KR101947238B1 - 콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

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정명근
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Abstract

본 발명은 일반 디지털 카메라를 이용하여 촬영한 영상으로부터 콩의 단면적 이미지를 추출하고, 추출된 단면적 이미지를 이용하여 콩 내부의 수분 분포 정도를 확인할 수 있도록 하는 콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로, 을 포함한다. 이에 따라 MRI 등 고가의 장비를 이용하여야 측정할 수 있는 콩 내부의 수분 분포를 일반 디지털 카메라를 이용한 콩의 단면도 이미지의 이미지 프로세싱 방법을 통해 효과적으로 확인할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법{Bean internal moisture measurement system and measurement method}
본 발명은 콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로, 특히 일반 디지털 카메라를 이용하여 촬영한 영상으로부터 콩의 단면적 이미지를 추출하고, 추출된 단면적 이미지를 이용하여 콩 내부의 수분 분포 정도를 확인할 수 있도록 하는 콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
콩(Glycine max)은 우리나라에서 삼국시대 이전부터 재배되어 왔으며, 동양에서는 주요식품 자원으로써 밭에서 나는 고기라고 일컬어지고 있다. 콩은 우리나라 식생활에서도 쌀 다음으로 중요한 부분을 차지해오고 있으며, 보리, 쌀 등과 같은 곡류를 주식으로 하는 우리나라 식사패턴에서 예로부터 콩은 혼반용, 콩나물, 두부 등 다양한 목적으로 이용되어 양질의 식물성 단백질 공급원으로써 중요한 역할을 해왔다(Kwon, 1972).
콩의 수확 후 초기 수분함량은 20% 정도로 매우 높으며 이로 인해 저장 및 운송에 어려움이 있다. 따라서 수확량의 대부분은 건조 후 콩으로 유통된다. 인체에 유해한 영향을 미치는 균은 일정 수분함량 이상에서 자랄 수 있으며, 이는 콩의 평균 수분함량이 낮더라도 일부분이 높은 수분함량을 나타낼 경우 해당 지점에서 균이 자랄 수 있음을 의미한다. 따라서 콩의 건조 시 콩 전체의 수분함량이 아닌 콩 내부에서의 수분분포는 반드시 고려되어야 한다.
건조된 콩의 재수화는 두부, 된장, 두유 등의 콩 가공제품을 만들기 위해 필수적인 공정이며 이러한 콩의 재수화는 콩의 아이소플라본 함량을 증가시킨다는 연구가 보고된 바 있다. 이러한 재수화 공정 역시 콩 전체의 수분함량이 아닌 콩 내부에서 수분확산이 충분히 이루어져야 하는 것으로, 콩 내부에서 수분 분포를 확인하는 것은 재수화 공정에서 필수적이라고 할 수 있다.
MRI와 같은 콩 내부의 수분 분포를 측정하는 방법이 기개발되었지만 이를 측정하기 위한 기기는 매우 고가이므로 실제 현장에서 적용하기에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 콩의수분 분포를 보다 쉽고 저가로 측정할 수 있는 방법의 개발이 절실한 상황이다.
한국등록특허 제 10-1147324 호
이와 같은 종래기술의 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 본 발명은 일반 디지털 카메라를 이용하여 촬영한 영상으로부터 콩의 단면적 이미지를 추출하고, 추출된 단면적 이미지를 이용하여 콩 내부의 수분 분포 정도를 확인할 수 있도록 하는 콩 내부 수분 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콩 내부 수분 측정 시스템은, 콩의 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지를 습득하는 이미지 습득장치(100); 이미지 습득장치(100)에 의해 습득된 콩 이미지를 제공받아 배경이미지를 분리하고, 배경이미지를 분리시킨 콩의 단면 이미지의 RGB값을 각각 분리시키고, 각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행한 후 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 이미지 분석장치(200); 및 이미지 분석장치(200)에 의해 이미지 분석 결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증하는 검증장치(300)를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 이미지 분석장치(200)는, 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정할 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 이미지 습득장치(100)는, 바닥에 콩을 위치시킬 수 있도록 일부 측면이 개방된 본체(110); 본체(110)의 상부 양측에 대향되도록 위치되는 조명부(120); 본체(110)의 측벽에 고정되고, 그 끝단부가 절곡되어 본체(110)의 중심부에 위치하는 지지부(130); 및 지지부(130) 끝단부에 결합되어, 본체(110)의 바닥면에 위치되어 있는 콩을 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지로 상기 이미지 분석장치(200)로 제공하는 카메라(140)로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 본체(110)의 바닥면은 검은색의 배경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콩 내부 수분 측정 방법은, 이미지 분석장치(200)는, 이미지 습득장치(100)를 통해 습득된 콩 이미지를 제공받는 단계; 이미지 분석장치(200)는, 제공받은 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리시키는 단계; 이미지 분석장치(200)는 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리시킨 후 콩 이미지의 RGB값을 각각 분리시키는 단계; 이미지 분석장치(200)는, 각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행하는 단계; 및 이미지 분석장치(200)는, 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 단계로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 이미지 분석장치(200)는, 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정할 수 있다.
