스테레오 카메라 방식에 의한 로봇비전
산업용 로봇의 한계 타파에는 스테레오 방식 3차원 비전이 최적
용접, 운반, 가공 등 몇 가지 분야에서 널리 사용되고 있는 산업용 로봇은 미리 정해진 움직임을 높은 정밀도와 고속으로 반복할 수 있으나 환경 변화에 대한 유연성을 가지고 있지 못하다. 하지만 만약 3차원 공간을 지각하는 3차원 센서가 있다면 그 결과에 맞추어 로봇을 제어하는 것은 원천적으로 가능하게 된다. 작업 대상물체가 정해진 위치에 정해진 자세로 존재하지 않는다 해도 작업이 가능해지는 것이다. 그렇다면 앞의 전제를 완화할 수가 있어 로봇의 적용범위가 크게 확대된다. 본 내용에서는 이를 가능케 하는 아이템으로 주목받는 스테레오 카메라 방식의 로봇비전에 대해 살펴보겠다.
로봇 비전의 요소 기술과 스테레오
3차원 공간을 지각하는 센서는 역각이나 청각을 여러 가지로 생각할 수 있으나 무엇보다도 비전(시각)이 비접촉적이기 때문에 인간이나 동물도 많은 정보를 시각에서 얻는다. 비전을 탑재한 로봇이 할 수 있는 작업은 첫째, 3차원 계측과 검사를, 그리고 로봇에 탑재된 3차원 비전 센서는 로봇의 매니퓰레이터(Manipulator)에 의해 필요로 하는 여러 가지 위치에 이동되어 전 방위의 3차원 계측, 형상 통합과 검사를 할 수가 있다.
둘째, 산적된 부품이 운반되어 왔을 때 현재는 인간이 보고 선별하여 운반하지만 비전을 가진 로봇이 보급되면 인간 대신에 많은 단순작업을 대행할 수 있게 된다. 로봇 비전에 요구되는 기능은 크게 4가지로 나누어진다.
첫째, 3차원 형상계측은 작업환경과 작업 대상 물체의 3차원 형상을 계측하고 모델의 작성이나 3차원 인식의 입력이 된다. 둘째, 3차원 인식은 사전에 정의된 작업 대상 물체의 같은 형상을 한 3차원 물체를 씬(Scene)에서 찾아내어 그 위치와 자세를 로봇에 출력한다. 셋째, 핸드 아이 교정은 3차원 비전 센서와 로봇과 위치 자세 관계를 구하고, 센서 좌표계로 구한 환경과 대상물체의 위치 자세를 로봇 좌표계로 변환한다. 넷째, 링크 교정은 로봇의 링크 파라미터를 높은 정밀도로 추정하고, 로봇의 절대 정밀도를 높인다. 앞에서 언급한 각 태스크(Task)를 수행하는 데 최적의 센서는 스테레오 카메라 패턴(Pattern) 투광기이다.
산업용 로봇의 규격인 경우 비행시간(OF: Time of Flight) 방식에서는 충분한 정밀도를 얻기 곤란하며, 합초점 방식에서는 계측 공간이 크기 때문에 실현하기 곤란하다. 3각측량 중에서도 스테레오 카메라 패턴 투광이면 액티브 스테레오(Active Stereo)에 의한 3차원 점군(Point Group)의 취득과 패시브 스테레오(Passive Stereo)에 의한 윤곽 맞춤의 쌍방이 가능하게 되어 가장 바람직하다고 생각된다.
스테레오에 의한 3차원 형상계측
- 입체시의 기하학
입체 화상에 의한 3차원 계측은 기본적으로 인간의 양안시(兩眼視)와 같은 3각측량의 원리에 따른 한 장의 사진밖에 없다면 안 깊이는 모르지만 시점이 서로 다른 두 장의 사진이 있다면 대응점을 찾아냄으로써 3각측량으로 안 깊이를 알 수 있다. 인간의 경우 양안의 위치 자세는 뇌에서 미리 알 수 있지만, 화상의 경우 카메라의 위치 자세는 알 수 없으므로 화상으로부터 계산해야 한다. 이 계산을 얼마만큼 높은 정밀도로 할 수 있는가 하는 것이 3차원 화상계측의 가장 중요한 과제 중의 하나이다.
