KR20230039358A - 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박의 방향타(rudder)에서 발생하는 캐비테이션(cavitation)의 발생량을 측정하고 평가하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결하기 위해, 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 각각의 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상 공간 및 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하는 동시에, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적 분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 선박의 방향타(rudder)에서 발생하는 캐비테이션(cavitation)의 발생량을 측정하고 평가하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결하기 위해, 영상처리 기법을 이용하여 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션을 정량적으로 평가하기 위하여 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 촬영된 영상에 대하여 영상분석을 통해 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 제 1 캐비테이션 영역과, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 제 2 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 선박의 방향타(rudder)는 해당 선박의 조종성능에 큰 영향을 미치며, 타력의 효율을 증가시키기 위해 대부분 선미의 프로펠러 뒤에 위치하고, 함정의 경우 전가동타(full-spade rudder)가 주로 적용되며, 일반 상선에는 전가동타와 혼-타(semi-spade rudder)가 주로 적용되고 있다.
또한, 특히, 함정용 방향타는 선체, 경사축, 축 스트럿(Strut) 및 프로펠러 작동 등에 따라 유체역학적으로 복잡한 영향을 받으며, 최근 국내 함정의 대형화 및 소요마력 증가 추세에 따라 프로펠러 및 타에 유입되는 유속이 크게 증가되어 높은 유체 하중을 견딜 수 있는 타의 형상이 요구되고 있다.
아울러, 선박의 방향타에 있어서, 타 표면을 따라 이동하는 유체의 압력이 국부적으로 물의 증기압 이하로 낮아져 기체가 발생하게 되는 이른바 캐비테이션(Cavitation) 현상이 발생하며, 이러한 캐비테이션은 주위 환경에 따라 다양한 형태로 나타나고 캐비테이션의 강한 붕괴시 타 표면에 심각한 침식(erosion)을 일으키게 된다.
즉, 캐비테이션은 타 표면에 압력이 낮아지면서 15℃ 정도의 낮은 수온에서도 물이 끊는 현상으로 선속이 빠를수록, 그리고 방향타 각도(타각)가 커질수록 방향타 평면에 발생하는 캐비테이션은 증가하게 된다.
더욱이, 전가동타는 타가 일체형으로 되어 있으므로 혼-타에서 자주 발생하는 간극(gap) 캐비테이션의 가능성이 대폭 감소하여 타의 유지 보수 비용이 적게 드는 장점이 있으나, 최근에는, 함정 및 선박들의 대형화 및 고속화 추세에 따라 프로펠러 날개 위 캐비테이션뿐 만 아니라 프로펠러 후방 고속 유동 안에서 동작하는 타의 표면에도 심각한 캐비테이션이 발생할 가능성이 크다.
상기한 바와 같이, 타의 캐비테이션은 방향타의 표면을 심각하게 침식하여 타 및 선박의 유지보수 비용을 크게 증가시키고, 선박의 운용 일정에도 악영향을 미치며, 더욱 심각한 문제는 타에서 발생하는 캐비테이션이 심각한 진동 또는 소음을 유발하여 대잠 작전 등에 치명적인 약점을 노출시킬 수 있다.
또한, 방향타에서 발생하는 캐비테이션 자체가 선박 자체의 저항을 의미하는 항력(drag) 증가의 원인이 되기도 하므로 선박의 운용에 있어서 방향타의 캐비테이션 성능을 향상시킬 수 있는 방향타 설계 연구가 매우 중요하며, 이에, 최근에는, 상기한 바와 같이 방향타의 캐비테이션 발생을 최소화하기 위한 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 선박의 방향타에 발생하는 캐비테이션을 감소하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1010850호에 "캐비테이션 저감용 비대칭 단면 타"가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1010850호는, 날개부의 전단이 좌현측 또는 우현측으로 휜 외연을 가지는 비대칭 단면 타에 있어서, 일정 반경의 원호형상을 가지며, 날개기준선을 기준으로 길이방향 중심선으로부터 일정 각도만큼 좌현측 또는 우현측으로 회전 이격 형성된 전단날개부; 전단날개부로부터 날개기준선까지 캠버(Camber) 형상으로 형성된 전방날개부; 및 날개기준선으로부터 날개부의 후단까지 직선형상으로 형성된 후방날개부를 포함하고, 전단날개부, 전방날개부 및 후방날개부가 미리 정해진 날개두께 분포를 각각 가지도록 구성됨으로써, 비대칭 단면 타(Twisted Rudder 포함)에서 캐비테이션 성능을 좌우하는 날개부의 각 영역의 형상을 개선하는 것에 의해 타 캐비테이션을 저감시키고 타 토크 증가를 방지할 수 있도록 구성되는 캐비테이션 저감용 비대칭 단면 타에 관한 것이다.
