KR101284219B1 - 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법 - Google Patents

고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부의 영향에 의해 생기는 영상계측시스템의 흔들림을 보정하여 구조물의 건전도 평가 오차를 줄이고 인식률 향상을 가져올 수 있도록 하는 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 제공한다. 이 방법은 2차원 이미지에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값을 연산처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정한다. 이와 같은 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 적용하면 계측 대상 구조물의 동적응답이 보다 정밀해져 주파수 도메인에서의 모드별 고유진동수 분석에 대하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.

Description

고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법{Correction of Motion of Vision-based Measurement System Using a Fixed Object}
본 발명은 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 케이블의 형상조건과 계측된 동적 특성을 활용하여 케이블의 장력을 구하는 진동법의 적용시 영상계측시스템의 흔들림을 추가적인 센서의 설치 없이 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 행어 케이블의 동적응답 및 모드별 고유진동수의 해상도를 향상시키도록 하기 위한 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 관한 것이다.
최근 국내외에서 해안, 도서, 산간지방 등의 개발로 장대교량의 수요가 증가되고 재료 및 설계 시공기술의 지속적 발전으로 인하여 현수교나 사장교 등 장지간을 가지는 교량의 건설이 증가하고 있다. 장대교량은 사장재 또는 주 케이블 및 행어 케이블을 이용하여 주형을 지지하는 고차 부정정구조물로 다양한 형태의 설계가 가능하고 외관이 뛰어나기 때문에 현재 많은 교량에 적용되고 있다. 장대교량의 케이블은 교량시스템 전체의 안전성과 직결되는 문제이기 때문에 케이블의 동특성을 이용하여 추정된 케이블의 장력 등이 상시 모니터링되고 있다. 따라서 교통하중 및 풍하중 등에 의해서 상시 가진 되고 있는 케이블을 모니터링 하기 위해서는 케이블의 동특성이 우선적으로 추출되어야 한다.
한편, 케이블의 장력을 추정하는 기법으로 로드셀 및 유압잭 등을 이용하여 케이블의 응력을 직접 측정하는 방법과 케이블의 형상조건과 계측된 동특성을 이용하여 장력을 추정하는 진동법이 많이 활용되고 있다. 그리고, 디지털 영상처리를 이용하여 구조물의 동특성을 추출하는 방법들은 영상계측시스템을 통해 입력받은 영상을 이용한다. 이때, 영상계측시스템의 흔들림은 구조물의 동적응답을 추정함에 있어서 동적응답에 대한 고정된 기준을 제시하지 못하도록 한다. 따라서 추정된 구조물의 동적응답은 영상계측시스템의 흔들림이 포함하게 되어 영상 분석 오차의 요인이 될 수 있다.
이때, 영상시스템의 개별적인 흔들림 보정과 관련하여 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0083822호 "카메라의 움직임 검출 장치 및 방법"은 캠코더 및 영상 카메라 등의 정밀하고 미세한 떨림을 검출하여 그 움직임 량을 역으로 보정함으로서 안정된 영상으로 출력하는 영상 안정화 장치를 제안하고 있다.
그리고, 공개번호 제10-2011-0099904호 "실시간 동영상에 기초한 이동 객체 감지 방법 및 이를 이용한 방파제 감시 시스템"은 감시 지역 내에 설치된 촬영 장치로부터 실시간으로 촬영되는 동영상을 수신하는 단계; 상기 촬영 장치의 떨림으로 인해 발생하는 상기 동영상의 에고 모션(ego-motion)을 보정하는 단계; 보정된 동영상의 프레임별 각 화소의 휘도 값의 차이에 기초하여, 보정된 동영상으로부터 이동 객체 영역을 추출하는 단계; 보정된 동영상의 설정된 수의 프레임(frame) 단위로 상기 이동 객체 영역의 모션 변화를 추적함으로써, 상기 이동 객체 영역의 이동 방향을 결정하는 단계; 및 상기 이동 객체 영역에 포함된 화소들 중에서 이동 방향의 최전방에 위치한 어느 하나의 화소의 X좌표값 또는 Y좌표값에 기초하여, 상기 이동 객체 영역의 이동위치를 인식하는 단계를 포함하는 기술을 제안하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0562334호 "씨모스 영상 센서 왜곡 보정 방법 및 장치"는 씨모스 영상센서에 적용되고, 보정은 화소별로 이루어지며, 각 화소별 보간계수의 수평성분에는 (해당화소의 수평 화소좌표)/(영상의 최대 수평 화소수)×(해당 프레임의 수평속도)가, 수직성분에는 (해당화소의 수직 화소좌표)/(영상의 최대 수직 화소수)×(해당 프레임의 수직속도)가 포함되도록 하는 영상 센서의 운동에 따른 왜곡을 보정하는 보정방법을 제안하고 있다.
