KR102485817B1 - 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 영상 좌표 변환부;최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정을 하는 매개변수 산정부;역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경을 하는 측정점 변경부;영상내 좌표점의 물리좌표 추정을 하는 물리좌표 추정부;를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 영상 왜곡 보정에 관한 것으로, 구체적으로 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하천이나 수로에서 물이 흘러갈 때 표면에 부유물이 있을 때나 잔물결이 생기면 그 흐름의 양상을 눈으로 볼 수 있다. 이때 비디오 카메라나 디지털 카메라로 연속하여 한 쌍의 영상을 획득하고, 이 영상들에서 추적이 가능한 화상들을 분석하면 두 영상 사이의 움직임(변위; displacement)을 측정할 수 있다.
여기에 좌표 변환을 통해 알아낸 영상의 물리적 축척을 곱하고, 두 영상 사이의 시간 간격으로 나누면 하천이나 수로의 표면 유속을 계산해 낼 수 있다.
이때, 두 영상은 대부분의 경우 비스듬하게 찍혀진 영상이므로 상당한 왜곡이 발생하게 되며, 각 화소들 사이의 실제적인 거리를 알기 위해서는 반드시 영상의 좌표 변환이 필요하게 된다.
이러한 방법을 이용하는 표면영상유속계의 기초가 되는 입자영상유속계(PIV)는 유체 흐름에 대한 이해를 돕는데 효과적인 방법이어서 토목 분야뿐 아니라 유체를 다루는 모든 분야에서 다양하게 연구가 진행되어 왔으며 현재 많은 응용분야에서 사용하고 있다.
이와 함께 레이저와 추적입자, CMOS 소자를 이용한 고속 카메라를 활용하여 액체 유동 단면의 유동장을 분석하는 입자영상유속계에 대한 연구가 진행되어 왔고, 별도의 추적자 없이 2차원 표면유속 측정을 위한 표면영상유속계(SIV)도 많은 연구가 진행되어 왔다.
이와 같은 표면영상유속계를 이용한 연구에서는 2차원 또는 3차원 투영 좌표 변환법을 이용하여 영상 왜곡을 보정하였다. 하지만 하천의 수위는 수시로 변하기 때문에 수위에 따라 참조점을 다시 설정해주어야 한다는 번거로움이 있다.
특히 영상 기반의 하천 자동유량계측 기술의 경우 카메라를 고정한 상태에서 홍수시 수위 변화가 발생하는 경우 연속적으로 표면유속을 측정하기 위해서는 수위 변화를 고려한 영상왜곡 보정 기술이 필요하다.
이에 다른 방법으로 수위 변화를 고려한 3차원 투영 좌표 변환법이 제안되었다. 3차원 투영 좌표 변환법은 수위보다 높은 6 개 이상의 참조점과 수표면의 임의의 3 개 이상의 점을 더하여, 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 보정할 수 있다.
하지만 3차원 투영 좌표 변환법은 2차원 투영 좌표 변환법에 비해 필요한 참조점이 많아 계산이 복잡하다.
다른 방법으로 수위보다 높게 양측 제방에 설정된 참조점을 수면과 동일한 평면에 위치하도록 보정하는 방법을 사용하여 수위 변화에 따라 참조점을 재설정하는 방법이 제시되었으나, 이는 폭이 넓은 하천의 경우처럼 하천 양측 제방에 설치한 참조점을 영상에 담기 힘든 경우 수표면과 동일한 평면에 있는 참조점을 확보하기 힘든 문제가 있다.
도 1은 종래 기술의 참조점을 이용한 물리좌표와 영상좌표의 변환의 일 예를 나타낸 구성도이다.
종래 기술은 사영변환(projective transform)을 이용한 8변수를 이용하여 도 1에서와 같은 변환관계를 갖는다.
수학식 1 및 2를 역변환하여, 영상좌표에서 물리좌표로의 변환을 구하면, 영상에서 유속을 측정하고자 하는 측정점의 위치를 결정할 수 있다.
도 2는 수위 변동에 따른 측정점의 이동을 나타낸 구성도이다.
