KR101873124B1 - 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법 및 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템 - Google Patents

액체 저장 탱크의 수위 계측 방법 및 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템 Download PDF

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김성완
최형석
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Abstract

액체 저장 탱크의 수위 계측 방법 및 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법은, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체에 대해, 수위가 이미 계측된 템플릿 이미지를 데이터베이스에 유지하는 단계, 영상 계측 시스템을 통해, 상기 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환하는 단계, 상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 단계, 및 상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 템플릿 이미지를, 상기 데이터베이스로부터 검색하고, 상기 검색된 템플릿 이미지와 상기 수면 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 단계를 포함한다.

Description

액체 저장 탱크의 수위 계측 방법 및 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING WATAR LEVEL OF LIQUID STORAGE TANKS}
본 발명은 영상 필터 처리 알고리즘을 이용한 영상 기반의 액체 저장 탱크의 수위 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 영상 필터 처리 알고리즘을 통해 변형이 있는 이미지를 보정하여 수위 계측의 정확성을 높일 수 있는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법 및 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에 관한 것이다.
액체 저장 탱크와 같은 구조물은 가정 및 산업용수 저수조, 냉난방공조장치 등에 사용되는 축열조 등 소규모 수조를 비롯하여 선박 및 항공기의 연료저장탱크, 각종 산업시설의 연료 및 유류 저장탱크, 발전소의 연료저장탱크 등 대형 저장탱크까지 광범위한 분야에서 다양한 형태로 사용되고 있다.
특히, 중요 시설에 사용되는 연료저장탱크 등은 안전성이 확보되지 못할 경우 사회 전반적으로 피해가 발생할 가능성이 높아 각종 설계하중에 대한 성능이 각별히 요구된다.
이에 따라, 액체 저장 탱크 내 유체의 동적 거동을 정확히 반영하면서도 수위를 간편하고 경제적으로 측정하기 위한 방법이 요구되고 있으며, 최근 영상 장비의 성능이 향상되고 보급화되면서 영상 기반으로 수위 응답을 계측하는 연구가 활발히 수행되고 있다.
일례로, 액체 저장 탱크를 투명하게 제작하여 유체의 거동을 영상을 이용하여 계측한 연구가 수행되었으며, 적외선 카메라를 이용하여 액체 저장 탱크와 유체의 온도차를 이용하여 수위를 계측한 연구가 수행되었다.
한편, 액체 저장 탱크에 카메라를 직접 설치하여 수위를 계측할 경우, 빛에 의한 유체의 반사와 카메라의 흔들림으로 인하여 수위 계측에 어려움이 발생할 수 있다.
이에 따라, 빛의 반사에 의해 발생한 유체의 노이즈와 카메라의 흔들림으로 인한 변형을 보정하여 영상을 이용하여 액체 저장 탱크의 수위를 정확하게 계측할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 영상 계측 시스템을 통해 액체 저장 탱크를 촬영한 영상으로부터 수면 이미지를 획득하고, 상기 수면 이미지에서 유체의 수위를 측정하려는 지점을 자동 인식(지정)하고, 템플릿 매칭 기법에 따라 상기 지점에서의 수위를 측정 함으로써, 액체 저장 탱크의 수위 변화에 관한 움직임을 용이하게 분석하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 영상 필터 처리 알고리즘을 통해, 변형이 있는 수면 이미지를 보정하여, 빛의 반사에 의한 노이즈를 감소하고, 구조물의 경계선을 선명화 처리하여, 수위 계측의 정확성을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법은, 영상 계측 시스템을 통해, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환하는 단계와, 상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 단계, 및 상기 수면 이미지와, 상기 수면 이미지와 연관되는 템플릿 이미지에 근거하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템을 통해, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환하는 변환부와, 상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 지정부, 및 상기 수면 이미지와, 상기 수면 이미지와 연관되는 템플릿 이미지에 근거하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 계측부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 계측 시스템을 통해 액체 저장 탱크를 촬영한 영상으로부터 수면 이미지를 획득하고, 상기 수면 이미지에서 유체의 수위를 측정하려는 지점을 자동 인식(지정)하고, 템플릿 매칭 기법에 따라 상기 지점에서의 수위를 측정 함으로써, 액체 저장 탱크의 수위 변화에 관한 움직임을 용이하게 분석할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 영상으로부터 획득한 수면 이미지에 영상 필터 처리 알고리즘을 적용 함으로써, 빛에 의한 유체의 반사에 의한 노이즈와 영상 계측 시스템(카메라)의 흔들림으로 인한 수면 이미지의 왜곡을 보정하고, 수면 이미지 내에서 구조물(예컨대, '액체 저장 탱크', '수위계', '자' 등)의 경계선을 선명화 처리하여, 액체 저장 탱크의 수위를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 영상 계측 시스템으로서 상업용 디지털 캠코더를 사용하여 편의성과 경제성을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 필터 처리 알고리즘을 이용한 영상 기반의 액체 저장 탱크의 수위 측정 기술을 통해, 보다 경제적이고 간편하게 액체 저장 탱크의 수위 응답 아울러 변위 응답의 측정이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 기반으로 액체 저장 탱크의 수위 측정을 자동화 함으로써, 관리자 단말에서 유체의 유입 또는 유출에 따른 수위 변화의 움직임을 손쉽게 파악할 수 있게 하고, 액체 저장 탱크의 상태와 이상 유무를 상시로 점검할 수 있도록 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 액체 저장 탱크의 측면 및 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 액체 저장 탱크에 설치되는 영상 계측 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 유체의 수위를 측정하려는 지점을 지정하는 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 템플릿 매칭을 수행하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 수위 변화의 최대 움직임을 계산하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 수위 변화의 움직임을 분석하는 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 응용프로그램 업데이트 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 액체 저장 탱크의 측면 및 단면을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 액체 저장 탱크(110)는 유체를 보관 유지하는 구조물로서, 동적 하중이 작용 함에 따라 액체 저장 탱크 내 유체의 슬로싱 거동이 효과적으로 발생할 수 있도록 원통형의 수조로 제작될 수 있다.
