KR102013219B1 - 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템 - Google Patents

환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치를 통해 환경정보를 수집하여 분석함으로써 환경에 대한 종합적인 데이터를 제공할 수 있도록 하고, 특히 환경정보수집장치는 보트형으로 형성되어 물 위를 따라 이동하며 수질 관련 정보를 수집하도록 함으로써 방대한 수질오염원에 대한 효율적인 모니터링과 관리가 가능하도록 하며, 디지털이미지센서를 이용하여 물속의 근접 이미지를 수집하여 물속의 다양한 부유물, 유기체, 미세 세균 등에 관한 이미지정보를 수집하도록 함으로써 정확한 수질 상태의 분석이 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 관한 것이다.

Description

환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템{A System for Collecting and Analyzing Environmental Big Data}
본 발명은 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치를 통해 환경정보를 수집하여 분석함으로써 환경에 대한 종합적인 데이터를 제공할 수 있도록 하고, 특히 환경정보수집장치는 보트형으로 형성되어 물 위를 따라 이동하며 수질 관련 정보를 수집하도록 함으로써 방대한 수질오염원에 대한 효율적인 모니터링과 관리가 가능하도록 하며, 디지털이미지센서를 이용하여 물속의 근접 이미지를 수집하여 물속의 다양한 부유물, 유기체, 미세 세균 등에 관한 이미지정보를 수집하도록 함으로써 정확한 수질 상태의 분석이 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 관한 것이다.
공업화와 도시화의 영향으로 하천, 저수지뿐만 아니라 강, 바다 등의 수질문제가 심각한 상황에 이르고 있다.
물은 음용을 위해 사용될 뿐만 아니라 생활용수, 레저활동, 농업용수 등 다양한 분야에 사용됨에도 불구하고 그 오염이 심각하여 악취 등을 발생시키고 결국에는 인간의 건강에 악영향을 미치는 문제가 발생하고 있다.
그럼에도 하천, 저수지, 강, 바다 등에 대한 수질관리는 아래 특허문헌과 같이 특정 위치에 설치된 수질 측정기에만 의존하고 있는 것이 현실이다.
따라서, 광범위하게 분포하고 있는 수질오염원에 대한 대처가 어려우며, 수질 측정센서만으로는 정확한 수질의 파악도 어려워 수질오염의 개선에 막대한 비용과 시간이 투자되고 있고, 지속적인 개선에도 수질은 점점 더 악화되어 가고 있다.
(특허문헌)
등록특허공보 제10-1195979호(2012. 10. 24. 등록) "수질 관리 방법 및 수질 관리 시스템"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치를 통해 환경정보를 수집하여 분석함으로써 환경에 대한 종합적인 데이터를 제공할 수 있도록 하고, 방대한 수질오염원에 대한 효율적인 모니터링과 관리가 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 기존의 용존산소, pH 등을 측정할 뿐만 아니라 물속의 다양한 부유물, 유기체, 미세 세균 등에 관한 이미지정보를 수집하여 정확한 수질 상태의 분석이 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 환경정보수집장치의 이동중에도 정확한 이미지의 획득이 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수질이미지정보수집부에 의한 이미지 생성 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 측정대상지역에 대한 신속하고 정확한 수질 모니터링이 가능하도록 하는 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템은 수질 환경정보를 측정하여 수집하는 환경정보수집장치와; 특정 지역의 영상을 촬영하여 수집하는 영상촬영장치와; 수질 환경에 관한 정보를 웹상에서 수집하는 웹정보수집장치와; 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치에서 수집되는 정보를 통합하여 수질환경에 관한 정보를 분석하고 표시하는 모니터링장치;를 포함하고, 상기 환경정보수집장치는 보트형으로 형성되어 물 위를 따라 이동하며 수질환경정보를 수집하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 환경정보수집장치는 수질정보를 측정하는 수질정보측정부와, 디지털이미지센서를 이용하여 물속의 근접 이미지를 수집하는 수질이미지정보수집부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 수질이미지정보수집부는 물이 내부로 유입되도록 하는 조사객체유입부와, 유입된 물에 광원을 조사하여 디지털이미지센서를 통해 회절이미지를 생성하는 회절이미지생성부와, 회절이미지를 재구성하여 위상 정보가 회복된 이미지 정보를 생성하는 이미지재구성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 회절이미지생성부는 상측에서 광원을 조사하는 광원조사모듈과, 광원조사모듈에 의해 조사된 빛이 통과하는 핀홀과, 회절된 빛을 수신하여 이미지 정보를 생성하는 디지털이미지센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 조사객체유입부는 물이 유입되는 공간을 형성하며, 수질이미지정보수집장치의 각 구성이 형성되는 외함부재와; 상기 외함부재의 일 지점을 개폐하는 개폐부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 조사객체유입부는 상기 외함부재 내에 유입된 물을 순환시켜 배출시키는 순환수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 이미지재구성부는 물이 유입되기 전 디지털이미지센서에 의해 생성되는 배경이미지를 물의 유입후 생성되는 회절이미지로 나눠 정규화하는 이미지로드모듈과, 정규화된 이미지를 확대하는 업스케일모듈과, 확대된 이미지를 이용하여 홀로그램이미지를 생성하는 홀로그램이미지생성모듈과, 생성된 홀로그램이미지를 이용하여 위상 정보를 복구하여 재구성 이미지를 생성하는 위상복원모듈과, 재구성 이미지의 생성 과정에서 객체 영역을 추출하는 객체영역추출모듈과, 추출된 객체 영역에 따라 제약조건을 설정하는 제약조건설정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 객체영역추출모듈은 홀로그램이미지를 이용하여 임의의 거리 z에 있는 복소장 Uz(x,y,z)을 재구성하는 전처리모듈과, 분산을 이용해 객체 영역 이미지를 추출하는 분산모듈을 포함하고, 상기 제약조건설정모듈은 분산값을 계산하여 계산된 분산값이 정해진 임계값보다 큰 경우 객체 영역 추출 이미지의 해당 픽셀값을 1로 설정하고, 임계값보다 작은 경우 픽셀값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 이미지재구성부는 물이 유입되기 전 디지털이미지센서에 의해 생성되는 배경이미지를 물의 유입후 생성되는 회절이미지로 나눠 정규화하는 이미지로드모듈과; 정규화된 이미지를 이용하여 홀로그램이미지를 생성하는 홀로그램이미지생성모듈과; 생성된 홀로그램이미지를 이용하여 위상 정보를 복구하여 재구성 이미지를 생성하는 위상복원모듈과; 제약조건으로 이미지 전체를 1로 설정하는 제약조건설정모듈과, 홀로그램 테두리를 제거하는 테두리제거모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 환경정보수집장치는 위치정보를 생성하는 GPS부를 포함하여, 위치에 따른 정보 수집과 저장이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 환경정보수집장치는 자동으로 환경정보수집장치의 작동을 조절하는 자동제어부를 포함하고, 상기 자동제어부는 환경정보수집장치의 경로를 설정하는 경로설정모듈과, 설정된 경로에서 환경정보를 수집할 지점을 설정하여 저장하는 수집지점저장모듈과, 저장된 지점에서 수질을 측정하는 수질측정모듈과, 상기 수질이미지정보수집부에 의한 이미지정보를 생성하는 이미지정보생성모듈과, 측정된 수질정보와 생성된 이미지정보를 기반으로 수질 상태를 분석하는 수질분석모듈과, 수질정보, 이미지정보, 분석정보, 위치정보, 시간정보를 저장하는 종합정보저장모듈과, 저장된 정보를 