KR100722299B1 - 씨씨디를 이용한 물벼룩 실시간 활동량 측정모니터링시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 씨씨디(Charge Coupled Device) 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링시스템에 관한 것으로, 수질 감시를 위한 물벼룩의 활동을 촬영하는 씨씨디 카메라와, 이 씨씨디 카메라의 출력에서 실시간으로 물벼룩의 활동량을 측정할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 임베디드 시스템을 구비하여 이루어지고; 상기 FPGA에는 표시장치와 임베디드 시스템에 각각 연결되고; 상기 FPGA는 셀 라인에서 각 셀의 값이‘1’인 개수를 카운터한 후 이를 누적하기 위한 것으로, 씨씨디 카메라로부터의 출력을 각 화소들의 디지털 값으로 순차적으로 출력하는 비디오 입력프로세서; 물벼룩의 영상 인식을 위해 각 셀내의‘1’의 개수를 카운터 하여‘1’의 개수가 일정 개수 이상이면 물벼룩의 영상이라 인식하는 윈도우 필터; 임의의 셀에 대한 현재의 수평 주사선에 대한 카운터 값과 해당 셀라인의 이전 셀의 값을 누적하기 위해 사용되는 ADD 로직과 버퍼램 및; 다음 셀 라인의 버퍼램 버퍼를 초기화하기 위해 사용되는 멀티플렉서로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

실시간 물벼룩 활동량 측정 하드웨어, 측정 모니터링 시스템, 수질, 물벼룩, 씨씨디 카메라

Description

씨씨디를 이용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링시스템{Real Time Measurement and Monitering system for Activity of Water Flea using CCD Camera}

도 1 은 물벼룩 활동량 측정을 위한 종래 시스템을 도시해 놓은 구성도,

도 2 본 발명의 실시예에 관한 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링시스템을 도시해 놓은 구성도,

도 3 는 본 발명의 씨씨디 카메라를 사용 하여 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링시스템에서 셀라인 내의 셀 들을 구현한 하드웨어 구성도,

도 4 은 셀라인(Cell Line)과 셀구조,

도 5 는 그레이레벨과 하이리미트와 로우리미트에 의한 비트 변환이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 물벼룩 20 : 씨씨디 카메라

30 : FPGA(Field Programmable Gate Array)

40 : 표시장치 50 : 임베디드 시스템

60 : 웹브라우져

71 : 비디오 입력프로세서

72 : 윈도우 필터

본 발명은 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템 구현에 관한 것이다.

산업화가 진행됨에 따라 수질의 인체에 대한 안전성과 유해성에 대해 관심이 높아지고 있다. 수질 유해성을 판단하기 위해 많은 물리적, 화학적 센서들이 필요하다. 그러나 수질에 대한 인체의 유해 여부를 알기 위해 생물학적 센서를 이용하면 많은 물리적, 화학적 센서들의 판단을 대신할 수 있기 때문에, 최근 생물학적 센서에 대한 관심이 집중되고 있다.

보통 수질에 적용하는 생물학적 센서는 미생물, 어류, 물벼룩 등을 사용하고 있는바, 수질에서 미생물의 사용을 사용하는 것은 독성 물질유입에 따른 반응이 매우 빠르기 때문에 최근 매우 관심이 집중되어 있다.

그러나, 미생물의 경우는 다른 미생물에 의해 오염이 쉽게 되며, 이러한 과정이 현미경으로 사용하지 않고는 눈으로 판독할 수 없을 뿐 아니라, 타 미생물에 대한 오염이 빠른 속도 진행될 수 있다는 점에서 측정의 오류로 갈 가능성을 배제할 수 없었다.

따라서, 미생물의 경우 부가적인 미생물의 오염에 대한 대책이 필요할 실정 이다.

이와 반대로 어류를 사용하는 경우에는 오염물질 유입에 대한 반응 속도가 미생물에 비해 상대적으로 느리지만, 눈으로 어류의 생육 상태를 쉽게 판단할 수 있어 타 생물학적 센서와 보완적인 측면에서 많이 사용한다. 그러나 물벼룩은 생육 상태가 눈으로 쉽게 판독될 뿐 아니라, 배양이 쉽고 넓은 pH에서 저항성, 독성 물질에 대한 뚜렷한 감수성으로 인해 미국 환경보호청(EPA)에서 유해물질 독성 시험 동물로 추천하고 있다.

