[논문 리뷰] WAHRSIS: A Low-cost, High-resolution Whole Sky Imager With Near-Infrared Capabilities

Soumyabrata Dev, Florian M. Savoy외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 21.

Image Enhancement Techniques참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

WAHRSIS는 오픈소스 구성품을 사용해 제작된 저비용·고해상도 전체 하늘 영상 장치로, 근적외선 감도와 모터 제어 태양 차단 장치를 갖추고 있다. 캐논 EOS 리벨 T3i와 시그마 4.5mm 매빅 렌즈를 사용해 180도 시야각과 5184×3456 해상도로 전체 천구 영상을 촬영하며, 기하학적 및 방사계수 校정을 통해 대기 신호 감쇠 연구에 적합한 정확한 구 nuage 분석을 가능하게 한다. 총 비용은 약 $2,525이다.

ABSTRACT

Cloud imaging using ground-based whole sky imagers is essential for a fine-grained understanding of the effects of cloud formations, which can be useful in many applications. Some such imagers are available commercially, but their cost is relatively high, and their flexibility is limited. Therefore, we built a new daytime Whole Sky Imager (WSI) called Wide Angle High-Resolution Sky Imaging System. The strengths of our new design are its simplicity, low manufacturing cost and high resolution. Our imager captures the entire hemisphere in a single high-resolution picture via a digital camera using a fish-eye lens. The camera was modified to capture light across the visible as well as the near-infrared spectral ranges. This paper describes the design of the device as well as the geometric and radiometric calibration of the imaging system.

연구 동기 및 목표

• 세부적인 구 nuage 모니터링과 대기 신호 분석을 위한 비용 효율적이고 고해상도의 전체 하늘 영상 장치를 개발하기 위해.
• 상용 WSIs의 한계인 높은 비용, 낮은 해상도, 맞춤형 설계의 부재를 극복하기 위해.
• 더 나은 구 nuage 탐지와 대기 특성 분석을 위해 근적외선 영상 기능을 제공하기 위해.
• 싱가포르 전역에 실시간 구 nuage 커버리지 및 이동 추적을 위한 확장 가능한 WSIs 네트워크를 구축하기 위해.
• 기하학적 및 방사계수 보정을 완전히 적용한 캘리브레이션된 영상 시스템을 제공하여 정확한 하늘 영상 분석을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 캐논 EOS 리벨 T3i 카메라 바디에 시그마 4.5mm F2.8 EX DC HSM 원형 펜탁시 렌즈를 조합하여 180도 시야각과 5184×3456 픽셀 해상도를 확보한다.
• 카메라 센서를 수정하여 근적외선 스펙트럼까지 감도를 확장함으로써 다중 스펙트럼 하늘 영상 촬영이 가능해진다.
• 아두이노 제어와 제인 미우스 알고리즘을 기반으로 한 모터 제어 태양 차단 장치를 사용해 직사광선을 동적으로 차단하여 반사광을 줄인다.
• 구형 표적과 고안된 알고리즘을 활용해 기하학적 캘리브레이션을 수행하여 픽셀 좌표를 하늘 각도로 매핑한다.
• 색상 채널별로 특화된 방법을 사용해 색수차와 렌즈 왜곡을 보정하는 방사계수 캘리브레이션을 수행한다.
• 통합 구리드에서의 밝기 프로파일을 이용한 이동 평균을 통해 렌즈 왜곡 보정을 수행하며, 각 조리개 설정 별 보정 계수를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 구성품을 사용해 저비용으로 고해상도 전체 하늘 영상 장치를 제작할 수 있는가?
• RQ2 근적외선 감도는 얼마나 효과적으로 구 nuage 탐지 및 대기 분석을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 사용자 정의 캘리브레이션 파이프라인을 통해 기하학적 및 방사계수 정확도를 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ4 렌즈 왜곡은 다양한 조리개 설정에서 어떻게 변화하는가? 그리고 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ5 실시간 천체 계산을 기반으로 한 모터 제어 태양 차단 장치가 태양의 위치를 정확히 추적할 수 있는가?

주요 결과

• WAHRSIS는 상용 구성품을 사용해 총 시스템 비용을 $2,525로 유지하였으며, TSI-880과 같은 상용 대안보다 크게 낮다.
• 시스템은 5184×3456 해상도로 전체 하늘 영상을 촬영하여 고해상도의 구 nuage 구조 분석이 가능하다.
• 센서 수정을 통해 근적외선 감도를 성공적으로 확보하여, 구 nuage 및 에어로졸 연구를 위한 스펙트럼 능력을 확장하였다.
• 구형 표적과 반복 최적화를 활용한 기하학적 캘리브레이션을 통해 픽셀을 하늘 각도로 정확히 매핑하였다.
• 방사계수 캘리브레이션을 통해 색수차를 감소시켰으며, 색상 채널별 보정이 적용된 결과 이미지의 균일성이 눈에 띄게 향상되었다.
• 통합 구리드에서의 밝기 프로파일을 기반으로 각 조리개 설정 별 렌즈 왜곡 보정 계수를 계산하여, 반사형 밝기 비균일성을 효과적으로 최소화하였다.