KR102205290B1 - 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템 - Google Patents

보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템 Download PDF

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Abstract

카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율 또는 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정함으로써 별도의 기준자를 활용하지 않고도 카메라를 이용하여 화면상의 길이 및 폭을 간편하게 측정할 수 있으며, 또한, 구조물 측정면에 맺히는 상의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 적어도 2개 이상의 보조광원의 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리의 측정함으로써 거리 측정의 신뢰도를 확보할 수 있고, 또한, 기준자의 설치가 어려운 구조물에서 별도의 거리 측정기의 도움 없이 영상-기반으로 길이, 폭 등을 용이하게 측정할 수 있고, 특히, 변위의 방향을 미리 알고 있는 구조물의 길이, 폭 등을 용이하게 측정할 수 있는, 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템이 제공된다.

Description

보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템 {IMAGE-BASED STRUCTURE MEASUREMENT SYSTEM USING ADDITIONAL LIGHT SOURCES}
본 발명은 영상-기반 구조물 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율 또는 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정할 수 있는, 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에 관한 것이다.
국내의 많은 구조물들은 시간의 흐름에 따른 노화와 시공불량으로 인한 위험을 내포하게 되기 때문에 이러한 문제들을 해결하기 위해 막대한 예산을 들여 정밀안전진단 등을 실시하고, 그 결과에 따라 구조물의 보수공사 또는 철거를 하고 있다.
이와 같은 구조물에 이상이 있는지 확인하여 그 안전성의 정도를 파악하기 위해 많은 장치들이 이용되고 있으며, 이들 장치들 중에는 구조물에 대한 정적 또는 동적 하중에 따른 변형량을 측정하기 위해 변형량 측정 게이지를 구조물에 부착하여 구조물의 변형량을 측정하고, 이와 같이 측정된 변형량을 정량적으로 해석하여 구조물의 안전성을 판단하고 있다.
그러나 이러한 장치의 경우 변형량 측정 게이지를 구조물에 부착할 때 게이지의 지지는 가시설에 매달아 부착하는 등 측정오차에 영향을 미칠 수 있기 때문에 측정 오차가 발생하고, 이에 따라 정확한 변형량을 측정하기 곤란하다는 문제점이 있다.
한편, 최근 영상을 이용하여 구조물의 변위 및 변형률을 계측하고 균열을 탐지하여 균열폭을 계측하는 영상-기반의 계측 기술이 개발되어 적용되고 있다. 이러한 영상-기반의 계측 기술은 카메라로 촬영된 영상에 나타나는 특징점인 특유의 패턴 또는 형상을 활용하여 변위와 균열 등을 분별하고 계측하는 방법이다.
이러한 방법으로 변위 또는 균열 폭의 절대량, 즉, 측정단위(㎜, ㎝, m 등)의 값을 얻기 위해서 측정면에 길이의 기준이 될 수 있는 기준자를 배치하거나 또는 카메라와 측정면 사이의 거리에 대한 정보가 필요하다.
구체적으로, 영상을 기반으로 변위와 균열 폭을 측정하기 위해서는 측정면에 기준자를 설치하는 방법과 카메라와 측정면 사이의 거리를 측정하는 방법이 있다.
한편, 기준자와 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1748180호에는 "영상으로부터 피사체의 크기를 측정하기 위한 방법 및 장치"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 장치를 개념적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 방법을 개념적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 장치(10)는, 촬상부(11), 기준자 크기 측정부(12), 방향각 측정부(13), 중앙 제어부(14), 크기 보상부(15) 및 출력부(16)를 포함하며, 중앙 제어부(14)가 이러한 구성 요소들을 제어한다.
촬상부(11)는 카메라를 이용하여 영상을 촬영하고, 기준자 크기 측정부(12)는 영상으로부터 기준자를 식별하고, 식별된 기준자의 크기를 측정한다.
방향각 측정부(13)는 식별된 기준자의 영상 속성을 이용하여 카메라와 피사체 사이의 수직 방향각 및 수평 방향각을 측정한다. 방향각을 측정하기 위하여 다양한 기준자가 이용될 수 있다.
크기 보상부(15)는 촬상부(11)에 의하여 촬상된 영상으로부터 피사체를 식별하고, 우선 식별된 피사체의 수직 크기 및 수평 크기를 측정한다. 식별된 크기는 다시 크기 보상부(15)에 의하여 기준자 크기 및 기준자의 실제 크기, 수직 및 수평 방향각을 이용하여 보상된다. 또한, 출력부(16)는 보상된 실제 크기를 사용자에게 출력한다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 방법은, 먼저, 카메라를 이용하여 영상을 촬영한다(S10). 영상은 피사체와 소정 크기를 가지는 기준자를 포함한다.
다음으로, 영상으로부터 기준자를 식별한 후, 식별된 기준자의 크기를 측정한다(S20). 영상으로부터 기준자를 식별하기 위하여, 다양한 영상처리 기술이 적용될 수 있다. 측정된 기준자 크기는 기준자의 실제 크기보다는 작으며, 실제 크기 및 측정된 크기의 관계는 추후에 피사체 크기를 보상할 때 이용된다.
다음으로, 기준자 크기가 측정되면, 식별된 기준자의 영상 속성을 이용하여 카메라와 피사체 사이의 수직 방향각 및 수평 방향각을 측정한다(S30). 이때, 기준자는 여러 개의 동일한 형상을 가지는 면을 포함하거나, 동일 간격으로 상호 이격되는 홀 또는 요철을 포함할 수 있다. 방향각 측정 단계(S30)에서는 촬영된 기준자 영상으로부터 기준되는 기준면, 기준홀, 또는 기준 요철 등을 판단하고, 판단된 기준으로부터 카메라의 수직 및 수평 방향각을 측정한다.
다음으로, 수직 및 수평 방향각이 측정되면, 영상으로부터 피사체를 식별한 후 식별된 피사체의 수직 크기 및 수평 크기를 측정한다(S40). 이때, 측정된 수직 크기 및 수평 크기는 카메라와 피사체간의 거리 및 방향각에 의하여 왜곡된다. 그러므로, 최종적으로 기준자 크기 및 기준자의 실제 크기간의 관계 및 결정된 방향각을 이용하여 측정된 피사체의 크기를 보상하고(S50), 다음으로, 다시 영상을 촬영할지 판단한다(S460).