이와 같은 영상시스템의 개별적인 흔들림 보정기술과 아울러 최근에는 케이블 내부 강재의 응력변화로 인하여 유발되는 자기장 변화를 탐지하는 EM(Electro-Magnetic)센서를 활용하고 있다. 일반적으로 진동법을 이용하여 케이블의 장력을 측정하기 위한 센서로 가속도 센서를 사용하고 있다. 그러나 기존의 가속도 센서는 측정 센서와 장비를 연결하는 케이블 길이가 길어질 경우 신뢰할 수 있는 데이터를 얻기 힘들고 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 케이블 설치작업에 따른 인력과 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 또한 케이블에 대한 접근성이 용이하여야 하며 센서를 고정하기 위한 지그의 설치가 필요하여 비경제적이며 지그의 정확한 고정이 어려워 계측값의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 그 밖에 케이블에 대한 동적응답의 계측을 위하여 적용 가능한 비접촉식 방법으로서는 레이저의 도플러효과, GPS를 이용하는 방법 및 영상처리기법 등이 대표적이다. 레이저의 도플러효과를 이용하는 방법은 정확도가 상대적으로 높지만 한 지점의 케이블 진동을 계측하기 위하여 고가의 장비를 사용하기에는 비경제적이므로 아직까지는 실용화되지 못하고 있다. GPS를 이용하는 방법은 장비가 고가이고 신호 자체의 오차와 데이터 취득속도(sampling rate)의 제약으로 인하여 케이블 진동 계측에 적용하기에는 보편적이지 못하다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 추가적인 장비가 없어 경제적이며, 효율적으로 구조물의 동적응답 및 모드별 고유진동수에 대하여 추출이 가능하도록 하는 새로운 형태의 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 케이블의 형상조건과 계측된 동적 특성을 활용하여 케이블의 장력을 구하는 진동법의 적용시 외부의 영향에 의해 생기는 영상의 흔들림을 추가적인 센서의 설치 없이 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 케이블의 건전도 평가 오차를 줄이고 인식률 향상을 가져올 수 있는 새로운 형태의 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 디지털 영상처리를 이용하여 대상 구조물의 동특성을 추출할 때 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 있어서, 2차원 이미지에서 취득된 상기 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지에서 지정되어 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값을 연산처리하여 상기 대상 구조물에 대한 동적응답을 보정한다.
이와 같은 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법에서 상기 대상 구조물에 대한 동적응답의 보정시 시간 도메인에서의 보정은
Figure 112011092626517-pat00001
의 수학식에 의해 이루어지고, 여기에서,
Figure 112011092626517-pat00002
는 보정된 대상 구조물의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00003
는 대상 구조물의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00004
는 고정된 물체의 동적응답일 수 있다.
이와 같은 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법에서 상기 대상 구조물에 대한 동적응답의 보정시 주파수 도메인에서의 응답은
Figure 112011092626517-pat00005
의 수학식에 의해 이루어지고, 여기에서,
Figure 112011092626517-pat00006
는 보정된 대상 구조물의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00007
는 대상 구조물의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00008
는 고정된 물체의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00009
는 보정된 대상 구조물의 동적응답에 대한 주파수 도메인에서의 응답일 수 있다.
본 발명에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 따르면, 행어 케이블에 대한 장력을 측정하기 위해 영상계측시스템에 대한 설치 장소의 진동 또는 외부 바람의 영향에 의해 발생하는 미세한 흔들림을 추가적인 센서의 설치 없이 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 경제적이며 효율적으로 케이블의 변위응답 및 모드별 고유진동수의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법이 적용된 디지털 영상처리를 이용한 구조물의 동특성 측정방법을 보여주는 플로우챠트;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용된 진동법을 설명하기 단순지지 케이블 모델의 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법을 검증하기 위한 광안대교의 행어 케이블의 계측 위치를 보여주는 도면;
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법의 검증을 위한 실험에서 고정된 물체 및 센서의 설치 위치를 설명하기 위한 도면들;
도 6 및 도 8은 No. 54-A-1 및 No. 60-B-1 행어 케이블의 가속도 응답, 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 고정된 물체의 동적응답, 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 행어 케이블의 동적응답과 고정된 물체를 이용하여 영상계측시스템의 흔들림을 보정한 동적응답을 보여주는 도면들;
도 7 및 도 9는 행어 케이블의 가속도 응답에 대한 PSD 함수, 고정된 물체(건물)에 대한 PSD 함수, 행어 케이블의 동적응답에 대한 PSD 함수와 고정된 물체를 이용하여 영상계측시스템의 흔들림이 보정된 동적응답에 대한 PSD 함수를 보여주는 도면들;
도 10 및 도 11은 No. 66-B 행어 케이블 및 보정된 응답, 보정된 동적응답에 대한 PSD 함수를 보여주는 도면들이다.
