KR20220138698A - Method and apparatus for rainfall computation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 강우량 계산 방법 및 장치에 관한 것으로, 강우 영상을 분석하여 강우량을 계산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for calculating rainfall, and to a method and apparatus for calculating rainfall by analyzing a rainfall image.
이하에서 기술되는 내용은 본 발명의 실시예와 관련되는 배경 정보를 제공할 목적으로 기재된 것일 뿐이고, 기술되는 내용들이 당연하게 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content to be described below is only provided for the purpose of providing background information related to the embodiment of the present invention, and the content to be described does not naturally constitute the prior art.
강수는 일반적으로 대기 중의 구름 속에서 만들어진 물방울이 땅으로 떨어지는 현상을 의미한다. 이 때 강수는 여러가지 형태를 가지는데 물방울이 액체 상태로 떨어지면 비, 고체 상태로 떨어지면 눈 또는 우박이라고 정의한다.Precipitation generally refers to the phenomenon of water droplets falling to the ground from clouds in the atmosphere. At this time, precipitation has various forms. When water droplets fall in a liquid state, it is defined as rain, and when it falls in a solid state, it is defined as snow or hail.
일반적으로 강우 현상을 관측하기 위해 기상청 등의 기관은 지상 기상관측장비를 전국적으로 운영한다. 그러나 현재의 자동기상관측장비는 국지적인 기상 현상에 적용하기에는 대부분 사이즈가 크거나 구성이 복잡한 고가의 수입 센서 및 시스템에 의존하고 있어 시스템의 보급 및 활용도가 제한적인 실정이다.In general, organizations such as the Korea Meteorological Administration operate ground meteorological observation equipment nationwide to observe rainfall phenomena. However, the current automatic weather observation equipment is mostly dependent on expensive imported sensors and systems that are large in size or complex to apply to local weather phenomena, so the distribution and utilization of the system is limited.
또한, 자동기상관측장비가 전국적으로 촘촘하게 설치되어 있는 것이 아니므로 자동기상관측장비가 설치되어 있지 않은 지역의 강우 현상 확인은 어렵다는 한계점이 있다.In addition, there is a limitation in that it is difficult to confirm the rainfall phenomenon in an area where automatic weather observation equipment is not installed because automatic weather observation equipment is not installed nationwide.
한편, 전술한 선행기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.On the other hand, the above-mentioned prior art is technical information possessed by the inventor for derivation of the present invention or acquired in the process of derivation of the present invention, and it cannot be said that it is necessarily known technology disclosed to the general public before the filing of the present invention. .
본 발명의 일 과제는 주야간 영상 데이터를 분석하여 강우량을 계산하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for calculating rainfall by analyzing day and night image data.
본 발명의 일 과제는 국지적인 지역의 강우 현상을 경제적인 기상 센서를 사용하면서도 보다 정확하게 관측할 수 있도록 하는 강우량 계산 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a rainfall calculation method and apparatus for more accurately observing a local rainfall phenomenon while using an economical weather sensor.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned may be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations thereof indicated in the claims.
본 발명의 일 실시예에 따른 강우량 계산 방법은, 강우 영상의 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환하는 단계, 상기 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하는 단계 및 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 상기 강우 영상의 강우 강도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.A rainfall calculation method according to an embodiment of the present invention includes converting a series of frames of a rainfall image into at least one grayscale image, and using a raindrop identification function defined based on a change in pixel value of the at least one grayscale image. separating the at least one rain layer from the at least one grayscale image and determining the rainfall intensity of the rain image based on rainfall characteristic information of the rain region displayed in the at least one rain layer. .
본 발명의 일 실시 예에 따른 강우량 계산 장치는, 일련의 프레임을 포함하는 강우 영상을 저장하는 메모리 및 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환하고, 상기 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하고, 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 상기 강우 영상의 강우 강도를 결정하도록 구성될 수 있다.A rainfall calculation apparatus according to an embodiment of the present invention includes a memory and a processor for storing a rainfall image including a series of frames, wherein the processor converts the series of frames into at least one grayscale image, and The at least one rain layer is separated from the at least one gray scale image using a rain rain identification function defined based on a change in the pixel value of the at least one gray scale image, and the rainfall characteristic of a rain region displayed in the at least one rain layer and determine the rainfall intensity of the rainfall image based on the information.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 및 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
실시예에 의하면, 전국적으로 다양한 위치에 설치된 CCTV 카메라를 이용하여 획득된 영상을 분석해 관측 지역의 강수량을 계산할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to calculate the amount of precipitation in the observation area by analyzing the images obtained using CCTV cameras installed at various locations nationwide.
실시예에 의하면, 강수량 관측 데이터가 없는 국지적인 지역의 기상 현상을 보다 저렴한 관측 장비를 이용해 정확한 판단을 할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to accurately determine a meteorological phenomenon in a local area where there is no precipitation observation data using cheaper observation equipment.
실시예에 의하면, CCTV 카메라에서 촬영된 강우 영상의 빗줄기를 활용해 강우량을 측정하는 것이 가능하며, 적외선 촬영영상을 통하여 밤에 내리는 비의 양을 계산할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to measure the amount of rainfall by using the rain stream of the rainfall image captured by the CCTV camera, and it is possible to calculate the amount of rain falling at night through the infrared photographed image.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 실시예에 따른 강우량 계산 과정이 수행되는 동작 환경의 예시도이다.
도 2는 실시예에 따른 강우량 계산 장치의 블록도이다.
도 3은 실시예에 따른 강우랑 계산 방법의 흐름도이다.
도 4는 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 빗줄기 레이어 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 강우 강도 계산 과정의 흐름도이다.
도 6은 실시예에 따른 빗줄기 레이어 분리 과정의 흐름도이다.
도 7은 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 강우 강도 계산 과정에 사용되는 지표를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 강우량 계산 과정의 빗줄기 레이어 분리 결과를 예시적으로 보여준다.
도 9는 실시예에 따른 강우량 계산 과정의 빗줄기 레이어 분리 결과를 예시적으로 보여준다.
도 10은 실시예에 따른 강우량 계산 결과를 예시적으로 보여주는 그래프이다.1 is an exemplary diagram of an operating environment in which a rainfall calculation process according to an embodiment is performed.
2 is a block diagram of an apparatus for calculating rainfall according to an embodiment.
3 is a flowchart of a method for calculating rainfall according to an embodiment.
4 is a view for explaining a rain layer separation process of the rainfall calculation method according to the embodiment.
5 is a flowchart of a rainfall intensity calculation process according to an embodiment.
6 is a flowchart of a rain layer separation process according to an embodiment.
7 is a view for explaining an index used in a rainfall intensity calculation process of the rainfall amount calculation method according to the embodiment.
8 exemplarily shows a rain layer separation result of a rainfall calculation process according to an embodiment.
9 exemplarily shows a rain layer separation result of a rainfall calculation process according to an embodiment.
10 is a graph exemplarily showing a rainfall calculation result according to an embodiment.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다. 이하 실시 예에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 직접적인 관계가 없는 부분을 생략하지만, 본 발명의 사상이 적용된 장치 또는 시스템을 구현함에 있어서, 이와 같이 생략된 구성이 불필요함을 의미하는 것은 아니다. 아울러, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. The present invention may be embodied in several different forms, and is not limited to the embodiments described herein. In the following embodiments, parts not directly related to the description are omitted in order to clearly explain the present invention. . In addition, the same reference numerals are used for the same or similar elements throughout the specification.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 되며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 이하의 설명에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In the following description, terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms, and the terms refer to one component from another component. It is used only for distinguishing purposes. Also, in the following description, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
이하의 설명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the following description, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, but one or more other It should be understood that this does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 실시예에 따른 강우량 계산 과정이 수행되는 동작 환경의 예시도이다.1 is an exemplary diagram of an operating environment in which a rainfall calculation process according to an embodiment is performed.
카메라(200)는 강우량을 측정하려는 대상지에 배치되어 주위를 촬영하고 촬영한 현장 영상을 네트워크(300)를 통해 실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)로 전송한다. 예를 들어 카메라(200)는 적외선 이미지 촬영이 가능한 카메라를 포함한다. 예를 들어 카메라(200)는 CCTV 일반 카메라 또는 적외선 카메라 등을 포함할 수 있다.The
카메라(200)는 촬영한 영상을 카메라(200)의 메모리(예를 들어 SD 카드, DVR 등)에 저장할 수 있다. 카메라(200)는 현장 영상을 실시간 스트리밍 방식(예를 들어 NTSC 및 LAN 통신)으로 강우량 계산 장치(100)로 전송할 수 있다.The
실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 실시예에 따른 강우량 계산 방법에 따른 일련의 과정을 실행하여 입력된 강우 영상으로부터 강우량을 계산한다.The rainfall
일 예에서 강우량 계산 장치(100)는 서버 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어 강우량 계산 장치(100)는 기상 관제 시스템의 일부로 구현될 수 있다. 강우량 계산 장치(100)는 여러 대상지에 배치된 복수의 카메라(200)로부터 네트워크(300)를 통해 강우 영상을 각각 수신하여 각 대상지의 강우량을 계산할 수 있다.In an example, the
일 예에서 강우량 계산 장치(100)는 카메라(200)와 일체로 구현되거나 또는 카메라(200)와 직접 연결되어 구현되거나 카메라(200)의 인근에 배치되어 카메라(200)와 무선 통신으로 연결될 수 있다. 일 예에서 카메라(200)는 실시예에 따른 강우량 계산 방법을 직접 실행하여 카메라(200)가 있는 대상지의 강우량을 직접 계산하고 계산 결과를 기상 관제 시스템으로 전송할 수 있다.In one example, the
강우량 계산 장치(100) 또는 기상 관제 시스템은 강우량 계산 결과를 네트워크(300)를 통해 단말(400)로 전송할 수 있다. 단말(400)은 강우량 계산 장치(100) 또는 기상 관제 시스템으로부터 실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)의 강우량 계산 결과를 수신할 수 있다.The
일 예에서 단말(400)은 기상 정보를 제공하는 어플리케이션(application) 또는 앱(app)을 실행하여 실시예에 따른 강우량 계산 결과에 기반하여 사용자에게 강우량 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어 단말(400)은 사용자의 현재 위치 또는 사용자가 설정한 관심 위치의 강우량 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.In an example, the
네트워크(300)는 유선 및 무선 네트워크, 예를 들어 LAN(local area network), WAN(wide area network), 인터넷(internet), 인트라넷(intranet) 및 엑스트라넷(extranet), 그리고 모바일 네트워크, 예를 들어 셀룰러, 3G, LTE, 5G, WiFi 네트워크, 애드혹 네트워크 및 이들의 조합을 비롯한 임의의 적절한 통신 네트워크 일 수 있다.Network 300 is a wired and wireless network, such as a local area network (LAN), a wide area network (WAN), the Internet (internet), intranet (intranet) and extranet (extranet), and mobile networks, such as It may be any suitable communication network, including cellular, 3G, LTE, 5G, WiFi networks, ad hoc networks, and combinations thereof.
