KR102029895B1 - 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체 - Google Patents

Abstract

구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체가 개시된다. 본 발명은, 연산 장치가, 무인 비행체를 이용하여 대상 구조물에 대해 취득한 이미지에 대한 이미지 처리를 통해 추출된 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 입력받고, 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 3차원 좌표로 변환하며, 변환된 3차원 좌표에 기초하여 손상 이미지를 대상 구조물의 3차원 모델 상에 표시하는 과정을 통해 구현된다. 본 발명에 따르면, 드론 등의 무인 촬영 비행체를 통하여 취득한 원자로 격납 구조물의 외부면에 대한 손상 이미지와 손상에 대한 점, 선 또는 면형으로 이루어진 기하형상을 3차원 공간상에 표출할 수 있게 된다.

Description

구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체{Method for Generating 3D Structure Model Mapped with Damage Information, and Media Being Recorded with Program Executing the Method}

본 발명은 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 격납 구조물의 외부면에 대해 촬영된 이미지의 처리를 통해 외부면에 발생된 균열과 같은 손상 정보를 3차원 모델에 통합하여 관리가 가능토록 하기 위해, 원자로 격납 구조물의 3차원 모델링 데이터에 드론 등의 무인 비행체로부터 촬영된 이미지를 투영하고, 이미지 프로세싱을 통해 생성된 손상 정보 데이터를 3차원 모델로 생성하는 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체에 관한 것이다.

원전 시설물의 사고는 그 피해 규모도 크고, 피해 영역도 타 시설물의 사고에 비해 매우 넓을 뿐만 아니라 사고 이후 완전 회복을 위한 기간도 여타의 시설물에 비해 매우 길기 때문에 건설 당시만 아니라 사용 중 지속적인 감시와 관리가 상당히 중요한 시설물이다.

또한 국내 원전 시설물이 위치한 지역에 지진의 빈도가 점차 증가하고, 그 규모도 커짐에 따라 원전 시설물의 안전성에 영향을 미칠 수 있는 자연 현상에 대비하여서도 철저한 점검 체계 마련이 필요하다.

한편, 원자로 격납 건물은 대형 구조물로서 기존에는 구조물 외관 조사를 위해서 대형 장비의 동원 및 가시설물의 설치와 같이 부수적인 작업을 계획하고 실행하는데 시간이 소요되기 때문에 원하는 시점에 즉각적인 점검이 효과적으로 수행되기 어렵다.

또한 주변 건물과 망원 렌즈를 이용한 이미지 취득의 경우에도 돔 상부 부위와 같은 곳의 경우 사각지대가 발생하거나 왜곡된 이미지 취득으로 손상의 규모를 파악하는데 어려움이 있고, 손상의 기록 또한 2차원 평면상에 기록하기 때문에 실제 3차원 공간상에서 손상을 파악하거나 분석하는데 어려움이 있다.

상기 제약사항을 극복하고자 드론 등 무인 비행체를 이용하여 원자로 격납 구조물의 이미지 취득을 위한 비행 경로 생성 방법이 개발된 바 있으나 그 결과물과 해석된 손상 정보를 다시 3차원 모델에 투영하기 위한 방법의 개발 사례는 없다.

