KR101194023B1

KR101194023B1 - 적외선 열화상 해석장치

Info

Publication number: KR101194023B1
Application number: KR1020107011332A
Authority: KR
Inventors: 유키오 아카쉬; 카즈아키 하시모토; 소고 하야시
Original assignee: 니시니혼 고소쿠도로 엔지니어링 시코쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2012-10-24
Also published as: ES2596358T3; JPWO2010046967A1; KR20100087179A; JP5140892B2; EP2357466A4; WO2010046967A1; EP2357466B1; EP2357466A1; US20100260374A1; US8462990B2

Abstract

적외선 카메라(10)가 구조물(40)의 표면의 적외선 열화상을 촬영한다. 촬영된 적외선 열화상에는 구조물의 건전부와 결함부의 온도차 외에 온도구배가 중첩되어 있다. 따라서, 해석부(20)의 화상처리부(21)는 적외선 열화상으로부터 온도구배 이외의 온도 변화의 분포를 추출하여 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상을 작성한다. 화상표시부(30)는 화상처리부(21)에서 구해진 화상을 표시한다. 적외선 카메라(10)로 촬영한 적외선 열화상으로부터 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 추출하고 있으므로 구조물(40)에 포함되는 결함부와 건전부의 온도차를 명확하게 화상표시할 수 있다. 이 때문에 구조물의 표면에 온도구배가 발생되어 있었다고 해도 구조물에 포함되는 결함의 위치를 쉽게 판별할 수 있게 된다.

Description

적외선 열화상 해석장치{INFRARED THERMAL IMAGE ANALYZER}

본 발명은 적외선 카메라로 구조물을 촬영했을 때에 얻어지는 적외선 열화상을 이용하여 구조물에 포함되는 결함부와 건전부를 판별할 수 있도록 하는 적외선 열화상 해석장치에 관한 것으로, 특히 구조물의 표면에 온도구배가 발생되어 있어도 결함부와 건전부를 판별할 수 있도록 하는 것이다.

교량, 고가로 대표되는 콘크리트 구조물(이하, 간단히 「구조물」이라 함)은 그 자체의 열화에 덧붙여서 오랜 시간 동안에 기상변화, 지반의 변화나 하중부하의 영향을 받는다. 이들이 모이고, 악조건이 겹친 시점에서 구조물의 부분적인 파괴나 박리 등이 발생하여 제3자에 대한 피해나 사고로 이어질 우려가 있다. 따라서 구조물의 박리를 미연에 방지하기 위해 구조물의 계속적인 점검과 감시가 필요하다.

구조물의 점검과 감시의 방법으로서는, 구조물로 접근하지 않아도 되고, 광범위한 조사를 효율적으로 행할 수 있는 적외선 조사법이 연구되고 있다. 적외선 조사법은 적외선 카메라로 구조물의 표면온도를 측정하고, 그 온도차에 의해 손상이 없는 건전부와 손상부를 판별하는 것이다. 적외선 조사법에는 적외선 열화상 해석장치가 이용된다.

도 18은 적외선 열화상 해석장치의 기본적인 구성을 나타낸다.

적외선 카메라(91)는 구조물과 같은 측정대상물(94)에서 방사되는 적외선 에너지를 검출하고, 그 적외선 에너지를 온도로 변환함으로써 측정대상물(94)의 표면의 온도분포를 나타내는 적외선 열화상을 촬영한다. 표시장치(93)는 적외선 카메라(91)로 촬영된 적외선 열화상을 표시한다.

측정대상물(94)의 내부에 공동, 크랙, 모래줄무늬와 같은 손상부가 있으면 낮과 같은 온도상승시에 손상부의 표면온도가 건전부의 표면온도보다 높아진다. 따라서, 적외선 카메라(91)로 촬영된 측정대상물(94)의 적외선 열화상에 국소적인 고온부분이 존재하면 그 부위의 내부에 손상부가 있다고 추측된다.

구조물의 표면온도가 전면에 걸쳐 균일한 경우는 별로 없고, 오히려 구조물의 표면온도에는 경사, 소위 온도구배가 발생되어 있는 경우가 많다. 이것은 구조물 자체의 형상이나 구조물 주변의 환경에 의해 구조물 표면의 수열량 또는 구조물 표면으로부터의 방열량이 부분적으로 다르기 때문이다. 구조물의 표면에 온도구배가 발생되어 있으면 적외선 조사법에 의한 건전부와 손상부의 판별이 어려워진다. 그 이유는 다음과 같다.

도 19(a)는 온도구배가 발생되지 않은 경우의 구조물 표면의 온도분포를 나타내고, 도 19(b)는 온도구배가 발생되어 있는 경우의 구조물 표면의 온도분포를 나타낸다. 도 19(a), (b) 모두에 결함부를 중심으로 한 부분적인 온도분포를 3차원의 시뮬레이션 화상으로 나타내고 있고, 도 19(b)는 도 19(a)에 일정한 경사의 온도구배를 중첩한 모습을 나타내고 있다.