물벼룩이 살고 있는 물에 독성물질이 유입되면 활동량의 변화를 가져오는데, 이러한 물벼룩의 활동량 변화를 측정함으로써 수질의 독성 물질 유입 여부를 판단할 수 있다.

도면 1 은 물벼룩 활동량 측정을 위한 종래 일반적인 물벼룩 활동량 측정 시스템으로서, 종래의 물벼룩 활동량 측정 방법으로서 LED(Light Emitting Diode : 1)를 이용한 발광부와 포토 트랜지스터(Photo Tr : 2)를 이용한 수광부를 사용하는 방법이 있는데, 상기 LED(1)와 포토 트랜지스터(2)사이에 위치한 물벼룩(3)의 활동량에 비례하여 발광부 LED(1)에서 수광부 포토 트랜지스터(2)로 전달되는 빛의 양이 달라지게 된다. 상기 포토 트랜지스터(2)의 출력은 증폭기(4)를 통해 순차적으로 필터(5), 카운터(6) 및 표시장치(7)로 전달되어지게 되어 있다.

따라서, 상기 LED(1)에서 부터 포토 트랜지스터(2)에 전달된 빛의 양을 필터(5)를 거쳐 계수함으로서 물벼룩(3)의 활동량에 비례하는 수치가 카운터(6)를 통해 표시장치(7)에 나타나게 한다.

이것을 필터(5)를 거쳐 계수함으로 물벼룩(3)의 활동량에 비례하는 수치가 카운터(6)를 통해 표시장치(7)에 나타나게 하는 것이다.

이러한 방법은 측정 대상인 물벼룩(3)을 가운데 두고 2 개의 장치(발광부와 수광부)를 설치해 주어야 하는 불편한 점이 있었다. 또한, 발광부 LED(1)에서 발생하는 빛의 회절을 방지하기 위해서 레이저 다이오드를 사용하기 때문에, 수광부 포토 트랜지스터(2)와 발광부 LED(1)의 위치를 정밀히 조정하여야 하는 단점도 있었다.

또한, 물벼룩(3)이 빛에 민감한 특성 때문에 발광부 LED(1)의 레이저 빛을 받는 위치와 받지 않는 위치에서 물벼룩(3)이 빛에 대한 스트레스 강도가 달라 이에 대한 물벼룩(3)의 활동도 다르게 나타난다.

또, 상기한 바와 같은 종래 시스템은 물벼룩(3)의 효과적인 활동량 측정을 위해 수광부와 발광부의 LED(1)와 포토 트랜지스터(2)의 센서 개수가 증감이 필요할 경우 센서가 하드웨어적으로 고정되어 있어 센서 개수를 임의의 개수로 증감시키기가 어려운 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위한 방안으로, 종래의 시스템에서는 LED를 이용한 발광부와 포토 트랜지스터를 이용한 수광부를 사용하여 물벼룩의 활동량 조사를 하였으나, 이러한 방법은 물벼룩이 빛에 민감하게 반응하고 측정 대상인 물벼룩을 기준에 두고 2 개의 장치(발광부와 수광부)를 두게 되는 불편하다는 또 다른 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 시스템의 방식을 개선하기 위해 발명된 것으로, 물벼룩 활동이 씨씨디 카메라의 출력을 사용하여 실시간으로 물벼룩 활동량을 측정하고, 이를 이용한 수질감시 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수질 감시를 위한 물벼룩의 활동을 촬영하는 씨씨디 카메라와, 이 씨씨디 카메라의 출력에서 실시간으로 물벼룩의 활동량을 측정할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 임베디드 시스템을 구비하여 이루어지고; 상기 FPGA에는 표시장치와 임베디드 시스템에 각각 연결되고; 상기 FPGA는 셀 라인에서 각 셀의 값이‘1’인 개수를 카운터한 후 이를 누적하기 위한 것으로, 씨씨디 카메라로부터의 출력을 각 화소들의 디지털 값으로 순차적으로 출력하는 비디오 입력프로세서; 물벼룩의 영상 인식을 위해 각 셀내의‘1’의 개수를 카운터 하여‘1’의 개수가 일정 개수 이상이면 물벼룩의 영상이라 인식하는 윈도우 필터; 임의의 셀에 대한 현재의 수평 주사선에 대한 카운터 값과 해당 셀라인의 이전 셀의 값을 누적하기 위해 사용되는 ADD 로직과 버퍼램 및; 다음 셀 라인의 버퍼램 버퍼를 초기화하기 위해 사용되는 멀티플렉서로 구성되어 있다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명에서는 종래의 방식과 달리 발광부가 필요하지 않으므로 해서 씨씨디 카메라의 정밀 조정이 필요하지 않으며, 물벼룩 활동을 영상을 처리하여 측정함으로 기존의 LED센서에 해당하는 화면상의 측정 부문을 최대한 증감할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2 본 발명의 실시예에 관한 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템을 도시해 놓은 구성도이다. 본 발명에서 구현하는 방식은 물벼룩(10)의 활동을 씨씨디 카메라(20) 영상을 전부 이미지 버퍼에 저장한 뒤 컴퓨터나 DSP(Digital Signal Processor)의 소프트웨어 도움으로 활동량을 일괄 계산하는 방식이 아니라, 상기 씨씨디 카메라(20)의 출력에서 소프트웨어의 도움 없이 하드웨어(FPGA : 30) 및, 임베디드 시스템(50))에 의해서 실시간으로 활동량을 측정할 수 있도록 되어 있다.

