KR102156936B1 - Image processing-based water surface observation system and method for marine environment monitoring - Google Patents

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Abstract

Disclosed is an image analysis-based water surface observation system for marine environment monitoring. The image analysis-based water surface observation system comprises: a surface image observation device controlling an image acquisition timing and a sampling interval according to a purpose of ocean observation, analyzing the acquired water surface image of waves, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline, suspended sand, and white waves and deriving observation results including observation images, and transmitting the observation results to a server; a data collection and visualization server collecting and visualizing observation results obtained from the surface image observation device; and a user terminal having a program for real-time confirmation of the observation results and photographs of the waves, the surface flow velocity, the surface water temperature, the shoreline, the suspended sand, and the white waves. Surface images are acquired by using the surface image observation device in fields of marine environment monitoring of sea, river, and coastal areas and coastal sedimentation/sediment monitoring. A tool is used to analyze changes in the waves, the surface flow velocity, the surface water temperature, shoreline observation, and slope change. In the field of marine environment monitoring, wave observation, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation analysis became possible.

Description

해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템 및 방법{Image processing-based water surface observation system and method for marine environment monitoring}Image processing-based water surface observation system and method for marine environment monitoring}

본 발명은 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌 설정, 수면 영상 취득, 취득된 수면 영상을 분석하여 파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온(℃), 해안선, 부유사, 백파(white cap) 등을 관측하고 관측 영상이 포함된 관측 결과를 서버로 전송하며, 서버에 관측 결과 저장 및 관측 정보 표출, 서버와 연동하여 실시간으로 PC 또는 스마트폰으로 확인 가능한, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image analysis-based surface observation system and method for monitoring a marine environment, and more particularly, to set an image acquisition time and sampling interval, acquire a surface image, and analyze the acquired surface image according to an observation purpose. ), surface flow velocity (m/s), surface water temperature (℃), shoreline, floating sand, white cap, etc., and observation results including observation images are transmitted to the server, and observation results are stored and observed on the server. It relates to an image analysis-based water surface observation system and method for monitoring the marine environment, which can be checked with a PC or smartphone in real time in connection with information display and server.

해양환경 관측은 크게 직접 관측과 간접 관측으로 구분할 수 있으며, 직접 관측과 간접 관측은 관측대상물에 접촉과 비접촉으로 구분할 수 있다. 직접 관측 방법은 ⅰ) 수중에 장비를 설치하는 방법, ⅱ) 부이(buoy)를 사용하는 방법, ⅲ) 선박 및 잠수 등을 이용하는 방법 등이 있다. 간접 관측 방법은 ⅳ) 인공위성을 이용하는 방법, ⅴ) 항공사진 및 영상 이미지를 등을 이용하는 방법이 있다. Ocean environment observation can be largely divided into direct observation and indirect observation, and direct observation and indirect observation can be divided into contact and non-contact with the object to be observed. Direct observation methods include: i) installing equipment underwater, ii) using buoys, and iii) using ships and diving. Indirect observation methods include: iv) using an artificial satellite, and iv) using aerial photographs and video images.

직접 관측은 관측의 정확도가 높은 장점이 있어 현재 가장 많이 사용되고 있으나, 관측장비의 설치 및 유지관리에 비용이 많이 소모되며, 장비 유실 가능성이 매우 높은 단점을 가지고 있다. 반면 간접 관측은 직접 관측의 단점이 보완되나 관측의 정확성이 떨어지는 단점을 가지고 있었으나, 분석기술(Signal processing, Image processing 등)의 발달로 정확도가 매우 향상되어 현재 확대되는 추세이다.Direct observation has the advantage of high accuracy of observation, so it is currently most often used, but it is expensive to install and maintain observation equipment, and has a high possibility of equipment loss. Indirect observation, on the other hand, compensates for the disadvantages of direct observation, but has a disadvantage in that the accuracy of observation is poor, but the accuracy is greatly improved due to the development of analysis techniques (signal processing, image processing, etc.) and is currently expanding.

잠수정이나 부이(buoy)를 이용한 조사는 비용/유지관리 등 여러 가지로 아직 쉽지 않은 상황이다.Investigation using a submersible or buoy is still not easy due to various reasons such as cost/maintenance.

부이(buoy)에 의한 조사는 바다의 한 지점에서 시간에 따라 연속적으로 해양 자료를 수집하는 방법으로, 이렇게 취합된 시계열 자료(time-series data)는 시시각각으로 변하는 해양 정보를 요구하는 과학자들에게 매우 유용하다.Survey by buoy is a method of collecting ocean data continuously over time at a point in the sea. This time-series data is very useful for scientists who require ocean information that changes from time to time. useful.

부이(buoy)는 크게 정점에서 기상 및 해양 자료를 연속적으로 관측할 수 있는 계류 부이와, 해류를 따라 이동하며 관측 자료를 송신하는 표류 부이가 있다.Buoys are largely divided into a mooring buoy that can continuously observe meteorological and ocean data at a peak, and a drift buoy that moves along an ocean current and transmits observation data.

기존 계류 부이는 하나의 닻으로 고정되어 설치되며, 하나의 계류 라인으로 연결되어 있어 유속이 강한 해양이나 조류, 조수간만의 차가 큰 해양에서는 유실될 위험이 크고 정확한 측정이 어렵다. Existing mooring buoys are fixed and installed with one anchor, and are connected by one mooring line, so the risk of loss is high and accurate measurement is difficult in oceans with strong currents or in oceans with large tidal differences.

또한, 측정하고자 하는 수심에 따라 센서 등이 자동적인 조절이 안되기 때문에 설치한 지점에서 관측이 끝나면, 다시 직접 가서 조절해야 하는 불편함이 있었다.In addition, since the sensor or the like cannot be automatically adjusted according to the depth of water to be measured, when observation is finished at the point where it is installed, there is an inconvenience of having to go and adjust again.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허공개번호 10-2017-0065653에서는 "해양 환경 모니터링 시스템"이 공개되어 있다. As prior art 1 related to this, Patent Publication No. 10-2017-0065653 discloses a "marine environment monitoring system".

해양 환경을 모니터링하는 시스템(100)은 해양 환경에 있는 오브젝트의 동기적 검출을 수행하고, 해양 환경에 있는 오브젝트의 위치에 각각 관련된 복수 개의 센서 신호를 통신 네트워크(107)를 거쳐 송신하며, 동기 신호를 수신하도록 구성되는 복수 개의 무선 검출 및 거리측정 디바이스(101, 103, 105)로서, 각각의 무선 검출 및 거리측정 디바이스(101, 103, 105)는 동기 신호에 따라서 동작을 동기화하도록 구성되는, 복수 개의 무선 검출 및 거리측정 디바이스, 복수 개의 무선 검출 및 거리측정 디바이스(101, 103, 105)의 동작을 동기화하기 위한 동기 신호를 생성하고, 상기 동기 신호를 통신 네트워크(107)를 거쳐 복수 개의 무선 검출 및 거리측정 디바이스(101, 103, 105)로 제공하도록 구성되는 동기화 소스(109), 및 복수 개의 무선 검출 및 거리측정 디바이스(101, 103, 105)로부터 복수 개의 센서 신호를 수신하고, 상기 해양 환경에 있는 오브젝트의 위치를 복수 개의 센서 신호에 기초하여 결정하도록 구성되는 처리 디바이스(111)를 포함한다. The system 100 for monitoring the marine environment performs synchronous detection of an object in the marine environment, transmits a plurality of sensor signals respectively related to the position of the object in the marine environment through the communication network 107, and transmits a synchronization signal. A plurality of wireless detection and ranging devices (101, 103, 105), configured to receive a plurality of wireless detection and ranging devices (101, 103, 105) configured to synchronize an operation according to a synchronization signal. Generates a synchronization signal for synchronizing the operation of two wireless detection and ranging devices, and a plurality of wireless detection and ranging devices (101, 103, 105), and a plurality of wireless detection of the synchronization signal via the communication network (107) And a synchronization source (109) configured to provide to the ranging device (101, 103, 105), and a plurality of sensor signals from the plurality of wireless detection and ranging devices (101, 103, 105), the marine environment And a processing device 111, configured to determine a position of an object in the at based on the plurality of sensor signals.

이와 관련된 선행기술2로써, 특허등록번호 10-11094600000에서는 "해양 환경 모니터링 시스템"이 등록되어 있다. As a related prior art 2, a "marine environment monitoring system" is registered in patent registration number 10-11094600000.

해양 환경 모니터링 시스템은 유속이 강한 바다(동해)나 조수간만의 차가 큰 바다(서해)에서도 정기적인 해양환경의 모니터링이 가능하도록 자동 또는 수동으로 수중센서부를 승강시킬 수 있는 윈리를 사용하며, 수중의 특정 물성을 측정할 수 있는 수중센서부; 상기 수중센서부가 승강할 수 있는 내부 공간을 가지는 몸체; 상기 몸체의 상부에 위치하며 각종 센서, 안테나 등이 장착되는 상부 프레임부; 및 상기 몸체 또는 상부 프레임부에 설치되어 상기 수중센서부를 자동 또는 수동으로 승강시킬 수 있는 윈치를 포함하는 해양환경 모니터링 시스템을 제공한다. 또한, 풍력발전기 또는 태양열 발전기를 구비함으로써 자가발전이 가능하며, 각종 무선통신의 지원이 가능하다.The marine environment monitoring system uses Winry that can automatically or manually lift the underwater sensor unit to enable regular monitoring of the marine environment even in the sea with strong flow rates (East Sea) or the sea with large tidal differences (West Sea). An underwater sensor unit capable of measuring specific physical properties; A body having an inner space in which the underwater sensor unit can be lifted; An upper frame part located above the body and on which various sensors, antennas, etc. are mounted; And it provides a marine environment monitoring system including a winch that is installed on the body or the upper frame portion that can automatically or manually lift the underwater sensor unit. In addition, self-power generation is possible by having a wind power generator or a solar power generator, and various wireless communication support is possible.

도 1은 종래의 해양 환경 모니터링 시스템의 구성 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a conventional marine environment monitoring system.

해양 환경 모니터링 시스템은 몸체(100), 수중센서부(200) 및 상부 프레임부(300) 등을 포함한다.The marine environment monitoring system includes a body 100, an underwater sensor unit 200, and an upper frame unit 300.

수중센서부(200)는 해양환경을 모니터링하기 위한 각종 수중센서(202)를 포함할 수 있다.The underwater sensor unit 200 may include various underwater sensors 202 for monitoring the marine environment.

예를 들면, 1개 이상의 turbidity sensor를 장착하여 머드층의 층별 탁도 측정이 가능하도록 할 수 있으며, 각종 염도, pH, 수온, 유속 등의 측정을 위한 센서를 장착할 수 있다.For example, one or more turbidity sensors can be installed to measure the turbidity of each layer of the mud layer, and sensors for measuring various salinity, pH, water temperature, and flow rate can be installed.

일반적인 부이 내지 해양환경 모니터링 시스템은 장비(수중센서부)의 안전을 위해 해저면으로부터 1m 이상 떨어져 작동하도록 구성되어 있으나, 통상 퇴적물은 해저면으로부터 1m 이내의 거리에서 이동하기 때문에, 기존의 해양환경 모니터링 시스템은 해저면의 퇴적물을 관측하기 매우 어렵다.The general buoy or marine environment monitoring system is configured to operate more than 1m away from the sea floor for the safety of equipment (underwater sensor unit), but since the sediment usually moves within 1m from the sea floor, the existing marine environment monitoring The system is very difficult to observe the sediments on the sea floor.

1개 이상의 turbidity Sensor(207, 208)를 별도의 연결선(207a, 208a)을 통해 수중센서부(200) 하단에 장착하여 관측이 용이하도록 할 수 있다.One or more turbidity sensors 207 and 208 may be mounted at the bottom of the underwater sensor unit 200 through separate connection lines 207a and 208a to facilitate observation.

CTD(Conductivity, Temperature, Depth) 센서 또는 단순히 수심 센서가 장착될 수도 있다.A CTD (Conductivity, Temperature, Depth) sensor or simply a depth sensor may be installed.

