KR102180872B1 - 레이저와 광학 영상을 접목한 3차원 변위측정계 - Google Patents

레이저와 광학 영상을 접목한 3차원 변위측정계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터널과 같은 측정대상물의 내곡면 등의 형상과 변위를 비파괴 방식으로 정확하게 측정할 수 있도록 하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계에 관한 것으로서, 구조물에 장착되는 복수의 타겟과 상기 타겟에 대한 광학적 이미지신호를 생성하는 촬영부와, 상기 촬영부로부터의 이미지신호를 통하여 타겟의 2차원 좌표를 추출하는 제어부와, 상기 제어부에서 추출된 좌표에 따라 각각의 타겟에 대한 거리를 측정하는 레이저스캐닝부를 포함하되, 상기 제어부가 3개 이상의 타겟이미지를 기준이미지와 대비를 통하여 변위를 검출하도록 하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계를 제공한다.

Description

레이저와 광학 영상을 접목한 3차원 변위측정계 {3 DIMENSIONAL DISPLACEMENT METER USING LASER BEAM AND OPTICAL MEDIA}
본 발명은 지형 또는 시설의 변위를 측정하는 기술과 관련된 것으로서, 더욱 구체적으로는 터널, 건물, 교량, 댐, 방파제, 도로, 철도, 사면, 옹벽 등의 구조물 및 자연물의 형상과 변위를 비파괴 방식으로 정확하게 측정할 수 있도록 하는 레이저와 가시광을 이용한 변위측정계에 관한 것이다.
일반적으로 각종 운행이나 보행을 위하여 산간이나 융기지역 또는 지중에 형성되는 터널은 다수 국민의 안전과 경제에 직결되는 주요 기반시설물들이다. 이런 주요 기반시설물들은 장기간 사용으로 인한 노후화는 물론 주변 개발 등으로 인하여 변형 및 붕괴가 우려되고 있다.
따라서 이러한 주요 기반시설물들의 효율적인 유지 관리가 요구되는데, 특히 손상 및 붕괴로 인한 피해를 예방해야 한다.
이를 위하여 터널과 같은 관통 구조물에 지속적으로 변위를 측정하여 붕괴의 위험을 관측하고 있다.
이러한 터널의 내공 변위를 측정하는 방법으로 LVDT를 이용한 변위 계측법, 경사계를 이용한 변위 계측법, 스트레인 게이지 및 로드셀을 이용한 변위 계측법 등과 같은 접촉식 변위 측정법 등이 적용되고 있다.
그러나 이와 같은 방법들을 적용함에 있어서 소정의 센서들을 구조물에 부착할 때 삽입공을 형성하여 센서를 매설해야 하기 때문에 설치 작업이 매우 어려우며, 지하철과 같은 철도 터널의 경우 지하철이 통과시 발생하는 풍압에 의해서 데이터 오차가 크게 발생하는 등 측정에 있어 오차가 발생하기 때문에 정확한 변형량을 측정하기가 곤란한 문제가 있다.
최근에는 이러한 문제를 고려하여 전단면, 내곡면 변위를 측정하기 위하여 광학적 방식을 이용하려는 시도가 있다.
한국공개특허 제10-2208-0078167호는 광학적 스캐닝을 이용하여 터널 관리를 하는 개념을 제시하고 있으며, 도 1a 및 도1b는 이러한 방식에 따른 스캐닝 결과를 나타내는 도면이다.
영상촬영에 의한 종래의 터널 스캐닝 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이 터널의 크기 및 형상에 적합한 조명 설비를 설치하여 일정한 속도로 터널 라이닝 벽면을 라인 카메라나 비디오 카메라로 촬영하는 형식을 띠고 있다. 하지만, 영상을 활용한 터널 스캐너의 경우에는 조명의 설치 등 사전작업(도 1a 참조)이 요구되고, 영상 스캐너의 촬영결과물은 2차원 영상으로 표현(도 1b 참조)되므로 터널 라이닝 상에 발생하는 크랙에 대한 검측 등에는 활용성이 높을 수 있으나, 터널내 시설물의 유지관리 및 터널내공의 변화양상에 대한 추적 등에는 한계가 있다.