도 19(a)에서는 결함부 즉 국소적인 고온부분과, 건전부 즉 저온부분과의 차이가 명확하다. 한편, 도 19(b)에서는 결함부의 온도분포가 온도구배에 가려져 있어 결함부와 건전부의 차이가 불명확하다.

경험이 적은 작업원이 온도구배가 발생된 구조물을 적외선 카메라로 적외선 열화상을 촬영했다고 해도 도 19와 같은 적외선 열화상으로부터 결함부와 건전부를 구별하기는 어렵다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 구조물 표면에 온도구배가 발생되어 있었다고 해도 적외선 열화상을 이용하여 구조물에 포함되는 결함의 위치를 쉽게 판별할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

제 1 발명은 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

구조물 표면의 적외선 열화상을 촬영하는 적외선 카메라와,

구조물 표면에 발생되는 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 상기 적외선 열화상으로부터 추출하는 처리를 행하여 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상을 작성하는 화상처리부와,

상기 화상처리부에서 작성된 화상을 표시하는 화상표시부를 구비한다.

제 1 발명을 도 1을 이용하여 설명한다.

제 1 발명에서는 적외선 카메라(10)가 구조물(40) 표면의 적외선 열화상을 촬영한다. 촬영된 적외선 열화상에는 구조물의 건전부와 결함부의 온도차 외에 온도구배가 중첩되어 있다. 따라서 해석부(20)의 화상처리부(21)는 적외선 열화상으로부터 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 추출하여 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상을 작성한다. 화상표시부(30)는 화상처리부(21)에서 구해진 화상을 표시한다.

제 2 발명은, 제 1 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

상기 화상처리부는 상기 적외선 열화상 중 소정수의 화상군마다 온도의 평균을 차례로 구하는 이동평균처리를 행함으로써 평균온도 분포화상을 작성하고, 상기 적외선 열화상과 상기 평균온도 분포화상과의 동일화소에서의 온도차를 연산함으로써 온도차 화상을 작성하도록 하고 있다.

제 2 발명을 도 1, 도 3, 도 4를 이용하여 설명한다.

제 2 발명에서는 화상처리부(21)는 적외선 열화상을 구분하여 복수행렬의 화소군(도 3)을 형성하고, 소정수의 화소군마다(도 3에서는 9×9의 화소군) 온도의 평균을 차례로 구하는 이동평균처리를 행함으로써 평균온도 분포화상을 작성한다. 또한 화상처리부(21)는 적외선 열화상과 평균온도 분포화상과의 동일 화소에서의 온도차를 연산함으로써 온도차 화상(도 4)을 작성한다. 이 온도차 화상은 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상이다. 화상표시부(30)는 이 온도차 화상을 표시한다. 구조물에 결함부가 있는 경우, 온도차 화상에 있어서 결함부의 화상은 국소적으로 온도변화가 큰 상태가 된다.

제 3 발명은, 제 2 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

상기 화상처리부는 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하도록 하고 있다.

제 3 발명을 도 1, 도 7, 도 9를 이용하여 설명한다.

제 3 발명에서는, 화상처리부(21)는 예를 들어 온도차 화상(도 7)에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 강조화상(도 9)을 작성한다. 이 강조화상(도 9)은 온도차 화상(도 7)을 강조한 것이며, 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상이다. 화상표시부(30)는 이 강조화상을 표시한다. 즉 결함부의 화상에 있어서 온도변화량은 더욱 커진다.

제 4 발명은, 제 2 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

입력이 커짐에 따라 출력비가 커지는 출력함수를 미리 기억하는 함수기억부를 구비하고,

상기 화상처리부는 상기 온도차 화상의 각 화소에서의 온도차를 상기 출력함수에 입력하여 출력을 구함으로써 각 화소마다 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하도록 하고 있다.

제 4 발명을 도 1, 도 7, 도 9, 도 8을 이용하여 설명한다.

제 4 발명에서는 해석부(2)의 함수기억부(22)는 입력이 커짐에 따라 출력비가 커지는 출력함수(도 8)를 미리 기억한다. 또한 화상처리부(21)는 온도차 화상(도 7)의 각 화소에서의 온도차를 출력함수(도 8)에 입력하여 출력을 구함으로써 각 화소마다 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 강조화상(도 9)을 작성한다. 이 강조화상(도 9)은 온도차 화상(도 7)을 강조한 것이며, 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상이다. 화상표시부(30)는 이 강조화상을 표시한다. 즉 결함부의 화상에 있어서 온도변화량은 더욱 커진다.

제 5 발명은, 제 2 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

상기 화상처리부는 상기 온도차 화상 중 소정수의 화소군마다 온도의 누적을 차례로 구함으로써 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하도록 하고 있다.

제 5 발명을 도 1, 도 7, 도 9, 도 10, 도 11을 이용하여 설명한다.

