KR101419407B1 - 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법 - Google Patents

광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 적외선 레이저 슬릿광과 능동 시각 알고리즘을 이용하여 카메라와 같은 계측 장치뿐만 아니라 실질적인 계측 대상도 광학식으로 구성하여 계측 정밀도를 향상시킬 수 있는 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 계측하고자 하는 영역의 일측에 설치된 기대에 배치되어 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역을 향하여 경사지게 투사하는 다수의 슬릿광원이 일정 간격으로 배치된 광원 어레이와; 상기 계측 영역의 상부에 설치되어 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역 내에서 촬영하는 촬상부와; 상기 촬상부로부터 촬영된 영상과 사전에 캘리브레이션된 데이터를 기초로 상기 계측 영역내의 적설량을 산출하는 적설계 제어기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 혹한기 또는 강설 등의 환경 요인에 따른 측정 오차를 배제하고 단위 적설 면적 내에서의 높이 정보를 보다 정확하게 측정하여 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
광학식, 적설계, 카메라, 슬릿광, 적외선

Description

광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법{System and method for measuring snowfall using optical device}
본 발명은 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 복수의 레이저 슬릿광원과 CCD 카메라를 이용하는 광학식 방법과 능동 시각 알고리즘을 적용하여 적설면에 투사되는 적외선 레이저 슬릿광으로부터 높이 프로파일을 획득하여 계측 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 적설은 기상현상 분석에 있어서 매우 중요한 기상요소 중 하나로서, 통상 mm단위로 측정되며, 강우나 온도, 습도, 풍속 등의 타 기상요소와는 달리 측정의 자동화가 용이하지 않아서, 그 측정법은 적설판 위의 눈금자를 사용하여 그 쌓인 눈의 양을 목측하는 방법이 대부분이었다.
한편, 과학기술에 발달로 인하여 다양한 센싱기술이 개발되었고, 이를 기상의 관측에 적용하는 사례가 늘고 있다.
그 중 초음파를 이용한 적설계가 제안되었으나, 이는 온도에 따라 초음파 전파 속도가 변화하고, 이를 보상하기 위해 별도의 온도 센서를 사용하여야만 하는 문제점이 있다. 또한, 눈발이 흩날리는 극심한 강설 환경에서는 초음파 산란으로 인해 정확한 측정이 곤란한 문제점이 있다.
이와 같은 초음파를 이용한 적설계에서의 온도 보상과 강설 환경에서의 초음파 산란 등의 문제를 극복하기 위하여 광학식 적설계 기술이 제안되었다.
종래의 광학식 적설계의 방식중 하나는 적설 기준면에 수직으로 눈금이 있는 측정자를 설치하고 이를 카메라로 영상 획득함으로써 적설 높이를 계측하는 방식이다.
다른 계측 방식은 측정자에 발광 및 수광소자를 내장하여 발광소자에서 방출된 광이 눈에 반사되어 이를 수광소자에서 수신함으로써 그 높이를 산출하는 방식이다.
