KR20100034718A - 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박에서 밸러스트 워터 속의 각종 미생물(특히, 동ㆍ식물성 플랑크톤)을 실시간으로 검사할 수 있도록 영상처리하기 위한 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 유입되는 밸러스트 워터를 저장하기 위한 제1 저장수단; 밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 이동시키기 위한 이송수단; 상기 이송수단에 의해 이동된 시료를 저장하기 위한 제2 저장수단; 상기 제2 저장수단에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물을 발광시키기 위한 발광수단; 및 상기 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하기 위한 영상처리수단을 포함한다.

밸러스트 워터, 미생물, 플랑크톤, 선박, 영상처리

Description

선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR IMAGE TREATMENT MICROORGANISM OF BALLAST WATER ON THE SHIP}

본 발명은 선박 밸러스트 워터 속의 미생물을 영상처리하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 밸러스트 워터(Ballast Water) 속의 각종 미생물(특히, 동ㆍ식물성 플랑크톤)을 검사할 수 있도록 영상처리하기 위한 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

1988년도 캐나다의 오대호에 외래 해양생물종의 침입을 최초로 보고한 이후, 여러 나라에서 외래 해양생물종에 의한 피해가 발생하였다. 외래 해양생물종의 이동수단 및 유입요인으로는 주로 선박을 통해 유입된 것으로 나타나고 있으며, 특히 선박의 밸러스트 워터에 의한 유입이 갈수록 심각해지고 있는 실정이다.

선박의 밸러스트 워터는 선박의 흘수와 트림을 조정하기 위하여 적재하는 중량이고, 선박의 균형 유지와 안정성을 높이는 기능과 동시에 화물을 충분히 적재하지 않은 경우에 추진기와 방향타가 물속에서 효과적으로 작동되게 하는 보조 기능 도 수행한다.

1840년대 중반 런던(London)과 타인(Tyne) 사이를 운항한 석탄 운반선이 최초로 밸러스트 워터를 이용한 선박이라고 알려져 있다. 그 당시에는 바위, 모래, 금속과 같은 드라이 밸러스트(Dry Ballast)를 사용하였고, 적재 및 하역하는데 쓰이는 노동 비용을 절감하기 위하여 밸러스트 워터를 사용하기 시작하였다.

오늘날에는 구하기 쉽고 상대적으로 비용 절감에 유리한 이유로 해수나 담수를 밸러스트 워터로 사용하는 것이 보편화되어 있다. 그러나 특히 해수를 넣을 때 같이 들어왔던 해양생물종이 선적항에서 배출됨으로써 다른 지역으로 유입되는데, 국제해사기구(IMO : International Maritime Organization)에 따르면 선박에 의해 연간 100억 톤의 바닷물이 옮겨지고, 7천여 종 이상의 생물이 밸러스트 워터를 따라 이동한 것으로 나타났으며, 전문가들은 이 밸러스트 워터를 통해 하루에만 3,000종 이상의 해양생물종이 이동되고 있는 것으로 추정하고 있다.

즉, 외국에서 온 화물선이나 유조선이 수입 광물이나 석유 등을 내려놓으면 수면 근처에 있던 배의 무게중심이 위로 올라간다. 이때, 프로펠러 일부가 수면으로 나오면 공기 중에서 헛돌게 돼 배가 앞으로 잘 나아가지 않는다. 가벼워진 탓에 전복될 위험도 커진다. 이에 출발 전 빈 배의 바닥 안쪽에 바닷물을 채워 약간 가라앉힌다. 이렇게 선박의 균형을 맞추기 위해 채워지는 물이 '밸러스트 워터'이다. 보통 20만톤급 유조선에는 5만~7만톤, 12만톤급 화물선에는 3만~4만톤 정도의 밸러스트 워터를 채운다. 이때, 탱크 안을 채우는 바닷물과 함께 해양생물도 함께 유입되어, 문제는 배가 도착지의 바다에 밸러스트 워터를 방출한다는 것이다. 밸러스트 워터에 실려 간 자국의 해양생물은 이렇게 타국으로 이동되고, 수출 화물선은 반대로 타국의 해양생물을 밸러스트 워터에 실어 자국의 바다로 가져온다.

따라서 밸러스트 워터를 통해 유입된 외래종들로 바다가 황폐화되어 가고 있다.

일예로, 외래종 '따개비'는 '고랑따개비' 같은 재래종과 사는 곳도 먹이(플랑크톤)도 같다. 그러나 외래종이 더 번식력이 강하고, 오염된 환경에서도 잘 살아남아 경쟁에 훨씬 유리하다. 따라서 국내에 정착한 외래종 따개비가 재래종을 결국 몰아낼지도 모른다. 또한, 토종 '홍합'은 지중해 '담치'에게 식탁을 내준지 오래다. 요즘 먹는 홍합은 국산이 아니라 유럽산이란 얘기다. 또한, 국내에는 없던 '유령멍게'와 '주름미더덕'도 점점 서식지를 넓혀 가고 있다. 이는 외래종이 밸러스트 워터에 실려 왔을 것으로 추측된다.

