KR100341826B1 - 해상 폭발고도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상 폭발고도 측정 장치에 관한 것으로 특히, 단안 비디오 카메라를 이용하여 폭발 장면을 획득 및 기록하고 그 영상의 기하학적 정보를 자동 및 반자동으로 인식하여 폭발 고도를 산출하도록 함에 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 줌 렌즈(111)를 장착하여 원거리 물체의 상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하기 위한 CCTV 카메라로 이루어지는 영상 촬영부(110)와, 이 영상 촬영부(110)에서 촬영한 영상을 화면에 표시하기 위한 영상 표시부(130)와, 음성에 의한 시험탄 고유번호와 상기 영상 촬영부(110)에서의 전기적 신호를 테이프(141)에 기록하기 위한 영상 기록부(140)와, 상기 영상 촬영부(110)에서의 전기적 신호를 상기 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)에 맞게 변환하여 그 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)로 전송하기 위한 영상 변환부(120)와, 상기 저장매체(141)에 기록된 영상 데이터를 재생하기 위한 영상 재생부(160)와, 이 영상 재생부(160)에서의 재생 영상신호를 보조기억장치에 저장한 후 처리하여 해상 폭발 고도를 산출하기 위한 폭발고도 연산부(170)로 구성한다.

Description

해상 폭발고도 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING HEIGHT OF BURST FUSE ON THE SEA}

본 발명은 폭발고도 측정에 관한 것으로 특히, 해상 폭발고도 측정 장치에 관한 것이다.

해상 근접신관은 고폭탄을 사용하므로 폭발시 짧은 순간에 빛, 열, 폭음 그리고 화염과 파편을 비산시켜 해상에 수초간 물기둥을 형성시킨다.

해상 근접신관의 폭발고도는 폭발 중심점에서 연직 하방 해수면까지의 수직 직선 길이로 정의되며, 신관의 성능을 계측하기 위한 중요한 요소중 하나이다.

이러한 해상 근접신관의 폭발고도를 계측하기 위한 기법으로는 영상 경위의(EOTS ; Electro-Optical Tracking System)를 이용한 사면체의 삼각 측량법이 있다.

그러나, 해상 근접신관은 사격중 표적 영역내에서의 예상 폭발 위치가 정확하지 않고 폭발이 원거리의 해상에서 이루어지므로 근접 계측이 곤란하며 해무, 파도등 기상 상태도 계측에 많은 영향을 주므로 계측에 많은 어려움이 있다.

또한, 종래의 영상 경위의를 이용한 측량법은 짧은 사거리의 경우 폭발 영상 추적율이 비교적 낮고 광학 장비를 사용하여 자료 처리에 많은 시간이 소요되며 비싼 필름 비용등 비경제적인 문제가 있다.

따라서, 원격 계측이 가능한 고배율의 줌렌즈를 장착한 영상 획득 장치가 요구되고 폭발 영상의 녹화 조건은 폭발 현상의 순간성으로 인하여 영상 기록 밀도가 매우 높은 기록 매체를 사용하여야 하며 비디오 카메라의 위치는 해무와 파도의 영향을 덜 받는 높은 위치가 요구됨을 알 수 있다.

이에, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 단안 비디오 카메라를 이용하여 폭발 장면을 획득 및 기록하고 그 영상의 기하학적 정보를 자동 및 반자동으로 인식하여 폭발 고도를 산출하도록 창안한 해상 폭발고도 측정 장치를 제공함에 목적이 있다.

도1은 본 발명의 실시예를 위한 장치의 블럭도.

도2는 핀홀 사영 모델을 보인 예시도.

도3은 본 발명에서의 해상 폭발고도 계측을 위한 신호 흐름도.

도4는 본 발명에서 Unsharp masking 처리를 위한 신호 흐름도.

도5는 도4의 처리 결과를 보인 예시도.

도6은 본 발명에서 기준물체의 모서리 인식을 위한 예시도.

도7은 본 발명에서 폭발중심점 인식을 보인 예시도.

도8은 본 발명에서 밝기값 히스토그램의 파형을 보인 예시도.

도9는 본 발명에서 영역 분리도의 파형을 보인 예시도.

도10은 본 발명에서 폭발중심점 인식을 위한 동작 순서도.

도11은 본 발명에서 해수면 영상의 처리 순서에 따른 영상의 예시도.

도12는 도11에서 해수면과 허프 공간 파라미터의 관계를 보인 예시도.

도13은 본 발명에서 해수면 인식을 위한 동작 순서도.

도14는 소벨 연산에 의한 해수면 윤곽선 검출을 보인 신호 흐름도.

도15는 영상 공간과 허프 공간의 관계를 보인 예시도.