또한, 상기한 바와 같이 선박의 방향타에 발생하는 캐비테이션을 감소하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-0979142호에 "갭 캐비테이션 발생 억제를 위한 러더 구조 및 이를 이용한 선박"이 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-0979142호는, 러더혼(Rudder Horn)과, 러더혼의 핀틀(Pintle)상에 결합되어 축회동 가능하게 형성된 러더날개를 포함하는 갭 캐비테이션 발생 억제를 위한 러더구조에 있어서, 러더혼(Rudder Horn)과 상기 러더날개의 대향(對向) 위치상에 각각 오목곡면 및 볼록곡면이 형성되며, 러더혼의 오목곡면 및 러더날개의 볼록곡면 각각은 러더혼의 오목곡면 및 러더날개의 볼록곡면의 전체 높이상에서 수직으로 일정한 곡률반경을 가지며, 러더혼의 오목곡면 곡률반경은 제 1 반경(R+a)을 가지고, 러더날개의 볼록곡면 곡률반경은 제 2 반경(R)을 가지도록 구성되어, 러더혼의 오목곡면과 러더날개의 볼록곡면이 러더혼의 오목곡면과 러더날개의 볼록곡면의 전체 높이상에서 수직으로 일정한 갭(a)을 두고 이격 형성됨으로써, 종래, 러더혼과 러더날개의 체결 메커니즘에 의해 불가피하게 형성될 수 밖에 없었던 갭 영역에서의 유동증가를 별도의 추가 구조물 설치하지 않고 방지할 수 있으므로, 갭 캐비테이션의 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 구성되는 갭 캐비테이션 발생 억제를 위한 러더 구조 및 이를 이용한 선박에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 선박의 방향타에 발생하는 캐비테이션을 감소하기 위한 여러 가지 장치 및 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 한계가 있는 것이었다.
즉, 상기한 바와 같이 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 일반적으로 방향타에 발생하는 캐비테이션은 발생량 및 거동의 변동이 매우 심하며, 이와 같이 변동이 매우 심한 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가하기는 매우 어려운 문제가 있었다.
더 상세하게는, 일반적으로, 선박에 있어서, 선체의 형상 및 스트럿 등의 부가물(appendage)로 인해 균일하지 않은 선체 반류(hull wake)가 프로펠러에 유입되기도 하며, 이러한 비균일(non-uniform) 선체 반류는 프로펠러를 지나면서 비정상(unsteady) 프로펠러 후류 형성에 기여하고, 이렇게 형성된 비정상 유동장은 방향타에 발생하는 캐비테이션을 매우 불안정하게 만든다.
또한, 함속 및 방향타의 타각 변화에 따라 타에 유입되는 프로펠러 후방 유동의 특성뿐만 아니라 타 캐비테이션이 크게 영향을 받으며, 이와 같이 타에 영향을 주는 유동은 매우 복잡하므로 이에 대한 연구가 절실하게 필요하나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들에는 방향타 캐비테이션의 감소를 위해 각각의 상황에 따라 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 분석할 수 있는 내용에 대하여는 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 한계를 해결하기 위하여는, 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 여러 가지 조건에 따라 변동이 매우 심한 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가하여 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발에 적용할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 장치를 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결하기 위해, 영상처리 기법을 이용하여 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션을 정량적으로 평가하기 위하여 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 촬영된 영상에 대하여 영상분석을 통해 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 제 1 캐비테이션 영역과, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 제 2 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법에 있어서, 측정대상 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상과 해당 선박에 대한 정보를 포함하는 각종 데이터를 입력받는 처리가 수행되는 데이터 수집단계; 상기 데이터 수집단계에서 취득된 영상으로부터 미리 정해진 기준에 근거하여 캐비테이션에 해당하는 부분을 검출하고 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되는 데이터 분석단계; 및 상기 데이터 분석단계의 분석결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 처리가 수행되는 데이터 출력단계를 포함하는 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어를 통해 실행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법이 제공된다.
