KR101174820B1 - 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛 - Google Patents

부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부유체 동적 변위 계측장치에 관한 것으로, 표면에 4개 이상의 인식자를 구비하며, 동일한 크기로 부유체 상단에 3개 이상 배치되는 표식 유닛; 상기 부유체로부터 이격되어 2개 이상 설치되는 유닛으로, 상기 3개 이상의 표식 유닛 중 일직선상에 배치된 2개의 표식 유닛을 하나의 영상으로 촬영하고, 상기 하나의 영상으로 촬영된 2개의 표식 유닛에 구비되는 각각의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 영상기반 유닛; 및 상기 영상기반 유닛에서 기록되는 좌표의 위치를 비교함으로써, 상기 부유체의 6자유도 동적 변위를 연산하는 연산 유닛을 포함한다.

Description

부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛 {APPARATUS FOR MEASURING DYNAMIC DISPLACEMENT OF FLOATING STRUCTURE AND VISION-BASED UNIT THEREOF}
본 발명은 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계측환경을 평가하여 영상기반 유닛을 이용한 부유체의 동적 변위 계측이 가능한지 여부를 판단하고 정량적으로 분석할 수 있으며 계측이 가능하다면 영상기반 유닛을 이용하여 부유체의 6자유도 동적 변위를 한번에 모두 계측할 수 있는 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛에 관한 것이다.
오늘날 여러 가지 형태의 부유식 컨테이너 터미널(floating container terminal), 부유식 이동 안벽(floating mobile quay)에 대한 개념이 제안되면서, 구조물의 안정성뿐만 아니라 작업성에 대한 평가의 중요성이 증가하고 있으며, 이에 대응하여 부유체 구조물의 변위를 계측할 수 있는 장비의 개발의 필요성도 함께 증가하고 있다.
변위를 계측할 수 있는 장비와 관련하여, 종래의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer), 링게이지, 다이얼게이지 등과 같은 접촉식 센서는 부유체의 특성상 적용이 불가능하므로, 부유체 구조물의 변위를 계측하기 위하여는 비접촉식 센서가 이용된다.
이때, 비접촉식 센서로는 자이로스코프(Gyroscope)를 이용한 센서, 레이저 변위계, GPS(Global Positioning System) 등이 있는데, 자이로스코프의 경우 회전 변위에 대한 계측이 가능하나 병진 변위에 대한 계측이 어려우며, 장비가 고가인 단점이 있다. 한편, 레이저 변위계는 성능은 매우 우수하지만 현장 여건에 따라 빛의 산란 등에 의한 오차가 증가할 수 있고, 가격이 매우 고가인 단점이 있다. 또한, GPS도, 최근 고정스테이션을 도입한 D-GPS의 적용으로 정확성이 높아지고 있기는 하지만, 부유체의 운동 중 매우 중요한 성분이라 할 수 있는 수직방향 변위에 대한 계측 성능이 떨어지며, GPS 위성의 상태에 따라 계측 성능이 좌우되는 한편, 장비도 고가인 단점이 있다.
따라서, 이러한 기존 장비의 단점을 극복하기 위하여 최근 영상기반 유닛을 이용한 부유체 동적 변위 계측에 대한 아이디어가 많이 도출되고 있다. 그러나, 영상기반 유닛을 이용한 부유체 동적 변위 계측의 경우, 영상기반 유닛 자체 진동 또는 영상기반 유닛이 설치되는 계측환경에 따라 오차가 크게 발생할 수 있으며, 이를 정량적으로 분석할 기술 또한 제안되어 있지 않아 사실상 사용하기에 어려운 실정에 있다.
본 발명은 영상기반 유닛의 자체 진동 또는 영상기반 유닛이 설치되는 계측환경을 평가하여 영상기반 유닛을 이용한 부유체의 동적 변위 계측이 가능한지 여부를 정량적으로 분석하고 판단할 수 있는 부유체 동적 변위 계측장치의 제공을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 부유체의 동적 변위 계측이 가능하다면, 영상기반 유닛을 이용하여 부유체의 6자유도 동적 변위를 한번에 모두 계측할 수 있는 부유체 동적 변위 계측장치의 제공을 기술적 과제로 한다.