도16은 본 발명에서 허프 변환 처리를 보인 동작 순서도.

도17은 본 발명에서 폭발고도의 최소 거리 산출은 위한 예시도.

도18은 본 발명에서 폭발고도 오차의 보정을 위한 예시도.

도19는 본 발명에서 산출 예상 오차를 보인 표.

도20은 본 발명에서 신관 시험시 계측 결과를 보인 표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

110 : 영상 촬영부 120 : 영상 변환부

130 : 영상 표시부 140 : 영상 기록부

160 : 영상 재생부 170 : 폭발고도 연산부

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 원거리의 기준물체 및 폭발영상을 촬영하기 위한 영상 촬영부와, 상기에서 촬영한 영상을 화면에 표시하기 위한 영상 표시부와, 음성에 의한 시험탄 고유번호와 상기에서의 촬영 영상을 저장매체에 기록하기 위한 영상 기록부와, 상기 영상 촬영부에서의 전기적 신호를 상기 영상 표시부 및 영상 기록부에 적합하게 변환하여 전송하기 위한 영상 변환부와, 상기 저장매체에 기록된 영상 데이터를 재생하기 위한 영상 재생부와, 기준 물체 및 폭발 영역과 상기 영상 촬영부사이의 거리를 측정하는 거리 측정기와, 기준물체의 실제 크기, 기준물체와 상기 영상 촬영부간의 거리, 폭발영역과 상기 영상 촬영부간의 거리를 입력시키는 수단과, 상기에서의 재생 영상신호를 보조기억장치에 저장한 후 그 저장된 영상신호를 프레임단위로 처리하여 폭발영상중 화염 영상의 중심점 및 해수면을 추출하고 그 추출된 영상의 중심점과 해수면사이의 길이를 산출하여 상기에서 입력된 기준물체의 실제 크기, 기준물체와 상기 영상 촬영부간의 거리, 폭발영역과 상기 영상 촬영부간의 거리와 연산함에 의해 해상 폭발 고도를 산출하기 위한 폭발고도 연산부로 구성함을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 기준물체와 비디오 카메라 렌즈사이의 거리를 측정하는 단계와, 기준물체 영상 및 신관 폭발 영상을 촬영하면서 비디오 카메라 렌즈로부터 폭발점까지의 거리를 측정하는 단계와, 상기에서 촬영된 영상에 대해 전처리를 수행하는 단계와, 상기에서 전처리된 기준물체의 화소길이를 산출하는 단계와, 상기에서 전처리된 폭발 영상으로부터 폭발중심점을 검출하는 단계와, 상기에서 전처리된 폭발 영상으로부터 폭발 해수면을 검출하는 단계와, 상기 폭발 중심점에서 물기둥 하단 해수면까지의 화소길이를 산출하는 단계와, 폭발중심점에서 물기둥 하단 해수면까지의 화소 길이, 카메라 렌즈에서 폭발중심점까지의 거리, 기준 물체와의 거리, 기준 물체의 화소길이를 연산하여 폭발 고도를 산출하는 단계와, 상기에서 산출된 폭발 고도의 오차를 보정하는 단계를 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 실시예를 위한 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 14Km의 원거리의 탄착 지점을 한 화면에 담을 수 있는 600mm 배율의 줌 렌즈(111)를 장착하여 원거리 물체의 상을 촬영하고 그 촬영된 영상을 전기적 신호로 변환하기 위한 영상 촬영부(110)와, 이 영상 촬영부(110)에서 촬영한 영상을 화면에 표시하기 위한 영상 표시부(130)와, 음성에 의한 시험탄 고유번호와 상기 영상 촬영부(110)에서의 전기적 신호를 테이프(141)에 기록하기 위한 영상 기록부(140)와, 상기 영상 촬영부(110)에서의 전기적 신호를 상기 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)에 맞게 변환하여 그 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)로 전송하기 위한 영상 변환부(120)와, 상기 영상 촬영부(110), 영상 변환부(120), 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(150)와, 상기 저장매체(141)에 기록된 영상 데이터를 재생하기 위한 영상 재생부(160)와, 이 영상 재생부(160)에서의 재생 영상신호를 보조기억장치에 저장한 후 자료처리 프로그램에 의해 프레임단위로 처리하여 해상 폭발 고도를 산출하고 그 산출된 폭발 고도값을 인쇄하거나 씨디(CD)에 저장하기 위한 폭발 고도 연산부(170)로 구성한다.

상기 영상 촬영부(110)는 41만 화소 이상의 영상 센서를 구비하는 단안 비디오 카메라로 구성한다.

상기에서 영상 촬영부(110), 영상 변환부(120), 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)는 하나의 CCTV 카메라에 내장하여 구성할 수 있다.

