모바일 기반의 표면영상유속 해석을 이용한 수로의 유량 측정 = Measurement of Water Discharge in Irrigation Canal using Surface Image Velocimeter based on Mobile Devices

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 안드로이드 기반의 스마트폰을 비롯한 모바일 장비를 이용하여 실시간으로 수로의 유속을 측정하여 유량을 자동 산정하는 것이다. 유속 측정을 위한 방법은 여러 가지가 있으나, 비접촉식으로 간편하게 수로의 유속을 측정하기 위해 스마트폰을 이용한 표면영상유속계(SIV, surface image velocimeter)를 개발하였다. 이 과정은 관련 정보 획득, 영상 촬영, 영상 분석, 좌표 변환, 결과 도시의 다섯 과정으로 이루어져 있으며, 이 모든 것을 모바일 장비용 앱으로 제작하여 구현하였다.
먼저 관련정보 획득 과정은 스마트폰에 장착된 GPS를 이용하여 유속의 측정 지점의 위치와 관련 정보를 찾아내고, 이를 서버의 데이터베이스에 있는 유속 측정지점 정보와 연계한다. 또한, 이 때 카메라의 자세(방향, 경사각 등)에 대한 정보를 함께 계측한다.
다음에 스마트폰에 장착된 카메라를 이용하여 수로의 수표면을 동영상으로 촬영하고 영상 획득은 1~3초 정도의 동영상을 취득해서, 관련 정보와 함께 저장한다.
영상 분석 과정에서는 저장된 동영상을 JavaCV 라이브러리를 이용하여 시공간 영상(STI, spatio-temporal image)으로 생성하고 이 시공간 영상을 분석하였다. 시공간 영상에서 영상 변위(영상내의 추적자의 움직임)를 산정하는 방법은 최근 개발된 CASTI(Cross-correlation Analysis for Spatio-Temporal Images)법을 수정하여 적용하였다.
분석해낸 영상 변위는 좌표 변환을 통하여 물리 변위로 환산해 주어야 하는데 종래의 방법에서는 이를 위해 참조점을 필요로 하였으나 본 연구에서는 앞서 계측한 카메라의 자세(경사각)와 카메라와 수표면까지의 높이를 입력하여 영상의 좌표 변환에 필요한 정보를 추출하였다. 이 과정을 통하여 기존의 표면영상유속계의 단점 중 하나인 참조점 문제를 해결하였다. 앞서 분석한 영상 변위에 이런 좌표 변환 정보를 입력하여 물리 변위와 유속을 분석하였다. 본 기술은 수로의 유속·유량 측정의 모든 과정이 스마트폰에서 이루어지므로 5초 이내로 유량을 산정할 수 있으며 개발된 시스템을 실험 수로에서 시험한 결과, 이 시스템이 유속 측정에 드는 시간, 노력, 경비를 획기적으로 경감시킬 수 있음을 입증되었다. 이 때의 유속 측정 오차는 측정하는 유속에 따라 다르지만 기존의 표면영상유속계가 지녔던 오차인 최대 10% 이내에 머물렀다.