네트워크(300)는 허브, 브리지, 라우터, 스위치 및 게이트웨이와 같은 네트워크 요소들의 연결을 포함할 수 있다. 네트워크(300)는 인터넷과 같은 공용 네트워크 및 안전한 기업 사설 네트워크와 같은 사설 네트워크를 비롯한 하나 이상의 연결된 네트워크들, 예컨대 다중 네트워크 환경을 포함할 수 있다. 네트워크(300)에의 액세스는 하나 이상의 유선 또는 무선 액세스 네트워크들을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 강우량 계산 장치의 블록도이다.2 is a block diagram of an apparatus for calculating rainfall according to an embodiment.
실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 프로세서(110) 및 메모리(120)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성은 예시적인 것이고, 강우량 계산 장치(100)는 도 2에 도시된 구성 중 일부를 포함하거나, 도 2에 도시되지 않았으나 장치의 작동을 위해 필요한 구성을 추가로 포함할 수 있다.The
강우량 계산 장치(100)는 일련의 프레임을 포함하는 강우 영상을 저장하는 메모리(120) 및 프로세서(110)를 포함할 수 있다.The
프로세서(110)는 일종의 중앙처리장치로서, 메모리(120)에 저장된 하나 이상의 명령어를 실행하여 강우량 계산 장치(100)의 동작을 제어할 수 있다.The
프로세서(110)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(110)는 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.The
이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로서, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 프로세서(110)는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.As an example of the data processing device embedded in the hardware as described above, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated (ASIC) circuit) and a processing device such as a field programmable gate array (FPGA), but is not limited thereto. The
프로세서(110)는 강우 영상을 분석하여 대상지의 강우량을 계산하도록 강우량 계산 장치(100)의 각 구성을 제어할 수 있다.The
프로세서(110)는, 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환하고, 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하고, 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 강우 영상의 강우 강도를 결정하도록 구성될 수 있다.The
프로세서(110)는 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환할 수 있다. 프로세서(110)는 변환된 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리할 수 있다. The
일 예에서 빗줄기 식별 함수는, 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 1 행렬을 결정 변수로 하는 최적화 함수이고, 픽셀값 변화와 연계된 복수의 연산항 및 복수의 연산항에 대한 조절 변수를 포함할 수 있다.In one example, the rain streak identification function is an optimization function using, as a determining variable, a first matrix having pixel values of a rain layer for a grayscale image as a component, and a plurality of operation terms and a plurality of operation terms associated with pixel value change It may contain modulating variables.
여기서 복수의 연산항은, 제 1 행렬의 공간 밀도에 대한 제 1 연산항, 제 1 행렬의 수직 평활도에 대한 제 2 연산항, 회색조 이미지에서 빗줄기 레이어를 분리한 나머지에 대응하는 배경 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 2 행렬의 수평 연속도에 대한 제 3 연산항, 및 제 2 행렬의 시간 의존도에 대한 제 4 연산항을 포함할 수 있다. 예를 들어 제 1 연산항, 상기 제 2 연산항, 상기 제 3 연산항 및 상기 제 4 연산항은 각각 상기 제 1 행렬 또는 상기 제 2 행렬과 연계된 L1-norm 연산항일 수 있다.Here, the plurality of operation terms are a first operation term for spatial density of the first matrix, a second operation term for vertical smoothness of the first matrix, and pixel values of the background layer corresponding to the remainder of separating the rain layer from the grayscale image. It may include a third operation term for the horizontal continuity of the second matrix having as a component, and a fourth operation term for the temporal dependence of the second matrix. For example, each of the first operation term, the second operation term, the third operation term, and the fourth operation term may be an L1-norm operation term associated with the first matrix or the second matrix.
일 예에서 프로세서(110)는, 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하기 위하여, 빗줄기 식별 함수값을 최소화하는 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 상기 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정하고, 결정된 조합에 의한 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 제 1 행렬을 주어진 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정하도록 구성될 수 있다.In one example, the
회색조 이미지 변환 및 빗줄기 레이어 식별에 대하여는 도 3을 참조하여 단계(S1) 및 단계((S2)에서 구체적으로 살펴본다.Grayscale image conversion and rain layer identification will be described in detail in steps S1 and S2 with reference to FIG. 3 .
프로세서(110)는 분리된 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 강우 영상의 강우 강도를 결정할 수 있다.The
일 예에서 강우 특성 정보는, 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기의 실제 크기, 빗줄기의 속도, 및 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 강우 입자 크기 분포를 포함할 수 있다.In an example, the rainfall characteristic information may include an actual size of rain corresponding to a rain region displayed in the at least one rain layer, the speed of the rain, and a rainfall particle size distribution for the at least one rain layer.
일 예에서 프로세서(110)는, 강우 강도를 결정하기 위하여, 강우 영상을 촬영한 렌즈와 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리를 추정하고, 추정된 실제 거리에 기반하여 빗줄기의 실제 크기를 결정하고, 결정된 빗줄기의 실제 크기에 기반하여 빗줄기의 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.In one example, the
일 예에서 프로세서(110)는 강우 강도를 결정하기 위하여, 강우 영상을 촬영한 렌즈의 파라미터에 기반하여 강우 영상의 이미지 심도를 결정하고, 이미지 심도에 기반하여 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 유효 강우 부피를 결정하고, 유효 강우 부피에 대한 적어도 하나의 빗줄기 레이어의 강우 입자 크기 분포를 결정하고, 빗줄기의 실제 크기, 빗줄기의 속도 및 강우 입자 크기 분포에 기반하여 강우 영상에 대한 강우 강도를 결정하도록 구성될 수 있다.In one example, the
구체적인 강우 강도 결정은 도 3을 참조하여 단계(S3)에서 설명한다.The specific rainfall intensity determination will be described in step S3 with reference to FIG. 3 .
메모리(120)는 통신부(130)를 통해 획득한 강우 영상으로부터 강우량을 계산하기 위한 하나 이상의 명령을 포함하는 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서(110)는 메모리(120)에 저장된 프로그램, 명령어들에 기반하여 실시예에 따른 강우량 계산 과정을 실행할 수 있다.The
메모리(120)는 강우량 계산 알고리즘에 의해 연산되어 강우량 계산을 위한 연산 과정에서 발생하는 중간 데이터 및 연산 결과 등을 더 저장할 수 있다.The
메모리(120)는 내장 메모리 및/또는 외장 메모리를 포함할 수 있으며, DRAM, SRAM, 또는 SDRAM 등과 같은 휘발성 메모리, OTPROM(one time programmable ROM), PROM, EPROM, EEPROM, mask ROM, flash ROM, NAND 플래시 메모리, 또는 NOR 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리, SSD, CF(compact flash) 카드, SD 카드, Micro-SD 카드, Mini-SD 카드, Xd 카드, 또는 메모리 스틱(memory stick) 등과 같은 플래시 드라이브, 또는 HDD와 같은 저장 장치를 포함할 수 있다. 메모리(120)는 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 통신부(130)를 더 포함할 수 있다.The
통신부(130)는 강우량 계산 장치(100)의 데이터의 송신 및 수신을 위한 통신 인터페이스를 포함한다. 통신부(130)는 강우량 계산 장치(100)에게 다양한 방식의 유무선 통신 경로를 제공하여 강우량 계산 장치(100)를 네트워크(300)와 연결할 수 있다.The
강우량 계산 장치(100)는 통신부(130)를 통해 입력 강우 영상 데이터, 결과 강우량 및 중간 데이터를 송/수신할 수 있다. 통신부(130)는 예를 들어 각종 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, GPS 모듈, 이동 통신을 위한 모뎀 등에서 적어도 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.The rainfall
무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말한다. 무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 기술들에 따른 통신망에서 무선 신호를 송수신하도록 이루어진다.The wireless Internet module refers to a module for wireless Internet access. The wireless Internet module is configured to transmit and receive wireless signals in a communication network according to wireless Internet technologies.
무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있다.As wireless Internet technology, for example, WLAN (Wireless LAN), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi (Wireless Fidelity) Direct, DLNA (Digital Living Network Alliance), WiBro (Wireless Broadband), WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), Long Term Evolution (LTE), Long Term Evolution-Advanced (LTE-A), and the like.
근거리 통신 모듈은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth??), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다.The short-range communication module is for short-range communication, and is Bluetooth (Bluetooth??), RFID (Radio Frequency Identification), infrared communication (Infrared Data Association; IrDA), UWB (Ultra Wideband), ZigBee, NFC (Near) Field Communication), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, and Wireless USB (Wireless Universal Serial Bus) technology may be used to support short-distance communication.
강우량 계산 장치(100)는 프로세서(110), 메모리(120) 및 통신부(130) 간에 물리적/논리적 연결 경로를 제공하는 버스(140)를 더 포함할 수 있다.The
실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 입력 영상의 픽셀에서의 회색조 변화를 이용해 빗줄기의 존재를 확인하고, 영상 배경에서 빗줄기만을 추출하기 위해 최적화 기법을 적용해 특정 대상지에서의 최적 매개변수를 선정한다.The
이후 실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 입력 영상에 포함된 빗줄기의 속도, 크기 및 카메라 렌즈와 빗방울 간의 거리 등의 물리적인 특성을 이용해 강우 강도를 결정하고 이로부터 강우량을 산출한다.Thereafter, the
이하에서 도 3 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 강우량 계산 방법을 보다 상세히 살펴본다.Hereinafter, a rainfall calculation method according to an embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 3 to 6 .
