KR20210114770A - 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법 - Google Patents

몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치는, 6자유도 비행 시뮬레이션 모델에 의해 유도무기의 비행 위치 및 자세를 계산하고, 상기 계산된 유도무기의 비행 위치 및 자세에 근거하여, 탐색기의 시선각 정보를 산출하는 시뮬레이션 연산 모듈, 상기 시선각 정보에 근거하여 복사 모델링 소프트웨어를 통해 탐색기 시야에 들어오는 전장의 적외선 신호를 계산하는 영상 생성 모듈, 상기 계산된 적외선 신호로부터 탐색기 센서가 생성하는 영상을 모의하고, 디지털 영상으로 변환하는 영상 주입 모듈 및 상기 디지털 영상으로부터 표적을 탐지하여 상기 시뮬레이션 연산 모듈의 6자유도 비행 시뮬레이션 모델로 전달하고, 상기 탐지된 표적에 대한 표적 탐지 정보를 이용한 비행 제어로 유도무기의 비행 시뮬레이션을 수행하는 탐색기 영상처리 모듈을 포함하고, 상기 탐색기 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하기 위한 영상처리 성능 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법{Performance Verification Apparatus and Method for Seeker Image Processing Software Module Using Monte-Carlo Image Simulation}
본 발명은 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 센서 특성과 적외선 환경으로 구성된 전투상황 시나리오 조합에 대해 탐색기 시야의 디지털 영상을 모의하여 제공함으로써 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하기 위한 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 이용한 탐색기 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능 검증 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
유도무기의 영상 시뮬레이션 시스템은 유도무기에 탑재되는 탐색기의 성능 평가에 활용되는 장비이다.
영상 시뮬레이션 시스템은 유도무기의 영상 기반 종말호밍 성능 평가를 위한 핵심적인 M&S (Modeling & Simulation) 자원으로서, 비행 중 영상 탐색기 시야에 들어오는 전장의 적외선 신호를 계산하는 적외선 영상 생성장치, 적외선 신호를 탐색기 센서 특성이 반영된 디지털 영상신호로 변환하여 영상처리 하드웨어에 주입하는 적외선 영상 주입장치로 구성된다. 영상 시뮬레이션 시스템으로 모의한 적외선 영상을 합성 적외선 영상이라고 하며, 유도무기의 비행 궤적과 적외선 환경에 따라 생성한 다양한 합성 적외선 영상을 사용하여 유도무기에 탑재되는 영상처리 알고리듬 및 유도조종성능 분석이 이루어진다.
도 1은 종래의 실시간 적외선 영상 시뮬레이션 시스템으로, 실시간 시뮬레이션 컴퓨터, 적외선 영상 생성장치, 적외선 영상 주입장치, 실시간 인터페이스로 구성된다. 실시간 시뮬레이션 컴퓨터는 유도무기의 비행 위치/자세를 실시간으로 계산하고, 이 정보는 실시간 인터페이스를 통해 적외선 영상 생성장치로 전송된다. 적외선 영상 생성장치에서는 수신한 위치/자세 정보를 바탕으로 유도무기에 장착된 탐색기가 바라보는 전장의 적외선 신호를 계산하여 적외선 영상 주입장치로 전송한다. 적외선 영상 주입장치에서는 수신한 적외선 신호로부터 탐색기 센서가 생성하는 디지털 영상으로 변환하여 실시간 인터페이스를 통해 영상처리 하드웨어로 보낸다.
그러나 이러한 시스템의 경우, 실제 탑재되는 영상처리 하드웨어를 시험 대상으로 하기 때문에 모든 장치가 경성 실시간 시스템(hard real-time system)으로 구성되어야 한다. 따라서 종래의 영상 시뮬레이션 시스템을 이용하여 영상처리 모듈을 테스트 하고자 하는 경우 시뮬레이션 루프(loop)를 구성하는 모든 하드웨어 장치, 실시간 인터페이스, 이를 운용하는 인력이 필요하고, 실시간 시뮬레이션 수행에 많은 시간이 소요되기 때문에 수 천 ~ 수 만회에 이르는 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션을 통해 모든 위험요소에 대해 성능을 분석하는 것이 불가능하다.
특히, 여러 하드웨어 장치로 구성된 실시간 시스템 구성에서는 시뮬레이션 수행 중에 영상처리 알고리듬 개발 단계에서 필수적인 디버깅과 반복적인 파라미터 튜닝을 통한 성능 최적화가 불가능하기 때문에 알고리듬 개발에 어려움이 따른다.
상기 문제점은 영상처리 모듈이 영상처리 하드웨어에 탑재된 상태로 검증되어야 한다는 점과, 이로 인해 영상 시뮬레이션 시스템이 복수의 하드웨어 장치로 구성된 실시간 시스템으로 구성되어야 한다는 점에 기인한다.