그러나, 이와 같은 종래의 광학식 적설계는 전자의 경우 측정자가 위치된 주변 환경 요인에 의해 측정자 표면에 성에가 끼거나 얼음이 형성됨에 따라 측정자 눈금을 정확하게 인식하지 못하고, 후자의 경우 적설면 중 특정 한 지점에서의 높이를 측정하기 때문에 측정값이 일정 면적에 대한 대표성을 가지지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 적외선 레이저 슬릿광과 능동 시각 알고리즘을 이용하여 카메라와 같은 계측 장치뿐만 아니라 실질적인 계측 대상도 광학식으로 구성하여 계측 정밀도를 향상시킬 수 있는 광 학식 적설 계측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 계측하고자 하는 영역의 일측에 설치된 기대에 배치되어 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역을 향하여 경사지게 투사하는 다수의 슬릿광원이 일정 간격으로 배치된 광원 어레이와; 상기 계측 영역의 상부에 설치되어 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역 내에서 촬영하는 촬상부와; 상기 촬상부로부터 촬영된 영상과 사전에 캘리브레이션된 데이터를 기초로 상기 계측 영역내의 적설량을 산출하는 적설계 제어기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 적설계 제어기와 유,무선 통신을 통하여 접속되어 상기 산출된 적설량을 관리하는 관제 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 적설계 제어기가, 상기 계측 영역의 적설량에 따라 상기 광원 어레이의 다수의 슬릿광원 중 하나를 선택하는 선택부와; 상기 촬상부로부터 촬영된 영상을 수신하는 영상수신부와; 평면 좌표값에 따라 높이를 산출하는 캘리브레이션을 수행하고, 상기 영상수신부에서 수신된 영상에서 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표를 산출하고 산출된 좌표와 상기 캘리브레이션 결과를 기초로 적설량을 산출하며, 상기 수신된 영상으로부터 상기 적외선 레이저 슬릿광의 좌표가 산출되지 않는 경우 현재 사용중인 상기 슬릿광원의 상측에 배치된 슬릿광원을 선택하는 신호를 상기 선택부로 출력하는 제어부와; 상기 캘리브레이션 결과값과 상기 산출된 적설량을 저장하는 저장부와; 외부의 시스템으로 상기 산출된 적설량을 전송하는 통신 인터페이스부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 촬상부가, 상기 계측 영역을 촬영하는 CCD 카메라와; 상기 CCD 카메라의 원근을 조절하는 포커스 렌즈와; 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광외의 외란광을 차단하는 적외선 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 광학식 적설 계측 방법은 평면 좌표에 따른 높이의 관계를 산출하는 캘리브레이션 단계와; 적외선 레이저 슬릿광을 임의의 높이에서 계측하고자 하는 영역으로 경사지게 투사하고 상기 계측 영역내의 설면을 촬영하는 촬영 단계와; 상기 촬영된 영상과 상기 캘리브레이션 결과를 이용하여 적설량을 산출하는 적설량 산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 산출된 적설량을 외부의 관제 시스템으로 전송하여 관리하는 전송 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 촬영 단계에서, 상기 설면에 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어났는지를 판단하는 판단 단계와; 상기 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어난 경우 상기 적외선 레이저 슬릿광의 투사 위치를 상향 조정하는 조정 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 적설량 산출 단계에서 상기 촬영된 영상으로부터 상기 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표값을 연산하는 좌표연산 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학식 적설 계측 시스템 및 그 방법은 적설 표면에 적외선 레이저 슬릿광을 경사지게 투사하고 이를 CCD 카메라로 영상 획득하고 영상 내에서 의 레이저 광의 위치 정보를 기초로 능동 시각 알고리즘을 적용하여 적설 높이를 산출함으로써, 혹한기 또는 강설 등의 환경 요인에 따른 측정 오차를 배제하고 단위 적설 면적 내에서의 높이 정보를 보다 정확하게 측정하여 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템의 설치 상태의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템의 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 촬상부(300)로부터 촬영된 영상과 사전에 캘리브레이션된 데이터를 기초로 계측 영역내의 적설량을 산출하는 적설계 제어기(100)와, 적외선 레이저 슬릿광을 설면(20)에 투사하는 슬릿광원 어레이(200)와, 슬릿광원 어레이(200)로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광(221)을 계측 영역 내에서 촬영하는 촬상부(300)와, 적설계 제어기(100)와 유,무선 통신을 통하여 접속되어 적설량을 관리하는 관제 시스템(400)으로 구성된다.
적설계 제어기(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 계측 영역의 적설량에 따라 슬릿광원 어레이(200)의 다수의 슬릿광원(211~ 213) 중 하나를 선택하는 선택부(110)와, 촬상부(300)로부터 촬영된 영상을 수신하는 영상수신부(120)와, 평면 좌표값에 따라 높이를 산출하는 캘리브레이션을 수행하고, 그 결과와 수신된 영상을 기초로 적설량을 산출하는 제어부(130)와, 캘리브레이션 결과값과 산출된 적설량을 저장하는 저장부(140)와, 외부의 관제 시스템(400)으로 산출된 적설량을 전송하는 통신 인터페이스(150)부로 구성된다.