모니터링장치로 전송하는 종합정보송신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 모니터링장치는 상기 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치로부터 환경정보를 수신하는 정보수신부와; 수신된 정보를 화면에 표시하는 정보표시부;를 포함하고, 상기 정보표시부는 특정 지역의 지도 정보를 표시하는 지도표시모듈과, 지도의 일정 지점을 선택하는 경우 해당 지점에 대해 영상촬영장치에 의해 촬영된 영상을 표시하는 영상표시모듈과, 해당 지점에 대해 수질정보측정부에 의해 측정된 수질정보를 표시하는 측정정보표시모듈과, 수질이미지정보수집부에 의해 수집된 이미지정보를 표시하는 이미지정보표시모듈과, 수질분석모듈에 의해 분석된 수질분석정보를 표시하는 분석정보표시모듈과, 수질분석정보에 따른 오염정도를 영상에 맵핑하여 표시하는 분석정보맵핑모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템에 있어서, 상기 모니터링장치는 환경정보수집장치로부터 전송되는 정보를 확인하는 정보확인부를 포함하고, 상기 정보확인부는 상기 환경정보수집장치가 정해진 경로를 이동했는지 확인하는 경로확인모듈과, 설정된 지점에서 수질을 측정하고 분석했는지 확인하는 분석지점확인모듈과, 측정이 이루어지지 않은 지점을 따라 이동하며 수질을 측정하고 이미지를 수집하도록 하는 재측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치를 통해 환경정보를 수집하여 분석함으로써 환경에 대한 종합적인 데이터를 제공할 수 있도록 하고, 특히 환경정보수집장치는 보트형으로 형성되어 물 위를 따라 이동하며 수질 관련 정보를 수집하도록 함으로써 방대한 수질오염원에 대한 효율적인 모니터링과 관리가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 환경정보수집장치에 디지털이미지센서를 이용하여 물속의 근접 이미지를 수집하는 수질이미지정보수집부와, 수질을 측정하는 수질정보측정부를 포함하도록 하여, 기존의 용존산소, pH 등을 측정할 뿐만 아니라 물속의 다양한 부유물, 유기체, 미세 세균 등에 관한 이미지정보를 수집하여 정확한 수질 상태의 분석이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 외함부재 내에 물을 수용하고 물에 존재하는 다양한 물질들의 회절이미지을 통해 근접이미지를 획득하도록 함으로써, 환경정보수집장치의 이동중에도 정확한 이미지의 획득이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 수질이미지정보수집부에 의한 이미지 생성 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 설정된 경로와 측정 지점을 따라 환경정보수집장치를 이동시키며 자동으로 정보의 수집이 이루어지도록 함으로써 측정대상지역에 대한 신속하고 정확한 수질 모니터링이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템의 구성도
도 2는 도 1의 환경정보수집장치의 일 예를 나타내는 참고도
도 3은 도 1의 환경정보수집장치의 구성을 나타내는 블럭도
도 4는 도 3의 수질이미지정보수집부의 사시도
도 5는 도 4의 단면도
도 6은 도 5의 이미지재구성부의 구성을 나타내는 블럭도
도 7은 처리장치에 따른 홀로그램 이미지 생성시간을 비교한 그래프
도 8은 도 6의 홀로그램이미지생성모듈에 의해 실행되는 CUDA Kernel의 일 예를 나타내는 참고도
도 9는 도 6의 전처리모듈에 의해 실행되는 CUDA Kernel의 일 예를 나타내는 참고도
도 10은 도 6의 분산모듈에 의해 실행되는 CUDA Kernel의 일 예를 나타내는 참고도
도 11은 전처리모듈 및 분산모듈에 의해 생성되는 이미지의 일 예를 나타내는 참고도
도 12는 마스킹모듈 및 마스킹영역확장모듈에 의해 생성되는 이미지의 일 예를 나타내는 참고도
도 13은 도 6의 이미지선명화모듈의 구성을 나타내는 블럭도
도 14는 이미지재구성부의 동작과정을 나타내는 순서도
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지재구성부에 의해 생성되는 이미지와 광학현미경에 의해 촬영된 이미지를 비교하는 참고도
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지재구성부의 동작과정을 나타내는 순서도
도 17은 도 16의 이미지재구성부의 테두리제거모듈의 구성을 나타내는 블럭도
도 18은 도 17의 테두리제거모듈에 의해 생성되는 이미지의 일 예를 나타내는 참고도
도 19는 GPU 서버와 Jetson TX2의 재구성 이미지 생성시간을 비교한 그래프
도 20은 도 3의 자동제어부의 구성을 나타내는 블럭도
도 21은 도 3의 동작조절부의 구성을 나타내는 블럭도
도 22는 도 1의 모니터링장치의 구성을 나타내는 블럭도
도 23은 도 22의 정보표시부의 구성을 나타내는 블럭도
도 24는 정보표시부에 의해 표시되는 화면의 일 예를 나타내는 참고도
도 25는 도 21의 정보확인부의 구성을 나타내는 블럭도
이하에서는 본 발명에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템을 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명하면, 상기 환경정보 빅데이터 수집 및 분석 시스템은 수질 환경정보를 측정하여 수집하는 환경정보수집장치(1)와; 특정 지역의 영상을 촬영하여 수집하는 영상촬영장치(3)와; 수질 환경에 관한 정보를 웹상에서 수집하는 웹정보수집장치(5)와; 환경정보수집장치(1), 영상촬영장치(3), 웹정보수집장치(5)에서 수집되는 정보를 통합하여 수질환경에 관한 정보를 분석하고 표시하는 모니터링장치(7);를 포함한다.
본 시스템은 특정 지역의 영상과, 환경정보수집장치(1)를 통해 실시간으로 수집되는 환경정보와, 웹상에서 수집되는 정보들을 수집하여 빅데이터를 형성할 수 있도록 하고, 이러한 빅데이터를 분석하여 환경 상태에 대한 정확하고 신속한 파악과 효율적인 대처가 가능하도록 한다. 특히, 본 발명은 환경정보수집장치(1)를 보트형으로 형성되도록 하여 물 위를 따라 이동할 수 있도록 하고, 물 위를 따라 이동하면서 수질에 대한 정보를 수집할 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명은 광범위한 수질 환경에 대해 신속한 정보 수집이 가능하도록 하여 시스템 구축에 드는 비용을 절약하고 모든 수질오염원에 대한 효율적인 정보 수집이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 종래와 같이 별도의 측정센서에 의해 수질 환경을 측정할 뿐만 아니라, 디지털이미지센서를 이용해 물속의 이미지 정보를 획득하여 물속에 존재하는 다양한 부유물질, 유기체, 미세 세균에 대한 근접이미지를 수집할 수 있도록 함으로써, 수질에 대한 더욱 정확한 파악이 가능하도록 한다. 뿐만 아니라, 본 발명은 회절이미지를 이용하여 물속의 다양한 물질에 대한 이미지 정보를 획득하도록 하면서 그 처리 속도를 빠르게 하고, 장치의 구성에 드는 비용을 절약할 수 있는 방안을 제시함으로써 시스템 구축과 운영에 드는 비용을 더욱 절감할 수 있도록 하였다.
상기 환경정보수집장치(1)는 물 위를 따라 이동하며 수질에 대한 정보를 수집하는 구성으로, 도 2에 도시된 바와 같이 보트형으로 형성되도록 할 수 있다. 상기 환경정보수집장치(1)는 이동 경로와 측정 지점이 미리 설정되어 자동으로 제어되도록 할 수 있으며, 별도의 조작장치(R)에 의해 이동과 측정이 제어되도록 할 수도 있다. 상기 환경정보수집장치(1)는 수질에 관한 다양한 정보를 측정하도록 할 수 있으며, 특히 디지털이미지센서(122c)를 이용하여 근접이미지를 수집하도록 한다. 또한, 상기 환경정보수집장치(1)는 측정된 수질 정보와 근접이미지를 바탕으로 수질에 대한 분석을 실시하도록 할 수 있으며, 이러한 정보들을 모니터링장치(7)로 전송하여 표시되도록 할 수 있고, 물론 환경정보수집장치(1)에 별도의 화면(미도시)을 형성하여 확인이 가능하도록 구성할 수도 있다. 이를 위해, 상기 환경정보수집장치(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 수질정보측정부(11), 수질이미지정보수집부(12), 수질분석부(13), 자동제어부(14), 동작조절부(15), GPS부(16), 무선통신부(17), 전력공급부(18)를 포함할 수 있다.