도 3은 실시예에 따른 강우랑 계산 방법의 흐름도이다.3 is a flowchart of a method for calculating rainfall according to an embodiment.
실시예에 따른 강우량 계산 방법은 강우 영상의 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환하는 단계(S1), 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하는 단계(S2) 및 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 강우 영상의 강우 강도를 결정하는 단계(S3)를 포함한다.The rainfall calculation method according to the embodiment includes the steps of converting a series of frames of a rainfall image into at least one grayscale image (S1), at least one using a rain stream identification function defined based on a change in pixel value of the at least one grayscale image Separating at least one rain layer from the grayscale image of (S2) and determining the rainfall intensity of the rainfall image based on rainfall characteristic information of the rain region displayed in the at least one rain layer (S3).
실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 단계(S1)에 의해 입력 영상의 픽셀에서의 회색조 변화를 이용해 빗줄기의 존재를 확인하고, 단계(S2)에 의해 영상 배경에서 빗줄기만을 추출하기 위해 최적화 기법을 적용하여 특정 대상지에서의 최적 매개변수를 선정한다.The
단계(S1)에서 프로세서(110)는 강우 영상의 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환할 수 있다.In step S1 , the
강우 영상은 도 1을 참조하여 카메라(200)는 카메라(200)가 배치된 대상지의 주변을 일정 시간 동안 촬영하여 생성한 일련의 프레임을 포함한다.The rainfall image includes a series of frames generated by the
일 예에서 카메라(200)는 주기적으로 강우 영상을 강우량 계산 장치(100)로 전송할 수 있다. 일 예에서 프로세서(110)는 카메라(200)로부터 수신한 입력 영상을 일정한 시간 주기로 분할하여 강우량 계산 과정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 시간 주기는 30초일 수 있다.In an example, the
일 예에서 카메라(200)는 일정한 위치에 배치되어 대상지 및 그 주변을 촬영하는 CCTV(Closed Circuit TeleVision) 카메라일 수 있다. 예를 들어 카메라(200)는 적외선 영상을 촬영가능한 CCTV 카메라일 수 있다.In one example, the
실시예에 따른 강우량 계산 방법에서 구현하는 빗줄기 식별 알고리즘은 관측 지역의 강우 영상을 이용해 비가 없는 배경 레이어와 빗줄기 레이어를 구분한다. 구체적으로, 빗줄기 식별 알고리즘은 촬영된 영상의 복수 개의 프레임 내의 빗방울 픽셀 변화를 통하여 빗줄기와 백그라운드를 분리한다.The rain stream identification algorithm implemented in the rainfall calculation method according to the embodiment uses a rainfall image of an observation area to distinguish a rain layer from a background layer without rain. Specifically, the rain stream identification algorithm separates the rain stream and the background through a pixel change of raindrops in a plurality of frames of a photographed image.
단계(S1)에서 강우량 계산 장치(100)는 카메라(200)가 획득한 일련의 프레임을 포함하는 강우 영상을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환할 수 있다. 여기서 강우 영상의 각 프레임은 RGB 채널을 갖는 이미지이고, 회색조 이미지는 그레이스케일(grayscale) 이미지를 의미한다.In step S1 , the
예를 들어 연속된 3개의 프레임이 있다고 가정하였을 때 각 프레임의 RGB 이미지를 8비트의 회색조 이미지(0 흑-255 백)로 전환한다.For example, assuming there are three consecutive frames, the RGB image of each frame is converted into an 8-bit grayscale image (0 black-255 white).
예를 들어 프로세서(110)는 광도 측정법 또는 색상 측정법을 사용하여 원본 색상 이미지와 동일한 휘도(또는 상대 휘도)를 갖도록 강우 영상의 일련의 프레임을 변환하여 적어도 하나의 회색조 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어 회색조 변환을 위하여 강우 영상의 RGB를 휘도와 채도로 변환하는 툴(예를 들어 matlab의 rgb2ycbcr function)을 활용할 수 있다.For example, the
단계(S1)은 강우 영상의 일련의 프레임에 대한 전처리 과정을 포함할 수 있다.Step S1 may include a preprocessing process for a series of frames of the rainfall image.
예를 들어 프로세서(110)는 일련의 프레임을 일정한 주기로 샘플링하여 획득한 적어도 하나의 프레임을 회색조 이미지로 변환할 수 있다. 예를 들어 프로세서(110)는 일련의 프레임을 일정한 주기마다 묶어서 평균하여 생성한 적어도 하나의 프레임을 회색조 이미지로 변환할 수 있다. 즉, 프로세서(110)는 일련의 프레임의 프레임 개수보다 더 적은 개수의 프레임으로부터 회색조 이미지를 생성할 수 있다.For example, the
추가적으로 단계(S1)은 강우 영상 중 강우 영역을 설정하는 전처리 과정을 더 포함할 수 있다.Additionally, step S1 may further include a pre-processing of setting a rainfall region in the rainfall image.
예를 들어 프로세서(110)는 영상에서 다른 객체가 이동 가능한 영역과 카메라 렌즈에 빗방울이 묻어 빗줄기를 식별하지 못하는 영역을 배제한 영역을 강우 영역으로 설정할 수 있다. 예를 들어 프로세서(110)는 객체의 이동이 가장 적고 배경이 가장 어두운 영상의 영역을 강우 영역으로 설정할 수 있다. 예를 들어 프로세서(110)는 영상의 중심 하단부를 강우 영역으로 설정할 수 있다.For example, the
단계(S2)에서 프로세서(110)는 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리할 수 있다.In step S2 , the
단계(S1)에서 변환된 하나의 프레임 내 빗방울이 포함된 회색조 이미지는 모든 픽셀 요소가 회색조 값으로 구성된 2차원 매트릭스 에 의해 정의된다.The grayscale image including raindrops in one frame converted in step S1 is a two-dimensional matrix in which all pixel elements are composed of grayscale values. is defined by
행렬()는 빗방울이 없는 배경 레이어()와 빗줄기만 있는 레이어()로 나뉘게 된다.procession( ) is the background layer without raindrops ( ) and a layer with rain only ( ) is divided into
단계(S2)에서 프로세서(110)는 빗줄기 식별 알고리즘을 실행하여 단계(S1)에서 변환된 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 비가 없는 배경 레이어와 빗줄기 레이어를 분리할 수 있다.In step S2 , the
이하에서 도 4 및 도 5를 참조하여 단계(S2)를 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, step S2 will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 .
도 4는 실시예에 따른 빗줄기 레이어 분리 과정의 흐름도이다.4 is a flowchart of a rain layer separation process according to an embodiment.
도 3을 참조하여 단계(S2)에서 프로세서(110)는 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리한다.Referring to FIG. 3 , in step S2 , the
이를 위하여 단계(S2)는 빗줄기 식별 함수값을 최소화하는 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정하는 단계(S21) 및 결정된 조합에 의한 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 제 1 행렬을 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정하는 단계(S22)를 포함할 수 있다.To this end, in step S2, the first adjustment variable for the first operation term, the second adjustment variable for the second operation term, the third adjustment variable for the third operation term, and the fourth operation for minimizing the rain stream identification function value Determining the combination of the fourth adjustment variable for the term (S21) and determining the first matrix that minimizes the rain stream identification function value by the determined combination as the rain stream layer for the grayscale image (S22) have.
단계(S21)에서 프로세서(110)는 빗줄기 식별 함수값을 최소화하는 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정할 수 있다.In step S21, the
우선 빗줄기 식별 함수에 대하여 살펴본다.First, let's look at the rain stream identification function.
실시예에 따른 강우량 계산 방법은 강우 영상으로부터 변환된 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 분리된 빗줄기 레이어의 공간 밀도, 수직 방향 연속성, 수평 방향 불연속성 및 시간 의존도를 고려하여 최적화 모델을 설계하고 이에 대한 빗줄기 식별 함수를 구성한다. 또한, 실시예에 따른 강우량 계산 방법은, 최적의 조절 변수를 선정하고(즉, 단계(S21)), 강우 영상에서 비가 없는 배경 레이어와 빗줄기 레이어를 분리하는 과정(즉, 단계(S22))을 수행한다.The rainfall calculation method according to the embodiment designs an optimization model in consideration of spatial density, vertical continuity, horizontal discontinuity, and time dependence of a rain layer separated from at least one grayscale image converted from a rainfall image, and a rain stream identification function for this make up In addition, the rainfall calculation method according to the embodiment selects an optimal adjustment variable (ie, step S21), and separates the rain layer from the background layer without rain in the rainfall image (ie, step S22)) carry out
빗줄기 식별 함수는 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 1 행렬을 결정 변수로 하는 최적화 함수이다. 다음의 수학식 1은 실시예에 따른 강우량 계산 방법에서 사용하는 빗줄기 식별 함수의 일 예시이다.The rain streak identification function is an optimization function using, as a decision variable, a first matrix having pixel values of a rain streak layer with respect to a grayscale image as a component.
여기서 O는 회색조 이미지의 픽셀값을 성분으로 갖는 행렬을 의미하고, R은 빗줄기 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 1 행렬을 의미한다.Here, O denotes a matrix having pixel values of a grayscale image as a component, and R denotes a first matrix having pixel values of a rain layer as a component.
수학식 1의 빗줄기 식별 함수가 나타내는 최적화 모델에서 R은 최적화 모델의 결정변수이다. 는 최적화 모델의 결정변수 제약 조건을 나타내고 있으며 R값은 음수가 될 수 없다는 것을 나타낸다.In the optimization model represented by the rain stream identification function of
최초 R 매트릭스는 초기 영상으로부터 회색조 값으로만 구성된 2차원 매트릭스로 구성된다. 은 매트릭스의 모든 요소의 절댓값의 합을 의미한다. , , , 항은 R(빗줄기 레이어)과 B(배경 레이어)의 특성들을 일반화한 항이다.The initial R matrix is composed of a two-dimensional matrix composed only of grayscale values from the initial image. is the sum of the absolute values of all elements of the matrix. , , , The term is a generalized term for the properties of R (rain layer) and B (background layer).
