KR20120071562A - 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치 - Google Patents

입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치 Download PDF

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KR20120071562A
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백부근
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한국해양연구원
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Abstract

본 발명은 입자영상속도법(Particle Image Velocimetry, PIV)을 이용하여 팩 아이스(Pack Ice)의 분포도를 쉽고 정확하게 계산해낼 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 팩 아이스 컨디션을 촬영한 사진 영상으로부터 팩 아이스의 분포도를 정확하게 계산해낼 수 있으며, 이를 통하여 빙모형 시험의 정도와 신뢰성을 상당히 향상시킬 수 있다.

Description

입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치{Calculation Device of Concentration at Pack Ice Conditions using PIV Method}
본 발명은 입자영상속도법을 이용하여 팩 아이스의 분포도를 정확히 계산해낼 수 있는 장치에 관한 것이다.
팩 아이스(Pack Ice)는 저위도에서는 겨울철에, 극지방에서는 1년 내내 존재하는 표류하는 해빙을 말한다.
빙해수조 시험에서는 팩 아이스의 분포도에 따라 빙저항이 어떻게 변하는지 시험하여 빙성능을 확인한다. 종래 빙해수조 시험의 경우 시험자는 레벨 아이스(Level Ice) 상태에서 얼음을 깨면서 70％, 80％, 90％의 분포도를 가지게 조정하여 팩 아이스 컨디션을 만든 후 자나 기타 표준의 물체를 가지고 개략적으로 팩 아이스(얼음)의 분포도를 계산한다. 하지만, 이러한 작업은 번거로울 뿐만 아니라 산출된 계산결과의 정도 및 신뢰성 또한 매우 떨어진다.
따라서 팩 아이스의 분포도를 보다 쉽고 정확하게 계산해냄으로써 모형시험의 정도를 향상시킬 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 입자영상속도법(Particle Image Velocimetry, PIV)을 이용하여 팩 아이스의 분포도를 쉽고 정확하게 계산해낼 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시 예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 레이저광학장치;
t = to 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 첫 번째 영상을 취득하고, 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 두 번째 영상을 취득하는 영상입력장치 및;
상기 영상입력장치가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상을 이차원 화상데이터로 저장한 후 디지털화상처리기법으로 분석함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해내는 컴퓨터장치;
를 포함하는 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치를 제시한다.
본 발명에 따르면 팩 아이스 컨디션을 촬영한 사진 영상으로부터 팩 아이스의 분포도를 쉽고 정확하게 계산해낼 수 있으며, 이를 통하여 빙모형 시험의 정도와 신뢰성을 상당히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시 예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
도 1은 본 발명에 따른 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치의 구성 및 작동원리.
도 2는 t = to 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 첫 번째 영상.
도 3은 t = to+△t 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 두 번째 영상.
도 4는 도 2 및 도 3의 영상 간에 유속 변화가 있는 팩 아이스 입자들에 대한 속도장을 분석한 결과.
도 5는 시간간격 △t 동안 움직인 팩 아이스의 속도벡터를 구하는 원리.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치의 구성 및 작동원리이다.
본 발명에 따른 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치는 영상입력장치(2) 및 컴퓨터장치(3)를 포함하여 이루어지며, 경우에 따라 레이저광학장치(1)를 추가로 포함할 수 있다. 이하에서는 도 1을 참조하여 각 구성요소별로 상세하게 설명한다.
1. 레이저광학장치
레이저광학장치(1)는 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비춘다.
이러한 레이저광학장치(1)는 팩 아이스의 유동입자들이 레이저 평면광에 반응하여 산란하도록 함으로써 후술하는 영상입력장치(2)가 팩 아이스의 영상을 보다 세밀하고 선명하게 취득할 수 있게 한다.
2. 영상입력장치
영상입력장치(2)는 t = to 순간에 팩 아이스의 첫 번째 영상(만약 레이저광학장치(1)가 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 경우에는 레이저 평면광에 의해 산란된 팩 아이스의 첫 번째 영상)(도 2)을 취득하고, 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간에 팩 아이스의 두 번째 영상(만약 레이저광학장치(1)가 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 경우에는 레이저 평면광에 의해 산란된 팩 아이스의 두 번째 영상)(도 3)을 취득한다.