선택부(110)는 슬릿광원(211~213)중 하나만을 온시키고 나머지는 오프시키기 위한 신호를 슬릿광원 어레이(200)로 전송한다.
영상수신부(120)는 촬상부(300)로부터 수신된 영상을 처리하여 저장부(140)에 저장한다.
제어부(130)는 후술하는 바와 같이 수신된 영상정보로부터 적설량에 해당하는 높이 정보를 산출하기 위하여 슬릿광원 어레이(200)와 촬상부(300)를 이용하여 자이 알고리즘 등의 능동 시각 알고리즘을 적용한 캘리브레이션을 수행한다.
또한, 제어부(130)는 배경 보상(Back Ground Compensation), 영상 이진화 및 세선화 기법 등의 영상 전처리 기법을 적용하여 영상수신부(120)에서 수신된 영상에서 슬릿광원 어레이(200)로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표를 산출한다.
또한, 제어부(130)는 산출된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표와 저장부(140)에 저장된 캘리브레이션 결과를 기초로 적설량을 산출한다.
또한, 제어부(130)는 촬상부(300)로부터 수신된 영상으로부터 적외선 레이저 슬릿광의 좌표가 산출되지 않는 경우, 즉, 강설 등으로 인하여 적설량이 현재 사용중인 슬릿광원(211~213)에 의한 계측 범위를 초과한 경우에는 현재 사용중인 슬릿 광원(211~213)의 상측에 배치된 슬릿광원을 선택하는 신호를 선택부(110)로 출력함으로써 그 계측 범위를 조정한다.
슬릿광원 어레이(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 계측하고자 하는 영역의 일측에 설치된 "ㄱ"자 형상의 기대(500)의 기둥에 배치되어 적외선 레이저 슬릿광을 계측 영역을 향하여 경사지게 투사하며, 서로 상이한 높이에 일정 간격으로 배치된 다수의 슬릿광원(211~213)으로 구성된다.
도 3은 도 2의 촬상부의 상세 구성도이고, 도 4는 도 3의 CCD 카메라에서 촬영된 적설면에 적외선 레이저 슬릿광이 투사된 영상을 나타낸 도면이다.
촬상부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지상에 설치된 ‘ㄱ’자 형태의 기대(500)의 상측인 계측 영역의 상부에 설치되며, 계측 영역을 촬영하는 CCD 카메라(310)와, CCD 카메라(310)의 원근을 조절하는 포커스 렌즈(320)와, 슬릿광원 어레이(200)로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광외의 외란광을 차단하는 적외선 필터(330)로 구성된다.
CCD 카메라(310)는 슬릿광원 어레이(200)로부터 설면(20)에 투사된 적외선 레이저 슬릿광을 촬영하는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 설면(20)에 투사된 적외선 레이저 슬릿광에 의해 형성되는 투사면(30)이 촬영된다.
여기서, 일정 영역 내에서 적설량이 균일하지 않은 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 투사면(30)이 곡선 형태로 나타나며, 적설량이 균일한 경우에는 투사면(30)은 직선 형태로 나타난다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템은 슬릿 광원 어레이(200)에서 선택된 어느 하나의 슬릿광원(211~213), 예를 들면, 슬릿광원(211)로부터 설면(20)에 경사지게 적외선 레이저 슬릿광(221)을 투사하면, 설면(20)에 형성된 투사면(30)을 촬상부(300)로 촬영하여 그 영상을 획득하고, 이를 적설계 제어기(100)로 전송한다.
적설계 제어기(100)는 전송된 영상으로부터 영상 전처리 기법을 적용하여 설면(20)에서 반사된 적외선 레이저 슬릿광 프로파일(30)의 좌표를 산출하고, 산출된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표와 저장부(140)에 저장된 캘리브레이션 결과를 이용하여 적설면의 높이를 산출한다.