이러한 한계를 고려하여 레이저 스캐닝 방법이 도입되고 있으며, 레이저 스캐너는 촬영시 빛을 필요로 하지 않는 능동 시스템(active system)의 한 종류를 말한다. 이러한 기술은 태양의 빛이 닿지 않는 터널과 같은 공간에서 효과적으로 사용될 수 있으며, 거리 측정의 정확도가 높다는 장점이 있으므로 계측용 목적으로 사용될 수 있다.
다만 이러한 경우에도 입체적인 구조의 파악과 프로파일링을 위한 알고리즘이 복잡하고 다양한 환경에 대해 사용자가 유연하게 대응하기 어렵다는 한계를 가진다. 더군다나 내부 형상이 복잡하거나 진행의 장애요소가 있는 경우 노이즈 발생의 확률이 높고 내곡면 변위 판단에 있어서 정확한 검출이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 2차원(X-Y)의 영상과 Z축의 정보를 제공하는 레이저를 결합하여 구조물 내곡면 또는 외부 형상의 변위를 3차원으로 측정하고 분석이 가능한 변위계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 구조물에 배치되는 복수의 타겟(100), 상기 타겟에 대한 광학적 이미지신호를 생성하는 촬영부(210), 상기 촬영부로부터의 이미지신호를 통하여 타겟의 2차원 좌표를 추출하는 제어부(300) 및 상기 제어부에서 추출된 2차원 좌표에 따라 각각의 타겟에 대해 레이저를 주사하여 거리신호를 생성하는 레이저스캐닝부(220)를 포함하며, 상기 제어부는 3개 이상의 타겟이미지에 대한 3차원 좌표를 추출하고 기준이미지와의 대비를 통하여 변위를 검출하도록 하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계를 제공한다.
일실시예로서 상기 타겟은, 최소한 2개 이상이 측정대상물의 길이방향으로 서로 다른 위치에 배치되어 침하를 검출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 타겟을 포함하는 측정대상물의 전체 또는 일부의 이미지신호를 데이터화하는 영상획득부(310)와, 이미지신호로부터 타겟이미지를 추출하여 인식하는 인식부(330)와, 타겟이미지의 좌표를 산출하는 좌표추출부(340)와, 레이저스캐닝부로부터의 거리신호를 통하여 거리를 산출하는 거리추출부(350)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는, 이미지신호에 대해 색좌표공간으로 변환하는 변환부(320)를 더 구비한다.
상기 제어부는, 3개 이상의 타겟에 대응되는 타겟이미지에 대한 이동 변화량을 산출하고 거리에 대한 좌표값을 보정할 수 있다.
상기 제어부는 변환된 좌표와 각도를 이용한 타겟의 이동거리를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 기준이미지와 측정이미지의 대비를 통하여 3차원 변위와 측정대상물의 위치에 대한 변화를 검출할 수 있다.
본 발명에 따라, 다양한 구조물의 다양한 원인에 의한 변형에 대하여 유연하게 적응할 수 있으며 정확한 변위의 검출이 가능하므로 구조적인 신뢰성과 안전성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 광학적 이미지와 레이저 검지신호를 이용하여 3차원적 정보를 획득할 수 있으며 기준이미지와 측정이미지의 대비 알고리즘에서 심도의 보정 및 미세한 변화의 검출이 가능하므로 분석의 신뢰성은 더욱 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 1b는 종래기술의 광학적 스캐닝을 이용하여 터널 관리를 하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계에 의하여 시각화된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 변위분석의 개념을 나타내는 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 추가적인 개념에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 분석을 위한 타겟이미지의 추출된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에서는 복수의 타겟에서 레이저스캐닝부에 측정된 타겟과의 거리를 이용하여 두 타겟간 거리를 계산하는 방식을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계를 상세히 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 기본적으로, 구조물에 장착되는 복수의 타겟과 상기 타겟에 대한 광학적 이미지신호를 생성하는 촬영부와, 상기 촬영부로부터의 이미지신호를 통하여 타겟의 2차원 좌표를 추출하는 제어부와, 상기 제어부에서 추출된 좌표에 따라 각각의 타겟에 대한 거리를 측정하는 레이저스캐닝부를 포함하되, 상기 제어부가 3개 이상의 타겟이미지를 기준이미지와 대비를 통하여 변위를 검출하도록 하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계를 제공한다.
