KR101130482B1 - 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법 - Google Patents

사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테레오 사진 측량을 이용하여 진동하는 구조물의 3차원 진동 변위를 측정하기 위한 것이다.
특히, 시간표시기능이 없는 저가형 디지털 카메라를 이용하더라도, 시간대별 스테레오 영상의 동기화가 가능하도록 함으로써, 기존의 레이저 변위계 등과 같은 고가의 장비와 비교하여, 측정된 3차원 진동특성의 정밀성 및 신뢰성을 충분히 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 해당 구조물의 동적거동 파악을 위하여 구조물의 특정점의 변위 만이 아닌 구조물의 전체적인 2차원 및 3차원 변형 및 진동 형상 특성 및 진동 주파수 정보를 제공할 수 있도록 함으로써, 일반적인 산업기계, 정밀기계, 수송기계, 토목, 건축 분야에서 다양한 구조물에 적용이 가능하다.
따라서 본 발명은 저가의 시스템 구축이 가능하고, 다양한 형태의 2차원 및 3차원 구조물에 대해서도 정밀도 및 신뢰성을 충분히 보장할 수 있는 진동특성 데이터를 제공할 수 있기 때문에, 해당 분야에서의 제품에 대한 신뢰성, 보급의 용이성 및 경쟁력을 향상시키는 효과가 있다.

Description

사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법{Method for 3D measurement of the structural vibration by photogrammetry}
본 발명은 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속카메라로부터 획득한 진동하는 구조물의 스테레오 영상을 이용하여 사진 측량기법으로 3차원 진동 변위를 측정하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 시간표시 기능이 없는 저가의 디지털 카메라를 이용하면서도, 좌우 카메라의 촬영 영상을 시간대별로 동기화가 가능하도록 함으로써, 저렴하면서도 사용이 용이하고 효율적인 진동 변위의 측정이 가능하도록 한 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법에 관한 것이다.
구조물의 동적거동 중 진동특성의 파악은 해당 구조물의 안전성 검토를 위한 매우 중요한 요소 중 하나이다.
구조물 진동 측정은 주로 레이저 변위계, 가속도계, 스트레인 게이지 등의 방법으로 이루어진다. 이러한 방법들은 정밀한 진동특성을 측정할 수 있으나, 시스템을 구축하기 위하여 많은 비용과 장비 셋업이 요구되고, 구조물 표면의 제한된 특정 위치에 대한 특정 방향 변위만을 측정할 수 있다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 보완할 수 있는 측량방법 중 하나로 수치근접 사진측량 기법이 있다.
수치근접 사진측량은 사진 상에 나타난 대상물의 2차원적 기하형상으로부터 2차원(X, Y) 또는 3차원(X, Y, Z) 형상을 측정하고 묘사하는 기술로서, 기계나 토목구조물의 안전성 검사에 값비싼 계측장비를 대체하고 자동화가 가능하다는 것과 보다 안전한 변형 모니터링 관측을 수행할 수 있다는 장점 때문에 그 활용성이 증가되고 있다.
한편, 수치근접 사진측량의 기본적인 개념을 살펴보면, 타겟의 진동을 두 대의 카메라를 이용하여 스테레오 촬영한 후, 이를 분석하여 진동특성을 측정한다.