종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 장치 및 방법에 따르면, 상하 좌우 및 줌인/줌아웃 조정이 되는 카메라 혹은 CCTV 카메라를 이용하여 촬영된 사진으로부터, 넓은 지역에 걸쳐 다수 피사체의 크기를 측정하고자 할 때, 피사체가 놓인 거리 및 수평, 수직 방향각에 따라 발생하는 오차를 제거함으로써, 피사체의 크기를 쉽고 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-0912132호에는 "레이저 마커를 이용한 거리측정장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3, 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 레이저 마커와 카메라 모듈을 이용한 거리측정장치에 관한 전체 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 거리측정모듈에 관한 세부 구성도이며, 도 5a는 종래의 기술에 따른 레이저 마커와 카메라 모듈을 이용한 거리측정장치에서 제1 레이저 모듈 및 제2 레이저 모듈을 통해 조사되는 마커 문양을 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 적색 마커 문양과 청색 마커 문양 및 두 마커가 겹쳐진 모습을 나타내는 도면이다.
도 3, 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 레이저 마커와 카메라 모듈을 이용한 거리측정장치는, 카메라 모듈(30), 제1 레이저 모듈(40), 제2 레이저 모듈(50) 및 거리측정모듈(60)을 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 카메라 모듈(30)은 영상을 입력받는 통상의 카메라이다.
제1 레이저 모듈(40) 및 제2 레이저 모듈(50)은, 도 5a에 도시된 바와 같이 카메라 모듈(30)의 좌측 및 우측에 장착되는 레이저 다이오드(laser diode)로서, 그 앞단에 마커가 인쇄된 분광판이 내장되어 서로 다른 색상을 갖는 마커 문양을 조사한다. 이때, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 모듈(40)의 색상을 적색(R), 제2 레이저 모듈(50)의 색상을 청색(B)으로 설정하겠으나, 측정 대상 물체에 조사된 서로 다른 색상을 갖는 두 마커의 분포에 따라 대상 물체와의 거리를 측정하는 것으로서, 그 색에 한정되는 것이 아니다.
또한, 거리측정모듈(60)은 제1 레이저 모듈(40) 및 제2 레이저 모듈(50)을 통해 조사된 두 마커 문양을 바탕으로, 마커 각각의 색상 및 두 마커 문양간의 거리를 측정함으로써, 상기 두 마커 문양이 조사된 대상물체와의 거리를 측정하는 기능을 수행하는 바, 도 4에 도시된 바와 같이 기준 설정부(61), 마커 식별부(62), 색상 식별부(63), 기준점간 거리 측정부(64), 대상물체 거리 측정부(65) 및 영상 보정부(66)를 포함한다.
구체적으로, 기준 설정부(61)는 제1 레이저 모듈(40) 및 제2 레이저 모듈(50)간의 간격, 제1 레이저 모듈(40) 및 제2 레이저 모듈(50)의 레이저 조사 각도, 두 마커 문양이 겹쳐질 때의 거리측정장치(100)와의 거리, 적색(R) 및 청색(B) 마커 문양의 좌우 위치 및 두 마커 기준점간의 거리에 따른 거리측정장치와의 거리 등을 기설정하고 있다. 제1 레이저 모듈(40) 및 제2 레이저 모듈(50)을 통해 조사된 두 마커 문양이 겹치는 위치가 거리측정장치로부터, 예를 들면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 2m 떨어진 것으로 설정하였으나, 이에 한정되지 않는다.
마커 식별부(62)는 카메라 모듈(30)로부터 입력된 영상을 바탕으로 두 개의 마커를 식별하는 기능을 수행한다.
색상 식별부(63)는 마커 식별부(62)를 통해 식별된 마커의 색상을 적색(R) 및 청색(B)으로 식별하는 기능을 수행한다.
기준점간 거리 측정부(64)는 대상 물체에 조사되어 나타난 마커 문양 기준점간의 거리를 측정하는 기능을 수행한다.
대상물체 거리 측정부(65)는 기준점간 거리 측정부(64)를 통해 측정된 두 마커 문양간의 거리를 바탕으로 대상물체와의 거리를 측정하는 기능을 수행한다.
이때, 대상물체가 평면이 아닐 경우 마커 문양이 직선형태가 아닌 휘어짐 형상으로 나타날 수 있다. 따라서 거리측정모듈(60)은 대상물체에 조사된 마커의 직선 또는 휘어짐 등에 의한 곡선 마커 영상을 보정하는 영상 보정부(66)를 더 포함할 수 있다.
종래의 기술에 따른 레이저 마커를 이용한 거리측정장치에 따르면, 레이저 모듈을 통해 조사된 두 마커 문양을 바탕으로, 마커의 색상을 식별하고 두 마커 문양간의 거리를 측정함으로써, 두 마커 문양이 조사된 대상물체와의 거리를 측정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따르면, 측정면에 기준자를 설치하는 영상-기반 변위와 균열 폭 측정 방법은, 인력의 접근이 어려운 경우 측정면에 기준자의 설치가 어렵다는 문제점이 있고, 또한, 이동하면서 측정할 경우, 기준자의 설치가 매우 번거롭고 사실상 설치가 어려우므로 작업의 실효성이 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 카메라와 측정면 사이의 거리를 측정하는 영상-기반 변위와 균열 폭 측정 방법으로서, 레이저 등을 이용한 거리 측정기가 있으나, 이러한 레이저 거리 측정기는 측정기별로 가용한 거리의 범위가 특정되어 있다. 따라서 다양하게 변화하는 카메라와 측정면 간의 거리에 대응하기 위해서 다수의 전용 거리 측정기를 각각의 거리에 따라 수시로 교체하면서 사용해야 하므로 활용도가 떨어진다는 문제점이 있다. 이때, 다수의 전용 거리 측정기 대신에 상용 거리 측정기를 사용하더라도 장비의 크기 및 중량으로 인해 영상- 기반 계측장비의 무게와 규모가 커짐에 따라 계측장비의 운용이 불편하다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-0912132호(등록일: 2009년 8월 6일), 발명의 명칭: "레이저 마커를 이용한 거리측정장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1748180호(등록일: 2017년 6월 12일), 발명의 명칭: "영상으로부터 피사체의 크기를 측정하기 위한 방법 및 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1824714호(등록일: 2018년 1월 26일), 발명의 명칭: "거리 측정이 가능한 레이저 계측기" 대한민국 등록특허번호 제10-1556866호(등록일: 2015년 9월 23일), 발명의 명칭: "거리 측정 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1817441호(등록일: 2018년 1월 4일), 발명의 명칭: "구조물의 노후도 모니터링 장치 및 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-852256호(등록일: 2008년 8월 7일), 발명의 명칭: "구조물의 변위 측정장치"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율 또는 