KR101634792B1 - 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정 지역에 대한 초분광 영상(hyperspectral image)으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 표적물질 탐지방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법에 있어서, 화소 단위로 목표 물질 여부를 판별함으로써 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 목표물의 크기가 작은 경우에는 탐지되지 않는 경우가 많았던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하고, 취득된 초분광 영상으로부터 영상 엔드멤버(image endmember)를 자동으로 추출한 후, 여기에 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하여 분광 순수화(spectral unmixing)을 수행하고, 그 결과에 근거하여 표적물질에 대한 점유비율을 구하여 표적물질에 대한 분포도를 작성하도록 구성됨으로써, 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 서브픽셀(sub-pixel) 기반의 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법이 제공된다.

Description

초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법{Method for detecting target material by spectral mixture analysis of hyperspectral image}

본 발명은 초분광 영상(hyperspectral image)을 이용한 표적물질 탐지방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 화소 크기에 비해 크기가 작은 표적물질들은 탐지되지 않는 경우가 많았던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하여, 크기에 관계없이 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초분광 영상(hyperspectral image)이란, 위성이나 항공기 등을 이용하여 공중에서 촬영되는 영상으로서, 대략 400 ~ 2500nm의 파장 범위를 가지고 파장의 폭은 약 10nm로서, 수십 ~ 수백 개의 밴드(band)를 가지고 있음으로 인해 원격 탐사분야에서 특정한 물질의 분포나 표적 탐지 및 위장체 탐지 등을 위해 많이 이용되고 있다.

또한, 초분광 영상을 이용한 분광혼합분석(spectral mixture analysis)은, 초분광 영상자료가 포함하고 있는 광범위한 분광정보를 최대한 이용할 수 있는 분석기법으로서, 물질 고유의 분광반사 특성(pure spectral signature)들을 이용하여 하나의 화소가 차지하는 영역에 대하여 그 피복 물질과 각 물질별 점유비율(abundances fraction)을 정량적으로 분석하는 기법이다.

이러한 분광혼합분석을 위해서는 영상자료 영역 내에 존재하는 피복 물질들에 대한 고유의 분광반사특성에 대한 정보, 즉, 엔드멤버(endmember)가 필요하며, 영상 자료로부터 직접 순수하게 단일 물질로만 피복된 화소들을 추출하여 그 분광반사 특성을 이용하는 방법(image endmember)과, 다양한 물질들에 대하여 실험실 혹은 현장에서 분광 반사도(spectral reflectance)를 측정하여 구축해놓은 분광 라이브러리(spectral library)를 이용하는 방법(library endmember)으로 구분될 수 있다.

여기서, 분광 라이브러리는 지표에 존재하는 다양한 물질에 대한 분광 반사율 자료를 모아놓은 일종의 데이터베이스로서, 400 ~ 2500nm 파장 범위에서 약 1 ~ 10nm 파장 폭을 가지며, 지상에서 근거리로 측정되므로 다른 분광 측정기와 비교하여 노이즈가 적은 장점이 있어 물질 비교 및 특성 분석을 위한 참조 데이터로 많이 사용되고 있으나, 항공기나 인공위성을 이용한 초분광 영상자료의 획득 환경과 분광라이브러리 구축시 반사특성을 측정하는 실험실 또는 현장의 환경이 다르다는 문제와, 주어진 영상이 어떤 물질들로 피복되어 있는지에 대한 사전 정보가 필요하다는 단점이 있다.

아울러, 영상 엔드멤버(image endmember)는 영상으로부터 직접 추출되기 때문에 곧 바로 분광혼합분석이 가능하다는 장점이 있어 대부분의 초분광 영상자료의 분석에 활용되고 있으나, 영상 영역 내에 존재하는 모든 물질들에 대해 순수하게 단일 물질로만 피복된 화소가 없는 경우가 있을 수 있다는 문제점 및 추출된 엔드멤버가 어떤 물질에 대한 분광특성인지를 추가 작업을 통해 확인해야만 하는 문제가 있다.

