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문제 정의
- 본 논문에서는 적외선 스테레오 카메라를 이용하여 고속으로 날아가는 표적의 좌표를 회귀분석을 통해 오차 추정하는 시스템을 제안하였다. 적외선 카메라를 이용하여 취득한 고온의 표적영상으로부터 주변의 온도분포와 표적간의 온도차를 이용하여 표적 영역을 검출하고, 좌우 적외선 카메라 영상에 대하여 각각 추출된 표적 영역을 중심으로 스테레오 정합과 카메라 파라미터를 이용하여 실시간으로 이동하는 표적의 좌표를 추정하였다.
제안 방법
- 그림 4 는 실험공간으로. 3차원 궤적 (x,y,z) 측정기는 52m ~ 30m 구간을 측정하였으며 Z축의 기준을 열화상 좌측 카메라로 설정을 하였다. 즉 3차원측정기와 스테레오 정합 알고리즘은 동일한 기준을 가지고 있으므로 실제 표적의 Z축, X축의 좌표들만 비교하며, 관측데이터들의 회귀 직선을 구한다.
- 스테레오 영상은 사람의 눈을 모방하였으며, 스테레오 정합은 두대의 카메라에서 촬영된 영상에서 대응점들을 찾고, 이 대응점 정보와 두 카메라 사이의 간격으로부터 실제 객체의 거리 정보를 계산할 수 있다. 두 대의 적외선 카메라를 이용한 스테레오 카메라 시스템은 카메라 왜곡보정(camera calibration), 스테레오 조정(stereo rectification), 스테레오 정합(stereo matching) 이렇게 3단계를 거쳐서 구축되었다. 카메라 왜곡보정은 Zhang 방법을 이용하여 카메라 내부행렬과 왜곡 계수, 회전벡터, 이동벡터를 구해준다 [4].
- 적외선 카메라를 이용하여 취득한 고온의 표적영상으로부터 주변의 온도분포와 표적간의 온도차를 이용하여 표적 영역을 검출하고, 좌우 적외선 카메라 영상에 대하여 각각 추출된 표적 영역을 중심으로 스테레오 정합과 카메라 파라미터를 이용하여 실시간으로 이동하는 표적의 좌표를 추정하였다. 본 논문에서 제안하는 적외선 스테레오 카메라 시스템을 검증하기 위하여 3차원 궤적(x,y,z) 측정기를 함께 가동 하여 표적이 이동하는 거리를 측정하여 이를 기준 거리로 설정하였다.
- 본 논문에서는 적외선 스테레오 시스템을 구축하고 표적의 좌표들을 측정하고 3차원 궤적(x,y,z) 측정기를 이용하여 실제 궤적을 찾는다. 좌표들을 회귀분석을 통한 최소 자승법으로 표적 좌표들의 오차추정방법을 제안한다.
- 열화상카메라의 좌측카메라를 기준으로 80m거리에 떨어져있는 고속 소형 표적을 추적해서 왼쪽으로 5m가량 비껴나가는 비디오 데이터를 여러 차례 촬영하였다. 그림 4 는 실험공간으로.
- 본 논문에서는 적외선 스테레오 카메라를 이용하여 고속으로 날아가는 표적의 좌표를 회귀분석을 통해 오차 추정하는 시스템을 제안하였다. 적외선 카메라를 이용하여 취득한 고온의 표적영상으로부터 주변의 온도분포와 표적간의 온도차를 이용하여 표적 영역을 검출하고, 좌우 적외선 카메라 영상에 대하여 각각 추출된 표적 영역을 중심으로 스테레오 정합과 카메라 파라미터를 이용하여 실시간으로 이동하는 표적의 좌표를 추정하였다. 본 논문에서 제안하는 적외선 스테레오 카메라 시스템을 검증하기 위하여 3차원 궤적(x,y,z) 측정기를 함께 가동 하여 표적이 이동하는 거리를 측정하여 이를 기준 거리로 설정하였다.