상기 영상 재생부(160)는 죠그/셔틀(jogg-shuttle) 브이씨알로 구성한다.

상기 영상 처리부(170)는 개인용 컴퓨터(PC)로 구성하며, 영상 재생부(160)에서의 재생 신호를 보조기억장치에 기록하기 위한 프레임 그래버(frame grabber)(171)를 포함하여 구성한다.

이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 비디오 영상을 이용한 폭발 고도 계측 원리를 설명하면 다음과 같다.

기준 물체 및 폭발 화상을 촬영하기 위한 영상 촬영부(110)는 줌 렌즈(111)를 장착한 CCTV 카메라로서, 영상 획득은 기본적으로 핀홀(pin-hole)과 평면으로 이루어지는 평면 사영 원리에 의해 이루어진다.

즉, 도2와 같이 임의의 공간상의 한점()의 핀홀 중심점()에 의한 중심을으로 갖는 사영 평면에의 사영점 좌표를라 할 때 피사영점으로부터 핀홀까지의 거리가 크다고 가정하면이므로가 되어 피사영점()와 사영점()의 y좌표()와의 관계는 아래 식(1)과 같이 표시된다.

----- (1)

이때, 도3과 같은 사영 모델을 CCTV 카메라인 영상 촬영부(110)의 광학계에 구비되는 줌 렌즈(111)와 고체 촬상 소자(CCD)로 대응시키면 핀홀은 줌 렌즈(111)에 대응되고 사영평면은 고체 촬상 소자(CCD)의 평면에 대응되며 피사영점은 영상면 상의 한점에 대응된다.

따라서, 해상 폭발고도를, 폭발중심점에서 물기둥하단 해수면까지의 화소수를, 카메라 렌즈에서 폭발중심점까지의 직선거리를, 기준물체의 거리를, 기준물체의 화소길이를, 기준물체의 실측 길이를이라 하고 카메라 줌상태, 초점거리(focal length) 및 프레임 그래버(frame grabber)의 정지영상 방향비(aspect ratio)등을 결정짓는 복합 영상획득 파라미터를라고 하면 폭발영상 촬영시의 고체 촬상 소자(CCD) 평면 사영식은 식(2)와 같이 표현되고, 기준물체 영상 촬영시의 CCD 평면 사영식은 식(3)과 같이 표현된다.

------ (2)

------- (3)

여기서, 카메라 렌즈로부터 폭발 중심점까지의 직선 거리()는 레이저 거리 측정기(Laser Range Finder)로 측정한다.

이에 따라, 식(2)(3)으로부터 복합 영상획득 파라미터()를 제거하면 아래 식(4)와 같은 폭발고도() 산출식을 얻을 수 있다.

----- (4)

즉, 상기의 폭발고도() 산출을 위한 과정은 도3의 신호 흐름과 같이 이루어진다.

한편, 영상 획득 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 투영평면 특성인자를 구하기 위하여 별도의 기준물체를 설치하고 그 기준 물체의 실제 높이를 측정함과 아울러 그 기준 물체와 CCTV 카메라사이의 거리를 측정하게 된다.

여기서, 기준물체로는 해상에 고정 설치된 상하단 길이 10.7m의 이표등대의 철구조물을 사용한다.

그리고, 관측위치에서 기준물체까지의 거리는 신관의 폭발 지점과 유사하도록 조정하는데, 레이저 거리 측정기(Laser Range Finder)로 정밀 측정한 결과 3,490m이다.

이 후, 영상 촬영부(110)를 이용하여 기준 물체의 영상을 획득하면 영상 변환부(120)에서 영상 표시부(130) 및 영상 기록부(140)에 적합한 신호 형태로 변환되어 상기 영상 표시부(130)의 화면에 표시되며 아울러 특정 기록 키가 입력된 경우 상기 영상 기록부(140)가 테이프와 같은 저장매체에 기록하게 된다.

이 후, 폭발 영상을 획득하기 전에 각 시험탄을 구분하기 위해 음성에 의하여 시험탄의 고유번호를 입력하면 영상 기록부(140)가 저장 매체에 기록한다.

이 후, 폭발 시간의 소정 시간전부터 촬영/녹화 기능을 온시키면 폭발 영상이 포착되도록 방향과 줌렌즈(111)의 배율이 조정되어 있는 영상 촬영부(110)가 촬영 범위의 영상을 획득하고 영상 변환부(120)를 통해 영상 표시부(130)에서 획득된 영상이 표시되면서 동시에 영상 기록부(140)에 의해 획득 영상이 저장 매체에 기록되어진다.

그리고, 폭발이 발생되면 영상 촬영부(110)에 의해 폭발 영상이 획득됨과 동시에 레이저 거리 측정기(Laser Range Finder)에 의해 신관 폭발 초기에 폭발 지점과 촬영 지점사이의 거리가 측정되어진다.