반대로, 한국 생물도 밸러스트 워터에 실려 외국으로 많이 옮겨졌다. 10여 년 전 독일과 미국으로 건너간 '참게'는 논을 마구 파헤쳐 쌀농사에 큰 피해를 줬다. 미국으로 이동한 계화도 '조개'는 급속도로 번식하면서 식물 플랑크톤을 마구 먹어 치워 다른 생물들이 굶어 죽을 지경이다.

밸러스트 워터에 실려 이동한 생물이 새로운 환경에 적응할 확률은 대략 3%로 매우 낮다. 그러나 염분이나 온도 변화에 잘 견디거나 해수와 담수에서 모두 서식하는 등 환경 변화에 덜 민감한 생물이 주로 살아남아, 살아남은 외래종이 토종 포식자에게 낯선 먹이이기 때문에 잘 잡아먹히지 않아 걷잡을 수 없이 번식한다.

이와 같이, 밸러스트 워터를 통해 유입된 외래종들의 침입으로 서서히 황폐 화되어가는 바다를 지키기 위한 대책이 절실하다. 최근 건조된 선박은 갈수록 대형화/고속화되는 추세에 따라 더 많은 생물체가 밸러스트 워터를 통해 빠른 시간 안에 다른 해양 환경으로 배출된다. 이에 따라 2004년 제정된 IMO 국제협약에 따라 2012년 이후에는 모든 선박에 밸러스트 워터 처리 장치를 설치해야 하고, 밸러스트 워터 관리 시스템 승인을 위한 지침서(G8)에 따라 밸러스트 워터 관리 시스템을 감시하는 제어 장치를 갖추어야 한다.

밸러스트 워터 내에 포함된 미생물의 검사 방법으로는, 다단 조명을 이용한 영상 검사 장치(대한민국 특허 출원 번호 : 10-1996-0011260), 및 디지털 영상처리 기법을 이용한 식물성 플랑크톤 개체수 측정 방법(대한민국 특허 출원 번호 : 10-2004-0032138) 등 여러 가지 방법이 있다.

상기 다단 조명을 이용한 영상 검사 장치는, 조명의 각도를 변화시키면서 조명각도의 변화에 따른 영상을 고속으로 취득할 수 있으나, 특정 파장에 반응하는 식물성 플랑크톤을 판별할 수 없고, 계수 기능이 없어 획득한 영상에서 플랑크톤의 개체수를 판별할 수 없는 문제점이 있으며, 배율 렌즈가 없어 크기가 작은 플랑크톤을 판별할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 디지털 영상처리 기법을 이용한 식물성 플랑크톤 개체수 측정 방법은, 식물성 플랑크톤의 흡광도가 가장 높은 파장대의 빛을 광원으로 하는 레이저와 고역 통과 필터를 부착한 CMOS 카메라를 사용하여 이미지를 획득하도록 함으로써 플랑크톤과 다른 부유 물질들이 섞여 있을 경우에도 식물성 플랑크톤의 개체수를 측정할 수 있는 장점이 있으나, 동물성 플랑크톤의 개체수는 판별할 수 없고, 식물성 플랑크톤의 흡광도가 높은 적색 파장대(600nm~700nm)에서의 식물성 플랑크톤만을 고려하므로 다른 파장대에서 반응하는 플랑크톤의 개체수는 판별할 수 없는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 선박에서 밸러스트 워터 속의 각종 미생물(특히, 동ㆍ식물성 플랑크톤)을 실시간으로 검사할 수 있도록 영상처리하기 위한 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 유입되는 밸러스트 워터를 저장하기 위한 제1 저장수단; 밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 이동시키기 위한 이송수단; 상기 이송수단에 의해 이동된 시료를 저장하기 위한 제2 저장수단; 상기 제2 저장수단에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물을 발광시키기 위한 발광수단; 및 상기 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하기 위한 영상처리수단을 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 상기 이송수단으로 전달되는 밸러스트 워터의 양을 조절하고, 상기 이송수단에 의해 소 정량의 시료가 이동되면 밸러스트 워터의 이동을 차단하기 위한 조절수단을 더 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 상기 영상처리수단에서 영상처리된 미생물을 자동으로 검사하기 위한 검사수단을 더 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 상기 제1 저장수단 내에 구비되며, 상기 제1 저장수단에 저장된 밸러스트 워터를 교반하기 위한 교반수단; 및 상기 교반수단을 구동시키기 위한 구동수단을 더 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 상기 영상처리수단을 고정하기 위한 고정수단; 및 상기 제1 저장수단, 상기 구동수단, 상기 이송수단, 상기 제2 저장수단, 상기 고정수단을 지지하기 위한 지지수단을 더 포함한다.