예를 들어, 액체 저장 탱크(110)는 높이 1.5m이고 길이 및 폭은 1.5m인 원통형의 수조로 제작될 수 있으며, 특히, 20mm 두께의 강재로 제작될 경우, 유체와 수조의 거동이 분리되도록 하여 유체의 슬로싱 거동을 보다 명확하게 확인 가능하게 할 수 있다.
액체 저장 탱크(110)는 액체 상태의 물, 유류, 연료 등과 같은 다양한 유체를 유지할 수 있으며, 이하에서는, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템이, 비압축성이며 균질한 특성을 가지는 '물'의 수위를 측정하는 것을 예로 들어 설명한다.
도 1의 (ⅰ)에는 액체 저장 탱크(110)의 측면도가 도시되어 있고, 도 1의 (ⅱ)에는 액체 저장 탱크(110)를 위에서 내려다 본 단면도가 도시되어 있다.
도 1의 (ⅰ)을 참조하면, 액체 저장 탱크(110)에는, 유체를 수직으로 통과하는 복수 개의 수위계(120)가 일정 간격(예를 들어, '350mm')으로 설치되고, 각 수위계(120)의 중심에 자(미도시함)가 설치되어, 수위의 변화량이 측정 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 각 수위계(120)의 데이터 취득 속도는 예컨대 '20Hz'이고, 주파수 해상도는 '0.0147Hz'일 수 있다.
도 1의 (ⅱ)를 참조하면, 가로 길이가 '1.5m'인 원통형의 액체 저장 탱크(110)에는, 5개의 수위계('WL1', 'WL2', 'WL3', 'WL4' 및 'WL5')(120)가 일정 간격 '350mm'으로 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 액체 저장 탱크(110)의 수위 응답을 측정하기 위한 센서로서, 영상 계측 시스템(130)을 이용할 수 있다.
도 1의 (ⅱ)에 도시한 바와 같이, 영상 계측 시스템(130)은 액체 저장 탱크(110)에 직접 설치되어 유체의 수위를 촬영할 수 있으며, 영상을 통해 수위 측정이 가능하도록, 예컨대 10mm 간격으로 눈금이 표시된 적어도 하나의 수위계(120)를 포함하여 영상을 촬영할 수 있다.
예를 들어, 영상 계측 시스템(130)은 예컨대 초당 '60 프레임'으로 1920×1080의 픽셀 크기의 영상을 촬영할 수 있으며, 주파수 해상도는 예컨대 '0.0049Hz'일 수 있다.
영상 계측 시스템(130)은 휴대성과 설치가 편리한 복수의 상업용 디지털 캠코더(카메라)로 구성될 수 있다. 이에 따라, 영상 계측 시스템(130)을 위한 별도의 케이블 설치 작업이 요구되지 않으며, 신호 저장을 위한 장비를 추가로 포함하지 않으므로, 편의성과 경제성을 도모할 수 있다.
즉, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템(130)을 통해 촬영한 영상으로부터, 액체 저장 탱크(110)에 유지되는 유체('물')의 수위를 용이하게 측정할 수 있으며, 또한, 유체의 유입 또는 유출에 따른 액체 저장 탱크(110)의 수위 변화(변위)를 추정할 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 관리자 단말에서 실행되는 프로그램(예컨대, 'MATLAB')으로 구현될 수도 있고, 액체 저장 탱크(110)에 설치된 수위계(120) 내부에 포함되어 구현될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 액체 저장 탱크에 설치되는 영상 계측 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 원통형의 액체 저장 탱크(210)의 내부에 일정 간격으로 배치된 복수 개의 수위계(220)와, 각 수위계(220)의 중심에 설치한 자(230) 및 영상 계측 시스템(240)을 이용하여, 영상 기반으로 액체 저장 탱크(210)의 수위를 계측할 수 있다.
영상 계측 시스템(240)은 복수의 디지털 캠코더(카메라)로 구성되어 복수의 지점에 대한 수위를 계측할 수 있다.
일례로, 액체 저장 탱크(240)에 5개의 수위계('WL1', 'WL2', 'WL3', 'WL4' 및 'WL5')(220)가 일정 간격('350mm')으로 설치된 경우(도 1의 (ⅱ) 참조), 각 디지털 캠코더(카메라)는, 수위계('WL2')와 수위계('WL4')가 각각 영상의 중심에 나오도록 수위의 경계선을 촬영할 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 복수 지점('WL2', 'WL4')에 대해 계측된 수위를 비교하여 검증 함으로써, 수위 계측의 정확도를 높일 수 있다.
이때, 각 디지털 캠코더(240)는 도 2에 도시된 것처럼, 정확하게 정면을 향하지 않고, 수위의 경계선을 촬영할 수 있도록 수면 방향으로 기울어진 상태로 액체 저장 탱크(210)에 설치되어 영상을 촬영할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 기울어진 상태의 디지털 캠코더(240)에 의해 촬영된 영상에 대해, 이동, 회전, 스케일 같은 선형적인 변환을 나타낼 수 있는 유사 변환 함수(affine transform function)를 이용하여 각도의 보정을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 변환부(310), 지정부(320) 및 계측부(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 필터링부(340), 보정부(350), 분석부(360) 및 데이터베이스(370)를 각각 추가하여 구성될 수 있다.
변환부(310)는 영상 계측 시스템(301)을 통해, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환한다.
일례로, 변환부(310)는 유체를 수직으로 통과하도록 설치된 수위계가 영상의 중심에 위치하도록, 영상 계측 시스템(301)을 제어하여 상기 영상을 촬영할 수 있다.
예를 들어, 변환부(310)는 영상 계측 시스템(301)을 통해, 수위계('WL2')가 영상의 중심에 위치하도록 도 4의 (a)와 같은 영상을 촬영할 수 있다.
여기서, 영상 계측 시스템(301)은 예를 들어, 휴대성과 설치가 편리한 복수의 상업용 디지털 캠코더(카메라)를 이용하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 (ⅱ)를 참조하면, 각 디지털 캠코더(130)는 5개의 수위계('WL1', 'WL2', 'WL3', 'WL4' 및 'WL5')(120)가 일정 간격('350mm')으로 설치된 액체 저장 탱크(110)에서, 수위계('WL2')와 수위계('WL4')를 중심으로 하는 영상을 촬영할 수 있도록 설치될 수 있다.