본 발명의 설명에서는 주로 터널의 내곡면에서의 변위 측정을 위한 실시예를 중심으로 설명하나 상기 구조물은 터널, 건물의 내벽이나 외벽, 사면, 옹벽 등의 다양한 입체적 형상을 가지는 자연적 또는 인공적 구조물에 적용될 수 있을 것이다. 이를 측정대상물로 정의하여 사용하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
타겟(100)은 측정대상물의 선택된 위치에 배치될 수 있는데, 이러한 타겟(100)의 형태는 한정되지 않으나 반사면을 포함하고 유연성을 가지는 재질로 형성되는 것이 다양한 구조물에 적용하기 위하여 바람직할 것이다. 이러한 타겟(100)은 보다 쉬운 부착을 위하여 스티커와 같은 접착식으로 이루어질 수 있다.
터널의 내곡면(10)에 부착되는 경우 소정의 내벽면이나 그 측정대상물에 배치되되 대략 촬영부(210) 및/또는 레이저스캐닝부(220)를 지향하여 배치될 수 있다. 상기 배치는 3개 이상의 타겟(100)들 중에 최소한 어느 두 개 이상은 전후, 좌우 또는 상하 방향으로 서로 다른 위치에 배치되는 것이 입체적인 형상의 변위 측정을 위하여 바람직할 것이다.
촬영부(210)는 타겟(100)을 광학적으로 측정할 수 있는 장비라면 다양한 영상입력수단이 선택적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 개념은 기본적으로 가시광선을 감지하여 이를 영상 분석하기 때문에 디지털카메라나, CCTV 또는 CCD카메라가 적용될 수 있으나 적외선카메라가 배제되는 것은 아니다. 본 발명의 개념에서 '광'은 다양한 파장을 가진 전자기파로 이해됨에 유의한다. 이러한 촬영부(210)에서 생성된 이미지신호는 제어부(300)에서 2차원적 좌표를 추출할 수 있는 정보가 되며 이와 관련된 구체적인 설명은 후술한다.
상기 타겟(100)의 재질, 색상, 형상 및 크기는 선택적으로 이루어질 수 있다. 다만, 제어부(300)의 타겟(100) 이미지에 대한 좌표의 추출시 주변 환경과 구별될 수 있는 색도 및/또는 채도로 이루어질 수 있다. 또한, 광의 흡수율에 비하여 반사율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
레이저스캐닝부(220)는 상기 촬영부(210)의 이미지신호에 따른 좌표관계에 의하여 타겟(100)들을 바라보도록 배치되어 레이저빔을 주사하고 반사되는 레이저빔을 수신하여 타겟(100)과의 거리에 대한 신호를 생성하는 기능을 수행하며, 빔주사부와 빔수신부(참조번호 미표시)를 포함할 수 있다. 상기 빔주사부와 빔수신부는 상호 인접되게 배치될 수 있다. 이러한 레이저스캐닝부(220)는 주사되는 각도의 설정 및 데이터화를 위한 다양한 형태의 틸팅구조를 구비할 수 있으며 이러한 틸팅구조와 관련하여서는 공지의 요소들이 적용될 수 있을 것이다.
상기 레이저스캐닝부(220)는 타겟(100)에 대해 깊이방향(또는 길이방향 또는 심도)으로의 거리에 대한 신호를 제공하며, 이렇게 측정된 거리 좌표값은 주사된 레이저빔과 수신된 레이저빔의 시간차이에 의하여 계측될 수 있을 것이다. 다만, 다양한 환경에서 정확한 변위측정을 위하여 이러한 깊이방향의 좌표에 대한 보완 내지는 보정이 요구될 수 있는 바 이와 관련된 추가적인 실시예는 후술하도록 한다.