수심 센서는 센서가 수압을 측정하여 정수압 방정식에 따라 수심을 계산하는 센서이다.The depth sensor is a sensor that measures the water pressure and calculates the depth according to the hydrostatic pressure equation.

기존의 해양 관측은 항목에 따라 각각의 독립된 장비를 설치하여 관측을 수행한다.Existing ocean observations are performed by installing separate equipment for each item.

각각의 독립된 해양 관측 장비를 사용할 경우 비용이 많이 소요된다. The use of separate marine observation equipment is expensive.

각각의 독립된 해양 관측 장비로 관측할 경우, 시간 동기화가 어려우며, 해양에서 특정한 현상의 원인 규명은 각각의 관측항목이 동시간에 관측되어야 한다. 관측 목적에 맞게 관측항목을 설정할 수 있다.In the case of observation with each independent ocean observation equipment, time synchronization is difficult, and in order to determine the cause of a specific phenomenon in the ocean, each observation item must be observed at the same time. Observation items can be set according to the purpose of observation.

영상분석부의 관측 항목은 항목별로 각각의 Tool 형식으로 개발되어 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를들면, 연안 침ㆍ퇴적 모니터링에 분야에 적용할 경우 파랑, 표층유속, 부유사, 해안선 등 필요한 관측만 수행할 수 있다. The observation items of the image analysis unit are developed in the form of tools for each item, and can be selected according to need. For example, when applied to the field of coastal sedimentation and sedimentation monitoring, only necessary observations such as waves, surface flow rates, suspended solids, and shorelines can be performed.

그러나, 기존의 해양 관측 시스템은 해양 관측을 위한 영상 관측 장치를 활용하여 바다, 강, 해안가 연안 침ㆍ퇴적 모니터링 분야에 적용하기 위해 파랑, 표층 유속, 해안선 관측, 사주 변화를 분석하는 Tool을 사용하고, 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap)를 분석하는 툴을 제공하지 않았다. However, the existing ocean observation system uses a tool that analyzes waves, surface flow velocity, shoreline observation, and key changes in order to apply to the field of monitoring sea, river, and coastal coastal settlement and sedimentation by utilizing image observation devices for ocean observation. In the field of marine environment monitoring, no tools were provided to analyze wave observations, shoreline observations, suspended solids observations, and white caps.

특허공개번호 10-2017-0065653 (공개일자 2017년 06월 13일), "해양 환경 모니터링 시스템" , 마리타임 레이더 시스템즈 리미티드 지.엠.에스. 글로벌 마리타임 서비시즈 리미티드Patent Publication No. 10-2017-0065653 (Publication Date June 13, 2017), "Marine Environment Monitoring System", Maritime Radar Systems Limited G.M.S. Global Maritime Services Limited 특허등록번호 10-11094600000 (등록일자 2012년 01월 18일), "해양 환경 모니터링 시스템", 오션테크 주식회사, 한국해양연구원Patent registration number 10-11094600000 (registration date January 18, 2012), "Marine Environment Monitoring System", Ocean Tech Co., Ltd., Korea Ocean Research Institute

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이미지 취득을 위한 카메라 및 영상분석 프로그램 등을 구비한 수면 영상 관측 장치, 데이터 수집 및 가시화를 위한 서버, 스마트폰에 영상 분석 프로그램을 구비하고, 해양 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌 설정, 수면 영상 취득, 취득된 수면 영상을 분석하여 파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파(white cap) 등을 관측하고 관측 영상과 관측 결과를 서버로 전송하며, 관측 결과 저장 및 관측 정보 표출, 서버와 연동하여 실시간으로 PC 또는 스마트폰으로 확인 가능하며, 바다, 강, 해안가의 파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온, 해안선, 사주 변화, 부유사, 백파(white cap) 등 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템을 제공한다. An object of the present invention for solving the above problems is a surface image observation device equipped with a camera for image acquisition and an image analysis program, a server for data collection and visualization, an image analysis program on a smartphone, and a marine observation purpose Set the image acquisition time and sampling interval according to the conditions, acquire the surface image, and analyze the acquired surface image to observe the wave, surface flow velocity (m/s), surface water temperature, shoreline, suspended sand, white cap, etc. It transmits the observation image and observation result to the server, stores the observation result and displays the observation information, and can be checked with a PC or smartphone in real time in connection with the server, and the wave of the sea, river, shore, and surface velocity (m /s), surface water temperature, shoreline, change of sand, floating sand, white cap, etc., provides an image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring.

본 발명의 다른 목적은 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 방법을 제공한다. Another object of the present invention is to provide an image analysis-based water surface observation method for monitoring a marine environment.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템은 해양 환경 모니터링을 위해 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌을 제어하고, 취득된 수면 영상을 파랑(wave), 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파(white cap)를 분석하고 표층 유속(m/s), 관측 영상이 포함된 관측결과를 도출하며, 상기 관측 영상이 포함된 관측 결과를 서버로 전송하는 수면 영상 관측 장치; 상기 수면 영상 관측 장치로부터 획득된 관측 결과를 수집 및 가시화하는 데이터 수집 및 가시화 서버; 및 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파 관측 결과를 실시간으로 확인하는 프로그램을 구비하는 사용자 단말을 포함하며,
상기 파랑 관측은 2대의 카메라로 취득된 수면의 스테레오 이미지를 분석하여 x, y, z로 구성된 3차원 위상 자료로 재구성하여 파파랑의 파고, 주기, 파향을 갖는 파랑을 관측하며,
상기 해안선 관측은 2대의 카메라로부터 취득된 이미지를 중첩하여 평균이미지 및 분산이미지를 제작하고, 해안의 Cross-shore방향 단면별로 육지면과 해수면의 경계를 추출하며,
상기 평균 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지이고, 상기 분산 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지이며,
상기 해안선 관측은 상기 평균 이미지 및/또는 상기 분산 이미지에서 각각 추출하여 해안선 관측결과를 제공하고,
상기 백파 관측은 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변환하여 사용하며, 백파(white cap)는 해수면에서 파랑이 머리부분이 부서지는 현상으로 이 과정에서 해수와 기체의 혼합으로 흰색을 나타나게 되며, 백파 발생시 이미지에서 백파는 주변의 해수표면보다 픽셀강도가 상대적으로 매우 높게 나타나며,
백파 관측 과정은 A단계 : 시계열 이미지 취득, B단계 : 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변경, C단계~D단계 : 10분 이상 관측된 이미지를 분석하여 해수와 백파의 분리의 기준이 되는 경계값 결정, E단계~F단계 : 각각의 이미지에서 경계값을 기준으로 백파가 발생한 픽셀을 추출하여 백파를 관측한다.
In order to achieve the object of the present invention, an image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring controls an image acquisition timing and sampling interval according to an observation purpose for marine environment monitoring, and transmits the acquired surface image to a wave, Analyze surface flow velocity, surface water temperature, shoreline, suspended sand, and white cap, derive observation results including surface flow velocity (m/s) and observation images, and transmit observation results including the observation images to the server A sleep image observation device; A data collection and visualization server for collecting and visualizing observation results obtained from the surface image observation device; And a user terminal having a program that checks in real time observation results of waves, surface flow rates, surface water temperatures, shorelines, floating sands, and white waves,
In the blue observation, a stereo image of the water surface acquired by two cameras is analyzed and reconstructed into three-dimensional phase data composed of x, y, and z to observe a wave having a wave height, a period, and a wave direction of the wave wave,
In the shoreline observation, an average image and a dispersion image are produced by overlapping images acquired from two cameras, and the boundary between the land surface and sea level is extracted for each cross-shore direction of the coast,
The average image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the average of the pixel intensity of each pixel, and the distributed image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the standard deviation of the pixel intensity of each pixel,
The shoreline observation provides a shoreline observation result by extracting each from the average image and/or the variance image,
The white wave observation is used by converting the acquired image of the sea water surface into a gray scale image, and the white cap is a phenomenon in which the blue head is broken at the sea level, and in this process, white appears due to the mixture of sea water and gas. , When the white wave occurs, the white wave in the image has a relatively higher pixel intensity than the surrounding seawater surface.
In the process of observing white waves, Step A: Acquisition of time series images, Step B: Change the acquired sea surface image to a gray scale image, Steps C to D: Analyze the observed image for more than 10 minutes to determine the criteria for separating sea water and white waves. Determining the threshold value, Step E to Step F: From each image, based on the threshold value, a pixel with a white wave is extracted and the white wave is observed.

상기 수면 영상 관측 장치의 시간 해상도는 1 ~ 15 Hz, 공간해상도는 0.1 ~ 2.0m로 조절 가능하다. The temporal resolution of the surface image observation device is 1 ~ 15 Hz, and the spatial resolution can be adjusted to 0.1 ~ 2.0m.

상기 사용자 단말은 PC 또는 스마트폰을 사용한다. The user terminal uses a PC or smartphone.

상기 수면 영상 관측 장치는 해양 환경 모니터링을 위해 카메라 해수면 영상 관측 IoT 디바이스로 사용되며, The surface image observation device is used as a camera sea level image observation IoT device for monitoring the marine environment,

바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링을 위해 수면 영상을 획득하는 카메라부; 영상 취득 시기 및 샘플링 주파수를 설정하고 상기 관측 결과를 서버로 전송하고, 시스템의 전반적인 제어를 수행하는 제어부; 상기 제어부에 연결되며, 획득된 수면 영상을 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파의 각각의 관측항목에 따라 분석하여 상기 관측 결과를 제공하는 영상분석부; 상기 제어부에 연결되며 관측 결과를 저장하는 저장부; 및 상기 제어부에 연결되며, 3G 모뎀, 또는 LTE 4G/5G 모뎀을 구비하여 서버로 관측 결과를 전송하는 통신부를 포함한다. A camera unit that acquires a surface image for monitoring the marine environment of the sea, river, and shore; A controller configured to set an image acquisition timing and a sampling frequency, transmit the observation result to a server, and perform overall control of the system; An image analysis unit connected to the control unit and analyzing the acquired water surface image according to observation items of blue, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline, floating sand, and white wave, and providing the observation result; A storage unit connected to the control unit and configured to store observation results; And a communication unit connected to the control unit and having a 3G modem or an LTE 4G/5G modem to transmit the observation result to the server.

상기 수면 영상 관측 장치는 상기 제어부에 연결되며, 측정 시각 정보와 상기 관측 결과와 관측 사진을 표시하는 표시부를 더 포함한다. The surface image observation device is connected to the control unit, and further includes a display unit for displaying measurement time information, the observation result, and observation photograph.

상기 파랑 관측은 2대의 카메라로부터 촬영된 수면 영상(스테레오 영상)으로부터 3차원 수면위상 자료를 생성한 후 별도의 후처리(파랑통계)를 통하여 단주기 파랑 및 장주기 파랑의 파고, 주기, 파향을 관측한다. For the wave observation, three-dimensional surface data is generated from the surface image (stereo image) captured by two cameras, and then the wave height, period, and direction of the short-period and long-period waves are observed through separate post-processing (blue statistics). do.

상기 파랑 관측은 2대의 카메라로 취득된 수면의 스테레오 이미지를 분석하여 x, y, z로 구성된 3차원 위상 자료로 재구성하여 파랑(파랑의 파고, 주기, 파향)을 관측하며, The blue observation is performed by analyzing a stereo image of the water surface acquired by two cameras and reconstructing it into three-dimensional phase data composed of x, y, and z to observe the blue (wave height, period, wave direction of the blue),

상기 파랑 관측은 The blue observation is

A단계 : 스테레오 이미지 시계열 취득,Step A: Acquire a stereo image time series,

B단계 : 각각의 이미지에서 SURF(Speeded Up Robust Features) 알고리즘을 이용하여 특징점의 keypoint 추출,Step B: Extract keypoints of feature points using SURF (Speeded Up Robust Features) algorithm from each image,

C단계 : 각각의 이미지에서 추출한 특징점의 keypoint를 상호 매칭, Step C: Match the keypoints of the feature points extracted from each image,

D단계 : 상호 매칭된 특징점의 keypoint를 RANSAC-based epipolar filter를 통하여 매칭 오류(Mismatching keypoint, 오차가 큰 keypoint 등) 제거, Step D: Eliminate matching errors (Mismatching keypoints, keypoints with large errors, etc.) through RANSAC-based epipolar filter for keypoints of mutually matched feature points,

E단계 : 이미지 상호간의 rotation matrix, translation vector 계산, Step E: Rotation matrix between images, calculation of translation vector,

F단계 : 이미지를 3D정보(x, y, z)로 재구성 및 결과 가시화하여 파랑이 관측된다. Step F: The image is reconstructed into 3D information (x, y, z) and the result is visualized to observe blue.

