KR102432314B1 - 구조물 균열 측정 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

구조물 균열 측정 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

구조물 균열 측정 시스템은 영상 획득부, 기준 마커 식별부, 투영 변환부, 히스토그램 추출부, 임계값 설정부, 외곽선 추출부, 및 균열 폭 산출부를 포함한다. 영상 획득부는 구조물상에 형성된 균열의 영상을 획득하고, 기준 마커 식별부는 획득된 영상에서 미리 설정된 기준 마커를 식별하고, 투영 변환부는 기준 마커를 이용하여 영상을 미리 설정된 무경사 영상으로 변환하고, 히스토그램 산출부는 변환된 영상으로부터 음영 분포의 히스토그램을 추출하고, 임계값 설정부는 히스토그램을 이용하여 영상에서 균열을 추출하기 위한 임계값을 설정하고, 외곽선 산출부는 임계값에 의해 영상상에 형성된 폐곡선의 외곽선을 추출하고, 균열 폭 산출부는 추출된 외곽선을 이용하여 균열의 폭을 산출한다.

Description

구조물 균열 측정 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 {SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING CRACK OF STRUCTURE AND A RECORDING MEDIUM HAVING COMPUTER READABLE PROGRAM FOR EXECUTING THE METHOD}
본 발명은 건설 계측 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조물의 균열을 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
철근 콘크리트 구조물에는 하중의 재하, 건조수축, 크립(creep) 등 다양한 이유로 균열이 발생하는데, 일단 균열이 발생하면 그 균열을 통해 수분 등의 이물질이 침투하여 철근을 부식시킴에 따라 구조물의 내구성을 저하시키게 되므로, 지속적인 측정과 유지관리가 필요하다.
균열의 발생 후, 현실적으로 가장 필요한 조치는 균열의 폭을 지속적으로 측정하고, 그 폭이 확대되는지 여부를 감시하는 것이다. 이러한 유지관리는 균열의 폭의 크기가 미세한 시점(초기균열 발생시)부터 이루어져야 하는데, 이러한 미세한 크기의 균열의 폭을 정확하게 측정하여 기록하는 것이 어렵다는 현실적인 문제가 있다.
균열을 카메라에 의해 촬영하고, 촬영거리 및 픽셀에 의해 균열의 폭을 측정하고자 하는 시도가 있었으나, 카메라와 균열면 사이의 촬영각도가 항상 연직방향을 이룰 수 없으므로(촬영 경사도에 의한 오차가 발생하므로), 이러한 종래의 방법에 의해서는 정확한 균열의 폭을 측정할 수 없다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 일정한 거리와 각도를 확보할 수 있는 기구적 장치를 활용한 측정장치(한국공개특허 제10-2005-0018773호 등)가 개발되었으나, 균열 측정시마다 기구를 운반하여야 한다는 점, 측정위치의 접근성이 좋지 않은 경우 사용이 어렵다는 점 등의 문제가 있었다.
한국공개특허 제10-2005-0018773호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사용이 편리하고, 측정위치의 접근성이 좋지 않은 경우에도 사용이 가능한 구조물 균열 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 구조물 균열 측정 시스템은 영상 획득부, 기준 마커 식별부, 투영 변환부, 히스토그램 추출부, 임계값 설정부, 외곽선 추출부, 및 균열 폭 산출부를 포함한다.
영상 획득부는 구조물상에 형성된 균열의 영상을 획득하고, 기준 마커 식별부는 획득된 영상에서 미리 설정된 기준 마커를 식별하고, 투영 변환부는 기준 마커를 이용하여 영상을 미리 설정된 무경사 영상으로 변환하고, 히스토그램 산출부는 변환된 영상으로부터 음영 분포의 히스토그램을 추출하고, 임계값 설정부는 히스토그램을 이용하여 영상에서 균열을 추출하기 위한 임계값을 설정하고, 외곽선 산출부는 임계값에 의해 영상상에 형성된 폐곡선의 외곽선을 추출하고, 균열 폭 산출부는 추출된 외곽선을 이용하여 균열의 폭을 산출한다.
이와 같은 구성에 의하면, 획득한 균열 영상을 무경사 영상으로 변환하여 균열의 폭을 산출하기 때문에, 무경사 영상을 얻기 위한 별도의 장치가 필요 없고, 측정위치의 접근성이 좋지 않은 경우라도 용이하게 구조물상의 균열 폭 측정이 가능하게 된다.
