KR102123424B1 - Method and system for obtaining high-resolution observation images using micro vibration in geosynchronous satellite - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정지궤도 위성에서의 미소 진동을 이용한 고해상도 영상획득 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 저궤도 위성 영상의 고해상도 장점 및 정지궤도 위성 영상의 상시관측성 장점을 모두 확보할 수 있도록, 정지궤도 위성에서 미소 진동을 이용하여 중복 다중 영상을 획득하고, SR 기법을 이용하여 이를 처리함으로써 궁극적으로는 고해상도 영상을 획득할 수 있도록 하는, 정지궤도 위성에서의 미소 진동을 이용한 고해상도 영상획득 방법 및 장치를 제공함에 있다.The present invention relates to a method and apparatus for obtaining high resolution images using microscopic vibrations in geostationary orbit satellites. An object of the present invention is to obtain both the high-resolution advantages of low-orbit satellite images and the constant observation advantages of geostationary satellite images, by using micro-vibration in geostationary orbit satellites to obtain multiple images, and using SR techniques It is to provide a method and apparatus for obtaining a high-resolution image using microscopic vibration in a geostationary orbit satellite, which ultimately enables a high-resolution image to be obtained by processing.

Description

정지궤도 위성에서의 미소 진동을 이용한 고해상도 영상획득 방법 및 장치 {Method and system for obtaining high-resolution observation images using micro vibration in geosynchronous satellite}{Method and system for obtaining high-resolution observation images using micro vibration in geosynchronous satellite}

본 발명은 정지궤도에서 미소 진동을 이용하여 고해상도 영상을 획득하는 광학 위성 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 저궤도 위성에 비해 상대적으로 저해상도 영상을 획득하는 정지궤도 위성을 운용함에 있어서, 미소 진동을 이용하여 정지궤도 위성에서도 고해상도 영상을 획득할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical satellite device and method for obtaining a high resolution image using microscopic vibration in geostationary orbit. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for operating a geostationary satellite that acquires a low-resolution image relative to a low-orbit satellite, using a micro vibration to obtain a high-resolution image even in a geostationary satellite. .

현재 지구 주변에는 다양한 정보를 관측하기 위한 수많은 인공위성들이 존재하고 있다. 이러한 위성을 이용하여 위성 통신망을 통한 신호 송수신 등과 같은 작업을 수행할 수도 있고, 대기 관측을 통해 기상 데이터를 획득할 수 있고, 사람이 접근할 수 없는 지역을 위성으로 원격 관측하여 관심 지역의 객체에 대한 정보 획득하는등과 같은 작업을 수행할 수도 있다. 그 중에서도 특히 후자의 작업들은 상당 부분 시각적 정보에 의존하게 되며, 즉 위성에서 고해상도의 영상을 취득할수록 상술한 바와 같은 작업들의 결과물 품질이 향상되는 것은 자명하다. 따라서 위성 관측 성능에 있어서 해상도는 상당히 중요하게 고려되는 성능 평가 지표 중 하나이다.Currently, there are numerous satellites around the earth for observing various information. Using these satellites, you can perform tasks such as sending and receiving signals through a satellite communication network, acquire weather data through atmospheric observation, and remotely observe areas inaccessible to people to objects of interest. You can also perform tasks such as obtaining information about. In particular, it is obvious that the latter works rely heavily on visual information, that is, as a high resolution image is acquired from a satellite, the resultant quality of the above-described works is improved. Therefore, resolution is one of the most important performance evaluation indicators for satellite observation performance.

위성에서 제공할 수 있는 영상의 해상도는 위성 카메라의 성능과 더불어 위성의 고도에도 영향을 받는다. 위성은 크기, 사용 목적, 궤도, 고도 등에 따라 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 특히 위성의 궤도 및 고도는 서로 긴밀히 연관되어 있으며, 따라서 일반적으로 위성의 궤도는 고도에 따라 저궤도(300~1,500km), 중궤도(1,500~10,000km), 타원형 고궤도(10,000~40,000km), 정지궤도(약 36,000km) 등으로 분류된다. 이 중 저궤도 위성 및 정지궤도 위성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The resolution of an image that can be provided by a satellite is affected by the satellite camera's performance and the altitude of the satellite. Satellites can be classified in a variety of ways depending on size, purpose of use, orbit, altitude, etc. In particular, the satellite's orbit and altitude are closely related to each other, so in general, the satellite's orbit is low orbit (300~1,500km), medium orbit (1,500~10,000km), elliptical high orbit (10,000~40,000km), depending on the altitude. It is classified as a geostationary orbit (approximately 36,000 km). The low orbit satellite and the geostationary satellite will be described in more detail as follows.

저궤도 위성이란 상술한 바와 같이 위성 고도가 300~1,500km인 위성을 총칭하나, 현재 통상적으로는 저궤도 위성의 고도는 대략 600km 내외인 것이 널리 사용된다. 이러한 저궤도 위성은 위성 이동통신망 구축에 주로 이용되며, 중궤도, 고궤도, 정지궤도 등 다른 위성들에 비해 상대적으로 지표면에 가깝게 배치되기 때문에 고해상도 영상을 획득할 수 있어 시각적 정보 획득을 요하는 작업에도 우수하게 활용될 수 있다. 이러한 저궤도 위성은 대기권 내에 위치하면서 사용자의 필요나 목적에 따라 결정된 궤적 및 속도를 가지고 이동하면서 영상을 획득하게 되는데, 예를 들어 저궤도 위성의 이동 속도는 지구의 자전 속도보다 훨씬 빠른 7km/s 정도로 형성될 수 있다.As described above, the low-orbit satellite is a satellite having a satellite altitude of 300 to 1500 km, but currently, the altitude of the low-orbit satellite is widely used within about 600 km. These low-orbit satellites are mainly used for the construction of a satellite mobile communication network, and because they are arranged closer to the ground surface than other satellites such as mid-orbit, high-orbit, and geostationary, they can acquire high-resolution images. It can be used excellently. These low-orbit satellites are located in the atmosphere and acquire images while moving with the trajectory and speed determined according to the user's needs or purposes. For example, the speed of the low-orbit satellites is about 7 km/s, which is much faster than the Earth's rotational speed. Can be.

정지궤도 위성이란 지구의 자전 속도와 동일하게 움직임으로써 지구상에서는 상대적으로 항상 정지해 있는 것으로 관측되는 위성을 칭하는 것으로, 이러한 정지궤도 위성은 위성 고도가 36,000km에 이른다. 정지궤도 위성 역시 통신위성으로서 매우 유용하게 활용되고 있는 한편, 지구상의 어느 한 지점을 상시관측할 수 있다는 점에서 저궤도 위성과 마찬가지로 시각적 정보 획득 작업에도 활용될 수 있다.Geostationary satellites refer to satellites that are observed to be relatively stationary on Earth by moving at the same speed as the Earth's rotational speed. These geostationary satellites have a satellite altitude of 36,000 km. Geostationary satellites are also very useful as communication satellites, but they can also be used to acquire visual information, like low-orbit satellites, because they can observe any point on the earth at all times.

저궤도 위성의 경우 상술한 바와 같이 위성 고도가 600km 내외이며, 정지궤도 위성의 경우 역시 상술한 바와 같이 위성 고도가 36,000km 정도이다. 따라서 구체적인 예를 들자면, 저궤도 위성에 장착되었을 때 1m 해상도의 영상을 획득할 수 있는 성능을 가지는 카메라를 정지궤도 위성에 장착시킨다면 60m 해상도의 영상을 획득할 수 있을 것이다. 마찬가지 원리로 다른 구체적인 예시로서, 저궤도에서 0.3m 해상도 성능인 카메라를 정지궤도에서 사용하면 18m 해상도 영상을 획득할 수 있다.In the case of low-orbit satellites, the satellite altitude is about 600 km as described above, and in the case of a geostationary satellite, the satellite altitude is about 36,000 km as described above. Therefore, as a specific example, if a camera having the capability to acquire an image of 1m resolution when mounted on a low-orbit satellite is mounted on a geostationary-satellite satellite, an image of 60m resolution will be obtained. As another specific example of the same principle, when a camera having a 0.3m resolution performance in a low orbit is used in a still orbit, an 18m resolution image can be obtained.

상술한 바와 같이 저궤도 위성은 정지궤도 위성과 비교하여 훨씬 고해상도의 영상을 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 지구의 자전 속도보다 빠른 속도로 이동하기 때문에 관심 지역을 볼 수 있는 시간이 짧다는 단점이 있다. 반면 정지궤도 위성은 저궤도 위성과 비교하여 관심 지역을 상시관측할 수 있다는 장점이 있으나, 고도가 지나치게 높아 영상 해상도를 높이는데 한계가 있다는 단점이 있다. 따라서 위성 영상의 활용도를 높이기 위해서는 저궤도 위성의 장점인 고해상도 및 정지궤도 위성의 장점인 상시관측성을 동시에 확보할 필요성이 있다.As described above, low-orbit satellites have the advantage of being able to provide a much higher resolution image compared to geostationary-satellite satellites, but have the disadvantage that the time to see the region of interest is short because it moves at a speed faster than the rotation speed of the earth. On the other hand, a geostationary orbit satellite has the advantage of being able to observe the region of interest at all times compared to a low orbit satellite, but it has the disadvantage that there is a limit to increase the image resolution because the altitude is too high. Therefore, in order to increase the utilization of satellite images, it is necessary to simultaneously secure high resolution, which is an advantage of low-orbit satellites, and always observation, which is an advantage of geostationary satellites.

