스마트폰을 이용한 실시간 표면영상유속계 개발

류권규,황정근,Yu, Kwonkyu,Hwang, Jeong-Geun 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.6

The present study aims to develop a real-time surface image velocimeter (SIV) using an Android smartphone. It can measure river surface velocity by using its built-in sensors and processors. At first the SIV system figures out the location of the site using the GPS of the phone. It also measures the angles (pitch and roll) of the device by using its orientation sensors to determine the coordinate transform from the real world coordinates to image coordinates. The only parameter to be entered is the height of the phone from the water surface. After setting, the camera of the phone takes a series of images. With the help of OpenCV, and open source computer vision library, we split the frames of the video and analyzed the image frames to get the water surface velocity field. The image processing algorithm, similar to the traditional STIV (Spatio-Temporal Image Velocimeter), was based on a correlation analysis of spatio-temporal images. The SIV system can measure instantaneous velocity field (1 second averaged velocity field) once every 11 seconds. Averaging this instantaneous velocity measurement for sufficient amount of time, we can get an average velocity field. A series of tests performed in an experimental flume showed that the measurement system developed was greatly effective and convenient. The measured results by the system showed a maximum error of 13.9 % and average error less than 10 %, when we compared with the measurements by a traditional propeller velocimeter. 본 연구는 안드로이드 기반의 스마트폰을 이용한 실시간 표면영상유속계를 개발하는 것이다. 스마트폰이 내장한 카메라, GPS, 방향 센서, CPU를 활용하여, 실시간으로 현장에서 하천의 표면유속을 측정하는 것이다. 먼저, 스마트폰의 GPS를 이용하여 측정 현장의 위치를 파악하고, 경사계(방향 센서)를 활용하여 카메라와 촬영면의 기하적인 관계를 설정한다. 이 때 입력해야 할 유일한 변수는 수면과 카메라의 연직 높이뿐이다. 내장된 카메라로 정해진 시간만큼 동영상을 촬영한다. 촬영된 동영상을 개방 소스의 영상처리 라이브러리인 OpenCV를 이용하여 프레임별로 분할하고, 이를 시공간 영상 분석하여 하천 표면의 2차원 유속장을 추정한다. 시판되는 안드로이드 스마트폰에 적용하여 현장 시험한 결과 약 11초에 1회의 순간유속 측정 (1초간의 평균유속 측정)을 할 수 있어, 현장에서 즉각적으로 하천 수표면의 표면유속을 측정할 수 있었다. 또한 이 순간유속을 수십회 반복한 뒤 평균하여 시간평균유속을 구할 수 있었다. 개발된 시스템을 실험 수로에서 시험한 결과, 측정이 매우 효과적이며 편리하였다. 측정된 결과를 프로펠러 유속계에 의한 측정값과 비교한 결과, 최대 오차 13.9%, 평균적으로 10 % 이내의 오차로 실험 수로의 표면 유속을 측정할 수 있었다.

주야간 겸용 표면영상유속계 개발을 위한 원적외선 카메라의 적용성 검토

류권규,김서준,유병남,배인혁,Yu, Kwonkyu,Kim, Seojun,Yoo, Byeongnam,Bae, Inhyuk 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.8