따라서, 본 발명의 목적은, 원자로 격납 구조물의 외부면에 대해 촬영된 이미지의 처리를 통해 외부면에 발생된 균열과 같은 손상 정보를 3차원 모델에 통합하여 관리가 가능토록 하기 위해, 원자로 격납 구조물의 3차원 모델링 데이터에 드론 등의 무인 비행체로부터 촬영된 이미지를 투영하고, 이미지 프로세싱을 통해 생성된 손상 정보 데이터를 3차원 모델로 생성하는, 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법 및 이를 실행시키는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법은, (a) 연산 장치가, 무인 비행체를 이용하여 대상 구조물에 대해 취득한 이미지에 대한 이미지 처리를 통해 추출된 상기 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 입력받는 단계; (b) 상기 연산 장치가, 상기 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 단계; 및 (c) 상기 연산 장치가, 변환된 상기 3차원 좌표에 기초하여 상기 손상 이미지를 상기 대상 구조물의 3차원 모델 상에 표시하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (b) 단계는, 상기 대상 구조물의 손상 부위의 형상 특성에 기초하여 상기 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 기록 매체는, 상기 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법을 실행시키는 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 드론 등의 무인 촬영 비행체를 통하여 취득한 원자로 격납 구조물의 외부면에 대한 손상 이미지와 손상에 대한 점, 선 또는 면형으로 이루어진 기하형상을 3차원 공간상에 표출할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에 따르면, 원자로 격납 구조물에 발생된 손상의 위치를 3차원 공간상에서 신속하게 파악하고, 균열, 박리 등 손상의 종류를 사용자가 이미지를 통해 쉽게 식별하여 구조물의 손상 종류에 따라 적절한 조치를 신속하게 계획할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무인 비행체의 위치와 이미지 촬영 범위 간의 관계를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에서의 피사체까지의 거리와 카메라 렌즈의 특성에 따른 촬영 범위를 설명하는 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법을 이용하여 2차원 기반 손상 기하정보를 3차원 공간에 생성하는 과정을 설명하는 절차 흐름도,
도 4는 본 발명에서의 원통형 벽체에 대한 2차원 이미지 좌표의 3차원 공간 좌표계로의 매핑 관계를 설명하는 개념도,
도 5는 본 발명에서의 돔 구역에 대한 2차원 이미지 좌표의 3차원 공간 좌표계로의 매핑 관계를 설명하는 개념도,
도 6은 본 발명에서의 3차원 공간에 매핑된 이미지 및 균열 정보를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 대상 구조물의 균열 정보를 예시를 나타내는 도면, 및
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 손상 정보 데이터의 3차원 모델 생성 방법을 이용하여 생성된, 균열 정보가 매핑되어 있는 대상 구조물의 3차원 모델링을 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 대상 구조물의 손상 정보가 매핑된 구조물의 3차원 모델 생성 방법에 관한 것으로서, 본 명세서에서는 대상 구조물의 일 예시로서 원자로 격납 구조물을 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.

즉, 이하 본 발명에서는 드론 등의 무인 비행체에 구비된 촬상 도구를 이용하여 원자로 격납 구조물의 외부면을 연속적으로 촬영함으로써 획득한 촬영된 이미지에 대한 이미지 프로세싱을 통해 구조물의 손상 정보를 대상 구조물의 3차원 모델에 투영하기 위한 방법을 제안한다.

도 1은 본 발명에 따른 무인 비행체의 위치와 이미지 촬영 범위 간의 관계를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에서의 피사체까지의 거리와 카메라 렌즈의 특성에 따른 촬영 범위를 설명하는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법을 이용하여 2차원 기반 손상 기하정보를 3차원 공간에 생성하는 과정을 설명하는 절차 흐름도이고, 도 4는 본 발명에서의 원통형 벽체에 대한 2차원 이미지 좌표의 3차원 공간 좌표계로의 매핑 관계를 설명하는 개념도이며, 도 5는 본 발명에서의 돔 구역에 대한 2차원 이미지 좌표의 3차원 공간 좌표계로의 매핑 관계를 설명하는 개념도이고, 도 6은 본 발명에서의 3차원 공간에 매핑된 이미지 및 균열 정보를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 대상 구조물의 균열 정보를 예시를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 손상 정보 데이터의 3차원 모델 생성 방법을 이용하여 생성된, 균열 정보가 매핑되어 있는 대상 구조물의 3차원 모델링을 나타낸 도면이다.

이하에서는 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 연산 장치는 원자로 격납 구조물의 3차원 모델 데이터를 입력받으며, 원자로 격납 구조물에 대해 무인 비행체가 촬영한 이미지 정보, 해당 이미지가 저장된 경로 정보, 및 해당 이미지에 대한 이미지 처리를 통해 추출된 2차원 상에서의 손상 이미지에 대한 좌표 정보를 입력받는다(S110).