제어부(300)는 촬영부(210)의 이미지신호를 통하여 각각의 타겟(100)에 타겟이미지를 분류하고 이에 대한 2차원적 좌표값을 추출하는 기능을 수행하며 이러한 좌표값에 따라 레이저스캐닝부(220)가 각각의 타겟(100)에 대하여 거리신호를 생성할 수 있도록 기능한다. 이에, 상기 제어부(300)는 타겟(100)의 3차원적 좌표를 생성하여 데이터화하고 이를 기준이미지정보와 대비하여 변위를 검출하는 기능을 수행할 수 있으며, 터널에 적용되는 경우 변위는 침하량을 의미할 수 있을 것이다.
상기 제어부(300)와 촬영부(210) 및 레이저스캐닝부(220)는 일체화된 구성으로 이루어질 수도 있을 것이며, 사용자가 시각적으로 확인할 수 있는 출력부(400)를 구비하거나 이에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계에 따라 이미지화된 상태를 나타내는 도면이다.
기본적으로 촬영부(210)에서 생성된 이미지신호에서 제어부(300)는 타겟이미지를 분류하고 이에 대한 2차원적 좌표를 생성하며, 이렇게 생성된 좌표에 따라 레이저스캐닝부(220)를 각각의 좌표 즉, 타겟(100)을 지향하도록 할 수 있다. 이러한 타겟(100)에의 지향은 최소한 2개의 회전방향에 대한 자유도를 가지는 회동구조를 통하여 달성될 수 있으며, 제어부(300)는 상기 레이저스캐닝부(220)의 지향성에 대한 제어신호를 틸팅을 위한 구동계통(미도시)로 전송할 수 있다.
이렇게 촬영부(210)와 레이저스캐닝부(220)로부터 측정된 신호에 대한 이미지들을 살펴보도록 한다.
도 3의 (a)에서는 서로 다른 위치에 배치되는 타겟(100)들에 대하여 레이저스캐닝부(220)와 연결된 레이저빔의 가상의 경로를 선으로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 터널 내곡면(10)을 기준으로 좌우방향을 x축으로, 높이방향을 y축으로, 길이방향을 z방향으로 설정하였다. 다만, 상기의 좌표는 제어부(300)에서의 분석을 위한 기준이므로 다른 방식으로 결정되는 것도 무방하다. 도시사항에서 4개의 타겟(100)들이 배치되어 있으며 촬영부(210)가 기본적으로 타겟이미지를 포함하는 이미지신호를 생성하게 되고 레이저스캐닝부(220)는 거리신호를 생성하여 제어부(300)로 전송하는 기능을 수행하게 된다.
도 3의 (b)에서는 제어부(300)에서 시각화하여 나타낸 타겟이미지의 좌표를 x-y평면에 나타내었다. 여기서는 편의상 길이방향으로의 좌표는 표시되어 있지 않으나 3차원 좌표계에 표시하는 경우도 고려해볼 수 있을 것이다. 다만, 후술될 바와 같이 기준이미지와의 대비를 통하여 변위를 측정하는 경우 2차원적인 분석도 가능하다. 각각의 타겟이미지(100a, 100b, 100c, 100d)들은 x, y, z의 3차원적 좌표를 가질 수 있으며 깊이방향의 경우는 레이저빔의 경로에 따른 시간차이에 의하여 산출될 수 있음은 상기한 바와 같다. 이렇게 타겟(100)에 대한 이미지에서 각 좌표에 대한 연결선들이 부가되어 타겟이미지를 생성할 수도 있는데 이와 관련하여서는 추가적인 실시예에서 후술한다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계를 설명하기 위한 블록도이다.
촬영부(210)는 상기한 바와 같이 타겟(100)에 대한 영상이미지를 촬영하고 이를 제어부(300)로 전송한다. 또한, 레이저스캐닝부(220)는 각각의 타겟(100)에 대한 거리신호를 전송한다.
