KR102423217B1 - ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법 - Google Patents

ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면 균열(5)을 포함하는 대상면(1)을 촬영하여 영상정보를 생성하는 영상기기(100); 상기 대상면(1)에 대한 거리정보를 생성하는 ToF 센서(200); 상기 영상정보 상의 상기 균열(5)의 균열폭 정보 및 균열길이 도출하는 균열정보 도출 모듈(300); 및 상기 균열정보 도출 모듈(300)을 제어하는 제어부(400);를 포함하되, 상기 ToF 센서(200)는 상기 대상면(1)을 촬영하여 촬영 이미지(a)를 생성함과 아울러 상기 촬영 이미지(a)에 포함된 픽셀(10) 단위로 상기 거리정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면 촬영 대상면의 기울림이나 대상면의 돌출 또는 함몰에도 불구하고 촬영 이미지상의 각 픽셀의 크기를 정확하게 측정함과 아울러 균열이 차지하는 픽셀의 수를 이용하여 정확한 균열정보를 도출할 수 있는 효과가 있다.

Description

ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법{Crack investigation device using 3D distance distribution information of ToF sensor and method of deriving crack information using the same}
본 발명은 건설 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는 구조물의 표면에 형성되는 균열 조사를 위한 이미지 분석에 있어서, 균열면의 기울기나 표면의 돌출 및 함몰에 따른 이미지의 왜곡에도 불구하고 정확한 균열의 폭과 길이를 측정할 수 있도록 한 ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법에 관한 것이다.
균열 탐지, 구조물의 외관 검측 등은 구조물의 외면 이미지를 분석함으로써 이루어진다.
다만, 2차원 이미지의 한계 상 촬영면에 대하여 수직으로 촬영되지 않은 경우 렌즈 중심축으로부터 거리 차이가 발생되므로 대상면을 촬영한 이미지의 각 픽셀의 크기가 달라 단위 픽셀 크기를 기준으로 산정한 값의 차이가 발생한다(도 1).
2차원 이미지의 한계상 평평한 구조물 벽체를 대상으로 카메라축을 수직방향으로 촬영하지 않는 경우, 촬영된 사진은 렌즈 중심축으로부터 거리 차이에 따라 각 픽셀이 대표하는 객체의 크기 (이하 단위 픽셀크기)가 달라진다.
단위 픽셀 크기를 이용하는 영상 모폴로지 기법을 이용하는 경우 산정한 균열의 길이와 폭은 이미지 영역에서 객체 위치에 따라 산정값의 오차가 발생하며 이러한 차이는 카메라 중심축에서 멀어질수록 오차가 커지게 된다(도 1).
이러한 오차의 보정을 위하 이하의 기술들이 사용되어 왔다.
1) 사진측량 기법 (Photogrammetry): 2개 이상의 이미지를 이용해 3차원 모델을 구축하고 촬영 방향이 반영된 3차원 모델의 이미지를 활용
2) 십자형 레이져 패턴 분석 기법: 이미지 촬영시 레이져를 방출하여 구조물의 표면 입사 패턴을 분석, 촬영면의 기울어진 상태를 평가후 이를 이미지 처리에 적용
다만, 사진측량 기법의 경우 중첩된 두장 이상의 이미지를 촬영하여야 하며 촬영 이후 사진측량 (photogrammetry)법으로 3차원 표면 모델을 생성시 메쉬 형성과정에서 이미지 왜곡이 발생할 수 있어 이미지 처리과정에서 미세한 균열 형상을 구현하는데 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
또한, 레이져 패턴 분석 기법의 경우 레이져 이미지 처리과정에서 상하좌우 입사 패턴이 입사면의 상태에 따라 차이가 발생하여 분석에 오류가 발생할 수 있으며 따라서, 패턴분석 결과와 기울어진 각도 매칭이 어려운 점이 있으며 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 분석 시간이 길어지는 단점이 있다.
- 대한민국 공개특허 10-2007-0117399 - 대한민국 공개특허 10-2005-0018773 - 대한민국 등록특허 10-1932214 - 대한민국 등록특허 10-1569193
본 발명은 상술된 종래의 균열측정 방식의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서 본 발명의 목적은 촬영 대상면의 기울림이나 대상면의 돌출 또는 함몰에도 불구하고 촬영 이미지상의 각 픽셀의 크기를 정확하게 측정함과 아울러 균열이 차지하는 픽셀의 수를 이용하여 정확한 균열정보를 도출할 수 있도록 한 ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 촬영위치에서 촬영된 이미지 중 거리 편차가 가장 적은 이미지를 선택할 수 있도록 하여 보정의 정도를 줄여 정확한 균열정보를 도출할 수 있도록 한 ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 균열(5)을 포함하는 대상면(1)을 촬영하여 영상정보를 생성하는 영상기기(100); 상기 대상면(1)에 대한 거리정보를 생성하는 ToF 센서(200); 상기 영상정보 상의 상기 균열(5)의 균열폭 정보 및 균열길이 도출하는 균열정보 도출 모듈(300); 및 상기 균열정보 도출 모듈(300)을 제어하는 제어부(400);를 포함하되, 상기 ToF 센서(200)는 상기 대상면(1)을 촬영하여 촬영 이미지(a)를 생성함과 아울러 상기 촬영 이미지(a)에 포함된 픽셀(10) 단위로 상기 거리정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치가 제공된다.