한편, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예는, 표면에 4개 이상의 인식자를 구비하며, 동일한 크기로 부유체 상단에 3개 이상 배치되는 표식 유닛; 상기 부유체로부터 이격되어 2개 이상 설치되는 유닛으로, 상기 3개 이상의 표식 유닛 중 일직선상에 배치된 2개의 표식 유닛을 하나의 영상으로 촬영하고, 상기 하나의 영상으로 촬영된 2개의 표식 유닛에 구비되는 각각의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 영상기반 유닛; 및 상기 영상기반 유닛에서 기록되는 좌표의 위치를 비교함으로써, 상기 부유체의 6자유도 동적 변위를 연산하는 연산 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 영상기반 유닛 각각에 의해 하나의 영상으로 촬영되는 2개의 표식 유닛이 배치되는 일직선들은 서로 교차되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 교차되는 일직선들 사이의 교차각은 직각인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 일직선들이 교차되는 지점은 상기 부유체 상단에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 일직선들이 교차되는 지점에 2개의 상기 영상기반 유닛이 모두 촬영할 수 있는 하나의 공통 표식 유닛이 배치되며, 상기 공통 표식 유닛은 4개 이상의 인식자를 구비하는 표면이 2개인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 영상기반 유닛은, 부유체의 상단에 배치된 표식 유닛을 촬영하는 촬영부와, 상기 촬영된 표식 유닛의 표면에 구비된 4개 이상의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 기록부와, 상기 좌표로 기록된 인식자의 위치를 상기 부유체의 상단에 배치되기 이전에 동일한 크기로 표식 유닛을 촬영하여 좌표로 기록해둔 4개 이상의 인식자의 위치와 비교하는 비교부 및 상기 비교부에서 비교된 수치로부터 영상 기반 유닛의 진동을 측정하는 진동측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 기록부는 상기 인식자의 위치를 좌표로 기록할 수 있도록, 상기 촬영된 인식자의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환하되, 상기 비교부에서 비교된 수치를 피드백함으로써 상기 인식자의 그레이 스케일 영상이 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 진동측정부에 의해 측정된 상기 영상 기반 유닛의 진동을 기초로 하여 상기 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가하는 평가 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예는, 상기 연산 유닛에서 연산된 상기 부유체의 6자유도 동적 변위, 상기 영상기반 유닛의 진동측정부에서 측정된 상기 영상기반 유닛의 진동의 정도, 상기 영상기반 유닛의 기록부에서 상승된 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도, 또는 상기 평가 유닛에서 단계적으로 평가한 변위 계측환경 중 하나 이상을 디스플레이하는 표시 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서, 상기 연산 유닛 및 상기 표시 유닛은 상기 영상기반 유닛과 무선 통신이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛의 일 실시예는, 부유체의 상단에 배치된 표식 유닛을 촬영하는 촬영부; 상기 촬영된 표식 유닛의 표면에 구비된 4개 이상의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 기록부; 상기 좌표로 기록된 인식자의 위치를 상기 부유체의 상단에 배치되기 이전에 동일한 크기로 표식 유닛을 촬영하여 좌표로 기록해둔 4개 이상의 인식자의 위치와 비교하는 비교부; 및 상기 비교부에서 비교된 수치로부터 영상 기반 유닛의 진동을 측정하는 진동측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 영상기반 유닛의 일 실시예는, 상기 진동측정부에 의해 측정된 상기 영상 기반 유닛의 진동을 기초로 하여 상기 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가하는 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 영상기반 유닛의 일 실시예에서, 상기 기록부는 상기 인식자의 위치를 좌표로 기록할 수 있도록, 상기 촬영된 인식자의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환하되, 상기 비교부에서 비교된 수치를 피드백함으로써 상기 인식자의 그레이 스케일 영상이 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 영상기반 유닛의 일 실시예는, 상기 진동측정부에서 측정된 상기 영상기반 유닛의 진동 정도, 상기 평가부에서 단계적으로 평가한 변위 계측환경, 또는 상기 기록부에서의 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도 중 하나 이상을 디스플레이하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛에 의하면, 영상기반 유닛의 자체 진동 또는 영상기반 유닛이 설치되는 계측환경을 평가하여 영상기반 유닛을 이용한 부유체의 동적 변위 계측이 가능한지 여부를 판단하고 정량적으로 분석할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛에 의하면, 본 발명은 부유체의 동적 변위 계측이 가능하다면, 영상기반 유닛을 이용하여 부유체의 6자유도 동적 변위를 한번에 모두 계측할 수 있다는 이점이 있다.
아울러, 부유체의 6자유도 동적 변위를 계측하는 과정에서 얻은 수치를 피드백함으로써 부유체의 동적 변위 계측이 가능한지 여부를 판단하고 정량적으로 분석하는데 다시 이용하여 그 정확도를 상승시킬 수 있다는 이점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함된 표식 유닛의 실제 표면 또는 표식 유닛을 부유체 상단에 배치하기 이전에 영상기반 유닛으로 촬영한 표면이다.
도 3은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함된 표식 유닛을 부유체 상단에 배치한 이후에 변위 계측을 위하여 영상기반 유닛으로 촬영한 것이다.
도 4는 영상기반 유닛으로 촬영된 표식 유닛에 구비된 인식자의 그레이 스케일 영상을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 4의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환한 것으로, 영상기반 유닛의 비교부에서 비교된 수치를 피드백하여 최적의 변환 정확도를 찾는 과정을 도시한 것이다.
도 6은 도 5a 내지 도 5d를 통해 최적의 변환 정확도를 찾는 과정을 그래프로 표시한 것이다.
도 7은 하나의 영상으로 촬영된 초기 시간(t0)과 일정 시간(ti)에서의 타겟 위치를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛의 일 실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 대하여 설명한다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일실시예는 표식 유닛(100)과, 영상기반 유닛(200), 및 연산 유닛(300)을 포함할 수 있으며, 추가적으로 평가 유닛(미도시) 또는 표시 유닛(400)을 더 포함할 수 있다.