이때, 각 디지털 캠코더(240)는 도 2에 도시된 것처럼, 정확하게 정면을 향하지 않고, 수위의 경계선을 촬영할 수 있도록 수면 방향으로 기울어진 상태로 액체 저장 탱크(210)에 설치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 기울어진 상태의 디지털 캠코더에 의해 촬영된 영상의 각도를 보정하기 위해, 보정부(350)를 더 포함할 수 있다.
보정부(350)는 이동, 회전, 스케일 중 적어도 하나의 선형변환을 나타내는 유사 변환 함수(affine transform function)를 이용하여, 정해진 기준면으로부터 기울어진 상태의 영상 계측 시스템(301)에 의해 촬영되는 상기 영상에 대한 각도를 보정한다.
지정부(320)는 상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정한다다.
이때, 지정부(320)는 상기 수면 이미지 내에서, 상기 유체와 상기 수위계와의 경계(수위의 경계)를 지정할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 필터링부(340)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
필터링부(340)는 상기 수면 이미지에 대해 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여, 상기 수면 이미지 내에서, 상기 액체 저장 탱크에 설치된 구조물에 대한 경계선(edge)을 선명화 처리한다.
일례로, 필터링부(340)는 그레이 레벨로 변환한 상기 수면 이미지에, 중간값 필터(Median Filter), 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter), 라플라시안(Laplacian)에 의한 선명화 필터, 및 영상 이진화 필터 중 적어도 하나를 적용하여, 상기 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하고, 상기 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다. 이에 따라, 지정부(320)는 상기 선명화 처리된 수면 이미지 내에서, 상기 수위를 계측하려는 지점을, 용이하게 지정할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 필터링부(340)는 영상 계측 시스템을 통해 획득한 수면 이미지(원 이미지) 중 제1 수면 이미지(a)에 5개의 필터로 구성된 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여 순차적으로 선명화 처리할 수 있다.
필터링부(340)는 제1 필터를 통해 제1 수면 이미지(a)를 그레이 레벨로 변환하고, 그레이 레벨로 변환한 제1 수면 이미지(b)에, 제2 필터로서, 31×31 크기의 마스크를 가지는 중간값 필터를 적용하여, 액체 저장 탱크 내 유체의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다.
또한, 필터링부(340)는 제2 필터를 적용한 제1 수면 이미지(c)에, 제3 필터로서, 3×3 크기의 컨볼루션 마스크를 가지는 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter)를 적용하여 가중치를 부여 함으로써, 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하고, 유체의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다.
또한, 필터링부(340)는 제3 필터를 적용한 제1 수면 이미지(d)에, 라플라시안에 의한 선명화 필터(제4 필터)를 적용하여 명암도를 개선하고, 제4 필터를 적용한 제1 수면 이미지(e)에 영상 이진화 필터(제5 필터)를 적용하여 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다.
여기서, 영상 이진화 필터는 선정된 알고리즘('Automatic Iterative Threshold Selection')에 따라 도 4의 (e)에 도시한 제1 수면 이미지를 이진화(thresholding)하는 필터일 수 있다.
지정부(320)는 상술한 것처럼 영상 필터 처리 알고리즘에 의해 선명화 처리된 제1 수면 이미지 내에서 수위계의 수면(도 5에 도시한 수위계(510)와 유체(520)와의 경계(530))를 자동으로 인식할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 영상 필터 처리 알고리즘을 이용하여 유체의 수위를 측정하려는 지점의 인식에 대한 오차를 줄일 수 있고, 유체의 빛의 반사에 의해 발생한 영상 해석 노이즈를 용이하게 감소시킬 수 있다.
계측부(330)는 상기 수면 이미지와, 상기 수면 이미지와 연관되는 템플릿 이미지에 근거하여, 상기 지점에서의 수위를 계측한다.
즉, 계측부(330)는 상기 유체의 수위를 측정하려는 지점을 포함하는 템플릿 이미지 중에서, 수면 이미지와의 유사도가 높은 템플릿 이미지와의 비교를 통해, 상기 지점에서의 수위를 계측할 수 있다.
일례로, 계측부(330)는 상기 영상으로부터, 일정 시간 간격으로 복수의 수면 이미지가 변환되면, 상기 복수의 수면 이미지 중, 상기 유체의 수위를 측정하려는 지점이 지정된 제1 수면 이미지와, 상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 제1 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 제1 템플릿 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측할 수 있다.
여기서, 상기 제1 수면 이미지는, 상기 복수의 수면 이미지 중 촬영시간이 가장 앞서거나, 선명도가 가장 높은 수면 이미지일 수 있다.
데이터베이스(370)는 상기 지점에서의 수위가 이미 계측된 템플릿 이미지를 유지한다.
계측부(330)는 템플릿 매칭 기법에 따라, 상기 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값이 최대로 계산되는 템플릿 이미지를 상기 데이터베이스(370)로부터 검색하고, 상기 템플릿 이미지 내 지점에서의 기계측된 수위를, 상기 수면 이미지 내 지점에서의 수위로서 산출할 수 있다.
이때, 계측부(330)는 상기 지점에서의 최대 수위 변화량을 고려하여, 정규상호상관관계의 크기를 결정하고, 데이터베이스(370)에 유지되는 템플릿 이미지 각각에 대해, 상기 정규상호상관관계의 크기에 따라 설정되는 상기 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값을 계산할 수 있다.