즉, 상기한 바와 같은 초분광 영상 및 분광 라이브러리를 이용한 분석방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1414045호에 제시된 바와 같은 "분광라이브러리 데이터와 입력된 초분광영상을 이용한 표적탐지방법" 및 한국 등록특허공보 제10-1361094호에 제시된 바와 같은 "피라미드 기법 기반 색인 및 질의를 통한 초분광영상의 물질탐지 방법"이 있다.

더 상세하게는, 먼저, 상기한 등록특허공보 제10-1414045호에 제시된 분광라이브러리 데이터와 입력된 초분광영상을 이용한 표적탐지방법은, 미리 설정된 차원 축소 개수에 기초하여 초분광 영상을 미리 설정된 개수의 밴드를 가지는 복수 개의 그룹으로 분리하고, 미리 설정된 개수의 밴드들 간의 반사율의 변화량을 기초로 K-Means 클러스터링을 이용하여 물질을 분류하는 단계, 초분광 영상의 분광 데이터 특성에 기초한 영역 질의 기반의 k-최근접 질의 알고리즘을 사용하여 k개의 후보자를 추출하고 추출된 후보자의 차원 축소된 분광 라이브러리 데이터 및 입력된 초분광 영상의 차원 축소 데이터에 기초해 표적을 탐지하는 단계를 포함하여, 적은 차원을 이용하여 높은 탐지율을 획득할 수 있는 분광라이브러리 데이터와 입력된 초분광영상을 이용한 표적탐지방법에 관한 것이다.

더욱이, 상기한 등록특허공보 제10-1361094호에 제시된 피라미드 기법 기반 색인 및 질의를 통한 초분광 영상의 물질탐지 방법은, 미분 분광법을 이용하여 분광 라이브러리 내 분광 데이터를 전처리하는 단계와, 피라미드 기법을 사용하여 상기 전처리된 분광 데이터에 대한 색인을 구축하는 단계와, 초분광 영상으로부터 추출된 물질 데이터로부터 키값을 생성하는 단계와, 상기 색인 내에서 상기 물질 데이터의 키값과 유사한 분광 데이터의 키값이 존재하는 위치로 이동하는 단계와, 상기 위치로 이동 후 그 위치를 기준으로 소정 추출범위 내에서 특정 질의 알고리즘에 따라 질의를 수행하여 상기 분광 라이브러리로부터 후보자 물질을 추출하는 단계와, 상기 질의를 통해 추출된 후보자 물질 중 다른 물질을 필터링하는 단계와, 상기 필터링을 통해 남은 최종 후보자를 출력하는 단계를 포함하여, 검색시간을 줄이고 정확도 높은 후보자를 추출하여 물질 탐색의 정확도를 개선할 수 있는 피라미드 기법 기반 색인 및 질의를 통한 초분광 영상의 물질탐지 방법에 관한 것이다.

또한, 상기한 엔드멤버를 추출하는 방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1425159호에 제시된 바와 같은 "초분광 영상의 엔드멤버 추출 방법" 및 한국 등록특허공보 제10-1281873호에 제시된 바와 같은 "초분광 영상의 최적 엔드멤버 개수 고속 추정방법"이 있다.

더 상세하게는, 먼저, 상기한 등록특허 제10-1425159호에 제시된 초분광 영상의 엔드멤버 추출 방법은, 초분광 영상 자료를 압축하고 초기 엔드멤버의 개수를 설정하는 전처리 단계; 상기 초기 엔드멤버들을 엔드멤버 셋의 초기값으로 하여 단체의 부피를 계산하는 초기 설정 단계; 영상의 모든 화소들에 대해 엔드멤버 셋의 원소를 차례로 대치해 가며 단체의 부피를 계산하고, 부피가 증가하면 해당 화소의 분광특성 값으로 해당 엔드멤버 원소를 추출하는 엔드멤버 탐색 단계; 상기 추출된 엔드멤버를 이용해 선형 분광혼합분석을 적용시켜 오차영상을 구하고 전체 화소를 대상으로 오차의 합을 구하는 에러영상 분석 단계; 및 엔드멤버의 개수를 한 개씩 증가시키면서 상기 엔드멤버 탐색 단계와 에러영상 분석 단계를 반복하여, 오차의 합이 증가하면 반복을 중지하고 이전 과정의 엔드멤버를 최종 결과로 출력하는 판단 단계;를 포함하여, 초분광 영상의 분광혼합분석을 위한 엔드멤버를 효율적으로 추출할 수 있는 초분광 영상의 엔드멤버 추출 방법에 관한 것이다.

