자율주행·정밀도로지도의 열쇠 3D Point Cloud
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Ep.28
여러분이 만약 아이나비시스템즈 직원이라면 '정밀도로지도'라는 단어를 아마 수없이 들어보셨을 겁니다.
정밀도로지도를 만들기 위해서는 Point Cloud(점군) 데이터를 수집할 때 주행 방식과 순서까지도 데이터 정밀도에 영향을 미칩니다. 따라서 일정한 주행 방법과 정밀한 측량 기술이 함께 맞물려야 센티미터 단위의 고정밀 Point Cloud 데이터를 제작할 수 있습니다. 정밀도가 확보된 Point Cloud 데이터를 기반으로, 단순한 내비게이션용 지도가 아닌 자율주행차의 ‘눈’과 ‘귀’가 되는 정밀도로지도를 구축할 수 있습니다.
이번 테크블로그에서는 이러한 정밀도로지도를 만들기 위해 핵심이 되는 Point Cloud 제작 기술과 그 과정을 소개하고자 합니다.
정밀도로지도의 뼈대 - MMS 차량이 수집하는 3D 점군 데이터
정밀도로지도 제작은 MMS(Mobile Mapping System) 차량 및 장비 운용에서 시작됩니다. MMS 차량에는 라이다(LiDAR), 카메라, GNSS/INS(위성, 관성항법장치), IMU(관성측정장치), DMI(주행거리측정기) 등 다양한 센서가 결합된 장비가 탑재되어 있어, 주행 중 도로와 주변 환경의 3차원 데이터를 수집할 수 있습니다.
아이나비시스템즈는 정밀도로지도 제작을 위해 MMS 장비를 이미 3년째 운용하고 있는데요. 3년 간의 경험을 바탕으로 이 과정에서 가장 중요하게 생각하는 부분은 장비의 성능(Spec)보다 실제 주행 방법 및 장비 운용 방법입니다. 데이터 수집 중에는 최대한 직진만 가능하도록 불필요한 차선 변경 및 회전을 피해야 합니다. 또한, 주변 차량과의 간섭을 최소화할 수 있는 적정 속도를 유지해 폐색(데이터가 가려지는 구간)을 줄이는 것이 핵심입니다.
1) MMS 차량의 주행 방법장비 운용 시 가장 중요한 요소 중 하나는 관성항법장치(INS)의 초기화 및 마무리입니다. 장비로부터 나온 데이터의 정확도 확보를 위해서는 조사 대상지에서 1km 이상 떨어져 있고 GNSS 위성 수신에 적합한 오픈 스카이(개활지)에서 정차한 뒤, 관성항법장치 초기 정렬을 진행하여야 합니다.
2) MMS 장비 초기 세팅 오픈스카이<데이터 수집 과정>
장비 탑재 및 설정
오픈 스카이(개활지)에서 정차하여 5분 이상 관성항법장치 초기 정렬 진행
데이터 수집(차량 주행)
오픈 스카이(개활지)에서 정차하여 5분 이상 관성항법장치 마무리 정렬 진행
장비 탈거 후 정리
(*TIP : 주행 과정에서 차량이 주/정차하기 힘든 관계로 전날 저녁 8시 이후 금식(배 아픔 방지) 및 주행 전 필히 화장실 이용, 주행 중 음료 및 음식 자제!)
드라이버의 주행 방식과 장비 운용(오퍼레이션)은 초기 세팅 기술만으로도 Point Cloud 데이터의 폐색 구간을 크게 줄이고, 위치 오차를 현저히 줄이는 데 큰 영향을 미칩니다.
또한, 장비의 상태를 최상으로 유지하기 위해서는 주기적인 캘리브레이션이 필수이며, 이를 통해 고품질 데이터를 취득할 수 있습니다.
데이터 후처리 – 상시 기준국과 GNSS-IMU 보정
Point Cloud 제작에 필요한 데이터는 단순 수집만으로는 완성되지 않습니다. 수집 과정에서 GNSS 수신 상태, 위성 연결 상태, 여러 가지 돌발 상황 등 환경적인 변수가 발생할 수 있어 수집된 데이터의 위치 오차가 발생할 수 있기 때문입니다. 따라서 정밀도를 확보하기 위해서는 데이터 수집 이후 후처리 작업을 필수적으로 진행해야만 합니다.