또한 기존 시스템은 교전 환경에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 수행에 있어서 단일 센서 특성만을 하드웨어에 고정으로 입력하여 센서 효과를 적용하기 때문에 센서의 전자적, 광학적 특성에 따라 달라지는 획득 영상의 품질 변화와 이에 따른 탐지 성능을 검증할 수 없다.
(선행기술문헌: 등록번호 제10-1691393호(2017.01.09.공고))
선행기술문헌은 비행 전 비행제어 및 소프트웨어를 검증함으로써 위험요소를 사전에 제거하고 기술적용의 신속성을 확보하며, 실제 비행시험의 일부를 대체하여 비용 감소를 목적으로 한다.
다만, 선행기술문헌 구성에서의 성능 검증은 비행과 관련된 상태정보를 표시하는 것에 지나지 않아 비행체 탑재 영상처리기의 성능을 상세하게 검증하지 못한다.
영상기반 무인항공기의 제어 성능은 영상처리기의 성능에 매우 의존적임에도 불구하고 영상처리기의 성능이 저하되는 비행환경을 식별하지 못하기 때문에 영상처리기 자체의 성능 검증, 또는 영상처리 알고리듬 디버깅 및 최적화를 수행하지 못하는 한계점이 있다.
이는 선행기술문헌의 기술 개발 목적이 영상처리기 성능 확인이 아니라 무인항공기의 비행조종명령 생성을 통한 비행제어 성능만을 검증하는데 있기 때문이다.
본 발명의 일 목적은 복잡한 하드웨어 장치로 구성된 실시간 영상 시뮬레이션 시스템을 모듈화하여 하나의 단일 장치로 구현하고, 비실시간 영상 시뮬레이션 루프를 구성하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 여러 종류의 전장 적외선 환경뿐만 아니라 전자적, 광학적 특성을 가지는 센서 목록을 조합으로 하는 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 통해 영상처리 소프트웨어 모듈의 성능을 검증하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치는, 6자유도 비행 시뮬레이션 모델에 의해 유도무기의 비행 위치 및 자세를 계산하고, 상기 계산된 유도무기의 비행 위치 및 자세에 근거하여, 탐색기의 시선각 정보를 산출하는 시뮬레이션 연산 모듈; 상기 시선각 정보에 근거하여 복사 모델링 소프트웨어를 통해 탐색기 시야에 들어오는 전장의 적외선 신호를 계산하는 영상 생성 모듈; 상기 계산된 적외선 신호로부터 탐색기 센서가 생성하는 영상을 모의하고, 디 지털 영상으로 변환하는 영상 주입 모듈; 및 상기 디지털 영상으로부터 표적을 탐지하여 상기 시뮬레이션 연산 모듈의 6자유도 비행 시뮬레이션 모델로 전달하고, 상기 탐지된 표적에 대한 표적 탐지 정보를 이용한 비행 제어로 유도무기의 비행 시뮬레이션을 수행하는 탐색기 영상처리 모듈을 포함하고, 상기 탐색기 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하기 위한 영상처리 성능 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 탐색기 센서 특성에 따라 달라지는 탐지 성능과 교전 환경에 따라 달라지는 탐지 성능을 검증하기 위해, 복수의 시나리오 목록을 제공하도록 형성된 시나리오 장입 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 시나리오 장입 모듈은, 복수 종류의 적외선 센서 특성 목록 및 복수의 전장에 대한 적외선 환경 목록을 상기 시뮬레이션 연산 모듈에 입력하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 센서 특성 목록은, 영상의 품질을 결정하는 탐색기 센서의 전자적 특성 및 광학적 특성에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 적외선 환경 목록은, 시뮬레이션에 설정된 교전 일시, 표적 종류, 표적지 종류, 기상 환경 및 온도에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 시나리오 장입 모듈에서 제공하는 시나리오 목록의 개수는, 상기 센서 특성 목록의 개수와 상기 적외선 환경 목록의 개수에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 생성 모듈은, 시나리오 장입 모듈로부터 장입된 적외선 환경 특성으로부터 산출된 적외선 신호와 탐색기의 시선각 정보에 근거하여, 탐색기 수광부에 입사하는 복사 휘도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 주입 모듈은, 생성된 적외선 신호가 적외선 센서에 의해 디지털 영상으로 변환되는 과정을 모델링하여 출력 영상을 생성하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 주입 모듈은, 센서의 특성 효과로 인한 영향 요소로 창 가열, 영상 번짐 및 픽셀 잡음 처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 주입 모듈은, 각 픽셀별 전기 신호를 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 처리할 수 있는 형태의 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 상기 탐색기 영상처리 모듈로부터 표적 탐지 정보 및 탐색기 영상처리 모듈에 입력되는 디지털 영상을 수신하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 상기 시뮬레이션 연산 모듈로부터 수신한 실제 표적 좌표와 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표의 오차가 임계값 이상인 경우, 상기 탐색기 영상처리 모듈로 입력되는 디지털 영상과 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표를 