상기 해안선 관측은 카메라로부터 취득된 이미지를 중첩하여 평균이미지 및 분산이미지를 제작하고, 해안의 Cross-shore방향 단면별로 육지면과 해수면의 경계를 추출하며, In the shoreline observation, an average image and a distributed image are produced by overlapping images acquired from a camera, and the boundary between the land surface and sea level is extracted for each cross-shore direction of the coast,

상기 평균 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지이고, 상기 분산 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지이며, The average image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the average of the pixel intensity of each pixel, and the distributed image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the standard deviation of the pixel intensity of each pixel,

상기 해안선 관측은 상기 평균 이미지 및/또는 상기 분산 이미지에서 각각 추출하여 해안선 관측결과를 제공하며, The shoreline observation provides a shoreline observation result by extracting each from the average image and/or the variance image,

상기 해안선 관측 과정은 The coastline observation process

A단계 : 시계열 이미지 취득,Step A: Time series image acquisition,

B단계 : 2개의 이미지를 중첩하여 평균 이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지) 및 분산 이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지) 제작,Step B: Create an average image by overlapping two images (an image that visualizes the average of pixel intensity by overlapping images) and a distributed image (an image that visualizes the standard deviation of pixel intensity by overlapping images).

C단계 : RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,Step C: Geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,

D단계 : 해안선 추출시 기준이 되는 임계치(threshold)를 적용하여 분석영역 노이즈 제거(1차 노이즈 제거),Step D: Remove noise in the analysis area by applying a threshold that is a reference when extracting the shoreline (primary noise removal),

E단계 : 해안선 존재 가능 구간을 추출(2차 노이즈 제거),Step E: Extracting the section where the coastline can exist (secondary noise removal),

F단계 : 일정 간격으로 구성된 기선별 해안선 추출, 및Step F: Extraction of shoreline for each baseline configured at regular intervals, and

G단계~H단계 : 각각의 기선에서 추출된 포인트를 연결하여 해안선 결과 가시화하여 육지면과 해수면의 경계선을 추출한다. Steps G~H: Connect the points extracted from each baseline and visualize the shoreline result to extract the boundary line between the land surface and sea level.

상기 백파 관측은 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변환하여 사용하며, 백파(white cap)는 해수면에서 파랑이 머리부분이 부서지는 현상으로 이 과정에서 해수와 기체의 혼합으로 흰색을 나타나게 되며, 백파 발생시 이미지에서 백파는 주변의 해수표면보다 픽셀강도가 상대적으로 매우 높게 나타나며, The white wave observation is used by converting the acquired image of the sea water surface into a gray scale image, and the white cap is a phenomenon in which the blue head is broken at the sea level, and in this process, white appears due to the mixture of sea water and gas. , When the white wave occurs, the white wave in the image has a relatively higher pixel intensity than the surrounding seawater surface.

백파 관측 과정은 The white wave observation process

* A단계 : 시계열 이미지 취득,* Step A: Time series image acquisition,

* B단계 : 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변경,* Step B: Change the acquired seawater surface image to a gray scale image,

* C단계~D단계 : 10분 이상 관측된 이미지를 분석하여 해수와 백파의 분리의 기준이 되는 경계값 결정,* Step C~D: Determine the boundary value that is the basis for separating seawater and white waves by analyzing images observed for 10 minutes or longer.

* E단계~F단계 : 각각의 이미지에서 경계값을 기준으로 백파가 발생한 픽셀을 추출하여 백파를 관측한다. * Steps E to F: The white wave is observed by extracting the pixels in which the white wave has occurred based on the boundary value in each image.

상기 부유사 관측은 해수 표면의 수면 영상에서 부유사의 농도에 따른 RGB의 픽셀 강도를 부유사 농도로 환산하여 부유사를 관측하며, The suspended solid observation is performed by converting the pixel intensity of RGB according to the concentration of the suspended solid to the suspended solid concentration in the surface image of the seawater surface to observe the suspended solid,

부유사 관측 과정은 The process of observation of suspended solids

* A단계 : 시계열 이미지 취득,* Step A: Time series image acquisition,

* B단계 : RGB밴드 이미지를 각각의 밴드(R-band, G-band, B-band)를 분리 및 RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,* Step B: Separate each band (R-band, G-band, B-band) of the RGB band image and perform geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,

* C단계 : 대상해역에서 적용할 밴드 선택, 선택 기준은 부유사에 가장 민감하게 반응하는 밴드이며, 대상해역의 수질, 해색(Ocean Color)에 따라 적용 밴드가 달라짐, * Step C: Selecting the band to be applied in the target sea area, the selection criterion is the band that responds most sensitively to suspended sand, and the applied band varies depending on the water quality and ocean color of the target sea area.

* D단계 : 적용 밴드의 픽셀강도를 기준 픽셀강도 비율로 계산,* Step D: Calculate the pixel intensity of the applied band as the reference pixel intensity ratio,

* E단계 : 대상해역에서 점 관측된 부유사 농도와 픽셀강도 비율 상관관계식 도출,* Step E: derive a correlation equation between the point-observed suspended solid concentration and pixel intensity ratio in the target sea area,

* F단계 : 점 관측된 부유사 농도를 픽셀강도 비율 상관관계식을 적용하여 2차원 분포로 확장 및 결과 가시화하여 부유사 관측을 한다.* Step F: The observed suspended solid concentration is expanded into a two-dimensional distribution by applying the pixel intensity ratio correlation equation, and the result is visualized to observe the suspended solid.

상기 표층 유속 관측은 해수면의 수면 영상을 관측하여 수면 이미지의 표층의 물거품의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하여 표층유속을 관측한다. In the observation of the surface flow velocity, the surface flow velocity is observed by observing the surface image of the sea level, tracking the movement path of the feature points of the water bubbles in the surface layer of the surface image, and measuring the moving distance per unit time.

상기 표층 수온 관측은 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 카메라 이미지)를 사용하여 해수면의 표층수온을 관측한다. The surface water temperature observation uses an infrared image (near infrared ray or thermal imaging camera image) to observe the surface water temperature at sea level.

상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 스테레오 이미지, 적외선 이미지를 필요에 따라 선택하여 사용한다. For the observation of the surface image, an RGB image, a grayscale image, a stereo image, and an infrared image are selected and used as necessary.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 방법은, 바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링을 위해 수면 영상을 획득하기 위해 관측목적에 맞게 수면 영상 관측 장치의 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌을 설정하고, 수면 영상 관측 장치의 적어도 하나의 카메라를 통해 바다/강/해안가의 수면 영상에 대하여 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측의 해안 영상 취득 시기 및 취득 방법을 제어하는 1단계; 상기 수면 영상 관측 장치의 카메라의 수면 영상을 획득하는 2단계; 상기 수면 영상 관측 장치의 카메라를 통해 획득된 수면 영상에 대하여 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측을 위해 영상을 분석하는 3단계; 해양 환경을 모니터링하기 위해 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap)에 관한 관측 영상을 포함하는 관측 결과를 상기 수면 영상 관측 장치(100)로부터 데이터 수집 및 가시화 서버로 전송하는 4단계; 상기 데이터 수집 및 가시화 서버는 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 결과를 저장하고 실시간으로 정보를 표출하고 비쥬얼하게 가시화하는 5단계; 및 상기 데이터 수집 및 가시화 서버에 연동되어 유무선 통신망을 통해 사용자 단말에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap)의 가시화된 관측 결과를 실시간으로 확인하는 6단계를 포함한다.In order to achieve another object of the present invention, an image analysis-based surface observation method for monitoring a marine environment includes an image of a surface image observation device suitable for an observation purpose in order to obtain a surface image for monitoring the marine environment of the sea, river, and shore. Acquisition timing and sampling interval are set, and blue observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, suspended solids observation, and white cap for water surface images of sea/river/shore through at least one camera of the surface image observation device. ) 1 step of controlling the acquisition timing and acquisition method of the coastal image of the observation; A second step of acquiring a surface image of a camera of the surface image observation device; A third step of analyzing the image of the surface image acquired through the camera of the surface image observation apparatus for blue observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation; The fourth step of collecting data from the surface image observing device 100 and transmitting the observation results including observation images about a wave observation, a shoreline observation, a floating sand observation, and a white cap to monitor the marine environment ; The data collection and visualization server stores wave observation, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation results, and displays the information in real time and visually visualizes them; And a sixth step of interlocking with the data collection and visualization server to check in real time the results of observation of blue waves, observations of shorelines, observations of suspended solids, and observations of white caps through a wired/wireless communication network.

상기 방법은 상기 수면 영상을 관측하여 수면 이미지의 표층의 물거품의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하고, 표층 유속을 관측하는 단계를 더 포함한다. The method further includes the step of observing the surface image and tracking the movement paths of the feature points of the water bubbles in the surface layer of the surface image, measuring the moving distance per unit time, and observing the surface flow velocity.

상기 방법은 표층 수온 관측시에 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 카메라 이미지)를 사용하여 해수면의 표층 수온을 관측하는 단계를 더 포함한다. The method further includes the step of observing the surface water temperature at the sea level using an infrared image (near infrared ray or a thermal imaging camera image) when observing the surface water temperature.

상기 사용자 단말은 PC 또는 스마트폰을 사용하며, The user terminal uses a PC or a smartphone,

상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 적외선 이미지를 필요에 따라 선택하여 사용한다. For the observation of the water surface, an RGB image, a grayscale image, and an infrared image are selected and used as necessary.

본 발명의 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템은 카메라를 구비한 해양 관측 프로그램을 구비한 수면 영상 관측 장치와 영상 처리 기반 수면 관측 시스템의 데이터 수집 및 분석 서버와 PC, 스마트폰에 영상 분석 프로그램을 구비하고, 바다, 강, 해안가 연안 침ㆍ퇴적 모니터링 분야에 적용하기 위해 파랑, 표층 유속, 해안선 관측, 사주 변화를 분석하는 Tool을 사용하고, 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 분석을 제공하는 효과가 있다. The image analysis-based water surface observation system for marine environment monitoring of the present invention includes a water surface image observation device equipped with an ocean observation program equipped with a camera, and data collection and analysis of the image processing-based surface observation system, and image analysis on a server, PC, and smartphone. In order to have a program and apply it to the field of monitoring of sedimentation and sedimentation along the sea, river, and shore, a tool that analyzes changes in waves, surface flow rates, shoreline observations, and slopes is used. It is effective in providing water temperature, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation analysis.

바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링과 연안 침ㆍ퇴적 모니터링 분야에서 영상 처리 기반 수면 관측 장치를 사용하여 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 사주 변화를 분석하는 Tool을 사용하고, 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 분석이 가능하게 되었다.In the field of marine environment monitoring of sea, river and coastal areas and coastal sedimentation and sedimentation monitoring, an image processing-based water surface observation device is used to analyze waves, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, and key changes, and marine environment monitoring In the field, wave observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, suspended solids observation, and white cap observation analysis became possible.

추가로, 영상 처리 기반 수면 관측 장치는 표층 유속, 표층 수온 관측에 대하여 개발될 예정이다.In addition, an image processing-based water surface observation device will be developed for surface flow velocity and surface water temperature observation.