복수의 조절 변수()는 복수의 연산항의 조절 변수로서, 0이 아닌 양의 값을 가진다.Multiple control variables ( ) is a control variable of a plurality of operands, and has a non-zero positive value.
수학식 1의 빗줄기 식별 함수는 4 개의 연산항을 포함한다. 각 연산항은 이미지의 공간 밀도, 수직 방향 연속성, 수평 방향 연속성 및 시간 의존도와 연계된다.The rain stream identification function of
즉, 빗줄기 식별 함수의 복수의 연산항은, 제 1 행렬의 공간 밀도에 대한 제 1 연산항, 제 1 행렬의 수직 평활도에 대한 제 2 연산항, 회색조 이미지에서 빗줄기 레이어를 분리한 나머지에 대응하는 배경 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 2 행렬의 수평 연속도에 대한 제 3 연산항, 및 제 2 행렬의 시간 의존도에 대한 제 4 연산항을 포함할 수 있다.That is, the plurality of operation terms of the rain stream identification function include a first operation term for the spatial density of the first matrix, a second operation term for the vertical smoothness of the first matrix, and the remainder of separating the rain layer from the grayscale image. It may include a third operation term for horizontal continuity of the second matrix having pixel values of the background layer as a component, and a fourth operation term for temporal dependence of the second matrix.
제 1 연산항()은 제 1 행렬(R)의 공간 밀도와 연계된 연산항으로서, 제 1 행렬(R)의 픽셀값의 L1-norm과 제 1 조절 변수()에 기반하여(예를 들어 곱셈으로) 값이 결정된다.The first operand ( ) is an operation term associated with the spatial density of the first matrix R, and L1-norm of the pixel values of the first matrix R and the first adjustment variable ( ) (eg by multiplication), the value is determined.
빗줄기만 있는 레이어(R)는 빗방울이 없는 배경 레이어(B)보다 회색조 값이 0이 더 많다. 따라서, 제 1 연산항()의 값을 최소화시킨다는 것은 행렬 내의 값이 대부분 0인 희소행렬(Sparse of matrix)을 나타내어 배경 레이어(B)와 빗방울 레이어(R)의 차이를 분명하게 한다는 것을 의미한다.The layer with only raindrops (R) has more zero grayscale values than the background layer without raindrops (B). Therefore, the first operand ( ) means that the difference between the background layer (B) and the raindrop layer (R) is made clear by representing a sparse matrix in which the values in the matrix are mostly 0.
제 2 연산항()은 제 1 행렬(R)의 수직 방향 연속도, 즉 수직 방향 평활도(smoothness)와 연계된 연산항으로서, 제 1 행렬(R)의 픽셀값의 y축 방향 변화량()에 대한 L1-norm과 제 2 조절 변수()에 기반하여(예를 들어 곱셈으로) 값이 결정된다.The second operand ( ) is an operation term associated with the vertical continuity of the first matrix R, that is, the vertical smoothness, and the amount of change in the y-axis direction of the pixel value of the first matrix R ( L1-norm for ) and the second control variable ( ) (eg by multiplication), the value is determined.
제 2 연산항()은 세로 방향의 빗줄기 모양을 의미한다. 제 2 연산항의 델 연산자()는 Y 방향 변화를 나타내고, 제 2 연산항()은 빗방울 레이어(R)의 픽셀값의 Y방향 총 변화를 나타낸다.The second operand ( ) means a vertical rain stream. The del operator of the second operand ( ) represents the change in the Y direction, and the second operation term ( ) represents the total change in the Y-direction of pixel values of the raindrop layer (R).
제 2 연산항()을 최소화한다는 것은 세로 방향으로 내리는 비와 배경의 차이를 잘 감지하게 만들어 빗줄기와 배경을 효과적으로 분리한다는 것을 의미한다.The second operand ( ) means that it effectively separates the rain from the background by making the difference between the vertical rain and the background well sensed.
제 3 연산항()은 회색조 이미지의 픽셀값을 성분으로 행렬(O)과 제 1 행렬(R)의 픽셀값의 차이에 대응하는 제 2 행렬()의 수평방향 연속도, 즉 제 2 행렬의 픽셀값의 x축 방향 변화량(에 대한 L1-norm과 제 3 조절 변수()에 기반하여(예를 들어 곱셈으로) 값이 결정된다.The third operand ( ) is a second matrix ( ) in the horizontal direction, that is, the amount of change in the x-axis direction of the pixel values of the second matrix ( L1-norm and the third control variable for ) (eg by multiplication), the value is determined.
제 4 연산항()은 제 2 행렬()의 시간 의존도, 즉 시간 독립도와 연계된 항으로, 시간에 따른 제 2 행렬()의 픽셀값의 변화량()에 대한 L1-norm과 제 4 조절변수()에 기반하여(예를 들어 곱셈으로) 값이 결정된다.4th operation term ( ) is the second matrix ( ) is a term associated with the time dependence, i.e., time independence, of the second matrix ( ) change in pixel value ( L1-norm for ) and the fourth moderator ( ) (eg by multiplication), the value is determined.
즉, 제 4 연산항에 의해, 정지된 각 프레임뿐만 아니라 연속된 프레임들의 픽셀값의 차이를 함께 고려해 배경 레이어와 빗줄기 레이어를 분리할 수 있다.That is, according to the fourth operation term, the background layer and the rain layer may be separated by considering the difference in pixel values of not only each still frame but also consecutive frames.
제 3 연산항()은 배경 레이어(B)의 가로 방향 지속성 보존이 목적이고, 제 4 연산항()은 배경 레이어(B)의 시간 연속성 유지가 목적이다.The third operand ( ) is for the purpose of preserving the horizontal persistence of the background layer (B), and the fourth operation term ( ) is for the purpose of maintaining temporal continuity of the background layer (B).
제 3 연산항() 및 제 4 연산항()을 최소화한다는 것은 X 방향의 변화 및 시간의 변화에 따라 배경 레이어(B)가 변하지 않는다는 것을 의미하므로, 이들 항을 최소화함으로써 확실한 빗줄기 레이어(R)와 배경 레이어(B)와의 분리가 가능해진다.The third operand ( ) and the fourth operand ( ) means that the background layer (B) does not change according to the change in the X direction and the change in time.
빗줄기 식별 함수는 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화와 연계된 복수의 연산항 및 이와 같은 복수의 연산항에 대한 조절 변수를 포함한다. 수학식 1의 예시에 나타난 것처럼, 예를 들어 빗줄기 식별 함수는 제 1 조절변수, 제 2 조절변수, 제 3 조절변수 및 제 4 조절변수에 의한 제 1 연산항, 제 2 연산항, 제 3 연산항 및 제 4 연산항의 가중합을 함수값으로 계산한다.The rain stream identification function includes a plurality of operation terms associated with a change in a pixel value of at least one grayscale image, and adjustment variables for the plurality of operation terms. As shown in the example of
단계(S21)에서 프로세서(110)는 주어진 적어도 하나의 회색조 이미지 및 제 1 행렬에 대하여 빗줄기 식별 함수를 반복적으로 연산하면서 빗줄기 식별 함수의 함수값을 최소로 하는 제 1 조절 변수, 제 2 조절 변수, 제 3 조절 변수 및 제 4 조절 변수의 조합을 결정할 수 있다.In step S21, the
일 예에서 빗줄기 식별 함수의 최적화를 위하여 최적화 기법 중에서도 현재 위치에서 함수값이 감소하는 방향으로 조절 변수를 이동시켜 더 이상 내려갈 수 없는 최저점에 도달할 때까지 반복을 수행하는 최소화 기법을 적용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니고 다양한 최적화 기법이 사용될 수 있다.In one example, for the optimization of the rain stream identification function, a minimization technique that repeats until reaching the lowest point that can no longer go down by moving the adjustment variable from the current position to the direction in which the function value decreases among optimization techniques can be applied. , but is not limited thereto, and various optimization techniques may be used.
복수의 조절 변수()는 복수의 연산항의 조절 변수로서, 0이 아닌 양의 값을 가진다. 빗줄기 식별 함수값을 최소화시키는 조절 변수()의 조합을 찾는 것은 강우 영상에서 배경(B)과 비(R)를 명확하게 분리하는 데에 중요한 요소이다.Multiple control variables ( ) is a control variable of a plurality of operands, and has a non-zero positive value. An adjustment variable that minimizes the rainstorm identification function value ( ) is an important factor in clearly separating the background (B) and the rain (R) in the rainfall image.
각 조절 변수()의 값은 한 번에 각 연산항의 값이 얼마나 이동할 지를 정하는 조절 매개변수이며 이 값이 증가할수록 최소값으로 수렴하는 속도가 증가하지만, 값이 너무 커지면 발산할 수도 있기 때문에 적절한 매개변수의 선정이 배경 레이어(B)와 빗줄기 레이어(R)의 명확한 분리에 중요한 영향을 미친다.Each control variable ( ) is a control parameter that determines how far the value of each operation term moves at a time. As this value increases, the speed of convergence to the minimum value increases, but if the value becomes too large, it may diverge. It has a significant impact on the clear separation of the layer (B) and the raindrop layer (R).
일 예에서, 조절 변수는 순차적으로 조절될 수 있다. 일 예에서 조절 변수는 소정의 순서에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 먼저 제 1 조절 변수() 및 제 3 조절변수()를 조절한 후에 제 2 조절 변수() 및 제 4 조절 변수()를 조절할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예에서, 조절 변수는 동시에 조절될 수 있다. 일 예에서 각 조절 변수는 조건을 만족하는 범위에서 조절될 수 있다.In one example, the adjustment variable may be adjusted sequentially. In one example, the adjustment variable may be adjusted according to a predetermined order. For example, first the first adjustment variable ( ) and the third control variable ( ) after adjusting the second adjustment variable ( ) and the fourth adjustment variable ( ) can be adjusted, but is not limited thereto. In one example, the adjustment variable may be adjusted simultaneously. In one example, each modulating variable is It can be adjusted in a range that satisfies the condition.