여기서, 상기 캐비테이션 영상은 일반 카메라에 비해 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 촬영된 영상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 수집단계는, 상기 측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원을 포함하는 선박정보와 함께, 모형시험을 통해 또는 실제 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상을 입력받거나, 또는, 실시간으로 촬영되는 영상을 전송받는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 데이터 분석단계는, HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간의 값에 근거하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상에서 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 미리 정해진 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 각 프레임별로 캐비테이션을 추출하고, 추출된 캐비테이션 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소를 합산하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 시계열에 따른 캐비테이션 발생량을 그래프로 나타내어 캐비테이션 발생량의 변동을 분석하고, 캐비테이션 발생량의 평균 또는 최대값에 근거하여 캐비테이션 발생량을 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 데이터 분석단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상의 각 프레임에 대하여 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 이하의 수학식의 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 제 1 캐비테이션 영역으로 추출하고,
0 ≤ H ≤ 255
0 ≤ S ≤ 140
180 ≤ L ≤ 255
(여기서, H, S, L은 각각 0에서 255의 범위를 가지는 색상(Hue), 채도(Saturation), 밝기(Lightness)를 의미함)
이하의 수학식을 이용하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상에서 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 이하의 수학식의 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 제 2 캐비테이션 영역으로 추출하며,
135 ≤ H ≤ 200
0 ≤ S ≤ 140
90 ≤ L ≤ 180
추출된 상기 제 1 캐비테이션 영역 및 상기 제 2 캐비테이션 영역으로부터 캐비테이션 발생량을 산출, 분석 및 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 데이터 분석단계는, 입력영상, 상기 제 1 캐비테이션 영역을 표시하는 영상, 상기 제 2 캐비테이션 영역을 표시하는 영상 및 상기 제 1 캐비테이션 영역과 상기 제 2 캐비테이션 영역만 추출하여 결합된 영상을 각각 표시하고, 각각의 캐비테이션 영역만 추출하여 결합된 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소(pixel)를 합산하는 것에 의해 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 출력단계는, 상기 데이터 수집단계에서 수집된 데이터와 상기 데이터 분석단계의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 모니터나 디스플레이를 포함하는 별도의 표시수단을 통해 표시하는 동시에, 상기 데이터 수집단계 및 상기 데이터 분석단계를 통해 얻어진 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 캐비테이션 발생량에 대한 데이터베이스를 구축하고, 서버를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 방향타 캐비테이션 평가시스템에 있어서, 측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원을 포함하는 선박정보 및 캐비테이션 영상을 포함하는 각종 데이터를 입력받아 수집하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 수집부; 및 상기 데이터 수집부를 통해 수집된 정보와 각각의 캐비테이션 영상에 근거하여 영상분석을 통해 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 분석부를 포함하여 구성되고, 상기 데이터 분석부는, 상기에 기재된 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 이용하여 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공된다.
여기서, 상기 평가시스템은, 상기 데이터 수집부를 통해 수집되는 데이터와 상기 데이터 분석부의 분석결과를 포함하는 각종 데이터 및 상기 평가시스템의 처리동작 및 상태를 모니터나 디스플레이를 포함하는 표시수단을 통해 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부; 다른 평가시스템이나 서버를 포함하는 외부 기기와 각종 데이터를 송수신하기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하도록 이루어지는 통신부; 및 상기 평가시스템의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 수집부는, 각각의 측정값이나 캐비테이션 영상을 포함하는 데이터를 별도의 입력수단을 통해 직접 입력받도록 구성되거나, 또는, 상기 통신부를 통하여 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 각종 데이터를 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 송수신하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는, 상기 데이터 수집부를 통해 수집된 데이터 및 상기 데이터 분석부를 통해 산출된 캐비테이션 발생량 정보를 포함하는 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 방향타 캐비테이션에 대한 데이터베이스를 구축하는 동시에, 서버나 외부 기기 또는 다른 평가시스템으로 전송하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 촬영된 영상에 대하여 영상분석을 통해 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 제 1 캐비테이션 영역과, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 제 2 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공됨으로써, 영상분석을 통해 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션의 발생량을 정확하게 파악하고 시계열예 따른 캐비테이션 발생량의 거동을 정량적으로 분석하고 평가하는 처리가 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 수행될 수 있으며, 그것에 의해, 방향타의 설계시에 유용한 자료로 활용하여 방향타의 