본 발명은 일반 디지털 카메라를 이용하여 촬영한 영상으로부터 콩의 단면적 이미지를 추출하고, 추출된 단면적 이미지를 이용하여 콩 내부의 수분 분포 정도를 확인할 수 있도록 함으로써, MRI 등 고가의 장비를 이용하여야 측정할 수 있는 콩 내부의 수분 분포를 일반 디지털 카메라를 이용한 콩의 단면도 이미지의 이미지 프로세싱 방법을 통해 효과적으로 확인할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 콩의 건조 및 재수화 공정에서 콩 내부의 수분 분포를 확인하여 건조 공정 및 재수화 공정의 종료 시점을 효과적으로 판단할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콩 내부 수분 측정 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 도 1에 적용된 이미지 습득장치의 일예를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 적용된 이미지 분석장치의 내부 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 콩 blue 이미지에서 pixel 값의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 재수화와 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 검증을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 재수화 후 방치시간에 따른 콩의 이미지 분석 결과와 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 콩 내부 수분 측정 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 2의 (a) 내지 (c)는 도 1에 적용된 이미지 습득장치의 일예를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 콩 내부 수분 측정 시스템은 콩의 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지를 습득하는 이미지 습득장치(100)와, 이미지 습득장치(100)에 의해 습득된 콩 이미지를 제공받아 배경이미지를 분리하고, 배경이미지를 분리시킨 콩의 단면 이미지의 RGB값을 각각 분리시키고, 각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행한 후 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 이미지 분석장치(200)와, 이미지 분석장치(200)에 의해 이미지 분석 결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증하는 검증장치(300)로 이루어진다.
이미지 분석장치(200)는 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정한다.
이미지 습득장치(100)는 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 바닥에 콩을 위치시킬 수 있도록 일부 측면이 개방된 본체(110)와, 본체(110)의 상부 양측에 대향되도록 위치되는 조명부(120)와, 본체(110)의 측벽에 고정되고, 그 끝단부가 절곡되어 본체(110)의 중심부에 위치하는 지지부(130)와, 지지부(130) 끝단부에 결합되어, 본체(110)의 바닥면에 위치되어 있는 콩을 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지로 상기 이미지 분석장치(200)로 제공하는 카메라(140)로 이루어진다.
본체(110)의 바닥면은 검은색의 배경을 가진다.
상기와 같이 구성된 콩 내부 수분 측정 시스템의 수분 측정 방법에 대해서 기술하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4는 도 1에 적용된 이미지 분석장치의 내부 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 콩 blue 이미지에서 pixel 값의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6은 재수화와 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 검증을 설명하기 위한 그래프이다. 도 7은 재수화 후 방치시간에 따른 콩의 이미지 분석 결과와 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이미지 분석장치(200)는 이미지 습득장치(100)를 통해 습득된 콩 이미지를 제공(S110)받고, 제공받은 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리(S120)시킨다.
이미지 분석장치(200)는 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리시킨 후 콩 이미지의 RGB값을 각각 분리(S130)시킨다.
이미지 분석장치(200)는 RGB로 각각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행(S140)하고, 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보(S150)한다.
이미지 분석을 실시하였을 때, Red 이미지와 Green 이미지에서는 수분 구배에 따른 이미지 분석 결과의 차이를 확인하기 힘들었지만 Blue 이미지에서는 그 차이를 확인할 수 있었으며 경계화(Thresholding) 및 노이즈 필터링(noise filtering)을 통해 그 차이를 명확히 할 수 있다.
또한, 이미지 분석장치(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정한다.
한편, 콩 내부의 수분 확산을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 이미지 분석 결과를 비교해보면, 컴퓨터 시뮬레이션은 Comsol Multiphysics 5.1 (Comsol Multiphysics, Stockholm, Sweden)을 이용하였으며 아래와 같은 3-D 물질 전달식이 사용되었다.
Figure 112016107377141-pat00001
초기조건:
M(x,y,z,0)=M_i 이고,
경계조건:
D∇M=h(M∞-M)
수분 확산 계수 (Moisture diffusivity, D(m2/s))
수분 함량 (Moisture content, M)
시간 (time, t(sec))
초기 수분 함량 (Initial moisture content, Mi)
물질 전달 계수 (Mass transfer coefficient, h)
외부 수분 함량 (Bulk moisture content, M∞)이다.
상온에서 콩의 수분 확산도는 상온에서의 콩의 건조 속도에 의한 유효수분확산도를 통해 계산되었으며 그 값은 1.475×10-11 m2/s 이었다.
이러한 콩 내부 수분 측정 시스템을 이용하여 재수화에 따른 콩 내부의 수분 함량의 변화는 도 6에 도시된 바와 같이, 재수화 초기에 수분함량이 급격히 증가하였으며 시간이 지남에 따라 그 증가폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과는 실험결과와 매우 일치하는 값을 나타내었으며 이는 유효 수분확산계수를 이용한 시뮬레이션 모델을 통하여 이미지 분석을 통한 수분 확산 결과를 검증할 수 있음을 의미한다.
재수화 실험 결과를 이용하여 수분함량이 20%가 되도록 수침한 뒤 그 콩의 방치 시간에 따른 수분 분포를 시뮬레이션 결과와 비교해보면, 도 7에 도시된 바와 같이 시뮬레이션 결과로부터 콩 이미지에서 경계지역이 수분함량 11.5%임을 확인할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 이미지 습득장치
200 : 이미지 분석장치
300 : 이미지 검증장치

