KR101285256B1 - Apparatus and method for vibration measurement using the method of high speed image processing and cross-correlation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 물체의 진동 측정방법에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 상호상관방식을 이용한 고속화상처리기법을 사용하여, 연속한 2-프레임 이미지 내의 다중격자를 설정하고 상호상관기법을 이용하여 각 격자의 정량적인 진동을 찾아내는 측정 방식이다.
The present invention relates to a method for measuring the vibration of an object, and more specifically, using a high-speed image processing method using a cross-correlation method, to set a multi-lattice in a continuous two-frame image and each grid using a cross-correlation method It is a measurement method to find quantitative vibration of.
진동하는 물체에 대하여, 물체의 각 지점마다 어떠한 동적 특성을 가지는지 파악하는 것은 각종 동작 기계의 성능평가, 피로 해석 등 매우 많은 산업분야에 적용할 수 있는 기술에 해당한다.
Knowing the dynamic characteristics of each object of a vibrating object corresponds to a technique that can be applied to a large number of industrial fields such as performance evaluation of various operating machines and fatigue analysis.
본 발명은 관심 표면의 전체 진동특성(vibration characteristics)을 순간적으로 측정하는 방법으로서, CCD 카메라를 이용하여 물체 표면에 나타난 메쉬 이미지 영상을 촬영하고, 획득된 이미지 영상에 대하여 상호상관(cross correlation) 기법을 이용함으로써, 물체의 진동을 측정하는 기술에 속한다.
The present invention is a method for instantaneously measuring the overall vibration characteristics of the surface of interest, using a CCD camera to take a mesh image image appearing on the surface of the object, and cross-correlation (cross correlation) technique for the acquired image image By using, belongs to the technique of measuring the vibration of the object.
특히 본 발명에서는, 촬영된 영상 중 연속한, 두개의 이미지(2-프레임이미지)의 소해석창에 해당하는 다중격자에 대하여 상호상관기법을 이용하여 각 격자의 정량적인 진동을 측정하는, 2-프레임 격자변위법(2-frame MDM(Mesh Displacement Method))을 이용한다는 점에 특징이 있다.
In particular, in the present invention, a two-frame that measures the quantitative vibration of each grating using a cross-correlation method for the multi-lattice corresponding to the small analysis window of two images (two-frame image) in the continuous image taken It is characterized by using the lattice displacement method (2-frame Mesh Displacement Method).
변동하중에 놓여있는 구조물의 표면은 전체적으로 다양한 변위정보를 담고 있으며, 이 변위정보를 연속으로 획득한 화상으로 영상처리하여 정량적인 진동특성을 구하는 2-프레임 격자변위법은 본 발명에서 최초로 제시하는 기술로서 진동하는 연속된 영상처럼 정성적인 순간 진동정보를 제공할 뿐만 아니라 우수한 공간분해능을 갖는 정량적인 진동정보를 추출해 낼 수 있는 새로운 측정기법이다.
The surface of a structure under variable load contains various displacement information as a whole, and the two-frame lattice displacement method for obtaining quantitative vibration characteristics by image processing of the displacement information into images obtained continuously is the technique proposed for the first time in the present invention. It is a new measurement technique that can provide qualitative instantaneous vibration information as well as extract continuous quantitative vibration information with excellent spatial resolution.
본 발명에서는 변동하중에 놓인 구조물 표면의 진동특성을 파악하기 위하여 상호상관방식의 고속화상처리기법을 이용하여 연속하는 2-프레임이미지 내 다중격자를 설정하고 상호상관기법을 이용하여 각 격자의 정량적인 진동을 측정하는 기법을 제시함을 목적으로 한다.
In the present invention, in order to grasp the vibration characteristics of the surface of the structure subjected to the variable load, the multi-lattice in the continuous two-frame image is set by using the cross-correlation high speed image processing method, and the quantitative The purpose of this paper is to present a technique for measuring vibration.
본 발명에 사용되는 장치로는, 광원을 발생시키기 위한 광원발생기, 상기 광원발생기로부터 발생된 광원을 확장시키기 위한 광원확장렌즈모듈, 상기 광원확장렌즈모듈로부터 확장된 광원 전방에 놓여 있어 광원이 통과한 후 일정한 메쉬가 비쳐지도록 하는 메쉬그리드, 상기 메쉬그리드를 통과한 빛이 관심 물체에 부딪혀 이루는 메쉬이미지영상, 상기 메쉬이미지영상을 촬영하기 위한 카메라 및 상기 카메라로부터 취득된 이미지영상 정보를 처리하기 위한 이미지획득보드와 이미지처리시스템 등을 포함한다.The apparatus used in the present invention includes a light source generator for generating a light source, a light source expansion lens module for expanding a light source generated from the light source generator, and a light source extending in front of the light source extended from the light source extension lens module, A mesh grid that allows a predetermined mesh to be reflected thereafter, a mesh image image formed by light passing through the mesh grid hitting an object of interest, a camera for photographing the mesh image image, and an image for processing image image information acquired from the camera Acquisition boards and image processing systems.