캐비테이션 성능 개선에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 영상처리 기법을 이용하여 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공됨으로써, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 캠코더를 이용하여 30fps로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 3은 고속카메라를 이용하여 10000fps로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 4는 두 가지 종류의 캐비테이션 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 5는 상기한 2가지 기준에 의하여 추출된 캐비테이션 영상과 캐비테이션 발생량 분석을 위해 결합된 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 0.1초 동안 고속카메라로 촬영된 1000장의 캐비테이션 이미지들을 이용하여 산출된 캐비테이션 발생량을 시계열에 따라 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 캠코더를 이용하여 30fps로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 3은 고속카메라를 이용하여 10000fps로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 4는 두 가지 종류의 캐비테이션 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 5는 상기한 2가지 기준에 의하여 추출된 캐비테이션 영상과 캐비테이션 발생량 분석을 위해 결합된 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 0.1초 동안 고속카메라로 촬영된 1000장의 캐비테이션 이미지들을 이용하여 산출된 캐비테이션 발생량을 시계열에 따라 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결하기 위해, 영상처리 기법을 이용하여 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션을 정량적으로 평가하기 위하여 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 촬영된 영상에 대하여 영상분석을 통해 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 제 1 캐비테이션 영역과, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 제 2 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적 분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
더 상세하게는, 먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법은, 크게 나누어, 측정대상 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상과 해당 선박에 대한 정보를 포함하는 각종 데이터를 입력받는 처리가 수행되는 데이터 수집단계(S10)와, 데이터 수집단계(S10)에서 취득된 영상으로부터 미리 정해진 기준에 근거하여 캐비테이션에 해당하는 부분을 검출하고 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되는 데이터 분석단계(S20)와, 데이터 분석단계(S20)의 분석결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 처리가 수행되는 데이터 출력단계(S30)를 포함하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어를 통해 실행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 데이터 수집단계(S10)는, 측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원 등의 선박정보를 포함하는 각종 데이터와 함께, 모형시험을 통해 또는 실제 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상을 입력받거나, 또는, 실시간으로 촬영되는 영상을 전송받는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 데이터 분석단계(S20)는, 후술하는 바와 같이, HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간의 값에 근거하여, 데이터 수집단계(S10)에서 입력된 캐비테이션 영상에서 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 미리 정해진 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 각 프레임별로 캐비테이션을 추출하고, 추출된 캐비테이션 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소를 합산하여 발생량을 산출하고, 산출된 캐비테이션 발생량을 시계열에 따라 그래프로 나타내어 캐비테이션 발생량의 변동을 분석하며, 캐비테이션 발생량의 평균 또는 최대값에 근거하여 발생량을 평가하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 데이터 출력단계(S30)는, 상기한 바와 같이 하여 데이터 수집단계(S10)에서 얻어진 데이터와 데이터 분석단계(S20)의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 모니터나 디스플레이 등의 별도의 표시수단을 통해 시각적으로 표시하는 동시에, 데이터 수집단계(S10) 및 데이터 분석단계(S20)를 통해 얻어진 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 캐비테이션 발생량에 대한 데이터베이스를 구축하고, 필요에 따라 서버 등의 외부 기기로 전송하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법에 있어서, 상기한 캐비테이션 영상은, 정확한 캐비테이션 거동의 확인 및 캐비테이션 발생량의 정량적 평가를 위해 일반 카메라가 아닌 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 촬영된 영상을 이용하는 것이 바람직하다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 캠코더를 이용하여 30fps(frame per second)로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 방향타 캐비테이션의 관찰은 일반적으로 캠코더를 이용하여 방향타에 발생하는 캐비테이션 거동 및 발생량을 촬영하는 방식으로 수행되며, 도 2에 나타낸 촬영결과에 있어서 캐비테이션 발생량 및 거동에 차이가 있지만 크게 변동하는 특성은 나타나지 않는다.
즉, 방향타 캐비테이션은 앞날로부터 뒷날로 이동하면서 생성, 성장, 붕괴, 소멸의 과정을 거치게 되나, 도 2의 영상에서는 이러한 거동이 전혀 보이지 않으며, 이는, 실제 캐비테이션 발생현상이 아니라 캠코더의 긴 노출시간으로 인하여 다소 과장된 캐비테이션 발생량이 관찰된 것이다.
따라서 상기한 바와 같이, 방향타 유입유속 및 타각이 증가함에 따라 매우 격렬한 캐비테이션이 비정상적으로 발생하므로, 정확한 캐비테이션 거동을 살피고 정량적으로 캐비테이션 발생량을 평가하기 위해서는 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하는 것이 필수적이다.