이때 사용되는 두 대의 카메라는 일반적으로 시간표시기능 및 촬영이 가능해야 하기 때문에, 그 가격이 고가일 뿐만 아니라, 이를 이용한 시스템 또한 매우 고가이기 때문에 특정한 그룹에서만 사용될 뿐, 일반 연구자들에게 보편화되기에는 어려움이 많았다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 연촬영 기능이 있는 저가형 디지털 카메라를 이용하여 정밀한 3차원 진동특성을 측정하여 해당 구조물의 동적거동을 파악할 수 있는 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 시간표시기능이 없는 저가형 디지털 카메라를 이용하더라도, 시간대별 스테레오 영상의 동기화가 가능하도록 한 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 레이저 변위계 등과 같은 고가의 장비와 비교하여, 측정된 3차원 진동특성의 정밀도 및 신뢰성을 충분히 보장할 수 있는 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법은, a) 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 단계; b) 상기 촬영된 서로 다른 영상을 시간대별로 매칭하고 해당 타겟의 시간대별 영상 좌표를 산출하는 단계; c) 상기 산출된 시간대별 영상좌표 중 최초 촬영된 영상에 기초하여 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 결정하는 단계; d) 상기 산출된 시간대별 영상 좌표와 상기 결정된 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소에 기초하여 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표를 산출하는 단계; 및 e) 상기 산출된 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표에 기초하여 해당 타겟에 대한 3차원 변위량을 산출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 단계 a)는 a-1) 상기 서로 다른 촬영장치의 동기화 방법을 확인하는 과정; 및 a-2) 상기 확인결과, 동기화 방법이 리모트 콘트롤러에 의한 경우, 상기 리모트 콘트롤러로부터 수신된 동기신호에 따라 상기 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 과정을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 단계 a)는 a-1) 상기 서로 다른 촬영장치의 동기화 방법을 확인하는 과정; a-2) 상기 확인결과, 동기화 방법이 타이머에 의한 경우, 상기 서로 다른 촬영장치에 포함된 타이머를 동기화하는 과정; 및 a-3) 상기 동기화된 타이머에 의해 상기 서로 다른 촬영장치의 촬영시간을 동일하게 설정하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 과정을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계 b)는 b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상을 추출하는 과정; 및 b-2) 사용자 제어 하에 상기 추출된 서로 다른 최초 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 단계 b)는 b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상 이후의 영상을 추출하는 과정; 및 b-2) 상관계수 매칭기법에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 상기 단계 b)는 b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상 이후의 영상을 추출하는 과정; 및 b-2) 매칭좌표 산출을 위한 곡선방정식에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 부화소 단위의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 단계 b-1)는 b-1-1) 상기 촬영된 서로 다른 영상을 확인하는 과정; b-1-2) 상기 서로 다른 영상에서 촬영된 동기화 타이머의 시간을 확인하는 과정; 및 b-1-3) 상기 확인된 동기화 타이머의 시간대에 따라 스테레오 영상을 추출하는 과정을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계 c)는 c-1) 특성결정조건을 확인하는 과정; c-2) 상기 확인결과, 특성결정조건이 공선조건인 경우, 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점, 촬영된 영상의 타겟 지점 및 해당 타겟의 실제 지점이 일직선상에 있다는 조건식을 적용하는 과정; 및 c-3) 상기 일치결과에 기초하여 해당 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 단계 c)는 c-1) 특성결정조건을 확인하는 과정; c-2) 상기 확인결과, 특성결정조건이 공면조건인 경우, 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점 및 해당 타겟 지점에 대한 벡터값을 산출하는 과정; 및 c-3) 상기 산출된 벡터값에 기초하여 해당 촬영장치의 외부표정요소를 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 단계 c-1)는 c-1-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정; 및 c-1-2) 토탈스테이션 측량으로 구조물 주위에 위치한 고정된 기준점들의 3차원 좌표를 획득하는 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 단계 c-3)는 상기 획득된 영상으로부터 기준점의 영상좌표, 기준점의 3차원 좌표 및 확인된 특성결정조건에 기초하여 해당 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 저가형 디지털 카메라를 이용하면서도 해당 구조물의 동적거동 중 진동특성을 정밀하면서도 용이하게 파악할 수 있는 장점이 있다.
특히, 시간표시기능이 없는 저가형 디지털 카메라를 이용하더라도, 시간대별 스테레오 영상의 동기화가 가능하도록 함으로써, 기존의 레이저 변위계 등과 같은 고가의 장비와 비교하여 측정된 3차원 진동특성의 정밀성 및 신뢰성을 충분히 보장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 해당 구조물의 동적거동 파악을 위하여 2차원 및 3차원 진동특성을 제공할 수 있도록 함으로써, 다양한 구조물에 적용이 가능한 장점이 있다. 일반적인 구조물 진동 측정 방법인 가속도계, 스트레인게이지, 레이저변위계 등을 사용하는 방법은 제한된 숫자의 특정 점의 변위를 특정 방향으로만 측정가능하지만 본 발명의 방법은 구조물의 모든 위치에서의 변위를 3차원적으로 비접촉식으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 가속도계를 이용하는 방법은 구조물에 부가 질량을 가하게 되어 진동 특성을 왜곡시킬 수 있으나 본 발명은 비 접촉식이므로 그러한 왜곡을 유발하지 않는다. 스트레인게이지는 대산 구조물 표면에 적절한 표면 처리 후에 부착을 해야 하는 어려움이 있으나 본 발명은 비 접촉식이므로 그러한 어려움이 없다.