아울러, 상기한 등록특허 제10-1281873호에 제시된 초분광 영상의 최적 엔드멤버 개수 고속 추정방법은, 초분광 영상에 최적 엔드멤버를 추정하기 위한 전처리를 수행하는 전처리 단계; 상기 전처리 단계에서 처리된 상기 초분광 영상의 데이터에 대한 초기화를 수행하는 초기화 단계; 상기 초분광 영상의 최적 엔드멤버 개수를 결정하기 위해 상기 초기화 단계의 처리를 모든 픽셀에 대하여 반복하는 엔드멤버 추정단계; 상기 전처리 단계에서 구해진 상기 초분광 영상의 평균 스펙트럼을 이용하여 분광 순수화에 의한 에러를 산출하고 이전의 에러와 비교하는 에러분석단계; 및 상기 에러분석단계의 비교 결과에 따라 처리를 완료하거나 또는 상기 엔드멤버 추정단계로 돌아가는 처리를 반복하는 반복단계를 포함하여 구성됨으로써, 처리 과정이 복잡하여 시스템 복잡화 및 처리시간 지연 등을 야기하는 문제가 있었던 종래의 초분광 영상의 엔드멤버 추출방법들의 문제점을 해결하여, 초분광 영상의 완전한 분광 순수화(spectral unmixing)를 위한 알고리즘에 요구되는 최적의 엔드멤버(endmembers)의 수를 고속으로 추정할 수 있도록 하기 위한 초분광 영상의 최적 엔드멤버 개수의 고속 추정방법에 관한 것이다.

상기한 바와 같이, 종래, 초분광 영상과 분광 라이브러리를 이용한 분석방법 및 엔드멤버를 추출하기 위한 방법에 대한 연구가 제시된 바 있으나, 이러한 종래기술의 방법들에는 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.

더 상세하게는, 현재, 대부분의 초분광 영상 관련 연구는 유효밴드 추출, 전처리, 표적탐지 및 물질 분류 등과 같은 영상처리 분야에서 진행되고 있으며, 높은 정확도로 물질 분류와 물질 탐색을 하기 위해서는, 지상에서 측정된 분광 라이브러리 데이터와 초분광영상을 이용한 분광 정합(Spectral matching), 색인 구축(indexing) 및 후보자 필터와 같은 연구들이 필요하다.

여기서, 최근, 초분광 영상을 이용한 분석기법에 대한 연구는, 크게 나누어, 영상 엔드멤버 추출의 성능을 향상시키기 위한 연구와, 라이브러리 엔드멤버를 분광혼합분석에 직접 사용하기 위해 매우 큰 희소행렬(sparse matrix)로부터 영상 내의 엔드멤버들에 대한 점유비율값을 효율적으로 계산해내기 위한 기법들에 대한 연구들로 나누어지며, 즉, 최근의 초분광 영상을 이용한 분석기법은, 일반적으로, 우선 영상 엔드멤버를 추출하여 현장조사 혹은 분광 라이브러리와의 분광특성 비교분석을 통해 해당 엔드멤버가 어떤 물질인지를 찾아낸 후, 분광혼합분석을 통해 최종적으로 물질별 점유비율도(abundance fraction map)를 생성해내는 방식으로 이루어지고 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들은 단순히 초분광 영상과 분광 라이브러리를 이용하거나 영상 엔드멤버를 추출하는 방법만을 제시하는 데 그치는 것으로, 이들 방법들을 유기적으로 결합하여 초분광 영상에서 목표하는 표적물질만을 정확히 찾아낼 수 있도록 하기 위한 표적물질 탐지방법으로까지는 제시되지 못하는 한계가 있는 것이었다.