한편, 최근에 IT 기술의 발전과 휴대폰 및 감시 카메라 사용이 일반화됨에 따라 영상 처리 기술이 급속도로 발전되고 있으며, 이러한 영상 처리 기술은 위성 영상을 분석하는 데에도 당연히 사용된다. 한 예시로, 한국특허등록 제1643886호("대용량 고해상도 위성영상 분석 장치 및 방법", 2016.07.25)에는 대용량의 고해상도 영상을 보다 효율적으로 분석하기 위한 기술이 개시된다.On the other hand, as the development of IT technology and the use of mobile phones and surveillance cameras have been generalized in recent years, image processing technology is rapidly developing, and of course, this image processing technology is also used to analyze satellite images. As an example, Korean Patent Registration No. 1643886 ("Large-capacity high-resolution satellite image analysis device and method", 2016.07.25) discloses a technique for analyzing a large-capacity high-resolution image more efficiently.

영상 처리 기술 중 하나인 초고해상도(SR, super resolution) 기법은 저해상도 영상으로부터 고해상도 영상을 획득하는 기술이다. 도 1은 SR 기법의 원리를 설명하기 위한 도면으로, SR 기법의 기본 원리는 정지되어 있는 물체를 카메라를 움직이면서 촬영하거나 고정된 카메라로 움직이는 물체를 촬영하여 동일한 관측대상에 대하여 여러 장의 영상을 획득하고 이를 처리하여 고해상도 영상을 획득하는 것이다. 좀더 구체적으로 설명하자면, 도 1(a)는 고정된 카메라로 움직이는 물체를 촬영하는 것을, 도 1(b)는 정지되어 있는 물체를 카메라를 움직이면서 촬영하는 것을, 도 1(c)는 비디오 카메라로 영상을 촬영하는 것을 각각 표시하고 있다. 관심 대상이 포함된 이미지들 중 하나를 기준 이미지(reference image)로 삼고(도 1의 예시에서는 도 1(a)로 촬영된 이미지를 기준 이미지로 잡음), 도 1(d)에 나타난 바와 같이 기준 이미지와 다른 이미지들과 비교하여, 서브픽셀 이동량(subpixel shift)을 측정하고, 이를 바탕으로 서로의 이미지들에서 모자란 부분들을 보완하여, 최종적으로 고해상도 이미지를 얻어낼 수 있게 되는 것이다. 이러한 SR 기법은 현재에도 상용화된 제품들에 적용되고 있는 기술인 바, 여기에서는 더 상세한 설명은 생략한다.One of image processing technologies, super resolution (SR), is a technique for obtaining high resolution images from low resolution images. 1 is a view for explaining the principle of the SR technique, the basic principle of the SR technique is to capture a stationary object while moving the camera or to shoot a moving object with a fixed camera to obtain multiple images of the same observation object, By processing this, a high-resolution image is obtained. More specifically, FIG. 1(a) shows a moving object with a fixed camera, FIG. 1(b) shows a still object while moving the camera, and FIG. 1(c) shows a video camera. Each image is displayed. One of the images containing the object of interest is taken as a reference image (in the example of FIG. 1, the image taken with FIG. 1(a) is a reference image), and the reference as shown in FIG. 1(d) Compared to images and other images, the subpixel shift is measured, and based on this, the missing parts of each other's images are compensated, and finally a high resolution image can be obtained. This SR technique is a technique that is currently applied to commercialized products, and thus a detailed description is omitted.

이러한 SR 기법을 적용하여, 앞서 설명한 바와 같이 저궤도 위성에서 얻어진 고해상도 영상 및 정지궤도 위성에서 얻어진 상시관측 영상을 조합함으로써, 궁극적으로 고해상도의 상시관측 영상을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 그러나 저궤도 위성 영상의 경우, 위성이 관측대상을 바라보는 시점에 따라 관측대상의 관측면이 달라지기 때문에 SR 기법을 적용하는데 제한이 있으며, 특히 관측대상이 입체물인 경우 물체를 보는 면이 달라짐에 따라 영상이 왜곡되는 문제가 발생한다. 이처럼 기존의 SR 기법을 단순히 적용하여서는 정확한 고해상도 영상을 얻을 수 없는 문제가 있었다.By applying this SR technique, as described above, it can be expected that a high-resolution always-observed image can be obtained by combining a high-resolution image obtained from a low-orbit satellite and a permanent observation image obtained from a geostationary-satellite satellite. However, in the case of a low-orbit satellite image, there is a limitation in applying the SR technique because the observation surface of the observation object varies depending on the viewpoint at which the satellite views the observation object. Especially, when the observation object is a stereoscopic object, the viewing surface of the object changes. The image is distorted. As described above, there is a problem in that accurate high-resolution images cannot be obtained simply by applying the existing SR technique.

1. 한국특허등록 제1643886호("대용량 고해상도 위성영상 분석 장치 및 방법", 2016.07.25)1. Korea Patent Registration No. 1643886 ("Large-capacity high-resolution satellite image analysis device and method", 2016.07.25)

1. "Spatial Resolution Improvement Using Over Sampling and High Agile Maneuver in Remote Sensing Satellite"(KSAS, 2007)1. "Spatial Resolution Improvement Using Over Sampling and High Agile Maneuver in Remote Sensing Satellite" (KSAS, 2007)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저궤도 위성 영상의 고해상도 장점 및 정지궤도 위성 영상의 상시관측성 장점을 모두 확보할 수 있도록, 정지궤도 위성에서 미소 진동을 이용하여 중복 다중 영상을 획득하고, SR 기법을 이용하여 이를 처리함으로써 궁극적으로는 고해상도 영상을 획득할 수 있도록 하는, 정지궤도 위성에서의 미소 진동을 이용한 고해상도 영상획득 방법 및 장치를 제공함에 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the problems of the prior art as described above, and the object of the present invention is to ensure that both the high-resolution advantages of low-orbit satellite images and the constant observation advantages of geostationary satellite images are stopped. A method and apparatus for acquiring high-resolution images using micro-vibration in geostationary-satellite satellites that acquire multiple multiple images by using micro-vibration in orbiting satellites and process them using SR techniques to ultimately obtain high-resolution images. In providing.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고해상도 영상획득 방법은, 정지궤도 위성에 구비된 영상촬영부의 시점이 기설정된 관심지역을 향하는 시점위치결정단계; 상기 정지궤도 위성에 구비된 진동인가부에 의하여 상기 정지궤도 위성에 진동이 인가된 직후 상기 영상촬영부에 의하여 상기 관심지역이 복수 회 중복촬영되는 진동인가촬영단계; 진동이 인가된 직후 촬영되어 획득된 상기 관심지역에 대한 복수 개의 다중 중복영상들이 취합 처리되어 고해상도 영상이 산출되는 고해상도산출단계; 를 포함할 수 있다.A high-resolution image acquisition method of the present invention for achieving the above object includes: a viewpoint positioning step in which a viewpoint of an image capturing unit provided in a geostationary satellite is directed to a predetermined region of interest; A vibration applying photographing step in which the region of interest is repeatedly photographed a plurality of times by the image capturing unit immediately after the vibration is applied to the geostationary satellite provided by the vibration applying unit provided in the geostationary orbit satellite; A high resolution calculation step in which a plurality of multiple overlapping images of the region of interest obtained by photographing immediately after vibration is applied are processed to produce a high resolution image; It may include.

이 때 상기 고해상도산출단계는, SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상이 산출되도록 이루어질 수 있다.In this case, the high resolution calculation step may be performed such that a high resolution image is calculated using a super resolution (SR) technique.

또한 상기 진동인가촬영단계는, 상기 영상촬영부가 복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 어레이센서 형태로 이루어지되, 상기 영상촬영부를 사용하여 단일 회 촬영 시에 상기 관심지역 전체 면적의 평면 영상이 단번에 획득되도록 이루어질 수 있다.In addition, the vibration applying photographing step is made of an array sensor shape in which the image photographing unit is formed in a plane shape in which a plurality of pixels form a column and a row. It can be made to obtain a flat image at a time.

또한 상기 진동인가촬영단계는, 상기 진동인가부가 상기 관심지역에서 카메라의 미소 움직임을 발생시켜, 카메라 시선벡터가 서브 픽셀 수준으로 이동하면서 복수 회 촬영이 수행될 수 있도록 한다. In addition, in the vibration applying photographing step, the vibration applying unit generates a microscopic movement of the camera in the region of interest, so that the camera gaze vector is moved to the sub-pixel level so that multiple photographing can be performed.

