게 된다.

나아가, 본 발명은 도로변의 주차 차량, 나무, 불법 적재물 등과 같은 장애물로 인하여 측량(촬영)하고자 하는 대상 지형지물이 정상적으로 측량(촬영)되지 못하는 문제를 해결하기 위하여, 2대 이상의 레이저 스캐너(20a,20b)를 각각 스캐닝 방향이 다르게 하여 이동장비(1)에 장착함으로써, 도 12a 및 도 12b에 도시한 바와 같이, 어느 하나의 레이저 스캐너가 장애물에 의해 측량(촬영)하지 못한 음영지역(음영부)를, 스캐닝 방향이 다르게 탑재된 제2의 레이저 스캐너에 의해 측량(촬영)이 가능하게 된다.

이 경우, 제1 레이저 스캐너(20a)의 스캐닝 방향과 동일한 방향을 촬영하는 제1 카메라를 상기 제1 레이저 스캐너(20a)와 함께 하나의 조립체(set)(제1 조립체)로 구성하고, 제2 레이저 스캐너(20b)의 스캐닝 방향과 동일한 방향을 촬영하는 제2 카메라를 상기 제2 레이저 스캐너(20b)와 함께 또 다른 하나의 조립체(set)(제2 조립체)로 구성하면, 더욱 정교한 3차원 모델을 구현할 수 있다.

이 경우, 제1 조립체와 제2 조립체에서 각각 취득된 데이터들 중에서 어느 것을 사용할 것인지를 판단하는 과정은 작업자의 선택에 의해 이루어지는 것으로서, 이러한 판단작업이 매번 빈번하게 필요한 것이 아니고, 어느 하나의 조립체를 기준으로 작업을 진행하되, 장애물로 인한 음영부가 발생된 경우에만 다른 조립체에 의해 취득된 데이터를 활용하면 된다.

본 발명에 따른 추가 실시예는 상술한 구성을 그대로 포함하되, 특히 2대 이상의 레이저 스캐너, 즉 제1, 2 레이저 스캐너(20a,20b)를 구비하여 서로 다른 스캐닝 영역을 갖도록 하는 경우 2대 이상의 제1, 2 레이저 스캐너(20a,20b)의 방향 전환을 보다 원활하면서 용이하게 할 수 있도록 도 13과 같은 방향전환안내수단을 더 구비할 수 있다.

즉, 본 발명에 따라 추가 실시된 방향전환안내수단은 도 13에 예시된 바와 같이, 제1, 2 레이저 스캐너(20a, 20b)는 각각 제1, 2 클램프(100, 110)를 통해 제1, 2회동판(200, 210) 상에 클램핑되고, 상기 제1, 2회동판(200, 210)은 각각 이동장비(1) 상에 회전될 수 있도록 축 고정된다.

이때, 상기 제1, 2회동판(200, 210)의 외주면에는 반경방향을 따라 치형이 형성되는데, 이를 테면 상기 제1, 2회동판(200, 210) 자체가 일종의 피니언기어가 된다.

그리고, 상기 제1, 2회동판(200, 210)의 외주면에 형성된 치형에는 제1, 2래크기어(300, 400)가 각각 치결합된다.

또한, 상기 제1, 2래크기어(300, 400)의 일단에는 제1, 2로드(310, 410)가 연결 고정되는데, 상기 제1, 2로드(310, 410)는 상기 제1, 2회동판(200, 210)과의 간섭을 회피하기 위해 대략 'ㄱ'형상으로 절곡 형성됨이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 제1, 2로드(310, 410)는 각각 제1, 2방향전환실린더(320, 420)에 연결된다.

따라서, 상기 제1, 2방향전환실린더(320, 420)를 전후진시키는 것에 의해 상기 제1, 2 레이저 스캐너(20a, 20b)의 방향을 서로 다르게 조절할 수 있다.

다시 말해, 제1, 2방향전환실린더(320, 420)로부터 출몰되는 제1, 2로드(310, 410)의 출몰길이를 서로 다르게 조절함으로써 제1, 2회동판(200, 210)의 회전각도를 조절할 수 있으므로 결국 제1, 2 레이저 스캐너(20a, 20b)의 방향으로 임의로 자유롭게 조절할 수 있게 된다.

이때, 상기 제1, 2방향전환실린더(320, 420)는 상기 이동장비(1) 상에 고정된다. 고정되는 방향은 측방에 고정될 수도 있고, 상방에 고정될 수도 있는데, 이는 이동장비(1)의 사용방향에 따라 달라질 수 있다.

또한, 상기 제1, 2 레이저 스캐너(20a, 20b)를 단순히 각도 조절하는 것에 더하여, 상기 이동장비(1) 자체의 각도를 조절하게 더 구성함으로써 스캐너의 활용폭을 더욱 더 넓힐 수 있다.

이를 위해, 상기 이동장비(1)의 하부 양측에는 각각 제1, 2 높이조절실린더(500, 600)가 설치되고, 상기 제1, 2 높이조절실린더(500, 600)에는 각각 제1, 2작동로드(510, 610)가 연결된다.