도 1은 종래의 해양 환경 모니터링 시스템의 구성 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템 구성도이다.
도 3은 영상 관측 장치의 컨트롤 보드와 제어 프로그램에 대한 사진이다.
도 4는 해양 탐사 시에 영상 취득부1, 영상 취득부2의 사진이다.
도 5는 파랑(wave)의 구조를 설명한 그림이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 사진이다.
도 7은 파랑 관측 과정을 나타낸 그림이다.
도 8은 평균이미지와 분산이미지를 나타낸다.
도 9는 해안선 관측 과정을 나타낸 그림이다.
도 10은 백파 발생시 픽셀강도 특성을 나타낸다.
도 11은 백파 관측 과정을 나타낸 그림이다.
도 12는 부유사 관측 과정을 나타낸 그림이다.
1 is a cross-sectional view of a conventional marine environment monitoring system.
2 is a block diagram of an image analysis-based surface observation system for monitoring a marine environment according to the present invention.
3 is a photograph of a control board and a control program of the image observation apparatus.
4 is a photograph of an image acquisition unit 1 and an image acquisition unit 2 during ocean exploration.
5 is a diagram illustrating a structure of a wave.
6 is a photograph of a wave observation, a shoreline observation, a floating sand observation, and a white cap observation in the marine environment monitoring field according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a wave observation process.
8 shows an average image and a variance image.
9 is a diagram showing a coastline observation process.
10 shows pixel intensity characteristics when a white wave is generated.
11 is a diagram showing a process of observing a white wave.
12 is a diagram showing a process of observing suspended solids.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템 구성도이다.2 is a block diagram of an image analysis-based surface observation system for monitoring a marine environment according to the present invention.

도 3은 영상 관측 장치의 컨트롤 보드와 제어 프로그램에 대한 사진, 도 4는 해양 탐사 시에 영상 취득부1, 영상 취득부2의 사진이다. 3 is a photograph of a control board and a control program of an image observation apparatus, and FIG. 4 is a photograph of an image acquisition unit 1 and an image acquisition unit 2 during ocean exploration.

본 발명의 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템은 수면 영상 취득, 영상 분석을 통한 관측, 관측결과의 실시간 확인까지의 과정을 시스템화한 것으로, 보다 상세하게는 해양 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌 설정, 바다/강/해안가의 수면 영상 촬영, 취득된 수면 영상을 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 등의 각각의 관측 항목별로 분석하고 측정 시각 정보와 관측 영상(여러장의 이미지들)과 분석 결과를 서버로 전송, 서버에 분석 결과 저장 및 관측 정보 표출, 서버와 연동하여 실시간으로 PC 또는 스마트폰으로 확인 가능한 시스템을 제공한다.The image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring of the present invention systemizes the process of acquiring a surface image, observation through image analysis, and real-time confirmation of the observation result, and more specifically, when the image is acquired according to the purpose of marine observation. And sampling interval setting, sea/river/coastal surface image capture, and analysis of acquired water surface images by observation items such as blue observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation. And it transmits measurement time information, observation images (multiple images) and analysis results to the server, stores the analysis results on the server and displays observation information, and provides a system that can be checked with a PC or smartphone in real time by interlocking with the server.

해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 영상 관측 시스템은 카메라를 구비한 해양 관측 프로그램을 구비한 "영상 처리 기반 수면 관측 장치(100)"와 영상 분석 기반 수면 관측 시스템의 데이터 수집 및 가시화 서버와 PC, 스마트폰에 영상 분석 프로그램을 구비하고, 파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온(℃), 해안선, 부유사, 백파(white cap) 등 관측 결과와 관측 사진을 제공한다. The image analysis-based surface image observation system for marine environment monitoring includes a "image processing-based surface observation device 100" equipped with an ocean observation program equipped with a camera, and a data collection and visualization server and a PC of the image analysis-based surface observation system, Equipped with an image analysis program on a smartphone, it provides observation results and observation photos such as wave, surface flow rate (m/s), surface water temperature (℃), shoreline, floating sand, and white cap.

추가로, 영상 처리 기반 수면 관측 장치(100)는 표층 유속, 표층 수온 관측에 대하여 개발될 예정이다. In addition, the image processing-based water surface observing apparatus 100 will be developed for observing surface flow velocity and surface water temperature.

영상 취득 → 영상 분석 → 실시간 확인까지의 과정을 시스템으로 만들었으며, 영상 처리 기반 수면 관측 장치는 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파(white cap) 각각의 항목별로 프로그램 개발을 수행하였다.The process of image acquisition → image analysis → real-time confirmation was made into a system, and the image processing-based water surface observation device developed a program for each category of blue, surface flow rate, surface water temperature, shoreline, floating sand, and white cap. I did.

영상 처리 기반 수면 관측 장치는 현재 해양 환경 모니터링을 위해 파랑, 해안선, 부유사, 백파 관측에 대하여 개발을 완료하였으며, 표층 유속, 표층 수온 등은 현재 개발 중이며 관측항목은 계속 개발하여 추가 예정이다.The image processing-based surface observation device has been developed for wave, shoreline, floating sand, and white wave observation for marine environment monitoring. Surface flow velocity and surface water temperature are currently being developed, and observation items will be continuously developed and added.

본 발명의 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템은 The image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment of the present invention

해양 환경 모니터링을 위해 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌을 제어하고, 취득된 수면 영상을 파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온(℃), 해안선, 부유사, 백파(white cap)를 분석하고 관측 영상이 포함된 관측결과를 도출하며, 측정 시각 정보와 상기 관측 영상이 포함된 관측 결과를 서버로 전송하는 수면 영상 관측 장치(100); In order to monitor the marine environment, the image acquisition timing and sampling interval are controlled according to the observation purpose, and the acquired water surface image is converted to wave, surface flow rate (m/s), surface water temperature (℃), coastline, suspended sand, and white wave ( white cap), derives observation results including observation images, and transmits measurement time information and observation results including the observation images to a server;

상기 수면 영상 관측 장치(100)로부터 획득된 관측 결과를 수집 및 가시화하는 데이터 수집 및 가시화 서버(200); 및 A data collection and visualization server 200 for collecting and visualizing observation results obtained from the surface image observation apparatus 100; And

파랑(wave), 표층 유속(m/s), 표층 수온(℃), 해안선, 부유사, 백파(white cap)의 관측 영상과 관측 사진(이미지)을 포함하는 관측 결과를 실시간으로 확인하는 프로그램을 구비하는 사용자 단말(300)을 포함한다. A program that checks the observation results in real time, including observation images and observation photographs (images) of wave, surface flow velocity (m/s), surface water temperature (℃), shoreline, floating sand, and white cap. It includes a user terminal 300 provided.

상기 수면 영상 관측 장치의 시간 해상도는 1 ~ 15 Hz, 공간해상도는 0.1 ~ 2.0m로 조절 가능한 것을 특징으로 한다. The temporal resolution of the surface image observation device is 1 to 15 Hz, and the spatial resolution is adjustable to 0.1 to 2.0 m.

예를들면, 10분동안 수면 영상 관측 장치의 15Hz 시간 해상도 촬영하면, 10분 x 60초 x 15 frames = 9000 frame의 이미지가 촬영된다. For example, if you take a 15Hz temporal resolution of a surface image observation device for 10 minutes, an image of 10 minutes x 60 seconds x 15 frames = 9000 frames is captured.

사용자 단말(300)은 PC 또는 스마트폰을 사용하며, 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파(white cap) 분석 결과와 관측 사진을 보기 위한 영상 분석 프로그램을 구비한다. The user terminal 300 uses a PC or smartphone, and has an image analysis program for viewing the results of analysis of blue, surface flow rate, surface water temperature, coastline, suspended sand, white cap and observation photos in the marine environment monitoring field. do.

영상 처리 기반 수면 영상 관측 장치(100)는 해양 환경 모니터링을 위해 카메라 영상 관측 IoT 디바이스로 사용되며, The image processing-based surface image observation apparatus 100 is used as a camera image observation IoT device for monitoring the marine environment,

바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링을 위해 수면 영상을 획득하는 카메라부(110); 영상 취득 시기 및 샘플링 주파수를 설정하고 상기 관측 결과를 서버로 전송하고, 시스템의 전반적인 제어를 수행하는 제어부(111); 상기 제어부(111)에 연결되며, 획득된 수면 영상을 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파의 각각의 관측항목에 따라 분석하여 예를 들면 10분의 관측영상과 관측 사진들이 포함된 관측 결과를 제공하는 영상분석부(112); 상기 제어부(111)에 연결되며 관측 결과를 저장하는 저장부(113); 및 상기 제어부(111)에 연결되며, 3G 모뎀, 또는 LTE 4G/5G 모뎀을 구비하여 서버로 관측 결과를 전송하는 통신부(120)를 포함한다. A camera unit 110 that acquires a surface image for monitoring the marine environment of the sea, river, and shore; A control unit 111 for setting an image acquisition timing and sampling frequency, transmitting the observation result to a server, and performing overall control of the system; It is connected to the control unit 111 and analyzes the acquired water surface image according to each observation item of blue, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline, floating sand, and white wave, and includes, for example, observation images and observation photos of 10 minutes. An image analysis unit 112 for providing the result of the observed observation; A storage unit 113 connected to the control unit 111 and storing observation results; And a communication unit 120 connected to the control unit 111 and having a 3G modem or an LTE 4G/5G modem to transmit the observation result to the server.

상기 수면 영상 관측 장치(100)는 상기 제어부(111)에 연결되며, 시간을 계수하는 타이머를 더 포함한다. The surface image observation apparatus 100 is connected to the control unit 111 and further includes a timer for counting time.

상기 수면 영상 관측 장치(100)는 상기 제어부(111)에 연결되며, 측정 시각 정보와 상기 관측 결과와 관측 사진을 표시하는 표시부를 더 포함한다. The surface image observation apparatus 100 is connected to the control unit 111 and further includes a display unit for displaying measurement time information, the observation result, and observation photograph.

영상 분석부(112)의 영상 분석 SW는 바다, 강, 해안가의 수면 영상의 그레이 스케일, RGB, YCbCr 변환 중 어느 하나 방식의 이미지 프로세싱을 사용한다. The image analysis SW of the image analysis unit 112 uses image processing in any one of gray scale, RGB, and YCbCr conversion of water surface images of the sea, river, and shore.

예를들면, 영상 분석 SW는 RGB 영상을 그레이 스케일 영상으로 변환하고, 그레이 스케일 영상을 사용하여, 카메라 입력 영상을 버퍼링하여 저장하고 이미지 프로세싱(image processing) 및 영상 분석 기능을 제공하며, 관심 영역(ROI, Region of Interest)을 그레이 스케일(grayscale)로 변환하며, 관심 영역(ROI)의 외곽선이 추출되는 실험에 의한 특정 임계값(threshold)을 사용하여 관심 영역(ROI)의 이미지의 히스토그램(histogram)[x축 영상의 각 픽셀의 화소 값, y축 해당 화소 값의 갯수(빈도수)]을 구하고, 그 관심영역 이미지를 Ostu 알고리즘을 사용하여 임계값을 기준으로 0,1로 이진화(binarization)한 후, 히스토그램 평활화(histogram equalization)를 통해 관심 영역(ROI)의 영상의 전처리를 수행하며, sobel edge operator(소벨 엣지 연산자, sobel mask) 또는 canny edge operator(캐니 엣지 연산자)를 사용하여 x 방향의 미분과 y 방향의 미분을 구하고, sobel mask의 가중치를 영상의 화소 값에 곱하고 이들 더하는 convolution에 의해 관심 영역 이미지의 엣지(edge, 물체 영역, 배경 영역의 경계에 위치하는 화소들)를 검출하고 특정 임계값을 적용하여 생성된 엣지 영상의 물체들의 윤곽선(예, 해안선)을 검출하고, 형상 특징(Shape Features)을 추출한다.For example, the image analysis SW converts an RGB image into a gray scale image, uses a gray scale image to buffer and stores the camera input image, provides image processing and image analysis functions, and provides a region of interest ( A histogram of the image of the region of interest (ROI) using a specific threshold by an experiment in which the ROI (region of interest) is converted into grayscale and the outline of the region of interest (ROI) is extracted Calculate the [pixel value of each pixel of the x-axis image, the number of corresponding pixel values on the y-axis (frequency)], and then binarize the ROI image to 0,1 based on the threshold value using the Ostu algorithm. , Pre-processing of the image of the ROI is performed through histogram equalization, and the x-direction differential and Calculate the derivative in the y-direction, multiply the weight of the sobel mask by the pixel value of the image, and detect the edge of the image of the ROI (pixels located at the boundary of the object area, background area) by convolution adding these and a specific threshold value. Is applied to detect the contours (eg, coastline) of the objects of the edge image, and extract shape features.