결정된 제 1 조절 변수, 제 2 조절 변수, 제 3 조절 변수 및 제 4 조절 변수는 강우 영상을 촬영한 카메라(200)가 위치한 대상지에 대한 고유의 조합이 된다.The determined first adjustment variable, the second adjustment variable, the third adjustment variable, and the fourth adjustment variable become a unique combination for the target location in which the
한편, 프로세서(110)는 조건에 따라 대상지에 대한 제 1 조절 변수, 제 2 조절 변수, 제 3 조절 변수 및 제 4 조절 변수의 최적의 조합을 다르게 결정 및 관리할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(110)는 영상의 촬영 지점의 배경별로 또는 강우의 세기 정도에 따라서 제 1 조절 변수, 제 2 조절 변수, 제 3 조절 변수 및 제 4 조절 변수의 최적의 조합을 별도로 결정하여 빗줄기 식별 함수에 적용할 수 있다.Meanwhile, the
단계(S22)에서 프로세서(110)는 단계(S21)에서 결정된 조절 변수의 최적 조합에 의한 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 제 1 행렬을 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정할 수 있다.In step S22 , the
단계(S22)에서 프로세서(110)는 주어진 조절 변수의 최적 조합에 대하여 제 1 행렬()을 변화시켜가면서 빗줄기 조절 함수를 반복적으로 연산하여 빗줄기 조절 함수값이 최소가 되는 제 1 행렬()을 회색조 이미지()에 대한 빗줄기 레이어로 결정할 수 있다.In step S22, the
도 5는 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 빗줄기 레이어 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a rain layer separation process of a method for calculating rainfall according to an embodiment.
도 3을 참조하여 단계(S1)에서 프로세서(110)는 강우 영상의 일련의 프레임으로부터 변환된 적어도 하나의 회색조 이미지(O1, O2,..., OT)를 생성한다.Referring to FIG. 3 , in step S1 , the
도 4를 참조하여 단계(S21)에서 프로세서(110)는 빗줄기 식별 함수값을 최소화하는 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정한다.Referring to FIG. 4 , in step S21 , the
이를 위하여 프로세서(110)는 빗줄기 식별 함수를 반복적으로 연산하면서 빗줄기 식별 함수의 함수값을 최소로 하는 제 1 조절 변수, 제 2 조절 변수, 제 3 조절 변수 및 제 4 조절 변수의 조합을 결정할 수 있다.To this end, the
도 4를 참조하여 단계(S22)에서 프로세서(110)는 결정된 조합에 의한 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 제 1 행렬을 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정할 수 있다.Referring to FIG. 4 , in step S22 , the
전술한대로 빗줄기 식별 함수의 복수의 연산항은 이미지의 공간 밀도, 수직 방향 연속성, 수평 방향 연속성 및 시간 의존도와 각각 연계된다.As described above, the plurality of operation terms of the rain stream identification function are respectively associated with spatial density, vertical continuity, horizontal continuity, and temporal dependence of the image.
빗줄기 식별 함수의 복수의 연산항은, 빗줄기 레이어에 대한 행렬(R1, R2,..., RT)의 공간 밀도에 대한 제 1 연산항, 빗줄기 레이어에 대한 행렬(R1, R2,..., RT)의 수직 평활도()에 대한 제 2 연산항, 회색조 이미지에서 빗줄기 레이어(R1, R2,..., RT)를 분리한 나머지에 대응하는 배경 레이어(B1, B2,..., BT)의 픽셀값을 성분으로 갖는 행렬의 수평 연속도()에 대한 제 3 연산항, 및 배경 레이어 행렬(B1, B2,..., BT)의 시간 의존도()에 대한 제 4 연산항을 포함할 수 있다.The plurality of operation terms of the rain identification function include a first operation term for spatial density of matrices R1, R2, ..., RT for the rain layer, and a matrix for the rain layer (R1, R2, ..., RT) of the vertical smoothness ( ), the pixel value of the background layer (B1, B2,..., BT) corresponding to the remainder of separating the rain layer (R1, R2,..., RT) from the grayscale image as a component The horizontal continuity of a matrix with ( ), and the temporal dependence of the background layer matrices (B1, B2,..., BT) ) may include a fourth operation term for .
단계(S22)에서 프로세서(110)는 최적의 제 1 행렬을 빗줄기 레이어로 결정한다.In step S22, the
다시 도 3으로 돌아와서 단계(S3)을 살펴본다.Returning to FIG. 3 again, step S3 is looked at.
단계(S2)에서 분리된 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대하여 실시예에 따른 강우량 계산 장치(100)는 단계(S3)에서 입력 영상에 포함된 빗줄기의 속도, 크기 및 카메라 렌즈와 빗방울 간의 거리 등의 물리적인 특성을 이용해 강우 강도를 결정하고 이로부터 강우량을 산출한다.With respect to the at least one rain layer separated in step S2, the
실시예에 따른 강우량 계산 방법이 구현한 강우강도 계산 알고리즘은 빗방울의 물리적 특성(예를 들어, 빗방울의 종단 속도, 직경, 공간 분포 등)과 카메라의 설정값(예를 들어 F값, 초점거리, 해상도 등)을 고려하여 빗줄기의 실제 길이를 계산하고 빗방울 크기 분포를 추정해 강우량을 계산한다. 이 때 전술한 빗줄기 식별 알고리즘에서 선정된 최적 조절 변수를 적용하여 분리된 바이너리 이미지의 빗줄기와 빗방울의 물리학적 특성을 결합하여 강우 강도를 추정한다.The rainfall intensity calculation algorithm implemented by the rainfall calculation method according to the embodiment includes the physical characteristics of raindrops (eg, terminal velocity, diameter, spatial distribution, etc.) of the raindrops and the set values of the camera (eg, F-value, focal length, Resolution, etc.), the actual length of the rain stream is calculated, and the rainfall is calculated by estimating the size distribution of raindrops. At this time, the rainfall intensity is estimated by combining the physical characteristics of the rain stream and raindrops of the separated binary image by applying the optimal adjustment variable selected in the above-described rain stream identification algorithm.
단계(S3)에서 프로세서(110)는 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 강우 영상의 강우 강도를 결정할 수 있다. 여기서 적어도 하나의 빗줄기 레이어는 단계(S2)에서 분리된 것이다. 예를 들어 단계(S3)의 적어도 하나의 빗줄기 레이어는 단계(S2)에서 분리된 빗줄기 레이어의 이진 이미지(예를 들어, 빗줄기 픽셀 1, 나머지 픽셀 0)일 수 있다.In operation S3 , the
이하에서 도 6을 참조하여 단계(S3)에 대하여 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, step S3 will be described in detail with reference to FIG. 6 .
도 6은 실시예에 따른 강우 강도 계산 과정의 흐름도이다.6 is a flowchart of a rainfall intensity calculation process according to an embodiment.
도 3을 참조하여 단계(S3)에서 프로세서(110)는 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 강우 영상의 강우 강도를 결정할 수 있다.Referring to FIG. 3 , in step S3 , the
여기서 강우 특성 정보는 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기의 실제 크기, 빗줄기의 속도, 및 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 강우 입자 크기 분포를 포함한다. 이는 후술할 단계(S31) 내지 단계(S36)에서 추정 내지 결정될 수 있다.Here, the rainfall characteristic information includes the actual size of the rain stream corresponding to the rain region displayed in the at least one rain layer, the speed of the rain stream, and a rainfall particle size distribution for the at least one rain layer. This may be estimated or determined in steps S31 to S36 to be described later.
단계(S3)은 강우 영상을 촬영한 렌즈와 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리를 추정하는 단계(S31), 추정된 실제 거리에 기반하여 빗줄기의 실제 크기를 결정하는 단계(S32) 및 결정된 빗줄기의 실제 크기에 기반하여 빗줄기의 속도를 결정하는 단계(S33)을 포함할 수 있다.Step (S3) is a step (S31) of estimating the actual distance between the lens that captured the rainfall image and the raindrop corresponding to the raindrop area displayed in at least one raindrop layer, and determining the actual size of the raindrop based on the estimated actual distance. It may include step S32 and determining the speed of the rain stream based on the determined actual size of the rain stream ( S33 ).
단계(S31)에서 프로세서(110)는 강우 영상을 촬영한 렌즈와 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리(s)를 추정할 수 있다.In step S31 , the
빗방울의 크기는 이미지에서 각각의 빗방울과 카메라 렌즈 사이 거리에 기반하여 추정되며 근거리에서의 빗방울 순간 속도는 카메라 노출 시간과 실제 빗방울 크기에 의해 계산된다. 하지만, 실제 빗방울과 카메라 렌즈 사이의 거리(s)는 미지수이므로 강우량을 산정하기 전에 먼저 추정이 필요하다.The raindrop size is estimated based on the distance between each raindrop and the camera lens in the image, and the instantaneous raindrop velocity at close range is calculated by the camera exposure time and the actual raindrop size. However, since the distance (s) between the actual raindrop and the camera lens is unknown, it is necessary to estimate it before estimating the rainfall.
우선, 빗방울을 구형이라고 가정할 때, 빗방울의 궤적 길이(L, mm)와 빗방울의 직경(D, mm)은 렌즈 방정식을 통해 알 수 있다.First, assuming that the raindrop is spherical, the trajectory length (L, mm) of the raindrop and the diameter (D, mm) of the raindrop can be known through the lens equation.
도 7과 수학식 2에서 s는 빗방울에서 렌즈까지의 거리(mm), 는 초점 거리(Focal distance, mm), f는 초점 길이(Focal length, mm), 와 는 각각 이미징 센서 활성 영역의 수직 및 수평 크기(mm),와 는 각각 캡쳐된 이미지의 수직 및 수평 크기(pixel), 와 는 이미지에서 빗줄기의 길이와 너비를 뜻한다.7 and Equation 2, s is the distance from the raindrop to the lens (mm), is the focal length (mm), f is the focal length (mm), Wow are the vertical and horizontal dimensions (mm) of the imaging sensor active area, respectively; Wow is the vertical and horizontal size of the captured image (pixel), Wow is the length and width of the rain stream in the image.
이 때, 빗방울의 낙하 속도 v(s)(m/s)는 노출 시간 τ의 함수로 표현된다.At this time, the falling velocity v(s) (m/s) of the raindrop is expressed as a function of the exposure time τ.