표식 유닛(100)은 부유체(S) 상단에 3개 이상 배치되는 유닛으로서, 후술할 영상기반 유닛(200)에 의해 촬영된다. 이때 각각의 표식 유닛(100)은 후술할 연산 유닛(300)의 6자유도 동적 변위의 연산을 복잡하게 하지 않는 범위 내에서 영상기반 유닛(200)이 배치되는 지점을 고려하여 어떤 형상으로 형성되어도 무방하다. 그러나 연산 유닛(300)이 6자유도 동적 변위를 연산하기 용이하도록 정사각형의 표면을 갖는 정육면체로 구성되고, 그 크기도 동일한 것이 유리하다. 이와 같은 표식 유닛(100)은 부유체(S)의 6자유도 동적 변위를 연산하는데 필요한 데이터를 제공하기 위하여 4개 이상의 인식자(120)를 표면에 구비한다.
여기서, 인식자(120)는 디지털 영상으로 저장하고 그 위치를 좌표로 기록하기 용이하도록 원형의 검은색 점(spot)으로 형성할 수 있다. 이때, 인식자(120)의 크기는 표식 유닛(100)의 표면의 크기 및 후술할 영상기반 유닛(200)과 부유체(S)와의 이격거리에 따라 상이할 수 있다. 이러한 인식자(120)는 연산 유닛(300)의 6자유도 동적 변위의 연산을 용이하도록 표식 유닛(100)의 표면에 정사각형의 각 꼭지점에 대응하는 위치에 구비될 수 있다.
이와 같은 표식 유닛(100)의 개수가 이에 대응하는 영상기반 유닛(200)의 개수와 함께 많을수록 연산 유닛(300)은 6자유도 동적 변위를 연산하는데 필요한 데이터를 많이 얻을 수 있을 것이다. 그러나 일반적으로 최소한의 표식 유닛(100)의 개수만으로 필요한 데이터를 얻는 것이 경제적이라 할 것이다. 따라서 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일 실시예에서는 후술할 공통 표식 유닛(100a(110))을 포함하여 3개의 표식 유닛(100)을 이용하기로 한다. 또한, 같은 이유로 인식자(120)의 개수도 연산 유닛(300)이 6자유도 동적 변위를 연산하는데 필요한 최소한의 데이터를 얻을 수 있을 만큼인 4개를 이용하기로 한다. 최소한의 개수로 언급한 3개의 표식 유닛(100) 및 각각의 표식 유닛(100a, 100b, 100c)의 표면에 표시된 4개의 인식자(120)로부터 연산 유닛(300)이 6자유도 동적 변위를 연산하는 과정은 이후에 상세히 설명한다.
영상기반 유닛(200)은 부유체(S)로부터 이격되어 2개 이상 설치되는 유닛으로, 3개 이상의 표식 유닛(100) 중 일직선상에 배치된 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)을 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 영상으로 촬영한다. 또한, 영상기반 유닛(200)은 하나의 영상으로 촬영된 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)에 구비되는 각각의 인식자의 위치를 좌표로 기록한다.
이때, 각각의 영상기반 유닛(200a, 200b)에 의해 촬영되는 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들은 서로 교차된다. 만약 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 서로 평행하다면, 연산 유닛(300)이 6자유도 동적 변위를 연산하기에 충분한 개수의 데이터를 얻을 수 없다. 즉, 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 서로 평행하다면, 연산 유닛(300)이 부유체(S)의 횡동요 방향(F) 또는 종동요 방향(E)을 연산하기에 충분한 데이터를 얻지 못한다.
또한, 각각의 영상기반 유닛(200a, 200b)에 의해 촬영되는 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들은 직각으로 교차할 수 있다. 물론 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 교차하는 교차각은 직각이 아니어도 무방하나, 후술할 연산 유닛(300)이 6자유도 동적 변위를 연산하기 용이하도록 직각인 것이 유리하다. 이는 직각을 유지하는 경우 정보의 직교성(orthogonality) 즉, 독립성(independency)이 최대가 되기 때문이다. 이와 같이 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 직각으로 교차하는 것은 전술한 표식 유닛(100)이 정육면체로 구성되는 것에 대응하는 것이다. 즉, 각각의 영상기반 유닛(200a, 200b)의 촬영과 관련하여 직각이 아닌 소정의 각도 성분이 들어가게 되면, 연산 유닛(300)에서는 소정의 각도 성분을 고려하여 연산 중에 수평 성분 및 수직 성분을 연산하여야 하므로, 그만큼 연산에 불리할 수 있다.