또한, 기존의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들은, 모두 화소 단위의 분광반사 스펙트럼을 기준으로 표적물질의 스펙트럼과의 유사도를 비교하여 표적물질과 비표적물질의 2가지로 구분하고 있으나, 지표면에는 매우 다양한 물질이 분포하고 있어 아무리 많은 분광정보를 사용하는 초분광 영상에서도 비표적물질이 표적으로 오탐지되는 경우가 매우 많이 발생하게 되는 문제점이 있다.

아울러, 기존의 방법들은, 모두 화소별로 스펙트럼의 유사도를 기준으로 표적물질인지 아닌지를 결정하므로, 화소가 차지하는 공간적 영역이 표적물질의 공간적 크기에 비해서 넓은 경우 표적물질을 찾아내지 못하는 문제가 있다.

즉, 하나의 화소가 지상에서의 차지하는 영역의 크기가 5m×5m 라고 할 때, 그 안에 2m×2m크기의 표적이 있어도 면적 비율이 25 : 4이므로, 나머지 21(25 - 4)을 차지하는 물질로 인지하게 되어 이 표적은 표적물질로 탐지되지 못하게 된다.

상기한 바와 같이, 초분광 영상을 이용한 기존의 모든 표적물질 탐지방법들은, 표적물질의 분광반사 스펙트럼 특징을 기준으로 모든 화소에 대해 해당 화소가 가지는 분광 스펙트럼과의 유사도를 수학적으로 비교하여 각 화소를 표적물질과 비표적물질의 2가지로 구분하며, 각 기법별로 유사도의 기준이 되는 수학적 지표를 달리하거나, 전처리를 통해서 분광반사 스펙트럼을 보다 더 특징화한다는 특징들을 가지고 있으나, 표적물질 여부가 하나의 화소를 기준으로 판정됨으로 인해 화소의 크기에 비해 작은 크기를 가지는 표적들은 표적물질로 탐지되기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 탐지결과에 표적물질이 아닌 다른 물질까지 오탐지되거나 화소 영역에 비해 크기가 작은 목표물은 탐지되지 못하는 경우가 많았던 종래기술의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 표적물질 탐지방법의 정확도를 개선하여 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질들을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 탐지방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 한국 등록특허공보 제10-1414045호 (2014.06.25.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1361094호 (2014.02.04.)

3. 한국 등록특허공보 제10-1281873호 (2013.06.27.)

4. 한국 등록특허공보 제10-1425159호 (2014.07.24.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 표적물질 탐지방법에 있어서, 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적이 탐지되지 못하는 경우가 많았던 종래기술의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하여, 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질들을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하고, 취득된 초분광 영상으로부터 영상 엔드멤버(image endmember)를 자동으로 추출하여 다양한 지표 구성 물질들의 스펙트럼을 확보한 후, 여기에 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하여 분광 순수화(spectral unmixing)을 수행하고, 그 결과에 근거하여 표적물질에 대한 점유비율을 구하여 표적물질에 대한 분포도를 작성함으로써, 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 제공하고자 하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 자동으로 추출된 영상 내의 모든 배경물질들에 대한 모든 스펙트럼과 표적물질의 스펙트럼을 이용하여 각 화소별로 각 배경물질들과 표적물질의 구성비율을 계산하고, 최종적으로 표적물질만의 공간적 분포도를 제공하도록 구성됨으로써, 배경물질에 관계없이 단순히 표적물질의 스펙트럼만을 가지고 유사도를 비교하는 기존의 방법들에 비해 매우 정확한 탐지결과를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 화소 영역의 크기에 비해 크기가 매우 작은 목표물도 탐지가 용이하여, 예를 들면, 상기한 바와 같이 5m×5m 크기의 화소에 2m×2m크기의 표적이 존재하는 경우에도, 표적물질이 해당 화소영역에서 16%(4/25) 차지하고 있다고 분석되도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출시 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 상기 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 목표하는 상기 표적물질만을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 있어서, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 단계; 상기 초분광 영상을 취득하는 단계에서 취득된 상기 초분광 영상의 단위 픽셀에 대하여 물질 분포를 분석하여 자동으로 영상 엔드멤버(image member)를 추출하는 단계; 상기 영상 엔드멤버를 추출하는 단계에서 추출된 상기 영상 엔드멤버에 찾고자 하는 상기 표적물질의 분광반사 스펙트럼을 새로운 엔드멤버로 추가하여 분광 순수화(spectral unmixing)를 수행하는 단계; 상기 분광 순수화를 수행하는 단계의 처리결과에 근거하여 상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계; 및 상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계의 결과에 근거하여 상기 초분광 영상의 단위 픽셀에 대한 상기 표적물질의 분포를 상기 초분광 영상 상에 표시하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법이 제공된다.