이 경우 상기 균열정보 도출 모듈(300)은 이하의 [식 1]을 통해 상기 균열폭 정보 및 상기 균열길이 정보를 도출하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치일 수 있다.
[식 1]
균열폭 정보(mm) = 폭방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)
균열길이 정보(mm) = 길이방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)
또한, 상기 [식 1] 상의 상기 단위픽셀 크기는 이하의 [식 2]를 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치일 수 있다.
[식 2]
Figure 112021143289206-pat00001
PS : 단위픽셀 크기(mm/pixel), SH : ToF 센서 크기(가로방향, mm), FL : 영상기기의 렌즈 초점거리(mm), WD : 거리정보(mm), SR : ToF 센서의 해상도 (가로방향, pixels)
또한, 복수의 상기 거리정보의 편차정보를 생성하는 편차모듈(310);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치일 수 있다.
또한, 상기 거리정보는 상기 촬영 이미지(a) 상의 상기 픽셀(10)의 휘도정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치일 수 있다.
또한, 상기 영상정보 및 상기 휘도정보를 디스플레이 하는 디스플레이부(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 균열조사 장치를 이용한 균열정보 도출 방법에 있어서, 상기 영상기기(100)를 이용하여 상기 영상정보를 생성함과 아울러, 상기 ToF 센서(200)를 이용하여 상기 거리정보를 생성하는 제1 단계(S100); 및 상기 균열정보 도출 모듈(300)을 이용하여 상기 균열폭 정보 및 상기 균열길이 정보를 도출하는 제2 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열정보 도출 방법이 제공된다.
이 경우 상기 제1 단계(S100)는 복수의 촬영지점에서 상기 영상정보를 생성함과 아울러, 복수의 상기 영상정보 중 상기 편차정보가 가장 적은 영상정보를 선택하는 단계(S110);를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열정보 도출 방법일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면 균열정보 도출 방법 중 상기 제2 단계(S200)를 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
본 발명에 따르면 촬영 대상면의 기울림이나 대상면의 돌출 또는 함몰에도 불구하고 촬영 이미지상의 각 픽셀의 크기를 정확하게 측정함과 아울러 균열이 차지하는 픽셀의 수를 이용하여 정확한 균열정보를 도출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 복수의 촬영위치에서 촬영된 이미지 중 거리 편차가 가장 적은 이미지를 선택할 수 있도록 하여 보정의 정도를 줄여 정확한 균열정보를 도출할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 대상면의 기울림에 따른 이미지상의 픽셀 크기의 왜곡을 나타내기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 균열측정 장치의 영상정보 및 이미지의 취득 개념을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도정보가 포함된 거리정보 촬영 이미지를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열정보를 영상정보와 촬영 이미지를 이용하여 도출하는 방법을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열조사 장치의 구성도.
본 발명에 따른 ToF 센서의 3차원 거리분포 정보를 이용한 균열조사 장치 및 이를 이용한 균열정보 도출 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
본 발명은 대상면(1)을 촬영한 2차원적 이미지를 이용하여 대상면(1)에 포함된 균열(5)의 균열폭 및 균열길이 정보를 도출하기 위한 균열조사 장치에 관한 것이다.
종래에는 건축물 표면에 형성된 균열폭 또는 균열의 길이에 관한 정보를 알아내기 위해서 직접 현장에서 기계식 장비를 이용하여 측정하거나 레이져 측정기를 이용하여 거리를 재는 등의 방법을 이용하여 왔다.
이와 비교하여 본 발명에서는 대상면을 촬영한 2차원 이미지와 촬영지점에서부터 균열을 포함하는 픽셀까지의 거리정보를 이용하여 각 픽셀의 크기를 산정하고 균열이 점유하는 픽셀의 수를 도출하여 실제 균열폭 및 균열길이정보를 도출할 수 있도록 한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 균열조사 장치는 균열(5)을 포함하는 대상면(1)을 촬영하여 영상정보를 생성하는 영상기기(100), 대상면(1)에 대한 거리정보를 생성하는 ToF 센서(200), 영상정보 상의 균열(5)의 균열폭 정보 및 균열길이 도출하는 균열정보 도출 모듈(300) 및 균열정보 도출 모듈(300)을 제어하는 제어부(400)의 구성을 포함할 수 있다(도 7).