본 발명에서는, 상호상관방식의 2-프레임 격자변위법 알고리듬의 수행함으로써, 도 6과 같이, 메쉬이미지영상의 각 지점에서의 변위벡터를 산출해 낼 수 있다. In the present invention, by performing a cross-correlation two-frame lattice displacement algorithm, as shown in Figure 6, it is possible to calculate the displacement vector at each point of the mesh image image.
이러한 변위벡터 산출을 위해서는 2장의 메쉬이미지 속에 있는 메쉬영상들의 가능한 변위벡터들을 모두 고려하여 상관관계 해석을 수행하는데, 두 개의 연속한 이미지(2-프레임 이미지) 정보로부터, 소해석창에 매칭되는 물체의 각 지점의 변위에 대한 상호상관도를 반복 계산하여 상호상관도가 가장 높은 것을 변위벡터로 구하게 된다.To calculate the displacement vector, correlation analysis is performed by considering all possible displacement vectors of the mesh images in two mesh images. From the information of two consecutive images (two-frame image), The cross-correlation for each displacement is calculated repeatedly to find the highest cross-correlation as the displacement vector.
보다 자세한 발명의 구성은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 상세히 설명하도록 한다.
More detailed configuration of the invention will be described in detail in the detailed description for carrying out the invention.
본 발명은 진동특성을 측정하는 방법에 관한 것으로 상호상관방식의 알고리듬을 2장의 입력영상에 적용함으로써 진동특성을 효과적으로 측정하여 다음과 같은 장점이 있다.The present invention relates to a method for measuring vibration characteristics. By applying a cross-correlation algorithm to two input images, the vibration characteristics are effectively measured and have the following advantages.
첫째, 진동하는 물체 표면의 많은 부위에서의 변위벡터를 동시에 취득할 수 있고 진동 물체를 직접 촬영한 정보를 처리하여 물체의 동적 특성이 파악되므로 측정오차가 적으며, 측정가능한 변위범위가 넓고 계산시간이 매우 짧다는 이점이 있다.First, it is possible to acquire displacement vectors at many parts of the surface of the vibrating object at the same time and process the information of directly photographing the vibrating object to grasp the dynamic characteristics of the object so that the measurement error is small. This has the advantage of being very short.
둘째, 본 발명을 사용하기 위한 하드웨어의 가격이 저렴하고 메쉬이미지 영상의 정확한 변위추출이 가능하며 연속된 2장의 영상만으로 각 동적 부위의 변위추적을 효율적으로 수행할 수 있기 때문에, 비디오 카메라나 고속 CCD 카메라에 의해 촬영된 이미지 영상을 처리하여 물체의 복잡한 진동특성 해석에 매우 적합하다. 게다가 진동하는 물체의 수많은 연속적인 진동 특성에 관한 정보 취득이 가능하다는 장점이 있다.
Secondly, since the hardware price for using the present invention is inexpensive, accurate displacement extraction of the mesh image is possible, and the displacement tracking of each dynamic portion can be efficiently performed with only two consecutive images, and therefore, a video camera or a high-speed CCD It is suitable for analyzing the complex vibration characteristics of an object by processing the image taken by the camera. In addition, it is possible to obtain information on numerous continuous vibration characteristics of a vibrating object.
세째, 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 고속화상처리기법은 측정에 사용되는 하드웨어의 구성이 단순하면서도 측정결과가 매우 정확하다.
Third, the high-speed image processing technique of the two-frame cross-correlation method according to the present invention is simple in configuration of hardware used for the measurement, but very accurate measurement results.
