KR100290147B1 - 낙뢰영상 촬영방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낙뢰영상 촬영방법 및 장치에 관한 것으로, CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 이용하여 연속적으로 촬영된 영상을 바로 소멸시키지 않고 전자소자인 반도체메모리로 구성된 메모리페이지를 수십 페이지를 통과시킨 후 소멸되도록 하여 촬영된 영상이 바로 소멸되지 않고 일정시간동안 유지되도록 함으로써 순각적으로 빛을 발하고 소멸되는 특성을 가진 낙뢰를 보다 효율적으로 촬영할 수 있도록 한 낙뢰영상 촬영방법 및 장치이다.

Description

낙뢰영상 촬영방법 및 장치

본 발명은 낙뢰영상 촬영방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 시시디(CCD : Charge Coupled Device; 이하 CCD 라 함) 카메라를 이용하여 연속적으로 촬영된 영상을 바로 소멸시키지 않고 전자소자인 반도체메모리로 구성된 메모리페이지를 수십 페이지를 통과시킨 후 소멸되도록 하여 촬영된 영상이 바로 소멸되지 않고 일정시간동안 유지되도록 함으로써 순각적으로 빛을 발하고 소멸되는 특성을 가진 낙뢰를 보다 효율적으로 촬영할 수 있도록 한 낙뢰영상 촬영방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 인간이 자연재해로부터 피해를 최소화하기 위해서는 자연현상을 오랜 시간 동안 감시하고 조사하여 이에 대비해야 한다. 이러한 자연현상 중에 낙뢰는 매우 중요한 자연현상중의 하나이다.

현재 신문지상이나 잡지 등에 실리는 낙뢰사진은 외국의 것과 카메라로 직접 사람이 찍은 사진이다.

그러나 공학적으로 낙뢰는 떨어지는 형태가 매우 중요한 요소이다. 한가지 예를 들면, 낙뢰가 떨어지면서 얼마나 수평으로 이동하는 정도는 전력을 전송하는 송전선의 지지물 설계에 중요한 요인으로 작용하여 경제적인 설계에 큰 영향을 미치게 된다. 또한 피뢰기 설계의 중요한 요인이 되므로 낙뢰의 관측에는 빈도, 낙뢰의 크기, 낙뢰의 전기적 파형, 낙뢰의 형태가 중요한 요인이다.

현재 국내에서는 외국에서 제조된 낙뢰표정시스템이라는 계측장비를 이용하여 빈도와 파형의 관측이 몇 년전부터 이루어지고 있으나 낙뢰를 영상으로 잡는 관측에 관한 연구나 시도는 수행되지 않고 있다. 또한 외국의 경우, 특히 일본에서는 단순한 광센서를 이용한 측정장비를 일본처럼 낙뢰가 많은 나라에서도 거의 측정하지 못하는 실정이다.

도 1 은 종래의 기술에 따라 낙뢰영상을 촬영하는 방법의 일실시예를 도시한 도면이다.

상기 도면을 참조하면, 종래에는 낙뢰를 촬영하기 위해 필름을 넣고 촬영하는 일반 카메라(1)을 이용하는 방법을 사용하고 있다. 일반용 카메라(1)를 자동으로 셔터를 조작하여 필름에 영상을 담는 방법이다. 자동으로 셔터를 제어하기 위해서 포토다이오우드와 같은 광센서(3, 11)를 2개 설치하여 하나는 주변밝기를 센싱하고, 다른 하나는 섬광을 감지하도록 설계하여 이신호를 광/전 변환기(5, 9)를 통한 후 비교하여 그 차이가 크면 카메라를 동작시키는 방법을 사용하고 있다.

그러나 이 방법은 낙뢰의 섬광이 지속되는 시간보다 처리하는 시간이 길어 낙뢰 영상을 촬영하기는 상당히 어렵다. 일본과 국내에서도 이방법으로 촬영을 시도하고 있으나 성공한 사례는 발표되지 않고 있다.