따라서 본 발명은 저가의 시스템 구축이 가능하고, 다양한 형태의 2차원 및 3차원 구조물에 대해서도 정밀도 및 신뢰성을 충분히 보장할 수 있는 진동특성 데이터를 제공할 수 있기 때문에, 해당 분야에서의 제품에 대한 신뢰성, 보급의 용이성 및 경쟁력을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 단계 'S100'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 3은 도 1의 단계 'S200'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 4는 도 3의 단계 'S207' 및 단계 'S208'의 원리를 설명하는 그림이다.
도 5는 도 1의 단계 'S300'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 6은 도 5의 단계 'S305'의 원리를 설명하는 그림이다.
도 7은 도 5의 단계 'S307'의 원리를 설명하는 그림이다.
도 8은 도 6의 진동 구조물에 대한 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 9는 도 8의 진동 구조물에 구성된 타겟 '111'의 Z축 진동에 대하여 레이저변위계 측정값과 본 발명에 의한 사진측량의 결과를 비교한 그래프이다.
도 10은 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 X축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 Y축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 Z축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
먼저, 본 발명에 의한 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 시스템은 도 6에 나타난 바와 같이, 타겟(미부호)의 좌측영상을 촬영하는 제1 카메라(112) 및 타겟의 우측영상을 촬영하는 제2 카메라(113)를 포함하는 촬영장치, 카메라 내부표정요소와 외부표정요소 산출을 위한 구조물 주위에 위치한 고정된 지점에 설치된 기준점(120), 측정 대상이 되는 것으로 진동 측정을 위한 타겟이 부착된 진동 구조물(130), 디스플레이형 동기화 타이머(140) 및 이들을 제어하고 데이터를 수신하여 처리하는 제어장치(도시하지 않음)를 포함한다. 일 실시예에서, 동기화 타이머(140)는 진동 구조물(130)의 타겟과 함께 촬영장치에 의해 촬영될 수 있다. 예를 들어, 동기화 타이머(140)는 밀리초 단위의 시간으로 디스플레이될 수 있다.
도 1을 참조하면, 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영한다(단계 S100). 일 실시예에서, 서로 다른 촬영장치의 동기화는 사용자 제어 하에 이루어질 수 있다. 예를 들어, 사용자가 도 6의 리모트 콘트롤러(150)를 이용하여 서로 다른 촬영장치를 동시에 동작시킬 수 있다. 다른 일 실시예에서, 서로 다른 촬영장치의 동기화는 제어장치에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제어장치는 서로 다른 촬영장치에 구성된 타이머를 동기화하고 사용자 제어 하에 촬영의 예약시간이 입력되면, 해당 시간부터 서로 다른 촬영장치를 동시에 동작시킬 수 있다.
서로 다른 촬영장치에 의해 촬영된 서로 다른 영상을 시간대별로 매칭하고 해당 타겟의 시간대별 영상 좌표를 산출한다(단계 S200). 일 실시예에서, 서로 다른 영상의 시간대별 매칭은 각 영상에 촬영된 동기화 타이머(140)의 시간을 일치시켜 이루어질 수 있다. 예를 들어, 동기화 타이머(140)의 시간 일치는 영상인식처리에 의해 수행될 수 있다.
최초로 촬영된 영상의 기준점의 영상좌표와 3차원 좌표를 이용하여 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 결정한다(단계 S300). 일 실시예에서, 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소는 공선조건 또는 공면조건에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 내부표정요소는 촬영장치의 초점거리, 주점변위량 및 방사왜곡량을 포함할 수 있다. 또한, 외부표정요소는 촬영장치의 위치 및 자세를 포함할 수 있다.