그리고, 상기 제1, 2작동로드(510, 610)의 하단에는 상기 이동장비(1) 내부로 인출입되는 제1, 2레그(520, 620)가 각각 고정되는데, 상기 제1, 2레그(520, 620)의 하단면은 상측에 비해 넓은 삼각형상이 되게 함으로써 고정 안정성을 높이도록 구성된다.

특히, 상기 제1, 2높이조절실린더(500, 600) 간의 거리 중간에는 디지털각도계(700)가 설치되어 수평잡기는 물론 기울어진 경사각까지 정확하게 계측할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 기울어진 경사각을 계측하고 분석한 값을 도면에 상세히 도시되지 않은 해당 제어부가 이용하므로 수평잡기를 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 이동장비(1) 전체의 운용상태를 제어하고 감시하는 해당 제어부가 감시하고 출력하는 해당 제어신호에 의하여 제1, 2 높이조절실린더(500, 600)의 구동이 제어될 수 있고, 제1, 2 방향전환실린더(320, 420)의 구동이 제어될 수 있으며 상세히 설명하지 아니한 구동부의 동작이 제어될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 추가 실시 예는 제1, 2 레이저 스캐너(20a, 20b)가 서로 다른 방향으로 바라보게 조절하여 중첩되지 않게 함으로써 사용범위를 넓히고, 사용하기도 쉽도록 하여 줌은 물론 측량에 필요한 기본 정보들을 정확하게 취득할 수 있도록 하여 주는 장점이 있다.

100: 제1클램프 110: 제2클램프
200: 제1회동판 210: 제2회동판
300: 제1래크 400: 제2래크
500: 제1높이조절실린더 600: 제2높이조절실린더

Claims (1)

1. 2차원 영상을 촬영하는 제1,2의 카메라와, GPS/INS 장비와, 제1,2 레이저 스캐너를 이동형 사진측량 장비에 탑재하되, 상기 제1,2 카메라의 데이터 획득 중심 방향이 각각 상기 제1,2 레이저 스캐너의 스캐닝 각도의 중심방향과 동일한 방향이 되게 하여 이동형 사진측량 장비에 탑재하는 제1 단계; 상기 이동형 사진측량 장비가 이동하는 동안에 상기 레이저 스캐너에 의해 취득된 지형, 지물의 상대적 위치값과, GPS/INS장비로부터 얻어진 레이저 스캐너의 절대 좌표값을 이용하여 각 지형, 지물의 절대 좌표값을 취득하여 3차원 형상모델을 추출하는 제2 단계; 상기 이동형 사진측량 시스템이 이동하는 동안에 상기 카메라에 의해 획득된 2차원 영상을 촬영하고, 각 영상의 촬영순간의 카메라 절대좌표값 및 자세값(바라보는 각도)을 각각의 영상정보에 저장하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 카메라 절대좌표값 및 자세값, 상기 제2 단계의 레이저 스캐너의 절대좌표값을 동일 좌표계로 변환하고, 이 좌표계에 상기 제3 단계에서 획득된 2차원 영상과 상기 제2 단계에서 획득된 3차원 형상모델 정보를 융합하여, 상기 2차원 영상의 각 지점마다 3차원 절대좌표값을 부여하는 제4 단계; 객체 모형의 단순화를 위하여, 상기 제4 단계에 의해 융합된 데이터에서 원하는 좌표점들을 선택하거나 또는 2차원 영상에서 특정 지형물을 선택하고 단일 객체로 지정하여 3차원 객체를 생성하는 제5단계;의 방법으로 운영되는 3차원 3D 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템에 있어서;
   상기 제1,2 레이저 스캐너는 각각 제1,2 클램프를 통해 제1,2회동판 상에 클램핑되고, 상기 제1,2회동판은 각각 이동장비 상에 회전될 수 있도록 축 고정되며, 상기 제1,2회동판의 외주면에는 반경방향을 따라 치형이 형성되고, 상기 제1,2회동판의 외주면에 형성된 치형에는 제1,2래크기어가 각각 치결합되며, 상기 제1,2래크기어의 일단에는 'ㄱ'형상으로 절곡된 제1,2로드가 연결 고정되고, 상기 제1,2로드는 각각 제1,2방향전환실린더에 연결되며, 상기 제1,2방향전환실린더는 상기 이동장비 상에 고정되고, 상기 이동장비의 하부 양측에는 각각 제1,2높이조절실린더가 더 설치되며, 상기 제1,2높이조절실린더에는 각각 제1,2작동로드가 연결되고, 상기 제1,2작동로드의 하단에는 각각 제1,2레그가 상기 이동장비 내부로 인출입될 수 있도록 고정되며, 상기 제1,2레그의 하측은 하단면이 상단면에 비해 넓은 삼각형상으로 형성되고, 상기 제1,2높이조절실린더 간의 거리 중간에는 디지털각도계가 더 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 3Ｄ 스캐너를 활용한 최적의 공간정보 분석 시스템.
   
   

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