또한, 상기와 같은 과정으로 기준 물체의 영상 및 폭발 영상을 획득하면 폭발고도 연산부(170)는 이 획득한 영상을 처리하여 폭발 고도를 산출하는데, 폭발고도 산출 과정은 영상 전처리 과정, 기준물체 인식 과정, 폭발 중심점 인식 과정, 폭발 해수면 인식 과정, 폭발고도 산출 과정 및 산출오차 보정 과정으로 이루어진다.

먼저, 영상 기록부(140)에 의해 영상이 기록된 저장 매체를 영상 재생부(160)에서 재생하면 이미지 처리 보드(Image Processing Board)를 구비한 폭발고도연산부(170)는 보조기억장치의 특정 저장 영역에 프레임 단위로 영상 데이터를 저장하도록 프레임 그래버(frame grabber)(171)를 제어하며 자료 처리 프로그램을 실행하여 보조기억장치에 저장된 영상 데이터를 순차적으로 처리하게 된다.

우선, 영상 전처리 과정은 영상인식의 전단계로서 영상 인식의 정확도를 높이기 위해 필요한 선명하고 안정된 영상을 얻기 위한 과정으로, 영상의 윤곽선을 강조시켜주는 unsharp masking, 비디오 프레임 그래버(frame grabber)의 비월주사(interlacing) 잡음을 제거하는 디인터레이싱(deinterlacing), 화면의 밝기값(brightness)과 선명도(contrast)를 개선시키는 히스토그램 부분 평활화(histogram specification) 등의 처리를 수행한다.

먼저, 영상 전처리의 주요 과정중 하나인 unsharp masking 처리의 개념을 도4 및 도5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

unsharp masking 처리 과정은 도4의 블럭도에 도시한 바와 같이, 라플라스 연산부(410)가 영상 신호()에 대해 이산 라플라스 경사도(Discrete Laplacian gradient) 연산을 수행하여 윤곽선 영상()을 얻고 증폭기(420)가 그 영상()을 소정 레벨()만큼 증폭하며 합산기(430)가 상기 증폭 영상을 상기 기준 물체 영상 신호()와 합하여 unsharp masking 처리에 의해 윤곽선이 강조된 영상()을 얻게 된다.

예를 들어, 기준 물체 영상의 경우 도5(a)와 같은 영상을 unsharp masking 처리를 수행하면 도5(b)와 같이 윤곽선이 강조된 영상을 얻을 수 있다.

이 후, 폭발영상 인식의 전단계로서 기준물체 영상으로부터 기준물체의 기준 화소수()를 인식해야 하는데, 이를 위하여 폭발고도 연산부(170)는 모니터 화면에 기준물체 영상을 표시하게 된다.

이때, 사용자가 마우스를 이용하여 화면상에서 도6과 같이 기준물체 영상의 좌측상단(), 우측상단(), 좌측하단(), 우측하단()의 4개의 모서리점(, i=1,..,4)을 지정하면 폭발고도 연산부(170)는 식(5)와 같은 연산에 의해 기준 화소수()를 산출한다.

--------------- (5)

여기서,: 기준물체의 모서리중 한점의 벡터,: 기준물체의 기준 상단점의 벡터,: 기준물체의 기준 하단점의 벡터를 표시한다.

이 후, 폭발 중심점 인식 과정을 수행하는데, 이 과정은 도10의 동작 순서도와 동일한 순서로 이루어진다.

해상 근접신관의 폭발 중심점은 비행하던 근접신관이 근접기능 작동에 의해 기폭을 시작하는 순간의 공간 좌표값으로 해수면 상단으로의 상대 좌표를 구한다.

그런데, 초당 영상획득율이 30인 범용 CCTV 카메라로 사거리 14km까지의 원거리에서 폭발하는 탄두의 정확한 폭발 순간의 3차원 공간상의 폭발점 좌표의 포착은 매우 어려운 일이지만, 신관의 폭발시에 발생하는 화염이 폭발점을 중심으로 방사 대칭형으로 형성되므로 폭발화염의 초기 정지영상을 포착한 후 이 화염영상을 영상배경으로부터 영상 영역분리(image segmentation)를 수행하고 그 분리된 화염영상의 영상무게중심(image center of gravity)을 폭발중심으로 산출한다.

즉, 영상 처리의 연산시간을 줄이고 처리효율을 높이기 위해 모니터 화면에 표시되는 폭발 영상내 화염영역을 도7(a)와 같이 마우스로 커팅(cutting)하여 BAOI(Burst Area Of Interest) 영상을 만들고 그 BAOI 영상에 대해 히스토그램 부분 평활화(histogram specification) 처리를 하여 선명도가 개선된 도7(b)와 같은 화염영상을 얻는다.