제 5 발명에서는, 화상처리부(21)는 온도차 화상(도 7 또는 도 9)을 구분하여 복수행렬의 화소군(도 10)을 형성하고, 소정수의 화소군마다(도 10에서는 3×3의 화소군) 온도의 누적을 차례로 구함으로써 온도차 화상(도 7 또는 도 9)에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 강조화상(도 11)을 작성한다. 이 강조화상(도 11)은 온도차 화상(도 7 또는 도 9)을 강조한 것이며, 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 화상이다. 화상표시부(30)는 이 강조화상을 표시한다. 즉 결함부의 화상에 있어서 온도변화량은 더욱 커진다.

제 6 발명은, 제 2 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

상기 온도차 화상에서의 온도변화량과 구조물 내부에 포함되는 결함깊이와의 대응관계를 나타내는 정보를 미리 기억하는 결함기억부를 구비하고,

상기 화상처리부는 작성된 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 결함깊이를 상기 정보를 이용하여 구하고, 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 표시상태를 구한 결함깊이에 따라 변화시킨 결함판정화상을 작성하도록 하고 있다.

제 6 발명을 도 1, 도 12, 도 13, 도 14를 이용하여 설명한다.

온도차 화상에서의 온도차와 구조물 내부에 포함되는 결함깊이는 상관된다.

제 6 발명에서는, 해석부(20)의 결함기억부(23)는 온도차 화상에서의 온도변화량과 구조물 내부에 포함되는 결함깊이의 대응관계를 나타내는 정보를 미리 기억한다.

화상처리부(21)는 적외선 카메라(10)로 촬영된 적외선 열화상(도 12)으로 온도차 화상(도 13)을 작성하고, 작성된 온도차 화상(도 13) 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 결함깊이를 결함기억부(23)에 기억되어 있는 정보를 이용하여 구하고, 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 표시상태를 구한 결함깊이에 따라 변화시킨, 예를 들어 결함깊이에 따라 표시색을 변화시킨 결함판정화상(도 14)을 작성한다. 화상표시부(30)는 이 결함판정화상을 표시한다.

제 7 발명은 제 6 발명의 적외선 열화상 해석장치에 있어서,

상기 화상처리부는 작성된 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 중심의 온도변화량에 대응하는 결함깊이를 상기 대응관계를 이용하여 구하도록 하고 있다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 중심의 온도변화량과 결함깊이는 밀접하게 관련되어 있다.

본 발명에 의하면 적외선 카메라로 촬영한 적외선 열화상으로부터 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 추출하고 있으므로 구조물에 포함되는 결함부와 건전부의 온도차를 명확하게 표시할 수 있다. 이 때문에 구조물의 표면에 온도구배가 발생되어 있었다고 해도 구조물에 포함되는 결함의 위치를 쉽게 판별할 수 있게 된다.

또한 구조물에 결함부가 있는 경우, 온도차 화상에 있어서 결함부의 화상은 국소적으로 온도변화가 큰 상태가 되기 때문에 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 온도변화량을 측정함으로써 결함깊이를 추정할 수 있다. 결함깊이를 알 수 있으면 박리의 위험성의 대소를 예측할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 적외선 열화상 해석장치의 기본적인 구성을 기능블록화하여 나타내는 도면.
도 2는 해석부에서 행해지는 일련의 처리 흐름을 나타내는 도면.
도 3은 이동평균처리시에 작성되는 복수행렬의 화소군을 모델화하여 나타내는 도면.
도 4는 온도차 화상을 나타내는 도면.
도 5는 적외선 열화상과 온도차 화상의 n열에서의 온도분포를 그래프화하여 나타내는 도면.
도 6은 도 5의 온도분포를 3차원의 시뮬레이션 화상으로 나타내는 도면.
도 7은 도 4의 온도차 화상에 편차를 가한 온도차 화상을 나타내는 도면.
도 8은 함수기억부에 기억되는 출력함수의 일례를 나타내는 도면.
도 9는 제 1 강조화상을 나타내는 도면.
도 10은 누적처리시에 작성되는 복수행렬의 화소군을 모델화하여 나타내는 도면.
도 11은 제 2 강조화상을 나타내는 도면.
도 12는 구조물의 적외선 열화상을 나타내는 도면.
도 13은 도 12의 적외선 열화상을 이용하여 작성한 온도차 화상을 나타내는 도면.
도 14는 도 13의 온도차 화상을 이용하여 작성한 결함판정화상을 나타내는 도면.
도 15는 2개의 변화점 사이의 온도차와 그 변화점 사이의 기울기의 관계를 결함깊이별로 나타내는 도면.
도 16은 결함깊이와 도 15의 (기울기/온도차)의 관계를 나타내는 도면.
도 17은 결함깊이와 온도변화량의 관계를 나타내는 도면.
도 18은 종래의 적외선 열화상 해석장치의 기본적인 구성을 나타내는 도면.
도 19는 구조물 표면의 온도분포를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

(본 실시예의 구성)

도 1은 본 실시예에 따른 적외선 열화상 해석장치의 기본적인 구성을 기능블록화하여 나타내고 있다.

