[논문]스테레오 카메라와 측정에 의한 3D 대상체 포인트 클라우드의 불규칙 삼각 매싱 기반 체적 계산

이영대; 조성윤; 김경; 이동규

doi:10.7236/jiwit.2012.12.4.153

[국내논문] 스테레오 카메라와 측정에 의한 3D 대상체 포인트 클라우드의 불규칙 삼각 매싱 기반 체적 계산
The Stereo Camera Measurement of Point Cloud on 3D Object and the Calculation of Volume Based on Irregular Triangular Mesh 원문보기

한국인터넷방송통신학회 논문지 = The journal of the Institute of Internet Broadcasting and Communication, v.12 no.4, 2012년, pp.153 - 159

이영대 (안양대학교 디지털멀티미디어 학과) , 조성윤 (안양대학교 디지털멀티미디어 학과) , 김경 (안양대학교 환경공학과) , 이동규 (한북대학교 컴퓨터정보학과)

초록
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안전하고 쾌적한 도시 환경을 조성하기 위해 폐기물 매립 시설은 필요하며 폐기물 부피 관리의 신뢰성 및 용량 정보의 정확성을 파악하는 것이 필요하다. 이 논문에서는 쓰레기 매립의 표준화를 위한 일환으로 쓰레기 체적을 주기적으로 계산하는 알고리즘을 제시하였다. 스테레오 카메라 캘리브레이션 이후에 대상체의 표면에 대한 포인트 클라우드(point cloud)를 얻을 수 있었으며 이것을 물체의 체적 계산 알고리즘의 입력으로 선택하였다, 비균일 삼각 격자 기반 메싱(non-uniform triangular meshing) 방법에 기초한 두 개의 체적 계산 알고리즘을 제안하였으며 알고리즘의 타당성을 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 입증하였다. 제시된 알고리즘은 쓰레기 매립의 체적 계산 뿐 만이 아니라 삼차원 객체의 일반적인 체적 계산을 위한 알고리즘으로도 사용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the construction of safe and clear urban environment, it is necessary that we identify the rubbish waste volume and we know the accuracy volume. In this paper, we proposed the algorithm computes the waste volume periodically for the way of waste repository standard. After stereo camera calibration, we obtained the point cloud on the surface of the object and took this as the input of the calculation algorithm of the object volume. We proposed the volume calculation algorithms based on the non-uniform triangular meshing methods and verified the validity of the algorithm through simulation and real experiments. The proposed algorithm can be used not only as the volume calculation of the waste repository but also as the general volume calculation of a three dimensional object.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

즉 매립상황인식 통합플랫폼을 통해 ‘폐기물 매립 용량정보 신뢰성’, ‘실시간 환경정보 계측 및 사후관리’, ‘폐기물 반입·매립 업무를 위한 혁신기술 개발’, ‘국제적 위상과 수준에 적합한 환경정책 지원수단 제공’ 등 다양한 요구와 필요에 부응하기 위한 핵심 기술이 3차원 매립형상 정보관련 기술이다. 본 연구는 대기 및 수질 등의 환경정보 측정 및 관리(TMS) 현황에 비해 상대적으로 체계화 되지 못한 폐기물 매립지의 형상 및 용량 변화관리를 위한 3차원 매립형상정보체계를 구현하는 것을 목표로 한다^[4].
본 연구에서는 쓰레기 매립장 환경 개선을 위해 매립된 쓰레기의 체적을 스테레오 비전 카메라를 이용하여 계산하고 매립량을 계산하기 위한 알고리즘을 개발 하였다. 스테레오(stereo)) 카메라를 이용하여 왜곡 파라메타교정을 하고 교정된 이미지를 통해 쓰레기 매립지의 대상 표면 점들의 클라우드를 얻을 수 있었다.