본 발명에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법은 외부의 영향에 의해 생기는 영상계측시스템의 흔들림을 보정하여 구조물의 건전도 평가 오차를 줄이고 인식률 향상을 가져올 수 있는 흔들림 보정을 위한 방법을 적용하였다.
좀 더 구체적으로, 만약 한 영상의 배경에 위치한 고정된 물체(빌딩 등)가 영상계측시스템과의 거리가 멀어 획득된 영상 안에서 움직이지 않는다고 가정하면 영상에서 획득한 고정된 물체의 동적응답은 영상계측시스템의 흔들림이라 할 수 있다. 본 발명은 이와 같은 원리를 적용하여 2차원 이미지에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값(픽셀기반)을 연산처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 적용하면 계측 대상 구조물의 동적응답이 보다 정밀해져 주파수 도메인에서의 모드별 고유진동수 분석에 대하여 노이즈를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법은 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 추가적인 장비가 없어 경제적이며 효율적으로 구조물의 동적응답 및 모드별 고유진동수에 대하여 추출이 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 11에 의거하여 상세히 설명하며, 각 도면에서 일반적인 구조물의 동특성 추정과 관련된 방법론, 영상계측시스템의 구성 및 작동으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 적용하는 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면의 도시에 있어서 요소들 사이의 크기 비가 다소 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면의 표현 차이는 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 별도의 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법이 적용된 디지털 영상처리를 이용한 구조물의 동특성 측정방법을 보여주는 플로우챠트이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용된 진동법을 설명하기 단순지지 케이블 모델의 도면이다.
디지털 영상처리에 있어서 DIC(digital image correlation)기법(Bruck 등, 1986; Vendroux 등, 1998)은 실험역학분야에서 구조물의 표면에 대한 변형을 측정하기 위해 사용되고 있으며 그 기본 원리는 변형 및 변형되지 않는 이미지 사이의 최대상관관계를 찾는 것이다. 그 중에서도 정규상호상관(normalized cross correlation)은 빛과 조명의 변화에 둔감하며, 비율 및 회전의 변화에 대해 불변한 특성을 가지며 임계한계(threshold limit)를 설정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예에서는 DIC기법 중에서 정규상호상관이 현장실험에 대하여 적용성이 높다고 판단되어 정규상호상관을 사용하였다. 정규상호상관은 2차원 ROI(region of interest) window내에서 target window 함수 T의 패턴에 대한 위치를 계산하기 위한 간단한 매칭 방법이다.
도 1을 참조하면, 변형이 없는 상태의 이미지와 변형이 있는 상태의 이미지를 매칭할 경우 단위 픽셀을 사용하지 않고 target window인 픽셀 집합을 이용한다. 이는 구조물의 최대상관관계를 구할 때 단위 픽셀을 사용하면 변형 후의 이미지에서 같은 명암의 레벨을 가지는 수많은 단위 픽셀들이 존재할 가능성이 높아 동일 픽셀에 근거한 해석이 용이하지 못하기 때문에 픽셀 집합을 이용한다.
Target은 변형이 없는 이미지의 ROI window 사이의 픽셀에 의해 이동되며 변형이 있는 이미지에서 target이 (x-u, y-υ)의 좌표변화를 하여 ROI window에 최적으로 매칭되는 곳을 찾기 위하여 상관관계단계를 형성한다. 변형이 없는 이미지에서 임의의 명암 패턴을 가지는 target window인 정사각형 픽셀 집합을 만들고 변형이 발생한 이미지에서 그와 가장 유사한 패턴을 가지는 픽셀 집합을 상관성으로부터 찾아 변형을 측정하고 싶은 지점인 기준점의 변화를 결정하는 것이다. ROI 이미지에 대한 픽셀 집합의 상관성은 식 (1)로부터 정규상호상관계수를 구하여 결정한다.
