KR20050099129A - 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템 및 방법, 그리고 그에사용되는 부표 - Google Patents

Abstract

본 발명의 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템은, 수면과 동일하게 움직이는 부표(11)와 상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축(12)으로 이루어지는 부표 수직축 조립체 (10); 상기 부표의 수직 운동의 영상을 정해진 시간 간격으로 촬영하는 촬상수단(30); 상기 촬상수단에 의해 측정된 영상을 디지털영상으로 변환하는 디지털 영상 변환부(40); 및 상기 변환된 각각의 프레임의 디지털 영상으로부터 수직화소선을 분리하고, 분리된 각 수직화소선들을 집합시켜 파고변화를 추출해내는 영상분석 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 저렴한 가격으로 구현되면서도, 자동 영상 처리 기법을 이용하여 간단한 사용법으로 보다 보편적으로 활용될 수 있고, 기계적인 부분과 센서 부분이 분리되어 기계적인 부분만이 수면 내에 위치하므로 망실의 위험성이 적으며, 특히 간접 관측이 아닌 직접 관측으로 보다 직관적인 자료를 제공하며, 기후나 상황 변화에 따른 오차를 줄일 수 있게 된다.

Description

영상 관측을 통한 파고 측정 시스템 및 방법, 그리고 그에 사용되는 부표{System and method for measuring wave heigth by monitoring the image, and buoy used therein}

본 발명은 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템 및 방법, 그리고 그에 사용되는 부표에 관한 것으로, 특히, 기존의 수압식, 용량식 파고계와 같은 고가의 간접식 파고계의 문제점을 해결하고, 직접 관측법인 사진 관측 파고계의 자동화를 통하여, 저렴한 가격으로 보다 정밀한 파고 관측을 가능하게 하는 것이다. 즉, 본 방법의 발명에 의하면, 수면과 동일하게 움직이는 부표의 움직임을 1/15초의 프레임으로 영상 관측한 후, 각각의 디지털 영상에서 부표의 움직임과 위치를 자동 추출하고, 그 위치를 길이로 환산함으로서 파고 변화에 대한 정량적인 관측이 가능하게 한다.

일반적으로 현재 해안 및 해양공학에서 사용되는 파랑의 조사에 사용되는 파랑계측법으로는, 크게 해면의 변화에 따르는 물리량의 변화를 계측하여 이로부터 간접적인 해면의 승강을 구하는 간접계측법과, 해면의 승강을 직접 측정하는 직접계측법이 있다.

다시, 전자인 간접계측법으로는, 기압변화를 이용하는 방법, 가속도변화를 이용하는 방법 (부표식 파고계), 부력변화를 이용하는 방법 (부력식 파고계), 수압변화를 이용하는 방법 (수압식 파고계) 등이 있다.

반면, 직접계측법으로는, 광학적 방법 (표주법, 실체사진법, 실체시식 파고계, 스타디아식 파고계), 음향학적 방법 (수중발사형 초음파식 파고계, 공중발사형 초음파식 파고계), 기계적 방법 (부자식 파고계), 전기식 방법 (평행선식 파고계, 저항선식 파고계, 스텝식 파고계, 용량식 파고계) 등이 있다.

그런데, 종래의 간접 관측법인 수압식 파고계, 전기 저항을 이용한 용량식 파고계, 그리고 초음파를 이용한 파고계 등을 개발하여 사용되어 왔으나, 이들은 모두 기계 및 관측 센서가 해수에 위치하여 망실의 문제점이 있으며, 특히 모두 고가인 관계로 파고 관측에 많은 어려움을 주어왔다.

반면, 직접계측법의 일례로서, 최영박 외 2인의 공저 "해안과 항만공학" (문운당)의 제9장 "해안조사" (pp. 393-403)에서 소개되는 스텝식 파고계 및 초음파식 파고계를 설명하고 있는 바, 각각 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.

도 7은 종래 기술에 따른 스텝식 파고계를 나타내며, 도 8은 종래 기술에 따른 초음파식 파고계를 나타낸다.

즉, 스텝식 파고계는, 도 7에서 보는 바와 같은 파고간에 일정 간격으로 설치된 전극이 바닷물에 잠겼다 나왔다 하는데 따른 전기적인 단락을 이용하여 해면의 변동을 측정하는 것이다. 이는 표면파형 그 자체를 직접 검출한다는 큰 장점이 있기는 하지만, 악천후에도 기록을 얻을 수 있게 하려면 설치하는데 비용이 많이 들기 때문에, 관측탑과 같은 해상시설물에 설치하는 것이 바람직하며, 따라서 많은 비용이 소요된다.