홍수시 하천의 유속 측정을 위한 표면영상유속계에서 가장 기본이 되는 단계는 적절한 영상을 취득하는 것이다. 하지만 영상 획득에 있어 야간에 발생하는 홍수 흐름을 촬영하는 것은 매우 어렵다. 이에 본 연구에서는 표면영상 유속계의 야간 영상 획득 장치로 원적외선 카메라를 이용하는 방안을 검토하였다. 원적외선 카메라는 별도의 조명을 필요로 하지 않으므로, 주야간 모두 영상을 획득할 수 있는 장점이 있다. 또한 안개나 연기의 영향을 받지 않아서 고정식 표면영상유속계를 구성하는 좋은 대안이 될 수 있다. 원적외선 영상을 이용한 유속 산정의 결과를 비교하기 위해, 보통의 가시광 카메라와 근적외선 카메라를 이용한 동시 촬영을 하여 영상을 분석하였다. 아울러 소형 프로펠러 유속계에 의한 유속 측정 자료와 비교하였다. 정확도 분석 결과 원적외선의 주간 영상을 이용할 경우 최소-9%에서 최대 -19%의 오차를 나타냈고, 야간 영상을 이용할 경우 최소 -10%에서 최대 -23%의 오차를 나타냈다. 또한 일반캠코더를 이용한 경우와 비교하여 최대 10% 이내의 차이를 보였기 때문에 주야간 유속 측정에 원적외선 카메라의 적용이 가능한 것을 확인하였다. 다만 주간 영상에 비해 야간 영상이 약간 흐려지는 경향이 있기 때문에, 이러한 영상을 적절히 분석하기 위한 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각한다. In flow velocity measurement of natural rivers, taking images with proper image quality is the fundamental and the most important step. Since flood peaks generally occur in night time, it is very difficult to capture proper images in that time. The present study aims to test a far infra-red camera as a adequate alternative to resolve the various problems in measuring flood discharges. The far infra-red cameras are able to capture images in night time without help of any extra illuminations. Futhermore they are not affected by fog nor smoke, hence they can be adapted for a fixed-type surface image velocimeters. For comparison, a commercial camcorder and a near infra-red cameras were used together. The test images were taken at a day time and a night time, and the image acquisition work were performed at an artificial flow channel of the Andong River Experiment Station. The analyzed results showed that the far infra-red camera would be a good instrument for surface image velocimeters, since they were able to capture regardless light condition. There are, however, a few minor problems in their accuracy of the analyzed results. About their accuracy a more study would be required.

새로운 평균하상 개념과 낙동강의 하상 변동 경향성 분석

류권규(Kwonkyu Yu) 한국콘텐츠학회 2011 한국콘텐츠학회논문지 Vol.11 No.6

유역이나 하천의 변화에 따른 하상의 상승이나 하강은 하천 관리에 있어 핵심적인 요소이다. 하천의 하상 변동을 분석할 때, 기준이 되는 것은 최심 하상고나 평균하상고의 변화이다. 이 때 평균하상고는 계획홍수위에 대한 하상의 평균이다. 본 연구는 하상 변동 분석에서 기존의 최심 하상고나 평균하상고를 이용할 때 발생하는 제반 문제를 지적하고, 연평균 홍수위에 대해 하상을 평균하는 새로운 평균하상고 개념을 제시하였다. 제안된 방법을 검토하기 위해 낙동강의 1983년, 1993년, 2005년의 3개년의 하상 자료를 이용하여 하상 변동 경향성을 분석하였다. 그 결과 낙동강에서는 1983~1993년 사이에는 대규모 하상 저하는 없었으나, 1993~2005년 사이에는 상당한 규모의 하상 저하가 발생하였다. 1993~2005년 사이에 중류부인 120~200 ㎞ 구간에서는 평균적으로 2~3 m, 최대 5 m 정도의 하상 저하가 발생하였고, 그 상류부인 200~240 ㎞ 구간에서는 1~2 m 정도의 비교적 작은 규모의 하상 저하가 발생하였다. 그러나 내성천 합류점보다 상류 구간 (240 km 이상의 구간)에서는 하상 상승과 하강은 거의 대부분 국부적인 현상에 머물고 있으며, 대규모 하상 변동이 없다. 이러한 낙동강 하상 저하의 주 원인은 대규모 골재 채취임을 밝혀내었다. River bed change due to various factors in watershed and/or river environment would one of the most important issues in river management. To judge whether the river bed was aggrading or degrading, normally we use the change in thalweg or average bed, calculated using the design flood of the river. The present study is to figure out the problems of the existing methods and to propose a new concept of average river bed using annual maximum flood. To evaluate the new method, it was applied to the Nakdong River. We use the river bed data surveyed in 1983, 1993, and 2005. The results showed that there were no significant river bed change during 1983 and 1993, while the river bed was degraded significantly during 1993 and 2005. In the latter period, the river had severe degradations, 2~3 m in average sense and 5 m for the maximum in the middle reach(120~200 ㎞ from river mouth), and 1~2 m in average in the upper reach(200~240 ㎞ from river mouth). For the upstream reach of the confluence of the Naesung River(about 240 ㎞ from river mouth), most of the river bed change seemed to be only local phenomena. The main cause of the river bed change in the Nakdong River seems to be massive gravel mining in the middle reach of the river.