Figure 112011092626517-pat00010
---- 식 (1)
최대 정규상호상관계수
Figure 112011092626517-pat00011
의 값과 일치하는 픽셀의 위치 (u,υ)는 ROI window에 target이 최적으로 매칭되는 위치에 해당되며 R은 ROI window내의 target window와 동일한 사이즈의 픽셀 집합을 의미한다.
Figure 112011092626517-pat00012
는 u,υ단계에 의해 이동된 target window의 현 위치와 일치되는 영역에서의 명암에 대한 평균값이며
Figure 112011092626517-pat00013
는 target window의 명암에 대한 평균값으로 정의되며 한번만 계산된다.
시간에 따라 변화하는 이미지의 여러 지점에서 변형을 구하기 위하여 필요한 수많은 ROI window에서 정규상호상관을 계산하기에는 비효율적이다. 따라서 식 (1)에서 정규상호상관의 분모를 계산하기 위하여 필요한 계산양의 감소를 위해 두 개의 sum-table을 사용하였다. Sum-table은 정규상호상관을 계산하기 위해 필요한 연산수의 감소 및 참조 표처럼 실행되는 사전에 계산된 데이터 구조이다.
Figure 112011092626517-pat00014
---- 식 (2)
Figure 112011092626517-pat00015
---- 식 (3)
토목구조물은 교통하중이나 풍하중 등에 의한 외력에 의해 구조물이 변형을 일으키게 된다. 그러나 변형이 없는 이미지와 변형이 있는 이미지 사이에는 외력에 의해 기하학적인 왜곡이 발생하여 구조물에 대한 정밀한 동적응답을 추출하기에는 어려움이 있다. 따라서 변형이 없는 이미지와 변형이 있는 이미지 사이의 기하학적인 왜곡을 보정해 주는 이미지 변환 함수(image transform function)를 구해야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 비선형적인 변형과 움직임에 적합한 식 (4)와 같은 2차 다항식을 사용하였다. 식 (4)와 같이 2차 다항식의 경우 6개의 계수 값을 구하기 위해서 구조물의 움직임을 나타내주는 최소 6개의 변형이 없는 이미지의 좌표와 변형이 있는 이미지의 좌표가 필요하다. 이러한 좌표는 이미지 위의 변형을 측정하고 싶은 지점인 기준점을 표시하여 얻어 내게 되며 그 기준점의 좌표를 이용하여 변형이 있는 이미지의 픽셀 좌표를 변형이 없는 이미지 기준으로 픽셀의 위치를 재정렬 시켜주게 된다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 검증하기 위해 9개의 변형이 없는 이미지의 좌표와 변형이 있는 이미지의 좌표로 픽셀의 위치를 재정렬 하여 단위픽셀이하를 계산하였다.
Figure 112011092626517-pat00016
---- 식 (4)
한편, 본 발명의 바람직한 실시예의 실험에서 영상계측시스템은 케이블 설치 작업과 신호를 저장하기 위한 부수적인 장비들이 필요가 없으며 휴대성과 설치가 편리한 디지털 캠코더(SAMSUNG VM-HMX 10A)를 사용하였다. 또한 원거리에 위치한 구조물의 동적응답을 계측하기 위하여 캠코더가 가지고 있는 동영상 촬영, 저장 및 광학줌 기능을 이용하여 실험을 수행하였으며 추가적인 장비를 사용하지 않아 경제적으로 구성되었다.
디지털 영상처리를 이용하여 구조물의 동특성을 추출하는 방법들은 영상계측시스템을 통해 입력받은 영상을 이용한다. 그러나 구조물을 계측함에 있어 고정되지 않은 영상계측시스템을 이용하여 계측할 경우 설치 장소의 진동 또는 외부 바람의 영향에 의해 영상계측시스템에 미세한 흔들림이 발생하여 케이블에 대한 동적응답 및 모드별 고유진동수 추출에 어려움이 있다. 또한 구조물 내에 영상계측시스템을 고정하여 계측하는 경우에도 교통하중이나 풍하중 등에 의한 구조물의 상시진동의 영향으로 영상계측시스템은 구조물과 함께 흔들릴 수 있다. 이러한 영상계측시스템의 흔들림은 구조물의 동적응답을 추정함에 있어서 동적응답에 대한 고정된 기준을 제시하지 못하도록 한다. 따라서 추정된 구조물의 동적응답은 영상계측시스템의 흔들림이 포함하게 되어 영상 분석 오차의 요인이 될 수 있다.