임계 방법을 사용하는 경우, 화소 값 f(x,y)들이 특정 임계값을 기준으로 입력 영상에 대하여 물체 영역과 배경 영역으로 분리하고, 화소 값 f(x,y)이 특정 임계값 보다 클 경우 물체 영역에 속하는 화소로 결정하고, 반대로 화소 값 f(x,y)이 특정 임계값 보다 작은 경우 배경 영역에 속하는 화소로 결정한다. In the case of using the threshold method, when the pixel values f(x,y) are separated into an object area and a background area of the input image based on a specific threshold value, and the pixel value f(x,y) is greater than a specific threshold value It is determined as a pixel belonging to the object region. Conversely, if the pixel value f(x,y) is less than a specific threshold, it is determined as a pixel belonging to the background region.

예를 들면, RGB 이미지에서 그레이 스케일 이미지로 변환하기 위해 OpenCV에서 RGB 컬러 이미지를 Grayscale 이미지로 변환하는 방법에 대하여 설명한다. For example, in order to convert an RGB image to a grayscale image, a method of converting an RGB color image to a grayscale image in OpenCV will be described.

가장 널리 사용되는 방법 중 하나가 Luma Coding을 사용하며, 공식은 다음과 같다: One of the most widely used methods uses Luma Coding, the formula is as follows:

Y' = 0.2126 \times R' + 0.7152 \times G' + 0.0722 \times B' Y'= 0.2126 \times R'+ 0.7152 \times G'+ 0.0722 \times B'

여기서, R', G', B'은 Red, Green, Blue 채널에 대한 비디오 시스템의 Gamma-compressed 값입니다. 이들로부터 계산된 Y'은 비선형 Luma 컴포넌트(Nonlinear Luma Component)이며, Grayscale된 값입니다. 이 수식을 기반으로 RGB 컬러를 이미지 Grayscale 이미지로 변환하는 OpenCV Source Code는 다음과 같이 예를 들어 설명한다.Here, R', G', B'are Gamma-compressed values of the video system for the Red, Green, and Blue channels. Y'calculated from these is a nonlinear Luma component, which is a grayscaled value. The OpenCV Source Code, which converts RGB color to image Grayscale image based on this formula, is explained as follows.

[example code][example code]

#include <opencv2/opencv.hpp>#include <opencv2/opencv.hpp>

#include <stdlib.h>#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>#include <stdio.h>

using namespace std;using namespace std;

using namespace cv;using namespace cv;

/* function main *//* function main */

int main( int argc, char** argv )int main( int argc, char** argv)

{{

// Load an image // Load an image

cv::Mat image = cv::imread( {YOUR_IMAGE_PATH}, 1 ); cv::Mat image = cv::imread( {YOUR_IMAGE_PATH}, 1 );

cv::Mat image_gray; cv::Mat image_gray;

// Copy image // Copy image

image.copyTo( image_gray ); image.copyTo( image_gray );

int nRows = image.rows; int nRows = image.rows;

int nCols = image.cols; int nCols = image.cols;

// Convert to gray // Convert to gray

float fGray = 0.0f; float fGray = 0.0f;

float chBlue, chGreen, chRed; float chBlue, chGreen, chRed;

for( int j = 0 ; j < nRows ; j++ ) { for( int j = 0; j <nRows; j++) {

for( int i = 0 ; i < nCols ; i++ ) { for( int i = 0; i <nCols; i++) {

chBlue = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[0] ); chBlue = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[0] );

chGreen = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[1] ); chGreen = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[1]);

chRed = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[2] ); chRed = (float)( image.at<cv::Vec3b>(j,i)[2] );

fGray = 0.2126f * chRed + 0.7152f * chGreen + 0.0722f * chBlue; fGray = 0.2126f * chRed + 0.7152f * chGreen + 0.0722f * chBlue;

if( fGray < 0.0 ) fGray = 0.0f; if( fGray <0.0) fGray = 0.0f;

if( fGray > 255.0 ) fGray = 255.0f; if( fGray> 255.0) fGray = 255.0f;

image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[0] = (int)fGray; image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[0] = (int)fGray;

image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[1] = (int)fGray; image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[1] = (int)fGray;

image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[2] = (int)fGray; image_gray.at<cv::Vec3b>(j,i)[2] = (int)fGray;

} }

} }

// Creates window // Creates window

cv::namedWindow( "Image Original", CV_WINDOW_AUTOSIZE ); cv::namedWindow( "Image Original", CV_WINDOW_AUTOSIZE );

cv::namedWindow( "Image Grayed", CV_WINDOW_AUTOSIZE ); cv::namedWindow("Image Grayed", CV_WINDOW_AUTOSIZE);

// Show stuff // Show stuff

cv::imshow( "Image Original", image ); cv::imshow( "Image Original", image );

cv::imshow( "Image Grayed", image_gray ); cv::imshow("Image Grayed", image_gray);

// Wait until user press some key // Wait until user press some key

cv::waitKey(); cv::waitKey();

return 0; return 0;

}}

영상 분석 SW는 RGB 영상의 경우, 해당 코덱(codec)에 따른 통상의 RGB 영상처리 알고리즘을 사용한다.In the case of an RGB image, the image analysis SW uses a conventional RGB image processing algorithm according to a corresponding codec.

영상 분석 SW는 YCbCr 영상의 경우, 해당 코덱(codec)에 따른 통상의 YCbCr 영상처리 알고리즘을 사용한다.In the case of a YCbCr image, the image analysis SW uses a conventional YCbCr image processing algorithm according to a corresponding codec.

파랑(wave)은 바람에 의해 생긴 수면상의 풍랑과 풍랑이 다른 해역까지 진행하면서 감쇠하여 생긴 너울이다. Wave is a swell created by attenuation as the storm on the surface of the water and the storm caused by the wind travel to other sea areas.

해안선 관측은 2개의 RGB 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 평균과 분산을 구하여 평균 이미지 및 분산 이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지)를 생성하고, 특정 임계값을 적용하여 육지면과 해수면이 교차하는 경계선을 추출한다. Shoreline observation is performed by superimposing two RGB images to obtain the average and variance of each pixel to generate an average image and a variance image (an image that visualizes the standard deviation of pixel intensity by overlapping images), and applies a specific threshold to the land surface. The boundary line where the sea level intersects is extracted.

부유사 관측은 바다/강/해안가의 수면 영상의 RGB 강도에 따라 부유사의 농도를 측정한다. Suspended sand observation measures the concentration of suspended sand according to the RGB intensity of the surface image of the sea/river/shore.

부유사(suspended sediment, SS)는 하천 또는 해안에서 물의 흐름이나 파랑에 의해 저면으로부터 부상하여 수중에서 이동되는 부유 토사이며, 수중에 부유상태로 유송되는 부유 토사로서, 하천의 일 단면을 통과하는 부유사량(suspended sediment discharge)은 하천의 특성을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 부유사의 입자 크기, 분포 또는 체적당 농도 정보는 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성 연구에 기초적인 정보가 되며, 부유사의 상세한 정보가 계속적으로 누적되어 획득된 빅 데이터(big data)는 하천이나 해안 연안 지역의 지형 변화를 예측하기 위한 중요 정보로써 사용된다.Suspended sediment (SS) is a floating sediment that floats from the bottom by the flow or wave of water in a river or shore and is moved underwater. It is a floating sediment that is transferred in a floating state in the water. Suspended sediment discharge is one of the important factors that determine the characteristics of streams. Information on particle size, distribution, or concentration per volume of suspended solids becomes basic information for characterization studies on the behavior of erosion and sedimentary environments in rivers or coastal areas, and big data obtained by continuously accumulating detailed information of suspended solids. ) Is used as important information for predicting topographic changes in rivers or coastal areas.

표층 유속 관측은 수명 영상을 관측하여, 수면 영상의 표층의 물거품 등의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하고, 표층 유속을 관측한다. 예를 들면, 수명 영상에서 물거품이 흘러가는 단위 시간당 이동거리를 측정하여 표층 유속을 계산한다.In the observation of the surface flow velocity, the lifetime image is observed, the movement path of the feature points such as water bubbles in the surface layer of the surface image is tracked, the moving distance per unit time is measured, and the surface velocity is observed. For example, in the lifetime image, the surface flow velocity is calculated by measuring the moving distance per unit time through which water bubbles flow.

표층 수온은 근적외선 카메라(열화상 카메라)를 사용하여 해수면의 표층 수온을 관측한다. The surface water temperature is measured using a near-infrared camera (thermal imaging camera).

상기 표층 유속 관측은 수명 이미지를 관측하여 표층의 물거품 등 특정점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하여 표층유속을 관측한다.In the observation of the surface flow velocity, the surface flow velocity is observed by observing the lifetime image and tracking the movement path of specific points such as water bubbles in the surface layer and measuring the moving distance per unit time.

상기 표층 수온 관측은 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 이미지)를 사용하여 해수면의 표층 수온을 관측한다.The surface water temperature observation uses an infrared image (near infrared or thermal image) to observe the surface water temperature at sea level.

상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 스테레오 이미지,적외선 이미지 등을 필요에 따라 선택하여 사용한다. For the observation of the surface image, an RGB image, a grayscale image, a stereo image, an infrared image, etc. are selected and used as necessary.

또한, 다른 실시예2로써 영상 관측 장치(100)는 카메라의 영상을 이동통신망을 통해 전송하는 3G 모뎀 또는 LTE 4G/5G 모뎀을 구비하는 무선 IP 카메라를 사용하며, 무선 IP 카메라 -> NVR 서버와 스토리지 -> 사용자 단말(300)의 모니터링 클라이언트로 전송될 수 있다. In addition, as another embodiment 2, the image observing apparatus 100 uses a wireless IP camera having a 3G modem or an LTE 4G/5G modem that transmits an image of the camera through a mobile communication network, and a wireless IP camera -> NVR server and Storage -> It may be transmitted to the monitoring client of the user terminal 300.

이 경우, 서버에서 수면 영상을 이미지 프로세싱(image processing)을 처리하여 관측 결과를 분석하는 경우, NVR 서버의 스토리지에 저장된 수면 영상을 사용하여 사용자 단말에 관측 결과를 제공할 수 있다. In this case, when the server processes the sleep image by image processing to analyze the observation result, the observation result may be provided to the user terminal using the sleep image stored in the storage of the NVR server.

해양 환경 모니터링 데이터 수집 및 분석 서버(100)는 카메라 영상 촬영 장치를 통해 해양 환경 모니터링을 위해 바다/강/해안가의 수면 영상 데이터를 수집하여 저장하고 이를 분석하며, 바다, 강, 해안가의 파랑(wave), 표층 유속(km/h), 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파(white cap) 관측결과를 제공한다. The marine environment monitoring data collection and analysis server 100 collects, stores, and analyzes the water surface image data of the sea/river/shore for monitoring the marine environment through a camera image photographing device. ), surface flow rate (km/h), surface water temperature, shoreline, suspended sand, and white cap observation results are provided.

도 5는 파랑(wave)의 구조를 설명하기 위한 그림이다. 5 is a diagram for explaining the structure of a wave.