한편, 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법은, a) 유입되는 밸러스트 워터를 저장 탱크에 저장하는 단계; b) 격막 펌프에 의해 밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 플로우 셀로 이동시키는 단계; c) 상기 이동된 시료를 플로우 셀에 저장하는 단계; d) 상기 플로우 셀에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물을 발광시키는 단계; 및 e) 상기 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법은, f) 상기 b) 단계 이전에 조절 밸브가 상기 격막 펌프로 전달되는 밸러스트 워터의 양을 조 절하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법은, g) 상기 e) 단계에서 영상처리된 미생물을 자동으로 검사하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 a) 단계는, 상기 저장 탱크에 저장된 밸러스트 워터를 교반하는 단계를 더 포함한다.

상기와 같은 본 발명은, 각 장치의 모듈화 및 자동화가 가능하므로 유지보수가 간편하여 설치비와 유지보수비를 절감할 수 있으며, 시료수를 플로우 셀에 흘리면서 플랑크톤의 영상 획득이 가능하여 영상 획득 및 검사 소요 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 통합 제어 모듈로 각 장치들을 제어하고 모니터링할 수 있어 플랑크톤의 영상 획득부터 개체수 계수까지 전 과정을 점검 가능하여 업무의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대 한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 선박 밸러스트 워터 미생물 처리 시스템의 전체 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은, 밸러스트 워터 처리 장치(미도시됨)에서 처리된(멸균 처리된 밸러스트 워터) 또는 밸러스트 워터 처리 장치에서 멸균 처리하기 이전 밸러스트 워터를 검사할 수 있도록 영상처리하기 위한 것으로, 예를 들어 밸러스트 워터의 pH, 수온, 염도, 탁도, 용존산소량, 총 부유물질을 센서를 통해 측정하고, 동물성 플랑크톤과 식물성 플랑크톤에 대해 영상처리함으로써 개체수와 크기 등을 검사할 수 있도록 한다.

일실시예에 있어서, 밸러스트 워터 처리 장치는 아주 짧은 시간에 많은 에너지를 방출하여 순간적으로 높은 파워에 도달할 수 있는 펄스 파워를 이용하여 자외선, 충격파, 열 등과 같은 물리적 인자와 오존, 과산화수소, OH-활성기 등에 의한 화학적 인자를 동시에 수행함으로써 밸러스트 워터 속의 각종 미생물을 제거한다.

밸러스트 워터 처리 장치를 통해 멸균 처리된 밸러스트 워터를 검사함에 있어서, 본 발명의 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은 멸균 처리된 밸러스트 워터에 대해서 적어도 한 번의 검사를 수행한다. 즉, 최초 멸균 처리된 밸러스트 워터 또는 재멸균 처리된 밸러스트 워터를 검사하여, 검사 결과에 따라 적합 시에 이후 유입되는 밸러스트 워터(즉, 밸러스트 워터 처리 장치에 의해 멸균 처리 된 밸러스트 워터)에 대해서는 검사하지 않는다. 즉, 밸러스트 워터 속의 미생물에 대한 멸균이 제대로 이루어지고 있다고 판단되어, 굳이 다량으로 방출되어야 할 모든 밸러스트 워터에 대해서 일일이 검사를 수행하지는 않는다. 이는 밸러스트 워터의 빠른 배출을 수행하기 위함이다. 그러나 검사결과 부적합 시에는 밸러스트 워터 처리 장치에서 멸균의 강도(예를 들어, 플라즈마 멸균 처리 시 방전 팁의 개수를 늘리는 등)를 높이도록 한다. 밸러스트 워터의 멸균 처리 과정은 수 회 실시될 수 있다.

또한, 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템은 밸러스트 워터 처리 장치에 의해 멸균 처리되지 않은 밸러스트 워터를 먼저 검사하여, 적합 시에는 이를 밸러스트 워터 처리 장치로 통보하여 밸러스트 워터 처리 장치에서 멸균 과정을 수행하지 않도록 할 수도 있다. 이는 밸러스트 워터의 빠른 배출을 수행하기 위함이다.