이때, 적설량이 급격이 증가하여 설면(20)에서 반사되는 적외선 레이저 슬릿광이 촬상부(300)의 F.O.V(Field Of View) 범위를 벗어나면, 즉, 설면(20)의 투사면(30)이 촬영되지 않는 경우에는, 적설계 제어기(100)는 현재 사용중인 슬릿광원(211)을 오프시키고 상위 배치된 슬릿광원(212)을 온시키도록 제어하여 적설량에 따라 계측 범위를 제어한다.
이러한 구성에 의해 본 발명은 강설 혹은 급격한 폭설 등의 환경의 변화에도 신뢰성이 높게 적설량을 계측할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 도 5의 적설량 산출 방법을 설명하기 위한 구성도이며, 도 7은 도 5의 캘리브레이션에 사용되는 격자가 형성된 평판의 평면도이다.
먼저, 평면 좌표에 따른 높이의 관계를 산출하는 캘리브레이션을 수행한다(단계 S501).
도 7에 도시된 바와 같이, 일정한 간격으로 배치된 '+'자형 격자가 그려진 평판에 슬릿광원 어레이(200)로부터 적외선 레이저 슬릿광을 경사지게 투사하고 이를 촬상부(300)로 촬영하여 영상을 획득한다.
획득된 영상으로부터 캘리브레이션 포인트인 '+'자의 중앙점에 대한 픽셀 좌표를 영상 전처리 기법에 의해 산출하고, 이 좌표와 실체 물리적인 위치의 변환식을 자이 알고리즘 등의 능동 시각 알고리즘을 이용하여 산출한다.
다음으로, 적외선 레이저 슬릿광을 임의의 높이에서 계측하고자 하는 영역으로 경사지게 투사하고 계측 영역내의 설면을 촬영한다(단계 S502).
도 6에서, 슬릿광원(211)으로부터 적외선 레이저 슬릿광(221)이 투사되고 있는 경우를 예를 들어 설명하면, 슬릿광원(211)이 적외선 레이저 슬릿광을 지면(10)에 적설계측 기준면(600)이 설치된 일정 영역으로 적외선 레이저 슬릿광(221)을 경사지게 투사하면, 촬상부(300)가 이를 촬영하여 영상을 획득한다.
다음으로, 설면에 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어났는지를 판단하여(단계 S503), 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어났다고 판단한 경우, 적외선 레이저 슬릿광의 투사 위치를 상향 또는 하향 조정한다(단계 S504).
예를 들면, 적설량의 증가에 의해 설면(21)이 설면(22)으로 높아지면, 슬릿광원(211)으로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광(221)은 설면(22)에서 반사되는데, 이때 설면(22)에 형성되는 투사면이 촬영된 영상에 나타나지 않는 경우에는 투사되는 적외선 레이저 슬릿광에 의한 계측 범위를 조정한다. 즉, 슬릿광원(211)을 오프시키고 슬릿광원(212)을 온 시킨다.
단계 S503의 판단 결과, 촬영된 영상으로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표값을 연산한다(단계 S505).
도 4에 도시된 바와 같이, 촬영된 영상에는 슬릿광원(211)로부터 설면(21)에 투사된 적외선 레이저 슬릿광(211)에 의한 투사면(30)이 나타나는데, 배경 보상, 영상 이진화 및 세선화 기법 등의 영상 전처리 기법을 이용하여 투사면의 좌표를 산출한다.
다음으로, 촬영된 영상의 좌표와 캘리브레이션 결과를 이용하여 적설량을 산출한다(단계 S506).
상기 캘리브레이션 단계(단계 S501)에서 산출된 좌표와 실체 물리적인 위치의 변환식을 이용하여 상기 촬영된 영상의 좌표에 대응하는 높이를 산출하여 이 높이를 적설량으로서 측정한다.
다음으로, 산출된 적설량을 외부의 관제 시스템으로 전송한다(단계 S507).
즉, 유무선 통신 수단을 구비하여 적설량의 외부의 관제 시스템으로 전송하면, 계측된 적설량을 원격으로 관측하고 제어할 수 있다.
