수중환경에서 인간을 대신해 안전하고 정확하게 수중작업을 수행하는 무인자동기술의 핵심요소인 영상 센싱기술 확보가 조만간 이뤄질 예정으로 눈길을 끌고 있다.
이 기술은 향후 수중건설을 비롯해 항만 수중검사, 해양사고 조난자 수색 등 다양한 수중작업을 안전하고 정확하게 수행하는 데 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
‘3차원 영상화’ 수중 스테레오 카메라 입체가시화 기술 목표
수조 실해역 스테레오 영상화 기술 ‘성능 검증’ 연구도 추진
최근 해저자원탐사와 수중건설로봇, 항만인프라 유지관리, 기뢰탐지, 조난자 수색 등 다양한 분야에서 수중 작업을 안전하고 정확하게 수행하기 위해 무인자동기술을 적극적으로 도입하려는 수요가 급증하고 있다.
하지만, 수중 상황을 가시화하고 사람을 대신해 필요한 정보를 수집·제공하는 영상 센싱기술 확보가 선제적으로 이뤄져야 한다.
현재 수중영상 분야에서는 시각적인 영상을 촬영하는 ‘광학 카메라’와 관심 대상체의 거리 정보를 제공하는 ‘멀티빔 소나’가 널리 사용되고 있다.
멀티빔 소나는 다중음파를 주사해 실시간으로 수중환경을 영상화하는 장비로, 물에 의한 음파 신호의 감쇠가 적고 심한 탁도로 시야가 확보되지 않는 상황에도 물체를 탐지할 수 있는 장점이 있다.
반면, 고가의 장비로 다양한 수중 작업에 활용하기 어렵고, 낮은 영상품질로 일반인이 소나영상으로부터 필요 정보를 얻기가 어려운 단점도 공존한다.
광학 카메라는 렌즈를 투과한 빛 신호를 색조로 표현해 수중 환경에 대한 직관적인 정보를 제공하지만, 물과 부유물에 의한 빛의 물리적인 감쇠 현상으로 인해 탁도가 높은 국내 바다 환경에서는 광학 영상의 선명도와 대조도가 저하되는 것으로 알려져 있다.
이 같은 문제점들을 극복하기 위해 최근 들어 주요 선진국들을 중심으로 3차원 입체 가시화를 위한 스테레오 비전 기술과 수중용 스테레오 카메라를 다양한 수중 조사에 활용하고 있다.
이에 이 연구에서는 수중광학영상의 품질에 큰 영향을 미치는 탁도가 높은 국내 바다 환경에 최적화된 고품질의 3차원 수중영상을 촬영할 수 있는 수중 스테레오 카메라와 관련 영상품질 개선과 비전기술 개발을 추진하고 있다.
연구내용
스테레오 카메라는 두 대 이상의 다중 카메라로 영상을 동시에 촬영해 관심 대상체에 대한 3차원 위치 정보를 측정한 후 입체적으로 가시화할 수 있는 영상장비로, 현재 건설을 비롯한 자율주행 등 다양한 분야에서 고가의 LiDAR 센서와 함께 보완적인 개념으로 적극 활용되고 있다.
특히, 딥러닝 기반의 데이터처리기술과 접목된 스테레오 카메라, 스테레오 비전기술은 고품질의 수중영상 촬영이 가능해 향후 수중건설로봇, 항만인프라 유지관리기술, 수중수색기술 등 다양한 수중 작업에 활용 가능하다.
이에 이 연구에서는 ‘수중 3차원 영상화를 위한 수중 스테레오 카메라 및 입체가시화 기술 개발’을 목표로, 수심 100m급 수중 스테레오 카메라 핵심요소기술과 함께 수중 3차원 영상화를 위한 스테레오 비전 기술들을 개발하고 있다.
수조와 실해역에서의 스테레오 영상화 기술 성능 검증 연구에도 나서고 있다.
세부적으로 살펴보면, 1차년도에 진행된 ‘수중 스테레오 영상화 요소기술 개발’ 연구에서는 수중 스테레오 캘리브레이션과 수중화 요소기술과 함께 3차원 입체가시화를 위한 스테레오 비전 기술을 개발했다.
2차년도에는 ‘Diver용 수중 스테레오 카메라 및 입체가시화 기술 개발’을 목표로 수심 50m급 수중 스테레오 카메라와 다이버 움직임 적응형 입체가시화 기술을 선보였다.
현재 진행 중인 3차년도 연구에서는 ‘ROV용 수중 스테레오 카메라 개발’을 목표로 수심 100m급 수중 스테레오 카메라와 비전 기술 개발, 수조와 실해역에서의 스테레오 영상화 기술 성능 검증 연구를 진행하고 있다.