적외선 열화상 해석장치(1)는 적외선 카메라(10)와 해석부(20)와 화상표시부(30)를 갖는다. 또한 해석부(20)는 화상처리부(21)와 함수기억부(22)와 결함기억부(23)를 갖는다. 적외선 카메라(10)와 해석부(20)는 신호선(L1)으로 통신 자유롭게 접속되어 있다. 또한 해석부(20)와 화상표시부(30)는 신호선(L2)으로 통신 자유롭게 접속되어 있다. 적외선 카메라(10)와 해석부(20) 및 해석부(20)와 화상표시부(30)는 무선으로 통신 자유롭게 접속되어 있어도 된다.

적외선 카메라(10)는 구조물(40)에서 방사되는 적외선 에너지를 검출하고, 그 적외선 에너지를 온도로 변환함으로써 구조물(40)의 표면의 온도분포를 나타내는 적외선 열화상을 촬영한다.

해석부(20)의 화상처리부(21)는 적외선 카메라(10)로 취득된 적외선 열화상을 이용하여 후술하는 일련의 화상처리를 행한다. 함수기억부(22)는 도 8에 나타내는 바와 같은 출력함수를 기억한다. 결함기억부(23)는 화상해석부(21)에서 작성된 온도차 화상에서의 온도변화량과 구조물 내부에 포함되는 결함깊이와의 대응관계를 나타내는 정보를 미리 기억한다.

화상표시부(30)는 해석부(20)에서 작성된 화상(온도차 화상)을 표시한다. 화상표시부(30)는 모니터와 같이 화상을 표시장치에 나타내는 것이어도 되고, 프린터와 같이 화상을 인쇄하는 것이어도 된다.

(본 실시예의 처리)

도 2는 해석부에서 행해지는 일련의 처리 흐름을 나타내고 있다.

적외선 카메라(10)는 구조물(40)의 표면을 촬영하고 적외선 열화상을 취득한다. 해석부(20)는 적외선 카메라(10)로부터 적외선 열화상에 관한 화상신호를 수신한다(단계 S1). 화상처리부(21)는 적외선 열화상을 이용하여 평균온도 분포화상을 작성한다(단계 S2). 또한 화상처리부(21)는 적외선 열화상과 평균온도 분포화상과의 동일화소에서의 온도차를 연산함으로써 온도차 화상을 작성한다(단계 S3). 또한 화상처리부(21)는 함수기억부(22)에 기억된 출력함수를 이용하여 온도차 화상 중의 온도차를 강조함으로써 온도변화량을 크게 하는 강조처리를 행하여 제 1 강조화상(온도차 화상의 일종)을 작성한다(단계 S4). 또한 화상처리부(21)는 제 1 강조화상 중의 온도차를 강조함으로써 온도변화량을 크게 하는 누적처리(강조처리의 일종)를 행하여 제 2 강조화상(온도차 화상의 일종)을 작성한다(단계 S5). 또한 화상처리부(21)는 결함기억부(23)에 기억된 대응관계를 나타내는 정보를 이용하여 제 2 강조화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 결함깊이를 판정한다(단계 S6). 그리고 화상처리부(21)는 제 2 강조화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분을 판정한 결함깊이에 따른 표시색으로 변화시킴으로써 결함판정화상(온도차 화상의 일종)을 작성한다(단계 S7). 해석부(20)는 화상표시부(30)에 결함판정화상에 관한 화상신호를 송신한다(단계 S8). 화상표시부(30)는 결함판정화상을 표시한다.

또한 도 2의 처리흐름에서는 4개의 화상처리("단계 S2, S3", 단계 S4", "단계 S5", "단계 S6, S7")를 행하도록 하고 있다. 본 실시예에서는 단계 S2, S3의 화상처리는 필수이지만, 단계 S4~S7의 화상처리는 임의이다. 즉 단계 S4~S7 중 하나 이상의 화상처리를 행하도록 해도 되고, 단계 S4~S7의 화상처리를 모두 행하지 않도록 해도 된다. 단계 S4~S7의 화상처리를 행할 것인지의 여부를 미리 정해두어도 되고, 어느 하나의 화상처리 종료마다 이후의 화상처리를 행할 것인지의 여부를 판단하도록 해도 된다. 또한 단계 S4~S7의 화상처리를 행할 것인지의 여부를 해석부(20)가 판단하도록 해도 되고, 작업원이 판단하도록 해도 된다. 해석부(20)가 판단하는 경우는 해석부(20)가 각 단계 직전에 작성된 온도차 화상에서 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분을 분간할 수 있는지의 여부를 판단하도록 하면 된다. 또한 작업원이 판단하는 경우는 단계 S3, S4, S5에서 작성된 온도차 화상을 화상표시부(30)에 표시하도록 하고, 작업원이 표시된 온도차 화상을 확인하여 이후의 화상처리를 행할 것인지의 여부를 판단하도록 하면 된다. 작업원은 도시하지 않는 조작부를 조작함으로써 해석부(20)에 단계 S4~S7의 각 화상처리를 행하도록 지시한다.