여기서, 상기 탐지방법은, 상기 표적물질과 상기 초분광 영상 내에 포함된 지표 구성물질에 대한 모든 스펙트럼을 이용하여 모든 화소에 대하여 상기 분광혼합분석을 수행하여 모든 화소에 대하여 상기 표적물질의 점유비율이 계산되도록 구성됨으로써, 각각의 화소가 구성하는 영역에서 상기 표적물질이 일부분만을 구성하고 있어도 상기 표적물질의 존재 여부가 정확하게 분석될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탐지방법은, 상기 영상 엔드멤버를 추출하는 단계와 상기 분광 순수화를 수행하는 단계 및 상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계의 처리를 상기 초분광 영상의 각각의 픽셀에 대하여 반복 수행하여 상기 표적물질에 대한 분포도를 작성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따르면, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출시 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 상기 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 목표하는 상기 표적물질만을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템에 있어서, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 영상취득부에 의해 취득된 상기 초분광 영상으로부터 상기 표적물질에 대한 분포를 분석하는 영상분석부; 및 상기 영상분석부에 의해 분석된 상기 표적물질에 대한 분포를 상기 초분광 영상 상에 표시하는 영상표시부를 포함하여 구성되고, 상기 영상분석부는, 상기에 기재된 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 이용하여 상기 표적물질의 분포를 분석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 초분광 영상을 이용한 표적탐지방법에 있어서, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하고, 취득된 초분광 영상으로부터 영상 엔드멤버(image endmember)를 구한 후, 여기에 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하여 화소별로 분광 순수화(spectral unmixing) 과정을 통해 표적물질에 대한 분포도를 작성하도록 구성되어, 매우 다양한 종류의 배경 물질이 분포하는 영상에서도 오탐지되는 화소가 거의 없이 효과적으로 목표하는 표적물질만이 정확하게 탐지됨은 물론, 화소 크기에 비해 매우 작은 크기의 표적에 대해서도 탐지가 가능한 장점을 가지는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법이 제공됨으로써, 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법을 이용하여, 다양한 종류의 배경 물질이 분포하는 영상에서도 오탐지되는 화소가 거의 없이 효과적으로 목표하는 표적물질만이 정확하게 탐지 가능한 동시에, 화소 크기에 비해 매우 작은 크기의 표적에 대해서도 탐지가 가능하도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 성능을 검증하기 위한 샘플 자료로서 항공기를 이용하여 촬영된 초분광 영상을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 초분광 영상으로부터 종래기술의 표적물질 탐지방법과 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법을 이용하여 목표 물질에 대한 검출을 수행한 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4는 인위적으로 추가된 타겟 신호에 대한 탐지 능력 실험을 위해 제작된 모의 자료를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 픽셀에 대한 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법에 의한 표적탐지 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 표적탐지방법에 있어서, 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적이 탐지되지 못하는 경우가 많았던 종래기술의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하여, 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질들을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같은 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하고, 취득된 초분광 영상으로부터 영상 엔드멤버(image endmember)를 자동으로 추출하여 다양한 지표 구성 물질들의 스펙트럼을 확보한 후, 여기에 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하여 분광 순수화(spectral unmixing)를 수행하고, 그 결과에 근거하여 표적물질에 대한 점유비율을 구하여 표적물질에 대한 분포도를 작성함으로써, 오탐지되는 화소가 거의 없이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 영상 내의 배경물질들에 대한 모든 스펙트럼과 표적물질의 스펙트럼을 이용하여 각 화소별로 각 배경물질들과 표적물질의 구성비율을 계산하고, 최종적으로 표적물질만의 공간적 분포도를 제공하도록 구성됨으로써, 배경물질에 관계없이 단순히 표적물질의 스펙트럼만을 가지고 유사도를 비교하는 기존의 방법들에 비해 매우 정확한 탐지결과를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 화소 영역의 크기에 비해 크기가 매우 작은 목표물도 탐지가 용이하여, 예를 들면, 상기한 바와 같이 5m×5m 크기의 화소에 2m×2m크기의 표적이 존재하는 경우에도, 표적물질이 해당 화소영역에서 16%(4/25) 차지하고 있다고 분석되도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법은, 먼저, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 단계(S110)와, 취득된 초분광 영상의 단위 픽셀에 대하여 물질 분포를 분석하여 영상 엔드멤버(image member)를 추출하는 단계(S120)와, 상기 단계에서 추출된 엔드멤버에 더하여, 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 영상 엔드멤버로서 추가하고 분광 순수화(spectral unmixing)를 수행하는 단계(S130) 및 상기한 분광 순수화의 결과에 근거하여 각 물질에 대한 점유비율을 구하고 표적물질에 대한 점유 비율을 추출하여 표시하는 단계(S140)를 포함하여 구성된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법은, 초분광 영상의 각각의 픽셀에 대하여 상기한 단계(S130 ~ S140)들을 반복하여 최종적으로 표적물질에 대한 분포도를 작성하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기한 초분광 영상을 취득하는 단계(S110)는, 위성이나 항공기 등을 이용하여 분석하고자 하는 지역에 대한 촬영을 행하여 초분광 영상을 얻을 수 있다.