이 같은 연구를 통해 선보일 기술들은 수중건설을 비롯해 항만인프라 무인자동모니터링, 무인자동 기뢰탐지, 조난자 수색 등 다양한 수중작업을 안전하고 정확하게 수행, 사회‧경제적으로 큰 효과를 거둘 것으로 기대를 모으고 있다.
또한, 수중 영상장비와 3차원 입체 가시화 기술의 원천기술 확보로, 해양과학기술의 위상 향상과 함께 미래 해저자원 탐사, 개발과 신미래산업개발에 분야에서 세계적으로 선도적 역할을 강화할 수 있을 것으로 예상된다.
수중건설용 로봇, 잠수함, 해저이동선박과 기기는 물론 다양한 응용분야로 적용할 수 있어 수많은 신산업기술을 창출에도 기여할 전망이다.
특히, 다양한 해양활동에 따라 급증하고 있는 해양사고 대응을 위해 악천후에도 투입 가능한 무인이동체 기술과 수중 무인 가시화 기술은 추가적인 해양사고 방지는 물론 다양한 수중작업의 효율성과 안전성 확보에도 도움을 줄 것으로 보인다.
한편, 연구팀은 지난 2018년부터 3년 간 무인해저로봇 탑재용 하이브리드 광학·음파 영상처리기술 개발 연구를 통해 이번 연구의 토대를 마련했다.
무인해저로봇에 탑재된 광학·음파 센서의 측정데이터 처리·융합기술 개발을 목표로 진행된 이번 연구에서는 수중 무인해저로봇 개발에 필수적인 광학·소나 센서의 측정데이터를 개선하는 영상처리기술과 광학·소나 센서의 데이터 융합기술들을 개발했다.
특히, 광학 카메라 영상데이터 측정 시 감쇠·산란 등의 물리적 방해요인으로 인한 감소된 신호의 영상복원기술과 함께 저하된 해저영상의 칼라보정, 화질·탁도 개선 알고리즘 등을 선보였다.
이외에도 소나 영상 강화를 위한 영상처리기술과 함께 하이브리드 광학·소나 영상 융합 소프트웨어도 개발하는 성과를 도출했다.
인 / 터 / 뷰
수중 스테레오 비전기술 개발 ‘큰 성과’
한국해양과학기술원 김수미 책임연구원은 “이 연구는 무인자동기술의 작업현장을 가시화하는 기술 개발 연구”라며, “현재 보다 정확한 작업현장에 대한 정보 취득을 위해 수중카메라로 촬영한 영상의 화질을 개선하거나 수중 가시화 센서인 소나와 카메라 데이터를 융합하는 기술 개발이 이뤄지고 있다”고 소개했다.
현재 개발 중인 기술은 소나의 거리정보와 수중영상의 형상·색상 정보를 융합해 관찰대상이나 수중작업 현장을 보다 다양한 정보로 관찰할 수 있는 기술이다.
김 박사는 “지금까지의 연구를 통해 수중 스테레오 비전기술을 개발하고, 이를 활용해 수중에서도 3차원 형상과 색상 정보를 제공하는 가시화 기술 개발에 성공했다”며, “이 기술은 사람이 직접 수중으로 들어가지 않아도 수중 상황을 육상에서 정확하고 다양한 측면에서 확인할 수 있는 기술로 활용 가능하다”고 밝혔다.
이어 “특히, 이 기술은 기존 인력 기반의 수중 조사나 작업의 위험성, 비효율성 개선을 위해 무인자동화 기술 접목이 활발히 이뤄지고 있는 가운데 도출된 결과물인 만큼 향후 무인자동화를 위한 필수기술인 현장 가시화에 기여할 것”이라고 전망했다.
3차원 형상 색상 정보 ‘제공’ 무인자동화 위한 ‘현장 가시화’ 기여
실제로 연구를 통해 선보인 수중스테레오 장비와 수중 소나·영상 융합기술은 항만구조물 무인조사시스템이나 무인시공지원시스템에 탑재할 경우 수중 상황을 육상과 유사한 결과를 도출하는 데 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
김 박사는 “이와 함께 노후화가 많이 진행된 국내 항만구조물의 상태를 기존 인력 기반에서 벗어나 객관적 데이터 기반의 조사와 시간에 따라 축적된 데이터를 통해 상태 변화의 예측도 가능할 것”이라고 예상했다.
이어 “아직은 개발 초기단계로 실해역에 적용할 경우 발생할 수 있는 전력이나 데이터 통신 두절 등과 같은 문제들을 극복하며 실해역에서 활용할 수 있는 수준으로 고도화해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