상기 제어부(300)는 노트북이나 태블릿 PC와 같은 마이콤을 구비한 장비일 수 있는데, 경우에 따라 소정의 서버로서 이해될 수도 있다. 이러한 제어부(300)는 촬영부(210)와 무선 또는 유선의 다양한 방식에 의하여 연결될 수 있다.
상기 제어부(300)는 영상획득부(310), 변환부(320), 인식부(330), 좌표추출부(340) 및 거리추출부(350)를 구비할 수 있으며, 상기 제어부(300)에 포함되는 "부"들은 각각 별도의 장비이거나 이에 구비되는 알고리즘에 따른 구분일 수 있다.
영상획득부(310)는 타겟(100)을 포함하는 측정대상물의 전체 또는 일부의 이미지신호를 데이터화할 수 있으며 이를 기초로 각각의 타겟(100)에 대한 타겟이미지의 좌표를 좌표추출부(340)에서 추출할 수 있게 된다. 이러한 좌표는 기본적으로 2차원 정보를 기반으로 하며 레이저스캐닝부(220)에서 전송된 거리신호의 부가에 따라 3차원 정보가 완성될 수 있다. 다만, 상기 3차원 정보는 2차원 정보의 대비를 통한 것일 수도 있으며 이와 관련된 설명은 후술한다.
이때, 전체의 이미지에서 타겟이미지를 분리하기 위한 작업이 선행될 필요성이 있고, 이를 위하여 변환부(320)가 기능한다.
바람직한 실시예로서, 상기 변환부(320)는 RGB방식으로 데이터화된 이미지에 대해 YCbCr형식으로 변환할 수 있다. RGB방식의 경우는 3원색이 시각적으로 균일한 정보를 가진 신호를 의미하며, YCbCr은 그로부터 밝기 성분과 색차 정보를 분리하여 색공간에서 표현한 것을 말한다. 이렇게 색공간 좌표계에서 데이터화된 경우 타겟(100)에 대한 이미지와 환경의 이미지를 분리하는데 유리하게 작용될 수 있다. 예를 들어, 터널 내부 공간에서 반사율이나 색채가 유사한 경우 단순 RGB정보만으로서는 이를 분리하기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 경우에 따라 인식부(330)에서 인식된 타겟(100)에 대응되는 포인트가 실제 배치된 타겟(100)의 개수보다 많게 인식될 수 있는 것이다. 이를 해결하기 위하여 밝기와 색차 정보를 분리하여 마커에 대응되는 국소부위만의 추출이 가능한 것이다.
이렇게 변환된 이미지데이터로부터 인식부(330)는 각 타겟(100)을 인식하여 구별하도록 하고, 좌표추출부(340)는 각각의 타겟이미지에 대한 2차원적 좌표를 추출하게 된다.
거리추출부(350)는 좌표추출부(340)에서 추출된 2차원좌표에 따라 레이저스캐닝부(220)를 구동하도록 하여 각각의 타겟(100)에 대한 거리를 산출하는 기능을 수행하며, 상기 거리신호는 각각의 타겟이미지에 매핑될 수 있다.
도 5는 본 발명의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 변위분석의 개념을 나타내는 흐름도이다.
상기한 바와 같이 촬영부(210)는 측정대상물에 배치되는 타겟(100)에 대하여 타겟이미지신호를 생성하고 이러한 타겟이미지신호는 좌표값 내지는 좌표를 산출할 수 있는 정보를 포함한다. 이러한 타겟이미지신호는 제어부(300)로 전송되어 알고리즘에 의하여 분석 및 구현될 수 있을 것이다. 이러한 좌표 정보는 레이저스캐닝부(220)에 의한 거리신호로부터 산출된 거리좌표를 포함한 3차원 좌표일 수 있으며, 제어부(300)는 이를 기초로 변위를 측정할 수 있게 된다.
도시된 실시예에 따라 변위를 판단하는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.
터널의 내곡면과 같은 측정대상물의 부위에 복수의 타겟을 설치하는 단계(S100)에서 상기 타겟(100)은 접착방식으로 배치될 수 있음은 상기한 바와 같다. 이러한 타겟(100)의 배치는 구조물의 면이나 이에 설치되는 브라켓 또는 앵커와 같은 부위일 수 있을 것이다.