이때, 보정부(350)는 상기 템플릿 이미지 내의 지점을, 상기 수면 이미지 내 지점으로 좌표 변환하는 2차 다항식 변환함수를 산출하고, 상기 2차 다항식 변환함수를, 상기 수면 이미지 내 단위픽셀 이하에 적용하여 각 픽셀의 위치를 재정렬 함으로써, 구조물로 인해 상기 수면 이미지에 생기는 기하학적인 왜곡을 보정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 계측 시스템을 통해 액체 저장 탱크를 촬영한 영상으로부터 수면 이미지를 획득하고, 상기 수면 이미지에서 유체의 수위를 측정하려는 지점을 자동 인식(지정)하고, 템플릿 매칭 기법에 따라 상기 지점에서의 수위를 측정 함으로써, 액체 저장 탱크의 수위 변화에 관한 움직임을 용이하게 분석할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 영상으로부터 획득한 수면 이미지에 영상 필터 처리 알고리즘을 적용 함으로써, 빛에 의한 유체의 반사에 의한 노이즈와 영상 계측 시스템(카메라)의 흔들림으로 인한 수면 이미지의 왜곡을 보정하고, 수면 이미지 내에서 액체 저장 탱크에 설치된 구조물(예컨대, '수위계', '자' 등)의 경계선을 선명화 처리하여, 액체 저장 탱크의 수위를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 필터 처리 알고리즘을 이용한 영상 기반의 액체 저장 탱크의 수위 측정 기술을 통해, 보다 경제적이고 간편하게 액체 저장 탱크의 수위 응답 아울러 변위 응답의 측정이 가능해질 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 분석부(360)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
분석부(360)는 상기 영상이 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지 각각에 대해, 계측된 수위에 근거하여, 상기 액체 저장 탱크에서의 유체의 수위 움직임에 관한 정보를 출력한다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 분석부(360)는 영상 계측 시스템(301)을 통해 촬영한 영상으로부터 일정 시간 간격(예, '초 단위')으로 복수의 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')를 획득하고, 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')로부터, 계측된 수위(801)의 변화를 확인할 수 있다.
실시예에 따라, 변환부(310)는 상기 영상을 촬영 시, 상기 액체 저장 탱크에 일정 간격으로 설치된 타 수위계를 중심으로 포함하는 비교 영상을 더 촬영할 수 있다. 계측부(330)는 상기 계측한 수위를, 상기 비교 영상을 이용하여 계측한 수위와 비교하고, 상기 비교 결과, 일치하면, 상기 계측한 수위를, 상기 액체 저장 탱크의 수위로서 확정할 수 있다.
상기 비교 결과, 상이하면, 분석부(360)는 상기 액체 저장 탱크를 기울어진 상태로 판단하고, 관리자 단말에 알림할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 기반으로 액체 저장 탱크의 수위 측정을 자동화 함으로써, 관리자 단말에서 유체의 유입 또는 유출에 따른 수위 변화의 움직임을 손쉽게 파악할 수 있게 하고, 액체 저장 탱크의 상태와 이상 유무를 상시로 점검할 수 있도록 지원할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템을 통해 획득한 수면 이미지(원 이미지)에 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여, 유체의 빛의 반사에 의해 발생한 노이즈를 줄이고 카메라 흔들림으로 인한 변형을 보정하고 이미지 내의 구조물의 경계선을 강화하여 수위 계측의 정확도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 4의 (a)에는, 수위계('WL2')를 중심으로 수위의 경계선을 촬영한 영상으로부터 획득한 제1 수면 이미지(원 이미지)가 도시되어 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 5개의 필터로 구성된 영상 필터 처리 알고리즘에 따라, 제1 수면 이미지(a)를 순차적으로 선명화 처리할 수 있다.
우선, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 제1 필터를 통해 제1 수면 이미지(a)를 그레이 레벨로 변환할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은 그레이 레벨로 변환한 제1 수면 이미지(b)에, 제2 필터로서, 31×31 크기의 마스크를 가지는 중간값 필터(Median Filter)를 적용하여, 액체 저장 탱크 내 유체의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은 제2 필터를 적용한 제1 수면 이미지(c)에, 제3 필터로서, 3×3 크기의 컨볼루션 마스크(Convolution Mask)를 가지는 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter)를 적용하여 가중치를 부여 함으로써, 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하고, 유체의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은 제3 필터를 적용한 제1 수면 이미지(d)에, 라플라시안(Laplacian)에 의한 선명화 필터(제4 필터)를 적용하여, 명암도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은 제4 필터를 적용한 제1 수면 이미지(e)에 영상 이진화 필터(제5 필터)를 적용하여 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다. 여기서, 영상 이진화 필터는 선정된 알고리즘('Automatic Iterative Threshold Selection')에 따라 제1 수면 이미지(e)를 이진화(thresholding)하는 필터일 수 있다.
일반적으로, 평활화 필터(또는 평균처리 필터, 저역통과 필터)의 응답은 단순히 필터 마스크의 이웃점 내에 포함된 픽셀들의 평균으로서, 평활화 필터는 영상 내의 모든 픽셀의 값을, 필터 마스크에 의해 정의된 이웃점들의 명암도 평균으로 교체하여 명암도에서 전이가 줄어든 영상이 생기게 할 수 있다. 특히, 평활화 필터는 명암도에서 뚜렷한 전이로 이루어진 랜덤 노이즈를 감소시킬 수 있다. 하지만, 평균처리 필터는 명암도에서 뚜렷한 전이의 특징을 갖고 있는 가장자리 역시 흐리게 하는 단점을 가질 수 있다.
이러한 단점을 고려하여, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체가 빛에 의해 반사되어 발생한 해석적인 노이즈를 감소시키기 위해, 수학식 1과 같은 31×31 크기의 마스크를 사용하는 중간값 필터(Median Filter)를 이용할 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00001
수학식 1은 마스크에 의해 정의된 31×31 이웃점 내에 있는 픽셀의 명암도 평균으로, 중간값 필터의 모든 계수가 1/31 대신에 모두 1이다. 필터 처리의 마지막에서 전체 영상은 31로 나뉘며
Figure 112016129734502-pat00002
마스크는
Figure 112016129734502-pat00003
과 동일한 정규화 상수를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 선명화 처리를 통해, 영상에서 미세하고 세밀한 부분을 강조하거나, 또는 잘못된 오류나 영상 내 특정 부분을 포착하는 과정에서 나타나는 몽롱화된 부분을 개선할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 수학식 2와 같은 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter)를 제1 수면 이미지에 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 3×3 크기의 컨볼루션 마스크(Convolution Mask)를 이용하여 제1 수면 이미지에 가중치를 부여 함으로써, 수위 계측을 위해 액체 저장 탱크에 설치한 구조물의 경계선의 강화 및 유체의 반사에 의해 발생한 해석적인 노이즈를 감소시킬 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00004
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 미분 연산자인 라플라시안(Laplacian)을 제1 수면 이미지에 적용하여 영상 내 명암도의 불연속점을 강조하고, 완만하게 변화하는 명암도의 영역에 대한 중요성을 감소시킬 수 있다.