이 후, BAOI 영상내 밝기값 히스토그램(brightness histogram)을 전개하면 도8의 파형 특성과 같이 밝기값 분포가 양분화되어 나타나는데, 이러한 구조를 바이모우들 구조의 히스토그램(bi-modal structured histogram)이라 하며 그때의 밝기값 분포의 골짜기에 해당하는 밝기값을 영상 이진화(binarization, thresholding)의 문턱치(threshold value)로 취하면 도7(c)와 같은 이진화 영상을 얻을 수 있다.

이때, 영상 이진화의 문턱치를 결정하는 방법으로는 히스토그램상의 2개의 봉우리(class)간의 분산(intervariance)과 전분산(total variance)의 비(ratio)를 아래의 식(6)과 같은 영역 분리도(classifying degree ;)로 정의하고 이 값을 최대로 하는 밝기값을 문턱치로 결정하는 판별 분석법(definitive analysis method, DAM)을 적용한다.

------------(6)

-------- (7)

여기서,: 문턱치가 k일때의 봉우리(class)간 분산,: 전체 분산, N : 영상 내부의 전체 화소수, L : 영상 내부의 전체 밝기값 레벨수,: I레벨이 발생할 확률,: 전체 평균값을 나타낸다.

즉, 식(6)의 영역 분리도()에서 분모항은 문턱치를 k로 했을 때의 밝기값 히스토그램의 봉우리(class)간 분산을 나타내며 분자항은 밝기값 히스토그램의 전체 분산을 나타내는데, 영역 분리도의 파형을 예시하면 도9와 같다.

이때, 분모항의 값은 문턱치에 무관하게 정해진 값이므로 실제 연산에서는 분자항의 값을 최대로 하는 밝기값을 문턱치로 간주한다.

이 후, 이진화 영상내에 포함된 잡음은 영상 무게중심 산출시 오차요인으로 작용할수 있으므로 중앙치 필터(median filter)를 이용하여 이진 잡음을 제거함에 의해 도7(d)와 같은 최종 영역 분리 영상을 얻는다.

이에 따라, 도7(e)에 도시한 바와 같이 영상 분할에 의해 얻어진 이진영상의 화염에 해당하는 영역을 영역로 놓고 이 영역 내부의 총화소수를이라 하면 영역의 2차원 영상의 무게중심(center of gravity, centroid)값의 좌표((,))는 식(9)와 같이 계산된다.

------- (9)

이 후, 폭발 해수면 인식 과정을 수행한다.

신관의 폭발고도(HOB)는 폭발점으로부터 해수면까지의 상대 높이이기 때문에 폭발점의 인식에 못지 않게 해수면의 정확한 위치 판독은 중요한 인식 항목이다.

신관 폭발시 수반되는 파편의 비산에 의해 해수면에는 수초간 높이 10m 이상, 반경 15m 이상의 물기둥이 형성되는데, 물기둥의 하단부를 이루는 윤곽선을 대표하는 직선을 해수면으로 인식하며 파도등에 의해 해수면이 곡선 형태로 형성될 경우 폭발점과 곡선간의 최단거리를 신관의 폭발 고도()로 산출한다.

이때, 해수면의 윤곽선을 검출하는 방법으로는 도11(a)와 같은 원래 영상에 대해 히스토그램 부분 평활화를 수행하여 도11(b)와 같은 영상을 얻은 후 영상의 해수면에 해당하는 윤곽선의 밝기값 변화를 검출하기 위해 소벨 연산(sobel operation)에 의한 인접 화소 연산으로 도11(c)와 같은 윤곽선 영상을 검출한다.

소벨(sobel) 연산은 비교적 두꺼운 윤곽선의 검출에 적합하여 해상 폭발영상같은 원거리 영상의 윤곽선 검출에 적합하며 잡음에 강하고 빠른 이점이 있다.

즉, 소벨 연산은 도14의 신호 흐름과 같이, 영상()으로부터 식(10)과 같은 하향 검출 마스크()와 상향 검출 마스크()를 얻은 후 식(11)과 같이 영상()과 상기 검출 마스크(,)를 이차원 콘볼루션(convolution) 연산을 수행하여 함수(,)를 계산하고 그 함수(,)를 식(12)와 같은 합산 연산으로 영상 크기()를 계산하여 중간 영상을 얻음과 동시에 식(13)과 같은 연산에 의해 물기둥과 해수면이 이루는 방향()을 산출하며 상기 중간 영상을 적절한 문턱치(t ; 보통 중간영상 밝기의 최대값의 50%)로 이진화하여 점 매칭(point mapping)을 통해 도11(d)와 같은 윤곽선 영상을 얻는다.