- 스테레오 교정
이 교정은 비틀림이 포함된 카메라의 내부 파라미터와 양 카메라 사이의 회전과 병진을 사전에 높은 정밀도로 계산해 두는 것이다. 또한, 이 교정을 해 두면 3차원 계측을 할 때마다 이들 파라미터에 대해 신경을 쓰지 않아도 된다. 교정은 교정 보드를 복수의 위치 자세를 촬영함으로써 실행할 때가 많으며, 이러한 교정 보드는 핸드 아이 교정이나 링크 교정에도 사용한다. 카메라 교정은 핸들 조정법에 따르는데, 이 조정은 3차원 공간 점의 화상에 대한 역사영(수식에 의해 계산)과 실제로 화상에서 추출되어 있다는 점과 유클리드(Euclid)거리의 승화식을 최소로 한다.
- 스테레오와 패턴 투광기에 의한 3차원 점군 계측
일반적으로 패턴 투영기도 하나의 역 카메라로 볼 수가 있어 1대의 카메라와 1대의 패턴 투영기로 3각 측량할 수 있으므로 장치의 크기나 비용면에서 유리하다. 그러나 일반적으로 디지털 패턴 투영기의 교정은 카메라의 교정에 비해 어려우므로 스테레오 카메라 패턴 투영기의 구성 쪽이 정밀도가 높다. 앞에서 언급한 여러 가지 조건을 감안하여 3차원 미디어는 형상계측용으로 스테레오 카메라 LED 랜덤 패턴 투영기의 3차원 비전 센서를 개발하였다.
스테레오에 의한 3차원 인식
- 전 탐색과 거리 평가
3차원 인식의 또 하나의 곤란성은 보는 각도에 따라 본 눈이 크게 다르다는 것이다. 물체에는 앞과 뒤가 있어 보는 각도에 따라 보이는 면이 달라 같은 면의 외관 변화 이상의 변화가 있다. 이 때문에 물체의 경계를 나타내는 윤곽도 크게 다르며, 윤곽을 이용한 전 탐색은 모든 위치 자세를 가정한 윤곽의 모델을 시도하는 것을 의미한다. 한편, 점군을 이용한 전 탐색은 보이는 면이 다르지만 3차원 형상 자신이 계측되고 있으므로 변형은 없다.
- 윤곽에 의한 3차원 인식
3차원 형상 모델을 모든 윈치 자세로 놓고 투영하여 얻어지는 윤곽모델을 미리 작성해 둔다. 인식일 때는 각각의 윤곽 모델을 입력 영상으로부터 작성된 거리 맵(Map)에 중첩시켜 차(거리)를 평가한다. 만약 그 차가 소정의 범위 내에 있으면 그 차가 최소가 되도록 모델의 위치 자세를 최적화한다. 어떻게 하면 최소의 메모리와 가장 빠른 계산시간으로 시스템을 실현할 것인가 하는 것이 최대의 과제이다.
- 점군에 의한 3차원 인식
3차원 모델에 대해 거리 필드를 작성하는 것은 하나로 충분한데, 인식할 때는 계측 점군을 모델 좌표계로 변환하여 거리 필드로 차를 평가한다. 이 차가 소정의 범위 내에 있을 때 ICP법을 사용하여 위치 자세의 최적화를 이루도록 한다.
1953년에 미국의 리비어 사에서 제작한 ‘리비어 33`, 렌지파인더가 장착된 스테레오 카메라 ([출처] 네이버 백과사전)
3차원 미디어의 로봇 비전
로봇 비전의 실용화에는 적절한 스테레오 카메라가 필요하며, 다음과 같은 사항이 요구된다. 첫째, 적절한 시야와 피사계 심도, 둘째, 3차원 계측 정밀도를 화보하는 카메라 위치 관계, 셋째, 로봇의 손끝에 부여되고 있는 강성, 크기, 질량, 넷째, 안정된 촬영이 가능한 촬영과 조명제어, 다섯째, 신뢰성이 높은 배선(신호, 전원) 등이다. 본 내용에서는 산업용 로봇의 현상과 한계, 그리고 그 한계를 타파하기 위해 3차원 비전이 필요하며, 스테레오가 최적이라는 것, 그리고 로봇 비전의 2대 요소 기술인 3차원 계측과 3차원 인식에 대해 언급하였다. 컴퓨터의 눈부신 발전에 힘입어 오랫동안의 꿈이었던 비전에 의한 로봇 피킹(Picking)의 실용화가 현실화되고 있다.
