CCTV 카메라를 이용한 도로시정측정시스템의 성능평가 및 경제성 분석 Performance Evaluation and Economic Analysis for the Road Visibility Measurement System using the CCTV Camera원문보기
안개로 인한 대형교통사고를 예방하기 위한 안개경고시스템의 핵심요소는 시정을 측정하는 장치이며, 최근 고가의 안개센서 보다 인간의 시정감각과 유사하면서도 저렴하고 정확한 시정측정장치에 대한 필요성이 증대되고 있다. 본 논문은 도로의 CCTV 카메라를 이용하여 시정을 측정하기 위해 개발된 도로시정측정시스템(RVMS)의 성능 평가 방법 및 결과를 제시하고, 고속도로 등 도로 적용에 따른 경제성과 활용방안을 제시한다. 성능평가는 여주시험도로에 전용 CCTV 카메라, 안개센서, 목측을 위한 시정표지를 설치하고 시험운영결과를 DVR에 기록하여, 특정 안개발생 시간대에 대해 RVMS와 안개센서 결과를 목측결과와 비교분석하였다. 실험결과, 목측을 기준으로 RVMS가 안개센서 대비 높은 측정안정성과 정확성을 가진 것으로 분석되었다. 또한, 본 논문에서는 RVMS가 기존 안개센서 대비 높은 경제성을 가지고 있음을 제시하고 RVMS의 다양한 활용방안을 제시한다. 높은 성능과 경제성을 가진 RVMS의 적절한 활용은 안개발생시 도로 이용자의 교통사고 예방뿐만 아니라 광역 시정정보 수집 및 활용에 획기적인 계기를 마련할 것으로 기대된다.
안개로 인한 대형교통사고를 예방하기 위한 안개경고시스템의 핵심요소는 시정을 측정하는 장치이며, 최근 고가의 안개센서 보다 인간의 시정감각과 유사하면서도 저렴하고 정확한 시정측정장치에 대한 필요성이 증대되고 있다. 본 논문은 도로의 CCTV 카메라를 이용하여 시정을 측정하기 위해 개발된 도로시정측정시스템(RVMS)의 성능 평가 방법 및 결과를 제시하고, 고속도로 등 도로 적용에 따른 경제성과 활용방안을 제시한다. 성능평가는 여주시험도로에 전용 CCTV 카메라, 안개센서, 목측을 위한 시정표지를 설치하고 시험운영결과를 DVR에 기록하여, 특정 안개발생 시간대에 대해 RVMS와 안개센서 결과를 목측결과와 비교분석하였다. 실험결과, 목측을 기준으로 RVMS가 안개센서 대비 높은 측정안정성과 정확성을 가진 것으로 분석되었다. 또한, 본 논문에서는 RVMS가 기존 안개센서 대비 높은 경제성을 가지고 있음을 제시하고 RVMS의 다양한 활용방안을 제시한다. 높은 성능과 경제성을 가진 RVMS의 적절한 활용은 안개발생시 도로 이용자의 교통사고 예방뿐만 아니라 광역 시정정보 수집 및 활용에 획기적인 계기를 마련할 것으로 기대된다.
A key element of the fog warning system to prevent large traffic accidents is a visibility measurement device. Recently, the need for it that is similar to the human visual sense and cheap and accurate than expensive fog sensors is increasing. In this paper, we present the performance evaluation and...
A key element of the fog warning system to prevent large traffic accidents is a visibility measurement device. Recently, the need for it that is similar to the human visual sense and cheap and accurate than expensive fog sensors is increasing. In this paper, we present the performance evaluation and the economic analysis of the Road Visibility Measurement System (RVMS), which is developed for measuring the road visibility through a CCTV camera. For experiments, we have installed a CCTV camera, a fog sensor, and visibility signs at the Yeo-ju Test Road on the Central Inland Expressway. We evaluated the measurements from RVMS and the fog sensor based on observations. The result shows RVMS outperforms the fog sensor with respect to measurement stability and correctness. We also show RVMS has higher economic feasibility and various applications. RVMS can prevent the traffic accidents caused by severe fog and enhance the process of the wide-area visibility information system significantly.