또한 상기 진동인가촬영단계는, 상기 진동인가부가 상기 관심지역의 가로 및 세로 각각의 방향으로 적어도 1회 이상씩 진동을 인가하도록 이루어질 수 있다.In addition, in the vibration applying photographing step, the vibration applying unit may be configured to apply vibration at least once in each of the horizontal and vertical directions of the region of interest.

또한 상기 고해상도 영상획득 방법은, 상기 고해상도산출단계 이후에, 기설정된 촬영시나리오에 따라 상기 관심지역이 변경되는 관심지역변경단계; 를 더 포함하며, 상기 관심지역변경단계 이후 상기 시점위치결정단계, 상기 진동인가촬영단계, 상기 고해상도산출단계가 순차적으로 수행되어 변경된 상기 관심지역에 대한 고해상도 영상이 산출될 수 있다.In addition, the high-resolution image acquisition method, after the high-resolution calculation step, a region of interest change step of changing the region of interest according to a predetermined shooting scenario; Further comprising, after the step of changing the region of interest, the viewpoint positioning step, the vibration applying photographing step, and the high-resolution calculation step may be sequentially performed to generate a high-resolution image of the changed region of interest.

또한 본 발명의 고해상도 영상획득 장치는, 상술한 바와 같은 고해상도 영상획득 방법을 이용하는 고해상도 영상획득 장치에 있어서, 정지궤도 위성; 상기 정지궤도 위성에 구비되어 관심지역을 촬영하는 영상촬영부; 상기 정지궤도 위성에 진동을 인가하는 진동인가부; 상기 영상촬영부에 의하여 촬영된 복수 개의 다중 중복영상을 취합 처리하는 영상분석부; 를 포함할 수 있다.In addition, the high-resolution image acquisition device of the present invention, a high-resolution image acquisition device using the high-resolution image acquisition method as described above, geostationary satellite; An image photographing unit provided on the geostationary satellite to photograph a region of interest; A vibration applying unit that applies vibration to the geostationary orbit satellite; An image analysis unit for collecting and processing a plurality of multiple overlapping images photographed by the image photographing unit; It may include.

이 때 상기 영상분석부는, SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상을 산출할 수 있다.In this case, the image analysis unit may calculate a high-resolution image using a super resolution (SR) technique.

또한 상기 영상촬영부는, 복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 어레이센서 형태로 이루어질 수 있다.In addition, the image capturing unit may be formed in the form of an array sensor in which a plurality of pixels are formed in a flat form in which columns and rows are formed.

또한 상기 진동인가부는, 정지궤도 위성에 토크를 가함으로써 진동을 인가할 수 있다.Also, the vibration applying unit may apply vibration by applying torque to a geostationary satellite.

본 발명에 의하면, 저궤도 위성 영상의 고해상도 장점 및 정지궤도 위성 영상의 상시관측성 장점을 모두 확보하는, 고해상도 영상을 얻을 수 있다는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 본 발명에 의하면 정지궤도 위성에서 미소 진동을 이용하여 다중 중복영상을 획득하고, 이 영상들을 SR 기법을 이용하여 처리함으로써 해상도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이 때 정지궤도 위성에서 획득되는 영상은 기본적으로 상시관측성을 가지기 때문에, 상술한 바와 같이 얻어진 고해상도 영상은 자연히 상시관측성까지 가지는, 즉 고해상도 영상이 되는 것이다.According to the present invention, there is a great effect that a high resolution image can be obtained, which secures both the high resolution advantage of the low-orbit satellite image and the constant observation advantage of the geostationary satellite image. In more detail, according to the present invention, it is possible to greatly improve resolution by acquiring multiple overlapping images using microscopic vibrations in a geostationary orbit satellite and processing these images using SR techniques. At this time, since an image obtained from a geostationary satellite basically has always observed, the high-resolution image obtained as described above naturally has always observed, that is, a high-resolution image.

이처럼 본 발명에 의하면, 정지궤도 위성을 가지고 고해상도 영상을 획득하는 효과가 있으며, 이에 따라 기존에 비해 위성 영상의 활용도를 훨씬 확장할 수 있다는 효과 또한 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, there is an effect of acquiring a high-resolution image with a geostationary satellite, and accordingly, an effect that the utilization of the satellite image can be greatly expanded compared to the conventional one can be obtained.

도 1은 SR 기법의 원리.
도 2는 저궤도 위성에서의 다중 촬영 예시.
도 3은 저궤도 위성에서 획득되는 영상 예시.
도 4는 정지궤도 위성에서 획득되는 영상 예시.
도 5는 정지궤도 위성에서 라인센서 사용 시 카메라 시선벡터 움직임 예시.
도 6은 정지궤도 위성이 관심지역으로 시선을 향한 상태도.
도 7은 정지궤도 위성에 미소 진동을 인가한 상태도.
도 8은 가로 및 세로 각각의 방향 진동 시 촬영영역 예시.
도 9는 가로 및 세로 각각의 방향 진동 시 획득된 촬영영상 예시.
도 10은 도 9의 촬영영상들의 중복영역 겹침 예시.
1 is a principle of the SR technique.
2 is an example of multiple imaging in a low-orbit satellite.
3 is an example of an image obtained from a low-orbit satellite.
4 is an example of an image obtained from a geostationary satellite.
5 is an example of camera line-of-sight movement when a line sensor is used in a geostationary satellite.
6 is a state diagram of the geostationary satellite toward the gaze of interest.
7 is a state diagram of the micro-vibration applied to the geostationary orbit satellite.
8 is an example of a photographing area when vibrating in the horizontal and vertical directions, respectively.
Figure 9 is an example of a captured image obtained when the vibration in each of the horizontal and vertical directions.
10 is an example of overlapping overlapping areas of the photographed images of FIG. 9.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 정지궤도 위성에서의 미소 진동을 이용한 고해상도 영상획득 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for obtaining a high resolution image using microscopic vibration in a geostationary satellite according to the present invention having the above-described configuration will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 고해상도 영상획득 방법 및 장치는, 기본적으로 정지궤도 위성에서 획득된 영상의 해상도를 향상시키기 위한 것으로, SR(Super Resolution) 기법을 사용한다. 따라서 본 발명을 이해하기 위해서는, 저궤도 위성 및 정지궤도 위성에서의 영상 획득 원리 및 여기에 SR 기법을 적용할 때의 문제를 미리 이해하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 먼저 저궤도 위성 및 정지궤도 위성에서의 영상 획득 원리 및 그에 따른 SR 기법 단순 적용 난해함 문제에 대하여 간략히 설명하고, 이후 본 발명의 고해상도 영상획득 방법 및 장치에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.The high-resolution image acquisition method and apparatus of the present invention is basically for improving the resolution of an image obtained from a geostationary satellite, and uses a super resolution (SR) technique. Therefore, in order to understand the present invention, it is desirable to understand in advance the principle of image acquisition in low orbit satellites and geostationary orbit satellites and problems when applying the SR technique thereto. Accordingly, first, the principle of image acquisition in low-orbit satellites and geostationary-satellite satellites and the simple application of difficulties in SR techniques accordingly, will be briefly described, and then the high-resolution image acquisition method and apparatus of the present invention will be described in detail.

저궤도 위성 및 정지궤도 위성에서의 영상 획득 원리 및 SR 기법 적용Image acquisition principle and SR technique applied to low orbit satellites and geostationary orbit satellites

먼저 저궤도 위성에서의 영상 획득 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the principle of image acquisition in a low orbit satellite will be described.

그 명칭으로부터도 알 수 있는 바와 같이 저궤도 위성은 다른 종류의 위성들에 비해 위성 고도가 낮으며, 따라서 단지 카메라의 성능을 높이는 것만으로도 충분히 고해상도의 영상을 획득할 수 있다. 다만 저궤도 위성은 지구 자전 속도보다 빠른 속도로 이동하기 때문에, 어느 동일 지점에 대해서 복수 개의 영상을 획득하기 위해서는 위성의 자세 변경이 필요하다. 이처럼 복수 개의 영상을 획득하고자 하는 지점을 관심지역(P)라 할 때 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 저궤도 위성은 위성 기동 성능을 이용하여 저궤도 위성이 관심지역(P) 위치에 도달하기 전 위치(도 2에서의 (a) 위치), 저궤도 위성이 관심지역(P) 위치에 도달한 위치(도 2에서의 (b) 위치), 저궤도 위성이 관심지역(P) 위치를 지난 후 위치(도 2에서의 (c) 위치)에서 관심 지역을 촬영할 수 있다. 이 때 도 2에 도시된 바와 같이, (a) 위치에서는 저궤도 위성의 자세가 위성 진행 방향 쪽으로 기울어짐으로써, (b) 위치에서는 저궤도 위성이 정확히 지면을 향함으로써, (c) 위치에서는 저궤도 위성의 자세가 위성 진행 반대 방향 쪽으로 기울어짐으로써, 각각의 위치에서 카메라 시점이 관심지역(P)을 향할 수 있게 된다.As can be seen from its name, low-orbit satellites have lower satellite altitudes than other types of satellites, so it is possible to obtain sufficiently high-resolution images simply by increasing the camera's performance. However, since the low-orbit satellite moves at a speed faster than the rotation speed of the Earth, it is necessary to change the attitude of the satellite in order to acquire a plurality of images at the same point. As described in detail with reference to FIG. 2 when a point where a plurality of images are to be obtained is referred to as a region of interest P as follows. As described above, the low-orbit satellite uses the satellite maneuvering capability to position the low-orbit satellite before reaching the location of interest (P) (position (a) in FIG. 2), and the low-orbit satellite reaches the location of interest (P). The location of interest (position (b) in FIG. 2) and the low-orbit satellite may pass the location of the region of interest (P), and then photograph the region of interest at the location (position (c) in FIG. 2). At this time, as shown in FIG. 2, the attitude of the low-orbit satellite in the position (a) is tilted toward the direction of the satellite, (b) the location of the low-orbit satellite accurately faces the ground, and (c) the position of the low-orbit satellite in the position. Since the posture is inclined toward the opposite direction of satellite progression, the camera viewpoint can be directed to the region of interest P at each position.