이렇게 배치된 타겟(100)들에 대하여 촬영부(210)에 의한 촬영(S110)이 이루어져 이미지신호가 생성되고, 제어부(300)에서는 이로부터 타겟을 인식하여 타겟이미지를 분류하고(S120) 2차원적 추출(S130)하게 된다. 구체적으로 제어부(300)의 영상획득부(310)는 측정대상물의 환경과 타겟의 이미지를 데이터화하여 저장함으로써 영상을 획득하고, 상기한 바와 같이 타겟(100)에 대한 좌표의 추출(S130) 이전에 타겟이미지의 분리를 위한 변환부(320)가 기능할 수 있다.
이렇게 각각의 타겟(100)에 대한 2차원적 좌표가 추출되면 이를 기초로 레이저스캐닝부(220)를 이용한 스캐닝(S210)이 이루어져 거리신호를 생성한다.
이렇게 생성된 거리신호는 각각의 타겟이미지에 대한 2차원좌표와 함께 거리정보로써 3차원 좌표가 매핑(S220)되는 것이다.
상기 촬영부(210)에 의한 촬영(S110) 이후의 심도 및 좌표 매핑(S220)의 과정은 소정의 시간 차이를 두고 반복될 수 있으며 전단계에서 좌표정보와 매핑된 타겟이미지들은 기준이미지를 위한 기초정보가 될 수 있고, 후단계에서 매핑된 타겟이미지들은 측정이미지의 기초정보가 되어 상호 대비되어 변위측정을 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 기준이미지와 현재의 타겟이미지의 좌표대비를 통하여 변위판단(S410)이 이루어지는 것이다.
본 발명에서는 기본적으로 촬영부(210)에 의한 2차원 이미지와, 레이저스캐닝부(220)에 의한 거리정보를 통하여 3차원 좌표를 생성하게 되나, 그 과정에서 일부 오차나 왜곡이 발생할 수 있다.
본 발명의 추가적인 개념에서는 복수의 3차원적으로 다른 위치에 배치되는 타겟(100)을 이미지화하여 기본적으로 x-y좌표계에서 나타낸 이후 길이방향(거리 또는 심도)의 정보를 결합하게 되는데, 이에 보조적 또는 교환적으로 소정의 회전량을 검출하고 입체적인 변위를 검출할 수도 있다. 이를 위하여 상기 제어부(300)는 회전량측정부(미도시)를 더 포함할 수 있을 것이다.
도 6 및 도 7을 참고하여 살펴보면, 복수의 타겟이미지들 중에서 선택된 개수(예를 들어 3개)가 추출되어 사용될 수 있으며 각각의 타겟이미지들을 연결한 선들을 통하여 다각형이 도출될 수 있다.
이에 기준이미지와 측정이미지들을 대비하여 회전량을 산출함으로써 변위와 심도에 대한 보정값을 획득할 수 있게 되며, 추가적으로 상기 심도 및 좌표 매핑(S220)에서 추출된 심도값에 대해 보정(S400)이 이루어질 수 있을 것이다. 이러한 보정은 기본적으로 기준이미지와 측정이미지의 기본이 되는 타겟이미지들이 각각 길이방향 심도에 대한 좌표를 포함하고 있으므로 회전량에 따라 변화하는 다각형의 변의 2차원적 길이변화에 의하여 산출된 심도와 대비가 가능한 것이다.