A key element of the fog warning system to prevent large traffic accidents is a visibility measurement device. Recently, the need for it that is similar to the human visual sense and cheap and accurate than expensive fog sensors is increasing. In this paper, we present the performance evaluation and the economic analysis of the Road Visibility Measurement System (RVMS), which is developed for measuring the road visibility through a CCTV camera. For experiments, we have installed a CCTV camera, a fog sensor, and visibility signs at the Yeo-ju Test Road on the Central Inland Expressway. We evaluated the measurements from RVMS and the fog sensor based on observations. The result shows RVMS outperforms the fog sensor with respect to measurement stability and correctness. We also show RVMS has higher economic feasibility and various applications. RVMS can prevent the traffic accidents caused by severe fog and enhance the process of the wide-area visibility information system significantly.
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문제 정의
또한, 본 논문에서는 RVMS가 기존 안개센서 대비 높은 경제성을 가지고 있음을 제시하고 RVMS의 다양한 활용방안을 제시하였다. 높은 성능과 경제성을 가진 RVMS의 적절한 활용은 안개발생시 교통사고 예방뿐만 아니라 광역 시정정보 수집 및 활용에 획기적인 계기를 마련할 것으로 기대된다.
본 논문에서는 도로의 CCTV 카메라를 이용하여 시정을 측정하기 위해 개발된 도로시정측정시스템(RVMS)의 성능 평가 방법 및 결과를 제시하고, 고속도로 등 도로 적용에 따른 경제성과 활용방안을 제시하였다. 성능평가는 여주시험도로에 전용 CCTV 카메라, 안개센서, 목측을 위한 시정표지를 설치하고 시험운영결과를 DVR에 기록하여, 특정 안개발생 시간대에 대해 RVMS와 안개센서 결과를 목측결과와 비교분석하였다.
본 논문은 도로의 CCTV 카메라를 이용하여 시정을 측정하기 위해 개발된 도로시정측정시스템(RVMS: Road Visibility Measurement System)의 성능평가 방법 및 결과를 제시하고, 고속도로 등의 도로 적용에 따른 경제성과 활용방안을 제시한다.
가설 설정
결국, 본 논문에서는 영상에서 하단의 수평높이 hb와 중간의 수평높이 hm, 상단의 수평높이 hu사이에 대응되는 거리 db, dm, du는 지수적으로 증가한다고 가정하고, 먼저, 특정 도로형태에 대해 거리 db, dm, du와 영상에서 각각에 대응되는 수평높이 hb, hm, hu의 쌍을 이용하여 주어진 목적함수(objective function) M에 대한 비선형 곡선적합(non-linear curve fitting)[6]을 수행한 후 목적함수의 파라메터를 결정하여 저장한다. 그러면 이후 입력된 영상으로부터 얻어진 가시선의 높이 hIk를 (5)와 같은 목적함수에 대입함으로써 시정 vIk를 측정하는 방법을 사용한다.
제안 방법
의 쌍을 이용하여 주어진 목적함수(objective function) M에 대한 비선형 곡선적합(non-linear curve fitting)[6]을 수행한 후 목적함수의 파라메터를 결정하여 저장한다. 그러면 이후 입력된 영상으로부터 얻어진 가시선의 높이 hIk를 (5)와 같은 목적함수에 대입함으로써 시정 vIk를 측정하는 방법을 사용한다. Fig.
그러나 다행히 안개가 발생되는 경우 시정거리 400m이상은 안개경보 등의 활용을 목적으로 하는 도로환경에서는 큰 의미가 없다. 그러므로 시정측정의 한계치를 400m 정도로 설정하여 측정된 값이 한계치를 초과하는 경우에는 측정값을 한계치로 대체하는 방법을 사용하여 이 문제를 해결하기로 하였다. 단, 안개센서의 결과치는 안개센서의 작동 상태를 나타낼 수 있도록 그대로 입력하였으며, 목측 또한 한계치를 400m로 설정하였다.
그러나 기존의 안개센서는 광학측정 방식의 한계로 인해 인간의 시정감각과 차이가 크며, 특히 눈, 비 등의 날씨변화에 매우 큰 오차를 보이고 있어 성능평가를 위한 기준이 될 수 없다고 판단하였다. 따라서 우리는 목측을 시작품의 성능평가 기준으로 결정하였으며, 목측을 수행하기 위해 Fig. 5의 우측과 같이 CCTV 카메라로부터 각각 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500m 거리에 8개의 시정표지를 설치하였다.
bmp”와 같은 형식으로 구성되도록 하여, 데이터의 수집시기와 측정결과를 한 눈에 확인할 수 있도록 하였다. 목측은 맑은 날에 미리 설정된 위치를 알고 있으므로 이를 각 영상에 적용하여 수행하였다.