저장하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 시뮬레이션 연산 모듈은, 유도무기의 비행 위치 및 자세, 표적의 위치를 근거로 상기 디지털 영상에서의 실제 표적 좌표를 산출하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 산출한 표적 탐지 결과를 비행시간에 따라 상기 실제 표적 좌표와 비교하여 상기 탐색기 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 검증하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 시나리오 장입 모듈, 시뮬레이션 연산 모듈, 영상 생성 모듈, 영상 주입 모듈, 영상처리 성능 분석 모듈 및 탐색기 영상처리 모듈은 하나의 장치 내에서 소프트웨어 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 비행 위치 및 자세, 표적의 위치로부터 산출된 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표의 오차가 탐지 오차 허용치를 초과하는 입력 영상에 대해 디버깅 환경을 제공하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 시나리오 번호, 디지털영상, 표적 탐지 좌표와 표적 탐지 오차를 비행시간별로 저장하여 영상 시나리오에 대해 표적 탐지 오차를 확률적으로 분석하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 유도무기와 표적의 상대 기하 정보 및 탐색기 센서 정보에 근거하여 계산된 입력 영상에서의 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈로 탐지한 표적 좌표의 오차를 계산하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 계산된 오차가 임계값을 초과한 경우 표적 탐지 성능이 저하되는 비행 환경으로 식별하고, 표적 탐지와 관련된 정보를 저장하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 표적 탐지와 관련된 정보에는 비행시간별로 정렬된 탐색기 디지털 영상, 실제 표적 좌표, 표적 탐지 좌표, 표적 탐지 오차가 포함되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상처리 성능 분석 모듈은, 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 디버깅 및 파라미터 최적화가 수행되도록 상기 저장된 표적 탐지와 관련된 정보를 상기 탐색기 영상처리 모듈로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 영상처리 소프트웨어 모듈의 성능 검증에 필요한 복수의 장치를 단일 PC에 모듈화 하여 다양한 환경/조건/이벤트에 대한 시뮬레이션 수행에 있어 추가의 인력과 장치가 필요하지 않고 단독으로 시뮬레이션이 가능하여 디버깅 또는 파라미터 튜닝을 통해 개발 기간 단축 및 효율적인 성능 검증 절차를 도출할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 탐색기 센서 특성에 따른, 혹은 적외선 환경에 따른 영상처리 모듈의 성능을 검증할 수 있기 때문에 탐색기 센서 설계 및 유도무기 운용환경 최적화에 활용될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 별도의 추가적인 장치 없이 다중대역 혹은 다중채널 탐색기 영상을 모의할 수 있어 이종센서 탐색기의 성능 검증에도 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 많은 장치가 복잡하게 구성되어 실시간 시뮬레이션을 수행하는 기존 방식을 벗어나 장치를 구성하는 각 모듈이 단일 장치 내에서 비실시간 시뮬레이션 루프로 구성되어 영상처리 알고리듬 개발 단계에서 단독으로 디버깅 및 파라미터 최적화를 할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 실시간 적외선 영상 시뮬레이션 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 탐색기 센서의 전기적 광학적 특성을 나타낸 개념도이다.
도 4는 적외선 신호 산출에 필요한 환경 특성을 나타낸 개념도이다.
도 5는 시뮬레이션 시나리오 조합 목록을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 영상처리 알고리듬의 개발 단계에서 특정 시나리오에 대한 시뮬레이션을 수행한 후 디버깅을 수행하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며,본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 탐색기 영상처리 알고리듬의 개발 단계에서 여러 가지 위험요소에 대해 영상처리 소프트웨어 모듈의 성능을 검증하기 위한 성능 검사 장치와 그 운용 방법을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상처리 소프트웨어 모듈에 대한 성능을 검사하기 위한 성능 검증 장치(100)는, 시뮬레이션 연산 모듈(120), 영상 생성 모듈(130), 영상 주입 모듈(140), 탐색기 영상처리 모듈(160)을 포함할 수 있다.
본 발명의 성능 검사 장치(100)는, 시뮬레이션 연산 모듈(120), 영상 생성 모듈(130), 영상 주입 모듈(140), 탐색기 영상처리 모듈(160) 순으로 순차적으로 수행되면서 시뮬레이션을 진행할 수 있다. 또한, 성능 검사 장치(100)는, 메모리 상에서 각 모듈간의 데이터 전송을 모의할 수 있다.