이어서, 도 2에서 나타낸 단계 S2~S7의 처리에 대하여 구체적으로 설명한다.

(온도차 화상의 작성)

도 2의 단계 S2에서 행해지는 화상처리에 대하여 설명한다.

도 3은 이동편균처리시에 작성되는 복수행렬의 화소군을 모델화하여 나타내고 있다.

적외선 열화상은 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같은 복수행렬의 화소군으로 이루어진다. 도 3은 101×101의 행렬로 이루어지는 화소군을 나타내고 있으나, 이 수치로 한정되는 것은 아니다. 화상처리부(21)는 이 화소군을 이용하여 다음에서 설명하는 이동평균처리를 행한다.

우선 소정수의 화소군, 여기에서는 열번호 1~9 및 행번호 1~9의 화소군으로 이루어지는 제 1 화소군에 관하여 평균온도가 연산되고, 연산된 평균온도가 제 1 화소군의 중심화소(열번호 5, 행번호 5)에 대입된다. 계속해서 1열 옮긴 열번호 2~10 및 행번호 1~9의 화소군으로 이루어지는 제 2 화소군에 관하여 평균온도가 연산되고, 연산된 평균온도가 제 2 화소군의 중심화소(열번호 6, 행번호 5)에 대입된다. 이와 같이 차례로 1열 옮긴 열번호 n~n+8 및 행번호 1~9의 화소군으로 이루어지는 제 n의 화소군에 관하여 평균온도가 연산되고, 연산된 평균온도가 제 n의 화소군의 중심화소(열번호(n-1)+5, 행번호 5)에 대입된다. 화소군의 열을 옮기지 않게 되면 행을 1행 옮긴 화소군에 대하여 상기 처리와 동일한 처리가 행해진다. 그리고 최종적으로는 열번호 93~101 및 행번호 93~101의 화소군으로 이루어지는 제8649의 화소군에 관하여 평균온도가 연산되고, 연산된 평균온도가 제 8649의 화소군의 중심화소(열번호 97, 행번호 97)에 대입된다.

이상과 같이 소정수의 화소군마다(도 3에서는 9×9의 화소군) 온도의 평균을 차례로 구하는 처리를 행한다. 이 처리를 이동평균처리라 한다. 이동평균처리의 결과, 열번호 5~93, 행번호 5~93의 화소로 이루어지는 평균온도 분포화상이 형성된다. 또한 상술한 이동평균처리에서는 처리의 순서로서 열을 1열씩 옮기고, 열을 옮기지 않게 되면 행을 1행 옮겨 열을 원래대로 되돌리도록 하고 있으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 요는 열번호 5~93, 행번호 5~93의 화소로 이루어지는 평균온도 분포화상이 구해지면 되고, 어떠한 순서로 처리가 행해져도 된다.

이어서 도 2의 단계 S3에서 행해지는 화상처리에 대하여 설명한다.

화상처리부(21)는 적외선 열화상과 평균온도 분포화상의 동일화소(열번호 5~93, 행번호 5~93)에서의 온도차를 연산한다. 연산의 결과, 도 4에 나타내는 온도차 화상이 작성된다. 이 온도차 화상은 적외선 열화상으로부터 구조물 표면에 발생되는 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 추출한 것이며, 바꾸어 말하면 적외선 열화상으로부터 온도구배를 제거한 것으로 생각할 수 있다. 구조물의 내부에 결함부가 존재하면 결함부가 포함되는 부분의 온도차 화상에 국소적인 온도변화가 발생된다. 도 4는 표면으로부터 깊이 4㎝의 위치에 결함이 있는 구조물의 온도차 화상이다.

도 5는 적외선 열화상과 온도차 화상의 n열에서의 온도분포를 그래프화하여 나타내고 있다. 도 6은 도 5의 온도분포를 3차원의 시뮬레이션화상으로 나타내고 있다.

도 5에서는 화소번호 a~b의 사이에 결함이 존재하고 있다. 적외선 열화상의 온도분포는 온도구배에 기인하여 그래프 전체가 우측으로 상승하고 있어 건전부와 결함부를 구별하기 어렵다. 한편, 온도차 화상의 온도분포는 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내고 있고, 건전부의 온도변화량이 거의 0으로 되어 있는데 비하여, 결함부의 온도변화량은 약 0.055(=│0.035-(-0.02)│)로 되어 있고, 결함부의 온도변화만이 강조되어 있다. 따라서 건전부와 결함부를 구별하기 쉽다. 도 5를 이용하여 설명한 바와 같이 온도변화량이란 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 온도차 중, 최대값과 최소값의 차(=│최대값-최소값│)으로 나타낸다.