이와 같은 점을 고려하여 본 발명의 바람직한 실시예에는 외부의 영향에 의해 생기는 영상계측시스템의 흔들림을 보정하여 구조물의 건전도 평가 오차를 줄이고 인식률 향상을 가져올 수 있는 흔들림 보정방법 적용하였다. 즉 본 발명에 따른 보정방법은 만약 한 영상의 배경에 위치한 고정된 물체(빌딩 등)가 영상계측시스템과의 거리가 멀어 획득된 영상 안에서 움직이지 않는다고 가정하면 영상에서 획득한 고정된 물체의 동적응답은 영상계측시스템의 흔들림이라 할 수 있다. 따라서 2차원 이미지에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값(픽셀기반)를 연산처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정을 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 적용하면 계측 대상 구조물의 동적응답이 보다 정밀해져 주파수 도메인에서의 모드별 고유진동수 분석에 대하여 노이즈를 감소시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법은 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 추가적인 장비가 없어 경제적이며 효율적으로 구조물의 동적응답 및 모드별 고유진동수에 대하여 추출이 가능하다.
Figure 112011092626517-pat00017
--- 식 (5)
Figure 112011092626517-pat00018
--- 식 (6)
여기서 식 (5)는 시간 도메인에서의 보정 방법을 나타내었으며, 식 (6)은 식(5)의 주파수 도메인에서의 응답이다. 식 (5)에서
Figure 112011092626517-pat00019
는 구조물의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00020
는 고정된 물체의 동적응답,
Figure 112011092626517-pat00021
는 보정된 구조물의 동적응답을 나타내었다. 식(6)에서
Figure 112011092626517-pat00022
는 보정된 구조물의 동적응답에 대한 주파수 도메인에서의 응답을 나타낸다.
다시, 도 1을 참조하면, 디지털 영상처리를 이용한 구조물의 동특성 측정방법은 총 8단계로 분류된다. 획득된 영상 파일을 이미지 파일로 시간순서대로 변환하여 2차원 이미지를 형성하고, 변형이 없는 2차원 이미지에서 target window내의 변형을 알고 싶은 지점 및 영상계측시스템의 흔들림을 보정하기 위하여 상기 2차원 이미지내에서의 고정된 물체에 대하여 기준점을 지정한다. ROI window의 효율적인 설정을 위해 target의 최대 움직임을 계산하여 상관관계 크기를 결정하며 정규상호상관의 계산양의 감소, 효율적인 계산을 위해 sum-table을 계산한다. 구조물 및 고정된 물체가 ROI window에서 최적으로 매칭 되는 곳의 정보를 제공하기 위해 정규상호상관을 계산하며 단위픽셀이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 픽셀의 위치를 재정렬 시켜 주게 되어 기하학적인 왜곡을 보정하여 단위픽셀이하를 계산하게 된다. 2차원 (영상) 이미지 상에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체(건물 등)에서 획득한 동적응답 데이터(픽셀기반)를 연산 처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정하게 되며 보정된 동적응답에 PSD 함수를 적용하여 모드별 고유진동수를 추출하게 된다. 이와 같은 방법을 도 1에 요약된 플로챠트와 같이 여러 ROI window에 대하여 적용하면 여러 지점에서의 보정된 동적응답 및 모드별 고유진동수를 얻어낼 수 있으며 본 발명에서는 위에 설명된 동특성 측정방법을 MATLAB7.0을 이용하여 자동화된 프로그램을 작성하여 사용하였다.
일반적으로 진동법에서는 케이블의 휨강성, 장력, 질량 등의 영향을 고려하여 운동방정식을 구성하며 케이블의 진동모드에 따라 측정된 고유진동수를 적용하여 케이블의 장력을 추정한다. 도 2와 같은 케이블 모델에서 시간 t, 케이블 하단부로부터 거리 x만큼 떨어진 지점에서 케이블 현의 수직방향 동적변위 υ(x, t)에 대한 운동방정식은 식 (7)과 같이 구성된다.