상기 수질정보측정부(11)는 물 위를 따라 이동하며 물속의 다양한 수질 정보를 측정하는 구성으로, 예를 들어 온도, 용존산소(DO), PH, 전기전도도(EC), 탁도(Turbidity) 등의 정보를 측정하도록 할 수 있다. 상기 수질정보측정부(11)는 자동으로 설정된 지점에서 수질정보를 측정하거나 별도의 조작장치(R)의 제어에 따라 측정이 이루어지도록 할 수 있으며, 측정된 정보는 상기 수질분석부(13)에 의해 수질을 분석하는 기준이 되고 모니터링장치(7)로 전송되어 표시되도록 할 수 있다.
상기 수질이미지정보수집부(12)는 물속의 근접이미지를 촬영하여 물속에 존재하는 다양한 물질에 대한 근접이미지를 획득할 수 있도록 하는 구성으로, 렌즈가 없는 디지털이미지센서(122c)를 이용하여 촬영이 이루어지도록 한다. 따라서, 고가의 렌즈를 사용할 필요없이 물속에서도 정확한 이미지정보를 획득하도록 할 수 있다. 상기 수질이미지정보수집부(12)는 회절이미지를 이용하도록 하며, 이를 위해 물을 내부에 수용하고 밀폐시킨 상태에서 광원을 조사하여 회절된 이미지를 디지털이미지센서(122c)에 의해 획득하고, 회절된 이미지 정보를 이용하여 물속 물질들의 이미지정보를 획득할 수 있도록 한다. 다시 말해, 디지털이미지센서(122c)는 오직 빛의 강도(파형)만을 측정할 수 있으므로, 디지털이미지센서(122c)에 의해 획득된 이미지 정보에서 위상 정보를 복원해 가는 과정을 통해 물질의 이미지정보를 획득할 수 있도록 한다. 상기 수질이미지정보수집부(12)는 상기 환경정보수집장치(1)의 하측에 형성되어 물속에 잠기도록 하거나, 환경정보수집장치(1)의 측면 또는 전후에 형성되어 하측으로 물이 유입되도록 할 수 있다. 상기 수질이미지정보수집부(12)는 조사객체유입부(121), 회절이미지생성부(122), 이미지재구성부(123), 냉각부(124)를 포함할 수 있다.
상기 조사객체유입부(121)는 조사 대상이 되는 물을 내부에 유입하여 밀폐된 공간에서 회절이미지의 측정이 가능하도록 하는 구성으로, 조사객체가 정지된 상태에서 외부 빛의 유입 없이 회절이미지를 측정할 수 있도록 함으로써, 수집되는 이미지의 품질을 높일 수 있도록 한다. 상기 조사객체유입부(121)는 도 5에 도시된 바와 같이 외함부재(121a), 개폐부재(121b), 순환수단(121c)을 포함할 수 있다.
상기 외함부재(121a)는 조사 대상인 물이 유입되는 공간을 형성하는 구성으로, 상기 개폐부재(121b)에 의해 개폐되어 물의 유입과 밀폐된 공간의 형성이 가능하도록 한다. 물이 유입되는 외함부재(121a)의 내부공간의 하측에는 디지털이미지센서(122c)가 형성되어 상측에서 조사되는 광원이 물속 물질들에 의해 회절되는 이미지를 측정할 수 있도록 하고, 디지털이미지센서(122c)의 하측으로는 회절이미지를 이용하여 위상 정보가 회복된 재구성 이미지를 생성하는 이미지재구성부(123)가 형성되며, 다시 그 하측으로는 이미지재구성부(123)를 냉각할 수 있는 냉각부(124)가 형성되도록 하여 발열에 대비할 수 있도록 한다. 또한, 상기 외함부재(121a)는 바람직하게는 알루미늄으로 형성되도록 하여 발열 및 내구성 문제를 해결하고, 탄소나노튜브 등의 소재를 외면에 형성하도록 하여 빛을 흡수하도록 함으로써 회절이미지에 대한 간섭광을 차단하도록 할 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않고 다양한 소재로 형성될 수 있다.
상기 개폐부재(121b)는 외함부재(121a)의 내부 공간을 개폐하는 구성으로, 도 4에 도시된 바와 같이 외함부재(121a)의 상단을 따라 슬라이드되는 형식으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 개폐부재(121b)는 물속에서 자동으로 제어되는 경우에도 더욱 원활한 작동이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 개폐부재(121b)에는 도 5에 도시된 바와 같이 광원조사모듈(122a)과 핀홀(122b)이 형성되도록 할 수 있으며, 외함부재(121a) 내에 수용된 물에 광원을 조사하여 디지털이미지센서(122c)를 통해 회절이미지를 측정할 수 있도록 한다. 상기 개폐부재(121b)는 이미지정보의 수집이 필요한 지점에서 개방되어 외함부재(121a) 내에 물이 수용되도록 하며, 물의 수용 후 폐쇄되어 밀폐된 공간에서 광원의 조사와 회절이미지의 측정이 이루어지도록 한다.
상기 순환수단(121c)는 외함부재(121a) 내에 수용된 물을 외부로 배출시키는 구성으로, 물의 순환을 일으킬 수 있는 팬이나 펌프 등으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 순환수단(121c)은 수용된 물에 대한 회절이미지의 생성이 끝난 후 작동하여 수용된 물이 외부로 배출될 수 있도록 하며, 다음 측정 지점에서 새로운 물이 유입되어 이미지를 수집할 수 있도록 한다.
상기 회절이미지생성부(122)는 외함부재(121a) 내에 수용된 물에 광원을 조사하여 회절된 이미지를 생성하도록 하는 구성으로, 도 5에 도시된 바와 같이 광원조사모듈(122a), 핀홀(122b), 디지털이미지센서(122c)를 포함할 수 있다.
상기 광원조사모듈(122a)은 물이 수용되는 공간의 상측에 형성되어 회절이미지 생성을 위한 광원을 조사하는 구성으로, 바람직하게는 상기 개폐부재(121b)에 형성되도록 할 수 있다. 상기 광원조사모듈(122a)은 LED로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않으며, 420nm~530nm의 파장으로 조사되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 핀홀(122b)은 광원조사모듈(122a)의 하측에 형성되는 구멍으로, 개폐부재(121b)의 하단에 형성되도록 할 수 있으며, 바람직하게는 25~100㎛의 크기가 되도록 할 수 있다.
상기 디지털이미지센서(122c)는 회절된 이미지 정보를 기록하는 구성으로, 바람직하게는 CCD(Charge Coupled Device, 전하결합소자)로 형성되도록 할 수 있다. 상기 디지털이미지센서(122c)는 물이 수용되는 공간의 하측에 형성될 수 있으며, 기록된 회절이미지 정보는 상기 이미지재구성부(123)로 전달되어 위성 정보가 복원된 재구성 이미지를 생성할 수 있도록 한다.