푸리에(Fourier) 변환의 선형성은 수학식 3과 같고, Derivative theorem(Bracewell, 2003)은 수학식 4와 같으며, Derivative theorem을 반복하면 이차 미분은 수학식 5와 같다.
Figure 112016129734502-pat00005
Figure 112016129734502-pat00006
Figure 112016129734502-pat00007
이는, 2D 라플라시안을 위해 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00008
선명화 효과는 수학식 7에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00009
수학식 6을 수학식 7에 대입하면 선명화된 이미지의 푸리에 이미지는 수학식 8과 같다.
Figure 112016129734502-pat00010
수학식 8은 higher frequencies (u,v) clear하게 강조하며, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 수학식 8에서 'C=5'의 계수 값을 이용하여 선명화 처리를 할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 빛의 반사에 의해 발생한 영상 해석의 노이즈를 감소시키기 위해, Automatic Iterative Threshold Selection 알고리즘을 이용한 그레이 레벨(흑백) 이미지를 이분화(thresholding)하여 사용할 수 있다.
만약 물체의 정확한 위치에 대한 정보가 없다고 가정하면, 수학식 9와 같이 배경(background) 픽셀 평균의 근사치(approximation)는 코너 픽셀들의 평균이며, 오브젝트 평균의 근사치는 나머지 이미지 픽셀들의 평균이다.
단계 t에서
Figure 112016129734502-pat00011
,
Figure 112016129734502-pat00012
는 각각 배경과 오브젝트의 그레이 레벨의 평균으로 계산될 수 있다. 여기서, 단계 t의 배경과 물체의 분할된 부분은 이전의 단계에서 정의된 임계값
Figure 112016129734502-pat00013
의해 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00014
Figure 112016129734502-pat00015
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 초기 문턱(threshold)을 두 평균의 평균으로 설정하며, 문턱에 의해 정의된 새로운 오브젝트와 배경의 평균의 계산을 수렴(convergence)할 때까지 반복적으로 새로운 문턱을 계산할 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00016
는 업데이트된 배경과 오브젝트의 차이를 제공하며, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 만약
Figure 112016129734502-pat00017
이면 해석을 중단하고 그렇지 않으면 반복적으로 수학식 9를 계산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 유체의 수위를 측정하려는 지점을 지정하는 일례를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템을 통해 촬영한 영상으로부터 획득한 제1 수면 이미지(500)에 대해, 도 4에서 설명한 바와 같은 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여 구조물(액체 저장 탱크, 수위계(510), 자 등)의 경계선(edge)을 선명화 처리한 후, 제1 수면 이미지(500) 내에서 수위계(510)의 수면, 즉 수위계(510)와 유체(520)와의 경계(530)를, 자동으로 인식(지정)할 수 있다. 이때, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템이 용이하게 수위의 경계를 판단할 수 있도록 하기 위해, 사전에 유체에는 잉크가 희석될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 템플릿 매칭을 수행하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 유체의 수위를 측정하려는 지점을 포함하는 템플릿 이미지 중에서, 수면 이미지(610)와의 유사도가 높은 템플릿 이미지(620)에 근거하여, 상기 지점에서의 수위를 계측할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 상기 지점에서의 수위가 이미 계측된 템플릿 이미지를 유지하는 데이터베이스로부터, 템플릿 매칭 기법에 따라, 수면 이미지(610)와의 정규상호상관관계 계수값이 최대로 계산되는 템플릿 이미지(620)를 검색할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 템플릿 이미지(620) 내 지점에서의 기계측된 수위를, 수면 이미지(610) 내 지점에서의 수위로서 산출할 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 특정 공간에서 주어진 템플릿과 영상 사이의 유사도를 계산하는 템플릿 매칭 기법에 따라, 수면 이미지(610)와 가장 유사도가 높은 템플릿 이미지(620)를 데이터베이스로부터 검색할 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 주로 영상의 단일 특징에 대해 템플릿 매칭 기법에 따라 일종의 모델 영상인 미리 학습된 템플릿 이미지(620)를 기준으로 수면 이미지(610) 내부에 있는 유사한 패턴을 찾아낼 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 템플릿 이미지(620)를 타겟 윈도우에 등록하고, 시간에 따라 변화하는 ROI 윈도우에 표시되는 수면 이미지(610)와 가장 유사한 템플릿 이미지(620)를 추출할 수 있다.
이때, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 각각의 템플릿 이미지(620)와 가장 일치하는 수면 이미지(610)(원 이미지) 내의 영역(630)의 위치를 찾기 위해 정규상호상관관계를 이용할 수 있다. 원 이미지의 위치 (x, y)에서 i번째 템플릿 이미지(620)에 대한 정규상호상관관계 γ(u, v)는, 수학식 11에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00018
Figure 112016129734502-pat00019
Figure 112016129734502-pat00020
최대 정규상호상관계수 γmax의 값은 케이블 이미지(310)가 표시되는 ROI 윈도우에, 템플릿 이미지(620)가 등록된 타겟 윈도우(target window)가 최적으로 매칭되는 위치에 해당되며, 수학식 13에 의해 지점의 변화를 찾을 수 있다.