이와 같이 실시간으로 활동량을 측정함으로써, 고속이 아닌 일반 씨씨디 카메라(20)의 NTSC(National Television Standard Committee) 영상 출력일 경우에도 1/30 초의 정확도를 가질 수 있게 되는데, 이러한 시스템을 사용함으로써 물벼룩(10)의 활동량 측정 하드웨어(30)를 사용하여 수질 경보를 위한 물벼룩 모니터링 임베디드 시스템(50)을 구현할 수 있다.

즉, 수질 감시를 위한 물벼룩(10)의 활동량 측정을 씨씨디 카메라(20)를 이용하여 실시간으로 측정하는 FPGA(30)를 구현할 수가 있는 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이 물벼룩(10)은 수질 감시에 빈번히 사용하며 살아있는 생물학적 센서라고 할 수 있는데, 이러한 물벼룩(10)은 수질이 오염이 되면 활동량의 변화가 나타나기 때문에 물벼룩(10)의 활동량을 감시함으로 해당 수질의 독성 물질의 유입을 즉각 판단할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 기존의 방식을 대체하기 위해 씨씨디 카메라(20)을 사용하고, 이 씨씨디 카메라(20)의 영상처리를 위해 실시간으로 하드웨어(30)로 처리하는 시스템을 구현하고, 이렇게 구현된 하드웨어는 수질 경보를 위한 모니터링 임베디드 시스템(50)을 구축할 수 있다.

상기 FPGA(30)에는 표시장치(40)와 임베디드 시스템(50)이 각각 연결되고, 상기 임베디드 시스템(Embedded system : 50)에는 네트워크를 통하여 웹브라우져(Web Browser : 60)가 연결되어 있다.

도 3 는 본 발명의 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템에서 셀라인 내의 셀값 측정 및 누적을 위해 구현된 하드웨어 구성도이고, 도 4 은 셀라인(Cell Line)과 셀구조를 나타낸 것이며, 도 5 는 그레이 레벨(Gray Level)과 하이 리미트(High limit)와 로우 리미트(Low limit)에 의한 비트 변환을 나타낸 그래프이다.

도 2는 도시된 물벼룩(10)의 활동량 측정을 위한 실시간 하드웨어 구성이고, 씨씨디 카메라(20)로부터 FPGA(30)가 연결되고, 상기 씨씨디 카메라(20)로부터의 출력은 상기 FPGA(30)내 비디오 입력프로세서(Video Input Processor : 71)에 의해 화면 면적에 해당하는 각 화소들이 디지털 값으로 순차적으로 출력된다.

한 마리의 물벼룩(10)의 활동을 검출할 수 있는 단위 면적을 N x N 개의 화소라 두고, 이 단위 화소 면적을 전체 화면에 격자형으로 배치한다. 본 발명에서는 이 단위 화소 면적을 셀(Cell)이라고 두며, 두 마리의 물벼룩 면적에 대응된다. 그 리고, 셀이 가로줄로 나열되어 있는 것을 본 발명에서 셀라인(Cell Line) 이라 한다.