상기 이미지재구성부(123)는 상기 디지털이미지센서(122c)에 기록된 회절 패턴을 기반으로 위상 정보를 복원하여 광학 렌즈로 촬영된 이미지에 가까운 이미지를 획득할 수 있도록 하는 구성으로, 특히 그 처리 속도를 향상시켜 상기 환경정보수집장치(1)의 이동에 의한 이미지정보의 수집이 신속하게 이루어질 수 있도록 한다. 상기 이미지재구성부(123)에 의한 위상 정보의 연산과정은 매우 복잡하여 오랜 시간이 걸릴 수 있으므로, 본 발명에서는 연산과정의 병렬처리를 통해 그 속도를 향상시킬 수 있도록 하며, 이를 위해 상기 이미지재구성부(123)는 일반적인 CPU가 아닌 GPU(Graphic Processing Unit)로 형성되어 연산과정의 빠른 병렬처리가 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 이미지재구성부(123)는 도 6에 도시된 바와 같이 이미지로드모듈(123a), 업스케일모듈(123b), 홀로그램이미지생성모듈(123c), 위상복원모듈(123d), 객체영역추출모듈(123e), 제약조건설정모듈(123f), 이미지선명화모듈(123g)을 포함할 수 있다.
상기 이미지로드모듈(123a)은 상기 디지털이미지센서(122c)에 기록된 이미지 정보를 불러오는 구성으로, 물이 수용되지 않은 상태에서의 배경이미지와 물이 수용된 후에 측정된 회절이미지를 불러와 정규화 과정을 거치도록 함으로써 재구성 과정이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다. 상기 이미지로드모듈(123a)은 아래 [수학식 1]과 같이 배경이미지를 회절이미지로 나눠 정규화가 이루어지도록 하며, 이때, f와 g는 연산의 대상이 되는 이미지이고, M은 각 이미지의 평균값을 의미한다.
[수학식 1]
Figure 112018038760366-pat00001
상기 업스케일모듈(123b)은 로드된 이미지를 확대하는 구성으로, 각 픽셀의 분해능을 높여 재구성 이미지 판별의 정확성을 높일 수 있도록 한다. 예를 들어, 상기 업스케일모듈(123b)은 scipy 라이브러리에서 지원하는 zoom 함수를 사용하도록 할 수 있다.
상기 홀로그램이미지생성모듈(123c)은 확대된 이미지를 이용하여 홀로그램이미지를 생성하는 구성으로, 아래 [수학식 2]와 같은 Fresnel 식을 이용하도록 한다. 이때, numpy의 meshgrid 함수를 이용하여 기준이 되는 ξ,η 이미지를 생성한 후 [수학식 2]를 이용하여 광원의 파장에 따른 회절 패턴을 계산하도록 한다. 이때, 각 픽셀(x,y)에 대한 종속성이 없기 때문에 각 연산을 병렬처리하여 빠른 연산이 가능하도록 한다. 도 7은 상기 이미지재구성부(123)의 처리 기반에 따른 홀로그램 이미지 생성속도를 비교한 것으로, GPU에 의한 병렬 처리를 수행할 경우 CPU에 비해 월등이 빠른 처리 속도를 가지는 것을 알 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018038760366-pat00002
상기 홀로그램이미지생성모듈(123c)에 의해 실행되는 CUDA Kernel의 일 예는 도 8에 도시된 바와 같으며, 이때, E, N은 meshgrid 함수를 통해 생성된 이미지, kGbp, kGfp는 커널 함수의 수행 결과로 생성되는 홀로그램 이미지, k는 wavevector, z는 디지털이미지센서(122c)와 광원조사모듈(122a) 사이의 거리이며, lamb은 광원의 파장을 나타낸다.
상기 위상복원모듈(123d)은 생성된 홀로그램이미지를 이용하여 위상이 복원된 이미지를 재구성하는 구성으로, 반복 재구성 기법을 이용하도록 한다. 반복 재구성 기법이란 주어진 신호 F(k)와 신호의 진폭인 │F(k)│를 이용하여 주어진 신호의 위상인 ψ(k)를 찾아내는 것으로 아래 [수학식 3]을 이용하여 위상을 조금씩 복구해 나가면서 제약조건을 적용하고 이의 반복을 통해 식별 가능한 수준의 이미지를 재구성하도록 하는 것이다. 여기서 x는 N 차원으로 구성된 공간의 좌표이고, k는 N차원으로 구성된 공간의 주파수 좌표를 말하며, [수학식 3]은 f(x)를 기반으로 한 푸리에 변환이다.
[수학식 3]
Figure 112018038760366-pat00003
이를 위해, 상기 위상복원모듈(123d)은 ⅰ) 객체의 추정값을 푸리에 변환(FFT)하고, ⅱ) 푸리에 변환의 모듈러스인 │F(k)│로 대체되는 F(k)를 이용하여 추정값을 산정하며, ⅲ) 이를 시간에 대한 공간으로 변환하기 위해 산정된 추정값을 역푸리에 변환(IFFT)한다. ⅳ) 그리고 계산된 이미지의 모듈러스를 측정된 결과로 대체하여 다시 반복하도록 하는데, 이러한 과정은 2000번 이상의 반복 과정을 거쳐야 만족할만한 결과를 얻을 수 있어 처리 시간이 매우 오래 걸리는 문제가 있다. 따라서, 상기 위상복원모듈(123d)은 ⅳ) 과정에서 상기 객체영역추출모듈(123e)을 통해 객체 영역을 추출하고 제약조건설정모듈(123f)을 통해 객체 영역이 아닌 부분을 0(노이즈)으로 강제 설정하여 ⅰ)~ⅲ) 과정을 반복하도록 함으로써 노이즈 영역을 빠르게 제거하고 반복 횟수를 줄일 수 있도록 한다.
상기 객체영역추출모듈(123e)은 상기 위상복원모듈(123d)을 실행하는 과정에서 객체 영역을 추출하는 구성으로, 상기 위상복원모듈(123d)의 첫번째 반복 과정에서 실행되도록 한다. 상기 객체영역추출모듈(123e)은 전처리를 통해 임의의 복소장을 재구성하고, 분산을 통해 객체 영역을 추출하여 추출된 객체 영역을 기반으로 제약조건이 설정될 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 객체영역추출모듈(123e)은 전처리모듈(123e-1)과 분산모듈(123e-2)을 포함할 수 있다.
상기 전처리모듈(123e-1)은 객체 영역의 추출을 위해 입력되는 이미지를 전처리하는 구성으로, 기존 표준편차를 이용하는 방법의 확장인 DFF(Depth-from-focus) 방법을 이용하여 임의의 거리 z에 있는 복소장 Uz(x,y,z)을 재구성하도록 한다. 상기 전처리모듈(123e-1)은 아래 [수학식 4]를 기반으로 실행되며, 해당 식을 병렬화하여 효율적으로 처리하기 위해 [수학식 5]로 재정의 하였다.
[수학식 4]
Figure 112018038760366-pat00004
[수학식 5]
Figure 112018038760366-pat00005
이때, H0(x,y)는 반전된 입력 이미지를 뜻하며, 상수인 (-i/λz)와 exp(i*2π*z/λ)는 별도로 계산하여 A,B로 치환하여 수식을 병렬처리 하도록 한다. 상기 전처리모듈(123e-1)에 의해 실행되는 CUDA Kernel의 일예는 도 9와 같다.
상기 분산모듈(123e-2)은 상기 전처리된 이미지를 이용하여 객체 영역을 추출하는 구성으로, 아래 [수학식 6]을 기반으로 실행된다. 여기서 Iz(x,y)는 │Uz(x,y)│2 로 나타낼 수 있으며, 계산결과인 Vz(x,y)를 통해 객체 영역을 추출하게 된다.