---------- (10)

----- (11)

--------- (12)

-------- (13)

이 후, 도11(d)와 같은 윤곽선 영상을 허프 변환(Hough Transform)하여 도11(e)와 같은 해수면 영상을 생성하게 된다.

허프 변환(Hough transform)은 영상의 인식에 많이 쓰이는 직선 및 타원 등 수학적으로 표현 가능한 곡선 정보를 인식하는 선형 허프 변환(LHT), 일반적인 형태의 곡선을 인식하는 일반적인(generalized) 허프 변환(GHT)등으로 나뉘는 영상특징 추출방법으로 영상내 잡음 및 크로터(clutter)에 영향을 덜 받는 장점을 가지고 있다.

이러한 허프 변환의 개념은 도15와 같이 직선 성분의 경우 허프 공간상의 한접으로 대응시키는데, 도12를 예를 들면 영상 공간내의 직선을 특징짓는 2개의 파라미터(,)를 식(14)에 의해 검출한 후 허프 공간상의 한점으로 대응시킨다.

------- (14)

이때, 본 발명에서의 허프 변환 과정은 도16의 동작 순서도에 의해 이루어지는데,

우선 2차원 배열의 변수 선언으로 허프 공간()상의 모든 값을 초기화시킨 후 축적(accumulation) 알고리즘에 의해 직선에 해당하는 화소를 허프 공간상으로 축적시키고 그 축적된 허프 공간은 최대값을 '1'로 만들기 위해 배열내의 최대값으로 나누어 규준화(normalization)시킨 후 자승 연산에 의해 공간내 값들을 2차원 비선형으로 강조시켜 직선의 특징 파라미터를 나타내는 최대 첨두치(maximum peak)를 검출한다.

그리고, 허프 공간상의 변수로부터 각도를 얻는 과정에서 각도 분해능은 해수면이거의 수평하게 나타나므로radian에서radian까지의 총radian 구간을 허프 공간의 배열 분해능 값인 '64'로 나눈 결과인(=0.0123 radian)로 사용하여 각도의 정확도를 기한다.

이 후, 다음 과정으로 폭발고도 산출 과정을 도17을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 폭발 중심점(Bx,By)와 해수면의 변수(,)로부터 폭발고도 화소수()를 구한다.

이때, 수학적으로 평면상의 한점()와 동일 평면상의 한 직선의 최단 거리()는 식(15)와 같이 구해지므로 도17과 같이 카메라의 촬영각에 의해 기울어진 영상에 대해 각도에 무관한 폭발 고도 화소수()를 식(16)과 같은 연산에 의해 산출한다.

------ (15)

------ (16)

이 후, 상기에서 얻어진 폭발 고도 화소수(), 거리 측정기로 얻은 CCTV 카메라로부터 폭발점까지의 거리()와 기준물체까지의 거리(= 3490m), 기준물체 화소수(), 기준물체의 기준길이(= 10.7m) 등의 변수를 식(4)의 해상 폭발고도 산출식에 대입하여 폭발고도()를 구한다.

그런데, 상기에서 해상 폭발고도에는 크게 자연적인 오차, 기계적인 오차, 인위적인 오차 등이 포함된다.

이중 자연적인 오차와 기계적인 오차는 영상 전처리를 통해 어느 정도 보정이 가능하며 인위적인 오차 또한 자동 영상인식 알고리즘에 의해 상당부분 제거된다.

그러나, 실제로 짧은 사거리에서의 카메라 고도에 의한 수평면과 카메라 시선(LOS ; Line Of Sight)이 이루는 각도()는 무시할 수 없는 값을 가진다.

따라서, 폭발고도값()은 보정이 필요하게 되는데, 도18과 같은 원리를 이용하여 가장 큰 오차인 카메라 고도에 의한 오차와 물기둥 반경에 의한 폭발고도의 오차를 보정한다.

먼저, 식(4)에 의해 산출되는 카메라의 해발 고도()와 물기둥 반경()에 의한 오차가 포함된 폭발고도값()에서 물기둥 반경에 의한 오차성분()을 뺄셈하여 카메라의 높이에 의한 오차만을 포함한 폭발고도값()을 구한다.

---------- (17)

그리고, 카메라가 위치하는 고도()에 의한 수평면과 카메라 시선(LOS)이 이루는 각()은 식(18)과 같이 나타낼 수 있다.

--------- (18)

따라서, 카메라 높이에 의한 오차를 포함하는 폭발고도()와 실제 폭발고도()의 관계도 식(19)와 같은 삼각함수로 나타낼 수 있으므로 상기 식(19)를 이용하여 오차가 보정된 실제 해상 폭발고도()를 구한다.

