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도시 구조물 분류를 위한 3차원 점 군의 구형 특징 표현과 심층 신뢰 신경망 기반의 환경 형상 학습
Spherical Signature Description of 3D Point Cloud and Environmental Feature Learning based on Deep Belief Nets for Urban Structure Classification 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.11 no.3, 2016년, pp.115 - 126  

이세진 (Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University) ,  김동현 (Department of Computer Science, Kennesaw State University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper suggests the method of the spherical signature description of 3D point clouds taken from the laser range scanner on the ground vehicle. Based on the spherical signature description of each point, the extractor of significant environmental features is learned by the Deep Belief Nets for th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 방법은 국부적인 점 군의 주된 특징은 잘 표현할 수 있는 반면 상대적으로 약한 정보들은 손실될 수밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 기본적으로 단일점이 중심점이 되는 단위 구의 표면을 격자화 시킨 후 주변의 다른 점들을 이용하여 베이지안 업데이팅(Bayesian updating) 모델 기반의 점유 증거를 누적시킴으로써 그 특징을 모두 표현하고자 한다.
  • 4장에서는 환경 형상 학습 방법에 대해 설명하며 5장에서는 실험 데이터 기반의 시뮬레이션 결과를 분석해본다. 마지막으로, 결론에서는 본 연구의 결과가 갖는 의미와 추후 연구 주제에 대해 고찰하고자 한다.
  • 본 논문에서 사용된 검증을 위한 테스트 데이터 세트는 학습을 위한 데이터 세트와 구분하여 사용하였다고는 하나 동일한 장소에서 측정된 전체 점 군 데이터 내에서 생성하였기 때문에 다른 장소에서 측정한 데이터를 테스트 데이터 세트로 사용하여 본 논문에서 제안한 방법에 대한 신뢰도를 추후 재확인 해 보고자 한다.
  • 본 논문에서는 센서 데이터의 형상 분류를 위해 크게 구형 특징 표현과 환경 형상 학습, 이렇게 두 부분으로 나누어 설명하고자 한다. 첫째, 구형 특징 표현에서는 레이저 스캐너로 측정된 3차원 점 군의 단일 점에 대한 형상학적 정보를 직관적으로 서술할 수 있는 방법을 제안한다.
  • 둘째, 환경 형상 학습에서는 이렇게 형상화된 구형 특징 표현 결과들을 입력 값으로 하는 기계 학습의 한 종류인 심층 신뢰 네트워크(Deep Belief Networks)[7]를 사용하여 구형 특징 표현에 대한 환경 형상을 학습시킨다. 본 논문에서는 실험 데이터 기반의 시뮬레이션 결과를 통해 제안하고자 하는 센서 데이터의 형상 분류법에 대한 성능 검증 및 타당성을 증명하고자 한다.
  • 본 연구에서는 기존의 연구자가 직접 모델링하는 방식의 수작업 형상 추출법(Hand crafted feature extractor) 대신에 기계 학습의 한 종류인 심층 신뢰 네트워크(Deep Belief Nets)를 사용함으로써 데이터의 물체 분류 성공률을 최대화 시키고자 함에 그 의미를 두고 있다.
  • 계층 간에는 연결이 있지만 계층 내의 유닛(Unit)간에는 연결이 없다는 특징이 있다. 심층 신뢰 신경망(DBN)에 관한 내용은 [16, 17]에 자세히 기술되어 있으므로 본 논문에서는 중요한 사항만 다음과 같이 요약하고자 한다.
  • 그 중에서 대표적인 것이 에퍽(epoch)의 횟수, 배치(batch) 개수, 은닉층의 개수, 은닉층의 노드(Node) 개수 등이 있다. 이 중에서 우선 은닉층 노드의 개수에 따른 분류 성공율의 변화를 살펴본다. 이를 위해 은닉층은 2개의 층으로 하였으며 첫 번째 층과 두 번째 층의 노드 개수는 동일하게 설정하였다.
  • 이러한 인공 지능의 발전에 의해 사회 및 문화적 패러다임의 변화가 지금부터 시작될 것이라고 사료된다. 이러한 기류에 발맞추어 본 논문에서는 무인 이동 로봇의 자율 주행을 위한 기계 학습 기술을 기반으로 하는 새로운 환경 인식 및 분류 방법을 제안하고자 한다.
  • 본 장에서는 3장에서 설명한 구형 특징 표현 데이터를 입력 값으로 하여 심층 신뢰 회로망(Deep belief networks)을 통해 환경 형상 정보를 학습시키고자 한다. 특히 도시 환경에서 측정된 거리 데이터를 사용함으로써 야외 환경에서 주된 형상이 될 수 있는 지면, 벽면, 차량, 나무 등에 대한 강인한 형상 추출자를 학습시키고자 한다.