여기서, x=0, 1, 2, …, M-1, y= 0, 1, 2, …, N-1이며,
Figure 112016129734502-pat00021
는 R 안에 있는 픽셀들의 평균값을 나타낸다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 수학식 11에서 분모를 기본적으로 한 번만 계산하지만,
Figure 112016129734502-pat00022
동안 수위의 변동 폭이 비선형적으로 변하기 때문에 ROI 윈도우 설정이 어려움이 있으므로, 각 수면 이미지(610) 마다 분모를 계산하여 해석을 수행할 수 있다. 또한, 시간에 따라 변하는 수면 이미지(610)에서
Figure 112016129734502-pat00023
은
Figure 112016129734502-pat00024
의 현 위치와 일치되는 영역에서의
Figure 112016129734502-pat00025
의 평균값이며, 연산은
Figure 112016129734502-pat00026
과
Figure 112016129734502-pat00027
양쪽으로 공통인 좌표들 내에서 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 외력에 의해 발생하는 구조물의 변위나 변형으로 인한 기하학적인 오차를 보정하기 위해, 유동이 없는 템플릿 이미지(620)와, 유동이 있는 수면 이미지(610) 위에 표시한 지점의 좌표변화를 통해 두 이미지 사이의 수학적인 변환함수를 구할 수 있다.
일례로, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 수위응답의 움직임과 같은 큰 변형과 비선형적인 움직임에 적용할 수 있는 2차 다항식 변환함수를 구할 수 있다.
즉, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 수학식 14에서 'n=2'인 2차 다항식 변환함수를 구할 수 있다.
Figure 112016129734502-pat00028
이때, 본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 물체의 움직임을 나타내는 최소 6개의 유동이 없는 이미지의 좌표 (x,y)와 유동이 있는 이미지의 좌표(x', y')를 이용하여 총 12개의 계수 값을 구할 수 있으며, 이러한 좌표는 물체 위에 지점을 표시하여 얻을 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 상기 지점의 좌표를 통해, 유동이 있는 이미지 픽셀 좌표를, 유동이 없는 이미지 기준으로 재정렬하는 변환함수를 구하여 사상(mapping)시킬 수 있다.
본 발명의 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 상기 변환함수를 사용하여 변형 및 변위가 발생한 유동이 있는 수면 이미지(610)를, 유동이 없는 템플릿 이미지(620) 기준으로 픽셀의 위치를 재정렬 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 수위 변화의 최대 움직임을 계산하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템을 통해 촬영한 영상으로부터 일정 시간 간격(예, '초 단위')으로 복수의 수면 이미지를 획득할 수 있다.
일례로, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 상기 영상으로부터 획득한 복수의 수면 이미지 각각에 수위의 경계선(즉, 수위계와 유체의 경계)을 공통으로 지정하고, 템플릿 매칭 기법에 따라 각 지점에서의 수위를 계측할 수 있다.
액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 계측된 수위의 최대값으로부터, 최소값을 차감하여, 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임을 산출할 수 있다.
즉, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 도 7의 (ⅱ)의 제2 수면 이미지 내 지점(712)에서 계측된 수위에서, 도 7의 (ⅰ)의 제1 수면 이미지 내 지점(711)에서 계측된 수위를 차감하여, 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임(약 '70' mm)을 계산할 수 있다.
이후, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 템플릿 매칭 기법에 따라 수위 계측시, 템플릿 이미지와 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값을 계산하기 위해 필요한 정규상호상관관계의 크기를, 지점(711, 712)에서의 수위 변화의 최대 움직임을 고려하여 결정할 수 있다.
이때, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 제2 수면 이미지의 영상 내 촬영시간('37.26초')이, 제1 수면 이미지의 영상 내 촬영시간('0초') 보다 늦으므로, 액체 저장 탱크 내로 유체가 유입된 것으로 판단할 수 있다.
다른 일례로, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 상기 영상으로부터 획득한 복수의 수면 이미지에서 수위계의 눈금이 인식 가능한 경우, 촬영시간('0초')이 가장 앞서는 제1 수면 이미지 내 지점(711)의 수위계 눈금을, 상기 제1 수면 이미지를 제외한 나머지 수면 이미지 내 지점과 각각 비교하여, 눈금 변화량('7')이 가장 큰 제2 수면 이미지를 식별하고, 상기 눈금 변화량('7')과 수위계의 눈금 간격('10' mm)을 곱셈하여 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임(약 '70' mm)을 계산할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템에서, 수위 변화의 움직임을 분석하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 영상 계측 시스템을 통해 촬영한 영상으로부터 일정 시간 간격(예, '초 단위')으로 복수의 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')를 획득하고, 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')로부터, 계측된 수위(801)의 변화를 확인할 수 있다.
구체적으로, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 계측된 수위(801)의 변화로부터, 영상의 촬영시간에 따른 구간('t0-t1')에서는 액체 저장 탱크로부터 유체가 유출되어 수위가 낮아지다가, 구간('t1-t3')에서는 액체 저장 탱크로 유체가 유입되어 수위가 높아지고, 구간('t3-t4')에서는 다시 유체가 유출되어 수위가 낮아지는 것과 같이, 수위 변화의 움직임을 분석할 수 있다.
이때, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템은, 복수의 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4') 중에서 계측된 수위(801)가 가장 낮은 수면 이미지('Frame 1')와, 수위(801)가 가장 높은 수면 이미지('Frame 3')의 비교를 통해, 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임을 분석(계측)할 수도 있다.
이하, 도 9에서는 본 발명의 실시예들에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법은 상술한 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 단계(910)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 획득한 영상 파일을 이미지 파일로 변환하고, 변환한 이미지 파일을 시간 순서대로 배열한다.
본 단계(910)는, 영상 계측 시스템을 통해, 액체 저장 탱크에 유지되는 유체의 수위를 촬영한 영상을, 촬영시간에 따른 복수의 수면 이미지로 변환하는 단계일 수 있다.
여기서, 영상 계측 시스템은 휴대성과 설치가 편리한 복수의 상업용 디지털 캠코더(카메라)를 이용하여 구성되며, 도 2에 도시된 것처럼, 정확하게 정면을 향하지 않고, 수위의 경계선을 촬영할 수 있도록 수면 방향으로 기울어진 상태로 액체 저장 탱크에 설치될 수 있다.
단계(920)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 영상의 노이즈 감소 및 정확한 수위 계측을 위해 수면 이미지에 대해 영상 필터 처리 알고리즘을 적용한다.