[수학식 6]
Figure 112018038760366-pat00006
상기 전처리모듈(123e-1) 및 분산모듈(123e-2)에 의해 객체 영역이 추출되는 과정의 일 예는 도 11을 통해 확인할 수 있으며, 도 11(a)는 회절이미지를 나타내고, 도 11(b)는 전처리모듈(123e-1)에 의해 재구성된 복소장에 의한 이미지를 나타내고, 도 11(c)는 분산모듈(123e-2)에 의해 추출된 객체 영역 이미지를 나타낸다.
상기 제약조건설정모듈(123f)은 상기 객체영역추출모듈(123e)에 의해 추출된 객체 영역에 따라 제약 조건을 설정하도록 하는 구성으로, 마스킹모듈(123f-1)과, 마스킹영역확장모듈(123f-2)을 포함할 수 있다.
상기 마스킹모듈(123f-1)은 추출된 객체 영역 이미지에 대해 분산값을 계산하여 임계값보다 큰 경우에는 객체 영역 이미지의 해당 픽셀값을 1로 설정하고 임계값보다 낮은 경우에는 픽셀값을 0으로 설정하도록 하여 이후 반복과정에서 효율적으로 노이즈가 제거되고 반복 횟수를 줄일 수 있도록 한다.
상기 마스킹영역확장모듈(123f-2)은 상기 마스킹모듈(123f-1)에 의해 마스킹된 후 이미지의 비활성영역을 활성 영역으로 채워 영역 내부에 대해 마스킹이 이루어지도록 하여 활성 영역의 위상을 복구하는데 효율적으로 동작할 수 있도록 한다.
상기 마스킹모듈(123f-1) 및 마스킹영역확장모듈(123f-2)에 의한 결과는 도 12를 통해 확인할 수 있으며, 도 12(b)에 도시된 바와 같이 내부 영역이 활성 영역으로 채워진 것을 확인할 수 있다.
상기 이미지선명화모듈(123g)은 재구성된 이미지를 선명화하는 구성으로, 위상복원모듈(123d)을 마치고 재구성된 이미지는 이미지 레벨 분포가 일정하지 않으므로, 이미지선명화모듈(123g)을 통해 선명화 하도록 한다. 상기 이미지선명화모듈(123g)은 도 13에 도시된 바와 같이 반전모듈(123g-1), 블렌딩모듈(123g-2), 이미지저장모듈(123g-3)을 포함할 수 있다. 상기 반전모듈(123g-1)은 도출된 모듈러스 이미지를 5×5 샤프닝 커널을 통해 픽셀값을 높인후 이미지를 반전시키도록 하며, 상기 블렌딩모듈(123g-2)을 통해 재구성 이미지와 블렌딩하고, 블렌딩된 이미지를 최종 이미지로 상기 이미지저장모듈(123g-3)을 통해 저장되도록 한다. 저장된 재구성 이미지는 상기 수질분석부(13)에 의해 수질을 분석하는 기준이 되며, 모니터링장치(7)로 전송되어 화면에 표시될 수 있도록 하고, 시간 및 위치 정보와 함께 저장되어 위치 및 시간에 따른 이미지정보를 표시할 수 있도록 한다.
상기 이미지재구성부(123)에 의해 재구성 이미지의 생성과정을 도 14를 참조하여 설명하면, 먼저 이미지로드단계(S1)에서 상기 이미지로드모듈(123a)에 의해 이미지를 불러오고, 업스케일단계(S2)에서 상기 업스케일모듈(123b)에 의해 이미지를 확대하며, 홀로그램이미지생성단계(S3)에서 상기 홀로그램이미지생성모듈(123c)에 의해 홀로그램이미지를 생성한다. 그리고 위상복원단계(S4)에서 위상복원모듈(123d)에 의해 FFT-IFFT 과정을 반복하며 위상 정보를 복원하게 되고, 이 과정에서 먼저 상기 객체영역추출모듈(123e)에 의해 객체 영역을 추출하는 객체영역추출단계(S41)를 거치고, 추출된 객체영역에 따라 제약 조건을 설정하는 제약조건설정단계(S42)를 거치며, 설정된 제약조건에 따라 FFT-IFFT 과정이 설정된 횟수만큼 반복하여 위상 정보가 복원된 재구성 이미지를 획득할 수 있도록 한다. 그리고 재구성된 이미지는 반전모듈(123g-1), 블렌딩모듈(123g-2), 이미지저장모듈(123g-3)에 의해 반전단계(S51), 블렌딩단계(S52), 이미지저장단계(S53)를 거치며 이미지선명화단계(S5)를 수행하여 최종 이미지가 저장되도록 한다.
도 15는 상기 이미지재구성부(123)에 의해 최종 생성된 이미지와 광학 현미경에 의해 촬영된 이미지를 나타내는 것으로, EpCAM(Epithelial Cell Adhesion Molecule,상피세포부착분자)를 촬영한 것이며, 도 15(a)는 광학현미경에 의해 촬영된 이미지, 도 15(b)는 회절이미지, 도 15(c)는 위상복원모듈(123d)을 종료한 상태에서의 이미지를 반전시킨 이미지, 도 15(d)는 이미지선명화모듈()을 거친 최종 재구성 이미지를 나타내는 것으로, 최종 재구성된 이미지는 광학현미경에 의해 촬영되는 이미지에 근접한 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지재구성부(123)에 의한 재구성 미지의 생성과정을 도시한 것으로, 이미지 재구성의 처리 시간을 단축하기 위해 이미지를 확대하는 업스케일단계(S2)를 생략하도록 하고, 객체영역추출단계(S41) 없이 제약조건설정단계(S42)에서 전체 이미지를 1로 설정하는 제약 조건을 통해 위상복원단계(S4)을 수행하도록 한다. 이러한 경우 피사체의 원본에 가까운 영상을 획득할 수 있으나, 회절된 홀로그램의 테두리가 남는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도 17에 도시된 바와 같이 테두리제거모듈(123h)을 포함하여 홀로그램테두리를 제거할 수 있도록 하며, 테두리제거모듈(123h)은 모듈러스 이미지를 생성하는 모듈러스이미지생성모듈(123h-1)과, 생성된 모듈러스 이미지를 오버레이하여 테두리를 제거하는 오버레이모듈(123h-2)을 포함하도록 할 수 있다. 이러한, 테두리 제거 과정은 3분 이내에 수행될 수 있어 이동식 환경정보수집장치(1)에 매우 적합하다고 할 수 있다. 상기 테두리제거모듈(123h)에 의해 테두리제거과정을 도 18을 참조하여 설명하면, 도 18(a)는 회절이미지, 도 18(b)는 재구성 이미지, 도 18(c)는 모듈러스 이미지, 도 18(d)는 테두리가 제거된 최종이미지를 나타내며, 도 18(b)에서 보이는 홀로그램 테두리가 도 18(d)와 같이 제거된 모습을 볼 수 있다. 이를 통해, 본 실시예에 따른 이미지재구성부(123)를 통해서도 가시성 있는 이미지를 획득할 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 도 19에 도시된 바와 같이 GTX 1060을 기반으로 한 고가의 GPU서버를 사용하지 않고, Jetson2 TX2 보드를 이미지재구성부(123)의 기반 처리장치로 사용하는 경우에도 3분 이내의 이미지 재구성 시간을 기록하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 실시예에 따른 이미지재구성부(123)는 업스케일모듈(123b)과 객체영역추출모듈(123e)을 포함하지 않도록 하여 처리 속도를 더욱 빠르게 하고, 테두리제거모듈(123h)을 통해 재구성 이미지의 품질을 향상시킴으로써, 더욱 저렴한 비용으로 가시성 있는 재구성 이미지를 획득하도록 할 수도 있다.