대부분의 저궤도 위성에서는 고정밀 관측을 위해 TDI(Time Delay Integation) 라인센서를 주로 사용한다. 라인센서란 복수 개의 픽셀이 열 또는 행을 이루는 직선 형태로 형성되는 센서로서, 예를 들어 1000개의 픽셀이 1줄로 배열된 형태를 가질 수 있다. 이러한 라인센서로 촬영된 영상은 1000x1 픽셀의 직선 형태의 영상이 되는데, 관심지역(P)은 직선 형태가 아니라 평면 형태로 되어 있는 바, 이러한 직선 형태의 영상들이 복수 개 취합됨으로써 관심지역(P) 전체 면적의 평면 형태의 영상을 얻을 수 있다. 도 3은 저궤도 위성에서 획득되는 영상들이 모여서 하나의 큰 영상, 즉 관심지역(P) 전체 면적의 영상이 만들어지는 예시를 개념적으로 도시하고 있다. 이 때 각각의 직선 형태의 영상을 취득하는 시간, 즉 샘플링 시간과 위성 이동 속도가 정확히 맞으면 도 3(a)와 같이 각각의 직선 형태의 영상들을 이어붙임으로써 관심지역(P) 전체 면적의 영상을 얻을 수 있을 것이다. 그러나 샘플링 시간이 느린 경우에는 도 3(b)와 같이 미처 촬영되지 못한 영역이 발생할 것이며, 샘플링 시간이 빠른 경우에는 도 3(c)와 같이 중복으로 촬영되어 겹쳐지는 영역이 발생할 것이다. 특히 도 3(c)와 같이 다중 중복영상이 발생하는 경우, 앞서 설명한 SR 기법을 적용하여 해상도를 증가시킬 수 있다는 기대를 할 수 있다. 이러한 시도가 "Spatial Resolution Improvement Using Over Sampling and High Agile Maneuver in Remote Sensing Satellite"(KSAS, 2007)에 잘 개시된 바 있다.In most low-orbit satellites, a time delay integation (TDI) line sensor is mainly used for high-precision observation. The line sensor is a sensor in which a plurality of pixels are formed in a straight line forming columns or rows, and for example, may have a form in which 1000 pixels are arranged in one line. The image captured by the line sensor becomes a 1000x1 pixel linear image, and the region of interest (P) is not a linear shape but a flat shape, and a plurality of these linear images are collected to collect the region of interest (P). You can get a planar image of the entire area. FIG. 3 conceptually illustrates an example in which images obtained from low-orbit satellites are collected to form one large image, that is, an image of the entire area of interest P. At this time, if the time for acquiring each linear image, that is, the sampling time and the satellite movement speed is exactly the same, as shown in Fig. 3(a), the images of the entire area of interest P are connected by attaching the respective linear images. You will be able to get However, if the sampling time is slow, an area that has not yet been photographed will occur as shown in FIG. 3(b), and if the sampling time is fast, an overlapped area will be generated as shown in FIG. 3(c). In particular, when multiple overlapping images are generated as shown in FIG. 3(c), it can be expected that the resolution can be increased by applying the SR technique described above. This attempt has been well disclosed in "Spatial Resolution Improvement Using Over Sampling and High Agile Maneuver in Remote Sensing Satellite" (KSAS, 2007).

그러나 저궤도 위성의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 각 영상의 촬영 시각마다 위성이 관측대상을 바라보는 시점이 달라지는 문제가 있다. 즉 각 영상에서 촬영된 관측대상의 관측면이 달라지게 된다는 것인데, 특히 관측대상이 입체물인 경우 SR 기법을 단순 적용하게 되면 영상이 왜곡되는 문제가 발생한다. 즉, 저궤도 위성에서 TDI 라인센서를 사용하여 관심지역을 촬영함에 있어서 SR 기법의 단순히 적용하는 것만으로는 실질적으로 고해상도의 정확한 영상을 얻기 어렵다.However, in the case of low-orbit satellites, as shown in FIG. 2, there is a problem in that the viewpoint of the satellite looking at the observation object is different for each imaging time of each image. That is, the observation surface of the observation object photographed in each image is different. In particular, when the observation object is a stereoscopic object, if the SR technique is simply applied, the image is distorted. That is, it is difficult to obtain an accurate high-resolution accurate image by simply applying the SR technique when photographing a region of interest using a TDI line sensor in a low-orbit satellite.

한편 정지궤도 위성에서의 영상 획득 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, the principle of image acquisition in geostationary satellites is as follows.

일반적으로 정지궤도 위성은 저궤도 위성과 비교하여 상대적으로 넓은 지역을 관측하는 데에 사용된다. 구체적으로는, 먼저 정지궤도 위성의 카메라 시점이 어떤 하나의 관심지역을 향한 상태에서 일정 시간 노출하여 촬영을 수행함으로써 상기 하나의 관심지역 전체 면적의 평면 영상을 획득하며, 이렇게 하나의 관심지역에 대한 영상 획득이 완료되면 다른 관심지역으로 카메라 시점을 변경한 후 다시 상술한 바와 같은 과정을 반복한다. 대부분의 정지궤도 영상은 넓은 지역을 관측하고자 하는 주 목적을 가지므로, 미리 결정된 촬영 시나리오를 따라 관심지역을 변경하도록 이루어지는 경우가 많다. 도 4는 바로 이처럼 미리 결정된 촬영 시나리오에 따라 관심지역을 변경시켜 가면서 정지궤도 위성에서 영상을 획득하는 예시를 개념적으로 도시하고 있다. 한편 정지궤도 위성의 경우 저궤도 위성에 비해 위성과 관측 지점 사이의 거리가 멀기 때문에, 충분한 신호를 얻기 위해서는 노출 시간이 길어야 한다. 관심지역 변경을 위한 촬영 시나리오는 이러한 점을 고려하여 하나의 관심지역을 촬영한 후 충분한 시간이 지난 다음에 다른 관심지역을 촬영할 수 있도록 만들어져야 함은 자명하다.In general, geostationary satellites are used to observe a relatively large area compared to low orbit satellites. Specifically, first, the camera view of the geostationary orbit satellite is directed to a certain region of interest, and a photograph is exposed for a certain period of time to obtain a flat image of the entire area of the region of interest. When the image acquisition is completed, the camera view is changed to another region of interest, and then the above-described process is repeated. Since most geostationary images have a main purpose of observing a large area, they are often made to change a region of interest according to a predetermined shooting scenario. FIG. 4 conceptually illustrates an example of acquiring an image from a geostationary orbit satellite while changing a region of interest according to a predetermined shooting scenario. On the other hand, in the case of the geostationary satellite, the distance between the satellite and the observation point is longer than that of the low orbit satellite, so the exposure time must be long to obtain a sufficient signal. It is obvious that the shooting scenario for changing the region of interest should be made so that one region of interest can be photographed after a sufficient time has elapsed after taking this point into consideration.