본 단계(920)는, 영상 필터 처리 알고리즘을 통해 수면 이미지에 포함되는 구조물(액체 저장 탱크, 수위계, 자 등)에 대한 경계선(edge)을 선명화 처리하고, 유체로 인한 빛의 반사와 같은 노이즈를 줄이는 단계일 수 있다.
일례로, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 그레이 레벨로 변환한 상기 수면 이미지에, 중간값 필터(Median Filter), 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter), 라플라시안(Laplacian)에 의한 선명화 필터, 및 영상 이진화 필터 중 적어도 하나를 적용하여, 상기 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하고, 상기 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 할 수 있다. 이에 따라, 지정부(320)는 상기 선명화 처리된 수면 이미지 내에서, 상기 수위를 계측하려는 지점을, 용이하게 지정할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 영상 계측 시스템을 통해 획득한 수면 이미지(원 이미지)(a)에 5개의 필터로 구성된 영상 필터 처리 알고리즘을 순차적으로 적용하여 선명화 처리할 수 있다.
단계(930)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 선명화 처리된 수면 이미지에서, 수위를 계측하려는 지점을 지정한다.
즉, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 영상 필터 처리 알고리즘에 의해 변형이 제거된 수면 이미지에서 수위를 알고 싶은 지점을 지정할 수 있다.
단계(940)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 상기 지점에서의 최대 수위 변화량을 고려하여, 정규상호상관관계의 크기를 정의한다.
본 단계(940)는 ROI 윈도우의 효율적인 설정을 위해 수위응답 변화의 최대 움직임을 계산하여 상관관계 크기를 결정하는 단계일 수 있다.
단계(950)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 상기 지점에서의 수위를 측정한다.
본 단계(950)는, 템플릿 매칭 기법에 따라, 상기 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값이 최대로 계산되는 템플릿 이미지를 상기 데이터베이스로부터 검색하고, 상기 템플릿 이미지 내 지점에서의 기계측된 수위를, 상기 수면 이미지 내 지점에서의 수위로서 산출하는 단계일 수 있다.
즉, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 수위 응답을 알고 싶은 지점에 대한 타겟 윈도우(target window)가 ROI 윈도우에 최적으로 매칭되는 영역의 위치 정보를 제공하기 위해 정규상호상관관계 계수값을 계산할 수 있다.
단계(960)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 2차 다항식 변환함수를 이용하여 부분픽셀을 추정한다.
본 단계(960)는, 상기 템플릿 이미지 내의 지점을, 상기 수면 이미지 내 지점으로 좌표 변환하는 2차 다항식 변환함수를 산출하고, 상기 2차 다항식 변환함수를, 상기 수면 이미지 내 단위픽셀 이하에 적용하여 각 픽셀의 위치를 재정렬 함으로써, 구조물로 인해 상기 수면 이미지에 생기는 기하학적인 왜곡을 보정하는 단계일 수 있다.
즉, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 단위픽셀 이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 픽셀의 위치를 재정렬 함으로써 기하학적인 왜곡을 보정하여 수위 응답을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
단계(970)에서, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은, 계측한 수위를 분석하여 변위 응답(수위 변화 움직임)을 분석한다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 영상 계측 시스템을 통해 촬영한 영상으로부터 일정 시간 간격(예, '초 단위')으로 복수의 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')를 획득하고, 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지('Frame 1' 내지 'Frame 4')로부터, 계측된 수위(801)의 변화를 확인할 수 있다.
또한, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 수위 변화의 최대 움직임을 분석할 수 있다.
일례로, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 계측된 수위의 최대값으로부터, 최소값을 차감하여, 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임을 산출할 수 있다. 또는, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 촬영시간('0초')이 가장 앞서는 제1 수면 이미지를 기준으로, 나머지 수면 이미지 중에서 수위계의 눈금 변화량이 가장 큰 제2 수면 이미지에서의 눈금 변화량(예, '7')과, 수위계의 눈금 간격(예, '10' mm)을 이용하여, 액체 저장 탱크에서의 수위 변화의 최대 움직임(예, 약 '70' mm)을 계산할 수도 있다.
실시예에 따라, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 상기 영상을 촬영 시, 상기 액체 저장 탱크에 일정 간격으로 설치된 타 수위계를 중심으로 포함하는 비교 영상을 더 촬영하고, 계측한 수위를, 상기 비교 영상을 이용하여 계측한 수위와 비교하여, 일치할 경우에, 계측한 수위를, 액체 저장 탱크의 수위로서 확정 함으로써, 수위 계측의 정확도를 높일 수 있다.