제안 방법

쓰레기 매립량을 측정하기 위한 스테레오(stereo) 카메라 시스템을 제작하여 사용하였으며 먼저 카메라 캘리브레이션을 통해 왜곡된 측정값을 교정한 다음 측정하고자 하는 쓰레기 매립장의 쓰레기 표면점들의 클라우드(cloud)를 얻게 된다. 다음에 이들 점들에 대해 기준좌표로의 변환을 행하며 변환한 좌표상에서 제시된 방법에 따라 체적 계산을 행하게 된다.
개발을 위해 OpenCV라는 개방형 컴퓨터 비전 라이브러리를 이용하며 표면 재구축을 위해서 사용하였으며 Visual C++에서 OpenCV와 MS사의 MFC를 이용하여 전체적인 알고리즘을 작성하였다. 본 제품에서는 일반적으로 스테레오형 카메라를 구입 시 이미 캘리브레션된 삼차원 좌표점 들의 데이터로 나오므로 스테레오 카메라 캘리브레이션이 필요없지만 고가이고 원거리 측정에 필요한 사양을 가지고 있지 않아서 스테레오 카메라를 직접 제작하여 사용하기로 한다.
개발을 위해 OpenCV라는 개방형 컴퓨터 비전 라이브러리를 이용하며 표면 재구축을 위해서 사용하였으며 Visual C++에서 OpenCV와 MS사의 MFC를 이용하여 전체적인 알고리즘을 작성하였다. 본 제품에서는 일반적으로 스테레오형 카메라를 구입 시 이미 캘리브레션된 삼차원 좌표점 들의 데이터로 나오므로 스테레오 카메라 캘리브레이션이 필요없지만 고가이고 원거리 측정에 필요한 사양을 가지고 있지 않아서 스테레오 카메라를 직접 제작하여 사용하기로 한다.
개발을 위해 OpenCV^[6]라는 개방형 컴퓨터 비전 라이브러리와 OpenGL이라는 컴퓨터 그래픽 API를 이용하며 표면 재구축 및 체적 계산을 위해서 사용하였으며 Visual C++에서 MFC와 OpenCV를 이용하여 전체적인 알고리즘을 작성하였으며 스테레오 캘리브레이션 알고리즘을 통해 켈리브레이션 파라메타를 추출할 수 있었다^[8].
스테레오 카메라를 고정해 체적이 알려진 2종의 직육면체 상자에 대한 스테레오 사진을 찍어 포인트 클라우드를 구한 후 불균일 삼각 메시 모델을 하였다. 먼저 아래 박스가 있는 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 1개의 박스에 대한 체적을 사진 측량하여 제시한 체적 계산 알고리즘으로 계산해보았으며 자로 측정한 결과와 비교해보았다.
스테레오 카메라를 고정해 체적이 알려진 2종의 직육면체 상자에 대한 스테레오 사진을 찍어 포인트 클라우드를 구한 후 불균일 삼각 메시 모델을 하였다. 먼저 아래 박스가 있는 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 1개의 박스에 대한 체적을 사진 측량하여 제시한 체적 계산 알고리즘으로 계산해보았으며 자로 측정한 결과와 비교해보았다. 다음에 작은 박스를 처음 박스위에 놓고 사진 측량을 하여 포인트 클라우드를 구한 후 불균일 삼각 매시를 하여 체적 계산 알고리즘을 행하였다.
먼저 아래 박스가 있는 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 1개의 박스에 대한 체적을 사진 측량하여 제시한 체적 계산 알고리즘으로 계산해보았으며 자로 측정한 결과와 비교해보았다. 다음에 작은 박스를 처음 박스위에 놓고 사진 측량을 하여 포인트 클라우드를 구한 후 불균일 삼각 매시를 하여 체적 계산 알고리즘을 행하였다.
포인트 클라우드를 체적 알고리즘의 입력으로 하여 제시된 방법의 체적계산 알고리즘을 통해 대상체의 체적을 계산하게 된다. 그리고 이 부피 값과 비교하고자 하는 지난 시간의 체적 값(예, 전일 체적 등)을 감산하여 매립된 체적을 계산한다.
포인트 클라우드를 체적 알고리즘의 입력으로 하여 제시된 방법의 체적계산 알고리즘을 통해 대상체의 체적을 계산하게 된다. 그리고 이 부피 값과 비교하고자 하는 지난 시간의 체적 값(예, 전일 체적 등)을 감산하여 매립된 체적을 계산한다. 이를 통해 주간 매립 체적, 월간 매립 체적 및 년간 매립 체적을 계산하여 쓰레기 매립 제어를 위한 정량적인 통계값을 얻을 수 있게 된다.