한편, 본 발명을 실시함에 있어서, 전술한 S110 단계에서 연산 장치가 입력받은 이미지 정보에는 GPS 좌표와 촬영 각도 정보, 피사체와의 거리 정보, 렌즈 및 카메라의 특성 정보가 포함되며, 연산 장치가 입력받은 이미지의 저장 경로 정보에는 원격의 컴퓨터를 식별할 수 있는 네트워크 경로 정보가 포함되고, 연산 장치가 입력받은 손상 이미지에 대한 좌표 정보는 촬영 이미지상의 특정 기준점(예를 들면, 촬영 이미지의 좌측 하단)을 원점으로 하는 2차원의 좌표계를 기준으로 측정된 연속된 좌표 정보를 포함함이 바람직할 것이다.

한편, 연산 장치는 무선 비행체와 무선 통신을 통해 기록된 촬영 각도와 카메라의 화각을 이용하여 무한의 선형을 투사할 때에 구조물의 외곽에 투영되는 절점의 수를 조사한다(S120).

절점의 수가 1개인 경우에 연산 장치는 원점에서 미리 정한 심볼 객체를 손상 객체로서 생성하고(S130), 절점의 수가 2개 이상인 경우에 연산 장치는 원점에서 선을 이용한 선형, 면적형 등의 손상 객체를 생성한다(S140).

한편, 원자로 격납 구조물의 경우에 원통형 벽면과 상부 돔 구조에 따라 기하학적 형상 특성이 다르므로 이미지와 손상에 대한 기하형상을 생성하기 위해서는 별도의 좌표 변환이 필요하며, 이 좌표 변환은 이미지를 매핑하기 위한 표면 기하형상을 생성하는 과정과 손상에 대한 기하형상을 생성하는 과정에 공통적으로 적용된다.

먼저 촬영된 이미지를 매핑하기 위한 표면의 기하형상을 생성하는 과정은 무선 비행체의 위치를 3차원 공간상에 위치시키고, 무선 비행체와 무선 통신을 통해 기록된 촬영 각도와 카메라의 화각을 이용하여 무한의 선형을 투사할 때에 구조물의 외곽에 투영되는 절점을 구하고, 이렇게 구한 절점을 연결하는 선형을 구조물 외곽 표면을 따라 생성하는 과정으로 수행하며, 이에 대한 개념을 도 1에 나타내었다.

상기 과정을 수행하는데 있어서 일반의 3차원 CAD 툴에서 지원하는 GPS의 좌표변환 함수, 선형 벡터에 대하여 3차원 형상에 맺히는 절점을 구하는 함수, 그리고 곡면을 작성하는 함수를 이용할 수 있다.

상기의 과정을 수행하는데 있어서 무인 비행체와 구조물간의 거리, 무인 비행체에 장착되는 카메라 및 렌즈의 특성을 고려한다. 구체적으로 카메라의 경우에는 촬영되는 이미지의 가로와 세로의 비율에 대한 특성, 그리고 카메라에 장착된 화각에 대한 특성이 고려되며, 이를 개념적으로 나타내면 도 2에서와 같다.

앞서 드론을 이용하여 취득된 이미지는 2차원의 좌표계 형태로 손상을 구분하기 위한 이미지 처리 과정을 거친다. 손상 검출 과정을 거쳐 발견된 손상의 위치는 역시 2차원 좌표계로 시작점과 끝점으로 구분되어 DB에 저장된다.

이에 따라 3차원 모델에 이를 매핑하기 위한 2차원 상에서 정의된 점형 및 선형에 대한 특성을 변환해야하며, 도 3에 나타낸 바와 같이 돔형 원자로 격납건물의 특성을 고려한다.

이를 위해 연산 장치는 무선 비행체에 의해 촬영된 대상 구조물의 촬영 부위가 돔형 원자로 격납건물의 원통형 벽체인지 또는 돔인지 여부를 판단한다(S150).

구체적으로, 연산 장치는 무선 비행체에 의해 촬영된 대상 구조물의 촬영 부위가 돔형 원자로 격납건물의 원통형 벽체인지 또는 돔인지 여부를 대상 구조물의 3차원 모델 데이터를 이용하여 자동 식별한다.