가설 설정

  • 이 사각뿔 끝 꼭지점은 단일 점 τ에 위치해 있으며 해당 패치를 포함하고 있는 형태로 밑면은 무한대의 거리에 의한 것이라고 가정할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무인 이동 로봇이 직접적으로 물체의 종류측정을 하기 어려운 이유는 무엇인가? 2005년 다르파 그랜드 챌린지(DARPA Grand Challenge)에서 우승한 스텐포드(Stanford) 대학의 스텐리(Stanley)[4]나 최근의 구글 자동차(Google Car)가 그 대표적인 예가될 것이다. 이러한 센서에 의해 제공되는 데이터는 단순히 물체의 존재 여부, 즉 공간적인 점유에 대한 정보만을 제공하기 때문에 무인 이동 로봇은 거리 측정 데이터 자체만으로 어떤 종류의 물체에서 측정되었는지를 직접적으로 판단하기 매우 어렵다. 따라서 환경 지도 생성에서 단순히 주변 환경의 지형/지물을 표현하는 것뿐만 아니라 지형/지물의 종류를 인식하는 것이 무엇보다도 중요하다[5].
무인 이동 로봇이 자율 주행을 성공적으로 수행하기 위해서는 무엇이 필요한가? 무인 이동 로봇이 자율 주행을 성공적으로 수행하기 위해서는 주변 환경을 강인하게 인지 및 분류할 수 있어야 하고 이를 위해서는 근본적으로 물체에 대한 형상학적 정보를 잘 표현할 수 있어야 한다[3]. 이러한 기능이 잘 뒷받침될 때, 위치 추정, 경로 계획, 장애물 회피, 그리고 의미 지도 작성 등의 무인 자율 주행 기술의 기본적인 기능들이 원만하게 수행될 수 있다.
GPU 와 같은 장비의 발달로 인해 현실에서 어떤 역사적인 순간을 맞이하게 되었는가? GPU 와 같은 장비의 발달로 인해 컴퓨터의 계산 속도가 빨라짐에 따라 기계 학습 모델의 학습 속도 또한 더불어 급속도로 향상되고 있다[1]. 결국 구글 딥마인드 알파고(Google DeepMind AlphaGo)[2]의 인공 지능이 이세돌 9단과의 바둑 대국에서 5전 4승을 거두는 역사적인 순간을 우리는 맞이하게 되었다. 이러한 인공 지능의 발전에 의해 사회 및 문화적 패러다임의 변화가 지금부터 시작될 것이라고 사료된다.
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참고문헌 (17)

  1. A. Krizhevsky, I. Sutskever, and G.E. Hinton, "ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks," NIPS, 2012. 

  2. D. Silver, A. Huang, C.J. Maddison, A. Guez, L. Sifre, G. van den Driessche, J. Schrittwieser, I. Antonoglou, V. Panneershelvam, M. Lanctot, S. Dieleman, D. Grewe, J. Nham, N. Kalchbrenner, I. Sutskever, T. Lillicrap, M. Leach, K. Kavukcuoglu, T. Graepel, and D. Hassabis, "Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search," Nature 529, pp. 484-489, January, 2016. 

  3. Sejin Lee, Dong-Woo Cho, and Jae-Bok Song, "Novel Sonar Salient Feature Structure for Extended Kalman Filter-Based Simultaneous Localization and Mapping of Mobile Robots," Advanced Robotics, vol. 26, no. 8-9, pp. 1055-1074, July 2012. 