아울러, 초음파식 파고계는, 도 8에서 보는 바와 같은 수중발사형 초음파발신기로부터 해면을 향하여 초음파 펄스를 발사하고, 해면으로부터의 반사파를 수신하기까지의 시간을 측정해서 해면까지의 거리를 계산해 내는 것이다. 그러나, 이 파고계는 수질의 조건이 복잡한 지점이나 선박의 항행이 빈번하여 거품이 혼입되는 장소에서의 사용은 부적절하다는 문제점이 있다.

한편, 상기 직접계측법으로, 수동식 사진 관측법인 모션 카메라에 의한 관측법이 있다. 그러나, 이상의 직접계측법은, 비자동성과 비효율성으로 인하여 점점 사용이 어려워지고 있는 실정이다. 이울러, 상기 사진 관측법은 사람이 직접 사진을 판독하여야 하므로, 시간과 노력이 많이 소요되고 또한 정확도에서도 많은 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 이상의 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 직접 관측법인 사진 관측법에 디지털 영상 처리 기법을 적용하여, 수면과 동일하게 움직이는 부표의 움직임을 자동 추출함으로서, 파고 관측을 자동화하고, 원가를 현저히 절감한 영상 관측 시스템 파고계를 제공하는 것이다

본 발명의 또다른 목적은, 직접 관측법으로 오차를 줄이고, 자동 영상 처리 기법을 이용하여 파고를 자동 관측하면서, 기존의 파고계 보다 매우 저렴한 파고계를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적 및 효과는 첨부도면을 참조하여 설명되는 다음의 실시예에 의해 더 명확해질 것이다.

이상의 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 관한 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템은, 수면과 동일하게 움직이는 부표(11)와 상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축(12)으로 이루어지는 부표 수직축 조립체 (10); 상기 부표의 수직 운동의 영상을 정해진 시간 간격으로 촬영하는 촬상수단(30); 상기 촬상수단에 의해 측정된 영상을 디지털영상으로 변환하는 디지털 영상 변환부(40); 및 상기 변환된 각각의 프레임의 디지털 영상으로부터 수직화소선을 분리하고, 분리된 각 수직화소선들을 집합시켜 파고변화를 추출해내는 영상분석 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 파고 측정 시스템은, 상기 부표의 수직 운동의 위치를 정량적으로 나타내기 위한 파고간(20)을 더 포함한다.

한편, 이상의 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 관한 영상 관측을 통한 파고 측정 방법은, (a) 수면과 동일하게 수직 방향으로 움직이는 부표(11)의 운동을 촬영하는 촬상 단계 (S11); (b) 상기 (a) 단계에서 촬영된 영상을 디지털 영상으로 변환하는 단계 (S13); (c) 상기 변환된 각 프레임의 디지털 영상으로부터 상기 부표의 운동을 나타내는 수직화소선을 분리하는 단계 (S17); (d) 상기 분리된 각 프레임의 수직화소선을 결합하여 화소선 집합영상을 형성하는 단계 (S19); 및 (e) 상기 형성된 화소선 집합영상으로부터 파고 변화를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 부표(11)는 본체(11a)와 대비되는 색깔의 식별띠(11e)를 가지며, 상기 (e) 단계는, (e1) 형성된 화소선 집합영상으로부터 상기 식별띠의 화소 성분만을 분리하는 단계 (S21); (e2) 상기 (e1) 단계에서 분리된 영상강도가 급증하는 부분을 추출하는 단계 (S23); 및 (e3) 화소 간격에 대한 길이를 적용하여 실제 파고 변화를 측정하는 단계 (S25); 로 구성된다.

다른 한편, 이상의 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 측면에 관한 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템에 사용되는 부표 수직축 조립체는, 수면과 동일하게 상하로 움직이며 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템에 의해 측정되는 부표(11)와, 상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축(12)으로 이루어지는 부표 수직축 조립체 (10)로서, 상기 부표(11)는, 본체(11a)와, 상기 본체의 수직 중심축을 관통하며 상기 수직축에 의해 가이드되어 상기 부표의 수직 운동을 가능하게 하는 상하 원형 가이드관(11b, 11c)과, 상기 부표가 수면과 동일하게 운동하도록 상기 본체 주위로 돌출되는 윙(11d)과, 상기 본체의 중간 높이에 둘러쳐진 상기 본체와 대비되는 색채의 식별띠(11e) 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 도 1a 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 상술한다.