도 4 는 화면에서 셀라인 내의 셀(Cell)의 배치를 나타낸다. 여기서, 셀라인은 N 개에 수평 주사선에 해당한다. 그리고, 셀 안의 M x M 화소 면적은 실제 물벼룩의 영상을 검출하는 영역이다. 상기 셀(Cell) 내에서 물벼룩 영상 검출은 그레이(Gray) 레벨을 거처 1, 0의 두 가지 비트 값으로 변화시킨다. 물에 담긴 물벼룩의 용기는 투명하며 배경이 단색 바탕에서 영상이 캡쳐되므로, 2 가지 레벨에서 물벼룩 영상과 배경 영상이 추출된다.

도 5 는 물벼룩 영상을 추출하는 도 3 의 윈도우 필터(Window Filter : 72)의 원리를 설명한 그래프이다. 그레이 레벨이 로우 리미트이상 하이 리미트 이하의 값을 물벼룩의 영상 레벨이라고 두고, 그외 그레이 레벨 값을 배경 화면이라 둔다. 그리고, 임의 영상의 그레이 레벨이 로우 리미트 이상 하이 리미트 이하 범위 내에 있으면 물벼룩의 영상이라 간주하고 '1'의 값을 인가하고, 그 밖의 범위이면 ‘0’을 인가한다. 여기서, 영상 그레이 레벨은 최대 밝은 것을 0, 어두운 것을 255로 역변환시켜서 사용한다. 상기 영상의 로우 리미트, 하이 리미트는 외부에서 영상 상황에 맞추어 적절이 선택되며, N 과 M 의 크기는 카운터로 구현되게 하므로 가변할 수 있다.

물벼룩의 영상 인식을 위해서는 각 셀내의 ‘1’의 개수를 카운터 하여 ‘1’의 개수가 일정 개수 이상이면 물벼룩의 영상이라 인식한다. 여기서, "1"의 갯수는 셀 내의 M x M의 크기에 따라 달라질 수 있으며, 사용자에 의한 그레이 레벨의 설정에 따라 가변될 수 있다.

도 3 는 셀 라인(Cell Line)에서 각 셀(Cell)의 ‘1’의 개수를 카운터한 후 이를 누적하기 위한 하드웨어인 것이다. 씨씨디 카메라로부터의 비디오신호는 비디오 입력프로세서(71)로 공급되었다가 화면 면적에 해당하는 각 화소들이 디지털 값으로 순차적으로 윈도우 필터(72)로 출력된다. 이 윈도우 필터(72)에는 영상의 하이 리미트와 로우 리미트가 각각 공급된다.

상기 윈도우 필터(72)의 출력은 0 또는 1 로 비트카운터(73)에 공급되는 바, 이 비트 카운터(73)는 en, clear, WE의 clk 이 각기 공급며, 그 출력이 ADD 로직(74)의 한 입력으로 공급된다.

상기 ADD 로직(74)의 다른 입력은 멀티플렉서(mux : 75)에 출력이 공급되므로 그 출력은 버퍼 입력(BUFFER INPUT)으로 버퍼램(BUFFER RAM : 77)에 공급된다. 상기 버퍼램(77)은 WE가 공급되고 내부에 0, 1 --- N-1 인 것이다.

상기 버퍼램(77)의 버퍼출력(BUFFER OUTPUT)은 래치(Latch : 76)를 통해 멀티플렉서(75)로 공급된다. 상기 멀티플렉서(75)는 별도의 "0" 와 select 가 각기 공급되고 있도록 구성되어져 있다.

도 4 에 도시된 셀라인은 N 개의 수평 주사선으로 구성되어 있으므로 셀라인내의 모든 셀이 계산되기 위해서는 이전의 계산 값을 저장하여 N 번 누적할 필요가 있으며, 각 셀 당 1 비트의 메모리가 필요하다.

ADD 로직(74)과 버퍼램(77)은 임의의 셀에 대한 현재의 수평 주사선에 대한 카운터 값과 해당 셀라인의 이전 셀의 값을 누적하기 위해 사용되고 있다. 이렇게 누적하기 위해서는 임의 수평 주사선에서 각 셀에 대해 물벼룩 감시영역인 N x N의 시작 시점에서 카운터는 초기화되고, 물벼룩 인식영역인 M x M 영역에서 비트 카운터(73)가 동작되며, 물벼룩 감시영역인 N x N 의 영역의 끝 지점에서 셀의 버퍼램(77)의 메모리 값과 더해져서 다시 버퍼램(77)에 저장된다. 그리고, 셀 라인의 마지막 주사선에서 각 셀의 버퍼램(77) 값이 일정 개수 이상인가를 비교하여 해당 셀 내의 물벼룩의 유무를 인식한다.