즉 상기한 종래의 기술은 광센서에서 낙뢰가 떨어지면서 발하는 빛을 감지하여 이를 다시 카메라의 버튼을 누르는 기술로서, 이 경우 낙뢰가 연속으로 몇 번 떨어지는 순간에는 포착이 가능하지만 실제적으로 짧은 시간 내에 연속적으로 낙뢰가 같은 지점에 떨어지는 경우는 극히 드물다.

즉 카메라가 광센서에서 신호를 받아 카메라를 동작시키기 전에 이미 낙뢰의 빛은 사라지기 때문에 상기한 종래의 기술로서는 낙뢰의 영상을 포착하는 것이 극히 어려운 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 빠른 낙뢰현상을 촬영하기 위한 낙뢰영상 촬영방법 및 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 많은 분량의 영상을 짧은 시간에 저장할 수 있는 전자소자인 메모리로 영상을 작은 화소로 쪼개어 메모리 페이지에 넣는 방법을 이용하여 낙뢰의 형태를 자동으로 감지하고, 이를 자동 촬영함에 의해 전력의 안정적인 전송, 낙뢰피해의 최소화, 기상관측 등에 이용되는 중요한 정보를 제공하는 낙뢰영상 촬영방법 및 장치를 제공함에 있다.

도 1 은 종래의 기술에 따른 낙뢰 촬영방법을 도시한 개략도

도 2 는 본 발명의 방법에 따른 낙뢰 촬영방법을 설명하기 위한 개략도

도 3 은 본 발명의 방법에 따른 낙뢰영상 촬영장치의 구성을 도시한 개략도

도 4 는 본 발명의 방법에 따라 낙뢰영상을 촬영하기위한 플로우 챠트

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 일반 카메라

3,11,22: 광센서 21 : CCD 카메라

23 : 영상 이진화 제어부 24 : 영상 이진화 모듈부

5,9,25 : 광/전 변환기 26 : 낙뢰영상 판정 알고리즘부

27 : 낙뢰영상 판정부 28 : 영상 페이지

29 : 영상 지연 시스템부 30 : 영상 저장 시스템부

31 : 출력부 32 : 정보 제공 시스템부

33 : 센서부 제어기 34 : 이산화기(digitizer)

35 : 영상 페이지 제어부 36 : MPU 부

37 : 연산 처리부 38 : 확률적 처리부

39 : 광신호 처리부 40 : 저정 및 출력 제어부

41 : 출력부 42 : 모니터

43 : 하드 메모리부 44 : 영상페이지 모듈

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 낙뢰영상 촬영방법은,

순간적으로 나타났다 소멸되는 자연계 혹은 인공적인 현상을 일반적인 CCD 카메라로 연속적으로 촬영하는 단계와,

상기 촬영된 영상을 디지털화하여 영상 데이터로 만드는 단계와,

상기 영상 데이터를 전자소자인 메모리 소자로 구성한 다수의 메모리페이지를 통과시키는 단계와,

연속적으로 촬영한 영상 데이터가 다수의 영상페이지를 통과하는 동안 촬영한 영상이 원하는 영상인가를 판정하는 단계와,

원하는 영상으로 판정된 경우, 상기 영상 데이터가 메모리페이지를 하나씩 이동하는 것을 중지하여 필요한 영상을 하드웨어에 저장하며, 필요한 영상을 프린트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 낙뢰영상 촬영장치는,

