감시, 커뮤니케이션(전화, 회의), 내비게이션 등 네트워크에 접속되는 카메라의 용도가 확대되고 있다. 또, 광범위를 커버하기 위해 설치수도 2∼4대, 그 이상으로 증대되는 경향에 있어 비용이 증대되고 있어 한 대로 180도 이상의 광각 촬영이 가능한 어안 카메라가 주목을 받고 있다. 어안 영상 특유의 원형 굴곡을 주시점을 동시에 지정하거나 파노라마로 전개해서 실시간 보정 표시해, 네트워크에 접속, 조작할 수 있는 카메라를 개발했기에 그 보정원리와 특징에 대해서 소개한다. 도노무라 모토노부┃다이니폰인쇄
최근 범죄 수사에서는 CCTV 영상 이 범인검거에 계기를 만들어 주는 예가 빈번하다. 또, 원격지와 화상 회의에 의해 한 곳에 모이지 않아 도 커뮤니케이션을 하기 쉬워졌다. 차량용 카메라 영상이 운전지원이 나 내비게이션으로 사용되게 되어 운전 조작이 더욱 안전하고 편리해 졌다. 또, 블랙박스에 의한 사고 전 후 영상 기록은 사고가 발생했을 때 증거를 얻기 쉽게 한다. 그뿐만 아 니라 화구(火球)나 운석 낙하와 같 은 갑작스런 자연현상을 여기저기 를 주행하고 있는 차로부터 위치정 보를 특정할 수 있는 차량용 카메라 로 간단히 포착할 수 있게 된 것은 종래에는 생각지도 못한 일이다.
그런데 이러한 혜택을 받기 위해서 는 카메라 영상이 광범위를 끊임없 이 커버하고 있어야 한다. 화각(시 야각)이 한정되어 있는 한 대의 카 메라로 광범위를 촬영하기 위해서 는 팬틸트(상하좌우 회전) 기능에 의해 촬영 방향을 이동시킬 필요가 있다. 경우에 따라서는 주목 부분을 줌 기능으로 확대 촬영해서 상세한 영상을 얻고 싶은 경우도 있다. 이 들에는 모터드라이브와 같은 메커 니컬한 기구가 있어야 하기 때문에 유지보수 작업이 필요하다. 또, 순 간적인 방향 이동, 줌 확대에는 지 연시간에 의한 한계가 있다. 복수의 카메라 설치로 촬영범위를 늘릴 수 있지만 대수만큼 비용이 든다. 복 수로 촬영한 데이터를 네트워크 접 속 제어에 의해 1곳으로 모아 영상 을 취득, 보존, 분석 등의 제어·관 리를 해야 한다. 이러한 부담을 감 소시켜 주는 것이 광각 촬영이 가능 한, 그 중에서도 180도 이상의 시야 각을 얻을 수 있는 어안 렌즈(Fish- Eye Lens) 카메라다. 어안 영상 특 유의 원형 굴곡이 있지만 렌즈 광선 궤적의 기하학적 사영(射影) 모델을 이용해서 변환 처리하면 통상 보는 것과 같은 정식 영상으로 보정할 수 있다. 이번 원고에서는 개발한 어안 보정 네트워크 카메라의 보정원리 와 그 특징에 대해서 소개한다.
어안 보정 네트워크 카메라의 주된 사양과 특징
개발한 어안 보정 네트워크 카메라 의 외관을 그림 1에, PC와 접속된 장치 구성을 그림 2에 나타낸다. 케 이스는 천장 또는 벽에 설치하기 쉬 운 박형 형상으로 중앙에 있는 것이 소형 초광각(어안) 렌즈이다. 카메 라의 주된 사양을 표 1에 나타낸다. 314만 화소의 CMOS 컬러 영상 센 서를 사용하고 있다. 영상출력은 15fps로 사이즈는 VGA(640×480), 풀HD(1,920×1,080), SXGA(1,280 ×1,024)를 선택할 수 있다.