파랑(wave)의 구조를 참조하면, 파랑은 수면에서 가장 높은 부분을 마루, 가장 낮은 부분을 골, 마루와 골의 높이 차이를 파고로 정의하며 마루에서 다음 마루까지를 1개의 파랑으로 간주하고 그 사이의 거리를 파장, 그 사이의 시간을 주기로 정의한다. 파랑(wave)의 특성을 나타내는 요소는 파고ㆍ주기ㆍ파향ㆍ파장ㆍ파압ㆍ파속 등이 있다. 파랑은 대표적으로 수심이 깊어서 파랑에 의한 물입자의 운동이 해저면에 거의 도달하지 않은 심해파(Deep water wave), 수심이 얕아 물입자의 운동이 해저면까지 충분히 도달하는 천해파(Shallow water wave)로 구분한다. 또한 파의 주기를 기준으로 장주기파, 단주기파로 구분하며, 필요에 따라 여러가지 구분 기준이 적용된다.Referring to the structure of wave, blue is defined as the highest part of the water surface as the floor, the lowest part as the valley, and the difference in height between the floor and the valley as wave height. The distance between them is defined as the wavelength and the time between them as the period. Elements that represent the characteristics of wave include wave height, period, wave direction, wavelength, wave pressure, and wave speed. Waves are typically deep water waves, where the motion of water particles by the waves hardly reaches the sea floor, and shallow water waves that sufficiently reach the sea floor due to shallow water depth. ). In addition, it is divided into long-period waves and short-period waves based on the period of the wave, and various classification criteria are applied as necessary.

해안선(coastline 또는 shoreline)은 육지면과 해수면이 교차하는 경계선을 의미하며, 수선(water line)또는 정선(汀線)이라고 한다. 해수면은 조석, 파랑 등으로 끊임없이 승강하므로 해안선의 위치는 엄밀하게 말하면 일정하지 않다. 고조시의 해안선은 고조 해안선, 저조시의 해안선은 저조 해안선이라고 부른다. 그러나 대부분의 경우, 단순히 해안선은 평균해면과 육지와의 경계선을 가리킨다. Coastline (coastline or shoreline) refers to the boundary line where the land surface and sea level cross, and is called a water line or a fixed line. The sea level constantly rises and descends in tides and waves, so the location of the shoreline is not strictly constant. The coastline of Gojo is called the Gojo coastline, and the coastline of Lowjo is called the low tide coastline. However, in most cases, the coastline simply refers to the boundary between the average sea level and land.

부유사(suspended sediment 또는 suspended load)는 하천 또는 해안에서 물의 흐름이나 파랑에 의해 저면으로부터 부상하여 수중에서 이동되는 부유토사이다.Suspended sediment (suspended sediment or suspended load) is a floating sediment that is moved underwater by floating from the bottom by the flow or wave of water in a river or shore.

부유사는 흐르는 물에서 토사가 물에 뜨는 것은 물의 난류현상 때문이다. 부유사는 대부분 점토, 실트, 세사이며, 부유사들은 수심과 관계없이 고르게 분산되고 운반된다. 유수와 하상간의 마찰에 의한 교란운동에 의해 난류가 발생하고, 이로부터 유량과 유수 등의 증가와 더불어 급격히 활발해진다. 이는 홍수기에 최고조에 이르며, 이때 부유사도 집중적으로 운반된다.The floating sand is due to the turbulent flow of water that floats on the water in the flowing water. Most of the floating yarns are clay, silt, and fine yarn, and the floating yarns are distributed and transported evenly regardless of the water depth. Turbulence occurs due to disturbing motion caused by friction between the running water and the bed, and from this, it becomes active rapidly with an increase in flow rate and running water. This reaches its peak during the flood period, when suspended solids are also intensively transported.

백파(white cap)는 바람 등에 영향으로 하얗게 부수어진 파의 머리를 의미하며, 대기와 해양의 기체교환 및 열교환의 중요한 역할을 한다. The white cap refers to the head of the wave broken white by the influence of wind, etc., and plays an important role in gas exchange and heat exchange between the atmosphere and the ocean.

* 영상 처리 기반 수면 관측 장치의 장점 * Advantages of image processing-based sleep observation device

각각의 독립된 영상 관측 장치는 해양에서 점(point)관측만 가능하며, 영상 관측은 영역관측이 가능하다.Each independent image observation device is capable of only point observation in the ocean, and image observation is capable of area observation.

영상 처리 기반 수면 관측 장치의 시간 해상도는 약 1∼15Hz, 공간해상도는 약 0.1m∼2.0m이며, 시간적으로나 공간적으로 고해상도 관측결과를 제공한다. The temporal resolution of the image processing-based sleep observation device is about 1 to 15 Hz, and the spatial resolution is about 0.1 m to 2.0 m, and provides high-resolution observation results in temporal and spatial terms.

영상 처리 기반 수면 관측 장치는 관측결과를 시각적으로 확인 가능하여 오류 확인이 편리하다.The image processing-based sleep observing device can visually check the observation result, so it is convenient to check errors.

각각의 관측 항목이 시간 동기화(동일한 자료를 분석하여 각각의 관측항목별로 관측결과를 추출함으로)가 되어있어 해양에서 특정한 현상의 원인 규명에 매우 효율적이다. Since each observation item is time-synchronized (by analyzing the same data and extracting the observation result for each observation item), it is very effective in determining the cause of a specific phenomenon in the ocean.

직접관측 장비는 해양에서 점(point)관측만 가능하며, 영상 관측은 영역(Area)관측이 가능하다. Direct observation equipment is only available for point observation in the ocean, and image observation is possible for area observation.

직접관측 장비는 관측장비의 설치 및 유지관리에 비용이 많이 소모되며 장비 유실 가능성이 매우 높다.Direct observation equipment is expensive to install and maintain observation equipment, and the possibility of equipment loss is very high.

이미지 처리 기반 수면 관측 시스템 및 방법은 Image processing-based sleep observation system and method

바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링을 위해 수면 영상을 획득하기 위해 관측목적에 맞게 수면 영상 관측 장치의 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌을 설정하고, 수면 영상 관측 장치(100)의 적어도 하나의 카메라를 통해 바다/강/해안가의 수면 영상 촬영, 취득된 수면 영상에 대하여 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측의 해안 영상 취득 시기 및 취득 방법을 제어하는 1단계; 수면 영상 관측 장치(100)의 카메라의 수면 영상을 획득하는 2단계; 수면 영상 관측 장치의 카메라를 통해 획득된 수면 영상에 대하여 파랑 관측, 표층 유속, 표층 수온, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측을 위해 영상을 분석하는 3단계; 해양 환경을 모니터링하기 위해 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap)에 관한 관측 영상(여러장의 관측 사진)을 포함하는 관측 결과를 수면 영상 관측 장치(100)로부터 데이터 수집 및 가시화 서버(200)로 전송하는 4단계; In order to acquire a surface image for monitoring the marine environment of the sea, river, and shore, the image acquisition timing and sampling interval of the surface image observation device are set according to the observation purpose, and through at least one camera of the surface image observation device 100 1 to control the acquisition timing and acquisition method of coastal images for sea/river/shore surface imaging, blue observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation for the acquired surface image step; A second step of acquiring a sleep image from a camera of the sleep image observation apparatus 100; A third step of analyzing the image for wave observation, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation of the water surface image acquired through the camera of the surface image observation device; Data collection and visualization server from the surface image observing device 100 for observation results including observation images (multiple observation pictures) about blue observation, shoreline observation, floating sand observation, and white cap to monitor the marine environment Step 4 of transmitting to 200;

상기 데이터 수집 및 가시화 서버(200)는 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 결과를 저장하고 실시간으로 정보를 표출하고 비쥬얼하게 가시화하는 5단계; 및 데이터 수집 및 가시화 서버(200)에 연동되어 유무선 통신망을 통해 사용자 단말(PC, 스마트폰)(300)에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap)의 가시화된 관측 결과를 실시간으로 확인하는 6단계를 포함한다.The data collection and visualization server 200 stores wave observation, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation results, and displays information in real time and visually visualizes them; And data collection and visualization server 200 is interlocked with the user terminal (PC, smart phone) 300 through a wired/wireless communication network to monitor blue, shoreline, floating, and white cap visualized observation results in real time. It includes six steps to check.

상기 방법은 상기 수면 영상을 관측하여 수면 이미지의 표층의 물거품의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하고, 표층 유속을 관측하는 단계를 더 포함한다. The method further includes the step of observing the surface image and tracking the movement paths of the feature points of the water bubbles in the surface layer of the surface image, measuring the moving distance per unit time, and observing the surface flow velocity.

상기 방법은 표층 수온 관측시에 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 카메라 이미지)를 사용하여 해수면의 표층 수온을 관측하는 단계를 더 포함한다. The method further includes the step of observing the surface water temperature at the sea level using an infrared image (near infrared ray or a thermal imaging camera image) when observing the surface water temperature.

상기 사용자 단말은 PC 또는 스마트폰을 사용하며, The user terminal uses a PC or a smartphone,

상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 적외선 이미지를 필요에 따라 선택하여 사용한다. For the observation of the water surface, an RGB image, a grayscale image, and an infrared image are selected and used as necessary.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해양 환경 모니터링 분야에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 사진이다. 6 is a photograph of a wave observation, a shoreline observation, a floating sand observation, and a white cap observation in the marine environment monitoring field according to an embodiment of the present invention.

실시예에서는, 영상 처리 기반 수면 관측 장치의 시간 해상도는 약 1~ 15Hz, 공간해상도는 약 0.1~2m이며, 시간적으로나 공간적으로 고해상도 영상을 제공한다. In an embodiment, the temporal resolution of the image processing-based sleep observing apparatus is about 1 to 15 Hz, and the spatial resolution is about 0.1 to 2 m, and provides a high-resolution image temporally and spatially.

바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링과 연안 침ㆍ퇴적 모니터링 분야에서 영상 처리 기반 수면 관측 장치를 사용하여 바다/강/해안가의 수면 영상의 파랑(wave), 표층 유속, 해안선 관측, 사주 변화를 분석하는 Tool을 사용하고, 해양 환경 모니터링과 연안 침ㆍ퇴적 모니터링 분야에서 파랑 관측, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파(white cap) 관측 분석이 가능하게 되었다.Analysis of wave, surface velocity, shoreline observation, and key changes in sea/river/shore water surface images using image processing-based water surface observation devices in the fields of marine environment monitoring of sea, river and coastal areas and coastal sedimentation monitoring. With the use of tools to monitor the marine environment and monitoring of coastal sedimentation and sedimentation, wave observation, shoreline observation, floating sand observation, and white cap observation analysis became possible.

파랑 관측은 단지 2 대의 카메라를 사용한다. 이와 달리, 해안선 관측, 부유사 관측, 백파 관측은 1대의 카메라를 사용한다. Blue observation uses only 2 cameras. In contrast, observation of the shoreline, observation of suspended solids, and observation of white waves uses a single camera.

파랑 관측은 2대의 카메라로 취득된 수면 영상(스테레오 영상)으로부터 수면의 스테레오 이미지를 분석하며, x, y, z로 구성된 3차원 위상 자료로 재구성하여 파랑(파랑의 파고, 주기, 파향)을 관측한다. Blue observation analyzes the stereo image of the water surface from the water surface image (stereo image) acquired by two cameras, and observes the blue (wave height, period, wave direction) by reconstructing 3D phase data consisting of x, y, and z. do.

도 7은 파랑 관측 과정을 나타낸 것이다. 7 shows a wave observation process.

* A단계 : 스테레오 이미지 시계열 취득,* Step A: Stereo image time series acquisition,

* B단계 : 각각의 이미지에서 SURF(Speeded Up Robust Features) 알고리즘을 이용하여 특징점의 keypoint 추출, SURF 알고리즘은 기존에 특징점 추출에 적용된 SIFT (Scale Invariant Feature Transform) 알고리즘에 계산속도를 향상시키기 위해 Herbert Bay가 2008년에 제안한 방법으로 다중-스케일 공간 정리(Multi-Scale Space Theory)을 기반으로, 헤시안 행렬(Hessian Matrix)이 적용되며 이 과정에서 계산량을 줄이기 위해 적분 이미지(Integral Image)를 사용한다. 적분 이미지는 Paul Viola이 2001년에 제안하였다.* Step B: Keypoint extraction of feature points using SURF (Speeded Up Robust Features) algorithm from each image, and SURF algorithm is Herbert Bay to improve the computation speed of SIFT (Scale Invariant Feature Transform) algorithm applied to feature point extraction. In 2008, the Hessian Matrix is applied based on the Multi-Scale Space Theory, and an integral image is used to reduce the amount of computation in this process. The integral image was proposed in 2001 by Paul Viola.

