2016년 7월 11일 월요일

드론 기반 FPV(First Person View) 및 GoPro 영상 기반 3차원 이미지 스캔 테스트

이 글에서는 드론 기반으로 FPV(First Person View) 및 GoPro 영상 기반 3차원 이미지 스캔 데이터 취득 테스트 결과를 간략히 정리한다.

1. 개요
드론을 기반으로 한 영상 취득 및 처리 어플리케이션은 이미 다양한 곳에서 응용되고 있다. 특히, 사람이 직접 하기 힘든 작업들을 드론이 대신 해 줄 수 있다는 장점이 많은 어필을 하고 있는 상황이다.

이런 배경에서, 사람이 직접 영상을 취득하기 어려운 높은 높이의 MEP(기계 설비) 정보를 획득하기 위해, 필요한 드론 기술을 파악하기 위해, 본 테스트를 진행해 보았다.

2. 개발 및 설정
드론은 3DR IRIS를 활용하였다. 영상은 GoPro 4를 사용하였으며, GoPro를 제어하기 위해, Tarot 짐벌을 부착하였다. 이와 관련된 개발 내용은 다음 링크와 같다.

 
GoPro 영상 취득 및 FPV 테스트

3. 테스트
다음은 테스트 영상이다.

드론 기반 FPV(First Person View) 및 GoPro 영상 취득 테스트

다음은 드론으로 부터 취득한 영상들이다. 간격은 초당 3프레임으로 설정하여 테스트하였다.



MEP 설비 이미지 취득 모습(한국건설기술연구원)

3. 3차원 이미지 스캔 데이터 획득
앞서 획득한 영상을 이용해, 3차원 이미지 스캔 데이터를 획득할 수 있다. 다음은 Pix4D를 이용해 GoPro 이미지 데이터를 3차원 포인트 클라우드로 변환한 과정이다. 참고로, Pix4D이외에 Context capture 등 상용 SW를 통해서도 이런 변환을 처리할 수 있으며, Visual SFM, Open Drone Map 등 오픈소스를 이용해서 3차원 포인트 클라우드를 획득할 수 있다. 

1. 드론 촬영 이미지 입력

2. 좌표 시스템 설정

3. 모델 도메인 설정

4. 각 이미지에서 고유한 피처(feature. 특징점)를 추출하고, 서로 매칭함




5. 각 이미지 정합 결과 확인




 6. 3차원 포인트 클라우드 생성



7. 3차원 포인트 클라우드 확인 


앞의 결과물과 같이 큰 무리가 없이 3차원 포인트 클라우드를 획득할 수 있었다. 다만, 데이터 생성 시간이 LiDAR에 비해 오래 걸리고, GPS 정보가 없을 경우, 스케일을 별도로 맞춰줘야 하는 등의 문제가 있다. 참고로, 정밀도가 LiDAR에 비해 떨어져, 이에 부합하는 유스케이스를 적용하지 않으면 문제가 생길 수 있다.



4. 결과

테스트 결과 다음과 같은 잘 알려진 장점에 비해 문제점을 발견할 수 있다.

장점은 다음과 같다.
1. 사람이 접근 불가한 지역(높은 고도, 위험 지역 등)에 대한 고해상도 영상 이미지 취득이 가능하다.
2. 짐벌을 이용해 획득이 필요한 영상을 편리하게 얻을 수 있다.
3. FPV를 이용해 드론의 주변 영상을 원격으로 확인할 수 있다.
4. 취득된 영상을 이용해, 비전 분석하거나, 3차원 포인트 클라우드를 획득해 다양한 응용을 할 수 있다.

문제점은 다음과 같다.
1. 짧은 배터리 시간
드론 배터리 시간은 보통 20분 정도이다. 특수하게 제작된 드론의 경우, 한시간 정도 체공이 가능하나, 배터리가 커짐으로 인해, 전체적으로 드론 크기도 커지고, 드론 가격이 비싸지며, 운영자 인원수 및 유지보수 비용도 늘어난다.

2. 불완전한 근접 비행과 충돌 위험
MEP 설비를 근접 촬영하기 위해 3미터 가까이 까지 대상물을 접근 시켜 보았으나, 주변 물체와 부딧힐 가능성이 커서 드론 제어가 쉽지 않았다. 드론을 호버링 하더라도 1~2미터 정도 좌우로 움직이는 것은 보통이다. 바람이 불거나 고도가 높아질 수록 사람이 정확한 위치를 제어하는 것이 더욱 어려워진다. 

3. 보기 어려운 영상 스크린 화면
한낮에 FPV 스크린을 보며 운전하기는 쉽지 않다. 태양 빛이 너무 밝고 스크린에 반사되어, 영상 스크린을 확인하기가 매우 어려웠다. 

4. 통합 관리 어려움
드론을 운영하는 목적에 따라 관련 영상, 제어, 센서, 배터리 등이 함께 모니터링 운영 관리될 필요가 있다. 이들 중 어느 하나라도 문제가 있다면, 애써 드론을 띄웠는 데 헛수고가 된다. 개별적으로 확인하고, 모니터링하는 것은 매우 어렵다. 

5. 영상 및 이미지 미세한 흔들림
짐벌을 장착하였음에도 불구하고 영상 및 이미지의 미세한 흔들림이 있을 수 있다. 이런 경우, 영상에서 3차원 포인트 클라우드를 취득할 때 노이즈가 될 수 있다. 

이런 문제점들은 점진적으로 개선되어 나가겠지만, 현재로써는 드론기반 유스케이스는 한계가 많은 것이 사실인것 같다. 드론 기반의 유스케이스를 구현할 경우, 관련 기술적 요구사항 만족 여부를 확실히 확인하고 시스템을 구현할 필요가 있어 보인다.






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