상기 냉각부(124)는 상기 이미지재구성부(123)를 냉각시키는 구성으로, 도 5에 도시된 바와 같이 이미지재구성부(123)의 하측으로 물이 유입되어 통과되도록 함으로써, 발열되는 이미지재구성부(123)의 온도를 낮출 수 있도록 하고, 이를 통해 이미지재구성부(123)의 성능을 유지할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 냉각부(124)는 물이 유입되도록 하는 유체관통로(124a)와 유체관통로(124a)로 물이 유입되도록 하는 흡입팬(124b)을 포함할 수 있으며, 흡입팬(124b)의 작동을 통해 유체관통로(124a)에 유입되는 물의 순환이 이루어지도록 함으로써 이미지재구성부(123)를 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 한다.
상기 수질분석부(13)는 상기 수질정보측정부(11)에 의해 측정되는 수질정보와 상기 수질이미지정보수집부(12)에 의해 수집되는 이미지정보를 분석하여 수질 상태를 판단하는 구성으로, 수질정보를 설정된 기준에 따라 분석하고, 이미지정보를 이미지분석기술을 활용하여 분석하도록 함으로써 정확한 수질 상태를 파악할 수 있도록 한다. 상기 수질분석부(13)에 의해 분석되는 정보는 상기 모니터링장치(7)로 전송되어 표시되도록 할 수 있으며, 또는 환경정보수집장치(1) 자체에 표시되도록 구성할 수도 있다.
상기 자동제어부(14)는 상기 환경정보수집장치(1)의 작동이 자동으로 조절되도록 하는 구성으로, 설정된 경로에 따라 환경정보수집장치(1)를 이동시키며 수질 정보를 측정하고 이미지정보를 수집하도록 할 수 있으며, 수집된 정보를 분석하여 모니터링장치(7)로 전송할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 자동제어부(14)는 측정이 필요한 곳마다 장비를 설치하거나 일일이 환경정보수집장치(1)를 작동시킬 필요없이 자동으로 수질정보의 수집과 분석이 가능하도록 하여 신속하고 용이한 수질 상태의 모니터링이 가능하도록 한다. 상기 자동제어부(14)는 도 20에 도시된 바와 같이 경로설정모듈(141), 수집지점저장모듈(142), 수질측정모듈(143), 이미지정보생성모듈(144), 수질분석모듈(145), 종합정보저장모듈(146), 종합정보송신모듈(147)을 포함할 수 있다.
상기 경로설정모듈(141)은 상기 환경정보수집장치(1)가 이동하는 경로를 설정하는 구성으로, 상기 환경정보수집장치(1)에는 GPS부(16)가 형성되어 위치정보를 생성할 수 있으므로, 설정된 경로에 따라 이동이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 수집지점저장모듈(142)은 설정된 경로에서 정보의 수집이 필요한 지점을 설정하는 구성으로, 상기 수질정보측정부(11)와 수질이미지정보수집부(12)의 작동이 필요한 지점을 각각 설정하도록 할 수 있다.
상기 수질측정모듈(143)은 설정된 지점에서 수질정보를 측정하는 구성으로, 상기 수질정보측정부(11)에 의해 온도, 용존산소 등의 정보가 측정되도록 하며, 측정정보는 수질분석부(13)에 의해 수질의 분석이 이루어지고, 상기 종합정보저장모듈(146)로 전달되어 측정되는 위치, 시간 등의 정보와 함께 저장될 수 있도록 한다.
상기 이미지정보생성모듈(144)은 설정된 지점에서 수질이미지정보수집부(12)에 의해 이미지를 획득하도록 하는 구성으로, 상기 개폐부재(121b)를 개방하여 외함부재(121a) 내에 설정된 지점의 물이 유입되도록 하고, 유입된 물의 회절이미지를 통해 물속에 포함된 물질의 이미지가 재구성되어 획득될 수 있도록 한다. 상기 이미지정보생성모듈(144)에 의해 획득된 이미지 역시 수질분석부(13)에 전달되어 수질의 분석이 이루어지도록 하며, 상기 종합정보저장모듈(146)로 전달되어 측정되는 위치, 시간 등의 정보와 함께 저장될 수 있도록 한다.
상기 수질분석모듈(145)은 상기 수질분석부(13)가 실행되도록 하는 구성으로, 상기 수질측정모듈(143), 이미지정보생성모듈(144)에 의해 수질정보와 이미지정보가 획득되면 이를 수질분석부(13)로 보내어 수질의 분석이 이루어지도록 한다.
상기 종합정보저장모듈(146)은 측정된 수질정보, 이미지정보, 분석정보를 측정된 위치, 시간 정보와 함께 저장하도록 하는 구성으로, 저장된 정보는 모니터링장치(7)로 전송되어 표시될 수 있도록 한다.
상기 종합정보송신모듈(147)은 종합정보저장모듈(146)에 의해 저장된 정보를 모니터링장치(7)로 전송하는 구성으로, 상기 무선통신부(17)를 통해 무선으로 전송할 수 있도록 한다.
상기 동작조절부(15)는 상기 환경정보수집장치(1)의 작동을 수동으로 조절할 수 있도록 하는 구성으로, 별도의 조작장치(R)를 통해 조작이 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상기 동작조절부(15)는 수질정보의 측정이 필요한 지역에서 환경정보수집장치(1)를 이동시키며 정보를 수집하고, 환경정보수집장치(1)를 통해 직접 결과를 확인하거나 모니터링장치(7)로 전송하여 결과를 표시하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 동작조절부(15)는 도 21에 도시된 바와 같이 이동제어모듈(151), 수질정보측정모듈(152), 이미지정보수집모듈(153), 분석수행모듈(154), 정보전송모듈(155)을 포함할 수 있다.
상기 이동제어모듈(151)은 환경정보수집장치(1)의 이동을 제어하는 구성으로, 방향을 지정하는 키 등으로 형성되어, 키의 조작을 통해 환경정보수집장치(1)가 이동하도록 할 수 있다.
상기 수질정보측정모듈(152)는 각각 수질정보측정부(11)에 의한 수질의 측정이 이루어지도록 하는 구성으로, 별도의 버튼을 형성하여 누름에 따라 수질의 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 이미지정보수집모듈(153)은 상기 수질이미지정보수집부(12)에 의해 근접이미지를 수집하도록 하는 구성으로, 개폐부재(121b)를 개방시켜 외함부재(121a) 내로 물이 유입되도록 한후 개폐부재(121b)를 폐쇄하며, 광원의 조사를 통해 회절이미지를 측정하여 이를 통해 재구성 이미지를 획득할 수 있도록 한다.
상기 분석수행모듈(154)은 측정된 수질정보와 획득된 이미지정보를 토대로 수질 분석을 수행하도록 하는 구성으로, 상기 수질분석부(13)가 실행되도록 하며, 역시 별도의 버튼을 누름에 따라 실행되도록 구성할 수 있다.
상기 정보전송모듈(155)은 수집 및 분석된 정보를 모니터링장치(7)로 전송하도록 하는 구성으로, 무선통신부(17)를 통해 자동으로 전송이 이루어지도록 하거나 별도의 버튼을 통해 전송이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 GPS부(16)는 환경정보수집장치(1)에 형성되어 위치정보를 생성하는 구성으로, 상기 경로설정모듈(141)에 의해 설정된 경로에 따라 이동할 수 있도록 한다.
상기 무선통신부(17)는 상기 모니터링장치(7)와 무선 통신을 실시하는 구성으로, LTE 모듈 등을 포함하는 다양한 무선통신모듈로 형성될 수 있다.