산출된 시간대별 타겟의 영상좌표와 상기 결정된 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소에 기초하여 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표를 산출한다(단계 S400). 일 실시예에서, 3차원 좌표의 산출은 공간교차식에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 공간교차식은 중복된 좌우영상에서 임의의 동일점을 찾고, 이때의 좌우카메라의 투영 중심에 의해 형성되는 두 개의 직선에 의해 결정(두 직선의 교차점 산출)될 수 있다.
산출된 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표에 기초하여 해당 타겟에 대한 3차원 변위량을 산출한다(단계 S500). 일 실시예에서, 3차원 변위량은 X축, Y축 및 Z축에 대한 변위량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 변위량은 사인파 또는 임의의 진동파형으로 나타낼 수 있다.
도 2는 도 1의 단계 'S100'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 서로 다른 두 개의 촬영장치로부터 시준이 가능한 지점에 타겟이 부착된 구조물을 위치시키고, 서로 다른 두 개의 촬영장치를 촬영하기 위한 대기상태로 설정할 수 있다(단계 S101). 일 실시예에서, 서로 다른 두 개의 촬영장치는 동일 성능 또는 동일 기종의 카메라를 포함할 수 있다.
서로 다른 두 개의 촬영장치가 촬영대기상태로 설정되면, 서로 다른 촬영장치의 동기화 방법을 확인할 수 있다(단계 S102). 일 실시예에서, 동기화 방법의 확인은 제어장치에 의해 이루어질 수 있다. 다른 일 실시예에서, 동기화 방법의 확인은 사용자 제어 하에 이루어질 수 있다.
확인결과, 동기화 방법이 리모트 콘트롤러에 의한 경우(단계 S102), 사용자 제어 하에 조작되는 리모트 콘트롤러로부터 수신된 동기신호에 따라(단계 S103) 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영할 수 있다(단계 S104). 다시 말해, 서로 다른 촬영장치는 리모트 콘트롤러로부터 동기신호가 수신되면 촬영을 시작할 수 있다.
확인결과, 동기화 방법이 타이머에 의한 경우(단계 S102), 서로 다른 촬영장치에 포함된 타이머를 초기화 및 동기화할 수 있고(단계 S105), 동기화된 타이머에 의해 서로 다른 촬영장치의 촬영시간을 동일하게 설정(예약촬영모드)하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영할 수 있다(단계 S106).
여기서, 서로 다른 촬영장치에 의해 촬영된 영상은 디스플레이형 동기화 타이머에 의해 출력되는 밀리초 단위의 시간이 포함될 수 있다.
도 3은 도 1의 단계 'S200'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이고, 도 4는 도 3의 단계 'S207' 및 단계 'S208'의 원리를 설명하는 그림이다.
도 3을 참조하면, 서로 다른 촬영장치에 의해 촬영된 서로 다른 영상을 확인할 수 있고(단계 S201), 서로 다른 영상에서 촬영된 동기화 타이머의 시간을 확인할 수 있으며(단계 S202), 서로 다른 영상에서 확인된 동기화 타이머의 시간대에 따라 수많은 스테레오 영상을 추출할 수 있다(단계 S203).
촬영된 동기화 타이머에 의해 추출된 서로 다른 영상으로부터 최초 촬영된 영상인지를 확인할 수 있다(단계 S204).
최초 영상인 경우(단계 S204), 사용자 제어 하에 상기 추출된 서로 다른 최초 영상의 타겟 좌표를 획득할 수 있다(단계 S205). 최초 영상 이후의 영상들은 사용자 제어 하에 획득된 타겟의 좌표로부터 산출될 수 있다. 상기 다른 시간 영상들의 타겟 좌표는 서로 다른 영상들 각각에 대해 최초 영상기준으로 타겟 매칭을 실시함으로써 획득할 수 있다.
화소단위의 좌표를 산출할 경우(단계 S206), 상관계수 매칭기법에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 타겟 좌표를 획득할 수 있다(단계 S207). 일 실시예에서, 상관계수 매칭은 도 4의 (a)에 나타난 바와 같이 기준영역(Window area)내에 있는 점과 동일한 점이 존재할 가능성이 있는 검색영역(Search area)을 설정한 다음(단, M2>M1 및 N2>N1), 기준영역 화소 값들을 검색영역 내에서 한 화소씩 움직이면서 움직일 때마다 수학식(1)과 같이 상관계수 (m, n)을 계산한다.