순간적으로 나타났다 소멸되는 자연계 혹은 인공적인 현상을 연속적으로 촬영하는 CCD 카메라와,

자연계의 현상으로 발생되는 빛을 흡수하여 일상적인 상태의 빛과 섬광시의 빛을 비교하여 새로운 광원에 의한 빛이 입사되었음을 판단하는 광센서와,

상기 CCD 카메라에 의해 촬영된 영상 정보를 이산화시키는 이산화기와,

상기 이산화된 영상 정보를 기 입력된 일상적인 영상 데이터와 비교하여 낙뢰영상인지의 여부를 판단하는 확률적 알고리즘을 처리하는 연산 처리부와,

상기 연산 처리부에 의해 낙뢰영상인 것으로 판정된 경우, 상기 영상정보를 메모리에 저장 및 출력하는 저장 및 출력 제어부를 포함한 구성으로 된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 본 발명의 낙뢰영상 촬영방법은 많은 분량의 정보를 짧은 시간에 저장할 수 있는 전자 메모리 소자로 영상을 작은 화소로 쪼개어 메모리 페이지에 넣는 방법으로서, 예를 들어 메모리페이지를 약 30페이지를 만들어 0.01초마다 저장할 경우, 한번 찍은 영상은 0.01초 × 30 = 0.3초 동안 메모리 페이지를 거처 소멸되게 되고, 0.3초 내에 낙뢰 파형인지를 마이크로프로세서(Microprocessor)가 확률적으로 계산하여 메모리페이지의 이동을 중지하고 컴퓨터의 하드웨어에 영상을 저장하는 방법인 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 낙뢰 촬영방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 4 는 본 발명에 따른 낙뢰영상의 촬영방법을 도시한 도면으로서,

도 2 는 본 발명의 방법에 따라 낙뢰를 촬영하기 위한 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이고,

도 3 은 본 발명의 방법에 따라 낙뢰영상을 촬영하기 위한 장치의 하드웨어 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 2 와 도 3 을 참조하면,

본 발명에서 사용하는 CCD 카메라(21)는 순간적으로 나타났다 소멸되는 자연계 혹은 인공적인 현상을 연속적으로 촬영하여 상공을 감시하는 역할을 하는 것으로, 일반 제품화된 CCD카메라이다. 촬연된 영상을 연속적으로 영상 이산화기(Digitizer)(34)에 전달한다.

상기 이산화기(34)는 전달된 연속적인 영상 각각의 화소를 디지털화 하여 화소의 개수를 충분히 수용할 수 있도록 설계된 메모리페이지(28)에 매핑(mapping) 된다. 이 영상페이지는 본 발명의 가장 중요한 부분이며 착안사항이다. 이산화된 영상신호를 일반적으로 사용하는 하드디스크에 저장하려면 상당한 처리시간이 요구되므로 빠른 영상을 포착하기 어렵다. 그러므로 일반 범용의 메모리소자인 RAM을 사용하여 이산화된 영상을 저장할 수 있도록 하는 것이다. 이처럼 RAM에 저장하는 시간은 하드디스크에 저장하는 시간과 비교하면 거의 무시할 정도로 작으므로 빠른 영상을 저장하기에 충분하다.

이때 상기 매핑된 영상은 즉시 소멸되는 것이 아니고 일정한 짧은 시간 후에 새로운 메모리페이지로 전송된 후, 제작된 메모리페이지 수만큼 계속적으로 이동한 후에 소멸된다. 이것은 시간적으로 한번 촬영된 영상을 지속시키는 아주 중요한 역할을 담당하게 된다. 이러한 역할은 영상페이지제어부(35)에서 행한다. 실제로 구성에 있어서는 취득된 영상을 다음페이지로 이동시키지 않고 페이지를 번호를 순차적으로 증가시키면서 저장하는 방법을 선택함으로서 영상이 처음 페이지부터 마지막페이지까지 이동하는 것과 똑같은 효과를 얻도록 한다.

이방법은 범용메모리소자와 범용의 프로세서로 구성가능하지만 기능적인 측면에서는 성능이 우수하다. 범용소자와 범용프로세서를 구성이 가능하므로 저가로 제작이 가능하면서도 우수한 성능을 갖는 방안이다.

앞에서의 설명과 같이 본 발명은 한번 촬영된 영상이 즉시 소멸되지 않는 현상을 이용하여 촬영을 하는 것으로, 촬영된 영상의 각각의 화소를 확률적인 방법에 의해 낙뢰현상인지를 분석하고, 또한 광센서(22)에서 출력을 조합하여 낙뢰 파형이라고 판단이 되면, 각각의 메모리페이지(28)에 보관되어 있는 영상을 연결된 컴퓨터 하드메모리(43)에 영구 보존하도록 저장한다.