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정할 수 있는, 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 구조물 측정면에 맺히는 상의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 적어도 2개 이상의 보조광원의 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리의 측정할 수 있는, 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기준자의 설치가 어려운 구조물에서 별도의 거리 측정기의 도움 없이 영상-기반으로 길이, 폭 등을 용이하게 측정할 수 있는, 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템은, 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템에 있어서, 구조물을 촬영하여 영상을 획득하는 카메라; 상기 구조물의 측정면에 범위설정 패턴 및 특정패턴을 각각 조사하는 레이저 포인팅 장치로서, 상기 카메라에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라의 위치인 시점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 복수의 보조광원을 각각 조사하는 보조광원 조사장치; 상기 복수의 보조광원의 범위설정 패턴 및 특정패턴이 각각 상기 구조물의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출하는 패턴 크기 비율 산출부; 및 상기 카메라에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 패턴 크기 비율 산출부에서 산출된 패턴 크기의 비율에 따라 상기 구조물까지의 거리를 산출하는 영상-기반 거리 산출부를 포함하되, 상기 복수의 보조광원 중 중앙 레이저 보조광원은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 범위설정 패턴을 조사하고, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 좁아지도록 특정패턴을 조사하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 보조광원 조사장치는, 상기 보조광원 조사장치의 중앙에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 범위설정 패턴을 조사하는 중앙 레이저 보조광원; 상기 중앙 레이저 보조광원의 좌측에 배치되어 제1 특정패턴을 조사하는 좌측 레이저 보조광원; 및 상기 중앙 레이저 보조광원의 우측에 배치되어 상기 제1 특정패턴 형상에 대응하는 제2 특정패턴을 조사하는 우측 레이저 보조광원을 포함하 되, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원에서 조사되는 특정패턴은 상기 시점에서 멀어지면서 서로 점차 좁아지도록 조사되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 좌측 레이저 보조광원 및 우측 레이저 보조광원이 구조물의 측정면에 각각 조사하는 특정패턴은 꺽쇠 패턴이고, 필요에 따라 원하는 패턴 형상이 표출되도록 가공할 수 있다.
여기서, 상기 영상-기반 거리 산출부에서 산출되는 구조물의 측정면까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00001
)의 경우,
Figure 112019135191396-pat00002
로 주어지고, 여기서, 상기
Figure 112019135191396-pat00003
는 상기 좌측 레이저 보조광원과 우측 레이저 보조광원 간의 길이를 나타내고, 상기
Figure 112019135191396-pat00004
는 구조물의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이를 나타내고,
Figure 112019135191396-pat00005
는 상기 두 특정패턴 간의 길이를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 두 특정패턴 간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00006
)의 경우,
Figure 112019135191396-pat00007
로 주어지고, 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이(
Figure 112019135191396-pat00008
)의 경우,
Figure 112019135191396-pat00009
로 주어지되, 상기
Figure 112019135191396-pat00010
,
Figure 112019135191396-pat00011
및
Figure 112019135191396-pat00012
는 측정 전에 실시하는 캘리브레이션으로부터 계산 및 측정되는 상수값인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 두 개의 상수
Figure 112019135191396-pat00013
와
Figure 112019135191396-pat00014
는 두 가지 거리(
Figure 112019135191396-pat00015
과
Figure 112019135191396-pat00016
)에 대한 측정값으로 만들어지는 두 개의 방정식으로부터 계산되며, 상기 카메라로 촬영된 영상으로부터
Figure 112019135191396-pat00017
과
Figure 112019135191396-pat00018
에 대한 사각형의 길이(
Figure 112019135191396-pat00019
)와 특정패턴간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00020
)의 비율인
Figure 112019135191396-pat00021
과
Figure 112019135191396-pat00022
을 방정식으로 하여 각각 미리 계산될 수 있다.
여기서, 상기 구조물의 측정면이 기울어져 있는 경우, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원이 상기 구조물의 측정면에 맺히는 상의 비율로부터 측정면 중심의 거리를 측정하고, 상기 구조물의 측정면의 중심과 카메라와의 거리(
Figure 112019135191396-pat00023
)를 알고 있는 경우, 상기 측정면의 기울어진 각도(
Figure 112019135191396-pat00024
)는,
Figure 112019135191396-pat00025
로 주어지고, 여기서,
Figure 112019135191396-pat00026
및
Figure 112019135191396-pat00027
는 각각 기울어진 경사면 종점으로부터 상기 구조물의 측정면의 중심까지의 거리를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템은, 상기 카메라의 촬영, 보조광원의 구동 및 패턴 크기 비율의 산출을 전반적으로 제어하는 제어부; 상기 보조광원이 조사될 수 있도록 상기 보조광원 조사장치를 구동하는 보조광원 구동부; 상기 보조광원 조사장치에서 조사되는 보조광원의 광량 및 방향을 조정하는 보조광원 조정부; 및 상기 영상-기반 거리 산출부에서 산출된 구조물까지의 거리를 표시하는 표시부를 추가로 할 수 있다.