(수학식 1)
Figure 112011051969983-pat00001
여기서, S(x,y)는 검색영역내의 화소값이고, W(x,y)는 기준영역내의 화소값이며,
Figure 112011051969983-pat00002
이고,
Figure 112011051969983-pat00003
이다.
예를 들어, 상관계수는 1에 가까울수록 매칭의 신뢰도가 높고, 최초영상 기준영역의 중심 화소가 그 다음 영상 검색영역 내 어디에 위치하고 있는지 찾을 수 있다.
화소단위 이하의 좌표를 산출할 경우(단계 S206), 매칭좌표 산출을 위한 곡선방정식에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 부화소 단위의 타겟 좌표를 획득할 수 있다(단계 S208). 일 실시예에서, 곡선방정식에 의한 매칭은 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 매칭된 위치에 대한 곡선방정식 r=ax2+bx+c 에서 최대 상관계수를 갖는 실질적인 위치 r은 dr/dx=2ax+b 로부터 행방향으로 Δx=1b/2a 만큼 보정된 화소이하 단위의 위치가 될 수 있다. 또한, 열방향도 Δy 만큼 보정함으로서 화소이하 단위까지 구할 수 있다.
도 5는 도 1의 단계 'S300'에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도이고, 도 6은 도 5의 단계 'S305'의 원리를 설명하는 그림이며, 도 7은 도 5의 단계 'S307'의 원리를 설명하는 그림이다.
도 5를 참조하면, 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상으로부터 기준점의 영상좌표를 획득할 수 있고(단계 S301), 토탈스테이션(Total station) 측량으로 기준점의 3차원 좌표를 획득할 수 있으며(단계 S302), 특성결정조건을 확인할 수 있다(단계 S303).
확인결과, 특성결정조건이 공선조건인 경우(단계 S304), 도 6에 나타난 바와 같이 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점, 촬영된 영상의 타겟 지점 및 해당 타겟의 실제 지점이 일직선상에 있다는 기하학적 조건식을 적용하고(단계 S305), 이 조건식에 기초하여 해당 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출할 수 있다(단계 S306).
다시 말해, 공선조건의 경우, 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점, 촬영된 영상의 타겟 지점 및 해당 타겟의 실제 지점이 일직선상에 존재한다는 조건으로, 수학식 2에 의해 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112011051969983-pat00004
여기서, x,y는 임의 점의 영상좌표이고, x0, y0는 주점(영상중심)의 영상좌표이며, Δx, Δy는 렌즈왜곡 보정량(예를 들어, 주점의 변위까지 고려)이고, X0, Y0, Z0는 카메라 렌즈중심의 3차원 위치이며, X,Y,Z는 대상물에서 임의 점의 3차원 위치이고, f는 초점거리이다. 그리고 m11 내지 m33은 X축,Y축,Z축에 대한 자세(ω,φ,χ)가 포함되어 있는 회전행렬 요소이다.
이와 같이, 공선조건식을 이용할 경우, 진동 구조물에 타겟의 부착이 힘들고 접근이 용이하지 않거나, 기준점 측량 시간과 비용을 절감하고자 할 때 이동식 표정판(예를 들어, 3차원 위치가 등록된 타겟으로 이루어진 휴대용 기준틀 등)을 이용할 수 있다.
한편, 접근이 불가능한 큰 구조물(예를 들어, 사람 키 이상의 구조물)인 경우, 이동식 표정판을 이용하여 공선조건을 적용하면 내부표정요소 및 외부표정요소 결정 정확도가 떨어질 수 있으므로, 이를 보완하기 위해 구조물의 특이점을 표정점으로 대체하고, 이로부터 공면조건식으로 좌우카메라의 상대적인 외부표정요소를 구할 수도 있다. 여기서, 공면조건식을 적용하기 위해선 두 카메라의 렌즈 중심간 거리는 정밀히 측정되어져야 한다.
특성결정조건이 공면조건인 경우(단계 S304), 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점 및 해당 타겟 지점에 대한 벡터값을 산출할 수 있고(단계 S307), 산출된 벡터값에 기초하여 해당 촬영장치의 외부표정요소를 산출할 수 있다(단계 S306).