도 1 및 도 7은 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 격자변위법을 사용하는 진동특성 측정장치의 일 실시 예를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 격자변위법을 사용하는 진동특성 추출을 위한 순서도,
도 3은 상호상관방식의 2-프레임의 정의개념도,
도 4는 두 개의 프레임의 소해석창을 상관해석하여 변위특성량을 추출하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 2-프레임 격자변위법을 적용하여 소해석창에서 구해진 상호상관값의 일례를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 2-프레임 격자변위법에 의해 예측된 물체의 각 부위에 대한 변위벡터의 해석결과를 나타낸 도면이다.1 and 7 are block diagrams showing an embodiment of an apparatus for measuring vibration characteristics using a lattice displacement method of a two-frame cross-correlation method according to the present invention;
2 is a flowchart for extracting vibration characteristics using a lattice displacement method of a two-frame cross-correlation method according to the present invention;
3 is a conceptual diagram of a two-frame correlation method;
4 is a view for explaining a process of extracting displacement characteristic amount by correlating small analysis windows of two frames;
5 is a view showing an example of the cross-correlation value obtained in the small analysis window by applying the two-frame lattice displacement method according to the present invention,
FIG. 6 is a diagram illustrating an analysis result of a displacement vector of each part of an object predicted by the 2-frame lattice displacement method according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도면을 참조하며 구체적으로 설명한다. 다만 이하의 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 권리범위는 특허청구범위로부터 파악되는 발명 범위와 균등한 수준의 발명에까지 그 권리가 미침을 미리 밝혀 둔다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples, and the rights extend to the invention equivalent to the scope of the invention as grasped from the claims.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 격자변위법을 사용하는 진동특성 측정장치의 일 실시 예를 나타낸 그림이다. 도 7에서는 도 1의 메쉬그리드를 통과한 빛이 메쉬이미지영상이 진동하는 구조물에 비쳐진 상태를 보이고 있다.
1 is a view showing an embodiment of a vibration characteristic measuring apparatus using a grid displacement method of the two-frame cross-correlation method according to the present invention. In FIG. 7, light passing through the mesh grid of FIG. 1 is reflected on a structure in which the mesh image image vibrates.
도 1을 참조하면, 본 발명에 사용되는 장치로는, 광원을 발생시키기 위한 광원발생기, 상기 광원발생기로부터 발생된 광원을 확장시키기 위한 광원확장렌즈모듈, 상기 광원확장렌즈모듈로부터 확장된 광원 전방에 놓여 있어 광원이 통과한 후 일정한 메쉬가 비쳐지도록 하는 메쉬그리드, 상기 메쉬그리드를 통과한 빛이 관심 물체에 부딪혀 이루는 메쉬이미지영상, 상기 메쉬이미지영상을 촬영하기 위한 카메라 및 상기 카메라로부터 취득된 이미지영상 정보를 처리하기 위한 이미지획득보드와 이미지처리시스템 등을 포함한다.Referring to FIG. 1, a device used in the present invention may include a light source generator for generating a light source, a light source expansion lens module for extending a light source generated from the light source generator, and a light source extended in front of the light source extended lens module. A mesh grid in which a predetermined mesh is reflected after the light source passes through, a mesh image image in which light passing through the mesh grid strikes an object of interest, a camera for photographing the mesh image image, and an image image obtained from the camera It includes an image acquisition board and an image processing system for processing information.
한편, 메쉬그리드를 통과한 빛은 확장광원 조사부로 도 1에 표시되어 있다.
On the other hand, the light passing through the mesh grid is shown in Figure 1 as an extended light source irradiator.
도 1에 있어서, 광원 발생기는 조명에 사용할 광을 연속적 또는 펄스 형태로 광섬유를 통하거나 직접 광원 확장렌즈 모듈로 광원을 제공한다.
In Figure 1, the light source generator provides a light source through the optical fiber in the form of continuous or pulsed light to be used for illumination, or directly to the light source extension lens module.
광원 확장렌즈모듈은 광원을 원통형 혹은 구형 렌즈를 지나게 하여 광원(??)을 확장시키고, 메쉬그리드를 통과시켜 원하는 메쉬이미지 영상을 물체의 소정의 면에 투영시키도록 한다.
The light source expansion lens module extends the light source (??) by passing the light source through a cylindrical or spherical lens, and passes the mesh grid to project a desired mesh image image on a predetermined surface of an object.
CCD 카메라는 광원발생기에 의해 발생된 메쉬이미지영상을 촬영하여 이에 따른 영상신호를 컴퓨터 본체로 제공하게 되는데, 컴퓨터 본체 내의 이미지 획득보드는 CCD 카메라로부터 제공되는 영상신호를 파일형태로 기억장치에 저장한다.
The CCD camera photographs the mesh image generated by the light source generator and provides an image signal according to the image generator. The image acquisition board in the computer main body stores the image signal provided from the CCD camera in the form of a file in the storage device. .
컴퓨터 시스템은 이미지 획득보드로부터 디지털 영상신호를 제공받아 도 2에도시된 처리 순서로 처리되어 물체의 진동특성 등의 측정결과를 모니터에 디스플레이시킨다.
The computer system receives the digital image signal from the image acquisition board and is processed in the processing sequence shown in FIG. 2 to display measurement results such as vibration characteristics of the object on a monitor.
도 2는 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 격자변위법을 사용하는 진동특성 측정방법의 실시예를 단계별로 나타낸 순서도이다. Figure 2 is a flow chart showing step by step an embodiment of a method for measuring vibration characteristics using a grid displacement method of the two-frame cross-correlation method according to the present invention.