도 1을 참조하여 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템의 구성을 살펴보면, 유입되는 밸러스트 워터를 저장하기 위한 저장 탱크(102)와, 밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 이동시키기 위한 격막 펌프(106)와, 격막 펌프(106)에 의해 이동된 시료를 저장하기 위한 플로우 셀(107)과, 플로우 셀(107)에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물(동물성 플랑크톤, 식물성 플랑크톤 중 적어도 하나임)을 발광시키기 위한 다파장 광원(108)과, 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하기 위한 영상처리 장치(109)를 포함한다. 또한, 격막 펌프(106)로 전달되는 밸러스트 워터의 양을 조절하고, 격막 펌프(106)에 의해 소정량의 시료가 이동되면 밸러 스트 워터의 이동을 차단하기 위한 조절 밸브(105)를 더 포함한다. 또한, 영상처리된 미생물을 자동으로 검사하는 검사장치(미도시됨)를 더 포함한다. 또한, 저장 탱크(102) 내에 구비되며, 저장 탱크(102)에 저장된 밸러스트 워터를 교반하기 위한 교반기(103)와, 교반기(103)를 구동시키기 위한 모터(104)를 더 포함한다. 상기 영상처리 장치(109)는 카메라를 포함하며 고정대(110)에 의해 고정되고, 저장 탱크(102), 모터(104), 격막 펌프(106), 플로우 셀(107)은 지지대(111)에 의해 지지된다.

저장 탱크(102)는 입수 배관(101)을 통해 유입되는 밸러스트 워터를 저장하거나, 유입되는 밸러스트 워터에서 동물성 플랑크톤 또는/및 식물성 플랑크톤을 여과(필터링)한 후 저장할 수도 있다.

교반기(103)는 모터(104)에 의해 구동되어, 저장 탱크(102)에 저장된 밸러스트 워터를 교반시킨다.

조절 밸브(105)는 교반된 밸러스트 워터의 양을 조절하여 소정량(예를 들어, 1ml)을 격막 펌프(106)로 흘린다.

격막 펌프(106)는 동물성 플랑크톤 또는/및 식물성 플랑크톤을 포함하는 밸러스트 워터를 플로우 셀(107)로 이동시키기 위한 것으로, 동·식물성 플랑크톤의 손상 없이 플로우 셀(107)로 이동시킨다. 격막 펌프(106)에 의해 이동된 동·식물성 플랑크톤은 플로우 셀(107)의 홈(도 2 참조)에 저장되며 다파장 광원(108)에 발광되어 영상처리 장치(109)를 통해 영상처리된다. 다파장 광원(108)은 영상처리 장치(109)를 이용하여 동·식물성 플랑크톤을 영상처리할 수 있도록 홈에 저장된 동 ·식물성 플랑크톤을 발광시키며, 플로우 셀(107) 내에 설치된다.

플로우 셀(107)은 영상처리 장치(109)를 이용하여 동·식물성 플랑크톤을 촬영할 때 정확한 화상 정보를 얻을 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 격막 펌프(106)에 의해 이동된 소정량(1ml)의 시료를 저장하기 위한 타원형의 홈을 구비하고, 다파장 광원(108)에 의해 홈에 저장된 동·식물성 플랑크톤이 발광될 수 있도록 투명 재질(예를 들어, 아크릴)로 구현한다.

영상처리 장치(109)는 플로우 셀(107)의 홈에 저장된 동·식물성 플랑크톤을 촬영하기 위한 고해상 카메라와, 촬영된 동·식물성 플랑크톤을 영상으로 나타내는 영상처리기를 구비한다.

카메라는 동물성 플랑크톤 촬영용 카메라와 식물성 플랑크톤 촬영용 카메라가 별도로 구비될 수도 있지만, 하나의 카메라로 배율을 달리하여 동물성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤의 영상을 촬영할 수 있다. 영상처리기는 카메라를 통해 촬영된 동·식물성 플랑크톤을 영상처리한다. 플랑크톤의 영상처리 과정에 대해서는 후술하기로 한다.

영상처리 장치(109)에 의해 영상처리된 동·식물성 플랑크톤 영상을 검사장치(미도시됨)에서 자동으로 검사할 수 있고, 영상처리된 플랑크톤 영상을 사용자가 육안으로 검사할 수도 있다. 본 발명은 이와 같이 검사장치 또는 사용자가 검사할 수 있도록 동·식물성 플랑크톤을 자동으로 영상처리하는데 의의가 있다.

선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템의 동작에 대하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 선박의 모터 구동에 의해 입수 배관(101)을 통해 저장 탱크(102)에 밸러스트 워터가 저장되고(301), 저장 탱크(102) 내에 구비된 교반기(103)가 모터(104)에 의해 구동되어(302) 밸러스트 워터가 교반된다.

이후, 교반된 밸러스트 워터는 조절 밸브(105)에 의해 조절되어 격막 펌프(106)로 흘러가게 되고, 격막 펌프(106)에 의해 소정량의 시료(예를 들어, 1ml의 밸러스트 워터)가 플로우 셀(107)로 이동되면(303) 조절 밸브(105)에 의해 밸러스트 워터의 이동이 차단된다.