일 실시예에서, 벡터값은 수학식 3으로 산출될 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112011051969983-pat00005
여기서, XL1, YL1, ZL1은 왼쪽 영상의 중심위치이고, XL2, YL2, ZL2는 오른쪽 영상의 중심위치이며, M1 및 M2는 각각 왼쪽 및 오른쪽 회전행렬이고, x-x0, y-y0는 왼쪽(또는 오른쪽) 영상좌표이며, f는 초점거리이다.
도 7에서, 3개 벡터는 같은 평면에 존재하므로 해당 평면의 체적은 0이다. 따라서 수학식 3은 수학식 4로 정리할 수 있으며, 이를 최소제곱법과 선형화에 의한 반복계산 방법으로 왼쪽 영상(또는 오른쪽 영상) 대비 오른쪽 영상(또는 왼쪽 영상)의 위치편차(by, bz)와 회전행렬 요소(ω,φ,χ)를 구할 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112011051969983-pat00006
이와 같은 과정이 종료되면, 공간교차식인 수학식 5에 의해 도 1의 단계 'S400'이 수행될 수 있다.
(수학식 5)
Figure 112011051969983-pat00007
여기서, λ는 좌측카메라 렌즈중심으로부터 영상면까지의 벡터와 렌즈중심으로부터 대상면까지의 벡터 비이고, x는 최단거리 d에 대한 방향벡터의 스칼라값이며, MT는 수학식 2의 M11 내지 M33 회전행렬 요소로 구성된 3× 3 정방형 전치행렬이다.
도 8은 도 6의 진동 구조물에 대한 일 실시예를 설명하는 구성도로서, 도 8의 진동 구조물(130)을 이용하여 측정된 데이터는 도 9 내지 도 12에 나타나 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 의한 측정결과와 레이저 계측기에 의한 측정결과를 비교하기 위하여 진동 구조물(130)에 다수의 타겟(101 내지 111)을 설치하고, 타겟 '111'의 후방에 레이저 계측기를 설치하였다. 그리고, 본 실시예에서 보여지는 수직 외팔보형 샘플 구조물은 압전재료를 부착하여 특정 주파수 또는 여러 주파수 성분들은 포함하는 복합 파형 전압을 가하여 강제 진동을 시켰다.
또한, 본 발명을 구현하기 위한 하나의 예로서 촬영장치의 초점거리 약 13mm, 촬영기선 약 1.0m, 촬영거리 약 1.7m로 수렴 촬영하여 40fps의 입체영상을 획득하였으며, 획득된 40 프레임의 좌우영상에 대하여 첫 번째 영상을 기준으로 타겟 영상매칭을 실시한 후, 모든 프레임에 대한 11개 타겟의 영상좌표를 획득하였다.
좌표축은 X축이 좌우 카메라의 기선방향, 카메라 촬영방향을 Z축이 되도록 하였으며, Y축은 XY 평면과 직각방향이 되도록 설정하였다. 외부표정요소의 초기 값으로 사용될 회전요소 중 X, Y축 회전요소는 카메라 중심과 임의 기준점간의 기하학적 관계를 이용하여 구하였고, Z축은 회전이 거의 없는 것으로 설정하였다. 그리고 진동 구조물(130)의 주변에 고정된 17개의 타겟(도시하지 않음)을 설치하여 기준점으로 활용하였다. 기준점의 3차원 위치는 토탈스테이션을 이용한 삼각측량 원리로 구하였다. 이러한 기준점인 17개의 타겟 중 10개의 타겟을 카메라의 내부표정요소 및 외부표정요소를 결정하기 위한 기준점으로 활용하였고, 나머지 7개의 타겟은 카메라의 내부표정요소 및 외부표정요소에 대한 정확도 파악을 위한 검사점으로 활용하였다.
기준점의 3차원 위치와 영상좌표, 카메라 렌즈중심의 대략적 위치와 회전요소를 이용하여 번들조정을 수행한 후, 두 카메라의 내부표정요소 및 외부표정요소(좌측 카메라: =13.14mm, =0.12화소, =0.08화소, =1033.6mm, = 2174.6mm, =4042.6mm, =-0.056rad. =-0.238rad., =-0.001rad., 우측 카메라: =13.04mm, =-0.14화소, =-0.04화소, =2010.3mm, =2175.1mm, =4041.1mm, =-0.060rad. =0.207rad., =0.029rad)을 결정하였다. 이로부터 검사점의 3차원 위치를 구하고, 토탈스테이션으로 실측한 결과 값과 비교하였다.