* C단계 : 각각의 이미지에서 추출한 특징점의 keypoint를 상호 매칭, * Step C: Match the keypoints of the feature points extracted from each image,

* D단계 : 상호 매칭된 특징점의 keypoint를 RANSAC-based epipolar filter를 통하여 매칭 오류(Mismatching keypoint, 오차가 큰 keypoint 등) 제거 후 기본행렬(rotation matrix, translation vector) 생성, epipolar geometry는 서로 다른 위치와 방향에서 취득한 두 장의 장면(스테레오 이미지 등)에 대한 기하학이며 두 이미지의 상대적인 회전과 이동 성분뿐 아니라 카메라의 내부 파라미터의 정보를 포함한 기본행렬(rotation matrix, translation vector)이다. RANSAC(Random Sampling Consensus)는 Fischler와 Bolles에 의해 1981년에 제안된 방법으로 의미있는 비율(significant percentange)의 상당한 오차가 포함된 데이터에 대해서도 적용이 가능하여 오차가 수반되는 영상분석에 적합하다. RANSAC 방법은 특징점 정합 후에 얻어진 대응점으로부터 최소의 개수로 구성된 모델을 임의로 추출하고 최소 제곱법을 이용하여 모델의 계수들을 추정한다. 또한, 위에서 사용되지 않은 데이터를 이용하여 또 다른 모델을 생성하고 모델의 계수들을 추정한다. 모든 대응점에 대해 각 모델로부터 얻어진 기본행렬과의 오차값을 추정한 다음 정해진 임계값보다 작은 오차값의 개수를 구한다. 위의 과정을 최대 반복횟수까지 반복하여 임계값보다 작은 오차값을 포함하는 모델 중에서 개수가 가장 많은 모델을 최종 모델로 선택하는 방법이다. * Step D: After removing the matching error (Mismatching keypoint, keypoint with a large error, etc.) through a RANSAC-based epipolar filter, the keypoints of the mutually matched feature points are removed, and then a rotation matrix (translation vector) is created, and the epipolar geometry is different It is the geometry of two scenes (stereo images, etc.) acquired from the orientation, and is a rotation matrix (translation vector) that contains information on internal parameters of the camera as well as the relative rotation and movement components of the two images. RANSAC (Random Sampling Consensus) is a method proposed in 1981 by Fischler and Bolles, and can be applied to data containing significant errors of a significant percentange, and is suitable for image analysis involving errors. The RANSAC method randomly extracts a model consisting of the smallest number from the corresponding points obtained after matching the feature points, and estimates the coefficients of the model using the least squares method. In addition, another model is created using the data not used above and the coefficients of the model are estimated. For all corresponding points, an error value with the base matrix obtained from each model is estimated, and then the number of error values smaller than a predetermined threshold is calculated. This is a method of repeating the above process up to the maximum number of iterations to select the model with the largest number of the models including an error value smaller than the threshold value as the final model.

* E단계 : 이미지 상호간의 기본행렬을 적용하여 이미지를 3D정보(x, y, z)로 재구성* Step E: Reconstruct the image into 3D information (x, y, z) by applying the basic matrix between the images

* F단계 : 결과 가시화.* Step F: Visualization of results.

상기 해안선 관측은 1대 또는 2대의 카메라로부터 취득된 이미지를 중첩하여 평균이미지 및 분산이미지를 제작하고, 해안의 Cross-shore방향 단면별로 육지면과 해수면의 경계를 추출한다. In the shoreline observation, an average image and a dispersion image are produced by overlapping images acquired from one or two cameras, and the boundary between the land surface and sea level is extracted for each cross-shore direction cross-section of the coast.

상기 평균 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지이다.The average image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the average of the pixel intensity of each pixel.

상기 분산 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지이다. The distributed image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the standard deviation of the pixel intensity of each pixel.

본 해안선 관측은 평균 이미지 및/또는 분산 이미지에서 각각 추출하여 해안선 관측결과를 제공한다. 해안선 관측 과정은 분산 이미지에서 해안선 관측을 하거나 또는 평균 이미지에서의 해안선 관측을 한다.This shoreline observation provides shoreline observation results by extracting each from the average image and/or the variance image. In the coastline observation process, the shoreline observation is made from the variance image or the shoreline observation is made from the average image.

해안선 관측 과정은 분산 이미지에서 해안선 관측 과정을 대표적으로 나타내었으며, 평균 이미지에서의 해안선 관측 또한 동일한 과정이 적용된다. 분산 이미지의 해안선과 평균 이미지에서의 해안선은 분석과정이 동일하며, 해안선의 정의만 다르다.The coastline observation process is representative of the shoreline observation process in the variance image, and the same process is applied to the shoreline observation in the average image. The analysis process is the same for the coastline in the distributed image and the coastline in the average image, only the definition of the coastline is different.

도 6은 해안선 관측 과정을 나타내며, 도 8은 평균 이미지와 분산 이미지를 나타낸 것이다. 6 shows a coastline observation process, and FIG. 8 shows an average image and a variance image.

해안선 관측 과정은 The coastline observation process

* A단계 : 시계열 이미지 취득,* Step A: Time series image acquisition,

* B단계 : 복수개의 이미지를 중첩하여 평균이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지) 및 분산이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지) 제작,* Step B: Create an average image (an image that visualizes the average pixel intensity by overlapping images) and a distributed image (an image that visualizes the standard deviation of pixel intensity by overlapping images),

* C단계 : RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,* Step C: Geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,

* D단계 : 해안선 추출시 기준이 되는 임계치(threshold)를 적용하여 분석영역 노이즈 제거(1차 노이즈 제거),* Step D: Remove noise in the analysis area by applying a threshold that is a reference when extracting the shoreline (primary noise removal),

* E단계 : 해안선 존재 가능 구간을 추출(2차 노이즈 제거),* Step E: Extracting the possible section of the coastline (removing the secondary noise),

* F단계 : 일정 간격으로 구성된 기선별 해안선 추출,* Step F: Extraction of shoreline by baseline configured at regular intervals,

* G단계~H단계 : 각각의 기선에서 추출된 포인트를 연결하여 해안선 결과 가시화.* Level G ~ Level H: Visualize coastline results by connecting points extracted from each baseline.

상기 백파 관측은 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변환하여 사용한다. 백파(white cap)는 해수면에서 파랑(wave)의 머리부분이 부서지는 현상으로써, 이 과정에서 해수와 기체의 혼합으로 흰색을 나타난다. 이미지에서 백파는 주변의 해수표면보다 픽셀 강도가 매우 높게 나타난다. The white wave observation is used by converting the acquired sea surface image into a gray scale image. White cap is a phenomenon in which the head of the wave breaks at the sea level, and in this process, the white color appears due to the mixture of sea water and gas. In the image, the white wave has a much higher pixel intensity than the surrounding seawater surface.

도 10은 백파 발생시 픽셀강도 특성을 나타내며, 도 11은 백파 관측 과정을 나타낸다. 10 shows pixel intensity characteristics when a white wave is generated, and FIG. 11 shows a process of observing a white wave.

* A단계 : 시계열 이미지 취득,* Step A: Time series image acquisition,

* B단계 : 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변경,* Step B: Change the acquired seawater surface image to a gray scale image,

* C단계~D단계 : 10분 이상 관측된 이미지를 분석하여 해수와 백파의 분리의 기준이 되는 경계값 결정,* Step C~D: Determine the boundary value that is the basis for separating seawater and white waves by analyzing images observed for 10 minutes or longer.

* E단계~F단계 : 각각의 이미지에서 경계값을 기준으로 백파가 발생한 픽셀 추출.* Steps E~F: Extracting pixels with white waves based on the boundary value in each image.

상기 부유사 관측은 해수 표면의 수면 영상에서 부유사의 농도에 따른 RGB의 픽셀 강도를 부유사 농도로 환산하여 부유사를 관측한다. 도 12는 부유사 관측 과정을 나타낸다. The suspended solid observation is performed by converting the pixel intensity of RGB according to the concentration of the suspended solid into the suspended solid concentration in the water surface image of the seawater surface to observe the suspended solid. 12 shows the process of observing suspended solids.

* A단계 : 시계열 이미지 취득,* Step A: Time series image acquisition,

* B단계 : RGB밴드 이미지를 각각의 밴드(R-band, G-band, B-band)를 분리 및 RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,* Step B: Separate each band (R-band, G-band, B-band) of the RGB band image and perform geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,

* C단계 : 대상해역에서 적용할 밴드 선택, 선택 기준은 부유사에 가장 민감하게 반응하는 밴드이며, 대상 해역의 수질, 해색(Ocean Color)에 따라 적용 밴드가 달라짐, * Step C: Selecting the band to be applied in the target sea area, the selection criterion is the band that responds most sensitively to suspended sand, and the applied band varies depending on the water quality and ocean color of the target sea area.

* D단계 : 적용 밴드의 픽셀강도를 기준 픽셀강도 비율로 계산,* Step D: Calculate the pixel intensity of the applied band as the reference pixel intensity ratio,

* E단계 : 대상해역에서 점 관측된 부유사 농도와 픽셀강도 비율 상관관계식 도출,* Step E: derive a correlation equation between the point-observed suspended solid concentration and pixel intensity ratio in the target sea area,

* F단계 : 점 관측된 부유사 농도를 픽셀강도 비율 상관관계식을 적용하여 2차원 분포로 확장 및 결과 가시화하여 부유사를 관측한다. * Step F: The observed suspended solid concentration is expanded to a two-dimensional distribution by applying the pixel intensity ratio correlation equation and the result is visualized to observe the suspended solid.

상기 표층 유속 관측은 해수면의 수면 영상을 관측하고, 수면 이미지의 표층의 물거품의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하고 표층유속을 관측한다. In the observation of the surface flow velocity, the surface surface image of the sea level is observed, the movement paths of the feature points of the water bubbles in the surface layer of the surface image are tracked to measure the moving distance per unit time, and the surface flow velocity is observed.

상기 표층 수온 관측은 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 카메라 이미지)를 사용하여 해수면의 표층수온을 관측한다. The surface water temperature observation uses an infrared image (near infrared ray or thermal imaging camera image) to observe the surface water temperature at sea level.

상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 스테레오 이미지, 적외선 이미지 등을 필요에 따라 선택하여 사용한다. For the observation of the surface image, an RGB image, a grayscale image, a stereo image, an infrared image, and the like are selected and used as necessary.

본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조를 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 스토리지, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과, 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로써 작동하도록 구성될 수 있다.The embodiments according to the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, and data structures alone or in combination. Computer-readable recording media include storage, magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, etc. may be included. Examples of program instructions may include those produced by a compiler, and high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter as well as machine language codes. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터의 소프트웨어를 이용하여 읽을 수 있는 형태로 기록매체(CD-ROM, RAM, ROM, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등)에 저장될 수 있다. As described above, the method of the present invention is implemented as a program and can be read using software of a computer, such as a recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, memory card, hard disk, magneto-optical disk, storage device, etc.). ) Can be stored.

본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, various modifications or variations of the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims by those of ordinary skill in the relevant technical field You will understand that it can be done.