영상출력의 압축방식은 H.264 또는 MJPEG이다. 전원은 Ethernet 케 이블 배선에서 끌어오거나 DC12V 를 직접 공급한다. 영상출력을 표시 하기 위해 사용하는 Viewer는 네트 워크 관리용으로 사용되고 있는 아 로바뷰(ArobaView)1)를 사용한다. VLC 미디어 플레이에서도 표시할 수 있다. 표시내용에 관해서 취득한 어안 원영상과 그 보정영상(복수 주 시점의 각 위치, 방향, 배율 지정이 가능)의 선택 및 배치가 가능하다. 영상 보정 변환에 대해서도 굴곡이 없는 정식 영상 표시와 광범위를 한 번에 파노라마로 전개하는 표시를 할 수 있다.
파노라마 전개에 대해서는 후술 하겠으나 원추면에 감는 투영 각도를 조절함으로써 수직방향이 부채모양 으로 개폐된 경우부터 보존되는 방 향까지 표시가 가능하다(그림 5, 그 림 6). 카메라의 설치에 관해서는 수 평방향, 상/하향, 각도를 지정할 수 있다. 출력영상의 인식기능에 대해 서는 움직이는 물체의 검출(동체 검 지), 물체의 움직임 추적(동선 분석), 물체의 수량 계측 등을 조합시키는 개발을 별도로 진행하고 있다3).
어안 영상의 정식보정
그림 3에 나타내는 것과 같이 카메 라의 촬상면에서 원형으로 굴곡된 어안상이 취득된다. 그 영상을 굴 곡이 없는 정식 영상으로 보정 변환하기 위해 먼저 원형 촬상면을 덮는 가상 반구면을 생각한다. 가상 반 구면은 어안 렌즈를 통과하는 광선 을 추적하는 모델을 구축하는 기초 가 된다. 즉, 가상 반구면의 바깥쪽 180도 방향에서 들어온 광선에 대해 서는 반구면 상으로의 입사방향 위 치와 최종적으로 도달하는 촬상면 에 있어 위치관계만을 기술한다. 그 렇게 하면 반구면을 경계로 촬상면 에 도달할 때까지의 어안 렌즈 특성 에 의존하는 실제의 경로 궤적은 고려할 필요가 없다.
현재는 투영방식이라 불리는 기하 학적으로 기술할 수 있는 촬상면 궤 적을 결정해 주면, 그것에 기초를 둔 어안 렌즈의 설계 제조는 그리 어렵지 않다. 이번 개발에서는 그림 4에 나타내는 것과 같이 흔히 사용 되는 렌즈의 중심선으로부터 등거 리 간격의 궤적을 가지는 등거리 사 영방식을 채용하고 있다1).
취득된 어안상으로부터 광선경로를 역으로 따라가 원래의 세계로 되돌 리는 것으로 정식 영상을 재현하는 것에 대해 생각해 본다. 어안상에 대해서 가상 반구면 위에 비친 역투 영상을 기하학적 변환 계산2)에 의해 얻을 수 있다. 또, 가상 반구면상의 점P를 지나는 접평면을 생각하면 (그림 3), 그 접평면은 가상 반구면 의 바깥쪽에 있기 때문에 그 접평면 상의 역투영상은 원래 세계의 상을 재구성해 표현한 것이 된다. 즉, 그 것은 수직, 수평방향 모두 원래 세 계의 영상(정식 영상)으로 보정 변 환된 것이다. 단, 그림 5(a)의 예를 보면 알 수 있듯이 가로 폭이 상당 히 넓은 접평면에 있어서 점 P로부 터의 거리가 멀어짐에 따라 1화소의 확대율이 점점 커지므로 부자연스 러움이 두드러지는 영상이 된다.