더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 고속카메라를 이용하여 10000fps로 촬영된 방향타 캐비테이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 3에 있어서, 고속카메라를 이용한 방향타 캐비테이션 영상은 1024×1024 픽셀(pixels)의 공간분해능 및 초당 10000프레임(10000fps)의 조건으로 취득되었으며, 영상은 4/10000초 간격으로 표기하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 고속카메라를 이용하면 상당히 짧은 시간에서도 캐비테이션 거동 및 발생량이 계속적으로 변화하고 있음을 확인할 수 있으며, 즉, 도 3에 나타낸 촬영결과로부터 순간 캐비테이션 발생량이 캠코더로 촬영한 영상보다 매우 감소되었음을 알 수 있고, 캐비테이션이 생성되어 성장하고 뒷날로 접근하면서 붕괴되면서 소멸하는 거동특성을 일부 관찰할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션을 정량적으로 평가하려면 10000fps 정도의 고속카메라 촬영이 필수적이며, 이에 더하여, 촬영된 고속카메라 영상을 분석할 수 있는 영상처리 및 분석기법의 개발이 요구된다.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 방향타 캐비테이션에 대한 고속카메라 영상들로부터 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 검출하기 위해, 촬영된 캐비테이션 영상을 두 가지 종류로 구분하여 각각의 캐비테이션 영상이 어떤 특징을 가지는지를 확인하였다.
더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 두 가지 종류의 캐비테이션 영상을 각각 나타내는 도면이다.
먼저, 첫번째 종류는, 도 4a의 황색 원으로 나타낸 바와 같이, 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 캐비테이션의 일반적인 특징을 가지는 영상으로서, 이러한 영상은 캐비테이션 분포의 대부분을 차지하며 두께가 두꺼운 것이 특징으로, 즉, 캐비테이션이 강하게 형성되면 캐비테이션에서 반사되는 빛의 양이 더 많아지므로 유속이 높고 타각이 큰 영역에서 획득한 영상자료에서 보다 잘 관찰된다.
또한, 이러한 캐비테이션은 대체로 영상의 다른 부분에 비해 밝기(lightness)가 높으며 색상(hue)을 띠지 않는 회색조(gray scale)의 특징을 가지고 있어 채도가 낮으며, 채도가 낮다는 것은 본연의 주도하는 색이 없다는 것을 의미한다.
이에, 본 발명에서는, 첫번째 종류의 캐비테이션 영상 특징을 만족하는 화소를 검출하기 위해, 색상(hue)이 없는 회색조(gray scale)에 밝기(lightness)가 높고 채도(saturation)가 낮은 범위를 구별할 수 있도록 기준값을 설정하였다.
따라서 이러한 기준을 사용하는 경우, 색상(hue)이 검출과정에 끼치는 영향은 없으며 전체 화소 중 높은 값의 밝기범위를 가지는 동시에 낮은 값의 채도범위를 가지는 화소들을 캐비테이션으로 간주하고 검출하게 된다.
다음으로, 두번째 종류는, 도 4b의 황색 원으로 나타낸 바와 같이, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 부분으로, 이러한 캐비테이션은 캐비테이션의 가장자리에서 주로 발생하여 대체적으로 기체의 분포가 낮다.
또한, 도 4에 나타낸 실시예에서는 유동이 타의 앞날(leading edge)에서 뒷날(trailing edge)로 이동함에 따라 캐비테이션 덩어리의 가장자리에 대부분 분포하고 있으며, 이렇게 발생되는 캐비테이션은 두께가 얇아 조명 환경이 어두울수록 반사되는 빛의 양이 적어 밝은 흰색 색상이 감소하게 된다.
즉, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 두번째 캐비테이션 영상은 에메랄드와 같은 파란색의 색상(hue)을 가지며, 대체적으로 기체의 분포가 낮기 때문에 밝기(lightness)가 약간 어둡고, 이 캐비테이션도 회색조를 다소 띠기 때문에 첫번째 종류의 캐비테이션 영상과 유사하게 채도(saturation)가 낮다.
이에, 본 발명에서는, 에메랄드와 파란색 계열을 띄는 색상(hue) 범위 내의 화소를 검출하여 해당 캐비테이션을 인식하도록 하였으며, 이러한 조건에서 발생되는 캐비테이션은 대체적으로 캐비테이션의 두께가 얇아 상대적으로 밝기가 낮기 때문에 일반적인 캐비테이션의 기준값보다는 낮은 밝기범위를 이용하게 되고, 채도의 경우는 회색조인 캐비테이션의 특징에 따라 첫번째 기준에서와 같이 낮은 채도범위를 이용하게 된다.
따라서 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 하여 구분된 특징을 기반으로 캐비테이션을 검출하는데 있어 유리하다고 판단되는 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출 기준을 설정하였으며, 이러한 기준값의 범위를 설정하기 위해 캐비테이션이 빈번하게 관찰되는 영상열의 특정 좌표들의 HSL 변화와 분포를 분석하는 방법을 이용하였다.