또한, 상기한 영상 엔드멤버(image member)를 추출하는 단계(S120)는, 예를 들면, 상기한 종래기술에 대한 설명에서 제시된 바와 같이, 본 발명자 등에 의해 제시된 한국 등록특허공보 제10-1425159호의 "초분광 영상의 엔드멤버 추출 방법"이나, 한국 등록특허공보 제10-1281873호에 제시된 "초분광 영상의 최적 엔드멤버 개수 고속 추정방법"과 같은 내용을 참조하여 수행될 수 있다.

아울러, 상기한 분광 순수화(spectral unmixing)를 수행하는 단계(S130)와, 표적물질에 대한 점유 비율을 추출하는 단계(S140) 및 분포도를 작성하는 단계(S150)의 구체적인 내용은, 종래기술의 문헌 등을 통하여 당업자에게 자명한 사항이므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명은 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법은, 초분광 영상을 취득하고 취득된 초분광 영상에서 최적의 영상 엔드멤버를 구한 후, 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼을 영상 엔드멤버에 추가하여 분광 순수화를 행함으로써 각 픽셀에 대하여 각각의 엔드멤버에 해당하는 물질들의 점유비율을 구하고, 이를 통해 표적물질의 점유비율을 구하는 과정을 각 픽셀마다 반복하여 영상 전체에 대한 목표 물질의 분포를 구하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 따르면, 단순히 초분광 영상에 나타난 스펙트럼 중에서 표적물질과 가장 유사한 패턴의 스펙트럼을 찾아내는 것에 불과하여 표적물질이 아닌 것까지 오탐지되는 경우가 많았던 종래의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법과, 단지 엔드멤버의 효율적인 추출방법만을 제시하는 데 그치는 것이었던 종래기술의 엔드멤버 추출방법을 효과적으로 융합하여, 초분광 영상에서 오탐지되는 화소가 거의 없이 표적물질만을 정확히 탐지할 수 있다.