여기서, 상기 카메라와 동일한 선상에서 시작되는 레이저 보조광원들과 구조물 측정면과의 거리를 계측하여 알고 있는 경우, 상기 카메라의 광각과 배율을 바탕으로 상기 카메라가 촬영한 영상에서 확인된 측정면의 길이를 비례의 관계로부터 계산하여, 상기 구조물의 길이 및 폭을 추가로 측정할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템은, 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템에 있어서, 구조물을 촬영하여 영상을 획득하는 카메라; 상기 구조물의 측정면에 제1 스페클 패턴 및 제2 스페클 패턴을 각각 조사하는 레이저 스페클 분광 장치로서, 상기 카메라에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 적어도 하나 이상의 보조광원을 각각 조사하는 보조광원 조사장치; 상기 적어도 하나 이상의 보조광원의 제1 스페클 패턴 및 제2 스페클 패턴이 각각 상기 구조물의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출하는 스페클 밀도 비율 산출부; 및 상기 카메라에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 스페클 밀도 비율 산출부에서 산출된 스페클 밀도의 비율에 따라 상기 구조물까지의 거리를 산출하는 영상-기반 거리 산출부를 포함하되, 상기 구조물 측정면에 맺힌 두 보조광원의 스페클 밀도의 비율로부터 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 보조광원 조사장치는, 상기 보조광원 조사장치의 일측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제1 스페클 패턴을 조사하는 제1 레이저 보조광원; 및 상기 제1 레이저 보조광원에 대응하도록 상기 보조광원 조사장치의 타측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제2 스페클 패턴을 조사하는 제2 레이저 보조광원을 포함하되, 상기 제1 및 제2 스페클 패턴은 상기 카메라의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스페클 밀도는 레이저 스페클 장치에 의한 면적당 레이저 스페클 수 또는 빛의 강도일 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원의 각각의 밀도(
Figure 112019135191396-pat00028
,
Figure 112019135191396-pat00029
)는 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원의 시작점과 구조물 측정면까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00030
)가 길어짐에 따라 서로 다른 비율로 감소하며, 임의의 구조물까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00031
)에서 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원의 밀도 비율은
Figure 112019135191396-pat00032
로 주어지고, 상기 밀도 비율에 따라 구조물까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00033
)를 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 카메라와 동일한 선상에서 시작되는 레이저 보조광원들과 구조물 측정면과의 거리를 계측하여 알고 있는 경우, 상기 카메라의 광각과 배율을 바탕으로 상기 카메라가 촬영한 영상에서 확인된 측정면의 길이를 비례의 관계로부터 계산하여, 상기 구조물의 길이 및 폭을 추가로 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율 또는 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정함으로써 별도의 기준자를 활용하지 않고도 카메라를 이용하여 화면상의 길이 및 폭을 간편하게 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 구조물 측정면에 맺히는 상의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 적어도 2개 이상의 보조광원의 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리의 측정함으로써 거리 측정의 신뢰도를 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기준자의 설치가 어려운 구조물에서 별도의 거리 측정기의 도움 없이 영상-기반으로 길이, 폭 등을 용이하게 측정할 수 있고, 특히, 변위의 방향을 미리 알고 있는 구조물의 길이, 폭 등을 용이하게 측정할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 장치를 개념적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 피사체 크기 측정 방법을 개념적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 레이저 마커와 카메라 모듈을 이용한 거리측정장치에 관한 전체 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 거리측정모듈에 관한 세부 구성도이다.
도 5a는 종래의 기술에 따른 레이저 마커와 카메라 모듈을 이용한 거리측정장치에서 제1 레이저 모듈 및 제2 레이저 모듈을 통해 조사되는 마커 문양을 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 적색 마커 문양과 청색 마커 문양 및 두 마커가 겹쳐진 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 거리측정용 레이저 보조광원이 조사되는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 측정하고자 하는 측정면까지의 거리를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 보조광원이 맺는 상의 비율과 거리간의 관계를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 측정면이 기울어져 있는 경우의 거리 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템의 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 레이저 보조광원의 밀도를 이용한 거리 측정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 레이저 보조광원의 밀도를 이용한 거리 측정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[제1 실시예: 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(100)]
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(100)은, 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템으로서, 카메라(110), 보조광원 조사장치(120), 패턴 크기 비율 산출부(130), 영상-기반 거리 산출부(140), 제어부(150), 보조광원 구동부(160), 보조광원 조정부(170) 및 표시부(180)를 포함하며, 상기 보조광원 조사장치(110)는 적어도 3개의 레이저 보조광원으로서, 중앙 레이저 보조광원(121), 좌측 레이저 보조광원(122) 및 우측 레이저 보조광원(123)을 포함한다.
카메라(110)는 구조물(200)을 촬영하여 영상을 획득한다.
보조광원 조사장치(120)는 상기 구조물(200)의 측정면에 범위설정 패턴(210) 및 특정패턴(220a, 220b)을 각각 조사하는 레이저 포인팅 장치로서, 상기 카메라(110)에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라(110)의 위치인 시점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 복수의 보조광원(121, 122, 123)을 각각 조사한다.
구체적으로, 상기 중앙 레이저 보조광원(121)는 상기 보조광원 조사장치(120)의 중앙에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 범위설정 패턴(210)을 조사한다.
상기 좌측 레이저 보조광원(122)는 상기 중앙 레이저 보조광원(121)의 좌측에 배치되어 제1 특정패턴(220a)을 조사한다. 또한, 상기 우측 레이저 보조광원(123)는 상기 중앙 레이저 보조광원(121)의 우측에 배치되어 상기 제1 특정패턴(220a) 형상에 대응하는 제2 특정패턴(220b)을 조사한다. 이때, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)에서 조사되는 특정패턴(220a, 220b)은 상기 시점에서 멀어지면서 서로 점차 좁아지도록 조사한다.
패턴 크기 비율 산출부(130)는 상기 복수의 보조광원(121, 122, 123)의 범위설정 패턴(210) 및 특정패턴(220a, 220b)이 각각 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출한다.
영상-기반 거리 산출부(140)는 상기 카메라(110)에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 패턴 크기 비율 산출부(130)에서 산출된 패턴 크기의 비율에 따라 상기 구조물(200)까지의 거리를 산출한다.
제어부(150)는 상기 카메라(110)의 촬영, 보조광원의 구동 및 패턴 크기 비율의 산출을 전반적으로 제어한다.
보조광원 구동부(160)는 상기 보조광원이 조사될 수 있도록 상기 보조광원 조사장치(120)를 구동하고, 또한, 보조광원 조정부(170)는 상기 보조광원 조사장치(120)에서 조사되는 보조광원의 광량 및 방향을 조정한다.
표시부(180)는 상기 영상-기반 거리 산출부(140)에서 산출된 구조물까지의 거리를 표시한다.
여기서, 상기 카메라(110), 보조광원 조사장치(120), 패턴 크기 비율 산출부(130), 영상-기반 거리 산출부(140), 제어부(150), 보조광원 구동부(160), 보조광원 조정부(170) 및 표시부(180)는 하나로 패키지화된 계측장치로 구현할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(100)의 경우, 상기 복수의 보조광원 중 중앙 레이저 보조광원(121)은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 범위설정 패턴(210)을 조사하고, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 좁아지도록 특정패턴(220a, 220b)을 조사한다. 이에 따라, 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율 또는 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정함으로써 별도의 기준자를 활용하지 않고도 카메라를 이용하여 화면상의 길이 및 폭을 간편하게 측정할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 거리측정용 레이저 보조광원이 조사되는 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 측정하고자 하는 측정면까지의 거리를 구체적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템의 경우, 구조물(200)의 측정면에 맺히는 상의 크기인 길이 또는 면적에 따라 거리를 측정하며, 도 7 및 도 8도시된 바와 같이, 특정패턴 형상, 예를 들면, 꺽쇠 패턴 형상을 조사하는 좌측 및 우측 레이저 보조광원을 활용한다,
레이저 보조광원(120) 중 중앙 레이저 보조광원(121)은 카메라(110)가 위치한 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 범위설정 형상을 조사하고, 레이저 보조광원(120) 중 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 좁아지도록 특정패턴 형상을 조사한다.