도 1a는 본 발명에 따른 부표의 수직운동을 가이드하는 축에 부표를 끼운 상태의 사진이고, 도 1b는 본 발명에 따른 부표의 정면도이고, 도 1c는 표지를 위하여 파란띠를 두른 부표의 정면 사진이며, 도 2는 본 발명에 따른 부표의 움직임을 영상으로 촬영하여 각각의 프레임을 디지털 영상으로 변환하는 파고 측정 시스템의 일 예시도이고, 도 3은 도 2의 파고 측정 시스템의 파고 측정 동작의 흐름도이다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 부표의 움직임을 촬영한 디지털영상(B)에서 수직 화소선(A)을 추출하는 방법을 도시하고 있고, 도 5는 일례로 1/15초 간격의 각각의 프레임 영상에서 추출한 도 4의 수직 화소선을 시간에 따라 배열하여 생성된 집합영상을 나타내며, 도 6은 도 5의 영상에서 파란띠(11e) 부분만을 추출하여 길이 단위로 표시하여 나타낸 파고의 시간 변화 관측도이다.

즉, 본 발명인 영상 관측시스템 파고계는, 수면과 동일하게 상하 운동을 하는 부표의 움직임과 위치를 영상에서 자동 추출한 후, 이를 파고 변화로 자동 변환하는 시스템으로 기존의 수동 사진 직접 관측법을 자동화한 것이다.

본 발명의 관측 시스템을 상기 도 2를 참조하여 좀더 상술하면, 도 1a에서 보는 바와 같이 부표(11)가 수직축(12)에 가이드되어 수면과 동일하게 움직이는 바, 상기 부표의 움직임을 카메라(30)로 촬영한 후, 디지털 영상으로 변환하는 디지털 영상 변환부 (40) 및 상기 디지털 영상을 분석하여 파고를 산출하는 영상분석 처리부(50)로 구성된다.

본 발명의 부표를, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 상술하면, 도 1a의 사진에서 보는 바와 같이, 부표(11)가 부표(11)의 상하 운동을 가이드하는 수직축(12)에 끼워져 있어 부표-수직축 결합체(10)를 구성하며, 경우에 따라 파고의 높이를 나타내기 위한 소정 간격의 눈금이 새겨진 파고간(20)이 더 설치될 수 있다.

한편, 상기 부표(11)는, 도 1b에서와 같이, 수면과 동일하게 움직일 수 있도록 본체(11a)는 경량인 것이 바람직하며, 수직축(12)을 따라서 움직일 수 있도록 부표의 상하에 천공을 하여 높이 2.5cm의 원형 가이드관(11b, 11c)을 부착하였으며, 이는 또한 부표 내부로의 물의 침입을 방지할 수 있도록 하는 기능도 갖는다. 상기 원형 가이드관의 길이는 제한되지 않으나, 다만, 전체 부표 본체(11a) 높이에 대하여 원형 가이드관(11b, 11c)을 부착할 경우에는, 그 무게로 인하여 수면과 동일한 상하 운동에 제약이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.

또한 부표 외부에는 파란띠(도 1c의 11e)를 둘러서 영상에서 부표의 움직임에 대한 자동 추출을 용이하게 한다.

이제, 도 2의 본 발명의 영상분석 방법에 대하여, 도 3 내지 도 6을 참조하여 상술한다.

도 1a의 해수 내에 설치한 부표는 수면의 움직임과 동일하게 축을 따라서 상하 운동을 하게 되는데, 카메라(30)가 이를 1/15초 간격의 프레임으로 동영상 촬영을 하며 (S11), 촬영된 동영상은 디지털 영상 변환부(40)에서 디지털 영상으로 변환된 후 (S13), 컴퓨터 시스템인 영상분석 시스템(50)에서 영상처리 된다 (S15 - S25). 편의상, 본 실시예에서는 카메라와 디지털 영상 변환부를 별개로 설명하였으나, 디지털 카메라와 같이 이들이 하나의 소자로 일체화되어 사용되는 것도 가능하다.