이어서, 플로우 셀(107)의 홈에 시료가 저장되면 다파장 광원(108)이 시료에 빛을 투과하여 동·식물성 플랑크톤을 발광시킨다. 이때, 영상처리 장치(109)의 카메라는 동물성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤에 따라 카메라 배율을 달리할 수 있는데(305), 예를 들어 동물성 플랑크톤의 촬영을 위해서는 자동 포커스 기능이 포함된 40 배율 이상의 카메라를 사용하고, 식물성 플랑크톤의 촬영을 위해서는 자동 포커스 기능이 포함된 200 배율 이상의 카메라를 사용한다. 동물성 플랑크톤 촬영용 카메라와 식물성 플랑크톤 촬영용 카메라가 별도로 구비될 수도 있지만, 하나의 카메라로 배율을 달리하여 동물성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤을 촬영할 수도 있다.

카메라로 시료를 촬영하는 과정에서 카메라 배율 조절 및 자동 초점(Auto-Focusing) 기능을 수행하게 되는데, 카메라의 배율 조절 기능은 줌 렌즈와 포커스 렌즈의 이동에 의한 초점 값 변화량이 선형적이지 않기 때문에 알고리즘을 구현하는데 많은 어려움이 있다. 줌 트랙킹은 줌 곡선(Zoom Curve)을 따라 줌 모터와 포 커스 모터를 이동시키면서 카메라의 초점이 흐려지는 것을 방지하기 위한 기능을 한다. 여기서, 줌 곡선이란 피사체와 카메라의 거리가 고정된 상태에서 줌 렌즈의 배율을 증가시키면서 각 배율에서 가장 선명한 영상이 나타나는 포커스 렌즈 위치를 정의한 데이터이다. 따라서 줌 트랙킹 곡선을 선형 구간과 비선형 구간으로 분할하여 줌 트랙킹 곡선의 저장 용량을 감소시키는 방법과 줌 기능 동작 중에 초점이 흐려지는 것을 방지하기 위해 줌 트랙킹 수행 도중 현재 피사체와의 초점 거리를 가장 잘 반영한 줌 트랙킹 곡선을 산출하는 방법으로 가장 선명한 영상을 획득한다.

이와 같이 플로우 셀(107)의 홈에 저장된 시료(동ㆍ식물성 플랑크톤을 포함하는 밸러스트 워터)를 카메라로 촬영한 후 검사장치에서 동물성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤의 크기 및 개체수를 검사할 수 있도록 영상처리기가 카메라로 촬영된 영상을 처리한다(306). 즉, 영상처리기는 카메라에 의해 촬영된 동물성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤을 최적으로 영상처리한다. 영상처리된 데이터는 데이터베이스에 저장된다.

검사장치는 영상처리된 동물성 플랑크톤과 식물성 플랑크톤의 개체수 및 크기와 미생물의 사멸 유무를 자동으로 검사 및 분석한다. 물론, 전술한 바와 같이 영상처리 장치(109)를 통해 최적의 동물성 플랑크톤과 식물성 플랑크톤의 이미지를 획득하고, 사용자가 획득된 이미지를 통해 동물성 플랑크톤과 식물성 플랑크톤의 개체수를 확인하도록 할 수도 있다.

이하에서는 획득된 영상으로부터 자동으로 검사 및 분석하는 과정에 대해서 살펴보기로 한다.

동물성 플랑크톤 및 식물성 플랑크톤을 검사 및 분석함에 있어서, 필터링(Filtering), 윤곽선 검출(Edge Detection), 블랍 분석(Blob Analysis), 히스토그램 방법(Histogram Intensity Method), 임계치 방법(Thresholding), 사이즈 필터링(Size Filtering), 이미지 분할(Image Segmentation), 오브젝트 추출(Object Extraction), 오브젝트 측정(Object Measurement), 패턴 매칭(Pattern Matching), 패턴 인식(Pattern Recognition), 데이터 추출(Data Extraction) 과정을 수행한다.