이와 같이, 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 직각으로 교차하는 경우에는 그 교차점이 부유체(S) 상단에 위치하게 되지만, 직각으로 교차하지 않는 경우에는 그 교차점이 부유체(S) 상단에 위치하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)이 배치되는 일직선들이 직각으로 교차하는 경우, 또는 직각으로 교차하지 않는 경우라도 그 교차점이 부유체(S) 상단의 평명 상의 중심 또는 최대한 중심에 가까운 지점에 위치할 수 있다. 이는 2개의 표식 유닛(100a, 100b 또는 100a, 100c)들 중 공통되는, 즉 각각의 영상기반 유닛들(200a, 200b)이 모두 촬영할 수 있는, 표식 유닛(100a)를 공통 표식 유닛(110)으로서 배치할 수 있기 때문이다.
이러한 공통 표시 유닛(110)의 배치는 전술한 바와 같이 3개의 표식 유닛(100)만으로도 부유체(S)의 6자유도 동적 변위의 측정을 가능하게 한다. 하지만, 2개의 표식 유닛(110, 100b 또는 110, 100c)이 배치되는 일직선들은 교차하기 때문에, 각각의 영상기반 유닛들(200a, 200b)은 공통 표시 유닛(110)에 구비된 인식자(120)들까지 공통으로 촬영할 수는 없다. 따라서, 공통 표시 유닛(110)은 4개 이상의 인식자를 구비하는 표면이 2개를 구비하며, 이때 2개의 표면은 서로 인접하여 직각을 이루게 될 것이다. 한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 후술할 연산 유닛(300)이 연산할 때, 공통 표시 유닛(110)에 각각 구비된 인식자(120)들은 초기 시간(t0)에서의 타겟 위치로 연산될 수 있으며, 공통 표시 유닛(110)이 아닌 표식 유닛들(100b, 100c)에 구비된 인식자(120)들은 일정 시간(ti)에서의 타겟 위치로 연산될 수 있다.
이러한 영상기반 유닛(200)은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치의 일실시예뿐만 아니라, 다른 유형의 부유체 동적 변위 계측장치에서도 이용될 수 있다. 영상기반 유닛(200)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 촬영부(210)와, 기록부(220)와, 비교부(230), 및 측정부(240)을 포함할 수 있으며, 추가적으로 평가부(250) 또는 표시부(260)를 더 포함할 수 있다. 여기서 도 8은 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛의 일 실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다.
촬영부(210)는 부유체(S)의 상단에 배치된 표식 유닛(100)을 촬영하는 것이다. 촬영부(210)는 물체의 형상을 이미지 데이터로 변환할 수 있는 어떠한 장치도 무관하나, 동적인 물체에 대한 이미지를 시계열적으로 연속하여 변환할 수 있는 캠코더와 같은 장치가 바람직하다.
기록부(220)는 촬영된 표식 유닛(100)의 표면에 구비된 4개 이상의 인식자(120)의 위치를 각각 좌표로 기록하는 것이다. 즉, 기록부(220)는 촬영부(210)에서 얻은 이미지 데이터를 수치 데이터로 변환하는 역할을 한다. 이때, 좌표의 기준은 4개의 인식자(120) 중 어느 하나로 할 수 있는데, 도 2와 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이 좌측 하단에 있는 인식자(120)를 그 기준으로 할 수 있다. 한편, 기록부(220)는 인식자(120)의 위치를 좌표로 기록할 수 있도록, 즉 촬영부(210)에서 얻은 이미지 데이터를 수치 데이터로 변환할 수 있도록, 촬영된 인식자(120)의 그레이 스케일(gray scale) 영상을 흑백 스케일 (black and white scale) 영상으로 변환한다. 일반적으로 그레이 스케일 영상은 한 픽셀의 명암을 흰색에서 검정색까지 0~255 또는 그 이상의 멀티 스케일로 표시한 것이며, 흑백 스케일 영상은 한 픽셀의 명암을 0 (흰색) 또는 1 (검정색)로 나태내는 것을 의미한다. 이때, 후술할 비교부(230)에서 비교된 수치를 피드백함으로써 인식자(120)의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도를 상승시킬 수 있다. 이러한 과정은 [수학식 1] 내지 [수학식 7]과 함께 이하 서술할 [좌표 변환]에서 상세히 설명한다.
비교부(230)는 기록부(220)에서 인식자(120)의 위치를 좌표로 기록할 때 그 정확도를 높이기 위하여 구비되는 것이다. 즉, 비교부(230)는 좌표로 기록된 인식자(120)의 위치를 부유체(S)의 상단에 배치되기 이전에 동일한 크기로 표식 유닛(100)을 촬영하여 좌표로 기록해둔 4개 이상의 인식자(120)의 위치와 비교한다. 이때, 위치를 비교하는 방법은 [수학식 1] 내지 [수학식 7]과 함께 이하 서술할 [좌표 변환]에서 상세히 설명한다.
진동측정부(240)는 비교부(230)로부터 비교된 수치로부터 영상기반 유닛(200) 자체의 진동을 측정하는 것이다. 이때, 진동을 측정하는 방법은 [수학식 1] 내지 [수학식 7]과 함께 이하 서술할 [좌표 변환]에서 상세히 설명한다.