시뮬레이션 연산 모듈(120)은 6자유도 비행 시뮬레이션 모델에 의해 유도무기의 비행 위치 및 자세를 계산할 수 있다. 이후, 시뮬레이션 연산 모듈(120)은 상기 계산된 유도무기의 비행 위치 및 자세에 근거하여, 탐색기의 시선각 정보를 산출하여 영상 생성 모듈(130)에 전달할 수 있다.
영상 생성 모듈(130)는 시선각 정보에 근거하여 복사 모델링 소프트웨어를 통해 탐색기 시야에 들어오는 전장의 적외선 신호를 계산한다.
영상 주입 모듈(140)은 상기 계산된 적외선 신호로부터 탐색기 센서가 생성하는 영상을 모의하고, 탐색기 영상처리 모듈(160)에서 처리할 수 있는 디지털 영상으로 변환하여 탐색기 영상처리 모듈(160)로 전달한다.
탐색기 영상처리 모듈(160)은 입력받은 영상(디지털 영상)으로부터 표적을 탐지하여 시뮬레이션 연산 모듈의 6자유도 비행 시뮬레이션 모델로 전달하고, 이 후 상기 표적 정보(상기 탐지된 표적에 대한 정보, 표적 탐지 정보)를 이용한 비행 제어로 유도무기의 비행 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
이 때, 본 발명의 성능 검사 장치(100)는, 탐색기 입력 영상에 대한 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하기 위해 별도의 영상처리 성능 분석 모듈(150)을 구비한다.
영상처리 성능 분석 모듈(150)은 탐색기 영상처리 모듈(160)로부터 표적 탐지 정보와 탐색기 입력 영상(영상 주입 모듈에서 변환된 디지털 영상)을 수신할 수 있다.
본 발명의 성능 검사 장치는 영상처리 알고리듬 개발 단계에서 탐색기 센서 특성에 따라 달라지는 탐지 성능과 교전 환경에 따라 달라지는 탐지 성능을 확인(검증)할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 성능 검사 장치(100)는, 다양한 조건과 환경에 대한 성능 확인을 위해 여러가지 시나리오 목록을 제공하는 시나리오 장입 모듈(110)을 더 포함할 수 있다.
즉 본 발명의 성능 검사 장치(100)는, 다양한 조건과 환경에 대한 성능 확인을 위해 시나리오 목록을 입력으로 받는데, 여러 종류의 적외선 센서 특성 목록과 다양한 전장의 적외선 환경 목록(적외선 환경 특성)을 시나리오 장입 모듈(110)을 통해 입력 받을 수 있다.
도 3은 탐색기 센서의 전기적 광학적 특성을 나타낸 개념도이고, 도 4는 적외선 신호 산출에 필요한 환경 특성을 나타낸 개념도이며, 도 5는 시뮬레이션 시나리오 조합 목록을 나타낸 개념도이다.
센서 특성 목록은 탐색기 센서의 전자적, 광학적 특성으로서 생성된 영상의 품질을 결정하는 요소이며, 입력 형식은 도 3을 따를 수 있다.
적외선 환경 데이터는 교전 일시, 표적 및 표적지 종류, 기상 환경, 온도 해석 데이터이며, 입력 형식은 도 4를 따를 수 있다.
시나리오 장입 모듈(110)은 상기 입력받은 두 장입 데이터의 조합으로 전체 영상 시뮬레이션 시나리오 목록을 생성할 수 있다.
상기 시나리오 장입 모듈에서 제공하는 시나리오 목록의 개수는, 상기 센서 특성 목록의 개수와 상기 적외선 환경 목록의 개수에 근거하여 결정될 수 있다.
이 때, 센서 종류의 개수를 M, 적외선 환경의 개수를 N이라고 하면, 도 5와 같이 총 M*N개의 테스트 시나리오가 생성될 수 있다.
영상 생성 모듈(130)은 장입된 적외선 환경 특성(적외선 환경 목록)에 대해 적외선 복사 모델링 소프트웨어로 산출된 적외선 신호와 탐색기의 시선각 정보에 근거하여 탐색기 수광부에 입사하는 복사 휘도(radiance)를 계산한다.
영상 주입 모듈(140)은 생성된 적외선 신호가 적외선 센서에 의해 디지털 영상으로 변환되는 과정을 모델링하여 출력 영상을 생성한다. 우선, 전장 환경에서 방사 및 반사되어 탐색기 수광부에 입사하는 복사 휘도를 하나의 검출기에 들어오는 복사속(radiant flux)으로 변환해야 하는데, 이 과정은 장입된 센서 고유의 특성을 바탕으로 [수학식 1]을 따른다.