---------- (19)

그런데, 폭발고도의 오차는 무시할 수 있을 정도이다.

예를 들어, 카메라 렌즈로부터 폭발 중심점까지의 직선거리()를 10km, 카메라가 위치하는 고도()를 80m, 물기둥 반경()을 10m라고 가정하면 카메라가 위치하는 고도()에 의한 수평면과 카메라 시선(LOS)이 이루는 각()은 식(18)을 이용하여 구할 수 있다.

따라서,,,로 그 값은 무시할 수 있으므로 폭발고도의 오차는 매우 작음을 알 수 있다.

이를 실제 시험 결과를 예를 들어 검증하면 다음과 같다.

폭발 고도 산출시 산출 파라미터 및 파라미터 개개의 가능 오차로부터 결과 폭발고도값의 예상오차의 산출이 가능하다.

즉, 식(4)의 해상 폭발고도 산출식의 양변을 미분하여 근사식으로 변환하면 식(20)과 같은 폭발고도의 오차 산출식을 얻을 수 있다.

----- (20)

여기서,: 레퍼런스 물체의 실측길이 오차,: 레퍼런스 물체의 거리 계측 오차,: 레퍼런스 물체의 영상인식 화소길이 오차,: 폭발고도의 영상인식 화소길이 오차,: 폭발점까지의 직선길이 계측 오차를 나타낸다.

따라서,,,...,이므로 폭발고도의 오차는 무시할 수 있음을 알 수 있다.

예를 들어, 'xx' 타입의 신관의 경우 최악의 경우를 고려하여 기준물체의 길이측정 오차()를 2cm, 기준물체 및 폭발점까지의 거리 측정오차(,)를 10m, 기준물체 및 폭발 영상의 영상 인식시의 화소길이 오차(,)를 2화소로 하였을 때 상기(20)의 오차 산출식에 대입하여 실제 구한 예상 오차는 도19의 표와 같이 최대임을 알 수 있다.

실제의 경우 예상 오차는이하이다.

그리고, AA 타입 신관 시험과 BB 타입 해상 근접신관 시험, CC타입 신관 시험(ASRP)에 제안된 계측 기법의 계측 결과와 영상 경위의(EOTS)의 결과를 비교하면 도20의 표와 같다.

이때, 도20의 표에 계산된 오차 산출은 식(21)과 같이 각각의 라운드에 대해 영상 경위의(EOTS)와 영상의 폭발고도 값의 차()의 절대값의 산술 평균으로 구하였다.

-------- (21)

따라서, 도20의 표에서 보듯이 영상의 폭발고도 결과와 영상 경위의(EOTS)의 폭발고도 결과의 오차에 대한 절대값의 평균치는내외의 값으로 영상경위의()의 값 또한 참값이 아님을 감안할 때 양호한 계측 결과가 얻어졌음을 알 수 있다.

특히, Mxx 신관 및 Kxx xx mm 신관과 같은 짧은 사거리의 경우 기존 장비보다 영상 획득율이 높음을 알 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 원거리 계측으로 폭발 영상 및 자료 처리 영상을 기록하고 자동으로 영상을 인식하므로 계측자의 주관적 자료처리로 인한 자료 처리 오차 개입의 가능성을 배제할 수 있다.