상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 예를 들면, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 영상취득부와, 영상취득부에 의해 취득된 초분광 영상으로부터 표적물질에 대한 분포를 분석하는 영상분석부 및 영상분석부에 의해 분석된 표적물질에 대한 분포를 초분광 영상 상에 표시하는 영상표시부를 포함하여 이루어지고, 이때, 상기한 영상분석부는, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 이용하여 분석을 수행하도록 구성함으로써, 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지시스템을 구현할 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 성능을 종래기술의 방법과 비교하여 검증한 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법의 성능을 검증하기 위한 샘플 자료로서 항공기를 이용하여 촬영된 초분광 영상을 나타내는 도면이다.

즉, 도 2에 나타낸 초분광 영상은, 추수가 끝난 논에 몇 가지 물질들을 바닥에 설치하고 항공기를 이용하여 획득된 초분광 영상을 나타내고 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 초분광 영상으로부터 종래기술의 표적탐지방법과 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법을 이용하여 목표 물질에 대한 검출을 수행한 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

더 상세하게는, 도 3은 바닥에 설치해둔 잔디(Grass)에 대한 탐지 결과로서, 잔디에 대한 스펙트럼만을 입력하여 초분광 영상에서 잔디를 검출한 결과를 나타내고 있다.

아울러, 도 3에 있어서, 도 3a 내지 도 3d는 각각 기존의 방법에 의한 표적탐지 결과로서, 즉, 기존의 방법들은, 잔디도 찾아내지만 잔디가 아닌 부분들이 잔디로 오탐지되는 경우가 많은 것을 확인할 수 있다.

그러나 도 3e에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법에 의한 탐지결과는, 4m 크기의 잔디 패치는 물론 그 아래에 있는 1m 크기의 패치도 잘 탐지되고 있음을 알 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 도 4는 인위적으로 추가된 타겟 신호에 대한 탐지 능력 실험을 위해 제작된 모의 자료를 나타내는 도면이다.

즉, 도 4는 초분광 영상으로부터 하나의 픽셀(화소)을 추출하여 원래 그 화소의 스펙트럼과 적철석(hematite)이라는 광물의 스펙트럼을 각각 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 8%, 6%, 4% 혼합(mix)시킨 픽셀을 나타내고 있다.

여기서, 도 4에 있어서, 한 화소의 크기가 1m×1m 이므로, 10%의 경우 약 20cm×50cm 크기의 타겟이 해당 화소 내부에 존재하고 있는 것을 의미한다.

또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 4에 나타낸 픽셀에 대한 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법에 의한 표적탐지 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

즉, 도 5에 있어서, 도 5a 내지 도 5d는 기존의 방법에 의한 결과이고, 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법에 의한 결과이다.

더 상세하게는, 도 5a 및 도 5c에 나타낸 두 방법은 30% 화소 정도까지 탐지가 되고 있으나 좌측 하부에 오탐지 되는 화소들이 매우 많음을 알 수 있으며, 도 5b에 나타낸 결과에서도 10% 화소 정도까지 탐지되나 좌측 아래에 오탐지 되는 화소들이 매우 많음을 확인할 수 있고, 도 5d에 나타낸 결과에서는 약 20% 화소까지 탐지되고 있다.

그러나 도 5e에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법에 의한 결과는, 영상의 상부 가장자리를 따르는 잡음부분을 제외하고는 오탐지되는 화소가 거의 없으며, 4% 화소까지 탐지되고 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 표적물질 탐지방법을 이용하면, 종래기술의 탐지방법들에 비해 오탐지되는 화소가 거의 없이 보다 정확한 탐지결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법을 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출하기 위한 초분광 영상을 이용한 표적탐지방법에 있어서, 분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하고, 취득된 초분광 영상으로부터 영상 엔드멤버(image endmember)를 구한 후, 여기에 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하여 화소별로 분광 순수화(spectral unmixing) 과정을 통해 표적물질에 대한 분포도를 작성하도록 구성되어, 매우 다양한 종류의 배경 물질이 분포하는 영상에서도 오탐지되는 화소가 거의 없이 효과적으로 목표하는 표적물질만이 정확하게 탐지됨은 물론, 화소 크기에 비해 매우 작은 크기의 표적에 대해서도 탐지가 가능한 장점을 가지는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법이 제공됨으로써, 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 초분광 영상을 이용한 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 목표하는 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법을 이용하여, 다양한 종류의 배경 물질이 분포하는 영상에서도 오탐지되는 화소가 거의 없이 효과적으로 목표하는 표적물질만이 정확하게 탐지 가능한 동시에, 화소 크기에 비해 매우 작은 크기의 표적에 대해서도 탐지가 가능하도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템을 제공할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (4)