상기 영상분석 시스템의 동작을 좀더 상술하면, 먼저 동영상을 적절히 각 프레임의 디지털 영상 (도 4의 B) 으로 분리하는 바, 일례로 1/15초 간격의 프레임 디지털 영상으로 분리되도록 하며 (S15), 각각의 분리된 프레임의 디지털 영상에서는 부표의 움직임을 추출하는데 필요한 1개의 수직 화소선 (도 4의 A) 만을 분리하여 사용한다 (S17). 수직화소선은 부표(11)의 식별력 있는 특정 부분을 포함하면 되며, 일례로 본체의 중심 부분에 둘러쳐진 파란띠 (11e)를 식별표지로 사용하도록, 해당 부분을 포함하는 수직화소선을 추출하여 사용하게 된다.

이후, (일례로, 1/15초 간격의) 각각의 영상에서 분리된 각 프레임의 수직화소선들은 시간 순서에 따라 재결합되어, 도 5에서와 같은, 새로운 화소선 집합 영상을 형성하는데(S19), 여기서 파란색 부분이 바로 1/15초 간격으로 관측된 부표의 변화, 즉 영상에서의 수면의 위치 변화를 나타낸 것이다. 도 5에서와 같은 화소선 집합 영상에서 파란띠 부분의 위치 변화를 자동 추출하기 위하여 영상의 "R"(red), "G"(green), "B"(blue) 성분 중에서 "B" 성분의 영상만을 분리한 후 (S21), 각각의 수직화소선에서 영상 강도가 갑자기 커지는 부분의 위치를 자동 추출한 후 (S23), 각각의 화소간격에 대한 길이를 적용하면 (S25), 수면 변화인 파고 변화를 길이에 의해 정량적으로 나타낼 수 있다.

도 6은 이상의 방법으로 측정된 파고의 변화를 나타낸 그래프인 바, 가로축의 시간 축에 대해 세로축의 파고의 높낮이가 측정된 결과를 보여주고 있다.

이상의 본 발명에 의한 개량된 사진 관측법은, 수면과 동일하게 상하로 움직이는 부표를 촬영하고, 그 부표의 움직임을 자동 추출함으로서 효과적으로 수면 변화를 수치화할 수 있으며, 이를 이용하여 시간에 따른 파고의 변화를 관측할 수 있다. 또한 기계적인 작동 부분과 관측 센서가 분리되어 있고, 해수 중에는 망실의 위험성이 적은 기계적인 부분만 위치하고, 관측 센서는 육상 혹은 해상의 별도의 지점에 위치하므로 고장의 위험성이 현저히 줄었으며, 설치 및 해체도 간편하게 된다.

또한, 기존의 간접식 파고계들은 수압 혹은 전기 저항 등을 측정한 후, 그 값을 파고로 변환하는 과정에서 경험 계수 등을 활용함에 따른 오차가 발생하나, 본 발명은 직접 관측함으로서 오차를 줄일 수 있고 보다 직관적인 자료분석이 가능하다. 특히 기존의 파고계들은 모두 고가이어서 사용상에 많은 제약이 따르나, 본 발명의 관측시스템은 일반적인 개인용 컴퓨터와 비디오 카메라를 이용하여도 되므로 저렴한 비용으로 정밀한 관측이 가능하다.

이상, 본 발명을 첨부도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명을 적용한 파고 측정 시스템은, 매우 저렴한 가격으로 파고에 대한 정밀한 관측이 가능하게 한 시스템으로, 실험실에서의 파고 실험에서는 그 기능이 매우 탁월한 것으로 테스트되었으며, 해안과 같은 연안에서도 활용 가능하다.

기존의 파고계들은 고가인데다가 망실의 위험성이 크고 사용법이 복잡하여 사용에 제약이 많이 따랐으나, 본 관측 시스템은 저렴한 가격으로 구현되면서도, 자동 영상 처리 기법을 이용하여 간단한 사용법으로 보다 보편적으로 활용될 수 있고, 최근의 연안 공사에 요구되는 많은 파고 관측에 활용될 수 있다.

아울러, 기존의 파고계와는 달리 기계적인 부분과 센서 부분이 분리되어 기계적인 부분만이 수면 내에 위치하므로 망실의 위험성이 적다.