보다 구체적으로, 우선 카메라로 촬영된 이미지를 획득하여 획득된 이미지에서 노이즈를 제거하기 위해 필터링하고, 물체의 위치, 모양, 크기, 표면 무늬 등의 정보를 획득하기 위해 이미지 윤곽선 검출(Edge Detection)을 수행한다. 그리고 이미지 윤곽선 검출(Edge Detection) 후, 블랍(Blob) 분석을 통해 미생물의 크기를 획득한다. 다음으로, 물체와 배경 부분에 속한 화소의 명암값 분포를 결정하여 패턴의 기능을 만족하도록 하기 위한 히스토그램 방법(Histogram Intensity Method)을 적용하고, 임계치(Thresholding)를 결정한다. 이어서, 잡음에 의해 생기는 화소를 제거하기 위해 사이즈 필터링(Size Filtering)을 수행하고, 획득된 영상에서 오브젝트(Object)와 배경(Background)을 분리하기 위해 이미지 분할(Image Segmentation)을 실행한다. 이어서, 이미지 분할 과정에서 분리된 오브젝트와 배경에서 오브젝트만 추출하기 위해 오브젝트 추출(Object Extraction) 과정을 수행하고, 추출된 오브젝트에서 크기, 위치, 방향 등의 특징을 측정(Object Measurement)한다. 그리고 추출한 오브젝트와 데이터베이스에 저장된 동물성/식물성 플랑크톤에 대한 자료와 매칭 작업을 통해 기본적인 판단을 하는 패턴 매칭(Pattern Matching)작업을 수행하고, 정확한 구별을 하기 위해 패턴 인식(Pattern Recognition) 과정을 거친 후, 처리된 영상을 바탕으로 필요한 데이터를 추출하는 데이터 추출(Data Extraction) 과정을 수행한다.

이미지 획득과 이미지 필터링 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 영상 획득(Image Acquisition) 과정은 카메라를 이용하여 영상처리에 이용할 수 있는 영상 데이터를 만드는 부분이고, 이때 영상 데이터는 비트맵과 같이 디지털 형태로 저장된다. 영상은 물리적 장치에서 얻어진 그대로 사용할 수도 있지만, 일반적인 경우 각종 필터나 히스토그램 기법(Histogram Intensity) 등의 방법을 이용하여 노이즈를 제거하거나 인식에 더 유용한 영상으로 만드는 필터링 과정을 추가하게 된다.

이미지 윤곽선 검출 과정은 다음과 같다. 일반적인 영상처리에서의 윤곽선(Edge) 개념은 영상 안에서 영역의 경계를 나타내는 특징으로서 픽셀(Pixel) 밝기의 불연속점을 나타낸다. 그리고 윤곽선은 영상 안에 있는 물체의 윤곽에 대응되며, 물체의 위치, 모양, 크기, 표면의 무늬 등에 대한 정보를 제공하게 된다. 윤곽선을 검출하는 방법은 영상의 편미분 연산자 계산에 근거하여 산출하게 되는데, 윤곽선을 검출하는 방법으로 미분연산자의 역할을 해주는 여러 가지 마스크들이 있으며 이러한 마스크는 수학적인 조건을 만족하며 동일한 효과를 가지게 된다. 여기서, 마스크란 영상 안에서 일정 부분에 위치시키기 위한 일종의 행렬 모양의 구조체로 3×3, 5×5, 16×16 등과 같은 정방 행렬을 많이 사용하게 된다. 대표적인 윤 곽선 검출 방법으로 소벨 마스크(Sobel Mask), 프레윗 마스크(Prewitt Mask), 로버트 마스크(Robert Mask), 라플라시안 마스크(Laplacian Mask), 케니 윤곽선 검출(Canny Edge Detection) 방법 등을 이용한다.

블랍 분석(Blob Analysis)은 영상 내에서 원하는 물체를 세어 주어진 영역 내의 물체의 개수를 얻어내고, 각각의 길이나 영역의 크기, 평균, 분산 같은 통계값을 자동으로 얻어낼 수 있는 분석 기술이고, 이를 통해 미생물의 크기를 확인할 수 있다.

임계치(Thresholding) 방법은 윤곽선 검출을 통하여 획득한 이미지 데이터의 특징을 추출해내는 기법 중 하나로서, 이진 데이터의 그레이의 영상을 경계값(Threshold)으로 이용하여 흑과 백의 두 가지로 데이터를 취급하는 기술이다. 경계값 처리라는 것은 입력 영상의 각 화소에 대해서 명도가 있는 일정값 이상의 경우에 대응하는 출력 영상의 화소값을 1로서, 그 외의 경우는 0으로 하게 된다.

히스토그램 방법은 영상 처리의 전처리 과정에서 물체를 인식하는데 많이 쓰이는 중요한 방법으로서, 영상에서 물체 안의 화소는 유사한 분포를 가지기 때문에 히스토그램의 마루와 골을 분석한다면 물체 부분과 배경 부분에 속한 화소의 명암값 분포를 결정할 수 있다. 이진화 블록 기법을 사용하여 마스크를 생성할 경우 추출되는 패턴이 산발적이고 그 수가 적어 패턴으로서의 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 발생하게 되는데 이를 극복하기 위해 히스토그램 기법(Histogram Intensity Method)을 사용하게 된다.