이때, 상기 좌측 레이저 보조광원(122) 및 우측 레이저 보조광원(122)이 구조물의 측정면에 각각 조사하는 특정패턴(220a, 220b)은 꺽쇠 패턴이고, 필요에 따라 원하는 패턴 형상이 표출되도록 가공할 수 있다. 다시 말하면, 특정패턴(220a, 220b)을 갖는 레이저 광원(120), 예를 들면, 레이저 포인팅 장치는 시중에서 흔하게 구입할 수 있는 도구로서, 필요에 따라 원하는 형상이 표출되도록 가공하여 활용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서, 구조물(200)의 거리 측정에 레이저 보조광원 각각이 맺는 형상, 도 8에 도시된 바와 같이 사각형의 범위설정 패턴과 특성패턴인 꺽쇠 패턴을 이용할 경우, 수평축 방향으로 측정되는 거리의 비율만 계산한다면, 거리가 늘어남에 따라 특정패턴 형상이 맺히는 범위가 점차 넓어지도록 하는 1개의 레이저 보조광원, 즉, 중앙 레이저 보조광원(121)이 필요하고, 또한, 거리가 늘어남에 따라 특정패턴 형상 간의 간격이 좁아지게 하는 2개의 레이저 보조광원(122, 123), 즉, 좌측 레이저 보조광원(122)과 우측 레이저 보조광원(123)이 필요하다. 여기서, 좌측 상단과 우측 하단의 사각형은 레이저 보조광원이 레이저빔의 전면에 배치되는 렌즈를 통과하면서 특정한 형상으로 측정면에 맺히는 형상의 예를 든 것이다.
한편, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 보조광원이 맺는 상의 비율과 거리간의 관계를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서, 구조물(200)의 측면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이(
Figure 112019135191396-pat00034
)와 두 꺽쇠패턴 간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00035
)의 비율(
Figure 112019135191396-pat00036
)은 거리에 따라 변화하게 된다.
이때, 레이저 보조광원의 시점과 측정면까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00037
)는 다음의 수학식 1로부터 계산할 수 있으며, 수학식 1에서
Figure 112019135191396-pat00038
,
Figure 112019135191396-pat00039
,
Figure 112019135191396-pat00040
는 상수로서 측정 전에 실시하는 캘리브레이션으로부터 계산 및 측정할 수 있다.
Figure 112019135191396-pat00041
여기서, 상기
Figure 112019135191396-pat00042
는 상기 좌측 레이저 보조광원(122)과 우측 레이저 보조광원(122) 간의 길이를 나타내고, 상기
Figure 112019135191396-pat00043
는 구조물(200)의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이를 나타내고,
Figure 112019135191396-pat00044
는 상기 두 특정패턴(220a, 220b) 간의 길이를 나타낸다.
구체적으로, 상기 두 특정패턴(220a, 220b) 간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00045
)의 경우,
Figure 112019135191396-pat00046
로 주어지고, 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이(
Figure 112019135191396-pat00047
)의 경우,
Figure 112019135191396-pat00048
로 주어지되, 상기
Figure 112019135191396-pat00049
,
Figure 112019135191396-pat00050
및
Figure 112019135191396-pat00051
는 측정 전에 실시하는 캘리브레이션으로부터 계산 및 측정되는 상수값이다. 이때, 구조물(200)의 측면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이(
Figure 112019135191396-pat00052
)와 두 꺽쇠패턴 간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00053
)의 비율(
Figure 112019135191396-pat00054
)은 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112019135191396-pat00055
상기 수학식 2는 다음의 수학식 3과 같이 정리되며, 수학식 3을 다시 정리하면 전술한 수학식 1과 같이 된다.
Figure 112019135191396-pat00056
여기서,
Figure 112019135191396-pat00057
는 특정 거리를 갖는 위치의 번호의 의미이고, 알고자 하는 거리인
Figure 112019135191396-pat00058
는 정확한 의미에서
Figure 112019135191396-pat00059
로 표기될 수 있다. 이때, 상기 두 개의 상수
Figure 112019135191396-pat00060
와
Figure 112019135191396-pat00061
는 두 가지 거리(
Figure 112019135191396-pat00062
과
Figure 112019135191396-pat00063
)에 대한 측정값으로 만들어지는 두 개의 방정식으로부터 계산되며, 상기 카메라(110)로 촬영된 영상으로부터
Figure 112019135191396-pat00064
과
Figure 112019135191396-pat00065
에 대한 사각형의 길이(
Figure 112019135191396-pat00066
)와 특정패턴(220a, 220b)간의 길이(
Figure 112019135191396-pat00067
)의 비율인
Figure 112019135191396-pat00068
과
Figure 112019135191396-pat00069
을 방정식으로 하여 각각 미리 계산될 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 측정면이 기울어져 있는 경우의 거리 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(100)은, 구조물(200)의 측정면이 기울어져 있는 경우, 두 레이저 보조광원이 구조물(200)의 측정면에 맺히는 상의 비율로부터 측정면 중심의 거리의 측정이 가능하며, 또한, 기울어진 각도의 측정도 가능하다. 예를 들면, 상기 구조물(200)의 측정면의 중심과 카메라(110)와의 거리(
Figure 112019135191396-pat00070
)를 알고 있는 경우, 기울어진 각도(
Figure 112019135191396-pat00071
)의 측정은 다음의 수학식 4로부터 계산이 가능하다.
Figure 112019135191396-pat00072
여기서,
Figure 112019135191396-pat00073
및
Figure 112019135191396-pat00074
는 각각 기울어진 경사면 종점으로부터 상기 구조물(200)의 측정면의 중심까지의 거리를 나타낸다.
결국, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에 따르면, 카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 크기(길이 또는 면적)의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정할 수 있다.