더 상세하게는, 첫번째와 두번째 종류의 캐비테이션을 검출하기 위한 기준값의 범위는 각각 이하의 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 설정되었다.
[수학식 1]
0 ≤ H ≤ 255
0 ≤ S ≤ 140
180 ≤ L ≤ 255
[수학식 2]
135 ≤ H ≤ 200
0 ≤ S ≤ 140
90 ≤ L ≤ 180
여기서, 상기한 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 있어서, H, L, S는 각각 0에서 255의 범위를 가지는 색상, 밝기, 채도를 의미한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 설정된 기준을 이용하여, 영상에서 특정 화소값이 상기한 [수학식 1] 및 [수학식 2] 중 하나의 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 간주하여 캐비테이션을 추출하고 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 상기한 2가지 기준에 의하여 추출된 캐비테이션 영상과 캐비테이션 발생량 분석을 위해 결합된 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 하여 정의된 기준을 이용하여 방향타 캐비테이션에 대한 고속카메라 영상으로부터 프레임별로 캐비테이션을 검출하고, 입력영상(좌측 위), 첫번째 및 두번째 캐비테이션으로 검출된 영역을 각각 표시하는 흑백영상(우측 위 및 좌측 아래) 및 캐비테이션만 추출하여 결합된 영상(우측 아래)을 각각 표시하고, 캐비테이션만 추출하여 결합된 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소(pixel)를 합산하는 방식으로 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
아울러, 도 6을 참조하면, 도 6은 0.1초 동안 고속카메라로 촬영된 1000장의 캐비테이션 이미지들을 이용하여 산출된 캐비테이션 발생량을 시계열에 따라 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 0.1초의 매우 짧은 시간 동안에도 캐비테이션 발생량의 변동이 매우 심하게 나타나고 있음을 확인할 수 있으며, 타각이 커질수록 캐비테이션 발생영역이 증가함을 확인할 수 있다.
더욱이, 도 6에 나타낸 바와 같이 캐비테이션은 매우 비정상적인 거동을 나타내므로 평균 또는 최대값으로 발생량을 평가하도록 구성될 수 있으며, 이와 같이 캐비테이션 발생량을 정량화하는 것에 의해 추후 방향타의 설계시 캐비테이션 성능의 보완이나 개선을 위해 참고할 수 있는 중요한 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
즉, 상기한 데이터 분석단계(S20)는, 도 4 내지 도 6을 참조하여 상기한 바와 같이 하여, 상기한 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 나타낸 HSL 기준에 근거하여 고속카메라 영상으로부터 캐비테이션 영역을 추출하고, 추출된 캐비테이션 영역의 화소수를 계산하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 시계열에 따른 캐비테이션 발생량의 변동을 분석하여 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가를 수행하는 처리가 수행되고, 상기한 데이터 출력단계(S30)는 각각의 분석결과를 그래프 등을 통해 시각적으로 표시하는 처리가 각각 수행되도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 이용하면, 고속카메라 영상으로부터 방향타 캐비테이션의 발생량을 산출하여 정량화하고, 정량화된 캐비테이션의 분포도를 출력하는 일련의 처리과정을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현됨으로써, 별도의 하드웨어를 구성할 필요 없이 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 다양한 영상으로부터 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 측정하고 분석할 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에서는 고속카메라로 촬영된 영상들에 대한 영상처리 및 분석기법을 통하여 캐비테이션 발생량을 정량적으로 분석하는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예에 나타낸 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 바와 같은 캐비테이션 영상에 대한 영상분석 처리에 더하여, 예를 들면, 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션 소음을 계측하기 위해 방향타가 설치된 위치와 가까운 선미 선체에 설치된 수중청음기를 통해 측정된 데이터를 데이터 수집단계(S10)에서 함께 수신하여 소음분석 기법을 통해 소음측정 및 주파수특성에 대한 분석을 수행하도록 구성될 수도 있는 등, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 구현할 수 있으며, 이를 이용하여 방향타 캐비테이션을 정량적으로 평가하는 평가시스템을 용이하게 구현할 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가시스템(70)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가시스템(70)은, 크게 나누어, 측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원 등의 선박에 대한 정보 및 캐비테이션 영상을 포함하는 각종 데이터를 입력받아 수집하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 수집부(71)와, 데이터 수집부(71)를 통해 수집된 정보와 각각의 캐비테이션 영상에 근거하여 영상분석을 통해 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 분석부(72)와, 데이터 수집부(71)를 통해 수집되는 데이터 및 데이터 분석부(72)의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 표시하고 시스템의(70) 처리동작 및 상태 등을 표시하는 처리가 