상기 전력공급부(18)는 환경정보수집장치(1)에 전력을 공급하는 구성으로, 다양한 형태의 배터리로 형성될 수 있으며, 충전이 가능하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 영상촬영장치(3)는 특정 지역에 설치되어 영상을 촬영하는 구성으로, 다양한 형태의 CCTV 카메라로 형성될 수 있으며, 촬영된 영상은 모니터링장치(7)로 전송되어 표시되도록 한다. 상기 영상촬영장치(3)에 의해 촬영된 영상은 수질 오염이 가능한 지역을 외관으로 확인하여 오염 상태를 확인할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 영상에는 수질의 오염 상태가 맵핑되어 표시되도록 함으로써 수질의 오염 상태를 직관적으로 확인하도록 할 수도 있다.
상기 웹정보수집장치(5)는 환경과 관련된 정보를 웹상에서 수집하도록 하는 구성으로, 기상청 등으로부터 수집되는 기상정보 등 다양한 정보를 측정되는 정보, 영상 정보와 매칭하여 빅데이터를 형성하도록 하고, 상호관계 등을 분석하여 고품질의 정보를 제공할 수 있도록 한다.
상기 모니터링장치(7)는 상기 환경정보수집장치(1), 영상촬영장치(3), 웹정보수집장치(5)로부터 환경 관련 정보를 수집하여 표시하고, 빅데이터를 형성하여 분석할 수 있도록 하는 구성으로, 도 22에 도시된 바와 같이 정보수신부(71), 정보표시부(72), 정보확인부(73), 빅데이터분석부(74)를 포함할 수 있다.
상기 정보수신부(71)는 환경정보수집장치(1), 영상촬영장치(3), 웹정보수집장치(5)로부터 정보를 수신하여 저장하는 구성으로, 유무선의 통신을 통해 수질측정정보, 수질이미지정보, 영상정보, 웹데이터 등을 수신하여 저장하도록 한다.
상기 정보표시부(72)는 수신된 정보를 별도의 화면에 표시하는 구성으로, 지도 상에 표시되도록 하여 각 지점별로 수신된 정보를 확인할 수 있도록 하며, 해당 지역의 영상과 함께 표시되도록 하여 객관적 수치뿐만 아니라 직관적 영상을 통해서도 오염 상태를 확인할 수 있도록 한다. 또한, 상기 정보표시부(72)는 물속의 근접이이미정보를 표시하도록 하여, 물속의 상태까지 눈으로 확인하도록 할 수 있으며, 이를 통해 더욱 정확한 수질 상태의 파악이 가능하게 된다. 그리고 상기 정보표시부(72)는 분석된 오염정보를 영상에 맵핑하여 색상 등으로 표시가 이루어지도록 함으로써, 오염 상태를 쉽게 파악하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 정보표시부(72)는 도 23에 도시된 바와 같이 지도표시모듈(721), 영상정보표시모듈(722), 측정정보표시모듈(723), 이미지정보표시모듈(724), 분석정보표시모듈(725), 분석정보맵핑모듈(726)을 포함할 수 있다.
상기 지도표시모듈(721)은 화면에 지도정보를 표시하는 구성으로, 지도에는 측정정보 등의 저장된 지점과, 각 지점의 저장된 정보에 대한 목록 등이 표시되도록 할 수 있다.
상기 영상정보표시모듈(722)은 상기 영상촬영장치(3)에 의해 촬영된 영상이 표시되는 구성으로, 지도에서 특정 지점에 선택되는 경우 해당 지점에서 촬영된 정보가 표시되도록 할 수 있다.
상기 측정정보표시모듈(723)은 환경정보수집장치(1)의 수질정보측정부(11)에 의해 측정된 수질정보가 표시되도록 하는 구성으로, 영상과 같이 특정 지점을 선택하는 경우 화면의 일측에 수질정보가 표시되도록 할 수 있다.
상기 이미지정보표시모듈(724)은 수질이미지정보수집부(12)에 의해 획득되는 이미지정보를 화면에 표시하는 구성으로, 역시 특정 지점이 선택되는 경우 해당 지점에서 획득된 이미지가 표시되도록 할 수 있다. 따라서, 사용자는 복수의 지점에 대한 근접이미지를 신속하게 확인하여 수질 상태를 더욱 정확하게 파악하도록 할 수 있다.
상기 분석정보표시모듈(725)은 상기 수질분석부(13)에 의해 분석된 정보가 화면에 표시되도록 하는 구성으로, 선택되는 지점에 대한 오염 상태가 표시되도록 할 수 있다.
상기 분석정보맵핑모듈(726)은 분석된 오염 정보를 영상에 맵핑시켜 표시되도록 하는 구성으로, 도 24에 도시된 바와 같이 상기 영상정보표시모듈(722)에 의해 표시되는 영상에 오염 정도에 따른 색상(C)을 입혀 표시될 수 있도록 한다. 따라서, 특정 지역의 수질 상태를 직관적으로 파악할 수 있어 모니터링장치(7)를 통해 다수의 지역을 감시하는 경우 신속하게 오염 상태를 파악하고 이에 대한 대처가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 정보확인부(73)는 상기 환경정보수집장치(1)로부터 수신되는 정보가 정확하게 수집되었는지 확인하는 구성으로, 설정된 경로 및 분석지점에 따라 환경정보수집장치(1)가 이동하며 정보를 수집하였는지 확인하도록 하고, 누락된 지점에 대해서는 자동으로 재측정이 이루어질 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 정보확인부(73)는 도 25에 도시된 바와 같이 경로확인모듈(731), 분석지점확인모듈(732), 재측정모듈(733)을 포함할 수 있다.
상기 경로확인모듈(731)은 환경정보수집장치(1)가 경로설정모듈(141)에 의해 설정된 경로에 따라 이동하였는지 여부를 확인하는 구성으로, 환경정보수집장치(1)의 이동 경로에 따른 GPS 정보를 비교하여 일치 여부를 확인하도록 한다. 따라서, 상기 경로확인모듈(731)은 환경정보수집장치(1)의 정상 이동 여부를 확인하여 고장을 미리 진단하고 이에 대한 대처가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 분석지점확인모듈(732)은 상기 수질정보측정부(11)에 의해 측정되고 수질이미지정보수집부(12)에 의해 수집된 정보의 위치 및 시간 정보를 확인하여 상기 수집지점저장모듈(142)에 의해 저장된 지점에서 측정 및 수집이 이루어졌는지 확인할 수 있도록 한다.
상기 재측정모듈(733)은 저장된 지점에서 수질정보의 측정 또는 이미지의 수집이 이루어지지 않은 경우 자동으로 해당 위치로 이동하여 재측정 또는 수집하도록 환경정보수집장치(1)를 제어하도록 한다.