(제 1 강조화상의 작성)

도 2의 단계 S4에서 행해지는 강조처리에 대하여 설명한다.

단계 S3에서 작성된 온도차 화상으로부터 국소적인 온도변화를 판별할 수 있으면 문제는 없다. 예를 들어 도 4에 나타내는 온도차 화상과 같이 국소적인 온도변화를 명확하게 판별할 수 있으면 문제는 없다. 그러나 실제로는 적외선 카메라에 측정오차가 있는 경우나, 구조물에 온도구배 이외의 온도의 편차가 생겨 있는 경우가 있다. 이러한 경우에는 온도차 화상이어도 국소적인 온도변화를 판별하기 어려워진다. 실제로 구조물의 표면온도를 측정하면 ±0.025℃의 온도 편차가 측정된다.

여기에서 구조물의 표면온도에 편차가 있는 경우를 상정한다. 예를 들어 도 4에 나타내는 온도차 화상에 ±0.025℃의 온도의 편차를 가하면 도 7에 나타내는 온도차 화상이 얻어진다. 도 4에 나타내는 온도차 화상에 비하여 도 7에 나타내는 온도차 화상으로부터는 국소적인 온도변화를 판별하기 어렵다. 도 7에 나타내는 바와 같은 온도차 화상이 얻어진 경우에는 도 8에 나타내는 출력함수를 이용하여 온도차 화상의 각 온도차를 강조하는 강조처리를 행한다.

도 8은 함수기억부에 기억되는 출력함수의 일례를 나타내고 있다.

도 8에 나타내는 출력함수는 입력이 커짐에 따라 출력비(=출력/입력)가 커져 있다. 이 출력함수에서는 입력이 클수록 출력의 강조도가 커진다.

화상연산부(21)는 함수기억부(22)로부터 출력함수를 읽어내고, 그 출력함수에 온도차 화상의 각 화소에서의 온도차를 입력하고 출력을 연산한다. 연산의 결과, 도 9에 나타내는 제 1 강조화상이 작성된다. 제 1 강조화상은 온도차 화상의 온도차를 강조한 화상이며, 온도차 화상의 일종이다. 제 1 강조화상에서는 결과적으로 온도변화도 크게 되고, 강조 전의 온도차 화상에서 판별하기 어려운 국소적인 온도변화 즉 결함부가 강조된다.

(제 2 강조화상의 작성)

도 2의 단계 S5에서 행해지는 강조처리에 대하여 설명한다.

단계 S4에서 작성된 제 1 강조화상으로부터 국소적인 온도변화를 판별할 수 있으면 문제는 없다. 그러나 제 1 강조화상으로부터 국소적인 온도변화를 판별하기 어려운 경우도 있다. 그러한 경우에는 제 1 강조화상의 각 온도차를 강조하는 강조처리를 행한다. 또한 이하에서 설명하는 강조처리는 단계 S2에서 행하는 이동평균처리와 연산방법이 유사하다. 여기에서는 이 강조처리를 누적처리라 칭한다.

도 10은 누적처리시에 작성되는 복수행렬의 화소군을 모델화하여 나타낸다.

제 1 강조화상은, 예를 들어 도 10에 나타내는 복수행렬의 화소군으로 이루어진다. 여기에서 도 10에 나타내는 제 1 강조화상은 단계 S3에서 작성한 온도차 화상의 일부를 나타낸다. 도 10은 16×16의 행렬(열번호 3~18, 행번호 3~18)로 이루어지는 화소군을 나타내고 있으나, 이 수치로 한정되는 것은 아니다. 화상처리부(21)는 이 화소군을 이용하여 다음에서 설명하는 누적처리를 행한다.

우선 소정수의 화소군, 여기에서는 열번호 3~5 및 행번호 3~5의 화소군으로 이루어지는 제 1 화소군에 관하여 누적온도가 연산되고, 연산된 누적온도가 제 1 화소군의 중심화소(열번호 4, 행번호 4)에 대입된다. 계속해서 1열 옮긴 열번호 4~6 및 행번호 3~5의 화소군으로 이루어지는 제 2 화소군에 관하여 누적온도가 연산되고, 연산된 누적온도가 제 2 화소군의 중심화소(열번호 5, 행번호 4)에 대입된다. 이와 같이 차례로 1열 옮긴 열번호 n~n+2 및 행번호 3~5의 화소군으로 이루어지는 제 n의 화소군에 관하여 누적온도가 연산되고, 연산된 누적온도가 제 n의 화소군의 중심화소(열번호(n-1)+4, 행번호 4)에 대입된다. 화소군의 열을 옮기지 않게 되면 행을 1행 옮긴 화소군에 대하여 상기 처리와 동일한 처리가 행해진다. 그리고 최종적으로는 열번호 16~18 및 행번호 16~18의 화소군으로 이루어지는 제 256의 화소군에 관하여 누적온도가 연산되고, 연산된 누적온도가 제 256의 화소군의 중심화소(열번호 17, 행번호 17)에 대입된다.

