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의미론적 분할된 항공 사진을 활용한 영상 기반 항법
Vision-based Navigation using Semantically Segmented Aerial Images 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.10, 2020년, pp.783 - 789  

홍경우 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  김성중 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  박준우 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  방효충 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  허준회 (Poongsan R&D Institute) ,  김진원 (Poongsan R&D Institute) ,  박장호 (Poongsan R&D Institute) ,  서송원 (Poongsan R&D Institute)

초록
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영상 기반 항법은 GPS/INS 통합 항법 시스템의 취약점을 보강할 수 있는 보조 항법 기술로 비행체에서 촬영한 항공 영상과 기존의 데이터베이스를 비교하여 비행체의 위치를 구한다. 하지만 데이터베이스가 생성된 시점은 항공 영상 촬영 시점과 다를 수밖에 없으며, 이러한 시점 차이로 인해 두 영상 간의 다른 특징점들이 생성된다. 즉, 유사하지만 다른 두 영상이므로 일반적인 영상 대조 알고리즘을 항법 문제에 적용하기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 인공지능 기법인 의미론적 분할을 활용하여 항공 영상에서 항법에 필요한 정보를 분류한 후 영상 대조를 수행하는 방법을 제안한다. 의미론적 분할로 시점 변화, 촬영 조건 변화가 있더라도 강건하게 두 영상이 정합 되도록 한다. 제안한 방법은 시뮬레이션과 비행 실험을 통해 성능을 확인하며, 일반적인 영상 대조 알고리즘을 이용하여 항법을 수행한 결과와 비교한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a new method for vision-based navigation using semantically segmented aerial images. Vision-based navigation can reinforce the vulnerability of the GPS/INS integrated navigation system. However, due to the visual and temporal difference between the aerial image and the database i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 실제 비행 상황에 적합한 영상 기반 항법을 제안하였다. 데이터베이스 영상과 항공 영상의 차이에도 시불변의 특징들의 추출하여 대조함으로써 더욱 강건하게 작동되는 것을 확인하였다.

가설 설정

  • 따라서, 이러한 특징들은 정합에 고려하지 말아야 하며 시간이 지나도 추출이 가능한 물체 정보를 이용하여 정합해야 한다. 본 논문에서는 도심지 비행을 가정하며 시불변의 특징으로 건물과 도로 2가지를 사용한다. 즉, FCN을 이용하여 사진에서 건물과 도로인 픽셀 정보들을 얻어낸다.
  • 비행체는 일정한 고도, 자세, 그리고 속도를 유지한다고 가정한다. 고도는 200m이며, 동쪽으로 10m/s 속도로 비행한다.
  • 비행체는 장착된 카메라를 통해 직하방의 영상을 얻는다고 가정한다. 본 시뮬레이션 상에서의 직하방 영상은 Vworld에서 제공하는 항공 영상을 사용한다.
  • 항공 영상의 크기는 비행 고도와 연관되며, 카메라가 김발에 장착되었다고 가정하면 방향은 비행체의 yaw 자세 각과 연관되어 있다. 여기서 고도는 기압 고도계 등의 센서를 통해 얻어진다고 가정하며, 자세 센서를 통해 비행체의 yaw 값이 얻어진다고 가정한다. 이산시간 k 때의 고도는 실제 값에 σh만큼의 표준편차를 가지는 가우시안 오차를 추가하여 사용한다.
  • 영상 갱신 주기는 1Hz이며, 마찬가지로 템플릿 정합을 1초마다 수행한다. 카메라의 AFOV(Augular Field Of View)는 가로 53.26°로 가정하였으며 영상 해상도는 640, 480으로 가정하였다.
  • 두 영상을 템플릿 정합하기 위해서는 크기와 방향이 같도록 정렬해야 한다. 항공 영상의 크기는 비행 고도와 연관되며, 카메라가 김발에 장착되었다고 가정하면 방향은 비행체의 yaw 자세 각과 연관되어 있다. 여기서 고도는 기압 고도계 등의 센서를 통해 얻어진다고 가정하며, 자세 센서를 통해 비행체의 yaw 값이 얻어진다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GPS / INS 통합 항법 시스템은 어떤 문제점을 가지고 있는가? 매우 강력한 성능을 보여주는 GPS / INS (Global Positioning System/Inertial Navigation System) 통합 항법 시스템은 GPS 재밍(Jamming) 등의 문제점을 가지고 있다. 이에, 이를 보완하기 위한 보조 항법 시스템에 관한 연구가 많은 관심을 받고 있다.
영상 기반 항법에는 어떤 방식이 있는가? 이에, 이를 보완하기 위한 보조 항법 시스템에 관한 연구가 많은 관심을 받고 있다. 영상 기반 항법 또한 보조 항법 중 하나로 랜드마크(Landmark) 기반 방식[1,2]과 그리고 비행체에서 촬영한 영상과 데이터베이스를 비교하는 방식이 있다. 데이터베이스는 항공 영상의 형태로 또는 항공 영상에서 얻을 수 있는 특징들 형태로 위치 정보와 함께 미리 제작되며, 비행체에서 촬영한 항공 영상 또는 그로부터 얻은 특징들과 비교하여 비행체의 현재 위치를 추정한다[3-6].
영상 대조(Image Matching) 문제는 일반적으로 무엇을 추출하여 정합하는가? 영상 기반 항법은 두 사진을 비교하는 측면에서, 기존의 영상 대조(Image Matching) 문제와 유사하다. 영상 대조 문제는 일반적으로 특징점들을 추출하여 정합한다. 대표적인 특징점 기술자(descriptor)로는 DoG(Difference of Gaussian) 기반으로 크기 변화에 강건한 SIFT(Scale Invariant Feature Transform)[7], SIFT의 수행 속도 문제를 보완한 SURF(Speed Up Robust Feature)[8] 등이 있으며 해당 기법들의 대안으로 FAST 특징점 추출 및 BRIEF(Binary Robust Independent Elementary Features) 기술사를 이용한 ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)[9,10] 등이 있다.
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참고문헌 (20)