그러나 낙하 속도는 일반적으로 근지상에서의 빗방울의 순간 속도로 가정하는데, 이는 중력과 대기 항력 사이의 균형으로 인해 낙하 시 달성하게 되는 최고 속도를 의미한다. 이를 이용해 근사된 빗방울의 종단속도는 다음과 같다.However, the fall velocity is generally assumed to be the instantaneous velocity of a raindrop on the ground, which means the highest velocity achieved during the fall due to the balance between gravity and atmospheric drag. The terminal velocity of raindrops approximated using this is as follows.
D는 빗방울의 지름이며 이는 앞서 수학식 2에서 기술한 D(s)와 같다.D is the diameter of the raindrop, which is the same as D(s) described in Equation 2 above.
v(s) = v(D)일 때 다음 수학식 5를 이용해 L(s) 및 D(s) 계산에 필요한 빗방울과 렌즈 사이의 거리(s)를 구할 수 있다.When v(s) = v(D), the distance (s) between the raindrop and the lens required for calculating L(s) and D(s) can be obtained using Equation 5 below.
이 때, A, B, C는 각각 , , 를 의미한다. w(·)는 람베르트 w 함수로, f(w)=wew 의 역 관계 함수이다. 위의 수학식 5를 보면 s를 제외한 모든 변수는 도 7에 나타나 있는 변수로 변수들의 값을 입력하여 화면에 나타나는 빗줄기 의 s값을 계산할 수 있다.In this case, A, B, and C are each , , means w(·) is a Lambert w function, which is an inverse relational function of f(w)=we w . In Equation 5 above, all variables except s are variables shown in FIG. 7, and the rain stream appears on the screen by inputting the values of the variables. can calculate the value of s.
단계(S32)에서 프로세서(110)는 추정된 실제 거리에 기반하여 빗줄기의 실제 크기를 결정할 수 있다.In step S32 , the
단계(S32)에서 프로세서(110)는 전술한 수학식 2에 따라 빗줄기의 실제 크기를 결정할 수 있다.In step S32 , the
예를 들어 프로세서(110)는 빗줄기의 실제 길이() 및 해당 빗방울의 직경()을 결정할 수 있다.For example, the
단계(S33)에서 프로세서(110)는 결정된 빗줄기의 실제 크기에 기반하여 빗줄기의 속도를 결정할 수 있다.In step S33 , the
단계(S33)에서 프로세서(110)는 전술한 수학식 3 및 수학식 4에 기반하여 빗줄기의 속도를 결정할 수 있다.In step S33 , the
예를 들어 프로세서(110)는 빗줄기의 속도()를 결정할 수 있다.For example, the
추가적으로, 도 3을 참조하여 단계(S3)은 강우 영상을 촬영한 렌즈의 파라미터에 기반하여 강우 영상의 이미지 심도를 결정하는 단계(S34), 결정된 이미지 심도에 기반하여 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 유효 강우 부피를 결정하는 단계(S35), 결정된 유효 강우 부피에 대한 적어도 하나의 빗줄기 레이어의 강우 입자 크기 분포를 결정하는 단계(S36) 및 빗줄기의 실제 크기, 빗줄기의 속도 및 강우 입자 크기 분포에 기반하여 강우 영상에 대한 강우 강도를 결정하는 단계(S37)을 더 포함할 수 있다.Additionally, with reference to FIG. 3 , step S3 is a step of determining an image depth of a rainfall image based on a parameter of a lens photographing the rainfall image ( S34 ), and the validity of at least one rain layer based on the determined image depth Determining a rainfall volume (S35), determining a rainfall particle size distribution of at least one raindrop layer for the determined effective rainfall volume (S36) and based on the actual size of the raindrop, the speed of the rainstorm, and the rainfall particle size distribution The method may further include determining a rainfall intensity for the rainfall image ( S37 ).
단계(S34)에서 프로세서(110)는 강우 영상을 촬영한 렌즈의 파라미터에 기반하여 강우 영상의 이미지 심도를 결정할 수 있다.In step S34 , the
단계(S31)에서 추정된 강우 영상을 촬영한 렌즈와 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리(s)는 특정 범위(DoF) 내의 빗줄기에 대해서만 유지된다. 즉, 근거리 과 원거리 사이의 범위에서만 s 값이 추정 가능하다.The actual distance s between the lens that captured the rainfall image estimated in step S31 and the rain corresponding to the rain region displayed in the at least one rain layer is maintained only for rain within a specific range DoF. that is, near and far The value of s can be estimated only in the range between
는 카메라 기종에 따른 최대 허용 착란원(mm)이며, N은 카메라 렌즈의 F 수이다. is the maximum allowable source of confusion (mm) according to the camera model, and N is the F number of the camera lens.
단계(S34)에서 프로세서(110)는 수학식 6에 따라 근거리 과 원거리 사이의 범위를 이미지 심도로 결정할 수 있다.In step S34, the
단계(S35)에서 프로세서(110)는 결정된 이미지 심도에 기반하여 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 유효 강우 부피를 결정할 수 있다.In operation S35 , the
단계(S35)에서 강우 영상 내의 이론적인 강우 부피V(m3)는 카메라 초점 면에 맺힌 피사계심도(도 7을 참조하여 DoF) 내의 사각형 피라미드 모양의 부피를 의미한다.In step S35, the theoretical rainfall volume V(m 3 ) in the rainfall image means a rectangular pyramid-shaped volume within the depth of field (DoF with reference to FIG. 7 ) formed on the focal plane of the camera.
하지만, 이렇게 계산된 이론적인 강우량과 현실 강우량은 차이가 발생할 수 있으며, 이하 단계에서 입자 크기 분포를 결정 및 강우 강도 추정에 반영하여 차이를 줄일 수 있다. However, a difference may occur between the theoretical rainfall and actual rainfall calculated in this way, and the difference can be reduced by determining the particle size distribution and reflecting the rainfall intensity estimation in the following steps.
단계(S36)에서 프로세서(110)는 결정된 유효 강우 부피에 대한 적어도 하나의 빗줄기 레이어의 강우 입자 크기 분포를 결정할 수 있다.In operation S36 , the
단계(S36)에서 프로세서(110)는 입자 크기 분포(Drop Size Distribution; DSD)에 의해 강우 강도(즉, 시간 당 강우량)를 계산한다.In step S36, the
입자 크기 분포는 강수 입자의 직경 간격 당 단위 부피 당 강수 입자의 수 농도로 표현되며 강수 시스템에 따라서 서로 다른 특징을 보일 수 있다.The particle size distribution is expressed as the concentration of the number of precipitation particles per unit volume per diameter interval of the precipitation particles and may show different characteristics depending on the precipitation system.
예를 들어, 감마(gamma) 분포를 적용한 확률밀도 함수를 사용할 수 있으며, DSD는 다음과 같이 표현될 수 있다.For example, a probability density function to which a gamma distribution is applied may be used, and the DSD may be expressed as follows.
N(D)은 피사계심도 측정 부피 내의 빗방울 개수를 뜻하며, a는 확률 밀도 함수의 모양, b는 척도 모수, 는 a 일 때의 gamma 함수, 는 a-1, 는 1/b를 의미한다. D는 빗방울의 직경을 나타낸다.N(D) is the number of raindrops in the depth-of-field measurement volume, a is the shape of the probability density function, b is the scale parameter, is the gamma function when a, is a-1, means 1/b. D represents the diameter of the raindrop.
이 때, 제한된 영상 크기로 인한 불확실성을 줄이기 위해 연속 프레임에 대한 N(D)의 표본 분포를 평균하여 을 얻는다.At this time, in order to reduce the uncertainty due to the limited image size, the sample distribution of N(D) for consecutive frames is averaged to reduce the uncertainty due to the limited image size. get
은 j번째 프레임의 i번째 픽셀에 있는 빗방울의 표본 개수이다. is the sample number of raindrops in the i-th pixel of the j-th frame.
단계(S37)에서 프로세서(110)는 빗줄기의 실제 크기, 빗줄기의 속도 및 강우 입자 크기 분포에 기반하여 강우 영상에 대한 강우 강도를 결정할 수 있다.In operation S37 , the
강우 강도 RF(mm/hr)의 계산식은 수학식 10으로 표현될 수 있다.The calculation formula of the rainfall intensity RF (mm/hr) may be expressed by Equation (10).
따라서 빗방울의 종단속도 v(D)에 대한 수학식(수학식 4 참조)과 DSD에 대한 수학식(수학식 9 참조)을 강우 강도 RF 계산식(수학식 10)에 대입하여 최종 강우강도 계산식을 구할 수 있다.Therefore, the final rainfall intensity calculation formula is obtained by substituting the formula for the terminal velocity v(D) of the raindrop (see Equation 4) and the formula for DSD (refer to Equation 9) into the rainfall intensity RF calculation formula (Equation 10). can
일 예에서 프로세서(110)는 수학식 11의 강우 강도를 시간에 따라 적분하여 전체 강우량을 계산할 수 있다.In an example, the
도 7은 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 강우 강도 계산 과정에 사용되는 지표를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining an index used in a rainfall intensity calculation process of the rainfall amount calculation method according to the embodiment.
근초점면(Sn)과 원초점면(Sf) 사이에 위치한 실제 빗줄기(길이 L, 직경 D)는 센서면에서 빗줄기 영역(길이 lp, 직경 dp)으로 이미지로 촬영된다.The actual rain stream (length L, diameter D) located between the near focal plane Sn and the far focal plane Sf is imaged as a rain region (length lp, diameter dp) on the sensor plane.
도 8은 실시예에 따른 강우량 계산 과정의 빗줄기 레이어 분리 결과를 예시적으로 보여준다.8 exemplarily shows a rain layer separation result of a rainfall calculation process according to an embodiment.
도 8에 나타난 이미지는 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 도 3을 참조하여 단계(S2)에서 빗줄기 식별 알고리즘에 의해 분리된 빗줄기 이미지이다. (a)는 현재 영상, (b)는 탐지된 빗줄기를 나타내고 (c)는 이진화 영상을 나타낸다.The image shown in FIG. 8 is a rain image separated by a rain stream identification algorithm in step S2 with reference to FIG. 3 of the method for calculating rainfall according to the embodiment. (a) shows the current image, (b) shows the detected rain stream, and (c) shows the binarized image.
