KR101740538B1 - 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자이로센서를 이용하여 영상의 흔들림을 감지한 후 영상의 손상왜곡 현상을 보정하는 방법에 관한 것으로, (a) 제어부는 수중에 위치된 사이드 스캔 소나로부터 해저 지형을 스캔하여 원본 영상데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 제어부는 사이드 스캔 소나에 결합된 자이로센서로부터 각속도데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 제어부는 사이드 스캔 소나의 원본 영상데이터를 자이로센서의 각속도데이터를 적분한 후 샘플링 주파수를 맞춰 원본 영상데이터의 왜곡을 보정하는 단계; (d) 상기 왜곡이 보정된 영상데이터를 노이즈필터를 거쳐 노이즈를 제거하는 단계; (e) 상기 노이즈가 제거된 영상데이터의 해상도를 향상시킨 후 최종 영상데이터를 데이터저장부에 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 사이드 스캔 소나로 해저 구조물이나 지형의 스캔 때에 파도나 보트의 흔들림으로 인한 실제적인 오차와 손상왜곡을 보정하여 실제 측정데이터에 근사하는 영상데이터를 획득할 수 있어 해당 구조물의 상태 등급 판단에 보다 정확하고 객관적인 영상데이터로 이용할 수 있도록 한 것이다.
Description
본 발명은 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림을 보정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자이로센서를 이용하여 영상의 흔들림을 감지한 후 영상의 손상왜곡 현상을 보정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 소나(Sound Navigation and Ranging, SONAR)는 수중물체의 탐지나 표정에 사용되는 음향표정장치이다. 통상 수중청음기나 음향탐지기 등을 말한다. 수중청음기는 잠수함 탐지를 위해 제1차 세계대전 이래 개발되어, 특히 제2차 세계대전 중과 전후에 급속히 발달하였다. 가시광선 등의 전자파와 레이더파는 물속에는 전달되지 않으므로 초음파를 써서 표정한다. 물속에 전달되는 소리의 빠르기는 바다의 상황에 따라 다르나 대략 1,500m/s이며, 물체에 닿으면 반사하여 되돌아오는 성질이 있어 각종 소나는 이것을 이용한다.
소나에는 음향탐지기형과 같이 스스로 소리를 내어 물체를 표정하는 액티브 소나와 수중청음기형과 같이 음원으로부터의 소리를 측정하여 그것을 표정하는 패시브 소나의 두 종류가 있다. 음향탐지기형은 초음파를 짧은 단속음으로 발사하고 이것이 물체에 부딪쳐 반사하여 되돌아오는 데 걸리는 시간을 재 물체까지의 거리를 측정한다. 또 송파기를 회전시켜 그 방향을 탐지한다. 실제로 레이더의 PPI 스코프 방식과 같으며, 브라운관 위에 거리, 주위에 방위를 눈금으로 새겨 주사선이 송파기의 회전과 함께 회전하도록 되어 있으며, 반향음이 되돌아오면 브라운관 위에 광점으로서 물체가 나타나 거리 및 방위를 탐지하게 된다. 음향측탐기나 어군탐지기, 잠수함 및 지뢰탐지용 소나, 해저의 구조를 탐측하는 사이드루킹(Side Looking) 소나 등은 이와 같은 본체가 음파를 내는 소나의 일종이다. 수중청음기는 지향성이 높은 청음기를 여러 개 조합하여 도달음의 시간차로부터 방위를 알 수 있다. 조건이 좋을 때는 이 종류의 소나는 대략 160km 앞의 선박을 탐지할 수 있고, 선박의 종류나 형태에 따라서 나타내는 소리가 달라 음향탐지기형에 비하여 배의 종류까지도 식별이 가능하다. 이들은 주로 바다의 표면 가까이에서 사용되는데, 수온의 구조가 복잡한 변온층이 있어서 음파의 굴곡과 속도의 변화가 일어나 유효거리는 제한을 받게 된다. 일반적으로 여름보다 겨울이 유효거리가 길며, 열대해와 한대해로서는 열대해쪽이 길다. 최근에는 함선에 장치되는 것 외에 비행기로부터 투하되는 잠수함 탑지용인 음파탐지기 부호에도 이용된다. 음향탐지기형인 소나에서는 보통 매초 5~50KHz, 100KHz, 400KHz인 초음파 펄스를 사용하고 있다. 이는 대략 3~5Km 이내의 구조물 탐지에 사용되고, 초음파 펄스가 1,250KHz는 대략 35m, 5,450KHz는 1m 이내의 구조물 탐지에 적합하다.
도 1에서, 종래의 사이드 스캔 소나를 이용하여 수면 아래의 지형을 스캔한 원본 영상데이터로 구조물의 단면 결손 현상의 철근 노출, 박리, 박락, 재료분리의 결합 등을 구분하는 객관적인 기준이 없었다.