CCD 카메라에 의하여 촬영된 영상은 영상보정되어 모눈종이 형태로 만들어진 보정영상이 획득된다. 이때, 보정영상은 획득된 영상의 화소 좌표를 물리적 좌표로 변환시키는데 이용되며 최종적으로 물체의 각 지점에서의 진동에 의한 변위벡터 (displacement vector) 추출하는데 이용된다.
The image taken by the CCD camera is image corrected to obtain a corrected image made of grid paper. In this case, the corrected image is used to convert the pixel coordinates of the acquired image into physical coordinates and finally extract a displacement vector due to vibrations at each point of the object.
메쉬이미지 영상을 수 백장 혹은 수 천장 연속적으로 촬영할 경우에는 CCD 카메라 대용으로 일반 비디오 카메라나 고속 CCD 카메라가 사용될 수도 있다.In the case of continuous shooting of hundreds or thousands of mesh images, a general video camera or a high-speed CCD camera may be used instead of a CCD camera.
고속 진동특성을 측정할 경우, 고속카메라의 속도를 올려서 2장의 입자 영상을 짧은 시간 간격으로 획득한다. 비월전송형(inter-line transfer)의 일반 CCD 카메라의 경우 1 초에 30 프레임 영상을 획득하여 RS-170 흑백신호방식으로 전송한다. 이때, 획득된 입자영상을 짝수필드영상과 홀수필드영상으로 분할하게 되면 시간간격을 1/60 초로 줄일 수 있어 시간분해능(temporal resolution)을 증가시킬 수도 있다.
When measuring high-speed vibration characteristics, two particle images are acquired at short time intervals by increasing the speed of the high-speed camera. In the case of a general CCD camera of inter-line transfer, 30 frame images are acquired in 1 second and transmitted by RS-170 monochrome signal method. In this case, when the obtained particle image is divided into an even field image and an odd field image, the time interval may be reduced to 1/60 second, thereby increasing temporal resolution.
도 2에서와 같이, 획득된 영상은 재건, 보강되어 저대역 필터링하여 노이즈를 제거하여 각 메쉬별 영상을 추출한 후, 상호 이웃하게 촬영된 2-프레임 영상의 상관도를 분석하게 된다. 상관도 분석의 결과 변위벡터 등의 물리량으로 변환될 수 있으며, 각 해석창(도 3 참조)에서의 순간 변위량 값은 보간(interpolation) 등을 수행한 후 평균 변위량, 변위량 분포 등의 통계값을 획득할 수 있다.
As shown in FIG. 2, the obtained image is reconstructed, reinforced, low-band filtered to remove noise to extract images for each mesh, and the correlation between two-frame images photographed next to each other is analyzed. As a result of the correlation analysis, it may be converted into physical quantities such as displacement vectors, and instantaneous displacement values in each analysis window (see FIG. 3) are obtained by performing interpolation and the like, and obtaining statistical values such as average displacement and displacement distribution. can do.
도 3은 상호상관방식의 2-프레임 격자변위법 알고리즘을 설명하기 위한 2-프레임 정의 개념도인데, 2장의 연속된 이미지영상내에 있는 물체의 각 입자의 가능한 모든 변위 벡터를 고려한 후, 각 변위들에 대한 상호상관 관계를 반복 계산함으로써 특정 해석창과 상호상관도가 가장 높은 해석창을 추출해 내고 소정의 상관해석 과정을 거쳐, 메쉬이미지영상의 각 지점에서의 변위벡터를 추출하게 된다.
FIG. 3 is a two-frame definition conceptual diagram for explaining a cross-correlation two-frame lattice displacement algorithm. After considering all possible displacement vectors of each particle of an object in two consecutive image images, By repeatedly calculating the cross-correlation relations, the analysis window having the highest correlation with a specific analysis window is extracted, and through a predetermined correlation analysis process, the displacement vector at each point of the mesh image image is extracted.
즉 본 발명에서는, 상호상관방식의 2-프레임 격자변위법 알고리듬의 수행함으로써, 도 6과 같이, 메쉬이미지영상의 각 지점에서의 변위벡터를 산출해 낼 수 있다. That is, in the present invention, by performing the cross-correlation two-frame lattice displacement algorithm, as shown in Figure 6, it is possible to calculate the displacement vector at each point of the mesh image image.
이러한 변위벡터 산출을 위해서는 2장의 메쉬이미지 속에 있는 메쉬영상들의 가능한 변위벡터들을 모두 고려하여 상관관계 해석을 수행하는데, 두 개의 연속한 이미지(2-프레임 이미지) 정보로부터, 소해석창에 매칭되는 물체의 각 지점의 변위에 대한 상호상관도를 반복 계산하여 상호상관도가 가장 높은 것을 변위벡터로 구하게 된다. 여기서의 상관관계 해석은, 확률론적인 입자추적 방법으로 벡터를 추출하므로 벡터 추출율이 높다는 장점이 있다.