도 8로부터 실시예에 따른 강우량 계산 방법에 의해 주간에 촬영된 현장 영상으로부터 빗줄기 분리가 효과적으로 이루어진 것을 알 수 있다.From FIG. 8 , it can be seen that raindrops are effectively separated from the field images taken during the day by the rainfall calculation method according to the embodiment.
도 9는 실시예에 따른 강우량 계산 과정의 빗줄기 레이어 분리 결과를 예시적으로 보여준다.9 exemplarily shows a rain layer separation result of a rainfall calculation process according to an embodiment.
도 9에 나타난 이미지는 실시예에 따른 강우량 계산 방법의 도 3을 참조하여 단계(S2)에서 빗줄기 식별 알고리즘에 의해 분리된 빗줄기 이미지이다. (a)는 현재 영상, (b)는 탐지된 빗줄기를 나타내고 (c)는 이진화 영상을 나타낸다.The image shown in FIG. 9 is a rain image separated by a rain stream identification algorithm in step S2 with reference to FIG. 3 of the method for calculating rainfall according to the embodiment. (a) shows the current image, (b) shows the detected rain stream, and (c) shows the binarized image.
도 9로부터 실시예에 따른 강우량 계산 방법에 의해 야간에 촬영된 적외선 영상으로부터 빗줄기 분리가 효과적으로 이루어진 것을 알 수 있다.From FIG. 9 , it can be seen that raindrops are effectively separated from an infrared image captured at night by the rainfall calculation method according to the embodiment.
도 10은 실시예에 따른 강우량 계산 결과를 예시적으로 보여주는 그래프이다.10 is a graph exemplarily showing a rainfall calculation result according to an embodiment.
도 10은 2020년 6월 30일 발생한 강우 영상에 대해 실시예에 따른 강우량 계산 알고리즘을 이용하여 계산한 결과 그래프이다.10 is a graph of a result of calculating a rainfall image generated on June 30, 2020 using a rainfall calculation algorithm according to an embodiment.
실험은 서울대학교 관악캠퍼스 대기환경관측소 옥상에서 진행하였으며 영상 분석에 사용된 CCTV(실시예)와 관악 AWS 모두 동일한 위치에 존재한다. CCTV와 기상청 AWS(Automatic Weather System)에서 측정된 강우량을 각각 15분 누적 값으로 표현하였다.The experiment was conducted on the rooftop of the atmospheric environment observatory at Seoul National University Gwanak Campus, and both the CCTV (Example) and Gwanak AWS used for image analysis exist in the same location. Precipitation measured by CCTV and AWS (Automatic Weather System) of the Korea Meteorological Administration was expressed as 15-minute cumulative values, respectively.
실시예에 따른 강우량 계산 방법은 적외선 카메라 영상을 활용한 야간 강우량 계산을 높은 정확도로 수행가능하고, 정량적 추정이 가능한 강우량을 산출할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 보다 저렴한 센서를 이용하면서도 높은 정확성의 강우 상태 판단을 수행할 수 있다.It can be seen that the rainfall calculation method according to the embodiment can perform the nighttime rainfall calculation using the infrared camera image with high accuracy and can calculate the rainfall amount that can be quantitatively estimated. In addition, it is possible to perform rainfall state determination with high accuracy while using a cheaper sensor.
실시예에 의하면, CCTV 카메라와 같은 전국적으로 다양한 지점에 이미 설치된 영상 촬영 장비를 이용해 저장된 영상을 분석하여 기상관측 장비가 없는 강수 미계측 지역의 강우량을 확인할 수 있다. 이를 통해 도심지뿐만 아니라 산지, 도로, 해안가 등의 국지적인 지역의 강우 현상을 보다 저렴한 관측 장비를 이용하면서도 정확하게 관측할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to check the amount of rainfall in a precipitation unmeasured area where there is no meteorological observation equipment by analyzing the stored image using video recording equipment already installed at various points nationwide, such as a CCTV camera. Through this, it is possible to accurately observe rainfall events not only in urban areas but also in local areas such as mountains, roads, and coastal areas using cheaper observation equipment.
또한, 실시예에 의하면 강우량은 분 단위, 시간 단위로 생산되기 때문에 조밀한 공간 해상도와 시간 해상도를 가진다. 따라서 기상 예측과 수자원 예측을 위한 모델 개발의 필수적인 기초 자료로 사용되어 각 분야에서의 예측 모델의 아웃풋의 질이 개선될 수 있다.In addition, according to the embodiment, since rainfall is produced in units of minutes and hours, it has dense spatial and temporal resolution. Therefore, it can be used as essential basic data for model development for weather forecasting and water resource forecasting, so that the quality of the output of the forecasting model in each field can be improved.
기존에 CCTV가 설치되어 있거나 외부에 CCTV를 설치하여 실시예에 따른 강우량 계산 기술을 적용할 수 있으므로, 저비용으로 국지적인 강우량 정보를 필요로 하는 모든 산업 분야에서 활용가능한 이점이 있다.There is an advantage that can be used in all industrial fields that require local rainfall information at low cost because the existing CCTV is installed or the rainfall calculation technology according to the embodiment can be applied by installing the CCTV outside.
특히 도로에 설치되어 있는 CCTV를 활용한다면 일반 도로 및 고속도로 위험기상 정보 생산 또는 예측 기술 개발에 도움이 될 것이며 도로 위험 기상 정보 모니터링 시스템에 활용가능하다.In particular, if the CCTV installed on the road is utilized, it will be helpful in the production or prediction of dangerous weather information on general roads and highways, and it can be used in the road hazardous weather information monitoring system.
또한, 침수예측시스템에도 실시간 모니터링 자료로 활용될 수 있다. 이를 통해 보다 세밀한 맞춤형 선제적 예방대응이 가능하고 사고 발생이 높은 침수 취약 지역 해소에 도움이 될 수 있다.In addition, it can be used as real-time monitoring data in the flood prediction system. Through this, it is possible to take a more detailed customized and preemptive preventive response, and it can be helpful in resolving flood-prone areas where accidents are high.
한편, 실시예에 의해 생성되는 강수 데이터는 기상 예측(일기 예보)을 위한 모델링의 고해상도 강수 기초 자료로 활용될 수 있다.Meanwhile, the precipitation data generated by the embodiment may be utilized as high-resolution precipitation basic data for modeling for weather prediction (weather forecast).
또한, 강우량 데이터가 없는 미 계측 지역의 강우 자료를 확보할 수 있는 기술이므로 효과적인 재난 방재를 위해 적용가능하다.In addition, since it is a technology that can secure rainfall data in the non-measured area where there is no rainfall data, it can be applied for effective disaster prevention.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 강우량 계산 방법은 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.The rainfall calculation method according to an embodiment of the present invention described above can be implemented as computer-readable codes on a medium in which a program is recorded. The computer-readable medium includes all kinds of recording devices in which data readable by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. There is this.
이상 설명된 본 발명의 실시 예에 대한 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the embodiment of the present invention described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily transform into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. you will be able to understand that Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.
100:
강우량 계산 장치
110:
프로세서
120:
메모리
130:
통신부100: rainfall calculator
110: processor
120: memory
130: communication department
Claims (17)
상기 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 상기 강우 영상의 강우 강도를 결정하는 단계
를 포함하는,
강우량 계산 방법.
converting a series of frames of the rainfall image into at least one grayscale image;
separating at least one raindrop layer from the at least one grayscale image using a raindrop identification function defined based on a change in pixel values of the at least one grayscale image; and
determining the rainfall intensity of the rainfall image based on rainfall characteristic information of the rain region displayed in the at least one rain layer
containing,
How to calculate rainfall.
상기 빗줄기 식별 함수는,
회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 1 행렬을 결정 변수로 하는 최적화 함수이고,
상기 픽셀값 변화와 연계된 복수의 연산항 및 상기 복수의 연산항에 대한 조절 변수를 포함하는,
강우량 계산 방법.
The method of claim 1,
The rain stream identification function is,
It is an optimization function using the first matrix having the pixel values of the rain layer for the grayscale image as a component as a decision variable,
including a plurality of operation terms associated with the pixel value change and adjustment variables for the plurality of operation terms,
How to calculate rainfall.
상기 복수의 연산항은,
상기 제 1 행렬의 공간 밀도에 대한 제 1 연산항,
상기 제 1 행렬의 수직 평활도에 대한 제 2 연산항,
회색조 이미지에서 빗줄기 레이어를 분리한 나머지에 대응하는 배경 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 2 행렬의 수평 연속도에 대한 제 3 연산항, 및
상기 제 2 행렬의 시간의존도에 대한 제 4 연산항
을 포함하는,
강우량 계산 방법.
3. The method of claim 2,
The plurality of operation terms are
a first operation term for the spatial density of the first matrix;
a second operation term for the vertical smoothness of the first matrix;
A third operation term for the horizontal continuity of the second matrix having, as a component, the pixel value of the background layer corresponding to the remainder of separating the rain layer from the grayscale image, and
A fourth operation term for the time dependence of the second matrix
containing,
How to calculate rainfall.
상기 제 1 연산항, 상기 제 2 연산항, 상기 제 3 연산항 및 상기 제 4 연산항은 각각 상기 제 1 행렬 또는 상기 제 2 행렬과 연계된 L1-norm 연산항인,
강우량 계산 방법.
4. The method of claim 3,
The first operation term, the second operation term, the third operation term, and the fourth operation term are L1-norm operation terms associated with the first matrix or the second matrix, respectively,
How to calculate rainfall.
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하는 단계는,
상기 빗줄기 식별 함수의 함수값을 최소화하는 상기 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 상기 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 상기 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 상기 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정하는 단계; 및
상기 조합에 의한 상기 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 상기 제 1 행렬을 상기 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정하는 단계
를 포함하는,
강우량 계산 방법.