정지궤도 위성에 앞서 설명한 TDI 라인센서가 구비되어 있는 경우, 어떤 관심지역 전체 면적의 평면 영상을 얻고자 할 때, 앞서 저궤도 위성에서 위성 기동 성능을 이용하여 복수 개의 직선 영상들을 얻고 이를 취합하여 평면 영상을 얻었던 것과 유사하게, 정지궤도 위성에서는 시선벡터를 변경시켜 가면서 복수 개의 직선 영상들을 얻고 이를 취합하여 평면 영상을 얻을 수 있다. 도 5는 정지궤도 위성에서 SR 기법을 적용하기 위한 카메라 시선벡터 움직임 예시를 도시하고 있다. 정지궤도 위성에서 SR 기법을 적용하기 위해서는 다중 중복영상이 필요한데, 즉 똑같은 관심지역(P)을 다른 방식으로 촬영한 영상이 필요하다. 앞서의 설명에서와 같이 세로 방향 이동을 하면서 가로 직선 영상들을 얻어 하나의 평면 영상을 얻었다면, 다음으로는 시선벡터를 90도 회전시킨 다음, 시선벡터를 가로 방향 좌→우로 이동시켜 가면서 관심지역(P)을 세로 직선 영상들을 얻는다. 이후 이들을 취합하여 동일 관심지역(P)에 대한 다른 하나의 평면 영상을 얻음으로써 2개의 중복영상을 얻을 수 있으며, 이 2개의 중복영상을 가지고 SR 기법을 사용하여 해상도를 증가시킬 수 있다는 기대를 할 수 있다.When the TDI line sensor described above is provided in the geostationary orbit satellite, in order to obtain a flat image of the entire area of a certain region of interest, a plurality of linear images are obtained by using the satellite maneuvering capability in the low orbit satellite, and the flat image is obtained by combining them. Similar to that obtained, in a geostationary orbit satellite, a plurality of linear images may be obtained while changing the line-of-sight vector, and a flat image may be obtained by combining them. 5 shows an example of a camera gaze vector motion for applying the SR technique in a geostationary orbit satellite. In order to apply the SR technique to a geostationary orbit satellite, multiple overlapping images are required, that is, images obtained by photographing the same region of interest (P) in different ways. As in the previous description, if a horizontal image is obtained while moving in the vertical direction and a flat image is obtained, then the gaze vector is rotated 90 degrees, and then the gaze vector is moved horizontally from left to right to move the region of interest ( P) to obtain vertical straight images. Then, by combining them and obtaining another plane image for the same region of interest (P), two overlapping images can be obtained, and it is expected that the resolution can be increased by using the SR technique using these two overlapping images. Can be.

그런데 이처럼 2개의 중복영상을 얻는 과정에서 시선벡터를 90도 회전시키는 과정이 반드시 필요하다. 시선벡터 회전을 위해서는 위성을 회전시켜야 하는데, 정지궤도 위성은 상당한 부피와 중량을 가지고 있어 위성 회전을 위해 상당히 많은 시간과 전력이 소모되는 문제가 있다.However, in the process of obtaining two overlapping images, a process of rotating the gaze vector by 90 degrees is essential. In order to rotate the gaze vector, the satellite must be rotated, and a geostationary orbit satellite has a considerable volume and weight, which causes a considerable amount of time and power consumption to rotate the satellite.

본 발명의 고해상도 영상획득 방법 및 장치High-resolution image acquisition method and apparatus of the present invention

앞서도 설명하였듯이, 본 발명의 궁극적인 목적은 정지궤도 위성에서 다중 중복영상을 원활하게 얻고, 이렇게 얻은 다중 중복영상에 SR 기법을 적용하여 고해상도 영상을 획득하고자 하는 것이다. 이 때 상술한 바와 같이, SR 기법 적용을 위해 복수 개의 다중 중복영상을 얻고자 할 때, 저궤도 위성의 경우 각각의 다중 중복영상들의 관측시점이 달라 영상이 왜곡되는 등의 문제가 있을 뿐만 아니라, 위성이 지구 자전 속도보다 빨리 움직이는 것을 이용하여 다중 중복영상을 얻기 때문에 정지궤도 위성에서는 저궤도 위성에서의 방법을 적용하는 것 자체가 불가능하다. 또한 TDI 라인 센서를 이용한 정지궤도 위성의 경우 다중 중복영상을 얻기 위해서는 위성을 90도 돌리는 과정이 반드시 필요하여 시간 및 전력 등의 소모가 상당한 문제가 있다는 점을 앞서 설명하였다. 본 발명에서는 이러한 문제들을 모두 해소하도록, 어레이 센서를 이용한 정지궤도 위성이 관심지역을 촬영할 때 미소진동을 인가하도록 이루어진다.As described above, the ultimate object of the present invention is to obtain multiple high-definition images smoothly from a geostationary satellite, and to obtain high-resolution images by applying SR techniques to the multi-overlapping images thus obtained. At this time, as described above, when attempting to obtain a plurality of multiple overlapping images to apply the SR technique, in the case of low-orbit satellites, the observation time of each multiple overlapping images is different, and thus the image is distorted. Since multiple overlapping images are obtained by moving faster than the rotation speed of the Earth, it is impossible to apply the method of low-orbit satellites to geostationary orbit satellites. Also, in the case of a geostationary satellite using a TDI line sensor, the process of rotating the satellite by 90 degrees is essential to obtain multiple overlapping images, and thus, the time and power consumption is a significant problem. In the present invention, in order to solve all of these problems, a geostationary satellite using an array sensor is applied to apply microscopic vibration when photographing a region of interest.

먼저 본 발명의 고해상도 영상획득 장치의 구성을 설명한다. 본 발명의 고해상도 영상획득 장치는, 정지궤도 위성, 영상촬영부, 진동인가부, 영상분석부를 포함한다. 각부에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.First, the configuration of the high-resolution image acquisition device of the present invention will be described. The high-resolution image acquisition device of the present invention includes a geostationary satellite, an image capturing unit, a vibration applying unit, and an image analyzing unit. The parts will be described in more detail as follows.

상기 영상촬영부는 상기 정지궤도 위성에 구비되어 관심지역을 촬영하는 역할을 한다. 이 때 상기 영상촬영부는 어레이센서 형태로 이루어지는 것이 바람직한데, 어레이센서란 복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 센서로서, 예를 들어 1000x1000 픽셀이 열 및 행을 이루도록 배열된 형태를 가질 수 있다. 이러한 어레이센서로 촬영된 영상은 1000x1000 픽셀의 평면 형태의 영상이 된다. 즉 상기 영상촬영부가 어레이센서 형태로 이루어지게 함으로써, 단일 회 촬영 시에 상기 관심지역 전체 면적의 평면 영상이 단번에 획득될 수 있게 된다.The image capturing unit is provided in the geostationary satellite and serves to photograph a region of interest. In this case, it is preferable that the image photographing unit is formed in the form of an array sensor. The array sensor is a sensor formed in a planar form in which a plurality of pixels form columns and rows, for example, a form in which 1000x1000 pixels are arranged in columns and rows. Can have The image captured by the array sensor becomes a 1000x1000-pixel planar image. That is, by making the image capturing unit in the form of an array sensor, it is possible to acquire a flat image of the entire area of the region of interest at a time in a single shot.

상기 진동인가부는 상기 정지궤도 위성에 진동을 인가하는 역할을 한다. 상기 진동인가부의 구체적인 구성은 상기 정지궤도 위성에 미소 진동을 인가하여 카메라의 시선벡터가 촬영 동안에 서브 픽셀 수준에서 움직이도록 한다. 이러한 미소 진동 발생 장치의 한 예로서 상기 진동인가부는, 휠 형태로 이루어져 회전 속도 변화를 통해 상기 정지궤도 위성에 토크를 가함으로써 진동을 인가하도록 이루어질 수도 있다. 예를 들면 반작용 휠의 경우 휠의 각속도 변화를 발생시켜 토크를 발생시킨다.The vibration applying unit serves to apply vibration to the geostationary satellite. The specific configuration of the vibration applying unit applies micro-vibration to the geostationary satellite so that the gaze vector of the camera moves at the sub-pixel level during shooting. As one example of such a micro-vibration generating device, the vibration applying unit may be configured to apply vibration by applying torque to the geostationary orbit satellite through a rotational speed change. For example, in the case of a reaction wheel, a change in angular velocity of the wheel is generated to generate torque.

상기 영상분석부는 상기 영상촬영부에 의하여 촬영된 복수 개의 다중 중복영상을 취합 처리하는 역할을 한다. 이 때 (이후 보다 상세히 설명하겠지만) 본 발명에서 얻어진 복수 개의 다중 중복영상들은 서로 간에 관측시점 차이가 거의 없음과 동시에 동일 대상(관심지역)을 촬영하였더라도 완전히 동일한 영상이 아니기 때문에, SR 기법을 적용하기에 아주 최적인 조건을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서 상기 영상분석부는, 앞서 설명한 기존의 저궤도 위성 또는 정지궤도 위성에서의 여러 문제점들과는 전혀 무관하게, 매우 원활하게 SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상을 산출해 낼 수 있다.The image analysis unit serves to collect and process a plurality of multiple overlapping images photographed by the image photographing unit. At this time, (as will be described in more detail later), since the plurality of multiple overlapping images obtained in the present invention have little difference in observation time between each other and the same object (region of interest) is not the same, the SR technique is applied. It has very optimal conditions. Therefore, in the present invention, the image analysis unit can produce a high-resolution image very smoothly using a super resolution (SR) technique, regardless of various problems in the conventional low-orbit or geostationary satellite described above.

이제 본 발명의 고해상도 영상획득 방법을 구체적으로 상세히 설명한다. 본 발명의 고해상도 영상획득 방법은, 시점위치결정단계, 진동인가촬영단계, 고해상도산출단계를 포함할 수 있으며, 여기에 관심지역변경단계를 더 포함할 수 있다. 각 단계에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Now, the high-resolution image acquisition method of the present invention will be described in detail. The high-resolution image acquisition method of the present invention may include a viewpoint positioning step, a vibration applying photographing step, and a high-resolution calculation step, and may further include a region of interest change step. Each step will be described in more detail as follows.