상기 빅데이터분석부(74)는 환경정보수집장치(1)를 통해 수집된 정보, 영상촬영장치(3)를 통해 촬영된 정보, 웹정보수집장치(5)를 통해 수집된 정보를 이용하여 빅데이터를 형성하고, 이에 대한 분석이 이루어지도록 하는 구성으로, 정보들간의 상관관계를 분석하여 고품질의 환경정보가 생성될 수 있도록 한다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 환경정보수집장치 11: 수질정보측정부 12: 수질이미지정보수집부
121: 조사객체유입부 121a: 외함부재 121b: 개폐부재
121c: 순환수단 122: 회절이미지생성부 122a: 광원조사모듈
122b: 핀홀 122c: 디지털이미지센서 123: 이미지재구성부
123a: 이미지로드모듈 123b: 업스케일모듈
123c: 홀로그램이미지생성모듈 123d: 위상복원모듈
123e: 객체영역추출모듈 123f: 제약조건설정모듈
123g: 이미지선명화모듈 123h: 테두리제거모듈 124: 냉각부
124a: 유체관통로 124b: 흡입팬 13: 수질분석부
14: 자동제어부 141: 경로설정모듈 142: 수집지점저장모듈
143: 수질측정모듈 144: 이미지정보생성모듈 145: 수집분석모듈
146: 종합정보저장모듈 147: 종합정보송신모듈 15: 동작조절부
151: 이동제어모듈 152: 수질정보측정모듈 153: 이미지정보수집모듈
154: 분석수행모듈 155: 정보전송모듈 16: GPS부
17: 무선통신부 18: 전력공급부
3: 영상촬영장치 5: 웹정보수집장치
7: 모니터링장치 71: 정보수신부 72: 정보표시부
721: 지도표시모듈 722: 영상정보표시모듈 723: 측정정보표시모듈
724: 이미지정보표시모듈 725: 분석정보표시모듈 73: 정보확인부
731: 경로확인모듈 732: 분석지점확인모듈 733: 재측정모듈
74: 빅데이터분석부

Claims (13)

  1. 수질 환경정보를 측정하여 수집하는 환경정보수집장치와; 특정 지역의 영상을 촬영하여 수집하는 영상촬영장치와; 수질 환경에 관한 정보를 웹상에서 수집하는 웹정보수집장치와; 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치에서 수집되는 정보를 통합하여 수질환경에 관한 정보를 분석하고 표시하는 모니터링장치;를 포함하고,
    상기 환경정보수집장치는 보트형으로 형성되어 물 위를 따라 이동하며 수질환경정보를 수집하며,
    상기 환경정보수집장치는 수질정보를 측정하는 수질정보측정부와, 디지털이미지센서를 이용하여 물속의 근접 이미지를 수집하는 수질이미지정보수집부와, 위치정보를 생성하는 GPS부와, 자동으로 환경정보수집장치의 작동을 조절하는 자동제어부를 포함하고,
    상기 수질이미지정보수집부는 물이 내부로 유입되도록 하는 조사객체유입부와, 유입된 물에 광원을 조사하여 디지털이미지센서를 통해 회절이미지를 생성하는 회절이미지생성부와, 회절이미지를 재구성하여 위상 정보가 회복된 이미지 정보를 생성하는 이미지재구성부와, 상기 이미지재구성부를 냉각시키는 냉각부를 포함하며,
    상기 회절이미지생성부는 상측에서 광원을 조사하는 광원조사모듈과, 광원조사모듈에 의해 조사된 빛이 통과하는 핀홀과, 회절된 빛을 수신하여 이미지 정보를 생성하는 디지털이미지센서를 포함하고,
    상기 조사객체유입부는,
    물이 유입되는 밀폐된 공간을 형성하며, 수질이미지정보수집장치의 각 구성이 형성되는 외함부재와; 상기 외함부재의 상단을 따라 슬라이드 되어 외함부재를 개폐하며, 외함부재 내를 외부광이 차단되는 밀폐 상태가 되도록 하고, 그 하측으로 광원조사모듈이 형성되는 개폐부재와; 상기 외함부재 내에 유입된 물을 순환시켜 배출시키는 순환수단;을 포함하고,
    상기 디지털이미지센서는 물이 수용되는 공간의 하측에 형성되도록 하고,
    상기 이미지재구성부는 상기 디지털이미지센서의 하측에 디지털이미지센서와 연결되도록 형성되며,
    상기 냉각부는,
    상기 이미지재구성부의 하측으로 인접하도록 형성되며, 외부의 물이 순환되는 통로를 형성하는 유체관통로와; 상기 유체관통로 내에 형성되어 물을 순환시키는 흡입팬;을 포함하고,
    상기 자동제어부는,
    환경정보수집장치의 경로를 설정하는 경로설정모듈과, 설정된 경로에서 환경정보를 수집할 지점을 설정하여 저장하는 수집지점저장모듈과, 저장된 지점에서 수질을 측정하는 수질측정모듈과, 상기 수질이미지정보수집부에 의한 이미지정보를 생성하는 이미지정보생성모듈과, 측정된 수질정보와 생성된 이미지정보를 기반으로 수질 상태를 분석하는 수질분석모듈과, 수질정보, 이미지정보, 분석정보, 위치정보, 시간정보를 저장하는 종합정보저장모듈과, 저장된 정보를 모니터링장치로 전송하는 종합정보송신모듈을 포함하며,
    상기 이미지정보생성모듈은,
    환경정보를 수집하는 것으로 설정된 지점에서 개폐부재를 개방하여 외함부재 내에 설정된 지점의 물이 유입되도록 한 후 개폐부재를 폐쇄하고, 유입된 물의 회절이미지를 생성하여 물속에 포함된 물질의 이미지가 재구성되어 획득될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지재구성부는
    물이 유입되기 전 디지털이미지센서에 의해 생성되는 배경이미지를 물의 유입후 생성되는 회절이미지로 나눠 정규화하는 이미지로드모듈과, 정규화된 이미지를 확대하는 업스케일모듈과, 확대된 이미지를 이용하여 홀로그램이미지를 생성하는 홀로그램이미지생성모듈과, 생성된 홀로그램이미지를 이용하여 위상 정보를 복구하여 재구성 이미지를 생성하는 위상복원모듈과, 재구성 이미지의 생성 과정에서 객체 영역을 추출하는 객체영역추출모듈과, 추출된 객체 영역에 따라 제약조건을 설정하는 제약조건설정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 객체영역추출모듈은
    홀로그램이미지를 이용하여 임의의 거리 z에 있는 복소장 Uz(x,y,z)을 재구성하는 전처리모듈과, 분산을 이용해 객체 영역 이미지를 추출하는 분산모듈을 포함하고,
    상기 제약조건설정모듈은 분산값을 계산하여 계산된 분산값이 정해진 임계값보다 큰 경우 객체 영역 추출 이미지의 해당 픽셀값을 1로 설정하고, 임계값보다 작은 경우 픽셀값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지재구성부는
    물이 유입되기 전 디지털이미지센서에 의해 생성되는 배경이미지를 물의 유입후 생성되는 회절이미지로 나눠 정규화하는 이미지로드모듈과; 정규화된 이미지를 이용하여 홀로그램이미지를 생성하는 홀로그램이미지생성모듈과; 생성된 홀로그램이미지를 이용하여 위상 정보를 복구하여 재구성 이미지를 생성하는 위상복원모듈과; 제약조건으로 이미지 전체를 1로 설정하는 제약조건설정모듈과, 홀로그램 테두리를 제거하는 테두리제거모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링장치는
    상기 환경정보수집장치, 영상촬영장치, 웹정보수집장치로부터 환경정보를 수신하는 정보수신부와; 수신된 정보를 화면에 표시하는 정보표시부;를 포함하고,
    상기 정보표시부는,
    특정 지역의 지도 정보를 표시하는 지도표시모듈과, 지도의 일정 지점을 선택하는 경우 해당 지점에 대해 영상촬영장치에 의해 촬영된 영상을 표시하는 영상표시모듈과, 해당 지점에 대해 수질정보측정부에 의해 측정된 수질정보를 표시하는 측정정보표시모듈과, 수질이미지정보수집부에 의해 수집된 이미지정보를 표시하는 이미지정보표시모듈과, 수질분석모듈에 의해 분석된 수질분석정보를 표시하는 분석정보표시모듈과, 수질분석정보에 따른 오염정도를 영상에 맵핑하여 표시하는 분석정보맵핑모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 모니터링장치는
    환경정보수집장치로부터 전송되는 정보를 확인하는 정보확인부를 포함하고,
    상기 정보확인부는,
    상기 환경정보수집장치가 정해진 경로를 이동했는지 확인하는 경로확인모듈과, 설정된 지점에서 수질을 측정하고 분석했는지 확인하는 분석지점확인모듈과, 측정이 이루어지지 않은 지점을 따라 이동하며 수질을 측정하고 이미지를 수집하도록 하는 재측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경정보 빅데이터 분석 시스템.
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