평가부(250)는 후술할 평가 유닛(미도시)과 사실상 동일한 기능을 하는 것으로, 후술할 평가 유닛(미도시)이 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되지 않는 경우에 영상기반 유닛(200)에 마련될 수 있다. 이러한 평가부(250)는 진동측정부(240)에 의해 측정된 영상 기반 유닛(200)의 진동을 기초로 하여 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가한다. 이때, 단계적으로 평가되는 내용은 '아주 좋음(excellent)', '좋음(good)', '보통(fair)', '나쁨(bad)', '아주 나쁨(worst)'과 같이 5단계로 평가될 수 있다.
표시부(260)는 후술할 표시 유닛(400)이 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되지 않는 경우이거나, 표시 유닛(400)이 영상기반 유닛(200)으로부터 멀리 이격되어 있는 경우에 주로 영상기반 유닛(200)에 포함된다. 이러한 표시부(260)에 디스플레이(display)되는 것들은 표시 유닛(400)에서 디스플레이되는 것과 사실상 동일하다. 즉, 표시부(260)는 연산 유닛(300)에서 연산된 부유체(S)의 6자유도 동적 변위, 영상기반 유닛(200)의 진동측정부(240)에서 측정된 영상기반 유닛(200)의 진동의 정도, 영상기반 유닛(200)의 기록부(220)에서 상승된 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도, 또는 평가부(250)에서 단계적으로 평가한 변위 계측환경 중 하나 이상을 디스플레이한다. 이때, 연산 유닛(300)에서 연산된 부유체(S)의 6자유도 동적 변위는 각각의 영상기반 유닛들(200a, 200b)의 표시부(260)에서 공통으로 디스플레이될 수 있으므로, 사용자는 후술할 표시 유닛(400)뿐만 아니라 어느 영상기반 유닛들(200a, 200b)의 표시부(260)로부터라도 부유체(S)의 6자유도 동적 변위를 쉽게 알 수 있을 것이다.
한편, 영상기반 유닛(200)의 기록부(220), 비교부(230), 진동측정부(240) 및 평가부(250)는 하나의 중앙처리장치를 이용할 수도 있으며, 영상기반 유닛(200)의 외형을 형성하는 하우징 내부가 아닌 후술할 연산 유닛(300)에 인접하여 마련될 수 있다. 즉, 영상기반 유닛(200)의 하우징 내부에는 촬영부(210)만이 마련될 수 있으며, 기록부(220), 비교부(230), 진동측정부(240) 및 평가부(250)는 연산 유닛(300)에 구비된 중앙처리장치를 같이 이용할 수 있도록 연산 유닛(300)을 포함하는 컴퓨터 내부에 함께 마련될 수 있다.
이하에서는, 전술한 영상기반 유닛(200)의 기록부(220)와, 비교부(230) 및 진동측정부(240)에서 진행되는 과정을 도 2 및 도 4과 함께 [좌표 변환]이라는 부제(sub-title)로 상세히 설명한다.
[좌표 변환]
계측여건 즉 부유체와 영상유닛의 설치 여건이 일반적으로 동일한 표고 상에 놓일 수 있지 않기 때문에, 계측환경 또는 영상기반 유닛(200)의 자체적인 진동 때문에, 영상기반 유닛(200)의 촬영부(210)은 표식 유닛(100)을 정확히 정면에서 촬영하기 어렵다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 촬영되지 않은 실제 표식 유닛(100) 및 표식 유닛(100)의 서로 직교하도록 표시한 4개의 원으로 이루어진 실제 인식자(210)는, 도 3에 도시된 바와 같이 기울어지거나 찌그러진 영상(100proj 및 210proj)으로 얻어진다.
이때, 실제의 인식자(210)의 좌표 [xtarget ytarget]T 와 촬영된 인식자(210proj)의 좌표 [xproj yproj]T 사이에는 [수학식 1]과 같은 선형 변형 관계가 성립한다.
Figure 112010022395679-pat00001
여기서, 좌표 [xproj yproj]T 는 영상으로 투영된 상태에서의 좌표, 즉 픽셀의 위치가 되며, 따라서 720×480 해상도를 갖는 캠코더 영상의 경우, 1≤xproj≤720, 1≤ypr oj≤480의 정수값을 갖는다.
한편, [xtarget ytarget]T 는 인식자(120)의 중심이 갖는 좌표로서 사용자가 임의로 정할 수 있으며, 단위 역시 사용자가 임의로 정할 수 있다. 예를 들어, 인식자(120)를 직경 4㎝의 원 4개로 사용하고, 원과 원 사이의 거리를 가로, 세로 각각 10㎝로 한다면, 각 점의 좌표는 (0,0), (10,0), (0,10), (10,10)이 된다.
[수학식 1]에서 [xproj yproj]T 와 [xtarget ytarget]T 는 총 4개의 원 중심 좌표로부터 구할 수 있는 정보이다.
이때, 미지수는 [수학식 2]에서의 cij(i,j=1,2)와 di(i=1,2)로 총 6개가 된다. 6개의 미지수를 구하기 위해서는 6개의 식이 필요하며, 6개의 식은 3개의 원에 대한 중심점의 6개 좌표값(1개의 점은 x, y 2개의 좌표값을 가지므로, 3개의 중심점의 좌표값을 사용할 경우 6개의 식을 얻을 수 있음)만으로 결정할 수 있다.