Claims (6)

  1. 콩의 단면을 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지를 습득하는 이미지 습득장치(100);
    상기 이미지 습득장치(100)에 의해 습득된 콩 이미지를 제공받아 배경이미지를 분리하고, 배경이미지를 분리시킨 콩의 단면 이미지의 RGB값을 각각 분리시키고, 각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행한 후 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 이미지 분석장치(200); 및
    상기 이미지 분석장치(200)에 의해 이미지 분석 결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증하는 검증장치(300); 를 포함하되,
    상기 콩의 단면 이미지의 RGB값 중 Blue 이미지를 중심으로 상기 경계화(Thresholding)를 수행하고 상기 노이즈 제거를 수행하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이미지 습득장치(100)는, 바닥에 콩을 위치시킬 수 있도록 일부 측면이 개방된 본체(110)와 상기 본체(110)의 상부 양측에 대향되도록 위치되는 조명부(120)와 상기 본체(110)의 측벽에 고정되고, 그 끝단부가 절곡되어 본체(110)의 중심부에 위치하는 지지부(130) 및 지지부(130) 끝단부에 결합되어, 상기 본체(110)의 바닥면에 위치되어 있는 콩을 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지로 상기 이미지 분석장치(200)로 제공하는 카메라(140)로 이루어지고,
    상기 이미지 분석장치(200)는 상기 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀값으로 변환시킨 뒤 수분 함량에 따른 영역을 설정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 본체(110)의 바닥면은 검은색의 배경을 가지는 것을 특징으로 하며,
    컴퓨터 시뮬레이션은 하기의 3-D 물질 전달식이 사용되는 것을 특징으로 하고,
    상기 이미지 분석장치(200)는, 상기 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정하는 것을 특징으로 하는 콩 내부 수분 측정 시스템.
    Figure 112018126422011-pat00009