다른 하나는 수집되는 자료가 동영상자료이므로 자료의 양이 방대할 뿐만 아니라 비교자료의 추출을 위해서는 일정간격의 데이터 추출과정이 필요하다는 것이다. 우리는 DVR에 기록되는 영상의 정지영상을 5분에 한 번씩 자동으로 기록하도록 하여 이를 성능평가를 위한 데이터로 사용하기로 하였다. 정지영상의 이름은 수집된 날짜(년,월,일), 시각(시,분,초), RVMS가 측정한 시정거리(미터)를 포함한 “20121026-071900-0334m.
우리는 도로시정측정을 위한 시작품을 제작하였으며, 시작품은 입력된 CCTV영상을 프레임그레버를 통해 캡쳐하고 이를 이용하여 가시거리를 측정하며 측정된 결과를 자막기를 통해 CCTV영상과 합성하여 출력한다. 현재 개발된 도로시정측정 시스템의 시작품은 Fig.
우리는 맑은 날과 비오는 날, 그리고 주야간 측정결과를 모두 분석하기 위해 측정시간대에 안개가 비교적 고르게 낀 2012년 4월 24일 새벽 4시부터 아침 9시 사이의 데이터와 비가 조금 내린 2012년 10월 26일 새벽 4시부터 아침 9시 사이의 데이터를 각각 SigmaPlot 버전 10.0에 입력하여 분석하였다.
Table 1과 Table 2는 지금까지 수집된 자료 중 성능평가를 위해 사용될 자료를 보여주고 있다. 평가기준이 되는 목측치는 설치된 시정표지를 기준으로 가시거리를 부여한 것이며, 당일 04:00부터 09:00까지 시정변화를 5분에 한 번씩 측정한 결과를 비교한 것이다.
대상 데이터
시작품의 성능평가를 위해, 한국도로공사 여주 시험도로에 CCTV 시스템, 안개센서(OFS-MkII)를 같은 장소에 설치하였다. 그러나 기존의 안개센서는 광학측정 방식의 한계로 인해 인간의 시정감각과 차이가 크며, 특히 눈, 비 등의 날씨변화에 매우 큰 오차를 보이고 있어 성능평가를 위한 기준이 될 수 없다고 판단하였다.
데이터처리
본 논문에서는 도로의 CCTV 카메라를 이용하여 시정을 측정하기 위해 개발된 도로시정측정시스템(RVMS)의 성능 평가 방법 및 결과를 제시하고, 고속도로 등 도로 적용에 따른 경제성과 활용방안을 제시하였다. 성능평가는 여주시험도로에 전용 CCTV 카메라, 안개센서, 목측을 위한 시정표지를 설치하고 시험운영결과를 DVR에 기록하여, 특정 안개발생 시간대에 대해 RVMS와 안개센서 결과를 목측결과와 비교분석하였다. 현장실험결과, 목측을 기준으로 RVMS가 안개센서 대비 높은 측정안정성과 정확성을 가진 것으로 분석되었다.
성능/효과
8과 같다. Fig. 8에서 비교적 안개가 짙게 낀 5시 25분부터 6시 15분사이의 데이터를 보면, RVMS의 측정결과(측정한계 400m)가 목측결과(측정한계 400m)와 비교적 유사한 것을 알 수 있으며, 광학센서인 안개센서의 결과에 비해 정확하고 안정적인 가시거리 측정결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
6은 실제 2012년 10월 26일, 07시 19분 00초에 저장된 정지영상과 목측을 위한 수평라인(밑에서부터 차례대로 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500m에 해당되는 수평라인)을 보여주고 있다. 따라서 Fig. 6의 영상으로부터 우리는 목측이 약 400m일 때, RVMS가 334m, 안개센서가 5,263m의 결과를 보여주고 있음을 알 수 있다.
따라서 영상으로부터 차량의 이동영역을 추출하여 차량의 움직임을 확인할 수 있는 최대거리인 가시선(visibleline)을 정확히 검출할 수 있고, 가시선과 거리에 대한 함수를 알 수 있다면 시정은 매우 쉽고 정확하게 측정될 수 있다. 즉, k번째 영상 Ik의 가시선 높이 hk와 시정 vk 간 상관관계를 나타내는 함수 M을 알고 있다면 시정은 (5)와 같이 간단히 계산할 수 있다.