Figure pat00001
Figure pat00002
는 파장,
Figure pat00003
는 복사속,
Figure pat00004
는 검출기 크기,
Figure pat00005
는 렌즈 크기,
Figure pat00006
는 초점거리,
Figure pat00007
는 복사 휘도를 의미한다.
복사속은 검출기의 파장별 반응도에 근거한 검출기의 복사량-전압 변환 모델에 따라 각 픽셀별 전기 신호로 변환될 수 있으며, 변환된 전기 신호의 전압은 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00008
여기서
Figure pat00009
는 전압,
Figure pat00010
는 파장별 반응함수,
Figure pat00011
는 복사속을 의미한다.
이외에도 영상 주입 모듈(140)은, 센서의 특성 효과로 인한 영향 요소로 창 가열(window heating), 영상 번짐(blurring), 픽셀 잡음(noise) 처리를 수행할 수 있다.
또한 영상 주입 모듈(140)은 앞서 산출된 각 픽셀별 전기 신호를 탐색기 영상처리 모듈(160)에서 처리할 수 있는 형태의 디지털 신호로 변환한다.
적외선 센서는 아날로그-디지털 변환을 통해 0~16383 분포를 가지는 14비트 디지털 영상 형태로 변환하여 영상처리 모듈(160)에 전달한다.
탐색기 영상처리 모듈(160)은 탐색기 신호처리부에서 표적 정보를 추출하는 기능을 수행하는 모듈로 14비트 디지털 영상을 입력으로 받아 추정된 표적 위치에 해당하는 픽셀 좌표를 산출한다.
표적 탐지 정보는 시뮬레이션 연산 모듈(120)에서 유도조종명령 산출에 사용되어 폐루프 비행시뮬레이션이 이뤄진다.
본 발명에서는 영상처리 성능 분석 모듈(150)을 통해 입력 영상에 대한 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하고, 개발 과정에서 알고리듬 디버깅 및 성능 최적화를 할 수 있는 환경을 제공한다.
영상처리 성능 분석 모듈(150)은 시뮬레이션 연산 모듈(120)에서 수신한 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈(160)로 탐지한 표적 좌표의 오차가 임계값 이상인 경우, 탐색기 영상처리 모듈(160)로 입력되는 디지털 영상과 탐색기 영상처리 모듈(160)에서 탐지한 표적 좌표를 저장한다.
이 때, 시뮬레이션 연산 모듈(120)은 유도무기의 비행 위치 및 자세, 표적의 위치를 근거로 입력 영상에서의 실제 표적 좌표를 산출할 수 있다.
이 후, 개발자는 이 정보를 사용하여 영상처리 모듈의 탐지 성능 저하 요인을 분석하거나, 모든 시나리오에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 수행 후 시나리오별 표적 탐지 오차를 정렬하여 저장한다.
도 6은 영상처리 알고리듬의 개발 단계에서 특정 시나리오에 대해 시뮬레이션 수행 후, 표적 탐지 오차가 허용치를 초과하는 경우에 대해 시나리오 번호, 입력영상, 탐지 표적 좌표 및 실제 표적 좌표를 저장하여 디버깅을 수행하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 성능 검사 장치의 시나리오 장입 모듈(110)은, 장입된 시나리오 조합으로 몬테칼로 시뮬레이션 시나리오 목록을 생성하고 이를 시뮬레이션 연산 모듈(120)로 전달할 수 있다(S601).
시뮬레이션 연산 모듈(120)은 시뮬레이션을 초기화하고 시나리오를 갱신할 수 있다(S602).
시뮬레이션 연산 모듈(120)은 비행 시뮬레이션을 통한 탐색기 및 표적의 위치/자세 정보를 갱신할 수 있다(S603).
시뮬레이션 연산 모듈(120)은 비행 시간이 종료되었는지 또는 탄알이 표적에 명중하였는지(탄착되었는지) 판단하고(S604), 비행 시간이 종료되었거나 또는 탄착된 경우, 시뮬레이션을 종료하고 최종 탄착 오차값을 산출하여 저장할 수 있다(S605).
한편, 비행 시간이 종료되지 않았고, 탄착되지 않은 경우, 성능 검사 장치(100)는, 시뮬레이션 연산 모듈(120), 영상 생성 모듈(130), 영상 주입 모듈(140)을 통해 적외선 복사신호와 센서 모델에 근거하여 시선각으로부터 산출된 탐색기 시야의 디지털 영상을 생성하고 영상처리 모듈(160)로 전달할 수 있다(S606).
이후, 영상처리 성능 분석 모듈(150)은, 입력 영상에서 영상처리 모듈(160)이 탐지한 표적 좌표를 추출하고, 탐색기와 표적의 상대기하 정보로부터 실제 표적 좌표를 계산할 수 있다(S607).