도 9는 도 8의 진동 구조물에 구성된 타겟 '111'의 Z축 진동에 대하여 레이저변위계 측정값과 본 발명에 의한 사진측량의 결과를 비교한 그래프이고, 도 10은 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 X축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이며, 도 11은 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 Y축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이고, 도 12는 도 8의 진동 구조물에 구성된 타켓들의 Z축 진동에 대한 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 9의 (a)는 하나의 예로서 12 Hz로 진동하고 있는 진동 구조물(120)에서 111번 타겟의 Z축에 대한 변위량을 나타낸 것이고, 도 9의 (b)는 이 타겟의 변위시간 이력에 대한 Z축 방향 스펙트럼을 레이저 변위계와 수치사진측량으로 비교하여 나타낸 것이다. 여기서, 레이저 변위계는 1/1,000 초 간격, 사진측량은 1/40 초 간격으로 변위량을 측정한 것이다.
특히, 도 12는 고정된 구조물의 타겟 위치와 진동 중인 타겟 위치의 차이 값을 구한 것이다. 진동 구조물(120)이 수직으로 세워져 있으므로 최초의 고정된 상태를 기준으로 진동하는 것이 아니고, 자중 등의 원인 때문에 어느 정도 처짐 변위가 발생한 상태에서 그 상태를 평형점으로 하여 진동이 발생할 수 있다.
도 12에 나타난 바와 같이, 실험에서 111번을 포함한 모든 타겟들은 카메라를 기준으로 고정된 상태보다 2.3mm 더 뒤로 물러나서 진동하고 있으므로, 도 9의 (a)에 나타난 사진측량 결과 값은 2.3mm를 더한 결과이다. 본 발명의 방법은 이와 같이 정적인 성분의 변위까지도 손쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 9에 나타난 바와 같이, 두 측정값의 차이는 최소 -0.35mm, 최대 0.37mm, RMSE 0.21mm임을 알 수 있다. 따라서 앞에서 제시한 촬영조건과 카메라를 이용할 경우 약 0.2mm의 정확도로 진동측정이 가능하다.
도 9의 결과를 토대로 진동 구조물(130)에 부착한 101번부터 111번 까지 3차원(X, Y, Z)축 방향에 대한 변위량을 모두 구하여 도 10 내지 도 12에 나타내었다.
도 10의 X축 진동은 고정된 위치보다 우측방향으로 최소 0.1mm(105번 타겟)에서 최대 0.7mm(107번 타겟) 정도로 이동한 후 진동이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 11의 Y축 진동은 고정된 위치보다 아래방향으로 최소 0.5mm(109번 타겟)에서 최대 1.1mm(106번 타겟) 정도로 이동한 후 진동이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 12의 Z축 진동은 고정된 위치보다 전체적으로 2.3mm 정도 뒤쪽으로 이동한 후 진동이 발생하는 것을 알 수 있다.
결과적으로, Z축방향 진동은 구조물 전체가 평균적으로 이동한 후 진동하는 것에 반해 X축과 Y축 방향에서는 타겟 위치마다 다른 이동량이 발생한 후 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 기존의 가속도계나 스트레인게이지를 이용하는 방법은 이와 같이 평균적으로 이동한 정적인 직류성분의 변위를 측정할 수 없으며, 본 발명의 방법은 레이저 변위계로도 측정하기 어려운 구조물이 전체적으로 뒤틀어져있는 상태까지도 정밀하게 파악하는 것이 가능하다는 것을 보여주며, 이로부터 모든 산업기계뿐만 아니라 건설 구조물 등의 전체적인 변형 형상 및 물리적 진동특성 파악이 가능할 것으로 판단된다. 본 예시 실험에서는, 구조물에 압전재료로 만들어진 판을 강력접착제로 부착시킨 후 교류 전압을 가하여 진동을 시켰기 때문에 구조물에 초기 뒤틀림 변형이 일어난 상태로 발생하는 진동을 본 발명의 방법을 통하여 정밀하게 측정하는 예를 보여주는 것이다.