물론 확률적인 계산시간과 광센서(22)의 출력처리시간이 다소 존재하기 때문에 메모리페이지 1번이나 2번에는 낙뢰현상이 없을 것이지만 적어도 제작된 메모리페이지 중에 영상 데이터를 지니고 있기 때문에 충분히 촬영이 가능하게 된다.

한편, 상기 도 3 에 있어서, 광센서(22)는 빛을 흡수하는데 있어서, 포토 트렌지스터(photo transistor)와 비교하여 상대적으로 빠른 동작 속도를 갖는 광 다이오드(photo diode)를 사용하여 일상적인 상태의 빛과 섬광시의 빛을 비교하는 방식으로 새로운 광원에 의한 빛이 입사되었음을 판단한다.

이때, 상기 광센서(22)에서 얻어진 신호는 센서부 제어기(33)로 보내져 확률적 알고리즘을 처리하는 연산 처리부(37)을 작동시키는 인터럽트(interrupt) 신호로 작용한다. 이 연산처리부는 인터럽트 신호를 받아 소프트웨어로 처리되는 낙뢰특성을 판단하게 된다.

상기 센서 제어기(33)는 빛의 속도를 감지하여 얼마나 강한 빛이 수광되었는지 판단하고, 확율적 알고리즘의 결과 낙뢰의 크기가 화면에 꽉차는지 그렇지 않은가를 판단하여 카메라(21)의 줌을 제어하는 동작을 행하는 부분이다.

여기서 사용하는 카메라(21)는 CCD 카메라를 사용하여 촬영된 영상을 연속적인 이산화(digitizing)화 하는 과정을 거쳐 각각의 화소에 대응하는 정보를 센서부 제어기(33)에 전달하는 역할을 한다. 또한 상기 카메라(21)는 낙뢰가 떨어지지 않는 경우에도 늘 동작하여 영상을 전달한다.

그리고 상기에서 사용되는 광센서(22)는 빛의 순간변화를 감지하여 낙뢰에 의한 빛의 변화인지를 판정부에 알려준다. 그러나 광센서(22)는 낙뢰에 의한 빛뿐만이 아니라 인공적인 빛의 변화에도 감응되는 사례가 있을 수 있으므로, 상기와 같이 상황이 발생하게 되면, 사용된 컴퓨터의 하드디스크의 용량은 짧은 시간 내에 포화되어 실제 낙뢰의 영상을 저장하는데 실패하게 될 것이다.

상기와 같은 오동작을 막기 위해 카메라(21)로부터 전송된 화상 테이터(data)는 이미 작성된 연산처리부(37)를 가동시켜 낙뢰의 특성을 갖고 있는지를 판별하는 작업을 마이크로프로세서(Micoprocess ; 이하 MPU 라 함)(36)에서 판단한다.

상기와 같은 알고리즘은 같은 위치의 화소에 대응하는 이진값의 변화율을 계산하여 각각의 화소가 얼마나 많은 밝기 변화를 하였는가를 확률적으로 계산하고, 확률적으로 변화가 크다고 해서 전송된 영상이 낙뢰영상이라는 당위성은 성립되지 않으므로 위에서 아래로 화소가 연결되어있는가, 또한 갈라짐이 있는가 등의 낙뢰특성을 계산하여 낙뢰영상이라고 판단되면 영상페이지 제어부(35)에 판단결과를 전달하고, 영상 메모리 페이지 모듈(9)의 영상이동을 중지시키고 각각의 페이지영상을 컴퓨터의 하드웨어메모리(43)에 영구저장하게 된다.

이후 사후처리로 몇번 저장했는가의 신호를 확인자에 알려 줄 수 있도록 저장하고 메모리페이지와 전시스템을 처음의 상태로 리셋(reset)한 다음, 다음의 파형에 대비한다.