도 2에서, 사이드 스캔 소나에서 스캔한 영상데이터와 실제 측정된 영상데이터의 오차를 나타낸 것으로, 실제 구조물 손상 및 세굴의 크기와 소나 영상데이터 상의 크기, 길이 등의 상관관계를 비교하여 오차 보정식을 산출하고, 이로부터 정확한 세굴 깊이를 소나 영상데이터에서 구하여 보다 정확한 세굴 평가를 얻을 수 있었다.
도 3에서, 사이드 스캔 소나의 운영 미숙에 의하여 실제 사이드 스캔 소나의 주 빔과 보조 빔의 음파 방사범위는 매뉴얼과 상이하다. 그리고 수심(h), 구조물과의 거리(d') 및 방사각도(R)를 조절하여야 정확한 데이터를 확보할 수 있었다.
도 4에서, 사이드 스캔 소나의 운용 중에 파도나 보트 운전자의 운전 미숙 등으로 인하여 원본 영상데이터가 왜곡된 상태가 되어 실제 상태 등급을 판단하는데 영향을 주는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여, 사이드 스캔 소나로 해저 구조물이나 지형을 스캔하는 동안 원본 영상데이터의 흔들림에 의한 오차를 자이로센서의 각속도데이터의 샘플링 주파수를 맞추어 보정하여 보다 객관적이고 정확한 영상데이터를 획득하기 위한 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 제어부는 수중에 위치된 사이드 스캔 소나로부터 해저 지형을 스캔하여 원본 영상데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 제어부는 사이드 스캔 소나에 결합된 자이로센서로부터 각속도데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 제어부는 사이드 스캔 소나의 원본 영상데이터를 자이로센서의 각속도데이터를 적분한 후 샘플링 주파수를 맞춰 원본 영상데이터의 왜곡을 보정하는 단계; (d) 상기 왜곡이 보정된 영상데이터를 노이즈필터를 거쳐 노이즈를 제거하는 단계; (e) 상기 노이즈가 제거된 영상데이터의 해상도를 향상시킨 후 최종 영상데이터를 데이터저장부에 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법을 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 제어부는 영상보정 알고리즘에 의하여 구현되는 흔들림 보정프로그램을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사이드 스캔 소나로 해저 구조물이나 지형의 스캔 때에 파도나 보트의 흔들림으로 인한 실제적인 오차와 손상왜곡을 보정하여 실제 측정데이터에 근사하는 영상데이터를 획득할 수 있어 해당 구조물의 상태 등급 판단에 보다 정확하고 객관적인 영상데이터로 이용할 수 있는 이점이 있다.
도 1 내지 4는 종래 사이드 스캔 소나의 문제를 제시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시 예로, 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 롤 범위를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 롤과 스캔 영역을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 좌현이동과 우현이동 때에 스캔한 영상데이터의 보정 전과 보정 후를 나타낸 설명도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 좌현이동과 우현이동 때에 롤의 보정을 나타낸 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 흔들린 영상데이터의 보정을 나타낸 설명도이다.
도 11은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 영상데이터를 흔들림 보정하는 프로그램의 작동을 예시한 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시 예로, 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 롤 범위를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 롤과 스캔 영역을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 좌현이동과 우현이동 때에 스캔한 영상데이터의 보정 전과 보정 후를 나타낸 설명도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 좌현이동과 우현이동 때에 롤의 보정을 나타낸 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나에서 흔들린 영상데이터의 보정을 나타낸 설명도이다.
도 11은 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 영상데이터를 흔들림 보정하는 프로그램의 작동을 예시한 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예로, 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5에서, 사이드 스캔 소나(10)는 보트의 양쪽에 듀얼로 설치되고, 수중의 구조물이나 해저바닥의 지형을 스캔한다. DGPS(Differential Global Positioning System, 고정밀위성항법장치)수신기(11)는 사이드 스캔 소나(10) 상단에 설치되고, 탐사하고 있는 보트의 현재 좌표를 수신 및 확인하기 위한 것이다. 자이로센서(12)는 사이드 스캔 소나(10) 일측에 장착되어 사이드 스캔 소나(10)의 흔들림을 각속도로 계측하는 것이다.
제어부(14)는 사이드 스캔 소나(10)에서 스캔한 원본 영상데이터와 DGPS수신기(11)의 좌표신호, 그리고 자이로센서(12)에서 계측한 각속도데이터를 수신하여 흔들림 영상을 보정하는 것이다. 제어부(14)에는 흔들림 영상을 보정하는 알고리즘이 포함된 프로그램이 설치되어 있다.