이때, 임계값 설정부는 히스토그램의 데이터를 미리 설정된 함수에 적용하여 임계값을 산출하여 임계값을 설정할 수 있으며, 사용자 입력에 따라 출력된 영상에서의 음영을 조절하고 임계값을 설정할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 측정 상황에 따라 임계값의 설정을 자동이나 수동으로 변경하여 수행할 수 있게 된다.
또한, 균열 폭 산출부는 폐곡선의 외곽 사각형을 산출하는 외곽 사각형 산출부, 외곽 사각형의 중심점을 산출하는 중심점 산출부, 및 중심점으로부터 외곽 사각형의 외곽선까지의 최단 거리를 산출하는 최단 거리 산출부를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 획득된 영상으로부터 균열의 폭을 효과적으로 자동 산출할 수 있게 된다.
또한, 기준 마커를 이용하여 영상으로부터 변환될 변환 영역을 추출하는 영역 추출부를 더 포함할 수 있으며, 이때, 기준 마커는 아루코 마커(Aruco marker)일 수 있다.
또한, 변환 영역은 복수의 아루코 마커 사이의 상대 위치에 의해 결정되는 영역일 수 있으며, 이때, 아루코 마커의 수는 4개이고 변환 영역은 4개의 아루코 마커의 꼭짓점 위치에 의해 결정되는 사각형일 수 있다.
또한, 아루코 마커는, 균열이 노출되도록 심부에 4각형 구조의 관통공이 형성된 판형 구조의 본체에, 관통공의 코너의 좌표가 인식되도록 위치될 수 있다.
아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 청구한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 함께 개시된다.
본 발명에 의하면, 획득한 균열 영상을 무경사 영상으로 변환하고 균열을 폭을 산출하기 때문에, 무경사영상을 획득하기 위한 별도의 장치가 필요 없고, 측정위치의 접근성이 좋지 않은 경우에도 용이하게 구조물상의 균열 폭 측정이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 균열 측정 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 시스템에 의해 수행되는 구조물 균열 측정 방법의 흐름도.
도 3은 특징점이 도시된 구조물 균열의 영상.
도 4는 도 1의 관통공이 형성된 판형 구조의 균열 측정기구의 사진.
도 5는 도 4의 균열 측정기구를 이용해 구조물 균열의 영상을 촬영하는 사용상태가 도시된 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 균열 측정 시스템의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1의 시스템에 의해 수행되는 구조물 균열 측정 방법의 흐름도이다. 도 1에서 구조물 균열 측정 시스템은 영상 획득부(110), 기준 마커 식별부(120), 투영 변환부(130), 히스토그램 추출부(140), 임계값 설정부(150), 외곽선 추출부(160), 및 균열 폭 산출부(170)를 포함한다. 균열 폭 산출부(170)는 다시 외곽 사각형 산출부(172), 중심점 산출부(174), 및 최단 거리 산출부(176)를 포함한다.
영상 획득부(110)는 구조물상에 형성된 균열의 영상을 획득한다. 영상은 카메라를 통해 직접 입력되는 영상일 수도 있고, 미리 저장된 앨범에서 읽어온 영상일 수도 있다. 획득된 영상은 전처리되며, 마커를 찾기 위해 그레이스케일로 변화된다.
기준 마커 식별부(120)는 획득된 영상에서 미리 설정된 기준 마커를 식별한다. 이때, 기준 마커는 아루코 마커(Aruco marker)일 수 있다. 기준 마커(fiducial marker) 중의 하나인 아루코 마커(ArUco marker)는, n x n 크기의 2차원 비트 패턴과 이를 둘러싸고 있는 검은색 태두리 영역으로 구성된다.
검은색 테두리 영역은 마커를 빨리 인식하도록 하기 위한 것이며, 내부의 2차원 비트 패턴은 흰색 셀과 검정색 셀의 조합으로서, 카메라 자세 추정(camera pose estimation)을 위한 고유번호정보, 좌표정보를 식별하는데 사용될 수 있다.
투영 변환부(130)는 기준 마커를 이용하여 영상을 미리 설정된 무경사 영상으로 변환한다. 보다 구체적으로, 기준 마커의 영상정보를 이용한 카메라 자세 추정(camera pose estimation)에 의해 초기영상정보를 경사도가 0°인 상태의 영상정보인 무경사영상정보로 변환하는 것이다.