3개의 원 중심 좌표를 (xi,yi)(i=1,2,3)이라고 하고, 이때 투영된 좌표를 (xproj,i yproj ,i)(i=1,2,3)라 하고, 이를 위의 식에 대입하면 [수학식 2]와 같이 6개의 선형방정식을 구할 수 있고, 이로부터 [수학식 3]과 같이 해를 구할 수 있다.
Figure 112010022395679-pat00002
Figure 112010022395679-pat00003
이와 같이 3개의 원 중심 좌표로부터 6개의 변환계수를 구할 수 있고, 따라서 이 변환계수를 이용하여 다음과 같이 시간 t에서 기록된 영상의 좌표를 이용하여 실제 인식자(120)의 변위를 구할 수 있다.
Figure 112010022395679-pat00004
이러한 실제 인식자(120)의 변위를 통해 계측환경 또는 영상기반 유닛(200)의 자체적인 진동이 어느 정도 되는지 진동측정부(240)를 통해 측정할 수 있다.
이와 같이, 측정된 진동의 크기는 수치로서 영상기반 유닛(200)의 표시부(260) 또는 후술할 표시 유닛(400)에 디스플레이될 수 있다. 뿐만 아니라, 측정된 진동의 크기는 평가부(250)에서 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측 환경을 단계적으로 평가하는데 기초가 될 수도 있다.
한편, 영상기반 유닛(200)의 기록부(220)는 인식자(120)의 위치를 좌표로 기록하는데 있어서, 도 4에 도시된 바와 같은 그레이 스케일의 영상을 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같은 흑백 스케일의 영상으로 변환하게 된다. 예를 들어 한 픽셀의 명암을 0에서 255로 나타내는 경우, 이를 0에서 1로 스케일링하고, 스케일링된 명암값이 일정한 임계값 이상인 경우 검정색으로 이하인 경우 흰색으로 판단할 수 있다. 그러나, 그레이 스케일의 영상에서 흑백 스케일의 영상으로의 변환은 경험적으로 판단하여 최적의 임계값(γ)을 입력하는 것이 일반적이어서, 최적의 좌표를 얻기 위해서는 도 6에 도시된 트라이얼 앤드 에러(trial and error) 방식이 필요하다.
여기서, 도 5a의 경우는 임계값(γ)이 0.4인 경우이며, 도 5b의 경우는 임계값(γ)이 0.6인 경우이고, 도 5c의 경우는 임계값(γ)이 0.8인 경우이며, 도 5d의 경우는 임계값(γ)이 1.0인 경우이다. 도시된 바와 같이, 임계값(γ)이 작은 경우에는 바깥쪽 잡음이 많고, 임계값이 큰 경우에는 원을 정확하게 인식하지 못한다. 도 5a 내지 도 5d의 경우에 최적의 임계값은 0.6 내지 0.8일 것이다
하지만, 본 발명에서는 비교부(230)에서 비교된 좌표를 피드백하여, 즉 전술한 변환행렬을 구하는데 사용한 3개의 원 외에 남은 원의 좌표를 이용하여, 최적의 임계값(γ)을 찾는 과정을 자동화할 수 있으며 그 정확도도 성능지수(Quality Index)로서 계산할 수 있다. 이러한 과정은 이하의 [수학식 5] 내지 [수학식 7]로부터 가능하다.
먼저, 전술한 변환행렬을 구하는데 사용한 3개의 원 외에 남은 원의 좌표로부터 [수학식 5]를 통해 x* target ,4(t)와 y* target ,4(t)를 구할 수 있다. 여기서, 윗 첨자 *의 의미는 이미지 처리를 통해 구한 좌표값임을 의미한다.
Figure 112010022395679-pat00005
그리고, 이하 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 통하여 성능지수(QI) 및 최적의 임계값(γ)을 구할 수 있다.
Figure 112010022395679-pat00006
Figure 112010022395679-pat00007
연산 유닛(300)은 영상기반 유닛(200)에서 기록되는 좌표의 위치를 비교함으로써, 부유체(S)의 6자유도 동적 변위를 연산하는 유닛이다. 이러한 연산 유닛(300)에 의하여 연산되는 과정은 도 7과 함께 [변위 계산]이라는 부제(sub-title)로 이하 상세히 설명한다.
[변위 계산]
도 7에 도시된 바와 같이, 부유체(S)의 움직임으로 표식 유닛(100)이 상대적으로 이동한 경우, 초기 정보와의 차이로부터 변위를 다음과 같이 구할 수 있다. 이때, [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같이, 4개 인식자(120)의 중심 좌표의 평균으로 x변위와 y변위를 구함으로써 해상도와 정확도를 개선할 수도 있다. 이때, 수식 작성의 편의상 이미지 처리를 통하여 구한 좌표값을 의미하는 윗 첨자 *는 생략하였다.