도 4 는 본 발명의 낙뢰 촬영방법에 따른 플로우 챠트이다.

상기 도면을 참조하여 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 본발명에서의 가장 중요한 개념은 짧은 시간내에 소멸되는 영상신호를 바로 소멸시키지 않고 수십장의 메모리페이지를 거쳐 소멸하도록 하는 것이다. 이렇게 하면 영상신호가 여러개의 메모리페이지를 거치는 동안은 소멸되지 않으므로 이 시간동안 낙뢰영상인지를 판단하여 이동을 중지하고 하드웨어에 저장하는 것이다.

상기 도 4를 참조하면, 낙뢰관측용 CCD 카메라(21)와 영상 이진화 제어(23)는 1초에 60회이상의 영상을 이산화 한다. 연구보고서와 논문 등의 자료에 의하면 낙뢰가 빛을 발하는 시간은 최대 200msec 정도를 지속하는 것으로 관측되고 있다. 그러므로 1초에 60개의 영상을 처리한다면 1개의 영상에 걸리는 시간은 약 16msec 정도이므로 낙뢰의 발생부터 진전되는 현상까지도 촬영가능하다. 이것은 학술적으로도 산업적으로도 매우 중요한 정보가 될 수 있다.

상기 광센서(22)는 현재의 대기의 밝기와 순간적인 밝기를 비교하는 종래의 방식을 그대로 응용할 수 있고, 광센서(22)의 출력신호는 영상 이진화 제어(23)에 의한 변환과정(5)을 거치면서 광신호에서 전기적인 신호로 바뀌어 영상 판정 알고리즘(6)에 전달된다. 상기 신호가 영상 판정 알고리즘(6)에 전달되면 즉시 확률적인 통계알고리즘에 의한 영상특성을 낙뢰의 특성과 일치하는지를 판정하고, 갈라짐과 같은 낙뢰파형의 특성과 비교하여 낙뢰 영상 판정(7)을 영상페이지 제어모듈(8)에 전달한다.

영상 이진화 모듈(4)은 상시로 동작하여 영상정보를 낙뢰 영상 판정 알고리즘(6)과 영상지연 시스템(9)으로 전달한다. 영상지연 시스템(9번)에 전달된 영상정보는 수십페이지의 영상페이지로 구성된 메모리를 거친 후 소멸된다.

예컨데, 만약 하나의 영상정보가 17ms후에 다음페이지로 이동하도록 제작하고, 영상 페이지를 200페이지를 제작할 경우, 영상정보를 보유하게 되는 시간은 200×17=3400[ms], 즉 3.4초가 되고, 이는 결국 순간적으로 생성되었다가 소멸되는 낙뢰영상을 3.4초나 잡아두게 되는 결과를 얻게된다. 상기에서 ″3.4 초″라는 시간은 영상판정알고리즘을 계산하는 충분한 시간을 마련해 준다. 이것이 본 발명의 가장 중요한 개념이다.

또한, 영상페이지 제어모듈(28)은 200개이상의 메모리 영상페이지로 이루어진 영상지연시스템(29)을 제어하게 된다.

일단, 영상 이진화 모듈(24)에서 영상 지연 시스템(29)으로 영상정보가 전달되면 200개의 영상페이지를 거치면서 영상정보는 소멸하게 된다. 이때 실제로는 영상 지연 시스템(29)으로 입력된 영상이 200개 각각의 페이지를 이동하는 것이 아니라 제어모듈(28)에 의해서 입력된 영상정보를 번호가 부여된 페이지에 순차적으로 전송함으로서 마치 입력된 영상이 200개의 영상페이지를 이동하는 역할을 수행하게 된다.