3) MMS 장비로 수집된 데이터의 궤적, PDOP 이미지이 과정에서는 국토지리정보원에서 제공하는 상시 기준국의 RINEX 데이터를 활용합니다. RINEX 데이터는 GNSS 수신기 데이터의 표준 텍스트 포맷으로, 관측 데이터, 위성 궤도, 기상 정보 등 다양한 정보를 포함하고 있습니다.
상시 기준국은 고정된 위치에서 GNSS 위성 신호를 연속적으로 상시 수신 및 저장하여 RINEX 데이터를 제공하는 관측소입니다.
4) 상시 기준국 선정이때 활용할 상시 기준국의 선정 기준은 다음과 같습니다.
상시 기준국 3곳 이상
데이터 수집 구간 반경 30km 내에 포함된 곳
상시 기준국들을 선으로 연결했을 때 데이터 수집 구간이 선 안으로 들어오는 곳
이렇게 선정된 상시 기준국들을 후처리 소프트웨어인 Pospac에서 GNSS, IMU 데이터, DMI 데이터와 비교하고 GNSS/INS 궤적을 보정해 위치 오차를 최소화해 줍니다.
이를 통해, 수집된 GNSS/INS 궤적의 기존 미터 단위 수준에서 센티미터 혹은 수십 센티미터 수준까지 향상되며, 이 정밀한 데이터를 기반으로 Point Cloud 데이터 (점군 데이터)가 생성됩니다.
기준점 측량 – 보이지 않는 정밀도의 비밀
Point Cloud 데이터 제작 과정에서 빼놓을 수 없는 것이 기준점 측량입니다. 기준점은 취득한 점군 데이터의 정밀도를 확보, 검증할 수 있게 만드는 ‘절대 좌표’ 같은 존재죠.
기준점 측량은 도로 한가운데서 이루어지는 위험이 동반되는 작업으로, 사전에 경찰서나 관공서의 허가를 받아 도로의 일부 차선을 통제해야 합니다. 작업자의 안전을 위해 싸인 카(차량 통제 및 유도 차량), 라바콘, 신호수 등 다양한 안전 장비와 전담 인력, 차량이 동원됩니다. 측량은 GNSS 수신기, 토탈스테이션 등 고정밀 장비를 사용해 기준점의 위치를 정밀하게 측정하며, 이때 오차는 일반적으로 3~ 5센티미터 이내로 유지되어야 합니다.
<작업 과정>
기준점 선점은 점군 데이터에서 식별이 가능한 도로 노면 표시의 차선이나 횡단보도 모서리 같은 특징점이 있는 곳을 최대 1km 간격으로 선점해야 합니다.
먼저, 선점한 특징점에 GNSS 수신기를 수평을 맞춰 세웁니다. 1~3분 뒤 해당 지점의 좌표가 수신되면 이 과정을 3~5번 반복하고 다음 위치로 이동하여 같은 작업을 해줍니다
구간 내 선점한 모든 점들의 측량이 완료되면 내부에서 후처리 작업을 해주어야 합니다.
한 점에서 3~5번 취득한 좌표들의 평균값을 계산하여 위치 오차를 줄여주는 작업을 하고, 측량 성과표를 작성해 줍니다.
측량 성과표를 기준으로 신뢰도 있는 좌표들을 Point Cloud 데이터 보정에 사용합니다.
5) 기준점 측량 및 측량 성과표이처럼 고정밀 측량 장비로 확보한 기준점 덕분에, Point Cloud 데이터는 실제 도로와의 오차를 최소화할 수 있으며, 언제 어디서든 신뢰할 수 있는 정밀도로지도 구축에 활용 가능한 수준으로 완성됩니다.
데이터 보정과 정합 – 3D 데이터의 정밀화
6) 카메라 데이터와 Point Cloud 데이터기준점이 준비되면, 데이터 후처리 과정에서 생성된 Point Cloud 데이터(점군 데이터)를 바탕으로 보정·정합 과정이 시작됩니다. Cyclone, RealWorks 같은 Point Cloud 편집 소프트웨어를 활용해, 점군 데이터의 XYZ 좌표와 기준점 좌표를 정확히 맞추고 노이즈 부분을 걸러냅니다.