Figure 112010022395679-pat00008
Figure 112010022395679-pat00009
위와 같이, n개의 원 중심 좌표의 초기 상태에서부터의 변화를 구하고, 최종적으로 표식 유닛(100)의 이동 위치는 [수학식 10]과 같이 N개 원 중심 좌표 이동 값의 평균을 취하여 구할 수 있다.
Figure 112010022395679-pat00010
한편, 이와 같이 구한 변위로부터 부유체(S)의 각 운동 방향에 따른 변위를 다음과 같이 구할 수 있다.
상하운동 방향(A)의 변위는 제2 영상기반 유닛(200b)에서 촬영되는 표식 유닛(100a)의 인식자의 y변위에 해당하고, 좌우운동 방향(B)의 변위는 표식 유닛(100a)의 인식자의 x변위에 해당하며, 전후운동 방향(C)의 변위는 제1 영상기반 유닛(200a)에서 촬영되는 표식 유닛(100a)의 인식자의 x변위에 해당한다.
한편, 요잉 방향(D)의 변위는 제1 영상기반 유닛(200a)에서 촬영되는 표식 유닛(100a)의 x변위와 표식 유닛(100b)의 x변위의 차를 표식 유닛(100a)과 표식 유닛(100b) 사이의 거리로 나눔으로써 구할 수 있다. 또한, 종동요 방향(E)의 변위는 제2 영상기반 유닛(200b)에서 촬영되는 표식 유닛(100a)의 x변위와 표식 유닛(100c)의 x변위의 차를 표식 유닛(100a)와 표식 유닛(100c) 사이의 거리로 나눔으로써 구할 수 있다. 또한, 횡동요 방향(F)의 변위는 제1 영상기반 유닛(200a)에서 촬영되는 표식 유닛(100a)의 y변위와 표식 유닛(100b)의 y변위의 차를 표식 유닛(100a)과 표식 유닛(100b) 사이의 거리로 나눔으로써 구할 수 있다.
평가 유닛(미도시)은 전술한 영상기반 유닛(200)의 평가부(250)과 사실상 동일한 기능을 하는 것으로, 영상기반 유닛(200)의 진동측정부(240)에 의해 측정된 영상 기반 유닛(200)의 진동을 기초로 하여 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가한다. 이때, 단계적으로 평가되는 내용도 전술한 영상기반 유닛(200)의 평가부(250)와 유사하게 '아주 좋음(excellent)', '좋음(good)', '보통(fair)', '나쁨(bad)', '아주 나쁨(worst)'과 같이 5단계로 평가될 수 있다.
이러한 평가 유닛(미도시)은, 영상기반 유닛(200)에 평가부(250)가 포함되지 않거나 사용자가 영상기반 유닛(200)에 멀리 떨어진 지역에 있는 경우, 연산 유닛(300)에 인접하여 또는 연산 유닛(300)과 함께 하나의 컴퓨터상에 장착될 수 있다.
표시 유닛(400)은 전술한 영상기반 유닛(200)의 표시부(260)와 유사한 기능을 하는 것으로, 영상기반 유닛(200)의 표시부(260)의 존재 여부와 무관하게 사용자의 필요 여부에 따라 구비될 수 있다. 일반적으로 표시 유닛(400)은 연산 유닛(300) 또는 평가 유닛(미도시)이 장착되는 컴퓨터의 모니터에 대응할 수 있지만 이에 한정하지 않고 데이터를 디스플레이할 수 있는 모든 장치를 포함할 수 있다.
이러한 표시 유닛(400)은 연산 유닛(300)에서 연산된 부유체(S)의 6자유도 동적 변위, 영상기반 유닛(200)의 진동측정부(240)에서 측정된 영상기반 유닛(200)의 진동의 정도, 영상기반 유닛(200)의 기록부(220)에서 상승된 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도, 또는 평가 유닛(미도시)서 단계적으로 평가한 변위 계측환경 중 하나 이상을 디스플레이한다.