상기 비교 결과, 상이하면, 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템(300)은 액체 저장 탱크를 기울어진 상태로 판단하고, 관리자 단말에 알림할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 영상 기반으로 액체 저장 탱크의 수위 측정을 자동화 함으로써, 관리자 단말에서 유체의 유입 또는 유출에 따른 수위 변화의 움직임을 손쉽게 파악할 수 있게 하고, 액체 저장 탱크의 상태와 이상 유무를 상시로 점검할 수 있도록 지원할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
300: 수위 계측 시스템 301: 영상 계측 시스템
310: 변환부 320: 지정부
330: 계측부 340: 필터링부
350: 보정부 360: 분석부
370: 데이터베이스

Claims (20)

  1. 액체 저장 탱크에 유지되는 유체에 대해, 수위가 이미 계측된 템플릿 이미지를 데이터베이스에 유지하는 단계;
    영상 계측 시스템을 통해, 상기 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환하는 단계;
    상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 단계; 및
    상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 템플릿 이미지를, 상기 데이터베이스로부터 검색하고, 상기 검색된 템플릿 이미지와 상기 수면 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상으로부터, 일정 시간 간격으로 복수의 수면 이미지가 변환되면,
    상기 수위를 계측하는 단계는,
    상기 복수의 수면 이미지 중, 상기 유체의 수위를 측정하려는 지점이 지정된 제1 수면 이미지와, 상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 제1 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 제1 템플릿 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 수면 이미지는, 상기 복수의 수면 이미지 중 촬영시간이 가장 앞서거나, 선명도가 가장 높은 수면 이미지인
    액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수면 이미지에 대해 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여, 상기 수면 이미지 내에서, 상기 액체 저장 탱크에 설치된 구조물에 대한 경계선(edge)을 선명화 처리하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 지점을 지정하는 단계는,
    상기 선명화 처리된 수면 이미지 내에서, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 선명화 처리하는 단계는,
    그레이 레벨로 변환한 상기 수면 이미지에, 중간값 필터(Median Filter), 하이라이트 디테일 필터(Highlight Detail Filter), 라플라시안(Laplacian)에 의한 선명화 필터, 및 영상 이진화 필터 중 적어도 하나를 적용하여, 상기 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하는 단계; 및
    상기 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체를 수직으로 통과하도록 설치된 수위계가 중심에 위치하도록, 상기 영상 계측 시스템을 제어하여 상기 영상을 촬영하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 지점을 지정하는 단계는,
    상기 수면 이미지 내에서, 상기 유체와 상기 수위계와의 경계를 지정하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지점에서의 수위를 계측하는 단계는,
    템플릿 매칭 기법에 따라, 상기 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값이 최대로 계산되는 템플릿 이미지를 상기 데이터베이스로부터 검색하는 단계; 및
    상기 템플릿 이미지 내 지점에서의 기계측된 수위를, 상기 수면 이미지 내 지점에서의 수위로서 산출하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 템플릿 이미지를 상기 데이터베이스로부터 검색하는 단계는,
    상기 지점에서의 최대 수위 변화량을 고려하여, 정규상호상관관계의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 데이터베이스에 유지되는 템플릿 이미지 각각에 대해, 상기 정규상호상관관계의 크기에 따라 설정되는 상기 수면 이미지와의 정규상호상관관계 계수값을 계산하는 단계
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 템플릿 이미지 내의 지점을, 상기 수면 이미지 내 지점으로 좌표 변환하는 2차 다항식 변환함수를 산출하는 단계; 및
    상기 2차 다항식 변환함수를, 상기 수면 이미지 내 단위픽셀 이하에 적용하여 각 픽셀의 위치를 재정렬 함으로써, 구조물로 인해 상기 수면 이미지에 생기는 기하학적인 왜곡을 보정하는 단계
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 영상이 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지 각각에 대해, 계측된 수위에 근거하여, 상기 액체 저장 탱크에서의 유체의 수위 움직임에 관한 정보를 출력하는 단계
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 영상을 촬영 시, 상기 액체 저장 탱크에 일정 간격으로 설치된 타 수위계를 중심으로 포함하는 비교 영상을 더 촬영하는 단계;
    상기 계측한 수위를, 상기 비교 영상을 이용하여 계측한 수위와 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 일치하면, 상기 계측한 수위를, 상기 액체 저장 탱크의 수위로서 확정하는 단계
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상이하면, 상기 액체 저장 탱크를 기울어진 상태로 판단하고, 관리자 단말에 알림하는 단계
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    이동, 회전, 스케일 중 적어도 하나의 선형변환을 나타내는 유사 변환 함수(affine transform function)를 이용하여, 정해진 기준면으로부터 기울어진 상태의 상기 영상 계측 시스템에 의해 촬영되는 상기 영상에 대한 각도를 보정하는 단계
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 방법.
  14. 액체 저장 탱크에 유지되는 유체에 대해, 수위가 이미 계측된 템플릿 이미지를 유지하는 데이터베이스;
    영상 계측 시스템을 통해, 상기 유체의 수위를 촬영한 영상을, 수면 이미지로 변환하는 변환부;
    상기 수면 이미지에 대해, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는 지정부; 및
    상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 템플릿 이미지를, 상기 데이터베이스로부터 검색하고, 상기 검색된 템플릿 이미지와 상기 수면 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는 계측부
    를 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 영상으로부터, 일정 시간 간격으로 복수의 수면 이미지가 변환되면,
    상기 계측부는,
    상기 복수의 수면 이미지 중, 상기 유체의 수위를 측정하려는 지점이 지정된 제1 수면 이미지와, 상기 지점을 공통으로 포함하여, 상기 제1 수면 이미지와의 유사도가 가장 높은 것으로 판단되는 제1 템플릿 이미지를 비교하여, 상기 지점에서의 수위를 계측하는
    액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 수면 이미지에 대해 영상 필터 처리 알고리즘을 적용하여, 상기 수면 이미지 내에서, 상기 액체 저장 탱크에 설치된 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하는 필터링부
    를 더 포함하고,
    상기 지정부는,
    상기 선명화 처리된 수면 이미지 내에서, 상기 수위를 계측하려는 지점을 지정하는
    액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    그레이 레벨로 변환한 상기 수면 이미지에, 중간값 필터, 하이라이트 디테일 필터, 라플라시안에 의한 선명화 필터, 및 영상 이진화 필터 중 적어도 하나를 적용하여, 상기 구조물에 대한 경계선을 선명화 처리하고, 상기 유체에서의 빛의 반사로 인한 노이즈를 필터링 하는
    액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 템플릿 이미지 내의 지점을, 상기 수면 이미지 내 지점으로 좌표 변환하는 2차 다항식 변환함수를 산출하고, 상기 2차 다항식 변환함수를, 상기 수면 이미지 내 단위픽셀 이하에 적용하여 각 픽셀의 위치를 재정렬 함으로써, 구조물로 인해 상기 수면 이미지에 생기는 기하학적인 왜곡을 보정하는 보정부
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 영상이 촬영된 시간 순서대로 배열한 수면 이미지 각각에 대해, 계측된 수위에 근거하여, 상기 액체 저장 탱크에서의 유체의 수위 움직임에 관한 정보를 출력하는 분석부
    를 더 포함하는 액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 영상을 촬영 시, 상기 액체 저장 탱크에 일정 간격으로 설치된 타 수위계를 중심으로 포함하는 비교 영상을 더 촬영하고,
    상기 계측부는,
    상기 계측한 수위를, 상기 비교 영상을 이용하여 계측한 수위와 비교하고,
    상기 비교 결과, 일치하면, 상기 계측한 수위를, 상기 액체 저장 탱크의 수위로서 확정하는
    액체 저장 탱크의 수위 계측 시스템.
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