따라서, 본 발명은 사거리가 10km일 경우에도 폭발 고도 오차 범위이내의 높은 정확도 및 신뢰성을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 관측 위치와 기준물체사이의 거리 및 관측 위치와 폭발점사이의 거리를 계측하기 위한 거리 계측 수단과, 상기 기준 물체 및 폭발점 영상을 촬영하기 위한 영상 촬영 수단과, 이 영상 촬영 수단에서 촬영한 영상을 기록 매체에 저장하기 위한 영상 기록 수단과, 상기 기록 매체에 저장된 영상 데이터를 재생하는 영상 재생 수단과, 이 영상 재생 수단에서의 재생 영상 신호로부터 기준 물체 영상 및 폭발점 영상을 화면에 표시하는 영상 표시 수단과, 기준물체의 실제 크기, 기준물체와 상기 영상 촬영 수단사이의 거리, 폭발영역과 상기 영상 촬영 수단사이의 거리를 입력시키는 데이터 입력 수단과, 상기에서의 재생 영상신호를 보조기억장치에 저장한 후 그 저장된 영상신호를 프레임단위로 처리하여 폭발영상중 화염 영상의 중심점 및 해수면을 추출하고 그 추출된 중심점과 해수면사이의 길이를 산출하여 상기에서 입력된 기준물체의 실제 크기, 기준물체와 상기 영상 촬영부간의 거리, 폭발영역과 상기 영상 촬영부간의 거리와 연산함에 의해 해상 폭발 고도를 산출함과 아울러 상기 영상 표시 수단의 화면에 표시하기 위한 폭발고도 연산 수단으로 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 폭발고도 연산 수단은 기준 물체의 영상을 인식하여 그 기준 물체의 화소 길이()를 산출하는 기준물체 인식부와, 폭발 영상의 화염 영상을 인식하여 화염 영상의 중심점(,)을 산출하는 폭발 중심점 인식부와, 폭발 영상으로부터 물기둥 하단 해수면 영상을 인식하여 그 해수면의 윤곽선 위치를 산출하는 폭발 해수면 인식부와, 상기에서 산출된 화염 영상의 중심점과 해수면의 윤곽선 위치를 연산하여 폭발고도의 화소 길이()를 산출하고 그 산출된 폭발고도 화소 길이(), 데이터 입력 수단에 의해 입력된 기준물체의 실제 크기(), 기준 물체의 화소 길이(), 기준물체와 상기 영상 촬영 수단사이의 거리() 및 폭발영역과 상기 영상 촬영 수단사이의 거리()를 아래 식과 같이 연산함에 의해 해상 폭발 고도()를 산출하는 폭발고도 산출부와, 상기에서 산출된 해상 폭발고도()의 오차를 보정하는 오차 보정부로 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 기준물체 인식부는 기준물체의 좌우측 상단 및 하단의 4개 모서리점을 지정하여 아래와 같은 연산에 의해 기준 물체의 화소 길이()를 산출하도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.

   ,

   여기서,: 기준물체의 모서리중 한점의 벡터,: 기준물체의 기준 상단점의 벡터,: 기준물체의 기준 하단점의 벡터이다.
4. 제2항에 있어서, 폭발 중심점 인식부는 폭발 화염의 초기 정지 영상으로부터 커팅한 화염 영상을 히스토그램 부분 평활화하여 밝기값의 분포를 구하고 그 구한 밝기값 분포에 대해 영상 이진화의 문턱치를 취하여 이진화 영상을 얻은 후 그 2차원의 이진화 영상의 무게 중심(,)을 구하여 폭발 중심점으로 인식하도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 영상 이진화의 문턱치는 판별 분석법(DAM ; Definitive Analysis Method)을 적용하여 히스토그램 부분 평활화에 의한 밝기값의 분포중 최대 밝기값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
6. 제4항에 있어서, 이진화 영상은 중앙치 필터(median filter)를 통해 이진화 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
7. 제4항에 있어서, 무게 중심(,)은 이진화 영상의 영역을이라 하고 그 영역 내부의 총화소수를이라 할 때 아래와 같은 연산에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.

   ,
8. 제2항에 있어서, 폭발 해수면 인식부는 폭발 해수면 영상을 히스토그램 부분 평활화하여 밝기값의 분포에 의한 상,하향 검출 마스크를 구하고 그 상,하향 검출 마스크를 폭발 해수면 영상과 소벨(sobel) 연산하여 중간 영상을 얻으며 그 중간 영상에 문턱치를 취하여 얻은 이진화 영상을 허프 변환하여 공간상의 영상을 변환함에 의해 윤곽선 영상을 얻도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
9. 제8항에 있어서, 소벨 연산은 아래 식의 연산과 같이 폭발 해수면 영상(과 상,하향 검출 마스크(,)를 콘볼루션 연산하고 그 콘볼루션 연산된 함수(,)를 합산하여 크기값(을 계산함과 아울러 방향()을 계산하도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.

   ,

   또는
10. 제8항에 있어서, 문턱치는 중간 영상 밝기의 최대값의 50%임을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
11. 제8항에 있어서, 허프 변환은 공간상의 모든값을 초기화한 후 직선의 영상을 공간상으로 축적(accumulation)하고 그 변환된 영상을 규준화하여 이차원 비선형으로 강조한 후 직선의 특징 파라미터를 나타내는 최대 첨두치를 검출하여 해수면 윤곽선을 인식하도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.
12. 제2항에 있어서, 폭발고도 보정 수단은 카메라가 위치하는 고도()에 의한 수평면과 카메라 시선이 이루는 각()을 고려하여 아래 식과 같은 연산으로 실제 폭발 고도()를 산출하도록 구성함을 특징으로 하는 해상 폭발고도 측정 장치.

    ,,

    여기서,은 카메라 높이에 의한 오차만을 포함하는 폭발고도,은 카메라의 해발 고도()와 물기둥 반경()에 의한 오차가 포함된 폭발고도값()에서 물기둥 반경에 의한 오차성분,는 카메라가 위치하는 고도()에 의한 수평면과 카메라 시선(LOS)이 이루는 각이다.