1. 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출시 목표로 하는 표적물질이 아닌 다른 물질까지 상기 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 목표하는 상기 표적물질만을 크기에 관계없이 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법에 있어서,
   분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 단계;
   상기 초분광 영상을 취득하는 단계에서 취득된 상기 초분광 영상의 단위 픽셀에 대하여 물질 분포를 분석하여 자동으로 영상 엔드멤버(image member)가 추출되는 단계;
   상기 영상 엔드멤버를 추출하는 단계에서 자동으로 추출된 상기 영상 엔드멤버에 찾고자 하는 상기 표적물질의 분광반사 스펙트럼을 새로운 엔드멤버로 추가하고 분광 순수화(spectral unmixing)를 수행하는 단계;
   상기 분광 순수화를 수행하는 단계의 처리결과에 근거하여 상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계;
   상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계의 결과에 근거하여 상기 초분광 영상의 단위 픽셀에 대한 상기 표적물질의 분포를 상기 초분광 영상 상에 표시하는 단계; 및
   상기 영상 엔드멤버를 추출하는 단계와 상기 분광 순수화를 수행하는 단계 및 상기 표적물질에 대한 점유 비율을 구하는 단계의 처리를 상기 초분광 영상의 각각의 픽셀에 대하여 반복 수행하여 상기 표적물질에 대한 분포도를 작성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써,
   분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상으로부터 자동으로 영상 엔드멤버가 구해진 후 다시 표적물질에 대한 타겟 스펙트럼(target spectrum)을 또 다른 엔드멤버로서 추가하고 각 화소별로 상기 분광 순수화를 수행하여 상기 표적물질에 대한 분포도를 작성하는 것에 의해, 배경물질에 관계없이 단순히 표적물질의 스펙트럼만을 가지고 유사도를 비교하는 기존의 방법들에 비해 다양한 종류의 배경 물질이 분포하는 영상에서도 오탐지되는 화소가 감소하여 보다 정확한 탐지결과를 제공하고, 화소 영역의 크기에 비해 크기가 매우 작은 목표물도 탐지 가능한 동시에,
   상기 표적물질과 상기 초분광 영상 내에 포함된 지표 구성물질에 대한 모든 스펙트럼을 이용하여 모든 화소에 대하여 상기 분광혼합분석을 수행하여 모든 화소에 대하여 상기 표적물질의 점유비율이 계산되도록 구성됨으로써, 각각의 화소가 구성하는 영역에서 상기 표적물질이 일부분만을 구성하고 있어도 기존의 방법들에 비해 상기 표적물질의 존재 여부가 정확하게 분석될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 특정 지역에 대한 초분광 영상으로부터 목표하는 표적물질의 분포를 검출시 목표로 하는 상기 표적물질이 아닌 다른 물질까지 상기 표적물질로 오탐지되거나, 화소 영역에 비해 크기가 작은 표적은 탐지되지 못하는 문제가 있었던 종래기술의 표적물질 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 목표하는 상기 표적물질만을 정확하게 탐지할 수 있도록 구성되는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템에 있어서,
   분석하고자 하는 지역에 대한 초분광 영상을 취득하는 영상취득부;
   상기 영상취득부에 의해 취득된 상기 초분광 영상으로부터 상기 표적물질에 대한 분포를 분석하는 영상분석부; 및
   상기 영상분석부에 의해 분석된 상기 표적물질에 대한 분포를 상기 초분광 영상 상에 표시하는 영상표시부를 포함하여 구성되고,
   상기 영상분석부는,
   청구항 1항에 기재된 초분광 영상의 분광혼합분석에 의한 표적물질 탐지방법을 이용하여 상기 표적물질의 분포를 분석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초분광 영상의 분광혼합분석을 이용한 표적물질 탐지시스템.
   

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