상기 시점위치결정단계에서는, 상기 정지궤도 위성에 구비된 상기 영상촬영부의 시점이 기설정된 관심지역(P)을 향하게 된다. 도 6은 정지궤도 위성이 관심지역(P)으로 시선을 향한 상태도를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 상기 영상촬영부가 어레이 복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 어레이센서 형태로 이루어질 경우, 도 6의 상태에서 단일 회만 촬영해도 상기 관심지역(P) 전체 면적의 평면 영상이 단번에 획득될 수 있게 된다.In the viewpoint positioning step, the viewpoint of the image capturing unit provided in the geostationary satellite is directed to a predetermined region of interest (P). 6 shows a state diagram of a geostationary orbit satellite facing the gaze toward the region of interest (P). As described above, when the image photographing unit is formed in the form of an array sensor in which a plurality of arrays of pixels are formed in a planar form of columns and rows, even when only a single shot is taken in the state of FIG. 6, a planar image of the entire area of the region of interest P It can be obtained at once.

상기 진동인가촬영단계에서는, 상기 정지궤도 위성에 구비된 진동인가부에 의하여 상기 정지궤도 위성에 진동이 인가된 직후 상기 영상촬영부에 의하여 상기 관심지역(P)이 복수 회 중복촬영된다. 도 7은 정지궤도 위성에 미소 진동을 인가한 상태도를 도시하고 있다. 도 7에서는 진동이 인가되고 있음을 시각적으로 확인하기 쉽게 하기 위하여 진동 크기를 과장하여 도시하였지만, 실제로 상기 진동인가부가 인가하는 진동은 매우 작은 미소 진동으로서, 상기 영상촬영부가 촬영하는 영상들은 서로 거의 동일한(즉 미소한 차이만 있는) 다중 중복영상들이 되며, 따라서 앞서 설명한 바와 같은 SR 기법을 적용하기에 최적의 조건이 된다. 한편 상기 진동인가부가 인가하는 진동이 과도하게 클 경우 영상 처리 과정에서 왜곡 등의 오류가 발생할 수도 있으므로, 상기 진동인가부가 인가하는 진동의 크기는 적절하게 작게 형성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 진동인가촬영단계는, 상기 진동인가부가 상기 관심지역에서 카메라의 미소 움직임을 발생시켜, 카메라 시선벡터가 서브 픽셀 수준으로 이동하면서 복수 회 촬영이 수행될 수 있도록 한다. 또한 보다 다양한 종류의 다중 중복영상을 얻을 수 있도록, 상기 진동인가촬영단계는, 상기 진동인가부가 도 7에 도시된 바와 같이 상기 관심지역(P)의 가로 및 세로 각각의 방향으로 적어도 1회 이상씩 진동을 인가하도록 이루어지는 것이 바람직하다.In the vibration applying photographing step, the region of interest P is repeatedly photographed multiple times by the image photographing unit immediately after vibration is applied to the geostationary satellite by the vibration applying unit provided in the geostationary satellite. 7 shows a state diagram in which micro vibration is applied to a geostationary orbit satellite. In FIG. 7, the size of the vibration is exaggerated to make it easier to visually confirm that the vibration is being applied, but in reality, the vibration applied by the vibration applying unit is a very small micro-vibration, and the images taken by the imaging unit are almost identical to each other. It becomes multiple overlapping images (that is, only a slight difference), and thus is an optimal condition for applying the SR technique as described above. On the other hand, if the vibration applied by the vibration applying unit is excessively large, errors such as distortion may occur in the image processing process, so the size of the vibration applied by the vibration applying unit is desirably small. More specifically, in the vibration applying photographing step, the vibration applying unit generates a microscopic movement of the camera in the region of interest, so that the camera gaze vector moves to a sub-pixel level so that multiple photographing can be performed. In addition, in order to obtain multiple types of multiple overlapping images, the vibration applying photographing step may include at least one or more times in each of the horizontal and vertical directions of the region of interest P, as shown in FIG. 7. It is preferably made to apply vibration.

상기 진동인가부에서 진동을 인가하는 동작에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 미소 진동을 발생하는 상기 진동인가부는 카메라 움직임을 발생시키기 위하여 동일하지 않는 방향으로 장착되어야 한다. 따라서 한 예시로, 카메라 시선벡터 방향을 Z축이라고 할 경우 Z축에 수직인 X-Y 평면에 토크가 발생되도록 상기 진동인가부가 2개 이상 장착될 수 있다. 상기 진동인가부가 여러 개인 경우 고장에 대비할 수 있으며, 카메라 움직임을 다양하게 조정할 수 있다. 한편 물리 법칙에 따르면 물체에 힘이나 토크가 가해지면 가속도나 각가속도가 발생되고, 힘이나 토크가 가해지지 않으면 물체는 등속 또는 등각속도 운동을 한다는 점이 잘 알려져 있다. 이러한 원리를 이용하여, 정지궤도 위성에서 카메라를 움직이게 하기 위해서 상기 진동인가부는 매우 짧은 순간 동안 미소 진동 펄스를 한쪽 방향으로 발생시켜 발생된 토크에 의해 위성 자세를 변경한다. 상기 진동인가부가 작동하지 않는 경우 위성은 등각속도 운동을 하게 되며, 등각속도 구간에서 관심 지역에 대하여 촬영이 여러 회 수행된다. 상기 진동인가부가 인가하는 진동의 가장 간단한 형태로는, 좌, 우, 상, 하 방향으로 순차적으로 미소 진동을 발생시키고, 미소 진동 발생 이후 촬영을 수행하고 다음 미소 진동을 발생시키는 형태일 수 있다.The operation of applying the vibration in the vibration applying unit will be described in more detail as follows. The vibration applying unit that generates micro-vibration must be mounted in a direction that is not the same to generate camera movement. Therefore, as an example, when the camera gaze vector direction is a Z-axis, two or more vibration applying parts may be mounted to generate torque in an X-Y plane perpendicular to the Z-axis. When there are multiple vibration applying parts, it is possible to prepare for a failure and variously adjust the camera movement. On the other hand, according to the laws of physics, it is well known that acceleration or angular acceleration occurs when a force or torque is applied to an object, and if the force or torque is not applied, the object moves at a constant or constant velocity. Using this principle, in order to move the camera in a geostationary orbit satellite, the vibration applying unit generates a micro vibration pulse in one direction for a very short moment to change the satellite attitude by the generated torque. When the vibration applying unit does not work, the satellite is subjected to a constant-speed motion, and imaging is performed several times in a constant-speed section for the region of interest. The simplest form of the vibration applied by the vibration applying unit may be a form in which micro-vibrations are sequentially generated in the left, right, up and down directions, imaging is performed after the micro-vibrations are generated, and then the micro-vibrations are generated.

상기 고해상도산출단계에서는, 진동이 인가된 직후 촬영되어 획득된 상기 관심지역(P)에 대한 복수 개의 다중 중복영상들이 취합 처리되어 고해상도 영상이 산출된다. 상술한 바와 같이 미소 진동을 가하면서 얻어진 다중 중복영상들은 SR 기법을 적용하기에 최적의 조건을 가지므로, 상기 고해상도산출단계는, SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상이 산출되도록 이루어지는 것이 바람직하다.In the high-resolution calculation step, a plurality of multiple overlapping images of the region of interest (P) obtained by photographing immediately after vibration is applied are collected and processed to produce a high-resolution image. As described above, since multiple overlapping images obtained while applying micro-vibrations have optimal conditions for applying the SR technique, it is preferable that the high-resolution calculation step is performed such that the high-resolution images are calculated using the Super Resolution (SR) technique. Do.

상기 고해상도산출단계에서 얻어지는 다중 중복영상들 및 이를 이용한 SR 기법 처리에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The multiple overlapping images obtained in the high resolution calculation step and the SR technique processing using the same will be described in more detail as follows.