한편, 본 발명에 따른 부유체 동적 변위 계측장치는 연산 유닛(300), 평가 유닛(미도시) 및 표시 유닛(400)은 영상기반 유닛(200)과 무선 통신이 가능하다. 즉, 부유체(S)로부터 이격되어 영상기반 유닛(200)을 설치되는 지역이 협소하거나 위험한 경우, 사용자는 영상기반 유닛(200)으로부터 이격된 지역에서 무선 통신을 통해 인식자(120)의 대한 데이터를 송신 받을 수 있으며, 이로부터 부유체(S)의 6자유도 동적 변위를 계측할 수 있다. 이때, 무선 통신은 근거리 통신망(LAN)뿐만 아니라 원거리 통신망(WAN)을 모두 포함하는 개념으로써, 유선 통신에 반대의 의미로 사용된 것이다. 또한, 연산 유닛(300), 평가 유닛(미도시) 및 표시 유닛(400)은 영상기반 유닛(200)과 무선 통신이 가능하다는 것은 일 실시예에 해당하는 것으로 상기 유닛들 간에는 유선 통신도 가능함은 물론이다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
S : 부유체
A : 상하운동(heave) 방향 B : 좌우운동(sway) 방향
C : 전후운동(surge) 방향 D : 요잉(yawing) 방향
E : 종동요(pitching) 방향 F : 횡동요(rolling) 방향
100 : 표식 유닛 100proj : 촬영된 표식 유닛
110 : 공통 표시 유닛
120 : 인식자 120proj : 촬영된 인식자
200 : 영상기반 유닛
200a : 제1 영상기반 유닛 200b : 제2 영상기반 유닛
210 : 촬영부 220 : 기록부
230 : 비교부 240 : 진동측정부
250 : 평가부 260 : 표시부
300 : 연산 유닛 400 : 표시 유닛

Claims (14)

  1. 표면에 4개 이상의 인식자를 구비하며, 동일한 크기로 부유체 상단에 3개 이상 배치되는 표식 유닛;
    상기 부유체로부터 이격되어 2개 이상 설치되는 유닛으로, 상기 3개 이상의 표식 유닛 중 일직선상에 배치된 2개의 표식 유닛을 하나의 영상으로 촬영하고, 상기 하나의 영상으로 촬영된 2개의 표식 유닛에 구비되는 각각의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 영상기반 유닛; 및
    상기 영상기반 유닛에서 기록되는 좌표의 위치를 비교함으로써, 상기 부유체의 6자유도 동적 변위를 연산하는 연산 유닛을 포함하되,
    상기 영상기반 유닛은,
    부유체의 상단에 배치된 표식 유닛을 촬영하는 촬영부와,
    상기 촬영된 표식 유닛의 표면에 구비된 4개 이상의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 기록부와,
    상기 좌표로 기록된 인식자의 위치를 상기 부유체의 상단에 배치되기 이전에 동일한 크기로 표식 유닛을 촬영하여 좌표로 기록해둔 4개 이상의 인식자의 위치와 비교하는 비교부 및
    상기 비교부에서 비교된 수치로부터 영상 기반 유닛의 진동을 측정하는 진동측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상기반 유닛 각각에 의해 하나의 영상으로 촬영되는 2개의 표식 유닛이 배치되는 일직선들은 서로 교차되는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 교차되는 일직선들 사이의 교차각은 직각인 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 일직선들이 교차되는 지점은 상기 부유체 상단에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 일직선들이 교차되는 지점에 2개의 상기 영상기반 유닛이 모두 촬영할 수 있는 하나의 공통 표식 유닛이 배치되며, 상기 공통 표식 유닛은 4개 이상의 인식자를 구비하는 표면이 2개인 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기록부는 상기 인식자의 위치를 좌표로 기록할 수 있도록, 상기 촬영된 인식자의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환하되, 상기 비교부에서 비교된 수치를 피드백함으로써 상기 인식자의 그레이 스케일 영상이 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도를 상승시키는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진동측정부에 의해 측정된 상기 영상 기반 유닛의 진동을 기초로 하여 상기 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가하는 평가 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연산 유닛에서 연산된 상기 부유체의 6자유도 동적 변위, 상기 영상기반 유닛의 진동측정부에서 측정된 상기 영상기반 유닛의 진동의 정도, 상기 영상기반 유닛의 기록부에서 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도, 또는 상기 평가 유닛에서 단계적으로 평가한 변위 계측환경 중 하나 이상을 디스플레이하는 표시 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연산 유닛, 상기 평가 유닛 및 상기 표시 유닛은 상기 영상기반 유닛과 무선 통신이 가능한 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치.
  11. 부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛에 있어서,
    부유체의 상단에 배치된 표식 유닛을 촬영하는 촬영부;
    상기 촬영된 표식 유닛의 표면에 구비된 4개 이상의 인식자의 위치를 좌표로 기록하는 기록부;
    상기 좌표로 기록된 인식자의 위치를 상기 부유체의 상단에 배치되기 이전에 동일한 크기로 표식 유닛을 촬영하여 좌표로 기록해둔 4개 이상의 인식자의 위치와 비교하는 비교부; 및
    상기 비교부에서 비교된 수치로부터 영상 기반 유닛의 진동을 측정하는 진동측정부를 포함하는,
    부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진동측정부에 의해 측정된 상기 영상 기반 유닛의 진동을 기초로 하여 상기 부유체 동적 변위 계측장치가 설치되는 변위 계측환경을 단계적으로 평가하는 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 기록부는 상기 인식자의 위치를 좌표로 기록할 수 있도록, 상기 촬영된 인식자의 그레이 스케일 영상을 흑백 스케일 영상으로 변환하되, 상기 비교부에서 비교된 수치를 피드백함으로써 상기 인식자의 그레이 스케일 영상이 흑백 스케일 영상으로 변환되는 정확도를 상승시키는 것을 특징으로 하는,
    부유체 동적 변위 계측장치에 포함되는 영상기반 유닛.
  14. 삭제
KR1020100032206A 2010-04-08 2010-04-08 부유체 동적 변위 계측장치 및 이에 포함되는 영상기반 유닛 KR101174820B1 (ko)

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