특히 간접 관측이 아닌 직접 관측으로 보다 직관적인 자료를 제공하며, 기후나 상황 변화에 따른 오차를 줄일 수 있어, 실험실에서의 파랑 연구는 물론, 현장에서의 파랑 연구에도 많은 기여를 할 수 있게 된다.

도 1a는 본 발명에 따른 부표의 수직운동을 가이드하는 축에 부표를 끼운 상태의 사진이다.

도 1b는 본 발명에 따른 부표의 정면도이고, 도 1c는 표지를 위하여 파란띠를 두른 부표의 정면 사진이다.

도 2는 본 발명에 따른 부표의 움직임을 영상으로 촬영하여 각각의 프레임을 디지털 영상으로 변환하는 파고 측정 시스템의 일 예시도이다.

도 3은 도 2의 파고 측정 시스템의 파고 측정 동작의 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 부표의 움직임을 촬영한 디지털영상에서 수직 화소선을 추출하는 방법을 도시하고 있다.

도 5는 일례로 1/15초 간격의 각각의 프레임 영상에서 추출한 도 4의 수직 화소선을 시간에 따라 배열하여 생성된 집합영상을 나타낸다.

도 6은 도 5의 영상에서 파란띠 부분만을 추출하여 길이 단위로 표시하여 나타낸 파고의 시간 변화 관측도이다.

도 7은 종래 기술에 따른 스텝식 파고계를 나타낸다.

도 8은 종래 기술에 따른 초음파식 파고계를 나타낸다.

?? 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 부표 수직축 조립체 11 : 부표

12 : 수직축 20 : 파고간

30 : 카메라 40 : 디지털영상 변환부

50 : 영상분석 시스템

Claims (5)

1. 수면과 동일하게 움직이는 부표(11)와 상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축(12)으로 이루어지는 부표 수직축 조립체 (10);

   상기 부표의 수직 운동의 영상을 정해진 시간 간격으로 촬영하는 촬상수단(30);

   상기 촬상수단에 의해 측정된 영상을 디지털영상으로 변환하는 디지털 영상 변환부(40); 및

   상기 변환된 각각의 프레임의 디지털 영상으로부터 수직화소선을 분리하고, 분리된 각 수직화소선들을 집합시켜 파고변화를 추출해내는 영상분석 시스템;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 파고 측정 시스템은,

   상기 부표의 수직 운동의 위치를 정량적으로 나타내기 위한 파고간(20)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. (a) 수면과 동일하게 수직 방향으로 움직이는 부표(11)의 운동을 촬영하는 촬상 단계 (S11);

   (b) 상기 (a) 단계에서 촬영된 영상을 디지털 영상으로 변환하는 단계 (S13);

   (c) 상기 변환된 각 프레임의 디지털 영상으로부터 상기 부표의 운동을 나타내는 수직화소선을 분리하는 단계 (S17);

   (d) 상기 분리된 각 프레임의 수직화소선을 결합하여 화소선 집합영상을 형성하는 단계 (S19);

   (e) 상기 형성된 화소선 집합영상으로부터 파고 변화를 측정하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 관측을 통한 파고 측정 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 부표(11)는 본체(11a)와 대비되는 색깔의 식별띠(11e)를 가지며,

   상기 (e) 단계는,

   (e1) 형성된 화소선 집합영상으로부터 상기 식별띠의 화소 성분만을 분리하는 단계 (S21);

   (e2) 상기 (e1) 단계에서 분리된 영상강도가 급증하는 부분을 추출하는 단계 (S23); 및

   (e3) 화소 간격에 대한 길이를 적용하여 실제 파고 변화를 측정하는 단계 (S25);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 수면과 동일하게 상하로 움직이며 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템에 의해 측정되는 부표(11)와,

   상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축(12)

   으로 이루어지는 부표 수직축 조립체 (10)로서,

   상기 부표(11)는,

   본체(11a)와,

   상기 본체의 수직 중심축을 관통하며 상기 수직축에 의해 가이드되어 상기 부표의 수직 운동을 가능하게 하는 상하 원형 가이드관(11b, 11c)과,

   상기 부표가 수면과 동일하게 운동하도록 상기 본체 주위로 돌출되는 윙(11d)과,

   상기 본체의 중간 높이에 둘러쳐진 상기 본체와 대비되는 색채의 식별띠(11e)

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템에 사용되는 부표 수직축 조립체.