도 8은 가로 및 세로 각각의 방향 진동 시 촬영영역 예시를 도시하고 있다. 상기 진동인가부가 상기 정지궤도 위성을 가로 방향(X축 방향)으로 진동시킬 경우, 상기 영상촬영부에서는 도 8(a)에 도시된 바와 같이 X1, …, X5와 같은 영상들을 얻을 수 있다. X3는 촬영영역이 관심지역(P)과 일치한 상태를 나타내며, X1 및 X2는 진동에 의하여 촬영영역이 관심지역(P)보다 좌측으로 편향된 상태를, X4 및 X5는 진동에 의하여 촬영영역이 관심지역(P)보다 우측으로 편향된 상태를 각각 나타내고 있다. 이와 유사하게, 상기 진동인가부가 상기 정지궤도 위성을 세로 방향(Y축 방향)으로 진동시킬 경우, 상기 영상촬영부에서는 도 8(b)에 도시된 바와 같이 Y1, …, Y5와 같은 영상들을 얻을 수 있다. Y3는 촬영영역이 관심지역(P)과 일치한 상태를 나타내며, Y1 및 Y2는 진동에 의하여 촬영영역이 관심지역(P)보다 하측으로 편향된 상태를, Y4 및 Y5는 진동에 의하여 촬영영역이 관심지역(P)보다 상측으로 편향된 상태를 각각 나타내고 있다.8 shows an example of a photographing area when vibrating in the horizontal and vertical directions, respectively. When the vibration applying unit vibrates the geostationary orbit satellite in the horizontal direction (X-axis direction), as shown in FIG. , X5. X3 denotes a state in which the photographing area coincides with the region of interest P, X1 and X2 denote a state in which the photographing region is deflected to the left by the vibration to the left, and X4 and X5 are interested in the photographing region by vibration Each of the states deflected to the right of the area P is shown. Similarly, when the vibration applying unit vibrates the geostationary satellite in the vertical direction (Y-axis direction), in the image capturing unit, Y1,… as shown in FIG. 8(b). , You can get images like Y5. Y3 denotes a state in which the photographing area coincides with the region of interest P, Y1 and Y2 denote a state in which the photographing region is deflected downward from the region of interest P by vibration, and Y4 and Y5 are interested in the photographing region by vibration Each of the states deflected above the area P is shown.

도 9는 가로 및 세로 각각의 방향 진동 시 획득된 촬영영상의 예시로서, 도 8에서 겹쳐져 나타난 X1~X5, Y1~Y5를 분리하여 도시한 것이다. 구체적으로는, 도 9(a)는 가로 방향 진동 시 획득된 촬영영상들을, 도 9(b)는 세로 방향 진동 시 획득된 촬영영상들을 각각 도시한다. 도 9(a) X1 촬영영상을 보면, 상기 정지궤도 위성이 진동에 의해 좌측으로 가장 편향된 상태에서 촬영된 영상인 바, X1 촬영영상에서는 관심지역보다 좌측의 영역이 좀더 촬영됨(이 영역을 "잉여촬영분"이라 한다)과 동시에 관심지역의 우측 일부가 촬영되지 못하게 된다(이 영역을 "촬영소실분"이라 한다). 도 9(a) X2 촬영영상은 X1 촬영영상에서보다는 상기 정지궤도 위성이 좌측으로 덜 편향된 상태에서 촬영된 영상인 바, X2 촬영영상에서는 잉여촬영분 및 촬영소실분의 크기가 X1 촬영영상보다 작긴 하지만 존재하기는 한다. 도 9(a) X3 촬영영상은 촬영영역이 관심지역(P)과 일치한 상태에서 촬영된 영상인 바, X3 촬영영상에서는 잉여촬영분 및 촬영소실분이 발생하지 않는다. 도 9(a) X4, X5 촬영영상에서도, 방향이 우측으로 상이할 뿐 각각 X2, X1 촬영영상에서 유사하게 잉여촬영분 및 촬영소실분이 존재하게 된다. 도 9(b)에서도 마찬가지로, 도 9(b) Y3 촬영영상(촬영영역이 관심지역(P)과 일치한 상태에서 촬영된 영상)에서만 잉여촬영분 및 촬영소실분이 발생하지 않고, Y1, Y2, Y4, Y5 촬영영상에서는 상측 또는 하측에 잉여촬영분 및 촬영소실분이 존재하고 있음이 잘 나타나 있다.FIG. 9 is an example of a captured image obtained in each of the horizontal and vertical vibrations, and shows the X1 to X5 and Y1 to Y5 separately overlapped in FIG. 8. Specifically, FIG. 9(a) shows photographed images obtained during horizontal vibration, and FIG. 9(b) shows photographed images acquired during vertical vibration. 9(a) When looking at the X1 photographed image, the geostationary satellite is the image photographed in the state most deflected to the left by vibration. In the X1 photographed image, the region on the left is more photographed than the region of interest (this region is " At the same time, the part of the right side of the region of interest cannot be photographed (referred to as the "shot lost"). FIG. 9(a) The X2 photographed image is an image photographed in a state in which the geostationary satellite is less deflected to the left than in the X1 photographed image. In the X2 photographed image, the size of the surplus and lost images is smaller than that of the X1 photographed image. It does exist. 9(a) The X3 photographed image is an image photographed in a state where the photographing area coincides with the region of interest P. In the X3 photographed image, surplus photographing and photographing loss are not generated. 9(a) In the X4 and X5 photographed images, the directions differ only to the right, and similarly, there are surplus photographs and lost photographs in the X2 and X1 photographs, respectively. 9(b), as shown in FIG. 9(b), Y3, Y2, and Y4 are not generated only in the Y3 photographed image (the image photographed while the photographing area coincides with the region of interest P). , In Y5 photographed images, it is well shown that there are surplus photographs and missing photographs on the upper or lower side.

도 10은 도 9의 촬영영상들의 중복영역 겹침 예시를 도시하고 있다. 도 10에서 굵은 테두리선으로 표시된 부분이 관심지역(P)이며, 연한 사각형 영역으로 표시된 부분이 도 8 및 도 9의 촬영영상들이다. 각 촬영영상들이 겹치는 부분이 겹쳐지는 만큼 어두워지도록 표시하였다. 구체적으로 예시를 들어 설명하자면, 도 10에서 S1로 표시되는 영역은 X1, …, X5 및 Y1, …, Y5, 총 10개의 촬영영상들이 모두 겹쳐지며, S2로 표시되는 영역은 X1, …, X5 및 Y2, …, Y5, 총 9개의 촬영영상들이 모두 겹쳐지게 된다. 종합적으로 볼 때, 도 10에 잘 나타나 있는 바와 같이, 관심지역(P)의 가장자리 쪽으로 갈수록 더 적은 촬영영상들이 겹쳐지며, 관심지역(P)의 가운데 쪽으로 갈수록 더 많은 촬영영상들이 겹쳐지게 됨을 알 수 있다.10 shows an example of overlapping overlapping areas of the photographed images of FIG. 9. In FIG. 10, the part indicated by the bold border line is the region of interest P, and the part indicated by the light square area is the photographed images of FIGS. 8 and 9. Each photographed image was marked so as to be dark as the overlapping part overlapped. Specifically, for example, the region indicated by S1 in FIG. 10 is X1,. , X5 and Y1,… , Y5, a total of 10 photographed images overlap, and the area indicated by S2 is X1,… , X5 and Y2,… , Y5, a total of 9 shooting images will all overlap. Overall, as can be seen in FIG. 10, it can be seen that fewer images are superimposed toward the edge of the region of interest P, and more images are superimposed toward the center of the region of interest P. have.

앞서 도 1을 참조한 SR 기법의 원리 설명에서 알 수 있는 바와 같이, SR 기법은 하나의 관측대상에 대한 중복영상이 많을수록 더 해상도를 높일 수 있다. 도 10에 잘 나타난 바와 같이, 가로 방향의 진동으로 5장 / 세로 방향의 진동으로 5장의 촬영영상을 얻는 경우, 관심지역(P)의 가운데 부분 즉 S1 영역에서는 10개의 다중 중복영상을 얻을 수 있어, SR 기법 처리를 통해 S1 영역의 해상도를 훨씬 향상시킬 수 있음이 확인된다.As can be seen from the description of the principle of the SR technique with reference to FIG. 1, the SR technique can increase the resolution as the number of overlapping images for one observation object increases. As is well shown in FIG. 10, when 5 shots are obtained by vibration in the horizontal direction and 5 shots by the vibration in the vertical direction, 10 multiple overlapping images can be obtained in the central portion of the region of interest P, that is, the S1 region. , It is confirmed that the resolution of the S1 region can be significantly improved by processing the SR technique.

도 8 내지 도 10의 예시에서는, 진동으로 인한 잉여촬영분 및 촬영소실분을 시각적으로 잘 알아볼 수 있게 하기 위해서 편의상 진동의 크기를 과장하여 도시하였으며, 또한 이해를 쉽게 하기 위해 가로 또는 세로 방향의 진동 당 일측최대진폭위치(X1/Y1)-일측중간진폭위치(X2/Y2)-일치위치(X3/Y3)-타측중간진폭위치(X4/Y4)-타측최대진폭위치(X5/Y5) 이렇게 5개의 위치만 잡은 것으로 설명하였다. 그러나 실제로 정지궤도 위성에 본 발명의 기술을 적용하는 경우, 미소 진동의 진폭은 관심지역(P)의 가로 또는 세로 길이에 비해 훨씬 작게 형성되게 할 것이므로, 실제로는 도 10에서의 S1 영역의 면적이 관심지역(P) 전체 면적과 거의 동일하게 형성될 것임을 쉽게 유추할 수 있다. 또한 한 번의 진동 주기 안에서 5번보다 더 많은 횟수로 샘플링을 수행할 수 있으며, 이 경우 얻어지는 다중 중복 영상의 개수가 훨씬 많아질 것을 기대할 수 있다. 즉 관심지역(P) 거의 대부분의 영역에서 SR 기법을 이용하여 고해상도 영상을 얻을 수 있다. In the example of FIGS. 8 to 10, the magnitude of vibration is exaggerated for convenience in order to visually recognize the surplus and minutes lost due to vibration, and in addition, per horizontal or vertical vibration for easy understanding One maximum amplitude position (X1/Y1)-One intermediate amplitude position (X2/Y2)-Match position (X3/Y3)-The other intermediate amplitude position (X4/Y4)-The other maximum amplitude position (X5/Y5) It was explained that it was only located. However, when the technology of the present invention is actually applied to a geostationary orbit satellite, the amplitude of the micro-vibration will be formed much smaller than the horizontal or vertical length of the region of interest (P). It can be easily inferred that the area of interest P will be formed to be almost the same as the entire area. In addition, sampling can be performed more than 5 times in one oscillation cycle, and in this case, it can be expected that the number of multiple overlapping images obtained will be much larger. That is, high-resolution images can be obtained by using the SR technique in most areas of interest (P).