사이즈 필터링(Size Filtering)은 카메라의 해상도나 조명의 불균일성 등에 의해 2진 영상의 잡음이 있을 수 있는데, 이러한 잡음은 보통 불규칙적으로 발생하므로 잡음에 해당하는 연결성분들의 화소의 수는 적은 값을 가진다. 따라서 사이즈 필터링(Size Filtering)이란 이미지상의 연결 성분들에 대해서 일정한 픽셀(Pixel) 수 미만인 연결성분들을 제거하는 기술로서, 잡음에 의해 생기는 화소들을 제거하기 위한 단순하면서도 효율적인 방법이다.

이미지 분할(Image Segmentation)은 이미지에서 오브젝트(Object)와 배경(Background)을 분리하는 과정이다.

오브젝트 추출과 측정 과정(Object Extraction & Measurement)은 분리된 오브젝트(Object)와 배경(Background)에서 오브젝트(Object)만 추출하는 것이다.

라벨링(Labeling)에 의해 추출된 오브젝트(Object)의 크기, 위치, 방향 등의 특징을 계산한다. 여기서, 라벨링(Labeling)이란 한 연결성분에 같은 라벨(정수값)을 붙이고, 다른 연결 성분에는 다른 라벨을 붙이는 처리를 말한다. 라벨링(Labeling)된 화상으로부터 얻어진 연결성분들 각각은 어떤 물체를 나타낼 수 있는 가능성이 있으며, 각각의 연결성분에 대해 크기, 위치, 방향 등의 특징을 계산하게 된다.

한편, 화상에 있는 모든 연결성분들을 찾고, 같은 연결성분에 존재하는 모든 화소들에 하나의 고유한 라벨을 붙여주는 알고리즘을 성분 라벨링 알고리즘(Component Labeling Algorithm)이라고 하며, 회귀(Recursive)와 순차(Sequential) 알고리즘이 있다. 여기서, 회귀 알고리즘은 직렬 컴퓨팅에서는 그 계산 시간이 오래 걸리므로, 병렬 컴퓨터에서 많이 사용되고, 순차 알고리즘은 회 귀 알고리즘에 비해 계산시간이 짧고 메모리가 적게 들며, 주어진 화상에 대해 2번의 전체 조사(Scanning)만으로 계산이 끝나게 되는 특징이 있다.

패턴 매칭(Pattern Matching) 과정은 추출한 오브젝트(Object)와 데이터베이스(Database)에 저장된 데이터를 비교하는 과정으로서, 데이터베이스(Database)에 저장되어 있는 동물성 플랑크톤과 식물성 플랑크톤에 대한 자료와 추출한 오브젝트(Object)를 매칭(Matching)하는 작업을 통해 오브젝트(Object)의 기본적인 정보를 판단하는 것이다.

패턴 인식(Pattern Recognition) 과정은 이진화 처리나 히스토그램 평활 기법으로 이미지 처리를 했다고 하더라도 정확한 종의 구별이나 개체수의 판별, 그리고 생사판별과 같은 결과를 얻기에는 확률이 떨어지므로 이러한 부분을 개선하기 위한 하나의 방법으로 패턴인식(Pattern Recognition)을 사용하게 되는데, 신경망 알고리즘을 적용하여 패턴 인식(Pattern Recognition)의 인식율을 개선할 수 있다.

신경망 알고리즘은 학습의 기능을 갖는 사람의 두뇌가 다수의 뉴런이 서로 연결된 신경망으로 구성되어 있다는 것에서 착안된 것으로, 신경망은 생물학적 뉴런을 모델링한 유닛(Unit)들과 그 유닛 사이의 가중치 연결(Weighted-Connection)들로 이루어지며, 각 신경망 모델에 따라 다양한 구조와 각각 독특한 학습 규칙을 가지게 된다.

각 NN(Neural Network)은 계층별로 그룹화된 뉴런들의 집합으로 구성되어 있으며, 입력(Input), 중간(Hidden Layer), 출력(Output)의 세 계층으로 이루어져 있고 입력과 출력계층 사이에는 여러 개의 계층이 존재하도록 할 수 있다. 생물학적 뉴런들 간의 정보 전달에 있어서 시냅스가 중요한 역할을 담당하듯이, 처리 요소들 간의 연결강도(Weight)를 반영하기 위해 신경회로망에서는 연결 가중치를 사용하는데, 각 처리 요소들은 전달받은 입력값과 연결 가중치를 사용하여 입력값을 계산한 후 이를 이용하여 출력값을 결정한다.

신경망은 다음과 같은 장점을 가진다.

결함 내구성(Fault Tolerance) : 처리 노드가 많기 때문에 몇 개의 노드나 연결이 가진 결함이 비교적 시스템 전체의 결함을 초래하지는 않음.