Figure 112011092626517-pat00023
--- 식 (7)
여기서 T와 EI는 각각 케이블의 장력과 휨강성을 나타내며, g는 단위 길이당 중량, ℓ는 중력가속도이다. 식 (7)의 미분방정식을 케이블의 여러 조건의 영향을 고려하여 풀면 다양한 장력식이 유도되며, 본 실시예의 실험에서는 Shimada에 의해 유도된 장력식(Shimada, 2000)을 적용하였다. Shimada의 장력 추정기법은 다중진동모드를 사용하여 식 (8)과 같은 장력식을 유도한 후,
Figure 112011092626517-pat00024
과
Figure 112011092626517-pat00025
이 1차의 선형관계로부터 케이블 장력을 추정하는 것이다. 여기서
Figure 112011092626517-pat00026
은 진동모드차수,
Figure 112011092626517-pat00027
은
Figure 112011092626517-pat00028
번째 진동모드에 해당하는 케이블의 고유진동수를 의미한다. 따라서 케이블의 고유진동수와 진동모드차수의 1차 선형 회귀 특성을 이용하여 식 (8)에 나타난 1차 선형회귀식의
Figure 112011092626517-pat00029
를 구하여 식 (9)와 같이 케이블 장력을 추정할 수 있다.
Figure 112011092626517-pat00030
---- 식 (8)
Figure 112011092626517-pat00031
----- 식 (9)
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법을 검증하기 위한 광안대교의 행어 케이블의 계측 위치를 보여주는 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법의 검증을 위한 실험에서 고정된 물체 및 센서의 설치 위치를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3에서 본 실시예에서는 디지털 영상처리를 이용한 현수교 행어 케이블의 동특성 추정을 검증하기 위하여 대한민국 부산 광안리와 해운대를 연결한 공용중인 현수교(광안대교)에서 실험을 수행하였다.
광안대교의 행어 케이블은 주탑을 기준으로 경간 중앙으로 갈수록 길이가 점점 짧아지는 형태를 갖고 있다. 따라서 본 실험에서는 긴 케이블뿐만 아니라 중간 케이블, 짧은 케이블을 대표적으로 선정하여 케이블의 동특성을 측정하였다. 동특성 측정 대상케이블은 3개소의 행어 케이블로서 해변측에 위치한 개소를 선정하였다. 각각의 개소에는 한 개의 행어 케이블 밴드에 2개 그룹의 행어 케이블이 설치되어 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 검증하기 위하여 도 4 및 도 5와 같이 센서를 설치하여 상시진동실험을 수행하였다. 센서는 행어케이블의 형상으로도 동특성 추정이 가능하므로 target을 설치하지 않고 케이블의 형상을 이용하여 동적응답을 추출하였다. 가속도 센서는 A-1과 B-1 행어 케이블에는 설치하였으며 A-2와 B-2 행어 케이블에는 접근이 어려워 가속도 센서를 설치하지 못하였다. 실험은 일반 휴대용 디지털 캠코더(SAMSUNG VM-HMX 10A)를 이용하여 1280x720의 영상을 초당 60프레임으로 계측하였으며 주파수 해상도는
Figure 112011092626517-pat00032
는 0.01465Hz로 하였다. 가속도센서(PCB 393BO4)는 데이터 취득속도 100Hz로 계측하였으며 주파수 해상도
Figure 112011092626517-pat00033
는 0.0122Hz로 하였다. 실험을 수행하기에 앞서 target의 길이에 대응하는 픽셀의 값을 계측하였다. 그 결과 A-1 및 B-1에 대한 행어 케이블의 직경은 61mm이고, 이에 상응하는 픽셀은 60개 이므로 한 픽셀의 해상도는 1.017mm이다. 유사하게 A-2, B-2에 대한 행어 케이블의 직경은 61mm이고 이에 상응하는 픽셀은 42개이므로 한 픽셀의 해상도는 1.452mm가 된다. 또한 도 4에서 정사각형으로 표시된 지역이 ROI window를 나타내었으며 고정된 물체, 각 행어케이블은 80x80 pixel로 서로 간섭이 일어나지 않게 ROI window를 설정하였다.