    (초기조건: M(x,y,z,0)=M_i, 경계조건: D∇M=h(M∞-M) 수분 확산 계수 (Moisture diffusivity, D(m2/s)) 수분 함량 (Moisture content, M) 시간 (time, t(sec)) 초기 수분 함량 (Initial moisture content, Mi) 물질 전달 계수 (Mass transfer coefficient, h) 외부 수분 함량 (Bulk moisture content, M∞))
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 이미지 분석장치(200)는, 이미지 습득장치(100)를 통해 습득된 콩 이미지를 제공받는 단계;
    상기 이미지 분석장치(200)는, 제공받은 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리시키는 단계;
    상기 이미지 분석장치(200)는 콩 이미지로부터 배경이미지를 분리시킨 후 콩 이미지의 RGB값을 각각 분리시키는 단계;
    상기 이미지 분석장치(200)는, 각 분리된 콩 단면 이미지에 대해 경계화를 수행하는 단계; 및
    상기 이미지 분석장치(200)는, 경계화된 각 이미지로부터 노이즈를 제거하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하고,
    상기 콩의 단면 이미지의 RGB값 중 Blue 이미지를 중심으로 상기 경계화를 수행하고 상기 노이즈 제거를 수행하여 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 확보하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이미지 습득장치(100)는, 바닥에 콩을 위치시킬 수 있도록 일부 측면이 개방된 본체(110)와 상기 본체(110)의 상부 양측에 대향되도록 위치되는 조명부(120)와 상기 본체(110)의 측벽에 고정되고, 그 끝단부가 절곡되어 본체(110)의 중심부에 위치하는 지지부(130) 및 지지부(130) 끝단부에 결합되어, 상기 본체(110)의 바닥면에 위치되어 있는 콩을 촬영하여 콩의 수분 확산도 측정을 위한 이미지로 상기 이미지 분석장치(200)로 제공하는 카메라(140)로 이루어지고,
    상기 이미지 분석장치(200)는 상기 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀값으로 변환시킨 뒤 수분 함량에 따른 영역을 설정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 본체(110)의 바닥면은 검은색의 배경을 가지는 것을 특징으로 하며,
    컴퓨터 시뮬레이션은 하기의 3-D 물질 전달식이 사용되는 것을 특징으로 하고,
    상기 이미지 분석장치(200)는, 상기 콩의 수분 확산도 측정 이미지를 픽셀 값을 변환시켜 픽셀 값 중 급격히 나뉘는 영역을 도출하고, 이를 기준으로 경계화하여 콩 내부에서 고 수분 영역과 저 수분 영역을 설정하는 것을 특징으로 하는 콩 내부 수분 측정 방법.
    Figure 112018126422011-pat00010

    (초기조건: M(x,y,z,0)=M_i, 경계조건: D∇M=h(M∞-M) 수분 확산 계수 (Moisture diffusivity, D(m2/s)) 수분 함량 (Moisture content, M) 시간 (time, t(sec)) 초기 수분 함량 (Initial moisture content, Mi) 물질 전달 계수 (Mass transfer coefficient, h) 외부 수분 함량 (Bulk moisture content, M∞))

  6. 삭제
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