드론영상을 이용한 보 직하류 유속 측정

류권규(Yu, Kwonkyu),유병호(Liu, Binghao),이남주(Lee, Namjoo),이훈석(Lee, Hoon-Seok) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10

부유사 속도 측정을 위한 입자추적유속계(PTV) 알고리듬

류권규(Kwonkyu Yu),마리안 머스테(Marian Muste),로버트 에테마(Robert Ettema),윤병만(Byungman Yoon) 대한토목학회 2004 대한토목학회 학술대회 Vol.2004 No.10

CCTV를 이용한 표면영상유속계 시스템 개발

류권규(Yu, Kwonkyu),황정근(Hwang, Jeong-Geun),이한승(Lee, Han Seung) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

드론 장착 카메라를 이용한 하천의 표면유속측정

류권규(Yu Kwonkyu),황정근(Hwang Jeong Geun) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.2

본 연구의 목적은 드론에 장착된 카메라로 하천 수표면을 촬영하여 하천의 표면유속을 측정하는 방법을 개발하는 것이다. 표면영상유속계를 이용할 때, 폭이 넓은 하천의 경우 하천 양안이나 교량 등에서는 충분한 화각을 확보하기 어렵다. 드론을 이용하면 사람이 접근하기 힘든 지역도 쉽게 촬영이 가능하므로 원하는 하천 표면의 영상을 쉽게 촬영할 수 있다. 다만, 드론에 장착된 비디오 카메라는 야간에는 촬영이 어려우며, 아무리 정지비행을 잘 하더라도 영상에는 다소간의 흔들림이 항상 존재한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 열영상 카메라를 추가적으로 드론에 장착하고, 흔들린 영상에 대해서는 형태 정합법에 의해 보정을 하였다. 영상 보정 과정은 고정된 표정점을 영상에서 추적한 뒤, 기준 영상의 표정점과 보정 영상의 표정점이 일치하도록 보정하였다. 영상 보정 후 영상 처리와 분석프로그램을 통하여 유속을 도출한다. 실험 하천에 대해 적용한 결과 상당히 만족스런 결과를 얻었다. The present study aims to develop a drone-based surface image velocimeter to measure velocity fields of a river surface. When we measure water surface velocity using a surface image velocimeter, it is difficult to get a proper angle of view from bridges or river banks, especially for wide rivers. If we use a drone to take images of river surface, it is possible to access anywhere and get good angle of view. However, most video cameras installed by default on drones cannot take image in night time. And another problem is in most cases the images taken with a drone camera will have small and large sway due to drone stabilization. To solve the problems, we installed a far-infrared camera on a drone and corrected images using a pattern matching technique. In the image correction process, we tracked some reference points on images, and transformed the images to a reference image so that the locations of ground control points on transformed images match to those of the reference image. After the image correction, a surface image volocimeter software can calculates velocity fields from those images. The analyses showed fairly good results.

드론을 이용한 하천표면유속 측정

류권규 ( Yu Kwonkyu ),이남주 ( Lee Namjoo ) 한국물환경학회 2022 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2022 No.-

카메라 영상모형을 이용한 표면영상유속계의 개발과 보정

류권규(Yu, Kwonkyu),이남주(Lee, Namjoo) 대한토목학회 2022 대한토목학회 학술대회 Vol.2022 No.10

참조점이 필요없는 표면 영상 유속계를 위한 카메라 모형의 개발

류권규(Yu Kwonkyu),김남길(Kim Namkill),윤병만(Byungman Yoon) 대한토목학회 2009 대한토목학회 학술대회 Vol.2009 No.10