To calculate the displacement vector, correlation analysis is performed by considering all possible displacement vectors of the mesh images in two mesh images. From the information of two consecutive images (two-frame image), The cross-correlation for each displacement is calculated repeatedly to find the highest cross-correlation as the displacement vector. The correlation analysis here has the advantage that the vector extraction rate is high because the vector is extracted by the probabilistic particle tracking method.
도 3 및 도 4를 참조하면, 고속 CCD 카메라를 이용한 많은 수의 연속된 이미지 중 2-프레임의 이미지를 이용하여 국부적인 소해석창을 먼저 설정한다.3 and 4, a local small analysis window is first set by using a 2-frame image among a large number of successive images using a high-speed CCD camera.
도 3에서 프레임 1과 2의 경우 프레임자체는 진동을 측정하는 모든 관심영역에 해당되며, 이 관심영역에 대해 실제진동은 국부적으로 혹은 그 이상이 될 수 있다. 즉, 실제 진동이 발생하는 영역은 국부영역(local area)에서 미시진동(micro-scale vibration)이 될 수 있고, 전 영역에서 발생하는 거시진동(macro-scale vibration)이 될 수 있다.
In FIG. 3, frames 1 and 2 correspond to all regions of interest for measuring vibration, and the actual vibration may be local or higher for the regions of interest. That is, the region where the actual vibration occurs may be micro-scale vibration in the local area, and may be the macro-scale vibration occurring in the entire area.
따라서, 소해석창은 진동이 발생하는 상대적인 크기에 따라 소해석창1과 2의 크기를 조절할 필요가 있다. 단, 소해석창의 크기는 두 창이 서로 동일하게 설정되어 해석되어야한다. 설정된 소해석창 1과 2는 각 프레임의 미소크기로서 최소한 미시진동을 관찰할 수 있는 크기로 설정되어야하며 이는 해석결과의 정밀도, 정확도를 결정하는 중요한 지표가 된다.
Therefore, the small analysis window needs to adjust the sizes of the small analysis window 1 and 2 according to the relative size of the vibration. However, the size of the small analysis window should be interpreted as the two windows are set equal to each other. The microanalysis 1 and 2 set up should be set to the size that can observe micro vibration at least as the micro size of each frame, which is an important indicator to determine the accuracy and accuracy of the analysis results.
소해석창이 설정되었다면 이 소해석창 1과 2는 프레임 1과 2 내에 서로 동일한 위치에 전 영역을 스캔해가며 모든 영역에서 발생하는 진동에 대한 상관관계를 구해내야 한다. If microanalysis windows have been set up, these subanalysis windows 1 and 2 must scan the entire area at the same location within frames 1 and 2 to correlate vibrations in all areas.
상호상관(cross-correlation) 방식에 의한 2-프레임 격자변위법을 적용함에 있어서, 상호상관계수를 계산해 내는데 사용하는 식은 아래와 같이 표현될 수 있다. 격자 변위량을 계산하는 원리를 나타내는 데 주어진 프레임 1과 프레임 2 내부의 소해석창 1과 소해석창 2에서의 영상 밝기를 나타내는 함수를 각각 f(m,n), g(m,n) 으로 하여 상호 상관함수를 계산한 결과가 최대가 되는점을 격자변위로 설정한다.여기서 m, n 은 소해석창 내의 임의의 위치좌표이고, M X N 은 소해석창 크기(픽셀 X 픽셀)이며, p= 0, 1, 2, ..., M-1, q= 0, 1, 2, ..., N-1 로 설정된다.In applying the 2-frame lattice displacement method by the cross-correlation method, the equation used to calculate the correlation coefficient can be expressed as follows. In order to show the principle of calculating the grid displacement, the functions representing the image brightness in subanalysis 1 and subanalysis 2 inside frame 1 and frame 2 are correlated as f (m, n) and g (m, n), respectively. Set the point at which the result of the function is maximized to the lattice displacement, where m and n are arbitrary position coordinates in the small solver window, MXN is the small solver size (pixels x pixels), and p = 0, 1, 2 , ..., M-1, q = 0, 1, 2, ..., N-1.
상관관계는 공간 고속 퓨리에 변환으로 구해낼 수 있다. 시간영역에서 구하는 고속퓨리에 변환과는 달리 공간영역에서 구하는 고속퓨리에 변환은 영상분석시 주로 적용하며, 2차원 푸리에 변환자료의 처리는 영상 데이터의 각 행에 1차원 푸리에 변환을 독립적으로 적용하고, 또 다른 푸리에 변환을 이용하여 행에 적용된 1차원 푸리에 변환의 결과를 각 열에 개별적으로 적용하는 것이다. 기타 상세한 공간 고속 퓨리에 변환의 전개식은 공지의 지식이므로 자세한 설명을 생략한다.