한편, 낙뢰영상판정부(27)에서 낙뢰영상이라는 판정이 내려지면 영상 이진화 제어부(23)와 영상 지연 시스템(29)의 동작은 중단되고, 영상 지연 시스템(29)의 영상이 10번의 영상저장시스템으로 저장된다. 이렇게 저장된 200개의 영상은 다시한번 낙뢰 영상 판정 알고리즘(26)을 거쳐 낙뢰 영상이라고 판단된 영상만을 저장하고 프린트(31)로 출력하고, 정보제공시스템(32)에 시간, 저장한 영상갯수등을 저장한다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 CCD 카메라를 이용하여 연속적으로 촬영된 영상을 바로 소멸시키지 않고 전자소자인 반도체메모리로 구성된 메모리페이지를 수십 페이지를 통과시킨 후 소멸되도록 하여 촬영된 영상이 바로 소멸되지 않고 일정시간동안 유지되도록 함으로써, 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 자연재해를 발생하는 낙뢰의 영상을 포착하여 분석함으로서 기상관측, 전력전송, 피뢰침 설계 등의 기본자료로 사용한다.

둘째, 순간적으로 나타났다가 없어지는 자연계 및 인공적 현상을 포착하고 저장 가능하다.

셋째, 확률적 통계처리와 새로운 알고리즘을 개발하고 카메라의 줌(zoom)기능을 제어하는 기능을 통하여 움직이는 물체를 추정하는 시스템에 이용될 수 있고 이것은 무인으로 운전되는 댐, 변전소등의 감시에 응용 가능하다.

Claims (5)

1. 낙뢰영상 촬영방법에 있어서,

   순간적으로 나타났다 소멸되는 자연계 혹은 인공적인 현상을 일반적인 CCD 카메라로 연속적으로 촬영하는 단계와,

   상기 촬영된 영상을 디지털화하여 영상 데이터로 만드는 단계와,

   상기 영상 데이터를 전자소자인 메모리 소자로 구성한 다수의 메모리페이지를 통과시키는 단계와,

   연속적으로 촬영한 영상 데이터가 다수의 영상페이지를 통과하는 동안 촬영한 영상이 원하는 영상인가를 판정하는 단계와,

   원하는 영상으로 판정된 경우, 상기 영상 데이터가 메모리페이지를 하나씩 이동하는 것을 중지하여 필요한 영상을 하드웨어에 저장하며, 필요한 영상을 프린트하는 단계를 포함하는 낙뢰영상 촬영방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연속적으로 촬영된 영상 데이터는 반도체메모리로 구성한 영상메모리페이지를 거쳐 순차적으로 거쳐 소멸되게 하되, 상기 영상 데이터 각각의 페이지에 번호를 부여하고 순차적으로 영상 데이터를 메모리페이지에 저장하는 것을 특징으로 하는 낙뢰영상 촬영방법
3. 낙뢰 영상 촬영장치에 있어서,

   순간적으로 나타났다 소멸되는 자연계 혹은 인공적인 현상을 연속적으로 촬영하는 CCD 카메라와,

   자연계의 현상으로 발생되는 빛을 흡수하여 일상적인 상태의 빛과 섬광시의 빛을 비교하여 새로운 광원에 의한 빛이 입사되었음을 판단하는 광센서와,

   상기 CCD 카메라에 의해 촬영된 영상 정보를 이산화시키는 이산화기와,

   상기 이산화된 영상 정보를 기 입력된 일상적인 영상 데이터와 비교하여 낙뢰영상인지의 여부를 판단하는 확률적 알고리즘을 처리하는 연산 처리부와,

   상기 연산 처리부에 의해 낙뢰영상인 것으로 판정된 경우, 상기 영상정보를 메모리에 저장 및 출력하는 저장 및 출력 제어부를 포함한 구성으로 된 것을 특징으로 하는 낙뢰영상 촬영장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 광센서는 포토 다이오드를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 낙뢰영상 촬영장치
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 센서 제어기는 수신된 빛의 속도 및 세기를 판단하고, 수신된 낙뢰의 크기가 화면의 크기에 적합하도록 상기 카메라의 줌을 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 낙뢰영상 촬영장치