ToF 센서(200)는 3차원 센서로 적외선 파장을 통해 물체로 발사한 빛이 튕겨져 돌아오는 거리를 시간으로 계산하여 사물의 입체감과 공간 정보 및 움직임을 인식할 수 있다. 또한, ToF 센서(200)('센서 카메라'라고도 한다. 이하 '센서'로 명명한다)는 대상면(1)을 촬영하여 촬영 이미지(a)를 생성함과 아울러 촬영 이미지(a)에 포함된 픽셀(10) 단위로 거리정보를 생성할 수 있다.
영상기기(100)가 생성한 영상정보와 ToF 센서(200)가 생성한 촬영 이미지(a)는 같은 대상면(1)에 대한 촬영 정보이므로, 이를 이중 레이어로 중첩하면 도 6에 표시된 바와 같은 최종 이미지 정보의 생성이 가능하다.
이에 따라 균열(5) 이미지를 포함하는 대상면(1)에 대한 이미지와 각 이미지를 픽셀(10) 단위로 구분하여 ToF 센서(200)로 부터 각 픽셀(10)까지의 거리정보가 융합된 최종 이미지 정보의 생성이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 ToF 센서(200)는 영상기기(100)에 일체화될 수 있으며, 이 경우 거리정보는 영상기기로(100)부터 각 픽셀(10) 영역으로 구분된 해당 위치까지의 실제 거리정보일 수 있다.
본 발명에서는 상술된 거리정보를 이용하여 최종 이미지 정보에 나타난 각 단위픽셀(10)의 크기를 이하의 [식 2]를 이용하여 산출할 수 있다.
[식 2]
Figure 112021143289206-pat00002
PS : 단위픽셀 크기(mm/pixel), SH : ToF 센서 크기(가로방향, mm), FL : 영상기기의 렌즈 초점거리(mm), WD : 거리정보(mm), SR : ToF 센서의 해상도 (가로방향, pixels)
또한 [식 2]를 이용하여 산출된 단위픽셀(10)의 크기를 이용하여 균열(5)의 폭과 길이를 이하의 [식 1]을 통해 도출할 수 있다.
[식 1]
균열폭 정보(mm) = 폭방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)
균열길이 정보(mm) = 길이방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)
즉, 균열정보 도출 모듈(300)은 상술된 [식 1]과 [식 2]를 이용하여 평면적인 이미지에서 실제 균열(5)의 균열폭 정보와 균열길이 정보를 도출할 수 있다.
도 6에 나타난 바와 같이 균열(5)(N)이 (i, j) 내지 (i+2, j) 영역의 3 영역에 걸쳐져 형성된 경우에는 (i, j) 내지 (i+2, j) 영역에 대한 거리정보 평균값을 식 2의 거리정보로 사용할 수 있다.
일반적으로 균열(5)은 비선형적으로 형성되므로 균열정보 도출 모듈은(300) 각 균열(5)의 구간을 구분하여, 이 구간들이 걸쳐진 픽셀(10) 영역의 평균값으로 거리정보를 도출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 균열조사 장치는 복수의 상기 거리정보의 편차정보를 생성하는 편차모듈(310)을 더 포함할 수 있다(도 7).
측정자는 복수의 촬영지점에서 영상정보를 생성하여, 복수의 영상정보 중 편차정보가 가장 적은 영상정보를 균열정보를 도출하기 위한 영상정보로 활용할 수 있다.
이러한 편차정보는 수치로 표현되거나 음영으로 디스플레이될 수 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 균열조사 장치의 거리정보는 촬영 이미지(a) 상의 상기 픽셀(10)의 휘도정보를 포함할 수 있다.
또한, 영상정보 및 휘도정보를 디스플레이 하는 디스플레이부(500)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 측정자는 도 6에 나타난 바와 같이 영상정보와 휘도정보가 중첩된 이미지를 기초로 하여 균열(5)가 형성된 부분의 휘도차이가 가장 적은 영상정보를 균열정보의 도출을 위한 기초 자료로 선택할 수 있다.
편차정보가 수치로만 표현되는 경우는 전체 영역의 평균값이므로 균열(5)가 형성된 위치의 평균값을 정확하게 인지하기 어려우나, 상술된 바와 같이 휘도차이로 디스플레이되는 경우 측정자는 디스플레이부(500)에 표현된 영상정보 및 휘도정보를 기초로 균열(5)가 형성된 부분의 휘도차를 확인하여 가장 차이가 적은 이미지를 영상정보로 쉽게 선택할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 균열조사 장치를 이용한 균열정보 도출 방법에 대하여 설명한다.
여기서 균열정보란 균열(5)의 형성 폭과 형성 길이를 의미한다.
본 발명에 따른 균열정보 도출 방법은 영상기기(100)를 이용하여 영상정보를 생성함과 아울러, ToF 센서(200)를 이용하여 거리정보를 생성하는 제1 단계(S100) 및 균열정보 도출 모듈(300)을 이용하여 균열폭 정보 및 균열길이 정보를 도출하는 제2 단계(S200)를 포함할 수 있다.
이 경우 복수의 촬영지점에서 영상정보를 생성함과 아울러, 복수의 영상정보 중 편차정보가 가장 적은 영상정보를 선택하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 균열정보 도출 방법 중 제2 단계(S200)는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
1 : 대사면
5 : 균열
10 : 픽셀
100 : 영상기기
200 : ToF 센서
300 : 균열정보 도출 모듈
400 : 제어부
500 : 디스플레이부