표적 탐지 오차는 탐지 표적 좌표와 실제 표적 좌표의 차이를 의미할 수 있다(S608).
이후, 성능 검사 장치(100)의 영상처리 성능 분석 모듈(150)은, 표적 탐지 오차의 크기가 탐지 오차 허용치보다 큰지 여부를 판단하고(S609), 표적 탐지 오차의 크기가 탐지 오차 허용치보다 큰 경우, 시나리오 번호, 입력영상, 표적 탐지 좌표, 실제 표적 좌표, 표적 탐지 오차를 저장하고, 영상처리 모듈(160)의 디버깅을 수행할 수 있다.
성능 검사 장치(100)의 영상처리 성능 분석 모듈(150)은, 표적 탐지 오차의 크기가 탐지 오차 허용치보다 작은 경우, 시뮬레이션을 종료하고 S603단계로 돌아가 새로운 시뮬레이션을 수행하면서 표적 탐지 오차에 대한 성능을 검사할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 탐색기 영상처리 알고리듬 개발 단계에서 성능 검증 및 최적화를 위한 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치(100)는,
검증하고자 하는 복수의 탐색기 센서 각각의 전자적, 광학적 특성 목록과 복수의 전장 적외선 환경이 입력되는 시나리오 장입 모듈(110),
6자유도 비행 시뮬레이션 모델에 의해 유도무기의 비행 위치 및 자세를 계산하고 이로부터 탐색기 시선각 정보를 산출하는 시뮬레이션 연산 모듈(120), 산출된 시선각 정보에 대해 탐색기 시야의 적외선 신호를 계산하는 영상 생성 모듈(130),
산출된 적외선 신호로부터 센서가 생성하는 영상을 모의하고 탐색기 영상처리에 맞는 형식으로 변환하여 영상처리 모듈로 출력하는 영상 주입 모듈(140), 영상처리 모듈에서 산출한 표적 탐지 결과를 비행시간에 따라 실제 표적 좌표와 비교하여 표적 탐지 성능을 검증하는 영상처리 성능 분석 모듈(150)을 포함할 수 있다.
또한, 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치(100)는 상기 시나리오 장입 모듈(110), 시뮬레이션 연산 모듈(120), 영상 생성 모듈(130), 영상 주입 모듈(140), 영상처리 성능 분석 모듈(150)과 검증 대상인 탐색기 영상처리 모듈(160)이 하나의 장치 내에 소프트웨어 모듈로 구성되어 비실시간 몬테카를로 영상 시뮬레이션을 통한 성능 검증을 수행할 수 있다.
영상 주입 모듈(140)은 적외선 복사 모델링 소프트웨어로 산출된 복사 신호에 대해, 센서의 광학적, 전기적 특성 및 센서 효과를 반영하여 디지털 영상으로 변환하는 과정이 소프트웨어로 구현된 모듈일 수 있다.
본 발명에 따른 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치(100)는 시나리오 장입 모듈(110)에서 입력되는 다양한 센서의 전자적, 광학적 특성과 다양한 적외선 환경의 조합에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 영상처리 알고리듬의 성능을 분석할 수 있다.
영상처리 성능 분석 모듈(150)은 비행 위치 및 자세, 표적의 위치로부터 산출된 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표의 오차가 탐지 오차 허용치를 초과하는 입력 영상에 대해 디버깅 환경을 제공할 수 있다.
영상처리 성능 분석 모듈(150)은 시나리오 번호, 입력영상, 표적 탐지 좌표와 표적 탐지 오차를 비행시간별로 저장하여 영상 시나리오에 대해 표적 탐지 오차를 확률적으로 분석할 수 있다.
영상 생성 모듈(130) 및 영상 주입 모듈(140)은 다중대역(multi-band) 탐색기 영상처리 모듈(160)의 성능을 검증하기 위해, 별도의 장치 없이 이종센서 모델이 추가로 포함될 수 있다.
정리하면, 본 발명은 유도무기에 탑재되는 탐색기 영상처리 모듈의 성능을 검증하고 최적화하기 위한 개발 환경을 제공하는 것이다.
본 발명의 성능 검증 장치(100)에 포함된 영상처리 성능 분석 모듈(150)은 입력 영상에 대한 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능 자체를 아래와 같은 프로세스로 검증하고 최적화한다.
1) 유도무기와 표적의 상대 기하 정보 및 탐색기 센서 정보에 근거하여 계산된 입력 영상에서의 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈로 탐지한 표적 좌표의 오차를 계산한다.