  4. S. Thrun, M. Montemerlo, H. Dahlkamp, D. Stavens, A. Aron, J. Diebel, P. Fong, J. Gale, M. Halpenny, G. Hoffmann, K. Lau, C. Oakley, M. Palatucci, V. Pratt, P. Stang, S. Strohband, C. Dupont, L. Jendrossek, C. Koelen, C. Markey, C. Rummel, J. van Niekerk, E. Jensen, P. Alessandrini, G. Bradski, B. Davies, S. Ettinger, A. Kaehler, A. Nefian, and P. Mahoney, "Stanley: The robot that won the DARPA Grand Challenge," Journal of Field Robotics, vol. 23, no. 9, pp. 661-692, September 2006. 

  5. Seunguk Ahn, Yungeun Choe, and Myung Jin Chung, "Fast Scene Understanding in Urban Environments for an Autonomous Vehicle equipped with 2D Laser Scanners," Journal of Korea Robotics Society, vol. 7, no. 2, pp. 92-100, June 2012. 

  6. Sejin Lee, Byung-Jae Park, Jong-Hwan Lim, Wan-Kyun Chung, and Dong-Woo Cho, "Grid Map Building through Neighborhood Recognition Factor of Sonar Data," Journal of Korea Robotics Society, vol. 2, no. 3, pp. 227-233, September 2007. 

  7. Geoffrey E. Hinton, Simon Osindero, and Yee-Whye Teh, "A Fast Learning Algorithm for Deep Belief Nets," Neural Computation, vol. 18, no. 7, pp. 1527-1554, May 2006. 

  8. J.F. Lalonde, N. Vandapel, D.F. Huber, and M. Hebert, "Natural Terrain Classification using Three-Dimensional Ladar Data for Ground Robot Mobility," Journal of Field Robotics, vol. 23, no. 10, pp. 839-861, October 2006. 

  9. A. Golovinskiy, V.G. Kim, and T. Funkhouser, "Shapebased Recognition of 3D Point Clouds in Urban Environments," in IEEE 12th International Conference on Computer Vision, Tyoko, September 2009, pp. 2154-2161. 

  10. X. Zhu, H. Zhao, Y. Liu, Y. Zhao, and H. Zha, "Segmentation and Classification of Range Image from an Intelligent Vehicle in Urban Environment," in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, October 2010, pp. 1457-1462. 

  11. H. Zhao, Y. Liu, X. Zhu, Y. Zhao, and H. Zha, "Scene Understanding in a Larhge Dynamic Environment through a Laser-based Sensing," in IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, May 2010, pp. 128-133. 

  12. Yungeun Choe, Inwook Shim, and Myung Jin Chung, "Urban structure classification using the 3D normal distribution transform for practical robot applications," Advanced Robotics, vol. 27, no. 5, pp. 351-371, February 2013. 

  13. Yong-Ju Lee and Jae-Bok Song, "Three-dimensional iterative closest point-based outdoor SLAM using terrain classification," Intelligent Service Robotics, vol. 4, no. 2, pp. 147-158, 2011. 

  14. Martin Magnusson, "The Three-Dimensional Normal-Distributions Transform - an Efficient Representation for Registration, Surface Analysis, and Loop Detection," Doctoral Dissertation, Orebro University, 2009. 

  15. R. Socher, B. Huval, B.P. Bath, C.D. Manning, A.Y. Ng, "Convolutional-recursive deep learning for 3D object classification," NIPS, 2012. 

  16. Y. Bengio, P. Lamblin, D. Popovici, and H. Larochelle, "Greedy Layer-Wise Training of Deep Networks," Advances in neural information processing systems, vol. 19, pp. 153-160, January 2007. 

  17. D.H. Ackley, G.E. Hinton, and T.J. Sejnowski, "A learning algorithm for Boltzmann machines," Cognitive Science, vol. 9, no. 1, pp. 147-169, 1985. 

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