100: 수면 영상 관측 장치
110: 카메라부 111: 제어부
112: 영상분석부 113: 저장부
120: 통신부
200: 데이터 수집 및 가시화 서버
300: 사용자 단말(PC, 스마트폰)
100: surface image observation device
110: camera unit 111: control unit
112: image analysis unit 113: storage unit
120: communication department
200: Data collection and visualization server
300: User terminal (PC, smartphone)

Claims (16)

해양 환경 모니터링을 위해 관측목적에 맞게 영상 취득 시기 및 샘플링 인터벌을 제어하고, 취득된 수면 영상을 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파를 분석하고 관측 영상이 포함된 관측결과를 도출하며, 상기 관측 결과를 서버로 전송하는 수면 영상 관측 장치;
상기 수면 영상 관측 장치로부터 획득된 관측 결과를 수집 및 가시화하는 데이터 수집 및 가시화 서버; 및
파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파 관측 결과를 실시간으로 확인하는 프로그램을 구비하는 사용자 단말을 포함하며,
상기 파랑 관측은 2대의 카메라로 취득된 수면의 스테레오 이미지를 분석하여 x, y, z로 구성된 3차원 위상 자료로 재구성하여 파파랑의 파고, 주기, 파향을 갖는 파랑을 관측하며,
상기 해안선 관측은 2대의 카메라로부터 취득된 이미지를 중첩하여 평균이미지 및 분산이미지를 제작하고, 해안의 Cross-shore방향 단면별로 육지면과 해수면의 경계를 추출하며,
상기 평균 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지이고, 상기 분산 이미지는 복수개의 이미지를 중첩하여 각 픽셀의 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지이며,
상기 해안선 관측은 상기 평균 이미지 및/또는 상기 분산 이미지에서 각각 추출하여 해안선 관측결과를 제공하고,
상기 백파 관측은 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변환하여 사용하며, 백파(white cap)는 해수면에서 파랑이 머리부분이 부서지는 현상으로 이 과정에서 해수와 기체의 혼합으로 흰색을 나타나게 되며, 백파 발생시 이미지에서 백파는 주변의 해수표면보다 픽셀강도가 상대적으로 매우 높게 나타나며,
백파 관측 과정은 A단계 : 시계열 이미지 취득, B단계 : 취득된 해수표면의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 변경, C단계~D단계 : 10분 이상 관측된 이미지를 분석하여 해수와 백파의 분리의 기준이 되는 경계값 결정, E단계~F단계 : 각각의 이미지에서 경계값을 기준으로 백파가 발생한 픽셀을 추출하여 백파를 관측하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
In order to monitor the marine environment, the timing of image acquisition and sampling interval are controlled according to the observation purpose, and the acquired water surface image is analyzed for blue, surface flow rate, surface water temperature, shoreline, floating sand, and white waves, and observation results including observation images are derived. And a surface image observation device that transmits the observation result to a server;
A data collection and visualization server for collecting and visualizing observation results obtained from the surface image observation device; And
It includes a user terminal equipped with a program that checks the observation results of waves, surface flow rate, surface water temperature, shoreline, suspended sand, and white waves in real time,
In the blue observation, a stereo image of the water surface acquired by two cameras is analyzed and reconstructed into three-dimensional phase data composed of x, y, and z to observe a wave having a wave height, a period, and a wave direction of the wave wave,
In the shoreline observation, an average image and a dispersion image are produced by overlapping images acquired from two cameras, and the boundary between the land surface and sea level is extracted for each cross-shore direction of the coast,
The average image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the average of the pixel intensity of each pixel, and the distributed image is an image obtained by superimposing a plurality of images to visualize the standard deviation of the pixel intensity of each pixel,
The shoreline observation provides a shoreline observation result by extracting each from the average image and/or the variance image,
The white wave observation is used by converting the acquired image of the sea water surface into a gray scale image, and the white cap is a phenomenon in which the blue head is broken at the sea level, and in this process, white appears due to the mixture of sea water and gas. , When the white wave occurs, the white wave in the image has a relatively higher pixel intensity than the surrounding seawater surface.
In the process of observing white waves, Step A: Acquisition of time series images, Step B: Change the acquired sea surface image to a gray scale image, Steps C to D: Analyze the observed image for more than 10 minutes to determine the criteria for separating sea water and white waves. Determination of the threshold value, Step E~F: An image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment by extracting the pixels where the white wave has occurred based on the boundary value from each image and observing the white wave.
제1항에 있어서,
상기 수면 영상 관측 장치의 시간 해상도는 1~15 Hz, 공간해상도는 0.1 ~ 2.0m로 조절 가능한, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The temporal resolution of the surface image observation device is 1 to 15 Hz, and the spatial resolution is adjustable to 0.1 to 2.0 m, an image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring.
제1항에 있어서,
상기 사용자 단말은 PC 또는 스마트폰을 사용하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The user terminal using a PC or smartphone, image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring.
제1항에 있어서,
상기 수면 영상 관측 장치는 해양 환경 모니터링을 위해 카메라 영상 관측 IoT 디바이스로 사용되며,
바다, 강, 해안가의 해양 환경 모니터링을 위해 수면 영상을 획득하는 카메라부;
영상 취득 시기 및 샘플링 주파수를 설정하고 상기 관측 결과를 서버로 전송하고, 시스템의 전반적인 제어를 수행하는 제어부;
상기 제어부에 연결되며, 획득된 수면 영상을 파랑, 표층 유속, 표층 수온, 해안선, 부유사, 백파의 각각의 관측항목에 따라 분석하여 상기 관측 결과를 제공하는 영상분석부;
상기 제어부에 연결되며 관측 결과를 저장하는 저장부; 및
상기 제어부에 연결되며, 3G 모뎀, 또는 LTE 4G/5G 모뎀을 구비하여 서버로 관측 결과를 전송하는 통신부;
를 포함하는 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The surface image observation device is used as a camera image observation IoT device for monitoring the marine environment,
A camera unit that acquires a surface image for monitoring the marine environment of the sea, river, and shore;
A controller configured to set an image acquisition timing and a sampling frequency, transmit the observation result to a server, and perform overall control of the system;
An image analysis unit connected to the control unit and analyzing the acquired water surface image according to observation items of blue, surface flow velocity, surface water temperature, shoreline, floating sand, and white wave, and providing the observation result;
A storage unit connected to the control unit and configured to store observation results; And
A communication unit connected to the control unit and having a 3G modem or an LTE 4G/5G modem to transmit observation results to a server;
Image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment comprising a.
제4항에 있어서,
상기 수면 영상 관측 장치는
상기 제어부에 연결되며, 측정 시각 정보와 상기 관측 결과와 관측 사진을 표시하는 표시부를 더 포함하는 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 4,
The sleep image observation device
An image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring, connected to the control unit, and further comprising a display unit for displaying measurement time information, the observation result, and the observation picture.
제1항에 있어서,
상기 파랑 관측은
A단계 : 스테레오 이미지 시계열 취득,
B단계 : 각각의 이미지에서 SURF(Speeded Up Robust Features) 알고리즘을 이용하여 특징점의 keypoint 추출,
C단계 : 각각의 이미지에서 추출한 특징점의 keypoint를 상호 매칭,
D단계 : 상호 매칭된 특징점의 keypoint를 RANSAC-based epipolar geometry filtering을 통하여 매칭 오류(Mismatching keypoint, 오차가 큰 keypoint 등) 제거 후 기본행렬(rotation matrix, translation vector) 생성
E단계 : 이미지 상호간의 기본행렬을 적용하여 이미지를 3D정보(x, y, z)로 재구성,
F단계 : 결과 가시화,
를 포함하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The blue observation is
Step A: Acquire a stereo image time series,
Step B: Extract keypoints of feature points using SURF (Speeded Up Robust Features) algorithm from each image,
Step C: Match the keypoints of the feature points extracted from each image,
Step D: Remove matching errors (Mismatching keypoints, keypoints with large errors, etc.) through RANSAC-based epipolar geometry filtering for keypoints of mutually matched feature points, and then create a rotation matrix (translation vector).
Step E: Reconstruct the image into 3D information (x, y, z) by applying the basic matrix between the images,
Step F: Visualization of results,
Containing, image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring.
제1항에 있어서,
해안선 관측 과정은
A단계 : 시계열 이미지 취득,
B단계 : 복수개의 이미지를 중첩하여 평균 이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 평균을 가시화한 이미지) 및 분산 이미지(이미지를 중첩하여 픽셀강도의 표준편차를 가시화한 이미지) 제작,
C단계 : RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,
D단계 : 해안선 추출시 기준이 되는 임계치(threshold)를 적용하여 분석영역 노이즈 제거(1차 노이즈 제거),
E단계 : 해안선 존재 가능 구간을 추출(2차 노이즈 제거),
F단계 : 일정 간격으로 구성된 기선별 해안선 추출, 및
G단계~H단계 : 각각의 기선에서 추출된 포인트를 연결하여 해안선 결과 가시화하여, 육지면과 해수면의 경계선을 추출하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The coastline observation process
Step A: Time series image acquisition,
Step B: Create an average image (an image that visualizes the average pixel intensity by overlapping images) and a distributed image (an image that visualizes the standard deviation of pixel intensity by overlapping images),
Step C: Geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,
Step D: Remove noise in the analysis area by applying a threshold that is a reference when extracting the shoreline (primary noise removal),
Step E: Extracting the section where the coastline can exist (secondary noise removal),
Step F: Extraction of shoreline for each baseline configured at regular intervals, and
Steps G~H: An image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring by visualizing the shoreline result by connecting points extracted from each baseline to extract the boundary line between the land surface and sea level.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 부유사 관측은 해수 표면의 수면 영상에서 부유사의 농도에 따른 RGB의 픽셀 강도를 부유사 농도로 환산하여 부유사를 관측하며,
부유사 관측 과정은
* A단계 : 시계열 이미지 취득,
* B단계 : RGB밴드 이미지를 각각의 밴드(R-band, G-band, B-band)를 분리 및 RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위) 측량자료를 바탕으로 기하보정,
* C단계 : 대상해역에서 적용할 밴드 선택, 선택 기준은 부유사에 가장 민감하게 반응하는 밴드이며, 대상해역의 수질, 해색(Ocean Color)에 따라 적용 밴드가 달라짐,
* D단계 : 적용 밴드의 픽셀강도를 기준 픽셀강도 비율로 계산,
* E단계 : 대상해역에서 점 관측된 부유사 농도와 픽셀강도 비율 상관관계식 도출,
* F단계 : 점 관측된 부유사 농도를 픽셀강도 비율 상관관계식을 적용하여 2차원 분포로 확장 및 결과 가시화하여 부유사 관측을 하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The suspended solid observation is performed by converting the pixel intensity of RGB according to the concentration of the suspended solid to the suspended solid concentration in the surface image of the seawater surface to observe the suspended solid,
The process of observation of suspended solids
* Step A: Time series image acquisition,
* Step B: Separate each band (R-band, G-band, B-band) of the RGB band image and perform geometric correction based on RTK (Real Time Kinematic, real-time moving positioning) survey data,
* Step C: Selecting the band to be applied in the target sea area, the selection criterion is the band that responds most sensitively to suspended sand, and the applied band varies depending on the water quality and ocean color of the target sea area.
* Step D: Calculate the pixel intensity of the applied band as the reference pixel intensity ratio,
* Step E: derive a correlation equation between the point-observed suspended solid concentration and pixel intensity ratio in the target sea area,
* Step F: Image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment, expanding the observed suspended solid concentration into a two-dimensional distribution by applying the pixel intensity ratio correlation equation and visualizing the result to observe the suspended solid.
제1항에 있어서,
상기 표층 유속 관측은 수면 영상을 관측하여 수면 이미지의 표층의 물거품의 특징점들의 이동경로를 추적하여 단위 시간당 이동거리를 측정하여 표층유속을 관측하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The surface flow velocity observation is an image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment, by observing the surface image and tracking the movement path of the feature points of the water bubbles in the surface layer of the surface image and measuring the moving distance per unit time to observe the surface flow velocity.
제1항에 있어서,
상기 표층 수온 관측은 적외선 이미지(근적외선 또는 열화상 카메라 이미지)를 사용하여 해수면의 표층수온을 관측하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The surface water temperature observation is an image analysis-based surface observation system for monitoring the marine environment by observing the surface water temperature of the sea surface using an infrared image (near infrared or thermal imaging camera image).
제1항에 있어서,
상기 수면 영상 관측은 RGB 이미지, 그레이스케일 이미지, 적외선 이미지를 필요에 따라 선택하여 사용하는, 해양 환경 모니터링을 위한 이미지 분석 기반 수면 관측 시스템.
The method of claim 1,
The surface image observation is an image analysis-based surface observation system for marine environment monitoring by selecting and using an RGB image, a grayscale image, and an infrared image as necessary.
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