2) 계산된 오차가 임계값을 초과한 경우 표적 탐지 성능이 저하되는 비행 환경으로 식별하고, 표적 탐지와 관련된 정보를 저장한다. 여기서, 표적 탐지와 관련된 정보에는 비행시간별로 정렬된 탐색기 디지털 영상, 실제 표적 좌표, 표적 탐지 좌표, 표적 탐지 오차가 포함된다.
3) 이 후, 영상처리 모듈에서 디버깅 및 파라미터 최적화가 수행될 수 있도록 저장된 표적 탐지 정보를 영상처리 모듈로 전송한다,
4) 시뮬레이션 종료 후, 영상처리 성능 분석 모듈에서 저장한 표적 탐지 정보로부터 특정 시나리오에 대해 비행시간별로 영상처리 모듈의 성능을 확인하거나, 별도의 프로세스를 통해 비행 제어에 최적화된 파라미터 설정을 수행할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 구성은 검증 대상인 탐색기 영상처리 모듈과 영상처리 성능 분석 모듈이 하나의 장치 내에 구성되는 특징을 가진다. 이러한 특징은 비행 시뮬레이션 중에 온라인으로 영상처리 모듈의 성능을 검증하고 알고리듬 디버깅이 가능한 환경을 제공한다.
영상처리 성능 분석 모듈의 다른 실시예로, 장입된 여러 가지 시나리오에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 종료 후 각 시나리오별로 저장된 표적 탐지 정보 및 최종 탄착오차를 오프라인으로 분석할 수 있는 환경을 제공한다. 여기서 저장되는 표적 탐지 정보에는 시나리오 번호, 입력영상, 표적 탐지 좌표, 표적 탐지 오차가 포함된다.
몬테카를로 시뮬레이션 수행 결과 저장된 정보는 여러 가지 센서 종류에 따른 영상처리 모듈의 성능, 혹은 여러 가지 적외선 환경에 따른 영상처리 모듈의 성능을 통계적으로 보여준다. 센서 종류에 따른 영상처리 모듈의 성능은 획득 영상의 품질과 관계된 것으로 표적 탐지 성능을 높이는 고품질 영상 획득을 위한 탐색기 센서의 최적 설계에 유의미한 통계를 제공한다. 전장 환경에 따른 영상처리 모듈의 성능 정보는 유도무기 운용 환경과 관계된 것으로 최종 탄착 오차를 줄일 수 있는 운용성 극대화에 유의미한 통계를 제공한다.
본 발명에서는 센서의 개수가 늘어남에 따라 추가적인 영상생성 장치 하드웨어가 필요한 종래의 시스템과는 달리 기존 모듈의 변경 없이 이종 센서로부터 생성된 탐색기 영상을 모의할 수 있다.
이 경우 시나리오 장입 모듈에서 추가되는 센서에 해당하는 센서 특성 목록을 추가적으로 입력받게 된다.
상기 모든 모듈이 하나의 장치(단일 PC)로 구현(구성)되는 본 발명의 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치(100)에 포함되고, 제안하는 장치(100) 단독으로 영상 시뮬레이션과 표적 탐지 성능 분석이 이뤄진다.
본 발명에 의하면 영상처리 소프트웨어 모듈의 성능 검증에 필요한 복수의 장치를 단일 PC에 모듈화 하여 다양한 환경/조건/이벤트에 대한 시뮬레이션 수행에 있어 추가의 인력과 장치가 필요하지 않고 단독으로 시뮬레이션이 가능하여 디버깅 또는 파라미터 튜닝을 통해 개발 기간 단축 및 효율적인 성능 검증 절차를 도출할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 탐색기 센서 특성에 따른, 혹은 적외선 환경에 따른 영상처리 모듈의 성능을 검증할 수 있기 때문에 탐색기 센서 설계 및 유도무기 운용환경 최적화에 활용될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 별도의 추가적인 장치 없이 다중대역 혹은 다중채널 탐색기 영상을 모의할 수 있어 이종센서 탐색기의 성능 검증에도 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 많은 장치가 복잡하게 구성되어 실시간 시뮬레이션을 수행하는 기존 방식을 벗어나 장치를 구성하는 각 모듈이 단일 장치 내에서 비실시간 시뮬레이션 루프로 구성되어 영상처리 알고리듬 개발 단계에서 단독으로 디버깅 및 파라미터 최적화를 할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의범위에 포함된다.