  1. Kim, J. M. and Leeghim, H., "INS/Multi-Vision Integrated Navigation System Based on Landmark," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 45, No. 8, July 2017, pp. 671-677. 

  2. Won, D. H., Chun, S. B., Sung, S. K., Cho, J. S. and Lee, Y. J., "Observability Analysis of a Vision-INS Integrated Navigation System Using Landmark," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 3, March 2010, pp. 236-242. 

  3. Conte, G. and Doherty, P., "Vision-based unmanned aerial vehicle navigation using georeferenced information," EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2009, 10. 

  4. Wu, A. D., "Vision-based navigation and mapping for flight in GPS-denied environments," PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 2010. 

  5. Dumble, S. J. and Gibbens, P. W., "Airborne vision-aided navigation using road intersection features," Journal of Intelligent and Robotic Systems, Vol. 78, No. 2, May. 2015, pp. 185-204. 

  6. Hong, K. W., Kim, S. J., Bang, H. C., Kim, J. W., Seo, I. W. and Pak, C. H., "Particle Filters using Gaussian Mixture Models for Vision-Based Navigation," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 47, No. 4, April 2019. pp. 274-282. 

  7. Lowe, D. G., "Distinctive image features from scale-invariant keypoints," International journal of computer vision, Vol. 60, No. 2, November 2004, pp. 91-110. 

  8. Bay, H., Ess, A., Tuytelaars, T. and Van Gool, L., "Speeded-up robust features (SURF)," Computer vision and image understanding, Vol. 110, No. 3, June 2008, pp. 346-359. 

  9. Calonder, M., Lepetit, V., Strecha, C. and Fua, P., "Brief: Binary robust independent elementary features," In European conference on computer vision, Springer, Berlin, Heidelberg, September 2010, pp. 778-792. 

  10. Karami, E., Prasad, S. and Shehata, M., "Image matching using SIFT, SURF, BRIEF and ORB: performance comparison for distorted images," arXiv preprint arXiv:1710.02726. 

  11. He, K., Gkioxari, G., Dollar, P. and Girshick, R., "Mask r-cnn," Proceedings of the IEEE international conference on computer vision 2017, pp. 2961-2969. 

  12. Noh, H. W., Hong, S. H. and Han, B. H., "Learning deconvolution network for semantic segmentation," Proceedings of the IEEE international conference on computer vision 2015, pp. 1520-1528. 

  13. Long, J., Shelhamer, E. and Darrell, T., "Fully convolutional networks for semantic segmentation," Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition, 2015, pp. 3431-3440. 

  14. Chai, D., Newsam, S. and Huang, J., "Aerial image semantic segmentation using DCNN predicted distance maps," ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 161, March 2020, pp. 309-322. 

  15. Montoya-Zegarra, J. A., Wegner, J. D. and Schindler, K., "Semantic segmentation of aerial images in urban areas with class-specific higherorder cliques," ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 2, 2015, pp. 127-133. 

  16. Hong, K. W., Kim, S. J. and Bang, H. C., "Vision-based Navigation using Gaussian Mixture Model of Terrain Features," AIAA Scitech 2020 Forum, Jan 2020, p. 1344. 

  17. Briechle, K. and Hanebeck, U. D., "Template matching using fast normalized cross correlation," Optical Pattern Recognition XII, International Society for Optics and Photonics, Vol. 4387, March 2001, pp. 95-102. 

  18. Mahmood, A. and Khan, S., "Exploiting transitivity of correlation for fast template matching," IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 19, No. 8, August 2010, pp. 2190-2200. 

  19. Uchida, A., Ito, Y. and Nakano, K., "Fast and accurate template matching using pixel rearrangement on the GPU," 2011 Second International Conference on Networking and Computing IEEE, December 2011, pp. 153-159 

  20. Pele, O. and Werman, M., "Accelerating pattern matching or how much can you slide?," Asian Conference on Computer Vision, November 2007, pp. 435-446. 

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