광범위를 파노라마 전개로 표시하는 기능
그래서 그림 5(b)에 나타내는 것과 같이 점 P를 통과하는 접평면을 가 상 반구면에 따라 적당하게 기울여 서 접어 원추면을 만들고 가상 반구 면을 매개로 원추면에 어안상을 역 투영시킨다. 그렇게 하면 가상 반 구면과 교차하는 방향에 따라 적당 하게 스케일링 된 역투영상이 완성 된다. 이 때 기울여 접은 정도에 따 라 예를 들면 점 P를 지나 가상 반구 면과 접하는 원추면과 교차하는 작 은 원 Q에 따라 역투영 전개를 하면 수직방향만 유지된 영상을 얻을 수 있다(그림 6). 접평면상에서는 정식 영상을 얻을 수 있는데 그것은 수 직 1 방향뿐이기 때문이다. 그 이외 의 경우는 수직방향이 부채모양으 로 개폐된 영상(그림 6 오른쪽 아래) 을 얻을 수 있다. 이 제어는 파라미 터 설정에 의해 가능하다.
출력 표시의 화면 구성 예
출력 표시의 화면구성에 대해서 그 림 7에 나타내는 것과 같이 전체 면 을 원영상 또는 보정영상 1장만으로 할 수 있다. 또, 원영상(0/1장)+보 정영상(1∼9장 분할)으로 분할 표시 도 가능하다. 원영상과 보정영상을 동시에 표시할 때는 분할 표시 블록 내를 원영상(1장)+보정영상(1장)과 같이 2분할해서 표시한다. 보정영상 에 대해서는 정식 보정영상과 파노 라마 전개 영상을 선택할 수 있다. 또, 정식 보정영상에 관해서는 복수 주시점 지정 분할 표시의 경우 각 확대율, 회전을 설정할 수 있다. 파 노라마 전개 영상에 관해서는 수직 방향의 부채모양 개폐상태를 조절 할 수 있다.
그림 8은 어안 원영상으로부터 주시 점 4곳을 잘라내어 상부에 파노라 마 전개 영상 1장, 하부에 주시점 4 곳의 정식 보정영상을 표시하는 예 이다. 그림 9는 화상회의를 하고 있 는 풍경으로 테이블 중앙에 어안 카 메라를 위를 향해 설치해서 참가 자 전원을 잡고 있는 예이다. 상부 에 파노라마 전개에 의해 참가자 전 원을 가로 1열로 나열해 표시하고 있다. 하부에 참가자, 최대 8명을 개별로 잘라내어 정식 영상으로 표 시하고 있다.
최근 일상적으로 사용되게 된 광범 위 촬영이 요구되는 CCTV 등에 있 어서 설치 대수의 증가와 그것에 따 르는 네트워크 대응 및 매커니컬 기 구가 없는 유지보수 용이성에 의한 비용 절감을 위해 한 대로 180도 이 상의 촬영이 가능한 어안 보정 네트 워크 카메라의 개발품에 대해서 그 기능 사양과 실현 원리·방법 등에 대해 보고했다. 요구되는 여러 가지 기능에 대응할 수 있도록 향후 더욱 그 개선에 노력해 갈 것이다. 광범 위 촬영으로 인해 해상도가 떨어지 는 문제는 원리적으로 피할 수 없지 만 잘못 해석되기 쉽다. 그래서 모터 드라이브의 줌, 팬틸트 기능이 있는 카메라와의 병용이 필요할 경우도 있다는 것을 지적해 두고 싶다.
참고문헌
1) 도노무라 모토노부,자동차에 탑재되기 시작한 어안 렌즈의 연구,
Design Wave Magazine, 2008년 9월호, pp.111-125
2) 도노무라 모토노부, 자동차에 탑재되기 시작한 어안 렌즈의 연구 Part2,
Design Wave Magazine, 2008년 12월호, pp.113-127
3) 도노무라 모토노부, 그룹 소개 다이니폰인쇄(주) 전자시스템센터,
영상전자학회지, 제42권, 제3호, pp.402-403 (2013)
[월간 시큐리티월드 통권 제204호(sw@infothe.com)]
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