Correlation can be found with the spatial fast Fourier transform. Unlike the fast Fourier transform obtained in the time domain, the fast Fourier transform obtained in the spatial domain is mainly applied in image analysis, and the processing of two-dimensional Fourier transform data applies the one-dimensional Fourier transform independently to each row of image data. Another Fourier transform is used to apply the result of a one-dimensional Fourier transform applied to a row to each column individually. Since the expansion formula of other detailed spatial fast Fourier transform is well-known knowledge, detailed description is omitted.
여기서 두 개의 변환은 각각 독립적으로 적용된다. 이러한 퓨리에 변환은 복소수이론을 주로 적용하기 때문에 시각화하기는 어려우나 이차원 퓨리에 변환에 의해 표현되는 영상은 실수부와 허수부를 가지고 있으며, 이 영상의 값들의 크기를 구하여 화소값을 영상의 공간값에 맵핑하게 되는 것이다.
The two transformations are applied independently of each other. The Fourier transform is difficult to visualize because it mainly uses complex number theory, but the image represented by the two-dimensional Fourier transform has a real part and an imaginary part. Will be.
이때 영상에 2차원 고속퓨리에 변환을 적용하는 것은 영상 내에 존재하는 공간빈도의 2차원 지도를 만드는 것이라 할 수 있다. 이러한 2차원 지도를 만들어 나타낸 영상이 도 5에 나타내어 있는 2차원 상관해석창으로 표현할 수 있다. In this case, applying the 2D fast Fourier transform to the image may be a process of making a 2D map of the spatial frequency existing in the image. An image created by making such a 2D map may be represented by a 2D correlation window shown in FIG. 5.
이 상관해석창은 3차원형태의 동치값에 의해 그려지는 등표면(isosurface)을 나타낸 결과로서 상관해석에 의해 나타난 그래프에서 최대값이 나타난 위치에서 원점까지의 위치가 실제 진동에 의해 변형된 표면의 변위량인 것이다.
This correlation window is a result of the isosurface drawn by the three-dimensional equivalence value, and the position from the point where the maximum value appears in the graph shown by the correlation analysis to the origin is deformed by the actual vibration. It is displacement.
따라서, 소해석창 1과 2의 상관관계에서 얻어진 미소영역에서의 변위는 상기의 2차원 고속퓨리에변환으로 얻어질 수 있으며, 소해석창을 여기저기 스캔해가며 모든 영역에서의 변위를 얻어낼 수 있다. Therefore, the displacement in the small region obtained by the correlation between the small analytical windows 1 and 2 can be obtained by the two-dimensional fast Fourier transform, and the displacement in all the regions can be obtained by scanning the small analytical windows all over the place.
모든 소해석창을 여기저기 스캔해가며 모든 영역에서의 변위 혹은 개별변위 특성량을 구해낸 결과는 도 6에 나타내었다. 특히, 프레임 1과 2사이의 시간간격 t와 소해석창들의 상관관계에서 얻어진 변위 s를 얻어내어 소해석창에서의 변형에 의한 변위 뿐만 아니라 속도, 심지어 가속도까지 구해낼 수 있다.
The results of calculating the displacement or individual displacement characteristics in all regions by scanning all the small analytical windows are shown in FIG. 6. In particular, the displacement s obtained from the correlation between the time interval t between the frames 1 and 2 and the small windows can be obtained to obtain not only the displacement caused by the deformation in the small windows, but also the velocity and even the acceleration.
종래의 비디오 카메라나 1초당 최대 수십장의 영상밖에 획득할 수 없는 일반적인 CCD카메라와 달리, 짧은 시간에 많은 영상을 취득할 수 있는 고속 CCD 카메라를 본 2-D 프레임 변위측정계에 사용할 경우 각 격자에서 일어나는 변위에 대해 두 이미지를 2차원 공간 고속퓨리에변환(SFFT, Spatial Fast Fourier Transform)을 이용하여 주파수특성 기반 변위 특성량을 얻어낸다. Unlike conventional video cameras or general CCD cameras that can only acquire up to several dozen images per second, a high-speed CCD camera that can acquire many images in a short time is used in this 2-D frame displacement meter. Two-dimensional Spatial Fast Fourier Transform (SFFT) is used for the two images for displacement to obtain frequency-based displacement characteristics.