이상과 같이 소정수의 화소군마다(도 10에서는 3×3의 화소군) 온도의 누적을 차례로 구하는 누적처리를 행한다. 누적처리의 결과, 열번호 4~17, 행번호 4~17의 화소로 이루어지는 제 2 강조화상이 형성된다. 제 2 강조화상을 도 11에 나타낸다. 또한 상술한 누적처리에서는 처리의 순서로서 열을 1열씩 옮기고, 열을 옮기지 않게 되면 행을 1행 옮겨 열을 원래로 되돌리도록 하고 있는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 요는 열번호 4~17, 행번호 4~17의 화소로 이루어지는 제 2 강조화상이 구해지면 되고, 어떠한 순서로 처리가 행해져도 된다.

또한 본 실시예에서는 도 2의 단계 S4 후에 단계 S5를 행하도록 하고 있다. 즉 단계 S4에서 작성된 제 1 강조화상을 강조하여 제 2 강조화상을 작성하고 있다. 그러나 도 2의 단계 S3 후에 단계 S4를 행하지 않고 단계 S5를 행하도록 해도 된다. 즉 단계 S3에서 작성된 온도차 화상을 강조하여 제 2 강조화상을 작성하도록 해도 된다.

제 2 강조화상은 온도차 화상의 온도차를 강조한 화상이며, 온도차 화상의 일종이다. 제 2 강조화상에서는 결과적으로 온도변화도 크게 되고, 강조 전의 온도차 화상에서 판별하기 어려운 국소적인 온도변화 즉 결함부가 강조된다.

(결함판정화상의 작성)

도 2의 단계 S6에서 행해지는 판정처리에 대하여 설명한다.

온도차 화상에 있어서, 국소적인 온도변화가 발생되는 부분의 온도변화량과 결함깊이에는 상관이 있다. 따라서 온도차 화상에 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분이 있으면 그 온도변화량으로부터 그 부분의 결함깊이를 추측할 수 있다. 온도차 화상에서 나타나는 온도변화량과 결함깊이의 상관은 미리 실측으로 구할 수 있다. 구한 상관에 관한 정보는 결함기억부(23)에 기억된다. 예를 들어 결함기억부(23)에는 T1~T2(T1＞T2)의 온도변화량과 결함깊이 D1을 대응지어 T2~T3(T2＞T3)의 온도변화량과 결함깊이 D2(D2＞D1)를 대응시키는 등의 정보가 기억된다.

화상연산부(21)는 결함기억부(23)로부터 정보를 읽어내어 온도차 화상의 각 화소에서의 온도변화량에 대응하는 결함깊이를 판독한 정보로부터 판정한다. 이 때, 국소적인 온도변화가 발생되지 않은 부분에 관해서는 결함 자체가 존재하지 않는다고 판정한다. 한편, 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분에 관해서는 그 부분의 중심부, 예를 들어 도 5에서 나타내는 중심부(C)의 온도변화량, 즉 최대온도차(+측 온도차와 -측 온도차)에 대응하는 결함깊이를 그 부분의 결함깊이라고 판정한다.

도 2의 단계 S7에서 행해지는 화상처리에 대하여 설명한다.

화상연상부(21)는 온도차 화상에 있어서 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분, 즉 결함부의 표시상태를 단계 S6에서 판정한 결함깊이에 따라 변화시킨다. 본 실시예에서는 결함깊이에 따라 결함부의 표시색을 변화시킨다. 예를 들어 결함깊이가 얕은 경우에는 표시색을 적색으로 하고, 결함깊이가 중간정도인 경우에는 표시색을 황색으로 하고, 결함깊이가 깊은 경우에는 표시색을 청색으로 한다. 그 결과, 결함판정화상이 작성된다. 또한 결함깊이에 따라 표시색을 변화시키는 것은 아니고, 결함깊이에 따라 형상이 다른 마크를 결함부에 겹쳐서 표시하도록 해도 된다. 요는 결함깊이가 한눈으로 판별될 수 있는 표시상태로 하면 된다.

도 12는 구조물의 적외선 열화상을 나타내고, 도 13은 도 12의 적외선 열화상을 이용하여 작성한 온도차 화상을 나타내고, 도 14는 도 13의 온도차 화상을 이용하여 작성한 결함판정화상을 나타내고 있다.

도 12의 적외선 열화상에는 결함부와 건전부의 차이가 거의 나타나 있지 않지만, 도 14의 결함판정화상에는 결함부와 건전부의 차이가 나타나 있는 데다가, 결함부의 깊이의 차이도 나타나 있다. 결함깊이가 얕으면 구조물의 표층이 박리되기 쉬워 위험하다. 작업원은 상술한 표시색으로 결함깊이를 나타낸 결함판정화상을 본 경우에, 적색 부분은 위험도 대(大), 황색 부분은 위험도 중(中), 청색 부분은 위험도 소(小)라는 식으로 판단할 수 있다.