일반화(Generalization) : 불완전하거나 사전에 알 수 없던 입력을 표현하는 경우에, 신경망은 합리적인 반응을 생성하는 것이 가능함.

적용성(Adaptability) : 신경망은 새로운 환경에서 학습. 새로운 경우는 즉각적으로 프로그램을 갱신하고 유지하는데 사용함.

상기한 바와 같은 특징과 장점 등을 패턴 인식(Pattern Recognition)의 인식률 개선에 이용하게 된다.

데이터 추출(Data Extraction) 과정은 앞서 처리한 이미지를 바탕으로 필요한 데이터(크기, 개수 등)를 추출하여 데이터베이스에 저장하는 것이다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨 터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 선박 밸러스트 워터 속의 미생물을 영상처리하는 경우 등에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 선박 밸러스트 워터 미생물 처리 시스템의 전체 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 플로우 셀의 상세 구성을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 선박 밸러스트 워터 미생물 처리 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101 : 입수 배관 102 : 저장 탱크

103 : 교반기 104 : 모터

105 : 조절 밸브 106 : 격막 펌프

107 : 플로우 셀 108 : 다파장 광원

109 : 영상처리 장치 110 : 고정대

111 : 지지대 112 : 배출 배관

Claims (14)

1. 선박 밸러스트 워터 속의 미생물을 영상처리하는 시스템에 있어서,

   유입되는 밸러스트 워터를 저장하기 위한 제1 저장수단;

   밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 이동시키기 위한 이송수단;

   상기 이송수단에 의해 이동된 시료를 저장하기 위한 제2 저장수단;

   상기 제2 저장수단에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물을 발광시키기 위한 발광수단; 및

   상기 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하기 위한 영상처리수단

   을 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이송수단으로 전달되는 밸러스트 워터의 양을 조절하고, 상기 이송수단에 의해 소정량의 시료가 이동되면 밸러스트 워터의 이동을 차단하기 위한 조절수단

   을 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 영상처리수단에서 영상처리된 미생물을 자동으로 검사하기 위한 검사수단

   을 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 저장수단 내에 구비되며, 상기 제1 저장수단에 저장된 밸러스트 워터를 교반하기 위한 교반수단; 및

   상기 교반수단을 구동시키기 위한 구동수단

   을 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 미생물은,

   동물성 플랑크톤 및 식물성 플랑크톤 중 적어도 하나를 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 발광수단은,

   상기 제2 저장수단 내에 구비되며, 다파장 광원인 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 영상처리수단을 고정하기 위한 고정수단; 및

   상기 제1 저장수단, 상기 구동수단, 상기 이송수단, 상기 제2 저장수단, 상기 고정수단을 지지하기 위한 지지수단

   을 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 이송수단은, 격막 펌프이고,

   상기 제2 저장수단은, 플로우 셀이며,

   상기 플로우 셀은, 시료의 저장을 위해 홈이 형성되며, 상기 다파장 광원이 상기 홈에 저장된 시료에 빛을 투과시켜 플랑크톤을 발광시킬 수 있도록 투명한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 시스템.
9. 선박 밸러스트 워터 속의 미생물을 영상처리하는 방법에 있어서,

   a) 유입되는 밸러스트 워터를 저장 탱크에 저장하는 단계;

   b) 격막 펌프에 의해 밸러스트 워터에서 소정량의 시료를 플로우 셀로 이동시키는 단계;

   c) 상기 이동된 시료를 플로우 셀에 저장하는 단계;

   d) 상기 플로우 셀에 저장된 시료에 빛을 투과하여 미생물을 발광시키는 단계; 및

   e) 상기 발광된 미생물을 포함하는 시료를 영상처리하는 단계

   를 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    f) 상기 b) 단계 이전에 조절 밸브가 상기 격막 펌프로 전달되는 밸러스트 워터의 양을 조절하는 단계를 더 포함하고,

    상기 조절 밸브는, 상기 격막 펌프에 의해 소정량의 시료가 이동되면 밸러스트 워터의 이동을 차단하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.
11. 제 9 항에 있어서,

    g) 상기 e) 단계에서 영상처리된 미생물을 자동으로 검사하는 단계

    를 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 a) 단계는, 상기 저장 탱크에 저장된 밸러스트 워터를 교반하는 단계

    를 더 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.
13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 미생물은,

    동물성 플랑크톤 및 식물성 플랑크톤 중 적어도 하나를 포함하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 플로우 셀은, 시료의 저장을 위해 홈이 형성되며, 다파장 광원이 상기 홈에 저장된 시료에 빛을 투과시켜 플랑크톤을 발광시킬 수 있도록 투명한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 워터 미생물 영상처리 방법.

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