4. The method of claim 3,
Separating the at least one rain layer comprises:
A first adjustment variable for the first operation term, a second adjustment variable for the second operation term, a third adjustment variable for the third operation term, and the fourth operation for minimizing the function value of the rain stream identification function determining a combination of a fourth modulator for the term; and
determining the first matrix that minimizes the rain stream identification function value by the combination as the rain stream layer for the grayscale image
containing,
How to calculate rainfall.
상기 강우 특성 정보는,
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기의 실제 크기, 상기 빗줄기의 속도, 및 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 강우 입자 크기 분포
를 포함하는,
강우량 계산 방법.
The method of claim 1,
The rainfall characteristic information,
The actual size of the rain stream corresponding to the rain region indicated in the at least one rain layer, the speed of the rain stream, and the rainfall particle size distribution for the at least one rain layer
containing,
How to calculate rainfall.
상기 강우 강도를 결정하는 단계는,
상기 강우 영상을 촬영한 렌즈와 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리를 추정하는 단계;
상기 거리에 기반하여 상기 빗줄기의 실제 크기를 결정하는 단계; 및
상기 빗줄기의 실제 크기에 기반하여 상기 빗줄기의 속도를 결정하는 단계를 포함하는,
강우량 계산 방법.
The method of claim 1,
The step of determining the rainfall intensity,
estimating an actual distance between the lens photographing the rainfall image and rain corresponding to the rain region displayed in the at least one rain layer;
determining an actual size of the rain stream based on the distance; and
determining the speed of the rain stream based on the actual size of the rain stream,
How to calculate rainfall.
상기 강우 강도를 결정하는 단계는,
상기 강우 영상을 촬영한 렌즈의 파라미터에 기반하여 상기 강우 영상의 이미지 심도를 결정하는 단계;
상기 이미지 심도에 기반하여 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 유효 강우 부피를 결정하는 단계;
상기 유효 강우 부피에 대한 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어의 강우 입자 크기 분포를 결정하는 단계; 및
상기 빗줄기의 실제 크기, 상기 빗줄기의 속도 및 상기 강우 입자 크기 분포에 기반하여 상기 강우 영상에 대한 강우 강도를 결정하는 단계
를 더 포함하는,
강우량 계산 방법.
8. The method of claim 7,
The step of determining the rainfall intensity,
determining an image depth of the rainfall image based on a parameter of a lens photographing the rainfall image;
determining an effective rainfall volume for the at least one raindrop layer based on the image depth;
determining a rainfall particle size distribution of the at least one raindrop layer with respect to the effective rainfall volume; and
determining the rainfall intensity for the rainfall image based on the actual size of the rain stream, the speed of the rain stream, and the rain particle size distribution;
further comprising,
How to calculate rainfall.
A computer-readable recording medium recording a computer program comprising one or more instructions for executing the method for calculating rainfall according to any one of claims 1 to 8.
프로세서
를 포함하고, 상기 프로세서는,
상기 일련의 프레임을 적어도 하나의 회색조 이미지로 변환하고,
상기 적어도 하나의 회색조 이미지의 픽셀값 변화에 기반하여 정의되는 빗줄기 식별 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 회색조 이미지로부터 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하고,
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역의 강우 특성 정보에 기반하여 상기 강우 영상의 강우 강도를 결정하도록 구성되는,
강우량 계산 장치.
a memory for storing rainfall images including a series of frames; and
processor
Including, the processor,
converting the series of frames into at least one grayscale image;
separating at least one rain layer from the at least one gray scale image using a rain stream identification function defined based on a change in pixel values of the at least one gray scale image;
configured to determine the rainfall intensity of the rainfall image based on rainfall characteristic information of the rain region displayed in the at least one rain layer,
Rainfall calculator.
상기 빗줄기 식별 함수는,
회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 1 행렬을 결정 변수로 하는 최적화 함수이고,
상기 픽셀값 변화와 연계된 복수의 연산항 및 상기 복수의 연산항에 대한 조절 변수를 포함하는,
강우량 계산 장치.
11. The method of claim 10,
The rain stream identification function is,
It is an optimization function using the first matrix having the pixel values of the rain layer for the grayscale image as a component as a decision variable,
including a plurality of operation terms associated with the pixel value change and adjustment variables for the plurality of operation terms,
Rainfall calculator.
상기 복수의 연산항은,
상기 제 1 행렬의 공간 밀도에 대한 제 1 연산항,
상기 제 1 행렬의 수직 평활도에 대한 제 2 연산항,
회색조 이미지에서 빗줄기 레이어를 분리한 나머지에 대응하는 배경 레이어의 픽셀값을 성분으로 갖는 제 2 행렬의 수평 연속도에 대한 제 3 연산항, 및
상기 제 2 행렬의 시간 의존도에 대한 제 4 연산항
을 포함하는,
강우량 계산 장치.
12. The method of claim 11,
The plurality of operation terms are
a first operation term for the spatial density of the first matrix;
a second operation term for the vertical smoothness of the first matrix;
A third operation term for the horizontal continuity of the second matrix having, as a component, the pixel value of the background layer corresponding to the remainder of separating the rain layer from the grayscale image, and
A fourth operation term for the time dependence of the second matrix
comprising,
Rainfall calculator.
상기 제 1 연산항, 상기 제 2 연산항, 상기 제 3 연산항 및 상기 제 4 연산항은 각각 상기 제 1 행렬 또는 상기 제 2 행렬과 연계된 L1-norm 연산항인,
강우량 계산 장치.
13. The method of claim 12,
The first operation term, the second operation term, the third operation term, and the fourth operation term are L1-norm operation terms associated with the first matrix or the second matrix, respectively,
Rainfall calculator.
상기 프로세서는,
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어를 분리하기 위하여,
상기 빗줄기 식별 함수의 함수값을 최소화하는 상기 제 1 연산항에 대한 제 1 조절변수, 상기 제 2 연산항에 대한 제 2 조절변수, 상기 제 3 연산항에 대한 제 3 조절변수 및 상기 제 4 연산항에 대한 제 4 조절변수의 조합을 결정하고,
상기 조합에 의한 상기 빗줄기 식별 함수값을 최소로 하는 상기 제 1 행렬을 상기 회색조 이미지에 대한 빗줄기 레이어로 결정하도록 구성되는,
강우량 계산 장치.
13. The method of claim 12,
The processor is
In order to separate the at least one raindrop layer,
A first adjustment variable for the first operation term, a second adjustment variable for the second operation term, a third adjustment variable for the third operation term, and the fourth operation for minimizing the function value of the rain stream identification function determining a combination of a fourth modulator for the term,
configured to determine the first matrix that minimizes the rain stream identification function value by the combination as the rain stream layer for the grayscale image,
Rainfall calculator.
상기 강우 특성 정보는,
상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기의 실제 크기, 상기 빗줄기의 속도, 및 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 강우 입자 크기 분포
를 포함하는,
강우량 계산 장치.
11. The method of claim 10,
The rainfall characteristic information is
The actual size of the rain stream corresponding to the rain region indicated in the at least one rain layer, the speed of the rain stream, and the rainfall particle size distribution for the at least one rain layer
containing,
Rainfall calculator.
상기 프로세서는,
상기 강우 강도를 결정하기 위하여,
상기 강우 영상을 촬영한 렌즈와 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 나타난 빗줄기 영역에 대응하는 빗줄기 간의 실제 거리를 추정하고,
상기 거리에 기반하여 상기 빗줄기의 실제 크기를 결정하고,
상기 빗줄기의 실제 크기에 기반하여 상기 빗줄기의 속도를 결정하도록 구성되는,
강우량 계산 장치.
11. The method of claim 10,
The processor is
To determine the rainfall intensity,
estimating the actual distance between the lens photographing the rainfall image and the rain corresponding to the rain region displayed in the at least one rain layer,
determining the actual size of the raindrop based on the distance,
configured to determine the speed of the rain stream based on the actual size of the rain stream;
Rainfall calculator.
상기 프로세서는,
상기 강우 강도를 결정하기 위하여,
상기 강우 영상을 촬영한 렌즈의 파라미터에 기반하여 상기 강우 영상의 이미지 심도를 결정하고,
상기 이미지 심도에 기반하여 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어에 대한 유효 강우 부피를 결정하고,
상기 유효 강우 부피에 대한 상기 적어도 하나의 빗줄기 레이어의 강우 입자 크기 분포를 결정하고,
상기 빗줄기의 실제 크기, 상기 빗줄기의 속도 및 상기 강우 입자 크기 분포에 기반하여 상기 강우 영상에 대한 강우 강도를 결정하도록 구성되는,
강우량 계산 장치.17. The method of claim 16,
The processor is
To determine the rainfall intensity,
Determining the image depth of the rainfall image based on the parameters of the lens photographing the rainfall image,
determine an effective rainfall volume for the at least one raindrop layer based on the image depth;
determine a rainfall particle size distribution of the at least one raindrop layer with respect to the effective rainfall volume;
and determine rainfall intensity for the rainfall image based on the actual size of the rain stream, the velocity of the rain stream, and the rainfall particle size distribution.
Rainfall calculator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210044694A KR20220138698A (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Method and apparatus for rainfall computation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020210044694A KR20220138698A (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Method and apparatus for rainfall computation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020210044694A KR20220138698A (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Method and apparatus for rainfall computation |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117129390A (en) * | 2023-10-26 | 2023-11-28 | 北京中科技达科技有限公司 | Rainfall particle real-time monitoring system and method based on linear array camera shooting |
KR102661257B1 (en) * | 2023-09-19 | 2024-04-30 | 주식회사 시니스트 | Server and operation method to predict risk using precipitation and floating population in specific area |
-
2021
- 2021-04-06 KR KR1020210044694A patent/KR20220138698A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR102661257B1 (en) * | 2023-09-19 | 2024-04-30 | 주식회사 시니스트 | Server and operation method to predict risk using precipitation and floating population in specific area |
CN117129390A (en) * | 2023-10-26 | 2023-11-28 | 北京中科技达科技有限公司 | Rainfall particle real-time monitoring system and method based on linear array camera shooting |
CN117129390B (en) * | 2023-10-26 | 2024-01-23 | 北京中科技达科技有限公司 | Rainfall particle real-time monitoring system and method based on linear array camera shooting |
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