도 3 에 도시된 하드웨어는 연속된 새로운 셀라인(Cell Line)을 처리하기 위해 사용된다. 도 3 에서 멀티플렉서(75)는 다음 셀 라인의 버퍼램(77) 버퍼를 초기화하기 위해 사용된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 종래의 물벼룩의 활동량 측정에서 단점인 2 개의 장치(발광부와 수광부)를 두는 방식과, 물벼룩이 센서에 민감하게 반응하여 활동량에 영향을 주는 문제와 센서의 개수가 고정된다는 문제점을 별도의 발광소자를 갖지 않은 씨씨디 카메라 및 씨씨디카메라의 영상을 하드웨어적 처리함으로 해결할 수 있다. 그리고, 본 발명으로 구현된 방식은 CDD 카메라의 물벼룩 영상처리를 위해 이미지 버퍼에 저장한 후 컴퓨터나 DSP를 사용하여 소프트웨어로 일괄 처리를 하는 것이 아니라 하드웨어로 처리를 하므로 실시간 처리를 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 수질 감시를 위한 물벼룩 활동량을 실시간으로 측정하는 하드웨어를 구현할 수 있고, 구현된 하드웨어를 사용하여 수질 경보를 위한 모니터링 임베디드 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명의 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링시스템에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 수질 감시를 위한 물벼룩의 활동을 촬영하는 씨씨디 카메라와, 이 씨씨디 카메라의 출력에서 실시간으로 물벼룩의 활동량을 측정할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 임베디드 시스템을 구비하여 이루어지고;

   상기 FPGA에는 표시장치와 임베디드 시스템에 각각 연결되어 있으며;

   상기 FPGA는 셀 라인에서 각 셀의 값이‘1’인 개수를 카운터한 후 이를 누적하기 위한 것으로, 씨씨디 카메라로부터의 출력을 각 화소들의 디지털 값으로 순차적으로 출력하는 비디오 입력프로세서와;

   물벼룩의 영상 인식을 위해 각 셀내의‘1’의 개수를 카운터 하여‘1’의 개수가 일정 개수 이상이면 물벼룩의 영상이라 인식하는 윈도우 필터;

   임의의 셀에 대한 현재의 수평 주사선에 대한 카운터 값과 해당 셀라인의 이전 셀의 값을 누적하기 위해 사용되는 ADD 로직과 버퍼램 및;

   다음 셀 라인의 버퍼램 버퍼를 초기화하기 위해 사용되는 멀티플렉서로 구성되어 이루어진 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 및 원격 모니터링 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 비디오 입력프로세서에서 화면의 셀라인은 N 개에 수평 주사선에 해당하고, 셀 안의 M x M 화소 면적은 실제 물벼룩의 영상을 검출하는 영역인 것을 특 징으로 하는 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 셀 내에서 물벼룩 영상 검출은 그레이 레벨을 거처 1, 0의 두 가지 비트 값으로 변화시킨 것을 특징으로 하는 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 윈도우 필터에서 일정 개수는 셀 내의 물벼룩 감시영역인 M x M의 크기에 관계되며, 사용자에 의한 그레이 레벨의 설정에 의해서도 결정지워지는 것을 특징으로 하는 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 ADD로직과 버퍼램에서 누적하기 위해서는 임의의 수평 주사선에서 각 셀에 대해 N x N의 시작 시점에서 카운터는 초기화되고, M x M 영역에서 비트 카운터가 동작되며, N x N 의 영역의 끝 지점에서 셀의 버퍼램의 메모리 값과 더해져서 다시 버퍼램에 저장되고, 셀라인의 마지막 주사선에서 각 셀의 버퍼램 값이 일정 개수 이상인가 비교하여 해당 셀 내의 물벼룩의 유무를 인식하게 된 것을 특징으로 하는 씨씨디 카메라를 사용한 물벼룩 실시간 활동량 측정 모니터링 시스템.

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