상기와 같은 기준이미지와 측정이미지의 대비를 통하여 변위판단(S410)이 수행되며 복수의 기준이미지와 측정이미지의 대비가 이루어진 경우 정확한 타겟 위치에서의 3차원적 변위 산출이 가능하다. 이러한 변위판단에는 좌표값의 변화는 물론 뒤틀림에 대한 정도와 위치에 대한 정보도 포함한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 추가적인 개념에 따른 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계의 분석을 위한 타겟의 추출된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서는 1차적으로 측정된 기준이미지를 생성한 상태를 나타내는 도면이며, 다수의 타겟이미지 중에서 3개가 추출되어 기준이미지가 형성되는 경우를 나타내었다. 상기 추출되는 개수는 3개 이상으로서 선택적이며, 아래에서 설명될 본 발명의 개념에 따르는 경우 복수의 타겟이미지 중에서 임의의 타겟이미지를 추출하고 기준이미지와 대비를 하는 것이 반복되는 경우 데이터의 부하나 선택의 편리성을 위하여 3개로 설정되는 것이 바람직할 것이다.
제1타겟이미지(100a), 제2타겟이미지(100b) 및 제3타겟이미지(100c)가 선택되는 경우이며, 제어부(300)는 각각의 타겟이미지들을 연결한 가상선을 통하여 다각형을 나타낼 수 있다. 이에, 제1타겟이미지(100a)와 제2타겟이미지(100b)를 연결하는 제1라인이미지(ℓ1)와, 제2타겟이미지(100b)와 제3타겟이미지(100c)를 연결하는 제2라인이미지(ℓ2)와, 제3타겟이미지(100c)와 제1타겟이미지(100a)를 연결하는 제3라인이미지(ℓ3)로 이루어질 수 있다.
이 경우 상기 라인이미지들은 삼각형을 구성할 수 있으며 이러한 삼각형(또는 다각형)의 형태는 반드시 정삼각형일 필요는 없을 것이다.
이렇게 기준이미지가 설정되는 경우 다시 레이저스캐닝부(220)를 통한 측정으로 동일한 타겟에 대한 좌표를 산출하며 기준이미지와의 대비를 통하여 3차원적인 변위의 대비가 가능하다.
도 7을 참고하여 설명하면, 상기 도 6에서는 기준이미지를 나타내었으며 도 7의 (a) 내지 (c)에서는 설명의 편의성을 위하여 어느 하나의 축에 대한 각각의 회전된 경우의 측정이미지를 나타낸다.
설명의 편의를 위하여 제1타겟이미지(100a), 제2타겟이미지(100b) 및 제3타겟이미지(100c)가 기준이미지에서 상호 등간격으로 배치되는 경우로 나타내도록 한다.
도 7의 (a)에서는 기준이미지에 대해 x축을 중심으로 대략 30도 정도 전방으로 회전된 상태를 나타낸다. 여기서, x축에 대한 이동량을 산출하기 위한 식은 아래와 같다.
Figure 112019050609701-pat00001
여기서, y3 및 y2는 각각 제3타겟이미지(100c)와 제2타겟이미지(100b)의 y축에 대한 좌표를 의미하며 이의 차이는 도시상태를 기준으로 높이를 나타낸다. 또한, z3 및 z2는 각각 제3타겟이미지(100c)와 제2타겟이미지(100b)의 z축에 대한 좌표를 의미하며 이의 차이는 깊이를 나타낸다. 이렇게 산출된 각도는 degree로 변환되어 나타날 수 있다.
도 7의 (b)에서는 기준이미지에 대해 y축을 중심으로 전방으로 회전된 상태를 나타낸다. 여기서, y축에 대한 이동량을 산출하기 위한 식은 상기 수학식 1이 준용될 수 있으므로 생략하도록 한다.
도 7의 (c)에서는 기준이미지에 대해 z축을 중심으로 전방으로 회전된 상태를 나타낸다. 여기서, z축에 대한 이동량을 산출하기 위한 식은 상기 식을 준용한다.
도 8에서는 복수의 타겟에서 레이저스캐닝부에 측정된 타겟과의 거리를 이용하여 두 타겟간 거리를 계산하여 변위를 측정하는 방법을 나타낸다.
레이저스캐닝부(220)가 위치한 B에서 a와 c의 길이를 측정하고, 레이저를 조사한 각도를 구했을 때 A로부터의 가상의 선을 긋고 수학식 2에 따라 산술을 할 경우 c의 거리로 변환할 수 있다. 이를 기존의 측정값 및 기준 타겟값과의 비교를 통해 변화량을 정량적으로 계산해 낼 수 있다.