[제2 실시예: 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(300)]
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템의 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(300)은, 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템으로서, 카메라(310), 보조광원 조사장치(320), 스페클 밀도 비율 산출부(330), 영상-기반 거리 산출부(340), 제어부(350), 보조광원 구동부(360), 보조광원 조정부(370) 및 표시부(380)를 포함하며, 상기 보조광원 조사장치(120)는 적어도 2개의 레이저 보조광원으로서, 제1 레이저 보조광원(321) 및 제2 레이저 보조광원(322)을 포함한다.
카메라(310)는 구조물(400)을 촬영하여 영상을 획득한다.
보조광원 조사장치(320)는 상기 구조물(400)의 측정면에 제1 스페클 패턴(410) 및 제2 스페클 패턴(420)을 각각 조사하는 레이저 스페클 분광 장치로서, 상기 카메라(310)에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라(310)의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 적어도 하나 이상의 보조광원(321, 322)을 각각 조사한다. 여기서, 상기 스페클 밀도는 레이저 스페클 장치에 의한 면적당 레이저 스페클 수 또는 빛의 강도일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 레이저 보조광원(321)은 상기 보조광원 조사장치(320)의 일측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제1 스페클 패턴(410)을 조사하고, 또한, 상기 제2 레이저 보조광원(322)은 상기 제1 레이저 보조광원(321)에 대응하도록 상기 보조광원 조사장치(320)의 타측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제2 스페클 패턴(410)을 조사한다. 이때, 상기 제1 및 제2 스페클 패턴(410, 420)은 상기 카메라(310)의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산된다.
스페클 밀도 비율 산출부(330)는 상기 적어도 하나 이상의 보조광원(321, 322)의 제1 스페클 패턴(410) 및 제2 스페클 패턴(420)이 각각 상기 구조물(400)의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출한다.
영상-기반 거리 산출부(340)는 상기 카메라(310)에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 스페클 밀도 비율 산출부(330)에서 산출된 스페클 밀도의 비율에 따라 상기 구조물(400)까지의 거리를 산출한다.
제어부(350)는 상기 카메라(310)의 촬영, 보조광원의 구동 및 패턴 크기 비율의 산출을 전반적으로 제어한다.
보조광원 구동부(360)는 상기 보조광원이 조사될 수 있도록 상기 보조광원 조사장치(320)를 구동하고, 또한, 보조광원 조정부(370)는 상기 보조광원 조사장치(320)에서 조사되는 보조광원의 광량 및 방향을 조정한다.
표시부(380)는 상기 영상-기반 거리 산출부(340)에서 산출된 구조물까지의 거리를 표시한다.
이에 따라, 상기 구조물(400)의 측정면에 맺힌 두 보조광원(321, 322)의 스페클 밀도의 비율로부터 거리를 측정할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 레이저 보조광원의 밀도를 이용한 거리 측정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서 레이저 보조광원의 밀도를 이용한 거리 측정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서, 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 각각의 밀도(
Figure 112019135191396-pat00075
,
Figure 112019135191396-pat00076
)는 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 시작점과 구조물 측정면까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00077
)가 길어짐에 따라 서로 다른 비율로 감소한다.
따라서 임의의 구조물까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00078
)에서 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 밀도 비율은
Figure 112019135191396-pat00079
로 주어지고, 상기 밀도 비율에 따라 구조물까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00080
)를 산출할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에서, 구조물(400) 측정면에 맺히는 상의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 전술한 제1 실시예에 따른 특정패턴을 조사하는 방식 대신에, 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 레이저 보조광원, 예를 들면, 레이저 스페클 장치 등을 조사하여 구조물(400)의 측정면에 맺힌 두 보조광원의 밀도, 예를 들면, 레이저 스페클 장치에 의한 면적당 레이저 스페클 수 또는 빛의 강도 등의 비율로부터 거리를 측정할 수 있다.
구체적으로, 각각의 보조광원(321, 322)의 밀도(
Figure 112019135191396-pat00081
,
Figure 112019135191396-pat00082
)는 보조광원(321, 322)의 시작점과 구조물 측정면까지의 거리(
Figure 112019135191396-pat00083
)가 커짐에 따라 서로 다른 비율로 감소하게 되며, 임의 거리(
Figure 112019135191396-pat00084
)에서는 특정한 두 보조광원(321, 322)의 밀도 비율(
Figure 112019135191396-pat00085
)을 갖게 된다.
이때, 동일한 환경에는 단일 광원의 밀도로부터 직접적으로 거리를 계산할 수도 있지만, 공간에 존재하는 이물질, 예를 들면, 먼지, 습기 등으로 인해 밀도가 교란될 수 있으므로 거리 계산에 대한 신뢰도가 떨어질 수 있다. 하지만, 두 보조광원의 밀도의 비율은 공간에 존재하는 이물질의 차이가 있다고 하더라도 거의 영향을 받지 않기 때문에 거리 측정의 신뢰도를 확보할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(300)의 경우, 거리가 늘어남에 따라 측정면에 맺히는 광원의 밀도가 특정 비율로 변화하는 두 가지의 레이저 보조광원, 즉, 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)이 필요하다.
이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템(300)은, 레이저 보조광원(321, 322)이 구조물(400)의 측정면에 맺히는 형상 또는 밀도의 비율에 따라 거리를 측정하는 방식이기 때문에, 레이저 보조광원의 최소 개수는 전술한 바와 같지만, 필요에 따라 레이저 보조광원을 추가하여 사용할 수 있다.
이와 같이 보조광원의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 측정면 상의 임의의 위치에 대한 두 보조광원의 스페클 밀도 비율로부터 거리를 직접적으로 계산할 수 있는 장점이 있다. 따라서 구조물의 측정면이 기울어져 있다 하더라도 원하는 위치의 거리를 측정함으로써 기울어진 각도를 측정할 수도 있다. 특히, 구조물 측정면이 곡면이라 하더라도 측정면의 각 위치에서 거리를 계산할 수 있다.
결국, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템에 따르면, 카메라와 인접하여 설치되어 카메라의 위치인 시작점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 조사되는 복수의 레이저 보조광원들이 구조물의 측정면에 맺히는 상의 스페클 밀도의 비율에 따라 구조물까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 구조물(400) 측정면에 맺히는 상의 밀도를 이용하여 거리를 측정할 경우, 적어도 2개 이상의 보조광원의 밀도의 비율에 따라 구조물(400)까지의 거리의 측정함으로써 거리 측정의 신뢰도를 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 상기 카메라와 동일한 선상에서 시작되는 보조광원들과 구조물 측정면과의 거리를 계측하여 알고 있는 경우, 카메라의 광각과 배율을 바탕으로 상기 카메라가 촬영한 영상에서 확인된 측정면의 길이는 비례의 관계로부터 계산할 수 있다. 즉, 보조광원의 시작점과 구조물 측정면과의 거리를 이용한 길이 및 폭을 측정할 수 있다.