그러나 이와 같은 방법에서 수위가 변화하면, 측정점의 위치를 이에 맞추어 변경해 주어야 하나, 8-변수 좌표변환을 다시 하지 않은 이상 측정점의 위치를 정확히 구할 수 없는 문제가 생긴다.
따라서, 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 영상 왜곡 보정 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환 및 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 과정, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 및 영상내 좌표점의 물리좌표 추정으로 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정하여 수위 측정의 정확성을 높일 수 있도록 한 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템은 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 영상 좌표 변환부;최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정을 하는 매개변수 산정부;역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경을 하는 측정점 변경부;영상내 좌표점의 물리좌표 추정을 하는 물리좌표 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법은 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 단계;최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 단계;역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 단계;영상내 좌표점의 물리좌표 추정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한다.
둘째, 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환 및 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 과정, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 및 영상내 좌표점의 물리좌표 추정으로 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정하여 수위 측정의 정확성을 높일 수 있도록 한다.
도 1은 종래 기술의 참조점을 이용한 물리좌표와 영상좌표의 변환의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 수위 변동에 따른 측정점의 이동을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법을 나타낸 플로우 차트
도 2는 수위 변동에 따른 측정점의 이동을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템의 구성도이다.
본 개시에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법은 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정하여 수위 측정의 정확성을 높이기 위하여 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환 및 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 과정, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 및 영상내 좌표점의 물리좌표 추정의 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템은 도 3에서와 같이, 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 영상 좌표 변환부(10)와, 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정을 하는 매개변수 산정부(20)와, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경을 하는 측정점 변경부(30)와, 영상내 좌표점의 물리좌표 추정을 하는 물리좌표 추정부(40)를 포함한다.
본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 방법은 크게 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 단계(S401)와, 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 단계(S402)와, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 단계(S403)와, 영상내 좌표점의 물리좌표 추정 단계(S404)를 포함한다.
11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 단계(S401)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
이를 동차좌표계를 이용하여 나타내면 다음과 같다.
최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 단계(S402)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
여기서 각 행렬과 벡터는 다음과 같다.
역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 단계(S403) 및 영상내 좌표점의 물리좌표 추정 단계(S404)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
그러면, 수학식 15 및 16을 다음과 같이 정리할 수 있다.
수학식 18 및 19를 다시 정리하면,
이를 풀어 정리하면 다음과 같다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템 및 방법은 수위 변화에 따른 참조점의 추가 설정없이 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있도록 한 것으로, 11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환 및 최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정 과정, 역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경 및 영상내 좌표점의 물리좌표 추정으로 변하는 수위에 따라 영상 왜곡을 효율적으로 보정하여 수위 측정의 정확성을 높일 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 영상 좌표 변환부
20. 매개변수 산정부
30. 측정점 변경부
40. 물리좌표 추정부
20. 매개변수 산정부
30. 측정점 변경부
40. 물리좌표 추정부
Claims (13)
11변수를 이용하여 물리좌표를 영상좌표로 변환하는 영상 좌표 변환부;
최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정을 하는 매개변수 산정부;
역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경을 하는 측정점 변경부;
영상내 좌표점의 물리좌표 추정을 하는 물리좌표 추정부;를 포함하고,
영상 좌표 변환부에서 물리좌표를 3차원으로 로 하고, 영상좌표 와의 관계는,
으로 정의되고,
영상 좌표를 동차좌표계를 이용하여 정리하면,
으로 정의되고,
여기서, 는 동차좌표계로 나타낸 가상공간이며, 영상좌표 와는,
, 의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템.
최소제곱법을 이용한 11개 매개변수의 산정을 하는 매개변수 산정부;
역변환에 의한 측정점의 영상좌표내 변경을 하는 측정점 변경부;
영상내 좌표점의 물리좌표 추정을 하는 물리좌표 추정부;를 포함하고,
영상 좌표 변환부에서 물리좌표를 3차원으로 로 하고, 영상좌표 와의 관계는,
으로 정의되고,
영상 좌표를 동차좌표계를 이용하여 정리하면,
으로 정의되고,
여기서, 는 동차좌표계로 나타낸 가상공간이며, 영상좌표 와는,
, 의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 11변수 좌표변환 알고리즘을 이용한 하천 영상 왜곡 보정 시스템.
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