이상이 도 2의 단계 S2~S7의 구체적인 처리이다.

(온도차의 유효성)

도 2의 단계 S7에서는 온도차 화상에서의 온도변화량이라는 지표를 이용하여 결함깊이를 판정하도록 하고 있다. 이 온도변화량의 유효성에 대하여 설명한다.

본원 발명자들이 출원한 특개 2005-140622호 공보에 있는 바와 같이, 적외선 열화상에서의 온도분포의 2가지 변화점 사이의 기울기 및 그 변화점 사이의 온도차, 즉 온도변화량과 결함깊이에는 상관이 있는 것이 판명되어 있다.

도 15(a)~(d)는 2개의 변화점 사이의 온도차와 그 변화점 사이의 기울기의 관계를 결함깊이별로 나타내고 있다. 도 15(a)~(d)는 결함부의 크기, 열환경, 결함의 폭을 변화시켜서 FEM 온도해석을 행한 결과이다. 도 15(a)~(d)의 각 그래프 자체의 기울기를 1차원화하여 (기울기/온도차)와 결함부의 깊이에는 상관이 있다.

도 16은 결함깊이와 도 15의 (기울기/온도차)의 관계를 나타내고 있다.

도 16은 결함깊이 2㎝와 4㎝가 판별 가능한 것을 나타내고 있다. 한편, 결함깊이 6㎝와 8㎝가 판별 불가능한 것도 나타내고 있다. 즉 적외선 열화상에서의 온도분포의 2가지 변화점 사이의 기울기 및 그 변화점 사이의 온도차를 이용하는 방법에서는 결함깊이를 판별할 수 없는 경우도 있다. 또한 이 방법은 결함부의 검출 자체를 수동으로 행할 필요가 있기 때문에 실시간으로 결함부를 검출할 수 없다.

따라서 본 실시예에서 작성하는 온도차 화상은 온도구배를 제외하는 온도변화의 크기를 나타낸 것이며, 1차원의 지표이면서 도 15의 기울기와 온도차와 같은 성분을 포함한다.

도 17은 결함깊이와 온도변화량의 관계를 나타내고 있다.

또한 도 17에서는 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 온도변화량을 「중심부의 절대값」으로 하고 있다. 절대값을 취하는 것은 도 18에 나타내는 바와 같이 낮과 밤에서는 온도차의 정부(+-)가 역전되기 때문이다.

도 17은 도 16과 달리 결함깊이 2㎝와 4㎝와 6㎝와 8㎝가 판별 가능한 것을 나타내고 있다. 또한 도 2에 나타내는 바와 같이 이 방법은 완전한 자동화가 가능하며, 실시간으로 결함부를 검출할 수 있다.

본 발명은 교량, 고가 뿐만아니라 빌딩 등의 콘크리트를 이용한 콘크리트 구조물 전반의 결함조사에 이용할 수 있다.

10 : 적외선 카메라 20 : 해석부
21 : 화상처리부 22 : 함수기억부
23 : 결함기억부 30 : 화상표시부
40 : 구조물

Claims

구조물 표면의 적외선 열화상을 촬영하는 적외선 카메라,
상기 적외선 열화상 중 소정수의 화소군별로 온도의 평균을 차례로 구하는 이동평균처리를 행함으로써 평균온도 분포화상을 작성하고, 상기 적외선 열화상과 상기 평균온도 분포화상과의 동일 화소에서의 온도차를 연산함으로써 온도구배 이외의 온도변화의 분포를 나타내는 온도차 화상을 작성하는 화상처리부와,
상기 화상처리부에서 작성된 화상을 표시하는 화상표시부를 구비한 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 화상처리부는 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.
제 1 항에 있어서,
입력이 커짐에 따라 출력비가 커지는 출력함수를 미리 기억하는 함수기억부를 구비하고,
상기 화상처리부는 상기 온도차 화상의 각 화소에서의 온도차를 상기 출력함수에 입력하여 출력을 구함으로써 각 화소마다 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.
제 1 항에 있어서,
상기 화상처리부는 상기 온도차 화상 중 소정수의 화소군마다 온도의 누적을 차례로 구함으로써 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조하는 강조처리를 행하여 상기 온도차 화상에서의 온도차를 강조한 강조화상을 작성하는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.
제 1 항에 있어서,
상기 온도차 화상에서의 온도변화량과 구조물 내부에 포함되는 결함깊이와의 대응관계를 나타내는 정보를 미리 기억하는 결함기억부를 구비하고,
상기 화상처리부는 작성된 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 결함깊이를 상기 정보를 이용하여 구하고, 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 표시상태를 구한 결함깊이에 따라 변화시킨 결함판정화상을 작성하는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.
제 6 항에 있어서,
상기 화상처리부는 작성된 상기 온도차 화상 중 국소적인 온도변화가 발생되어 있는 부분의 중심의 온도변화량에 대응하는 결함깊이를 상기 대응관계를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 해석장치.