카메라 자세 추정(camera pose estimation)이란, 영상정보에서 검출된 복수의 기준 마커(fiducial marker)를 활용하여 3차원 공간상에서의 카메라의 위치와 방향을 구하는 기술을 의미한다.
일반적으로, 이 기술은 카메라 자세 추정에 의한 정보를 바탕으로 기준 마커의 자세를 추정하여 기준 마커 위에 가상의 사물을 띄우는 가상현실기술, 증강현실기술 등에 사용된다.
본 발명에서는 이 기술을 일반적인 방법과 반대로 활용한 것으로서, 카메라 자세 추정에 의한 정보를 바탕으로 기준 마커의 자세를 추정한 후, 이들 기준 마커가 모두 동일평면상에 위치하도록 변환함과 아울러, 그 기준 마커들의 내부에 위치한 영상정보도 이와 동일한 방식으로 변환되도록 한 것이다.
즉, 기준 마커의 영상정보를 이용한 카메라 자세 추정(camera pose estimation)에 의해 초기영상정보를 경사도가 0°인 상태(모든 기준 마커들이 평면상에 위치하는 상태)의 영상정보인 무경사영상정보로 변환함에 따라, 그 기준 마커들의 내부에 위치한 영상정보도 동일평면상에 위치하는 상태로 변환되고, 이는 결국 카메라가 균열면의 영상을 연직방향에서 촬영한 것과 동일한 효과를 얻도록 한다.
히스토그램 산출부(140)는 변환된 영상으로부터 음영 분포의 히스토그램을 추출한다. 이때, 이미지는 다시 전처리되는데, 이때의 이미지 전처리는 이미지에서 노이즈를 제거하고 주위 환경의 영향을 배제하여 일정한 데이터를 얻기 위한 과정으로서, 다양한 이미지 전처리 과정이 다단계에 거쳐 적용될 수 있다.
이미지 전처리 이후 영상은 흑백의 형태로 추출되는데, 임계값 설정부(150)는 히스토그램을 이용하여 영상에서 균열을 추출하기 위한 임계값을 설정한다. 임계값(Threshold)을 정해서 크랙의 음영을 강하게 혹은 흐리게 만들어서 특징점 찾기의 기초 데이터를 만드는 것이다. 설정된 임계값은 영상에서 블랙과 화이트로 데이터를 분리하는 기준값으로 작용한다.
이때, 임계값 설정부(150)는 히스토그램의 데이터를 미리 설정된 함수에 적용하여 임계값을 산출하여 임계값을 설정할 수 있으며, 사용자 입력에 따라 출력된 영상에서의 음영을 조절하고 임계값을 설정할 수 있다.
수동의 경우 사용자가 Slider를 조정해서 눈으로 보면서 크랙을 찾아내도록 구현할 수 있으며, 자동의 경우 추출된 히스토그램 데이터를 기반으로 구성한 리니어 함수에 값을 대입하여 Threshold 값을 얻어낼 수 있다.
외곽선 산출부(160)는 임계값에 의해 영상상에 형성된 폐곡선의 외곽선을 추출한다. 보다 구체적으로, Threshold 데이터를 기반으로 전처리가 완료된 이미지에서 이미지 덩어리를 찾아내는 것으로서, findContours 함수를 사용할 수 있다. 도 3에서, 적색 외곽선 뭉치가 특징점이다. 도 3은 특징점이 도시된 구조물 균열의 영상이다. 이 처리 결과로 개별 contour의 크기, 중심점 등 많은 데이터를 추출할 수 있다.
균열 폭 산출부(170)는 추출된 외곽선을 이용하여 균열의 폭을 산출한다. 이를 위해, 균열 폭 산출부(170)는 폐곡선의 외곽 사각형을 산출하는 외곽 사각형 산출부(172), 외곽 사각형의 중심점을 산출하는 중심점 산출부(174), 및 중심점으로부터 외곽 사각형의 외곽선까지의 최단 거리를 산출하는 최단 거리 산출부(176)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 외곽선 산출부(160)에서 구한 contour(특징점, 크랙)의 갯수만큼 Loop를 돌려서 각 특징점의 데이터를 추출하고, 크랙의 외곽 사각형을 구한다. 이 경우, 크랙의 면적을 구할 수 있으며, 거리변환 행렬을 이용해 중심점을 구하고 중심점에서 외곽선까지 최단거리를 구해서 크랙의 크기(가장 넓은 폭)를 구한다. distanceTransform, minMaxIdx 함수를 활용할 수 있으며, 산출된 데이터로 원과 데이터를 이미지에 그릴 수 있다.