이상에서 본 발명에서 고안한 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 하나의 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. a) 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 단계;
    b) 상기 촬영된 서로 다른 영상을 시간대별로 매칭하고 해당 타겟의 시간대별 영상 좌표를 산출하는 단계;
    c) 상기 산출된 시간대별 영상좌표 중 최초 촬영된 영상에 기초하여 촬영장치의 내부표정요소인 촬영장치의 초점거리, 주점변위량 및 방사왜곡량, 그리고 촬영장치의 외부표정요소인 촬영장치의 위치 및 자세를 결정하는 단계;
    d) 상기 산출된 시간대별 영상 좌표와 상기 결정된 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소에 기초하여 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표를 산출하는 단계; 및
    e) 상기 산출된 해당 타겟의 시간대별 3차원 좌표에 기초하여 해당 타겟에 대한 3차원 변위량을 산출하는 단계를 포함하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 a)는
    a-1) 상기 서로 다른 촬영장치의 동기화 방법을 확인하는 과정; 및
    a-2) 상기 확인결과, 동기화 방법이 리모트 콘트롤러에 의한 경우, 상기 리모트 콘트롤러로부터 수신된 동기신호에 따라 상기 서로 다른 촬영장치를 동기화하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 a)는
    a-1) 상기 서로 다른 촬영장치의 동기화 방법을 확인하는 과정;
    a-2) 상기 확인결과, 동기화 방법이 타이머에 의한 경우, 상기 서로 다른 촬영장치에 포함된 타이머를 동기화하는 과정; 및
    a-3) 상기 동기화된 타이머에 의해 상기 서로 다른 촬영장치의 촬영시간을 동일하게 설정하여 해당 타겟을 시간대별로 촬영하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 b)는
    b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상을 추출하는 과정; 및
    b-2) 사용자 제어 하에 상기 추출된 서로 다른 최초 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 b)는
    b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상 이후의 영상을 추출하는 과정; 및
    b-2) 상관계수 매칭기법에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 b-2)의 추출된 서로 다른 영상의 타겟 좌표 획득은 최초 영상기준으로 타겟 매칭을 실시하여 다른 시간 영상들의 타겟 영상좌표를 획득하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 b)는
    b-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상 이후의 영상을 추출하는 과정; 및
    b-2) 곡선방정식에 기초하여 상기 추출된 서로 다른 영상의 부화소 단위의 타겟 좌표를 획득하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  8. 제 4항, 제5항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b-1)는
    b-1-1) 상기 촬영된 서로 다른 영상을 확인하는 과정;
    b-1-2) 상기 서로 다른 영상에서 촬영된 동기화 타이머의 시간을 확인하는 과정; 및
    b-1-3) 상기 확인된 동기화 타이머의 시간대에 따라 영상을 추출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량 기법을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 c)는
    c-1) 특성결정조건을 확인하는 과정;
    c-2) 상기 확인결과, 특성결정조건이 공선조건인 경우, 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점, 촬영된 영상의 타겟 지점 및 해당 타겟의 실제 지점이 일직선상에 있다는 기하학적 조건식을 적용하는 과정; 및
    c-3) 상기 조건식에 기초하여 해당 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 c)는
    c-1) 특성결정조건을 확인하는 과정;
    c-2) 상기 확인결과, 특성결정조건이 공면조건인 경우, 서로 다른 촬영장치의 렌즈 중심점 및 해당 타겟 지점에 대한 벡터값을 산출하는 과정; 및
    c-3) 상기 산출된 벡터값에 기초하여 해당 촬영장치의 외부표정요소를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 단계 c-1)는
    c-1-1) 상기 시간대별 촬영된 서로 다른 영상 중 최초 촬영된 영상의 타겟 좌표를 획득하는 과정; 및
    c-1-2) 토탈스테이션 측량으로 구조물 주위 고정된 기준점들의 3차원 좌표를 획득하는 과정을 더 포함하고,
    상기 단계 c-3)는
    상기 획득된 영상으로부터 기준점의 영상좌표, 기준점의 3차원 좌표 및 확인된 특성결정조건에 기초하여 해당 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소를 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사진측량을 이용한 구조물 진동의 3차원 측정 방법.
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