Claims (21)

  1. 6자유도 비행 시뮬레이션 모델에 의해 유도무기의 비행 위치 및 자세를 계산하고, 상기 계산된 유도무기의 비행 위치 및 자세에 근거하여, 탐색기의 시선각 정보를 산출하는 시뮬레이션 연산 모듈;
    상기 시선각 정보에 근거하여 복사 모델링 소프트웨어를 통해 탐색기 시야에 들어오는 전장의 적외선 신호를 계산하는 영상 생성 모듈;
    상기 계산된 적외선 신호로부터 탐색기 센서가 생성하는 영상을 모의하고, 디지털 영상으로 변환하는 영상 주입 모듈; 및
    상기 디지털 영상으로부터 표적을 탐지하여 상기 시뮬레이션 연산 모듈의 6자유도 비행 시뮬레이션 모델로 전달하고, 상기 탐지된 표적에 대한 표적 탐지 정보를 이용한 비행 제어로 유도무기의 비행 시뮬레이션을 수행하는 탐색기 영상처리 모듈을 포함하고,
    상기 탐색기 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 확인하기 위한 영상처리 성능 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탐색기 센서 특성에 따라 달라지는 탐지 성능과 교전 환경에 따라 달라지는 탐지 성능을 검증하기 위해, 복수의 시나리오 목록을 제공하도록 형성된 시나리오 장입 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시나리오 장입 모듈은,
    복수 종류의 적외선 센서 특성 목록 및 복수의 전장에 대한 적외선 환경 목록을 상기 시뮬레이션 연산 모듈에 입력하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 특성 목록은,
    영상의 품질을 결정하는 탐색기 센서의 전자적 특성 및 광학적 특성에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 적외선 환경 목록은,
    시뮬레이션에 설정된 교전 일시, 표적 종류, 표적지 종류, 기상 환경 및 온도에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 시나리오 장입 모듈에서 제공하는 시나리오 목록의 개수는, 상기 센서 특성 목록의 개수와 상기 적외선 환경 목록의 개수에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 생성 모듈은,
    시나리오 장입 모듈로부터 장입된 적외선 환경 특성으로부터 산출된 적외선 신호와 탐색기의 시선각 정보에 근거하여, 탐색기 수광부에 입사하는 복사 휘도를 계산하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 주입 모듈은,
    생성된 적외선 신호가 적외선 센서에 의해 디지털 영상으로 변환되는 과정을 모델링하여 출력 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 주입 모듈은,
    센서의 특성 효과로 인한 영향 요소로 창 가열, 영상 번짐 및 픽셀 잡음 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 주입 모듈은,
    각 픽셀별 전기 신호를 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 처리할 수 있는 형태의 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    상기 탐색기 영상처리 모듈로부터 표적 탐지 정보 및 탐색기 영상처리 모듈에 입력되는 디지털 영상을 수신하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    상기 시뮬레이션 연산 모듈로부터 수신한 실제 표적 좌표와 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표의 오차가 임계값 이상인 경우, 상기 탐색기 영상처리 모듈로 입력되는 디지털 영상과 상기 탐색기 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표를 저장하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 연산 모듈은,
    유도무기의 비행 위치 및 자세, 표적의 위치를 근거로 상기 디지털 영상에서의 실제 표적 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    상기 탐색기 영상처리 모듈에서 산출한 표적 탐지 결과를 비행시간에 따라 상기 실제 표적 좌표와 비교하여 상기 탐색기 영상처리 모듈의 표적 탐지 성능을 검증하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 시나리오 장입 모듈, 시뮬레이션 연산 모듈, 영상 생성 모듈, 영상 주입 모듈, 영상처리 성능 분석 모듈 및 탐색기 영상처리 모듈은 하나의 장치 내에서 소프트웨어 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    비행 위치 및 자세, 표적의 위치로부터 산출된 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈에서 탐지한 표적 좌표의 오차가 탐지 오차 허용치를 초과하는 입력 영상에 대해 디버깅 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    시나리오 번호, 디지털영상, 표적 탐지 좌표와 표적 탐지 오차를 비행시간별로 저장하여 영상 시나리오에 대해 표적 탐지 오차를 확률적으로 분석하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    유도무기와 표적의 상대 기하 정보 및 탐색기 센서 정보에 근거하여 계산된 입력 영상에서의 실제 표적 좌표와 영상처리 모듈로 탐지한 표적 좌표의 오차를 계산하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    계산된 오차가 임계값을 초과한 경우 표적 탐지 성능이 저하되는 비행 환경으로 식별하고, 표적 탐지와 관련된 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 표적 탐지와 관련된 정보에는 비행시간별로 정렬된 탐색기 디지털 영상, 실제 표적 좌표, 표적 탐지 좌표, 표적 탐지 오차가 포함되는 것을 특징으로 하는 영상처리 소프트웨어 모듈 성능 검증 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 영상처리 성능 분석 모듈은,
    상기 탐색기 영상처리 모듈에서 디버깅 및 파라미터 최적화가 수행되도록 상기 저장된 표적 탐지와 관련된 정보를 상기 탐색기 영상처리 모듈로 전송하는 것을 특징으로 하는 모듈 성능 검증 장치.
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