그러나 향후, 자동차 전조등과 같은 갑작스런 빛의 영향에 따른 측정오차를보정하거나 극복할 수 있어야 할 것으로 판단된다. 또한, RVMS 성능평가의 기준인 목측방법은 매우 주관적이어서 RVMS의 성능을 정확히 평가하는 데에는 한계가 있으나 목측결과의 객관성을 확보한다면, 운전자에게 안개 시정에 대한 유용한 정보를 제공하는데 목적이 있다는 점에서 RVMS의 측정결과가 목측과 비교되는 것이 타당할 것이라고 생각된다.
따라서 도로상에 나타나는 시정은 RVMS의 측정결과가 안개센서의 결과보다 더 현실적인 데이터라고 할 수 있다. 또한, 자동차 전조등의 영향을 거의 받지 않는 6시 20분부터 9시 사이에는 RVMS의 결과가 목측과 비교적 유사하게 나타났으며, 광학센서인 안개센서의 결과에 비해 정확하고 안정적인 가시거리 측정결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 카메라를 이용한 RVMS와 광학 방식의 안개센서의 분명한 차이점에도 불구하고 우리는 실제 도로를 운행하는 운전자의 입장에서 RVMS가 안개 센서에 비해 보다 현실적이고 인간의 시정감각과 유사한 결과를 제공할 수 있다는 점을 확인 할 수 있었다.
왜냐하면 안개센서는 레이저 송신구와 수신구사이의 안개농도변화를 광학적으로 감지하는 방식이므로 그 사이에 물방울과 같은 갑작스런 변화가 발생하면 측정결과 또한 심하게 왜곡될 수밖에 없다. 비교적 안개가 짙게 낀 5시 25분부터 6시 15분사이의 데이터를 보면, 목측을 기준으로 안개 센서의 측정결과는 비교적 낮게 나타났으며, RVMS의 측정결과는 비교적 높게 나타났다. RVMS의 측정결과가 비교적 높게 나타난 것은 노면의 물기와 자동차의 전조등이 영향을 미친 것으로 판단된다.
또한, 자동차 전조등의 영향을 거의 받지 않는 6시 20분부터 9시 사이에는 RVMS의 결과가 목측과 비교적 유사하게 나타났으며, 광학센서인 안개센서의 결과에 비해 정확하고 안정적인 가시거리 측정결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 카메라를 이용한 RVMS와 광학 방식의 안개센서의 분명한 차이점에도 불구하고 우리는 실제 도로를 운행하는 운전자의 입장에서 RVMS가 안개 센서에 비해 보다 현실적이고 인간의 시정감각과 유사한 결과를 제공할 수 있다는 점을 확인 할 수 있었다.
성능평가는 여주시험도로에 전용 CCTV 카메라, 안개센서, 목측을 위한 시정표지를 설치하고 시험운영결과를 DVR에 기록하여, 특정 안개발생 시간대에 대해 RVMS와 안개센서 결과를 목측결과와 비교분석하였다. 현장실험결과, 목측을 기준으로 RVMS가 안개센서 대비 높은 측정안정성과 정확성을 가진 것으로 분석되었다. 그러나 향후, 자동차 전조등과 같은 갑작스런 빛의 영향에 따른 측정오차를보정하거나 극복할 수 있어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
현장실험결과, 목측을 기준으로 RVMS가 안개센서 대비 높은 측정안정성과 정확성을 가진 것으로 분석되었다. 그러나 향후, 자동차 전조등과 같은 갑작스런 빛의 영향에 따른 측정오차를보정하거나 극복할 수 있어야 할 것으로 판단된다. 또한, RVMS 성능평가의 기준인 목측방법은 매우 주관적이어서 RVMS의 성능을 정확히 평가하는 데에는 한계가 있으나 목측결과의 객관성을 확보한다면, 운전자에게 안개 시정에 대한 유용한 정보를 제공하는데 목적이 있다는 점에서 RVMS의 측정결과가 목측과 비교되는 것이 타당할 것이라고 생각된다.
또한, 본 논문에서는 RVMS가 기존 안개센서 대비 높은 경제성을 가지고 있음을 제시하고 RVMS의 다양한 활용방안을 제시하였다. 높은 성능과 경제성을 가진 RVMS의 적절한 활용은 안개발생시 교통사고 예방뿐만 아니라 광역 시정정보 수집 및 활용에 획기적인 계기를 마련할 것으로 기대된다.