이는 하기의 식에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112019050609701-pat00002
정확한 좌표의 설정을 위하여 타겟(100)들은 십자 형태로 구성되어 교차점을 가지고 레이저스캐닝부(220)를 통하여 이미지신호로 변환될 수 있을 것이나 반드시 이러한 형태에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 타겟(100)들이 각각 다각이나 지시방향을 표시할 수 있는 형태를 이루어 그 자체로서 회전방향에 대한 정확한 도출이 가능하도록 기능할 수도 있다. 이 경우는 레이저가 아닌 영상촬영장비를 통하여서도 분석이 가능할 수 있다.
본 발명에서는 레이저를 이용하여 타겟(100)을 측정하고 3차원적 좌표를 나타낼 수 있지만 상기와 같이 2차원적으로 구현하는 경우 변위를 즉시적으로 검출해내고 보정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 3차원적 좌표계에서 심도에 대한 정보를 회전량의 검출로서 산출해낼 수 있음에 유의하여야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계에 따라, 다양한 구조물이나 자연물의 다양한 원인에 의한 변형에 대하여 유연하게 적응할 수 있으며 정확한 변위의 검출이 가능하므로 구조적인 신뢰성과 안전성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 영상신호와 거리신호를 이용하여 3차원적 정보를 획득할 수 있으며 기준이미지와 측정이미지의 대비 알고리즘에서 심도의 보정 및 미세한 변화의 검출이 가능하므로 분석의 신뢰성은 더욱 향상될 수 있을 것이다.
또한, 측정대상물에 대해 회전량의 산출을 통하여 뒤틀림의 검출이 가능하므로 구조적 검사에 대한 신뢰성과 안정성이 더욱 향상된다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
10...내곡면 100...타겟
210...촬영부 220...레이저레이저스캐닝부
300...제어부 310...영상획득부
320...변환부 330...인식부
340...좌표추출부 350...거리측정부
410...출력부
100a, 100b, 100c...타겟이미지
ℓ1, ℓ2, ℓ3...라인이미지

Claims (7)

  1. 3개 이상의 타겟에 대한 광학적 이미지신호를 생성하는 촬영부(210);
    상기 촬영부로부터의 이미지신호를 통하여 타겟의 2차원 좌표를 추출하는 제어부(300); 및
    상기 제어부에서 2차원 좌표가 추출된 이후, 각각의 타겟에 대해 레이저를 주사하여 거리신호를 생성하는 레이저스캐닝부(220);를 포함하며,
    상기 제어부는,
    촬영부에서 획득된 2차원상의 3개 이상의 타겟이미지의 기준이미지와의 대비를 통하여 변위를 즉시적으로 검출할 수 있도록 하고, 상기 레이저스캐닝부를 통한 심도의 정보를 통하여 3차원적 변화량을 산출하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟은,
    최소한 2개 이상이 측정대상물의 길이방향으로 서로 다른 위치에 배치되어 침하를 검출하도록 하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    타겟을 포함하는 측정대상물의 전체 또는 일부의 이미지신호를 데이터화하는 영상획득부(310)와, 이미지신호로부터 타겟이미지를 추출하여 인식하는 인식부(330)와, 타겟이미지의 좌표를 산출하는 좌표추출부(340)와, 레이저스캐닝부로부터의 거리신호를 통하여 거리를 산출하는 거리추출부(350)를 포함하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    이미지신호에 대해 색좌표공간으로 변환하는 변환부(320)를 더 구비하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    3개 이상의 타겟에 대응되는 타겟이미지에 대한 이동 변화량을 산출하고 길이방향의 심도가 있는 구조물에 대하여 회전관계 및 거리에 대한 좌표값을 보정하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    변환된 좌표와 각도를 이용한 타겟의 이동거리를 산출하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기준이미지와 측정이미지의 대비를 통하여 3차원 변위와 측정대상물의 위치에 대한 변화를 검출하는 레이저와 광학 영상을 접목한 변위측정계.
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