데이터저장부(16)는 제어부(14)에서 보정된 영상데이터를 저장하고 출력하는 것이다. 모니터(18)는 제어부(14)에서 실시간으로 처리되는 영상데이터를 가시적으로 표시하는 것이다. 데이터송수신부(20)는 제어부(14)의 제어신호로 원격의 제어장치로 영상데이터를 송수신하는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법에 관하여 도 6 내지 도 12를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 12의 흐름도에서, 제어부(14)는 수중에 위치된 사이드 스캔 소나(10)로부터 해저 지형을 스캔하여 원본 영상데이터를 획득한다(S1). 원본 영상데이터는 사이드 스캔 소나(10)에서 획득한 데이터들을 통합한 데이터 형식인 XTF파일 형식으로 영상데이터 정보 이외에도 고도정보와 위치정보 등의 데이터를 포함한다. 그리고 제어부(14)는 사이드 스캔 소나(10)에 결합된 자이로센서(12)로부터 각속도데이터를 획득한다(S2).
도 6에서, 사이드 스캔 소나(10)의 롤(Roll) 방향에 대하여 롤 범위는 우측방향으로 +0°~+180°이고, 좌측방향으로 -0°~-99.9°, +100°~+180° 이다. 그리고 도 7에서, 사이드 스캔 소나(10)의 롤과 스캔영역은 롤 범위가 좌측방향으로 -80°~-99.9°, +100°~+104° 일 때, 하방이 우측을 가리키므로 우측 벽면을 스캔한다.
제어부(14)는 사이드 스캔 소나(10)의 원본 영상데이터를 자이로센서(12)의 각속도데이터를 적분한 후 샘플링 주파수를 맞춰 원본 영상데이터의 왜곡을 보정한다(S3). 이는 도 8a에서, 우현이동 때에 사이드 스캔 소나(10)의 스캔영역의 -80°에서 영상의 시작점을 -90°로 이동하여 스캔영역을 보정하여 원본 영상데이터를 변화시킨 것이고, 도 8b에서, 좌현이동 때에 사이드 스캔 소나(10)의 스캔영역의 -80°에서 영상의 시작점을 -90°로 이동하여 스캔영역을 보정하여 원본 영상데이터를 변화시킨 것이다.
그리고 도 9a에서, 사이드 스캔 소나(10)에서 좌현이동 때에 롤의 보정을 나타낸 것으로, -80°에서 -90°로 좌현이동 때에 고도×tan(90+Roll)의 거리를 보정한다. 또한, 도 9b에서, 사이드 스캔 소나(10)에서 우현이동 때에 롤의 보정을 나타낸 것으로, -80°에서 -90°로 우현이동 때에 고도×tan(90+Roll)의 거리를 보정한다. 예컨대, 롤이 -80°이고, 깊이가 1m인 경우에 롤 보정거리는 ±1×tan10×100=±17.63cm이다. 그리고 해상도가 2.5cm일 때, 롤 보정 샘플수는 ±17.63/2.5≒7이 되고, 샘플당 픽셀 수는 1333/1916=0.69572026이 된다. 또한, 롤 보정에 따른 픽셀 수는 7×0.69572026≒4가 된다.
또한, 제어부(14)는 왜곡이 보정된 영상데이터를 노이즈필터를 거쳐 노이즈를 제거한다(S4). 제어부(14)는 노이즈가 제거된 영상데이터의 해상도를 향상시키고(S5), 해상도가 향상된 최종 영상데이터를 데이터저장부(16)에 저장한다(S6).
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 사이드 스캔 소나 11: DGPS수신기 12: 자이로센서 14: 제어부 16: 데이터저장부 18: 모니터 20: 데이터송수신부
Claims (2)
- (a) 제어부가 수중에 위치된 사이드 스캔 소나로부터 해저 지형을 스캔하여 원본 영상데이터를 획득하는 단계;
(b) 상기 제어부가 사이드 스캔 소나에 결합된 자이로센서로부터 각속도데이터를 획득하는 단계;
(c) 상기 제어부에 설치된 영상보정 알고리즘에 의하여 구현되는 흔들림 보정 프로그램이 사이드 스캔 소나의 원본 영상데이터와 자이로센서의 각속도데이터를 각각 적분한 후 샘플링 주파수를 맞춰 원본 영상데이터의 왜곡을 보정하는 단계;
(d) 상기 흔들림 보정 프로그램이 왜곡이 보정된 영상데이터를 노이즈필터를 거쳐 노이즈를 제거하는 단계;
(e) 상기 흔들림 보정 프로그램이 노이즈가 제거된 영상데이터의 해상도를 향상시킨 후 최종 영상데이터를 데이터저장부에 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 사이드 스캔 소나의 영상 흔들림 보정 방법. - 삭제
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