현재 범용화되어있는 고속 CCD카메라는 초당 100장에서 수천장까지 연속적으로 찍을 수 있으며 심지어는 초당 수만장까지도 가능하게 되어있다. 따라서, 측정간격을 적절히 조절하여 변위영상사이의 시간간격의 변화시켜 측정할 수 있는 변위(즉, 진동)의 해상도(resolution) 범위를 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 고주파수진동구역에는 프레임1과 프레임2의 시간간격을 더 짧게하고, 저주파수진동구역에서는 프레임1과 프레임2의 시간간격을 더 넓혀 해상도를 낮추지만 공간적인 관심영역(field of view)을 더 넓혀 적용할 수도 있다.
High-speed CCD cameras, which are now widely used, can shoot from 100 to thousands of pictures per second in a row and even tens of thousands of pictures per second. Therefore, by properly adjusting the measurement interval, it is possible to greatly increase the resolution range of the displacement (that is, vibration) that can be measured by changing the time interval between the displacement images. In other words, in the high frequency vibration zone, the time interval between frame 1 and frame 2 is shorter, and in the low frequency vibration zone, the time interval between frame 1 and frame 2 is wider to decrease the resolution but widen the spatial field of view. You can also apply.
도 5는 도 6의 A 소해석창에 대한 상호상관 분석결과를 도시하고 있으며, 도 6에서는 상기 2-프레임 격자변위법 알고리즘에 의해 계산된, 물체의 각지점(소해석창에 매칭됨)에서의 전체 해석결과(변위벡터)를 나타낸다.만약 소해석창을 25%, 50%나 75%의 간격으로 서로 겹쳐서 전체적으로 스캔한다거나, 임의로 필요한 부분들을 집중해서 관찰하는 경우에도 상기의 해석기법을 사용하여 결과를 얻어낼 수 있다.
FIG. 5 shows the results of cross-correlation analysis for the A microanalysis of FIG. 6, and in FIG. 6, the total at each point of the object (matched to the microanalysis) calculated by the 2-frame lattice displacement algorithm. The analysis results (displacement vectors) are shown.If the microanalysis windows are overlapped with each other at intervals of 25%, 50% or 75%, or if the necessary parts are concentrated and observed, the results are obtained using the above analysis technique. I can make it.
예를 들어, A 해석창의 중심점에서 상호상관률이 가장 높은 지점은 도 5의 피크값에 해당하는 위치이다. For example, the point with the highest cross correlation at the center point of the A analysis window is the position corresponding to the peak value of FIG. 5.
즉 A 해석창 중심점으로부터 피크값의 중심까지 변위를 살펴보면, y 방향으로의 변위는 -5 , x 방향으로의 변위는 +10 의 값을 나타내며(도 5) , 도 6의 A 해석창에서 벡터표시로 변위가 나타나 있다.In other words, looking at the displacement from the center point of the A analysis window to the center of the peak value, the displacement in the y direction is -5, the displacement in the x direction is +10 (FIG. 5), and the vector display in the A analysis window of FIG. 6. Displacement is shown.
본 발명의 상관관계 해석은, 확률론적인 입자추적 방법으로 벡터를 추출하므로 벡터 추출율이 높다는 장점이 있다.Correlation analysis of the present invention has the advantage that the vector extraction rate is high because the vector is extracted by a stochastic particle tracking method.
이와 같이, 2-프레임 상관도 분석과 동시에 물체의 각 지점에서의 변위, 속도, 가속도 등의 실제 물리량으로의 변환 정보가 획득되므로 진동하는 물체의 동적 특성을 매우 용이하게 파악할 수 있다.
As described above, since the conversion information into actual physical quantities such as displacement, velocity, and acceleration at each point of the object is obtained at the same time as the two-frame correlation analysis, the dynamic characteristics of the vibrating object can be identified very easily.
본 발명의 기술요약 및 장점을 설명하면 다음과 같다.The technical summary and advantages of the present invention are as follows.
즉 본 발명은 물체의 진동특성을 측정하는 방법에 관한 것으로 상호상관방식의 알고리듬을 2장의 입력영상에 적용함으로써 진동특성을 효과적으로 측정하여 다음과 같은 장점이 있다.That is, the present invention relates to a method for measuring the vibration characteristics of an object, and has the following advantages by effectively measuring the vibration characteristics by applying a cross-correlation algorithm to two input images.
첫째, 많은 변위벡터를 취득할 수 있고 측정오차가 적으며 측정가능한 변위범위가 넓고 계산시간이 매우 짧다.First, many displacement vectors can be obtained, measurement errors are small, the range of measurable displacement is wide and the calculation time is very short.