데이터처리

(b) 다음에 선택한 격자들을 기준면상에 표시한다. 이를 위해 각 격자들의 중심에 대해 평균 높이를 계산한다. 불균일한 삼각형(TIN, Triangular Irregular Network)수가 많은 경우에 기준면의 면적에 대해 평균높이를 곱해 전체 체적을 계산한다.

성능/효과

실제 체적을 계산하기 전에 수학적인 체적 모델을 만들어 제시된 알고리즘의 성능을 비교해본 결과 격자(mesh) 크기에 대해 제시된 알고리즘 들이 비슷한 계산 성능을 보였으며 이는 제시된 방법의 타당성을 보여준다. 또한 가상의 박스 매립물에 대한 실제 실험으로도 제시된 체적계산 방법이 유효함을 보였다.
실제 체적을 계산하기 전에 수학적인 체적 모델을 만들어 제시된 알고리즘의 성능을 비교해본 결과 격자(mesh) 크기에 대해 제시된 알고리즘 들이 비슷한 계산 성능을 보였으며 이는 제시된 방법의 타당성을 보여준다. 또한 가상의 박스 매립물에 대한 실제 실험으로도 제시된 체적계산 방법이 유효함을 보였다.
결과적으로 큰 상자인 경우의 체적오차는 3.9%이고 작은 상자인 경우는 3.86%로 나타났으면 이는 공학적으로 허용 가능한 측량 범위(약5%)이내에 들어가는 것으로 제시된 스테레오 사진 측량에 의한 체적 계산이 타당함을 의미한다.

후속연구

본 연구를 통하여 매립지의 효율적인 운영과 불법적인 매립을 방지하고 나아가 매립지에서의 체계적인 온실가스(메탄, 이산화탄소 등)인벤토리구축을 위한 객관적인 database 구축에 근간으로 활용될 수 있다고 판단된다^[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안전하고 쾌적한 도시 환경을 조성하기 위해 파악해야 하는 것은 무엇인가?	안전하고 쾌적한 도시 환경을 조성하기 위해 폐기물 매립 시설은 필요하며 폐기물 부피 관리의 신뢰성 및 용량 정보의 정확성을 파악하는 것이 필요하다. 이 논문에서는 쓰레기 매립의 표준화를 위한 일환으로 쓰레기 체적을 주기적으로 계산하는 알고리즘을 제시하였다.
	폐기물 반입, 매립에 따른 매립형상관리를 실시간을 기반으로 시스템화하는 것은 무엇을 의미하는가?	폐기물 반입, 매립에 따른 매립형상관리를 실시간을 기반으로 시스템화하는 것은 매립상황인식 통합플랫폼의 3차원 매립형상 모델을 개발하는 것을 의미함. 즉 매립상황인식 통합플랫폼을 통해 ‘폐기물 매립 용량정보 신뢰성’, ‘실시간 환경정보 계측 및 사후관리’, ‘폐기물 반입·매립 업무를 위한 혁신기술 개발’, ‘국제적 위상과 수준에 적합한 환경정책 지원수단 제공’ 등 다양한 요구와 필요에 부응하기 위한 핵심 기술이 3차원 매립형상 정보관련 기술이다.
	포인트 클라우드를 체적 알고리즘의 입력으로 하여 제시된 방법의 체적계산 알고리즘을 통해 대상체의 체적을 계산하고 부피 값과 비교하고자 하는 지난 시간의 체적 값을 감산하여 매립된 체적을 계산하여 얻을 수 있는 것은?	그리고 이 부피 값과 비교하고자 하는 지난 시간의 체적 값(예, 전일 체적 등)을 감산하여 매립된 체적을 계산한다. 이를 통해 주간 매립 체적, 월간 매립 체적 및 년간 매립 체적을 계산하여 쓰레기 매립 제어를 위한 정량적인 통계값을 얻을 수 있게 된다.

참고문헌 (21)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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