- 본 논문에서는 적외선 스테레오 시스템을 구축하고 표적의 좌표들을 측정하고 3차원 궤적(x,y,z) 측정기를 이용하여 실제 궤적을 찾는다. 좌표들을 회귀분석을 통한 최소 자승법으로 표적 좌표들의 오차추정방법을 제안한다.
- 3차원 궤적 (x,y,z) 측정기는 52m ~ 30m 구간을 측정하였으며 Z축의 기준을 열화상 좌측 카메라로 설정을 하였다. 즉 3차원측정기와 스테레오 정합 알고리즘은 동일한 기준을 가지고 있으므로 실제 표적의 Z축, X축의 좌표들만 비교하며, 관측데이터들의 회귀 직선을 구한다.
- 프레임들간에 표적 좌표를 찾으면 이전 프레임의 표적인지 새로나타난 표적좌표인지 알아내기 위해 국부영역을 설정하여 일정프레임 동안 비교하여 추적한다. 표적의 국부영역은 7x7이며 식 (5)로 표현된다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 열화상 스테레오 카메라는 384x288해상도, 초점거리는 25mm, 화각은 30° × 23° , 평균 63fps를 가진다.
데이터처리
- Ground truth로 사용할 3차원 궤적(x,y,z) 측정기는 52m ~ 30m 이며 회귀직선을 통해 80m ~ 10 구간으로 확장하였다. 여러 차례의 실험을 통해 측정한 적외선 스테레오 정합 좌표들의 회귀분석을 통해 회귀직선을 구하였다. 표 1은 두 회귀직선들의 기울기와 절편을 나타내었다.
이론/모형
- 두 대의 적외선 카메라를 이용한 스테레오 카메라 시스템은 카메라 왜곡보정(camera calibration), 스테레오 조정(stereo rectification), 스테레오 정합(stereo matching) 이렇게 3단계를 거쳐서 구축되었다. 카메라 왜곡보정은 Zhang 방법을 이용하여 카메라 내부행렬과 왜곡 계수, 회전벡터, 이동벡터를 구해준다 [4].카메라 내부 파라미터들을 식 (3)으로 표현 된다 [5][6].
성능/효과
- 실험을 통하여 본 논문에서 제안한 적외선 스테레오 카메라를 이용한 고속 표적의 좌표측정 기술은 그 가능성을 보여주었다. 두 회귀직선의 각도차이인 0.
- 실험을 통해 적외선 스테레오 표적 좌표들을 누적한 회귀직선과 실제 탄두의 궤적(3차원 궤적(x,y,z) 측정기좌표들의 회귀직선)과 비슷함을 보였다. 두 회귀직선간 각도의 차이는 0.
- 실험한 결과, 적외선 스테레오 카메라를 고속의 표적의 회귀직선 각도는 3차원 궤적(x,y,z) 측정기 각도 비교에서 0.74°의 차이가 있음을 추정하였다.
후속연구
- 이 때문에, 전기적으로 동기 (synchronization)가 이루어지지 않은 적외선 스테레오 카메라와 3차원 궤적(x,y,z) 측정기의 공간거리들이 서로 다른 시간일 수 있게 된다. 170m/s 속도의 표적은 10msec에 수 미터를 이동하기 때문에 정확한 실험 결과를 도출하려면 적외선 카메라의 jitter에 대한 확률적 모델을 활용해야 할 것이다.
- 적외선 카메라간의 jitter문제, 3차원 궤적(x,y,z) 측정기와 적외선 카메라간의 동기화 문제를 고려한다면, 각도를 이용한 추정 오차는 더욱 줄어들 것으로 판단된다. 향후 다양한 표적들의 오차를 모델화하여 고속표적들의 좌표 측정을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 연구에서 이러한 연구들을 통해 매우 빠르고 작은 고속 표적에 대한 검출 기술 및 추적 기술을 개발하고, 적외선 카메라에 대한 스테레오 정합 알고리즘을 최적화할 필요가 있다.
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