현장실험을 통해 RVMS가 안개센서에 비해 비교적 정확하고 안정적인 시정측정 결과를 제공하고 있음을 확인할 수 있었으나, 보다 높은 정확성을 갖기 위해서는 자동차 전조등과 같은 갑작스런 빛의 영향에 따른 측정오차를 보정할 필요가 있다고 판단된다. 물론, RVMS의 성능평가를 측정범위와 원리, 그리고 개발목적이 다른 안개센서와 직접 비교하는 것은 불가능하다고 판단하여 목측결과와 비교하였으나, 목측 또한 매우 주관적이어서 RVMS의 성능을 정확히 평가하는 데에는 한계가 있었다. 다행인 것은 RVMS의 개발목적이 운전자에게 안개시정에 대한 유용한 정보를 제공하는데 있으므로 RVMS의 측정결과가 목측과 비교되는 것이 현실적이라는 점이다.
현장실험을 통해 RVMS가 안개센서에 비해 비교적 정확하고 안정적인 시정측정 결과를 제공하고 있음을 확인할 수 있었으나, 보다 높은 정확성을 갖기 위해서는 자동차 전조등과 같은 갑작스런 빛의 영향에 따른 측정오차를 보정할 필요가 있다고 판단된다. 물론, RVMS의 성능평가를 측정범위와 원리, 그리고 개발목적이 다른 안개센서와 직접 비교하는 것은 불가능하다고 판단하여 목측결과와 비교하였으나, 목측 또한 매우 주관적이어서 RVMS의 성능을 정확히 평가하는 데에는 한계가 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도로시정측정시스템이란?
도로시정측정시스템[4]은 CCTV 카메라 영상에서 도로상에 통행중인 차량의 이동영역이 시정에 따라 달라진다는 점에 착안하여 이동영역을 추출하고 이를 이용하여가시거리를 계산하는 시정 측정 장치이다.
CCTV 카메라 영상에 나타나는 도로의 특징은?
이미지상의 각 수평위치 즉, 하단, 중간, 상단까지의 높이에 해당하는 거리를 계산할 수 있다면, 특정 높이까지의 거리는 쉽게 구할 수 있다. 그러나 일반적으로 CCTV 카메라 영상에 나타나는 도로는 수평인 경우가 거의 없고, 카메라를 통해 얻어진 2D 영상으로부터 특정 목표물까지의 거리를 정확히 계산하는 것은 거의 불가능하다.
RVMS의 단점은?
물론, RVMS는 안개센서에 비해 측정가능 거리가 CCTV영상에 나타나는 최대 거리로 한정된다. 따라서 기상정보시스템 등 일반적인 시정측정장치로 사용되기 보다는 도로환경에만 사용할 수 있다는 단점이 있다. 그러나 재해대책편람[7] 등에 나타난 바와 같이 실제 도로를 주행하는 운전자에게 안개로 인한 위험성을 사전에 인지하도록 하는 데에는 안개로 판단되는 거리, 약 1km이내의 시정만이 필요하다는 점에서 실제 현장에 적용하는 데에는 아무런 문제가 없는 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
Taek-Mu Kwon, An Atmospheric Visibility Measurements Using Video Cameras: Relative Visibility, Univ. of Minesota Duluth, July, 2004.
Jason S. McCarley, William K. Krebs, "Visibility of road hazards in thermal, visible, and sensor-fused night-time imagery", Applied Ergonomics Vol.31, p.523-530, 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0003-6870(00)00010-7
D. Baumer , S. Versick, B. Vogel, "Determination of the visibility using a digital panorama camera", Atmospheric Environment, Vol.42, p.2593-2602, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2007.06.024
Bongkeun Kim, Insoo Chang, Gwang Lee, "Real-time Road Visibility Measurement Using CCTV Camera", Journal of Korean Society of Transportation, Vol.29, No.4, pp.125-138, 2011. 8.
Bongkeun Kim, Insoo Chang, Gwang Lee, "A Study on Pilot-test of the CCTV Fog Visibility Measurement System", 2012 Proceedings of the KAIS Spring Conference, Vol.13, No.1, pp.719-721, 2012. 5.
William H. Press, Brian P. Flannery, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Numerical Recipes in C, Cambridge University Press, 1988.
Ministry of Construction & Transportation, Disaster Preparedness Manual, 2004.
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