본 발명에서는 필름 방식의 일반 카메라 또는 CCD 카메라가 이러한 영상입력장치(2)에 해당할 수 있다. 여기서, CCD(Charge Coupled Device) 카메라는 빛을 전하로 변환시켜 화상(畵像)을 얻어내는 장치이다. CCD는 여러 개의 축전기(Condenser)가 쌍으로 상호 연결되어 있는 회로로 구성되어 있고, 회로 내의 각 축전기는 자신 주변의 축전지로 충적된 전하를 전달한다. CCD는 일반적으로 디지털 스틸 카메라, 광학 스캐너, 디지털 비디오 카메라와 같은 장치의 주요 부품으로 사용된다. CCD 칩은 많은 포토다이오드들이 모여 있는 칩이다. 각각의 포토다이오드에 빛이 비추어지면 빛의 알갱이, 즉 광자(Photon)의 양에 따라 전자가 생기고 해당 포토다이오드의 전자량이 각각 빛의 밝기를 뜻하게 되어 이 정보를 재구성함으로써 화면을 이루는 이미지 정보가 만들어진다.
3. 컴퓨터장치
컴퓨터장치(3)는 영상입력장치(2)가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상을 이차원 화상데이터로 저장한 후 디지털화상처리기법으로 분석함으로써(도 4) 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해낸다.
이 경우 컴퓨터장치(3)는 시간간격 △t 동안 움직인 팩 아이스의 변위 △S를 계측하고, 이를 시간간격 △t로 나누어 팩 아이스의 속도벡터를 구한 후, 이를 다시 면적으로 적분함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해낸다(이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술함).
4. 본 발명의 구체적인 실시 예
이하에서는 본 발명에 따라 팩 아이스 컨디션에서의 분포도를 계산하는 과정을 단계별로 나누어 상세하게 설명한다.
제 10 단계 : 시험자가 빙해수조 상의 얼음을 깨어 팩 아이스 분포도를 가지게 조정하면, 레이저광학장치(1)가 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광(Laser Light Sheet)으로 비춘다. 그러면 이 빛에 의해 팩 아이스의 유동입자들이 산란하게 된다.
본 단계는 팩 아이스의 유동입자들이 레이저 평면광에 반응하여 산란하도록 함으로써 후술하는 제 20 단계에서 영상입력장치(2)가 팩 아이스의 영상을 보다 세밀하고 선명하게 취득할 수 있게 한다.
제 20 단계 : 영상입력장치(2)가 t = to 순간에 팩 아이스의 첫 번째 영상(만약 레이저광학장치(1)가 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 경우에는 레이저 평면광에 의해 산란된 팩 아이스의 첫 번째 영상)을 취득하고(도 2), 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간에 팩 아이스의 두 번째 영상(만약 레이저광학장치(1)가 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 경우에는 레이저 평면광에 의해 산란된 팩 아이스의 두 번째 영상)을 취득한다(도 3).
이 경우 만약 t = to 순간의 팩 아이스의 유동이 극히 미미하다면 시험자는 영상입력장치(2)의 첫 번째 영상 취득 후 t = to 순간의 팩 아이스 주위에 약간의 미세유동을 발생시켜 그것이 t = to+△t 순간의 팩 아이스의 유동에 가미될 수 있도록 하는 것이 좋다.
한편, 본 단계에서 영상입력장치(2)는 필름 방식의 일반 카메라 또는 CCD 카메라가 이에 해당할 수 있다.
제 30 단계 : 컴퓨터장치(3)가 영상입력장치(2)가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상을 이차원 화상데이터로 저장한 후 디지털화상처리기법으로 분석함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해낸다(도 4). 보다 구체적으로 본 단계는 다음의 세부적인 과정에 따른다.
제 31 단계 : 컴퓨터장치(3)가 시간간격 △t 동안 움직인 팩 아이스의 변위 △S를 계측한다. 여기서 팩 아이스의 변위 △S는 시간과 공간의 함수로 △S = △S(x,y;t)로 표현될 수 있다.
제 32 단계 : 컴퓨터장치(3)가 제 31 단계에서 계측한 팩 아이스의 변위 △S를 시간간격 △t로 나누어 팩 아이스의 속도벡터 U(x,y)를 구한다. 도 5는 시간간격 △t 동안 움직인 팩 아이스의 속도벡터를 구하는 원리를 보여준다. 도 5에 따르면, 팩 아이스의 속도벡터를 산출함에 있어서 팩 아이스 입자들의 주 유동방향(x) 속도성분 u 와 수직방향(y) 속도성분 v 는 시간간격 △t 동안 유동과 함께 움직인 팩 아이스 입자들의 변위(△x, △y)를 시간간격 △t 로 나누어줌으로써 추출해 낼 수 있다. 즉, 2차원 평면에서의 팩 아이스 입자들의 속도성분 u 와 v 는 다음과 같은 공식에 의해 계산된다.
Figure pat00007
제 33 단계 : 컴퓨터장치(3)가 팩 아이스의 속도벡터를 다시 면적으로 적분함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해낸다. 도 4는 제 20 단계에서 영상입력장치(2)가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상 간에 유속 변화가 있는 팩 아이스 입자들에 대한 속도장을 분석한 결과를 보여주는데, 이처럼 속도장이 발생한 영역을 적분하면 팩 아이스의 분포도(전체 얼음의 면적)를 계산할 수 있다. 즉, 전체적으로 t = to 순간의 팩 아이스의 첫 번째 영상과 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간의 팩 아이스의 두 번째 영상에서 공간상에 일정 좌표를 설정하여 속도성분 u와 v가 발생한 좌표를 추출하여 면적으로 적분하면 빙해수조 전체 공간에서 팩 아이스의 유동이 발생한 면적을 구할 수 있는데, 그 비율을 팩 아이스가 빙해수조 전체 공간에서 차지하고 있는 분포도(Concentration) 즉 전체 얼음의 면적으로 추정할 수 있는 것이다.
이상의 과정에 따르면 팩 아이스 컨디션을 촬영한 사진 영상으로부터 팩 아이스의 분포도를 쉽고 정확하게 계산해낼 수 있으며, 이를 통하여 빙모형 시험의 정도와 신뢰성을 상당히 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 레이저광학장치
2 : 영상입력장치
3 : 컴퓨터장치

