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LSPIV를 적용시 오차발생 요인 분석
Analysys on Factors Affecting Velocity Errors On the Application of LSPIV 원문보기

한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집, 2008 May 22, 2008년, pp.1779 - 1783  

김영성 (한국수자원공사 수자원연구원)

초록
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영상해석을 통한 흐름해석의 방법인 Large-Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV)는 실험실내의 소규모 흐름해석에 이용하던 Particle Image Velocimetry (PIV)를 자연하천이나 실험실에서 넓은 영역($4m^2{\sim}45,000m^2$)에 적용할 수 있도록 확장시킨 것으로 지난 10여년전부터 세계적으로 널리 이에 대한 연구가 진행되고 있다. PIV는 seeding, illumination, recording 그리고 image processing으로 구성된다. LSPIV(Large Scale PIV)는 PIV의 기본원리를 근거로 하여 기존의 PIV에 비하여 실험실 내에서의 수리모형실험이나 일반 하천에서의 유속측정과 같은 큰 규모의 흐름해석을 할 수 있도록 seeding, illumination에 대한 조정이 필요 하고, 촬영된 image에 대한 왜곡을 없애는 작업이 필요하다. LSPIV는 PIV의 네 가지 단계를 포함하여 seeding, illumination, recording, image transformation, image processing 및 post-processing의 여섯 단계로 구성되어진다 (Li, 2002). LSPIV의 적용시 각 단계마다 유속계산시 오차를 발생시키는 27가지의 요인들이 존재하고 있는바 (Kim, 2006), 본 연구에서는 이들 중 실내의 실험실에서 파악이 가능한 인자들에 대해 그들 각각의 인자들이 유속 측정에 미치는 오차의 정도를 파악하고자 하였다. 본 연구에서는 LSPIV의 적용시 이용되는 이미지의 개수와 이미지 촬영시 적용된 이미지의 해상도에 따른 오차의 발생 정도를 조사하였다. 이미지 촬영에 있어서 비디오카메라를 이용할 경우 촬영시간에 따라 많은 수의 이미지를 취득할 수 있은바 이미지의 수에 따른 유속계산오차를 파악하고자 하였다. 또한 디지털 카메라를 이용할 경우 여러 가지 이미지 해상도를 이용할 수 있으므로 적용한 이미지 해상도에 따른 유속계산에 미치는 오차의 크기를 파악하고자 하였다. 이미지의 갯수가 유속계산시 미치는 오차의 영향의 정도를 조사하기 위해서 초당 30 frame을 촬영할 수 있는 비디오카메라를 이용하여 91초 동안 촬영된 이미지로부터 매 5번째의 이미지를 추출하여 455개의 이미지를 준비하였고 이로부터 이미지수를 10, 50, 100, 200, 300, 400의 순서로 증가시키면서 이미지 개수로부터 나타나는 유속계산 오차를 조사한 결과 이미지의 개수가 50매 이상인 경우는 이로 인한 오차가 1% 이하로 감소함을 파악하였다. 촬영된 이미지의 해상도가 유속계산시 미치는 영향을 조사하기 위해 디지털카메라를 적용하여 세가지 이미지 해상도(640*480, 1280*960, 2048*1536 pixel)로 변화시키면서 유속측정 오차를 분석한 결과 저해상도의 이미지를 이용한 경우 고해상도 이미지를 이용한 경우와 비교하여 3% 가량의 차이를 나타내었다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이미지 촬영에 있어서 비디오카메라를 이용할 경우 촬영시간에 따라 많은 수의 이미지를 취득할 수 있은바 이미지의 수에 따른 유속계산오차를 파악하고자 하였다. 또한 디지털 카메라를 이용할 경우 여러 가지 이미지 해상도를 이용할 수 있으므로 적용한 이미지 해상도에 따른 유속계산에 미치는 오차의 크기를 파악하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 LSPIV의 적용시 이용되는 이미지의 갯수와 이미지 촬영시 적용된 이미지의 해상도에 따른 오차의 발생 정도를 조사하였다. 이미지 촬영에 있어서 비디오카메라를 이용할 경우 촬영시간에 따라 많은 수의 이미지를 취득할 수 있은바 이미지의 수에 따른 유속계산오차를 파악하고자 하였다.