도 6 및 도 8은 No. 54-A-1 및 No. 60-B-1 행어 케이블의 가속도 응답, 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 고정된 물체의 동적응답, 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 행어 케이블의 동적응답과 고정된 물체를 이용하여 영상계측시스템의 흔들림을 보정한 동적응답을 나타낸 그림이다. 그리고, 도 7 및 도 9는 행어 케이블의 가속도 응답에 대한 PSD 함수, 고정된 물체(건물)에 대한 PSD 함수, 행어 케이블의 동적응답에 대한 PSD 함수와 고정된 물체를 이용하여 영상계측시스템의 흔들림이 보정된 동적응답에 대한 PSD 함수를 나타낸 그림이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 행어 케이블의 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 동적응답에 대한 PSD 함수 그래프에서 1차 고유진동수는 추출이 가능하나 2차 고유진동수는 노이즈 대역에 있어 추출에 어려움이 있음을 확인할 수 있다. 그러나 영상계측시스템의 흔들림을 보정하면 노이즈 대역이 감소하므로 2차 고유진동수 추출이 가능함을 확인할 수 있다. 또한 도 8에서 행어 케이블의 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 동적응답에 대한 PSD함수를 보면 영상계측시스템의 흔들림에 대한 성분을 확인할 수 있으며 카메라의 흔들림을 보정하면 카메라 흔들림 성분이 상대적으로 감소함을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에서 제안한 고정된 물체를 이용한 영상계측장비 흔들림 보정방법을 적용하여 계측 대상 구조물의 동적응답이 보다 정밀해져 주파수 도메인에서의 모드별 고유진동수 분석에 대하여 노이즈를 감소시킬 있는 것이다.
표 1는 No. 54 행어 케이블에 대한 모드별 고유진동수와 장력을 보여주는 도표이고, 표 2는 No. 60 행어 케이블에 대한 모드별 고유진동수와 장력을 보여주는 도표이다.
Figure 112011092626517-pat00034
Figure 112011092626517-pat00035
표 3 및 표 4를 참조하면, 가속도 센서와 영상계측시스템의 흔들림이 보정하여 디지털 영상처리를 이용하여 추출된 고유진동수가 0.5%의 오차 이내로 그 오차가 매우 적은 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서 적용한 영상계측시스템 흔들림 보정방법에 의해 추출한 다중 동적응답 결과의 신뢰성이 양호한 것을 알 수 있다.
본 실시예에서는 A-1 및 B-1 행어 케이블에 대한 동특성 추정이 가능하므로 No. 66 행어 케이블에 대하여서는 A-2, B-2 행어 케이블에 대하여서도 동특성을 추정하였다.
도 9는 No. 66 행어 케이블 B-1 지점에서의 가속도 센서에 의해 계측된 응답, 디지털 영상처리를 이용하여 얻은 고정된 물체의 동적응답, B-1 및 B-2 지점에서의 행어 케이블 형상에 대하여 디지털 영상처리 이용하여 얻은 동적응답과 영상계측시스템의 흔들림이 보정된 동적응답을 보여주고 있다. 도 10에서 B-1과 B-2 행어 케이블의 형상을 이용하여 추출된 동적응답에 대한 PSD 함수 그래프에서 흔들림을 보정하기 전의 동적응답에서 7차 고유진동수에 대하여 추출이 어려움을 확인할 수 있다. 그러나 영상계측시스템의 흔들림을 보정하면 상대적으로 영상계측시스템의 흔들림에 대한 노이즈 대역이 적어져 7차 고유진동수에 대하여 추출이 가능함을 확인할 수 있다. 또한 카메라의 흔들림을 보정하면 B-1 행어케이블의 응답의 8차 고유진동수가 상대적으로 더 명확하게 나타남을 확인할 수 있다. 각 행어 케이블에 대한 모드별 고유진동수와 진동법에 의해 추출된 장력을 보인 표 3을 보면, 가속도 센서와 디지털 영상처리를 이용하여 영상계측시스템의 흔들림이 보정된 동적응답에서 추출된 모드별 고유진동수와 장력이 0.5%의 오차 이내의 정확도를 확인할 수 있다.