수행되는 출력부(73)와, 상기한 각 부(71, 72, 73) 사이의 통신 및 다른 평가시스템(70)이나 서버 등과 같은 외부 기기와 각종 데이터를 송수신하기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하도록 이루어지는 통신부(74) 및 상기한 각 부(71 ~ 74) 및 평가시스템(70)의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부(75)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 데이터 수집부(71)는, 각각의 측정값이나 캐비테이션 영상 등의 데이터를 별도의 입력수단을 통해 직접 입력받도록 구성될 수 있으나, 바람직하게는, 통신부(74)를 통하여 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 각종 데이터를 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 송수신하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 데이터 분석부(72)는, 도 1 내지 도 6을 참조하여 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 이용하여 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 출력부(73)는, 예를 들면, 모니터나 디스플레이 등과 같은 별도의 표시수단을 포함하여, 입력되는 데이터 및 분석결과와 같은 각종 데이터와 시스템의 현재 동작이나 상태 등의 정보를 시각적으로 표시하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 제어부(75)는, 평가시스템(70)의 전체적인 동작을 각각 제어하는 동시에, 데이터 수집부(71)를 통해 수집된 데이터 및 데이터 분석부(72)를 통해 산출된 캐비테이션 발생량 정보를 포함하는 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 방향타 캐비테이션에 대한 데이터베이스를 구축하며, 이와 같이 구축된 데이터를 서버나 외부 기기 또는 다른 평가시스템(70)으로 전송하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 모형시험을 통해 방향타에 발생하는 캐비테이션의 거동 및 발생량을 촬영하고, 촬영된 영상에 대하여 영상분석을 통해 채도(saturation)가 낮고 밝은 밝기를 가지는 제 1 캐비테이션 영역과, 방향타 표면 위에서 형성된 캐비테이션이 고압영역의 하류로 이동함에 따라 유체로 변화하는 지점에 존재하여 캐비테이션의 밝은 흰색 색상이 감소하게 되는 제 2 캐비테이션 영역에 대한 특징을 기반으로 HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간을 선정하고 각각의 검출기준을 설정하여, 영상에서 특정 화소값이 미리 정해진 기준을 만족하면 해당 화소를 캐비테이션으로 검출하여 캐비테이션 발생량을 산출하며, 영상의 각 프레임별로 시계열에 따른 누적분포를 통해 캐비테이션 발생량의 거동을 분석하고 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공됨으로써, 영상분석을 통해 빠르게 변동하는 방향타 캐비테이션의 발생량을 정확하게 파악하고 시계열예 따른 캐비테이션 발생량의 거동을 정량적으로 분석하고 평가하는 처리가 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 수행될 수 있으며, 그것에 의해, 방향타의 설계시에 유용한 자료로 활용하여 방향타의 캐비테이션 성능 개선에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 영상처리 기법을 이용하여 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있도록 구성되는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템이 제공됨으로써, 캐비테이션 발생 성능이 우수한 방향타의 개발을 위하여는 방향타에 발생하는 캐비테이션 발생량에 대한 정량적 평가가 필수적으로 요구되나, 발생량 및 거동의 변동이 매우 불안정함으로 인해 방향타 캐비테이션의 발생량을 정량적으로 평가할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 한계를 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법 및 이를 이용한 방향타 캐비테이션 평가시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
70. 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가시스템
71. 데이터 수집부 72. 데이터 분석부
73. 출력부 74. 통신부
75. 제어부
71. 데이터 수집부 72. 데이터 분석부
73. 출력부 74. 통신부
75. 제어부
Claims (12)
- 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법에 있어서,
측정대상 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상과 해당 선박에 대한 정보를 포함하는 각종 데이터를 입력받는 처리가 수행되는 데이터 수집단계;
상기 데이터 수집단계에서 취득된 영상으로부터 미리 정해진 기준에 근거하여 캐비테이션에 해당하는 부분을 검출하고 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되는 데이터 분석단계; 및
상기 데이터 분석단계의 분석결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 처리가 수행되는 데이터 출력단계를 포함하는 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어를 통해 실행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 캐비테이션 영상은
일반 카메라에 비해 높은 시간 분해능을 가지는 고속카메라를 이용하여 촬영된 영상인 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 데이터 수집단계는,
상기 측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원을 포함하는 선박정보와 함께, 모형시험을 통해 또는 실제 선박에 대하여 촬영된 방향타 표면의 캐비테이션 영상을 입력받거나, 또는, 실시간으로 촬영되는 영상을 전송받는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 데이터 분석단계는,