Claims (4)

  1. t = to 순간에 팩 아이스의 첫 번째 영상을 취득하고, 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간에 팩 아이스의 두 번째 영상을 취득하는 영상입력장치 및;
    상기 영상입력장치가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상을 이차원 화상데이터로 저장한 후 디지털화상처리기법으로 분석함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해내는 컴퓨터장치;
    를 포함하는 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치.
  2. 팩 아이스의 유동단면을 레이저 평면광으로 비추는 레이저광학장치;
    t = to 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 첫 번째 영상을 취득하고, 시간간격 △t가 지난 t = to+△t 순간에 레이저 평면광에 산란된 팩 아이스의 두 번째 영상을 취득하는 영상입력장치 및;
    상기 영상입력장치가 취득한 팩 아이스의 첫 번째 및 두 번째 영상을 이차원 화상데이터로 저장한 후 디지털화상처리기법으로 분석함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해내는 컴퓨터장치;
    를 포함하는 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 영상입력장치는 필름 방식의 일반 카메라 또는 CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 입자영상속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 컴퓨터장치는 시간간격 △t 동안 움직인 팩 아이스의 변위 △S를 계측하고, 이를 시간간격 △t로 나누어 팩 아이스의 속도벡터를 구한 후, 이를 다시 면적으로 적분함으로써 최종적으로 팩 아이스의 분포도를 계산해내는 것을 특징으로 하는 입자영상 속도법을 이용한 팩 아이스 컨디션에서의 분포도 계산 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102914667A (zh) * 2012-09-18 2013-02-06 河海大学 基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪
CN106153977A (zh) * 2016-06-21 2016-11-23 上海交通大学 一种基于单光场相机的三维流场测试方法

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