Figure 112011092626517-pat00036
이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법은 행어 케이블의 동특성을 추정하는 경우에 적합한 방법으로 휴대용 디지털 캠코더를 기반으로 하는 디지털 영상처리를 이용한 비접촉식 계측방법이다. 광안대교 행어 케이블에 대한 장력을 측정하기 위해 영상계측시스템에 대한 설치 장소의 진동 또는 외부 바람의 영향에 의해 발생하는 미세한 흔들림을 추가적인 센서의 설치 없이 한 영상내의 고정된 물체를 이용하여 보정함으로써 경제적이며 효율적으로 케이블의 동적응답 및 모드별 고유진동수의 해상도를 향상시켰다. 또한 가속도 센서와 디지털 영상처리를 이용하여 추출된 모드별 고유진동수와 장력이 0.5% 오차 이내의 정확도를 가지는 것을 확인할 수 있었으며 target을 설치하지 않고 행어 케이블의 형상으로도 행어케이블의 동특성 추출이 가능함을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 디지털 영상처리를 이용하여 대상 구조물의 동특성을 추출할 때 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 있어서,
    획득된 영상 파일을 이미지 파일로 시간순서대로 변환하여 2차원 이미지를 형성하고,
    상기 2차원 이미지에서 타켓 윈도우(target window)내의 변형을 알고 싶은 지점 및 영상계측시스템의 흔들림을 보정하기 위하여 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에 대하여 기준점을 지정하며,
    타켓(target)의 최대 움직임을 계산하여 상관관계 크기를 결정하여 관심영역(ROI window)을 설정하고, 합계표(sum-table)을 계산하며,
    구조물 및 고정된 물체가 관심영역(ROI window)에서 최적으로 매칭 되는 곳의 정보를 제공하기 위해 정규상호상관을 계산하고, 단위픽셀이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 픽셀의 위치를 재정렬시켜 주게 되어 기하학적인 왜곡을 보정하여 단위픽셀이하를 계산하며,
    상기 2차원 이미지 상에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 픽셀기반의 동적응답 데이터를 연산 처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정하고,
    상기 보정된 동적응답에 응답합수(PSD)를 적용하여 모드별 고유진동수를 추출하는 것을 포함하여;
    2차원 이미지에서 취득된 상기 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값을 연산처리하여 상기 대상 구조물에 대한 동적응답을 보정하고,
    상기 대상 구조물에 대한 동적응답의 보정시 시간 도메인에서의 보정은
    Figure 112013030432853-pat00037
    의 수학식에 의해 이루어지고,
    여기에서,
    Figure 112013030432853-pat00038
    는 보정된 대상 구조물의 동적응답,
    Figure 112013030432853-pat00039
    는 대상 구조물의 동적응답,
    Figure 112013030432853-pat00040
    는 고정된 물체의 동적응답인 것을 특징으로 하는 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법.
  3. 디지털 영상처리를 이용하여 대상 구조물의 동특성을 추출할 때 영상계측장비의 흔들림 보정방법에 있어서,
    획득된 영상 파일을 이미지 파일로 시간순서대로 변환하여 2차원 이미지를 형성하고,
    상기 2차원 이미지에서 타켓 윈도우(target window)내의 변형을 알고 싶은 지점 및 영상계측시스템의 흔들림을 보정하기 위하여 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에 대하여 기준점을 지정하며,
    타켓(target)의 최대 움직임을 계산하여 상관관계 크기를 결정하여 관심영역(ROI window)을 설정하고, 합계표(sum-table)을 계산하며,
    구조물 및 고정된 물체가 관심영역(ROI window)에서 최적으로 매칭 되는 곳의 정보를 제공하기 위해 정규상호상관을 계산하고, 단위픽셀이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 픽셀의 위치를 재정렬시켜 주게 되어 기하학적인 왜곡을 보정하여 단위픽셀이하를 계산하며,
    상기 2차원 이미지 상에서 취득된 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 픽셀기반의 동적응답 데이터를 연산 처리하여 구조물에 대한 동적응답을 보정하고,
    상기 보정된 동적응답에 응답합수(PSD)를 적용하여 모드별 고유진동수를 추출하는 것을 포함하여;
    2차원 이미지에서 취득된 상기 대상 구조물에 대한 동적응답 데이터 값에 상기 2차원 이미지의 고정된 물체에서 획득한 동적응답 데이터 값을 연산처리하여 상기 대상 구조물에 대한 동적응답을 보정하고,
    상기 대상 구조물에 대한 동적응답의 보정시 주파수 도메인에서의 응답은
    Figure 112013030432853-pat00041

    의 수학식에 의해 이루어지고,
    여기에서,
    Figure 112013030432853-pat00042
    는 보정된 대상 구조물의 동적응답,
    Figure 112013030432853-pat00043
    는 대상 구조물의 동적응답,
    Figure 112013030432853-pat00044
    는 고정된 물체의 동적응답,
    Figure 112013030432853-pat00045
    는 보정된 대상 구조물의 동적응답에 대한 주파수 도메인에서의 응답인 것을 특징으로 하는 고정된 물체를 이용한 영상계측장비의 흔들림 보정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1023322A (ja) * 1996-07-08 1998-01-23 Hitachi Ltd カメラ揺れ補正方法および画像監視システム
JP2009267466A (ja) * 2008-04-22 2009-11-12 Mega Chips Corp 動体検知機能付監視カメラ

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