둘째, 본 발명을 사용하기 위한 하드웨어의 가격이 저렴하고 메쉬이미지 영상의 정확한 변위추출이 가능하며 2장의 입력영상 만으로써 변위추적을 효율적으로 수행할 수 있기 때문에, 비디오 카메라나 고속 CCD 카메라를 활용할 경우 수 백장의 연속적인 변위특성 정보를 얻을 수 있으므로 복잡한 진동특성의 해석에 매우 적합하다.Secondly, since the hardware price for using the present invention is inexpensive, accurate displacement extraction of the mesh image is possible, and displacement tracking can be efficiently performed using only two input images, a video camera or a high-speed CCD camera can be used. Since continuous displacement characteristic information of white paper can be obtained, it is very suitable for the analysis of complex vibration characteristics.
따라서, 본 발명에 따른 2-프레임 상호상관방식의 고속화상처리기법은 종래의 측정방법과 비교하여 측정 하드웨어의 구성이 단순하면서도 측정결과가 매우 정확함을 알 수 있다.
Accordingly, it can be seen that the high-speed image processing technique of the two-frame cross-correlation method according to the present invention has a simpler configuration of measurement hardware and a very accurate measurement result compared to the conventional measurement method.
Claims (5)
광원발생기에 의하여 광원을 발생하는 단계(s100);
상기 광원발생기로부터 발생된 광원을 광원확장렌즈모듈에 의하여 확장시키는 단계(s200);
상기 광원확장렌즈모듈로부터 확장된 광원을 메쉬그리드를 통과시켜, 진동하는 물체에 메쉬이미지영상이 형성되도록 하는 단계(s300);
상기 메쉬이미지영상을 카메라를 이용하여 촬영하는 단계(s400);
상기 카메라로부터 촬영된 메쉬이미지영상을 처리하여, 메쉬이미지영상의 각 지점에서의 변위벡터를 산출하는 단계(s500);
를 포함하되,
s500단계에서는, 상기 s400 단계에서 촬영된 메쉬이미지영상에 대하여, 연속한 두개의 프레임(2-프레임)을 설정하고, 상기 프레임 각각에 대하여 소해석창 1,2 를 설정하며, 설정된 각각의 소해석창에 대하여 상호상관기법에 의한 2-프레임 격자변위법을 적용하여 상관함수값이 최대치가 되는 점을 격자변위로 설정하여, 각 메쉬이미지영상의 변위벡터로 구하되,
상기 상관함수값의 계산은, 아래의 상관함수값(R(p,q))을 구하는 식을 이용하며 계산하고, 상관함수값 중 최대가 되는 점을 격자변위로 설정하여 각 메쉬이미지영상의 변위벡터로 구함을 특징으로 하는 상호상관방식 고속화상처리 기법을 이용한 물체의 진동 측정방법
(여기서, m, n 은 소해석창 내의 임의의 위치좌표이고,
M X N 은 소해석창 크기(픽셀 X 픽셀)이고
p= 0, 1, 2, ..., M-1, q= 0, 1, 2, ..., N-1 이고,
f(m,n), g(m,n)은, 프레임 1과 프레임 2 내부의 소해석창 1과 소해석창 2에서의 영상 밝기를 나타내는 함수)
In the method of measuring the vibration of an object using a cross-correlation high speed image processing method,
Generating a light source by the light source generator (s100);
Expanding the light source generated from the light source generator by a light source extension lens module (s200);
Passing the light source extended from the light source extension lens module through a mesh grid to form a mesh image image on a vibrating object (s300);
Photographing the mesh image image using a camera (s400);
Calculating a displacement vector at each point of the mesh image image by processing the mesh image image photographed from the camera (s500);
Including but not limited to:
In step s500, two consecutive frames (2-frames) are set for the mesh image image photographed in step s400, and sub-analysis windows 1 and 2 are set for each of the frames. By applying the 2-frame lattice displacement method by cross-correlation method, set the point where the correlation function value is the maximum as the lattice displacement and obtain the displacement vector of each mesh image image.
The correlation function is calculated by calculating the following correlation function value (R (p, q)), and sets the maximum point among the correlation function values as the grid displacement to displace each mesh image image. Vibration measurement method of object using cross-correlation high speed image processing method characterized by vector
(Where m and n are arbitrary position coordinates in the small analysis window,
MXN is the minor window size (pixels x pixels)
p = 0, 1, 2, ..., M-1, q = 0, 1, 2, ..., N-1,
f (m, n) and g (m, n) are functions representing image brightness in subanalysis window 1 and subanalysis window 2 within Frame 1 and Frame 2)
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|---|---|---|---|---|
| KR102285615B1 (en) * | 2020-08-31 | 2021-08-04 | 세안기술 주식회사 | An image processing method for improving vibration perception on vibration monitoring camera image |
| CN113551760A (en) * | 2020-04-26 | 2021-10-26 | 中国石油天然气股份有限公司 | Ground vibration signal measuring system, method and device |
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2012
- 2012-03-09 KR KR1020120024174A patent/KR101285256B1/en active IP Right Grant
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