이처럼 본 발명에 의하면, 정지궤도 위성에 미소 진동을 가하여 관심지역에 대한 다중 중복영상을 획득하고 이를 SR 기법으로 처리함으로써, 기존에 비해 훨씬 고해상도의 영상을 획득할 수 있다. 이 때 정지궤도 위성에서 얻어지는 영상은 기본적으로 상시관측성을 가지고 있으므로, 이렇게 해서 획득된 영상은 고해상도 영상이 된다. 즉 본 발명에 의하면 앞서 언급한 저궤도 위성의 고해상도 장점 및 정지궤도 위성의 상시관측성 장점을 모두 가지는 영상을 얻을 수 있는 것이다.As described above, according to the present invention, by applying micro-vibration to a geostationary orbit satellite to obtain multiple overlapping images of a region of interest and processing them using the SR technique, a much higher resolution image can be obtained than in the prior art. At this time, the image obtained from the geostationary orbit satellite basically has always observed, so the image thus obtained becomes a high-resolution image. That is, according to the present invention, it is possible to obtain an image having both the high-resolution advantages of the aforementioned low-orbit satellite and the constant observation advantages of the geostationary satellite.

한편 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고해상도 영상획득 방법은, 관심지역변경단계를 더 포함할 수 있다. 상기 관심지역변경단계는 상기 고해상도산출단계 이후에 수행되는 단계로서, 상기 관심지역변경단계에서는 기설정된 촬영시나리오에 따라 상기 관심지역이 변경된다. 물론 이처럼 상기 관심지역변경단계가 수행된 이후에는, 상기 시점위치결정단계, 상기 진동인가촬영단계, 상기 고해상도산출단계가 순차적으로 수행되어 변경된 상기 관심지역에 대해서도 고해상도 영상이 산출될 수 있다. Meanwhile, as described above, the high-resolution image acquisition method of the present invention may further include a step of changing a region of interest. The region of interest change step is performed after the high resolution calculation step, and in the region of interest change step, the region of interest is changed according to a preset shooting scenario. Of course, after the step of changing the region of interest as described above, the viewpoint positioning step, the vibration applying photographing step, and the high-resolution calculation step may be sequentially performed, so that a high-resolution image may be calculated for the changed region of interest.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and of course, the scope of application is diverse, and anyone who has ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications are possible.

P: 관심지역
X1~X5: 가로 방향 진동 시 획득된 촬영영상
Y1~Y5: 세로 방향 진동 시 획득된 촬영영상
S1, S2: 중복영역
P: Region of interest
X1~X5: Recorded image obtained when vibrating horizontally
Y1~Y5: Recorded image obtained during vertical vibration
S1, S2: overlapping area

Claims (10)

정지궤도 위성에 구비된 영상촬영부의 시점이 기설정된 관심지역을 향하는 시점위치결정단계;
상기 정지궤도 위성에 구비된 진동인가부에 의하여 상기 정지궤도 위성에 진동이 인가된 직후 상기 영상촬영부에 의하여 상기 관심지역이 복수 회 중복촬영되는 진동인가촬영단계;
진동이 인가된 직후 촬영되어 획득된 상기 관심지역에 대한 복수 개의 다중 중복영상들이 취합 처리되어 고해상도 영상이 산출되는 고해상도산출단계;
를 포함하되,
상기 진동인가촬영단계는,
상기 진동인가부가 상기 정지궤도 위성에 반작용 휠 각속도 변화를 이용한 토크를 가함으로써 상기 관심지역의 가로 및 세로 각각의 방향으로 적어도 1회 이상씩 진동을 인가하여 상기 관심지역에서 카메라의 미소 움직임을 능동적으로 발생시켜, 카메라 시선벡터가 서브 픽셀 수준으로 이동하면서 복수 회 촬영이 수행되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 방법.
A viewpoint positioning step in which the viewpoint of the image capturing unit provided in the geostationary satellite is directed to a predetermined region of interest;
A vibration applying photographing step in which the region of interest is repeatedly photographed a plurality of times by the image capturing unit immediately after vibration is applied to the geostationary satellite provided by the vibration applying unit provided in the geostationary orbit satellite;
A high-resolution calculation step in which a plurality of multiple overlapping images of the region of interest obtained by photographing immediately after vibration is applied are processed to produce a high-resolution image;
Including,
The vibration applying photographing step,
The vibration applying unit applies the vibration using the reaction wheel angular velocity change to the geostationary orbit satellite to apply vibrations at least once in each of the horizontal and vertical directions of the region of interest to actively move the microscopic movement of the camera in the region of interest. A high-resolution image acquisition method characterized in that the camera's gaze vector is moved to a sub-pixel level so that multiple shots are performed.
제 1항에 있어서, 상기 고해상도산출단계는,
SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상이 산출되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 방법.
According to claim 1, The high-resolution calculation step,
High-resolution image acquisition method characterized in that it is made to produce a high-resolution image using the SR (Super Resolution) technique.
제 1항에 있어서, 상기 진동인가촬영단계는,
상기 영상촬영부가 복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 어레이센서 형태로 이루어지되,
상기 영상촬영부를 사용하여 단일 회 촬영 시에 상기 관심지역 전체 면적의 평면 영상이 단번에 획득되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 방법.
The method of claim 1, wherein the vibration applying photographing step,
The imaging unit is formed in the form of an array sensor in which a plurality of pixels are formed in a flat form in which columns and rows are formed.
A high-resolution image acquisition method, characterized in that the flat image of the entire area of interest is acquired at a time when a single shot is taken using the image capturing unit.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 고해상도 영상획득 방법은,
상기 고해상도산출단계 이후에,
기설정된 촬영시나리오에 따라 상기 관심지역이 변경되는 관심지역변경단계;
를 더 포함하며,
상기 관심지역변경단계 이후 상기 시점위치결정단계, 상기 진동인가촬영단계, 상기 고해상도산출단계가 순차적으로 수행되어 변경된 상기 관심지역에 대한 고해상도 영상이 산출되는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 방법.
The method of claim 1, wherein the high-resolution image acquisition method,
After the high-resolution calculation step,
A region of interest changing step in which the region of interest is changed according to a preset shooting scenario;
Further comprising,
After the step of changing the region of interest, the viewpoint positioning step, the vibration applying photographing step, and the high-resolution calculation step are sequentially performed, so that a high-resolution image for the changed region of interest is calculated.
제 1항에 의한 고해상도 영상획득 방법을 이용하는 고해상도 영상획득 장치에 있어서,
정지궤도 위성;
상기 정지궤도 위성에 구비되어 관심지역을 촬영하는 영상촬영부;
상기 정지궤도 위성에 반작용 휠 각속도 변화를 이용한 토크를 가함으로써 능동적으로 진동을 인가하는 진동인가부;
상기 영상촬영부에 의하여 촬영된 복수 개의 다중 중복영상을 취합 처리하는 영상분석부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 장치.
In the high-resolution image acquisition device using the high-resolution image acquisition method according to claim 1,
Geostationary satellite;
An image photographing unit provided on the geostationary satellite to photograph a region of interest;
A vibration applying unit that actively applies vibration by applying torque using the reaction wheel angular velocity change to the geostationary orbit satellite;
An image analysis unit for collecting and processing a plurality of multiple overlapping images photographed by the image photographing unit;
High-resolution image acquisition device comprising a.
제 7항에 있어서, 상기 영상분석부는,
SR(Super Resolution) 기법을 사용하여 고해상도 영상을 산출하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 장치.
The method of claim 7, wherein the image analysis unit,
High-resolution image acquisition device, characterized in that for calculating the high-resolution image using the SR (Super Resolution) technique.
제 7항에 있어서, 상기 영상촬영부는,
복수 개의 픽셀이 열 및 행을 이루는 평면 형태로 형성되는 어레이센서 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상획득 장치.
The method of claim 7, wherein the imaging unit,
A high-resolution image acquisition device, characterized in that the plurality of pixels is formed in the form of an array sensor that is formed in a planar form of columns and rows.
삭제delete
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