  • 이러한 6단계를 거쳐서 유속벡터를 계산하는 과정에서 발생하는 오차요소는 27가지라고 나타나고 있다(Kim, 2006). 본 연구에서는 이러한 27가지의 오차 발생 요소 중에서 이미지 촬영과 관련되는 이미지의 수에 따른 오차의 발생정도 및 이미지의 해상도에 따른 오차발생의 정도에 대하여 파악하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 LSPIV의 적용시 이용되는 이미지의 갯수와 이미지 촬영시 적용된 이미지의 해상도에 따른 오차의 발생 정도를 조사하였다. 이미지 촬영에 있어서 비디오카메라를 이용할 경우 촬영시간에 따라 많은 수의 이미지를 취득할 수 있은바 이미지의 수에 따른 유속계산오차를 파악하고자 하였다. 또한 디지털 카메라를 이용할 경우 여러 가지 이미지 해상도를 이용할 수 있으므로 적용한 이미지 해상도에 따른 유속계산에 미치는 오차의 크기를 파악하고자 하였다.
  • 이미지 수가 많으면 많을수록 더 정확한 표면유속장을 계산할 수 있지만 이렇게 이미지가 많아 지면 이미지 프로세싱에 많은 시간이 소요된다. 이에 이미지 개수에 따른 유속측정 오차의 정도를 파악하고자 하였다. 또한 이미지의 수가 같을 경우 이미지의 해상도의 고저로 인한 유속측정 오차도 검토하였다.
  • 따라서 측정시간을 길게하면 할수록 많은 이미지를 얻을 수 있으나 그로 인해서 이미지 프로세싱의 시간 또한 증가함에 따라 신속하게 유속을 계산할 수가 없다. 이에 측정시간 (혹은 이미지 수)와 유속측정 오차 사이의 관계를 파악하고자 하였다. 개수로의 aspect ratio (=b/h)를 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PIV와 비교시 LSPIV의 다른점은 무엇인가? (1995)이 확장시킨 것이다. PIV와 비교시 LSPIV의 다른 점은 넓은 흐름 표면적을 포함하기 위하여 촬영시에 카메라의 광축과 흐름 사이의 각도가 PIV에서 이용하는 수직이 아닌 경사각을 이용하였고 이에 따라 발생하는 이미지의 왜곡을 제거하기 위하여 이미지 변환기법을 적용하여 왜곡이 없는 정사촬영 이미지로 변환시킨다. 이후부터는 PIV의 이미지 처리 방법이 적용되어 표면유속을 산정한다.
LSPIV 기법에서 이미지의 수가 많을 때 나타나는 특징은 무엇인가? LSPIV 기법을 이용해서 하천에서 유속을 측정할 때 이미지 촬영상 중요한 인자은 이미지의 수와 이미지 해상도이다. 이미지 수가 많으면 많을수록 더 정확한 표면유속장을 계산할 수 있지만 이렇게 이미지가 많아 지면 이미지 프로세싱에 많은 시간이 소요된다. 이에 이미지 개수에 따른 유속측정 오차의 정도를 파악하고자 하였다.
LSPIV란 무엇인가? LSPIV(Large Scale PIV)는 PIV의 기본원리를 근거로 하여 기존의 PIV에 비하여 실험실 내에서의 수리 모형실험이나 일반 하천에서의 유속측정과 같은 큰 규모(4㎡∼45,000㎡)의 흐름해석을 할 수 있도록 Fujita 와 Komura (1994) 와 Aya et al.(1995)이 확장시킨 것이다. PIV와 비교시 LSPIV의 다른 점은 넓은 흐름 표면적을 포함하기 위하여 촬영시에 카메라의 광축과 흐름 사이의 각도가 PIV에서 이용하는 수직이 아닌 경사각을 이용하였고 이에 따라 발생하는 이미지의 왜곡을 제거하기 위하여 이미지 변환기법을 적용하여 왜곡이 없는 정사촬영 이미지로 변환시킨다.
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