HSL(Hue, Saturation, Lightness) 색상공간의 값에 근거하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상에서 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 미리 정해진 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 각 프레임별로 캐비테이션을 추출하고,
추출된 캐비테이션 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소를 합산하여 캐비테이션 발생량을 산출하며,
시계열에 따른 캐비테이션 발생량을 그래프로 나타내어 캐비테이션 발생량의 변동을 분석하고,
캐비테이션 발생량의 평균 또는 최대값에 근거하여 캐비테이션 발생량을 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 데이터 분석단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상의 각 프레임에 대하여 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 이하의 수학식의 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 제 1 캐비테이션 영역으로 추출하고,
0 ≤ H ≤ 255
0 ≤ S ≤ 140
180 ≤ L ≤ 255
(여기서, H, S, L은 각각 0에서 255의 범위를 가지는 색상(Hue), 채도(Saturation), 밝기(Lightness)를 의미함)
이하의 수학식을 이용하여, 상기 데이터 수집단계에서 입력된 캐비테이션 영상에서 특정 화소(pixel)에 대한 HSL 값이 이하의 수학식의 기준을 만족하는 경우 해당 화소를 캐비테이션으로 판단하여 제 2 캐비테이션 영역으로 추출하며,
135 ≤ H ≤ 200
0 ≤ S ≤ 140
90 ≤ L ≤ 180
추출된 상기 제 1 캐비테이션 영역 및 상기 제 2 캐비테이션 영역으로부터 캐비테이션 발생량을 산출, 분석 및 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 데이터 분석단계는,
입력영상, 상기 제 1 캐비테이션 영역을 표시하는 영상, 상기 제 2 캐비테이션 영역을 표시하는 영상 및 상기 제 1 캐비테이션 영역과 상기 제 2 캐비테이션 영역만 추출하여 결합된 영상을 각각 표시하고, 각각의 캐비테이션 영역만 추출하여 결합된 영상에서 캐비테이션에 해당하는 부분의 화소(pixel)를 합산하는 것에 의해 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 데이터 출력단계는,
상기 데이터 수집단계에서 수집된 데이터와 상기 데이터 분석단계의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 모니터나 디스플레이를 포함하는 별도의 표시수단을 통해 표시하는 동시에,
상기 데이터 수집단계 및 상기 데이터 분석단계를 통해 얻어진 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 캐비테이션 발생량에 대한 데이터베이스를 구축하고, 서버를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법.
- 청구항 1항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
- 방향타 캐비테이션 평가시스템에 있어서,
측정대상 선박에 대한 각각의 측정값이나 제원을 포함하는 선박정보 및 캐비테이션 영상을 포함하는 각종 데이터를 입력받아 수집하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 수집부; 및
상기 데이터 수집부를 통해 수집된 정보와 각각의 캐비테이션 영상에 근거하여 영상분석을 통해 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 분석부를 포함하여 구성되고,
상기 데이터 분석부는,
청구항 1항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 영상분석을 이용한 방향타 캐비테이션의 정량적 평가방법을 이용하여 캐비테이션 발생량을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방향타 캐비테이션 평가시스템.
- 제 9항에 있어서,
상기 평가시스템은,
상기 데이터 수집부를 통해 수집되는 데이터와 상기 데이터 분석부의 분석결과를 포함하는 각종 데이터 및 상기 평가시스템의 처리동작 및 상태를 모니터나 디스플레이를 포함하는 표시수단을 통해 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부;
다른 평가시스템이나 서버를 포함하는 외부 기기와 각종 데이터를 송수신하기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하도록 이루어지는 통신부; 및
상기 평가시스템의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방향타 캐비테이션 평가시스템.
- 제 10항에 있어서,
상기 데이터 수집부는,
각각의 측정값이나 캐비테이션 영상을 포함하는 데이터를 별도의 입력수단을 통해 직접 입력받도록 구성되거나,
또는, 상기 통신부를 통하여 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 각종 데이터를 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 송수신하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방향타 캐비테이션 평가시스템.
- 제 10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 데이터 수집부를 통해 수집된 데이터 및 상기 데이터 분석부를 통해 산출된 캐비테이션 발생량 정보를 포함하는 각종 데이터를 별도의 저장수단에 저장하여 방향타 캐비테이션에 대한 데이터베이스를 구축하는 동시에, 서버나 외부 기기 또는 다른 평가시스템으로 전송하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방향타 캐비테이션 평가시스템.
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