영역 추출부(180)는 기준 마커를 이용하여 영상으로부터 변환될 변환 영역을 추출하며, 이때, 변환 영역은 복수의 아루코 마커 사이의 상대 위치에 의해 결정되는 영역으로서, 아루코 마커의 수는 4개이고 변환 영역은 4개의 아루코 마커의 꼭짓점 위치에 의해 결정되는 사각형일 수 있다. 또한, 아루코 마커는 균열이 노출되도록 심부에 4각형 구조의 관통공이 형성된 판형 구조의 본체에, 관통공의 코너의 좌표가 인식되도록 위치될 수 있다.
도 4는 도 1의 관통공이 형성된 판형 구조의 균열 측정기구의 사진이다. 도 4에서, 균열 측정 기구(200)는 기본적으로, 구조물의 균열이 노출되도록, 심부에 다각형 구조의 관통공(211)이 형성된 판형 구조의 본체(210), 관통공(211)의 코너의 좌표가 인식되도록 본체(210)의 코너부에 표시됨과 아울러, 카메라 자세 추정(camera pose estimation)을 위한 고유번호정보, 좌표정보가 기록된 복수의 기준 마커(fiducial marker; 220)를 포함하여 구성된다.
본체(210)는 종이, 합성수지 등의 재질에 의한 얇은 판에 의해 형성되고, 그 중앙부에 관통공(211)을 형성하며, 코너부에 기준 마커(fiducial marker)(220)를 인쇄 등에 의해 표시함으로써, 균열 측정 기구(200)를 제조할 수 있다.
이러한 균열 측정기구(200)를 이용한 균열 측정은 다음과 같은 과정에 의해 수행된다. 먼저, 관통공(211)을 통해 측정대상이 되는 균열부(10)가 보이도록, 구조물의 표면에 균열 측정기구(200)를 댄다.
이 상태를 카메라에 의해 촬영함으로써 얻은 영상정보에 의해, 기준 마커(220)의 영상정보 및 관통공(211)을 통해 노출된 균열부(10)의 초기 영상정보를 획득한다. 도 5는 균열 측정기구를 이용해 구조물 균열의 영상을 촬영하는 상태가 도시된 도면이다.
균열 측정기구(200)의 관통공의 구조 및 기준 마커(220)의 수는 다양하게 구현될 수 있으나, 관통공(211)이 4각형 구조이고, 기준 마커(220)는 관통공(211)의 4개의 코너의 좌표가 인식되도록 본체(210)의 코너부에 표시된 실시예가 현시점에서 가장 쉽고 정확하게 구현가능한 실시예라 할 수 있다.
균열부(10)는 미리 입력된 균열영상정보, 균열에 대한 정의 등을 활용하여, 초기영상정보 또는 무경사영상정보로부터 인식할 수 있다. 이와 같이 인식된 균열부(10)는 스마트폰 등의 화면에 표시되는데, 만약 균열부(10)의 표시가 잘못된 경우, 화면의 터치에 의해 표시된 균열부(10)를 보정하도록 할 수 있다. 이에 따라, 무경사영상정보를 기준으로, 복수의 기준 마커(220) 사이의 간격의 픽셀과, 균열부(10)의 픽셀을 비교하면, 균열부(10)의 폭을 연산할 수 있다.
종래의 카메라를 이용한 균열 측정장치에서도, 이와 같이 픽셀을 이용하여 균열의 폭을 연산하는 방식을 사용하였지만, 이는 카메라와 균열면 사이의 촬영각도가 항상 연직방향을 이룰 수 없으므로(촬영 경사도에 의한 오차가 발생하므로), 정확한 균열의 폭을 측정할 수 없다는 문제가 있었다.
이에 비해, 본 발명은 상술한 기준 마커(220)가 표시된 균열 측정기구(200) 및 카메라 자세 추정(camera pose estimation)을 이용하여, 촬영된 초기영상정보를 항상 경사도가 0°인 상태(카메라가 균열면의 영상을 연직방향에서 촬영한 것과 동일한 상태)의 영상정보인 무경사영상정보로 변환하므로, 어떠한 카메라 각도로 균열면을 촬영하더라도 항상 정확한 균열의 폭을 측정할 수 있다는 효과가 있다.