먼저, 촬영 부위가 원통형 벽체인 경우에 연산 장치는 원통형 벽체에 대한 이미지 내의 좌표계를 높이 방향을 ｚ축, 수평 방향을 ｘ로 정의할 때에 도 3에서와 같이 3차원 원통형 벽체의 외부 좌표에 매핑할 수 있다. 즉, 3차원 모델 좌표계에서 높이 방향 Z 좌표는 동일한 스케일에 따라 매핑할 수 있으며, 수평 방향 좌표인 X와 Y는 하기의 수학식 1부터 3을 이용하여 찾을 수 있으며, 그 개념도를 도 4에 나타내었다(S160).

한편, 촬영 부위가 돔 구역인 경우에 연산 장치는 도 5에 나타낸 바와 같이, 3차원 공간 좌표계에서 X와 Y 좌표의 경우 상기 수학식에 따라 정의할 수 있으며, Z 좌표의 경우 하기 수학식 4와 5를 이용하여 얻을 수 있다(S170).

연산 장치는 상술한 S160 단계, 및 S170 단계를 통해 생성된 원점 기준 좌표를 3차원 좌표로 변환하기 위한 좌표 변환 메트릭스를 생성하며(S180), 이와 같이 생성된 좌표 변환 메트릭스를 이용하여 원점 기준으로 생성된 3D 형상 객체의 좌표 변환을 실행하게 된다(S190).

그 다음, 연산 장치는 상기 S130 단계 및 S140 단계에서 생성된 손상 객체를 상기 S190 단계에의 3차원 좌표를 이용하여 대상 구조물의 3D 모델링 데이터에 매핑함으로써 투영시킨다.

-프로그램 구현 -

한편, 본 발명자는 상기와 같은 드론의 위치 결정 방법에 이미지 투영 및 손상 객체 생성 프로그램 모듈을 개발하였으며, 구체적으로 해당 프로그램은 토목분야 3차원 모델을 작성하는 Autodesk사의 AutoCAD Civil 3D를 이용하였다.

즉, 본 발명자가 개발한 프로그램은 본 발명에 따른 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법에서의 각 단계를 실행시키며, 이와 같은 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체, 외부 서버 등에 기록 및 저장되어 있거나, 본 발명에 따른 연산 장치에 설치되어 있을 것이다.

도 6은 원통형 벽체에 이미지 프로세싱에 이용된 이미지와 그에 따른 손상을 3차원 공간 좌표상에 표현된 사례를 나타낸 것이며, 도 7은 도 6의 부분 확대도이다.

한편, 도 7에서의 좌측은 이미지 프로세싱 프로그램을 통해 산출된 균열형상 정보를 좌측에 나타낸 것이며, 도 7에서의 우측은 본 발명에 따른 방법을 통해 원통형 구조물에 매핑된 균열형상을 나타낸 것이고, 도 8은 여러 개의 균열 정보를 3차원 구조물 모델 위에 더하여 생성된 사례를 보여준다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (3)

1. (a) 연산 장치가, 무인 비행체를 이용하여 대상 구조물의 외부면을 연속적으로 촬영함으로써 취득한 이미지에 대한 이미지 처리를 통해 추출된 상기 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 입력받는 단계;
   (b) 상기 연산 장치가, 상기 대상 구조물의 3차원 모델 데이터를 이용하여, 상기 대상 구조물의 촬영 부위가 상기 대상 구조물을 구성하는 원통형 벽체 부위와 돔 부위 중 어느 부위인지를 판단하는 단계;
   (c) 상기 연산 장치가, 상기 (b) 단계에서의 판단 결과에 기초하여, 상기 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표에 대한 원점 기준 좌표를 생성하는 단계;
   (d) 상기 연산 장치가, 상기 원점 기준 좌표를 3차원 좌표로 변환하기 위한 좌표 변환 메트릭스를 생성하는 단계;
   (e) 상기 연산 장치가, 상기 좌표 변환 메트릭스를 이용하여 상기 대상 구조물의 손상 이미지에 대한 2차원 좌표를 원점 기준으로 생성된 3차원 좌표로 변환하는 단계; 및
   (f) 상기 연산 장치가, 변환된 상기 3차원 좌표에 기초하여 상기 손상 이미지를 상기 대상 구조물의 3차원 모델 상에 표시하는 단계
   를 포함하는 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에서의 상기 구조물 손상 정보가 매핑된 3차원 모델 생성 방법을 실행시키는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
   

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