<보정 과정>
기준점과 점군 데이터들을 비교하여 보정이 필요한 구간 식별
기준점과 동일한 위치의 특징점들을 점군 데이터에서 탐지 및 좌표 추출
기준점과 특징점의 좌표 차이를 계산하여 전체 점군 데이터에 변환 행렬을 적용하고, 수백만 개의 모든 점들이 정확한 절대 좌표를 갖도록 조정
<정합 과정>
기준점과 보정이 끝난 점군 데이터들을 분류
수집 경로를 바탕으로 서로 연결되어야 하는 데이터 식별
식별된 점군 데이터들과 보정된 점군 데이터가 교차되는 부분에서 중복 수집된 특징점들을 탐지하고 해당 좌표들을 추출
중복 특징점들의 좌표를 비교 분석하여 각 점군 데이터의 상대적 위치를 정밀하게 조정
7) 보정·정합 과정이 과정에서 노이즈나 중복 데이터는 걸러지며 1차 보정/정합이 완료된 후에는 육안 검수를 통해 데이터의 정확도와 품질을 확인합니다. 이때, 필요에 따라 보정/정합 과정을 다시 수행해 오차를 더욱 줄입니다.
점군 데이터가 항상 작업자가 원하는 대로 조정되는 것은 아니기 때문에 중요한 것은 한 번의 보정·정합이 아니라, 결과물을 반복적으로 확인하며 계속해서 오차를 줄여 나가는 작업입니다.
8) 보정·정합 완료결과적으로, 기준점을 활용한 보정·정합은 단순한 3D 데이터가 아닌 센티미터 단위 이하의 정밀도를 확보한 Point Cloud 데이터 (점군 데이터)로 거듭나게 되는 것이죠.
최종 검증 – 검사점을 이용한 데이터 정확도 검증 방법
모든 작업이 끝나면, 검사점을 설정해 점군 데이터의 최종 정밀도를 검증하는 작업이 필요합니다. 즉, 점군 데이터가 국토지리정보원 허용 기준인 ±10cm 이내로 정밀한지 확인해야 합니다.
검증을 위해 사전에 별도로 구축해 둔 검사점을 활용합니다. 이미 점군 데이터의 보정·정합 과정에서 측량한 기준점 중, 보정에 사용할 보정점과 정밀도 검증을 위한 검사점을 구분해 두었습니다.
검사점으로 설정된 도로상의 특징점을 점군 데이터에서 식별하고 검사점과 비교 후, 점군 정확도를 검증합니다. 일반적으로 수평 위치 오차(X, Y)와 수직 위치 오차(Z)를 나누어 비교하고, 통계적 지표인 평균제곱근 오차(RMSE), 표준편차, 최대 오차 등을 산출합니다.
9) 점군 정확도 검증만약 검증 결과가 허용 기준(±10cm)을 초과하는 경우, GPS/INS 궤적 데이터의 후처리 과정을 재검토하거나 점군 보정·정합 과정에서의 오차를 수정합니다. (사실.. 이 과정을 반복하는 것보단 데이터 수집 과정부터 다시 시작하는 게 더 빠르고 정확합니다ㅎㅎ) 이러한 검증 절차를 통해 최종적으로 신뢰할 수 있는 점군 데이터가 완성됩니다.
마지막으로 도화 속성 작업을 통해, 도로의 실제 모습을 정밀도로지도 위에 그려내게 됩니다.
10) 정밀도로지도마치며
정밀도로지도는 단순한 길 안내용 지도가 아닙니다. 이렇게 수많은 시간과 복잡한 과정을 거쳐 완성된 이 지도가 있기에, 언젠가 우리 모두가 지친 하루를 마치고 녹초가 되었을 때, “퇴근하자”라는 한 마디로 집까지 편안하고 안전하게 돌아갈 수 있는 날이 올 것입니다. 그날, 모든 자율주행차가 아이나비시스템즈의 정밀도로지도를 기반으로 달리고 있기를 기대해 봅니다.
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by 아이나비시스템즈 모빌리티Map3팀 박용권, 배준호
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