예를 들면, 구조물의 균열폭을 측정하고자 하는 경우, 카메라와 측정면까지의 거리를 가깝게 하여 카메라에 의해 촬영된 영상을 바탕으로 두께를 측정할 수 있다. 만일 카메라를 근접시키기 어렵다면, 상기 카메라와 측정면의 거리를 1차적으로 확인한 이후, 광학적으로 확대하여 확대된 비율의 관계를 이용하여 영상에서 확인되는 균열의 폭을 계산할 수 있다.
구체적으로, 전술한 보조광원의 시작점과 측정면과의 거리를 이용한 구조물의 변위 측정 방법은 다음과 같다.
먼저, 카메라의 방향과 측정면이 직교할 때, 면을 따라 발생하는 변위를 측정할 수 있다. 본 발명의 제1 및 제2 실시에에 따라 카메라와 측정면의 거리를 아는 경우, 측정면의 크기를 알 수 있으므로 측정면에 자연적으로 존재하는 패턴 또는 미리 준비된 마커의 움직임으로부터 변위를 측정할 수 있다.
또한, 카메라의 방향과 측정면이 직교하지 않고 임의의 각을 이룰 때, 미리 아는 방향으로 일어나는 변위를 측정할 수 있다. 특히, 변위가 발생하는 방향을 알고 있는 경우에 효과적으로 적용할 수 있다. 이 경우, 화면상으로 확인되는 패턴 또는 마커의 움직임은 실제 변위가 일어난 방향과 달리 카메라의 촬영 방향과 직교하는 방향으로 움직이는 것으로 인식된다. 이때, 측정면의 각을 미리 알고 있고 변위의 방향(벡터)을 미리 알고 있으므로 좌표변환을 통해 미리 알고 있는 변위 방향으로 발생한 변위를 계산할 수 있다.
이러한 방법은, 복수의 카메라를 이용하여 3차원의 변위를 측정하는 방법을 사용하지 않고, 하나의 카메라를 사용해서 미리 알고 있는 방향의 변위를 측정하는데 효과적으로 활용될 수 있다. 특히, 교량 구조물의 경간 중앙부 처짐과 같이 변위 방향을 명확히 알 수 있는 경우에 경제적이고 효과적인 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 영상-기반 구조물 계측 시스템(제1 실시예)
110: 카메라
120: 보조광원 조사장치 121: 중앙 레이저 보조광원
122: 좌측 레이저 보조광원 123: 우측 레이저 보조광원
130: 패턴 크기 비율 산출부 140: 영상-기반 거리 산출부
150: 제어부 160: 보조광원 구동부
170: 보조광원 조정부 180: 표시부
200: 구조물
210: 범위설정 패턴 220a, 220b: 특정패턴
300: 영상-기반 구조물 계측 시스템(제2 실시예)
310: 카메라 320: 보조광원 조사장치
321: 제1 레이저 보조광원 322: 제2 레이저 보조광원
330: 스페클 밀도 비율 산출부 340: 영상-기반 거리 산출부
350: 제어부 360: 보조광원 구동부
370: 보조광원 조정부 380: 표시부
400: 구조물
410: 제1 스페클 패턴 420: 제2 스페클 패턴

Claims (14)

  1. 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템에 있어서,
    구조물(200)을 촬영하여 영상을 획득하는 카메라(110);
    상기 구조물(200)의 측정면에 범위설정 패턴(210) 및 특정패턴(220a, 220b)을 각각 조사하는 레이저 포인팅 장치로서, 상기 카메라(110)에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라(110)의 위치인 시점으로부터 멀어지면서 서로 다른 각도로 복수의 보조광원(121, 122, 123)을 각각 조사하는 보조광원 조사장치(120);
    상기 복수의 보조광원(121, 122, 123)의 범위설정 패턴(210) 및 특정패턴(220a, 220b)이 각각 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출하는 패턴 크기 비율 산출부(130); 및
    상기 카메라(110)에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 패턴 크기 비율 산출부(130)에서 산출된 패턴 크기의 비율에 따라 상기 구조물(200)까지의 거리를 산출하는 영상-기반 거리 산출부(140)를 포함하되,
    상기 복수의 보조광원 중 중앙 레이저 보조광원(121)은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 범위설정 패턴(210)을 조사하고, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)은 상기 시점에서 멀어지면서 점차 좁아지도록 특정패턴(220a, 220b)을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조광원 조사장치(120)는,
    상기 보조광원 조사장치(120)의 중앙에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 범위설정 패턴(210)을 조사하는 중앙 레이저 보조광원(121);
    상기 중앙 레이저 보조광원(121)의 좌측에 배치되어 제1 특정패턴(220a)을 조사하는 좌측 레이저 보조광원(122); 및
    상기 중앙 레이저 보조광원(121)의 우측에 배치되어 상기 제1 특정패턴(220a) 형상에 대응하는 제2 특정패턴(220b)을 조사하는 우측 레이저 보조광원(122)을 포함하되,
    상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)에서 조사되는 특정패턴(220a, 220b)은 상기 시점에서 멀어지면서 서로 점차 좁아지도록 조사되는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 좌측 레이저 보조광원(122) 및 우측 레이저 보조광원(122)이 구조물의 측정면에 각각 조사하는 특정패턴(220a, 220b)은 꺽쇠 패턴이고, 필요에 따라 원하는 패턴 형상이 표출되도록 가공할 수 있는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 영상-기반 거리 산출부(140)에서 산출되는 구조물(200)의 측정면까지의 거리(
    Figure 112019135191396-pat00086
    )의 경우,
    Figure 112019135191396-pat00087
    로 주어지고, 여기서, 상기
    Figure 112019135191396-pat00088
    는 상기 좌측 레이저 보조광원(122)과 우측 레이저 보조광원(122) 간의 길이를 나타내고, 상기
    Figure 112019135191396-pat00089
    는 구조물(200)의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이를 나타내고,
    Figure 112019135191396-pat00090
    는 상기 두 특정패턴(220a, 220b) 간의 길이를 나타내는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 두 특정패턴(220a, 220b) 간의 길이(
    Figure 112019135191396-pat00091
    )의 경우,
    Figure 112019135191396-pat00092
    로 주어지고, 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 사각형 블록의 한 변의 길이(
    Figure 112019135191396-pat00093
    )의 경우,
    Figure 112019135191396-pat00094
    로 주어지되, 상기
    Figure 112019135191396-pat00095
    ,
    Figure 112019135191396-pat00096
    및
    Figure 112019135191396-pat00097