Claims (9)

  1. 균열(5)을 포함하는 대상면(1)을 촬영하여 영상정보를 생성하는 영상기기(100);
    상기 대상면(1)에 대한 거리정보를 생성하는 ToF 센서(200);
    상기 영상정보 상의 상기 균열(5)의 균열폭 정보 및 균열길이 도출하는 균열정보 도출 모듈(300); 및
    상기 균열정보 도출 모듈(300)을 제어하는 제어부(400);를 포함하되,
    상기 ToF 센서(200)는 상기 대상면(1)을 촬영하여 촬영 이미지(a)를 생성함과 아울러 상기 촬영 이미지(a)에 포함된 픽셀(10) 단위로 상기 거리정보를 생성하되,
    상기 균열정보 도출 모듈(300)은 이하의 [식 1]을 통해 상기 균열폭 정보 및 상기 균열길이 정보를 도출하며,
    [식 1]
    균열폭 정보(mm) = 폭방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)
    균열길이 정보(mm) = 길이방향의 픽셀수 × 단위픽셀 크기 (mm/pixel)

    상기 [식 1] 상의 상기 단위픽셀 크기는 이하의 [식 2]를 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치.
    [식 2]
    Figure 112022033307431-pat00003


    PS : 단위픽셀 크기(mm/pixel), SH : ToF 센서 크기(가로방향, mm), FL : 영상기기의 렌즈 초점거리(mm), WD : 거리정보(mm), SR : ToF 센서의 해상도 (가로방향, pixels)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 거리정보의 편차정보를 생성하는 편차모듈(310);을
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 거리정보는 상기 촬영 이미지(a) 상의 상기 픽셀(10)의 휘도정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 영상정보 및 상기 휘도정보를 디스플레이 하는 디스플레이부(500);를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 균열조사 장치.
  7. 제6항의 균열조사 장치를 이용한 균열정보 도출 방법에 있어서,
    상기 영상기기(100)를 이용하여 상기 영상정보를 생성함과 아울러, 상기 ToF 센서(200)를 이용하여 상기 거리정보를 생성하는 제1 단계(S100); 및
    상기 균열정보 도출 모듈(300)을 이용하여 상기 균열폭 정보 및 상기 균열길이 정보를 도출하는 제2 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열정보 도출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 단계(S100)는
    복수의 촬영지점에서 상기 영상정보를 생성함과 아울러, 복수의 상기 영상정보 중 상기 편차정보가 가장 적은 영상정보를 선택하는 단계(S110);를
    포함하는 것을 특징으로 하는 균열정보 도출 방법.
  9. 제8항의 균열정보 도출 방법 중 상기 제2 단계(S200)를 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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