고속푸리에변환을 이용한 시공간 체적 표면유속 산정 기법 개발 = Calculation of surface image velocity fields by analyzing spatio-temporal volumes with the fast Fourier transform

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The surface image velocimetry was developed to measure river flow velocity safely and effectively in flood season. There are a couple of methods in the surface image velocimetry. Among them the spatio-temporal image velocimetry is in the spotlight, since it can estimate mean velocity for a period of time. For the spatio-temporal image velocimetry analyzes a series of images all at once, it can reduce analyzing time so much. It, however, has a little drawback to find out the main flow direction. If the direction of spatio-temporal image does not coincide to the main flow direction, it may cause singnificant error in velocity. The present study aims to propose a new method to find out the main flow direction by using a fast Fourier transform(FFT) to a spatio-temporal (image) volume, which were constructed by accumulating the river surface images along the time direction. The method consists of two steps; the first step for finding main flow direction in space image and the second step for calculating the velocity magnitude in main flow direction in spatio-temporal image. In the first step a time-accumulated image was made from the spatio-temporal volume along the time direction. We analyzed this time-accumulated image by using FFT and figured out the main flow direction from the transformed image. Then a spatio-temporal image in main flow direction was extracted from the spatio-temporal volume. Once again, the spatio-temporal image was analyzed by FFT and velocity magnitudes were calculated from the transformed image. The proposed method was applied to a series of artificial images for error analysis. It was shown that the proposed method could analyze two-dimensional flow field with fairly good accuracy.

국문 초록 (Abstract)

홍수시 하천의 유속을 효율적이고 안전하게 측정할 수 있는 방법의 하나로 제시된 것이 표면 영상유속측정법이다. 표면영상유속측정법에는 영상분석 기법에 따라 다양한 종류가 있으나, 이 중에서도 최근 일정시간 동안의 유속의 시간평균을 한 번에 산정할 수 있는 시공간영상 유속계측법이 하천의 표면유속 측정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 시공간영상 유속계측법은 일정 시간 동안의 시공간 영상을 한 번에 분석하기 때문에, 유속산정 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 시공간영상 유속계측법은 주흐름방향을 정확히 알지 못하면 오차를 유발할 수 있다. 본 연구는 표면영상을 시간적으로 누적한 시공간체적을 구성하고, 이 시공간체적에서 시간축 방향으로 최대값 영상을 만든 뒤 이를 고속푸리에변환하여 주흐름방향을 탐색하는 새로운 기법을 제안하였다. 이 방법은 공간영상에서 주흐름방향을 찾는 첫단계와 주흐름방향의 시공간영상에서 유속의 크기를 산정하는 두번째 단계로 구성되어 있다. 첫번째 단계에서 찾아낸 주흐름방향으로 시공간영상을 작성하고, 이 시공간영상의 고속푸리에변환을 이용하여 유속을 산정하였다. 제안된 방법은 주흐름방향을 정확하게 추정하여 시공간영상을 생성하고 분석하므로, 기존 방법들이 취약했던 이차원 흐름에 대해서도 신속하고 정확한 유속분석이 가능하다. 개발된 방법을 공동흐름에 대한 인공영상에 적용한 결과 비교적 정확하게 2차원 유속분포 측정이 가능한 것으로 나타났다.

참고문헌 (Reference)

1 김영성, "전자파표면유속계를 이용한 하천유량측정의 적용범위 확장을 위한 고성능 범용 전자파표면유속계의 개발" 한국수자원학회 48 (48): 613-623, 2015

2 배인혁, "원적외선 카메라를 이용한 표면영상유속계의 비가시 환경 적용성 검토" 한국수자원학회 50 (50): 597-607, 2017

3 류권규, "스마트폰을 이용한 실시간 표면영상유속계 개발" 한국수자원학회 49 (49): 469-480, 2016

4 류권규, "상호상관법을 이용한 시공간 영상유속계의 2차원 유속분포 측정" 한국수자원학회 47 (47): 537-546, 2014

5 류권규, "드론 장착 카메라를 이용한 하천의 표면유속측정" 한국방재학회 17 (17): 403-413, 2017

6 김서준, "고정식 표면영상유속계(FSIV)를 이용한 실시간 하천 유량 산정" 한국수자원학회 44 (44): 377-388, 2011

7 Bigun, J., "Vision with direction - a systematic introduction to image processing and computer vision" Springer 2006

8 Jähne, B., "Spatio-temporal image processing" Springer 1993

9 Zhang, Z., "Sensitivity analysis and uncertainty evaluation of space-time image velocimetry" 38 (38): 1763-1771, 2017

10 Ettema, R., "Particle-image velocimetry for whole-field measurement of ice velocities" 26 (26): 97-112, 1997

11 Raffel, M., "Particle image velocimetry, a practical guide" Springer 2018

12 Yu, K., "Particle image velocimetry" CIR 2016

13 The Visualization Society of Japan(VSJ), "PIV Handbook" Morokita Publishing 2002

14 Yamaguchi, T., "Introduction of several examples of curious H-Vs relationship including cases with wrong installation of radio current meters" 2 : 20-27, 2011

15 Ghia, U., "High-resolutions for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method" 48 : 387-411, 1982

16 Miyaura, E., "Fixed microwave current meter and RYUKAN, facing pratical and fullfledged use" 3 : 55-60, 2012

17 Aya, S., "Field-observation of flood in a river by video image analysis" JSCE 39 : 447-452, 1995

18 Fujita, I., "Efficient analysis method for river flow measurement using space-time images" 422-428, 2005

19 Burger, W., "Digital image processing: An introduction using Java" Springer 2016

20 Notoya, Y., "Development of river surface velocity vectors by using three dimensional space-time volume of surface images" 73 (73): I_511-I_516, 2017

21 Yu, K., "Correlation analysis of spatiotemporal images for estimating two-dimensional flow velocity field in a rotating flow condition" 529 : 1810-1822, 2015

22 Fujita, I., "Convection velocity measurement of river surface ripples by using space-time images" 9 : 55-60, 2003

23 Ferziger, J. H., "Computational methods for fluid dynamics" Springer 2002