    는 측정 전에 실시하는 캘리브레이션으로부터 계산 및 측정되는 상수값인 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 두 개의 상수
    Figure 112019135191396-pat00098
    와
    Figure 112019135191396-pat00099
    는 두 가지 거리(
    Figure 112019135191396-pat00100
    과
    Figure 112019135191396-pat00101
    )에 대한 측정값으로 만들어지는 두 개의 방정식으로부터 계산되며, 상기 카메라(110)로 촬영된 영상으로부터
    Figure 112019135191396-pat00102
    과
    Figure 112019135191396-pat00103
    에 대한 사각형의 길이(
    Figure 112019135191396-pat00104
    )와 특정패턴(220a, 220b)간의 길이(
    Figure 112019135191396-pat00105
    )의 비율인
    Figure 112019135191396-pat00106
    과
    Figure 112019135191396-pat00107
    을 방정식으로 하여 각각 미리 계산되는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 구조물(200)의 측정면이 기울어져 있는 경우, 상기 좌측 및 우측 레이저 보조광원(122, 123)이 상기 구조물(200)의 측정면에 맺히는 상의 비율로부터 측정면 중심의 거리를 측정하고, 상기 구조물(200)의 측정면의 중심과 카메라(110)와의 거리(
    Figure 112019135191396-pat00108
    )를 알고 있는 경우, 상기 측정면의 기울어진 각도(
    Figure 112019135191396-pat00109
    )는,
    Figure 112019135191396-pat00110
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112019135191396-pat00111
    및
    Figure 112019135191396-pat00112
    는 각각 기울어진 경사면 종점으로부터 상기 구조물(200)의 측정면의 중심까지의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카메라(110)의 촬영, 보조광원의 구동 및 패턴 크기 비율의 산출을 전반적으로 제어하는 제어부(150);
    상기 보조광원이 조사될 수 있도록 상기 보조광원 조사장치(120)를 구동하는 보조광원 구동부(160);
    상기 보조광원 조사장치(120)에서 조사되는 보조광원의 광량 및 방향을 조정하는 보조광원 조정부(170); 및
    상기 영상-기반 거리 산출부(140)에서 산출된 구조물까지의 거리를 표시하는 표시부(180)를 추가로 포함하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 카메라(110)와 동일한 선상에서 시작되는 레이저 보조광원들(121, 122, 123)과 구조물(200) 측정면과의 거리를 계측하여 알고 있는 경우, 상기 카메라(110)의 광각과 배율을 바탕으로 상기 카메라(110)가 촬영한 영상에서 확인된 측정면의 길이를 비례의 관계로부터 계산하여, 상기 구조물(200)의 길이 및 폭을 추가로 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  10. 카메라로 촬영된 구조물 영상에 나타나는 패턴을 활용하여 구조물까지의 거리를 측정하는 시스템에 있어서,
    구조물(400)을 촬영하여 영상을 획득하는 카메라(310);
    상기 구조물(400)의 측정면에 제1 스페클 패턴(410) 및 제2 스페클 패턴(420)을 각각 조사하는 레이저 스페클 분광 장치로서, 상기 카메라(310)에 인접하도록 설치되고, 상기 카메라(310)의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 적어도 하나 이상의 보조광원(321, 322)을 각각 조사하는 보조광원 조사장치(320);
    상기 적어도 하나 이상의 보조광원(321, 322)의 제1 스페클 패턴(410) 및 제2 스페클 패턴(420)이 각각 상기 구조물(400)의 측정면에 맺히는 패턴 크기의 비율을 산출하는 스페클 밀도 비율 산출부(330); 및
    상기 카메라(310)에 의해 촬영된 영상을 기반으로, 상기 스페클 밀도 비율 산출부(330)에서 산출된 스페클 밀도의 비율에 따라 상기 구조물(400)까지의 거리를 산출하는 영상-기반 거리 산출부(340)를 포함하되,
    상기 구조물(400)의 측정면에 맺힌 두 보조광원(321, 322)의 스페클 밀도의 비율로부터 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보조광원 조사장치(320)는,
    상기 보조광원 조사장치(320)의 일측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제1 스페클 패턴(410)을 조사하는 제1 레이저 보조광원(321); 및
    상기 제1 레이저 보조광원(321)에 대응하도록 상기 보조광원 조사장치(320)의 타측에 배치되어 상기 시점에서 멀어지면서 점차 넓어지도록 분산되는 제2 스페클 패턴(410)을 조사하는 제2 레이저 보조광원(322)을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 스페클 패턴(410, 420)은 상기 카메라(310)의 위치인 시점으로부터 길이에 따라 서로 다른 각도로 분산되는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스페클 밀도는 레이저 스페클 장치에 의한 면적당 레이저 스페클 수 또는 빛의 강도인 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 각각의 밀도(
    Figure 112019135191396-pat00113
    ,
    Figure 112019135191396-pat00114
    )는 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 시작점과 구조물 측정면까지의 거리(
    Figure 112019135191396-pat00115
    )가 길어짐에 따라 서로 다른 비율로 감소하며, 임의의 구조물까지의 거리(
    Figure 112019135191396-pat00116
    )에서 상기 제1 및 제2 레이저 보조광원(321, 322)의 밀도 비율은
    Figure 112019135191396-pat00117
    로 주어지고, 상기 밀도 비율에 따라 구조물까지의 거리(
    Figure 112019135191396-pat00118
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 카메라(310)와 동일한 선상에서 시작되는 레이저 보조광원들(321, 322)과 구조물(400) 측정면과의 거리를 계측하여 알고 있는 경우, 상기 카메라(310)의 광각과 배율을 바탕으로 상기 카메라(310)가 촬영한 영상에서 확인된 측정면의 길이를 비례의 관계로부터 계산하여, 상기 구조물(400)의 길이 및 폭을 추가로 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보조광원을 활용한 영상-기반 구조물 계측 시스템.
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