이러한 구성에 의해 본 발명은 강설 혹은 급격한 폭설 등의 환경의 변화에도 광학식 계측의 신뢰도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템의 설치 상태의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 시스템의 블록도.
도 3은 도 2의 촬상부의 상세 구성도.
도 4는 도 3의 CCD 카메라에서 촬영된 적설면에 적외선 레이저 슬릿광이 투사된 영상을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 적설 계측 방법을 나타낸 순서도.
도 6은 도 5의 적설량 산출 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 7은 도 5의 캘리브레이션에 사용되는 격자가 형성된 평판의 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 적설계 제어기 110 : 선택부
120 : 영상수신부 130 : 제어부
140 : 저장부 150 : 통신 인터페이스(I/F)
200 : 슬릿광원 어레이 300 : 촬상부
310 : CCD 카메라 320 : 포커스 렌즈
330 : 적외선 필터 400 : 관제 시스템
500 : 기대(base)

Claims (8)

  1. 계측하고자 하는 영역의 일측에 설치된 기대에 배치되어 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역을 향하여 경사지게 투사하는 다수의 슬릿광원이 일정 간격으로 배치된 광원 어레이와;
    상기 계측 영역의 상부에 설치되어 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광을 상기 계측 영역 내에서 촬영하는 촬상부와;
    상기 촬상부로부터 촬영된 영상과 사전에 캘리브레이션된 데이터를 기초로 상기 계측 영역내의 적설량을 산출하는 적설계 제어기를 포함하되,
    상기 적설계 제어기는,
    상기 계측 영역의 적설량에 따라 상기 광원 어레이의 다수의 슬릿광원 중 하나를 선택하는 선택부와; 상기 촬상부로부터 촬영된 영상을 수신하는 영상수신부와; 평면 좌표값에 따라 높이를 산출하는 캘리브레이션을 수행하고, 상기 영상수신부에서 수신된 영상에서 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표를 산출하고 산출된 좌표와 상기 캘리브레이션 결과를 기초로 적설량을 산출하며, 상기 수신된 영상으로부터 상기 적외선 레이저 슬릿광의 좌표가 산출되지 않는 경우 현재 사용중인 상기 슬릿광원의 상측에 배치된 슬릿광원을 선택하는 신호를 상기 선택부로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적설계 제어기와 유,무선 통신을 통하여 접속되어 상기 산출된 적설량을 관리하는 관제 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적설계 제어기는, 상기 캘리브레이션 결과값과 상기 산출된 적설량을 저장하는 저장부와; 외부의 시스템으로 상기 산출된 적설량을 전송하는 통신 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상부는, 상기 계측 영역을 촬영하는 CCD 카메라와; 상기 CCD 카메라의 원근을 조절하는 포커스 렌즈와; 상기 광원 어레이로부터 투사된 적외선 레이저 슬릿광외의 외란광을 차단하는 적외선 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 시스템.
  5. 평면 좌표에 따른 높이의 관계를 산출하는 캘리브레이션 단계와;
    적외선 레이저 슬릿광을 임의의 높이에서 계측하고자 하는 영역으로 경사지게 투사하고 상기 계측 영역내의 설면을 촬영하는 촬영 단계와;
    상기 촬영 단계에서 촬영된 영상과 상기 캘리브레이션 결과를 이용하여 적설량을 산출하는 적설량 산출 단계를 포함하되,
    상기 촬영 단계는,
    상기 설면에 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어났는지를 판단하는 판단단계와; 상기 투사된 적외선 레이저 슬릿광이 촬영 범위내에서 벗어난 경우 상기 적외선 레이저 슬릿광의 투사위치를 상향 조정하는 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 방법.
  6. 제 5 항에 있어서
    상기 산출된 적설량을 외부의 관제 시스템으로 전송하여 관리하는 전송 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 방법.
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 적설량 산출 단계는 상기 촬영된 영상으로부터 상기 투사된 적외선 레이저 슬릿광의 좌표값을 연산하는 좌표연산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설 계측 방법.
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