한편, 구조물 균열 측정 시스템(100)은 균열 측정 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램(앱)으로 구현될 수 있으며, 카메라, 연산부, 저장부 등이 내장된 스마트폰에 다운받아 사용될 수 있다.
또한, 균열 측정 방법이 구현된 프로그램(앱)을 카메라, 연산부, 저장부 등이 내장된 스마트폰에 다운받아 사용하는 경우, 그 스마트폰이 위 균열 측정 시스템(100)에 해당될 수도 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
10: 균열부
110: 영상 획득부
120: 기준 마커 식별부
130: 투영 변환부
140: 히스토그램 추출부
150: 임계값 설정부
160: 외곽선 추출부
170: 균열 폭 산출부
172: 외곽 사각형 산출부
174: 중심점 산출부
176: 최단 거리 산출부
200: 균열 측정 기구
210: 본체
211: 관통공
220: 기준 마커

Claims (11)

  1. 구조물상에 형성된 균열의 영상을 획득하는 영상 획득부;
    상기 획득된 영상에서 미리 설정된 기준 마커를 식별하는 기준 마커 식별부;
    상기 기준 마커를 이용하여 상기 영상을 미리 설정된 무경사 영상으로 변환하는 투영 변환부;
    상기 영상에서 상기 균열을 추출하기 위한 임계값을 설정하는 임계값 설정부;
    상기 임계값에 의해 상기 영상상에 형성된 폐곡선의 외곽선을 추출하는 외곽선 추출부; 및
    상기 외곽선을 이용하여 상기 균열의 폭을 산출하는 균열 폭 산출부를 포함하는 구조물 균열 측정 시스템으로서,
    상기 균열 폭 산출부는,
    상기 폐곡선의 외곽 사각형을 산출하는 외곽 사각형 산출부;
    상기 외곽 사각형의 중심점을 산출하는 중심점 산출부; 및
    상기 중심점으로부터 상기 외곽 사각형의 외곽선까지의 최단 거리를 산출하는 최단 거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 임계값 설정부는 상기 영상으로부터 추출된 히스토그램의 데이터를 미리 설정된 함수에 적용하여 상기 임계값을 산출하여 상기 임계값을 설정하는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 임계값 설정부는 사용자 입력에 따라 상기 영상에서의 음영을 조절하고 상기 임계값을 설정하는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 마커를 이용하여 상기 영상으로부터 변환될 변환 영역을 추출하는 영역 추출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기준 마커는 아루코 마커(Aruco marker)인 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 변환 영역은 복수의 상기 아루코 마커 사이의 상대 위치에 의해 결정되는 영역인 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 아루코 마커의 수는 4개이고 상기 변환 영역은 4개의 상기 아루코 마커의 꼭지점 위치에 의해 결정되는 사각형인 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 아루코 마커는,
    상기 균열이 노출되도록 심부에 4각형 구조의 관통공이 형성된 판형 구조의 본체에, 상기 관통공의 코너의 좌표가 인식되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정시스템 .
  10. 구조물 균열 측정 시스템에 의해 수행되는 균열 측정 방법으로서,
    구조물상에 형성된 균열의 영상을 획득하는 영상 획득 단계;
    상기 획득된 영상에서 미리 설정된 기준 마커를 식별하는 기준 마커 식별 단계:
    상기 기준 마커를 이용하여 상기 영상을 미리 설정된 무경사 영상으로 변환하는 투영 변환 단계;
    상기 영상에서 상기 균열을 추출하기 위한 임계값을 설정하는 임계값 설정 단계;
    상기 임계값에 의해 상기 영상상에 형성된 폐곡선의 외곽선을 추출하는 외곽선 추출 단계; 및
    상기 외곽선을 이용하여 상기 균열의 폭을 산출하는 균열 폭 산출 단계를 포함하는 구조물 균열 측정 방법으로서,
    상기 균열 폭 산출 단계는,
    상기 폐곡선의 외곽 사각형을 산출하는 외곽 사각형 산출 단계;
    상기 외곽 사각형의 중심점을 산출하는 중심점 산출 단계; 및
    상기 중심점으로부터 상기 외곽 사각형의 외곽선까지의 최단 거리를 산출하는 최단 거리 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 균열 측정 방법.
  11. 청구항 10의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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