KR102434414B1 - 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한모아레를 이용한 진동 계측 시스템은, 피구조물의 진동을 계측하기 위한 진동 계측 시스템에 있어서, 진동을 계측하기 위한 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되는 격자 패턴층(100), 상기 격자 패턴층(100)이 부착 배치된 상기 피구조물(10)의 일면에 대향하도록 소정거리 이격되어 위치하여, 상기 격자 패턴층(100)을 촬영하는 카메라부(200) 및 상기 카메라부(200)와 연결되어 상기 카메라부(200)로부터 연속 촬영된 상기 격자 패턴층(100)의 영상 데이터를 전송받아, 상기 영상 데이터의 각 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)이 이루는 격자 방향별 모아레(moire) 이미지를 생성하여, 생성한 상기 모아레 이미지를 분석하여 상기 피구조물(10)에서 발생된 진동을 계측하는 분석부(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법에 관한 것으로, 건물, 교량, 댐 등의 구조물에서 다방향(multi-direction)으로 발생할 수 있는 진동을 내장 센서 없이 정밀 계측할 수 있는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법에 관한 것이다.
지상 및 지하에 존재하는 자연적으로 생성된 또는 인위적으로 만들어진 모든 개체는 지진, 강풍, 대형/고속 이동물체 등에 따른 외부 조건에 의해 발생하는 진동의 영향으로 인해 개체 자체적으로 진동하게 된다.
특히, 필요에 의해 인위적으로 만들어진 댐, 건물, 교량, 조형물, 지하 배관, 도로, 터널, 지하 구축물 등을 포함하는 구조물(structure)과 이들 내부에 형성된 비구조물(non-structure)들은 주변 진동(외부 진동)에 더 민감하게 반응하게 되고, 진동에 의해 붕괴될 경우, 사회/경제적인 악영향이 발생하게 된다.
그렇기 때문에, 통상적으로 대형 구조물의 경우, 구조물 자체에 여러가지 센서들을 내장하여 구조물에서 나타나는 현상들을 지속적으로 측정하고, 종합적으로 분석함으로써, 위협적인 요소가 감지될 경우, 구조물의 보강 또는 위협요소 제거 등의 선제적인 조치를 취함으로써 안정성을 확보하고 있다.
상세하게는, 진동을 측정하기 위한 내장 센서로는 가속도계를 주로 사용하고 있는데, 가속도계는 주로 반도체 공정으로 만들어진 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 센서로서 주변 전자파로 인해 민감하게 반응하여 잡음이 발생할 수 있을 뿐 아니라, 가격이 비싸고, 진동의 모드에 따라 각각 상이한 가속도계를 내장해야 하는 문제점이 있다. 특히, 다방향에서 발생하는 진동의 경우 최소 2개를 조합 사용해야 하는 문제점이 있다.
더불어, 이러한 대형 구조물의 경우, 블록(block)으로 구현되기 때문에, 블록별로 가속도계의 설치가 요구되기 때문에, 대형 구조물의 사이즈에 따라 수 백개 이상의 가속도계가 내장되어야 하기 때문에, 비용 부담이 매우 큰 문제점이 있다.
이와 관련해서, 종래에는 국내등록특허 제10-1748693호("무선 진동 계측 시스템")에서는 진동센서에 포함되는 가속도 센서로서 초소형 MEMS 가속도 센서를 이용하고, 진동센서와 분석 수단 사이에 무선으로 통신할 수 있도록 하며, 분석 수단은 진동패턴 분석을 통해 정상 여부를 판단하여 이상 진동의 발생원을 분석할 수 있는 무선 진동 계측 시스템을 개시하고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 진동을 계측하기 위한 피구조물에 격자 패턴층을 부착하고 격자 패턴의 변위를 연속 촬영함으로써, 다방향에서 발생할 수 있는 진동을 내장 센서 없이 정밀 계측할 수 있는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 모아레를 이용한 진동 계측 시스템은, 피구조물의 진동을 계측하기 위한 진동 계측 시스템에 있어서, 진동을 계측하기 위한 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되는 격자 패턴층(100), 상기 격자 패턴층(100)이 부착 배치된 상기 피구조물(10)의 일면에 대향하도록 소정거리 이격되어 위치하여, 상기 격자 패턴층(100)을 촬영하는 카메라부(200) 및 상기 카메라부(200)와 연결되어 상기 카메라부(200)로부터 연속 촬영된 상기 격자 패턴층(100)의 영상 데이터를 전송받아, 상기 영상 데이터의 각 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)이 이루는 격자 방향별 모아레(moire) 이미지를 생성하여, 생성한 상기 모아레 이미지를 분석하여 상기 피구조물(10)에서 발생된 진동을 계측하는 분석부(300)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 격자 패턴층(100)은 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지가 형성된 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 격자 패턴층(100)은 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지를 둘 이상 또는 서로 다른 방향으로 중첩시켜 형성된 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 분석부(300)는 상기 영상 데이터의 선택되는 어느 하나의 제1 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하고, 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하여, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제1 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 분석부(300)는 상기 제1 프레임의 다음 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하여, 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제2 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제2 모아레 이미지에 포함되어 있는 제2 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 분석부(300)는 상기 제1 모아레 주기와 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물(10)에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 모아레를 이용한 진동 계측 방법은, 피구조물의 진동을 계측하기 위한 진동 계측 방법에 있어서, 카메라부에서, 피구조물의 일면에 부착 배치되어 있는 격자 패턴층을 촬영하여 분석부로 전송하는 촬영단계(S100), 분석부에서, 상기 촬영단계(S100)에 의해 전송받은 상기 격자 패턴층의 영상 데이터로부터, 선택되는 어느 하나의 제1 프레임에 대해 상기 격자 패턴층에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하는 제1 이미지 추출단계(S200), 분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에서 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하는 기준 이미지 생성단계(S300), 분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 프레임의 다음 프레임에 대해 상기 격자 패턴층에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하는 제2 이미지 추출단계(S400) 및 분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 격자 패턴 이미지, 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지 및 상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지 중 선택되는 두 개의 이미지 간의 모아레 이미지를 생성하여, 상기 모아레 이미지를 분석하여 피구조물에서 발생된 진동을 계측하는 분석단계(S500)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 분석단계(S500)는 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제1 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 제1 분석단계(S510), 상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제2 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제2 모아레 이미지에 포함되어 있는 제2 모아레 주기를 추출하는 제2 분석단계(S520) 및 상기 제1 분석단계(S510)에 의한 상기 제1 모아레 주기와 상기 제2 분석단계(S520)에 의한 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물의 발생 진동을 계측하는 진동 계측단계(S530)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법은 진동을 계측하기 위한 피구조물에 격자 패턴층을 부착하고 격자 패턴의 변위를 연속 촬영함으로써, 다방향에서 발생할 수 있는 진동을 내장 센서 없이 정밀 계측하여 주변 잡음에 의한 영향이 없으며 구성의 단순화를 통해서 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상세하게는, 피구조물에 피구조물과 함께 진동할 수 있도록 격자 패턴층(Grating Pattern Layer)을 부착 배치하고, 피구조물과 일정거리 떨어져 있는 카메라를 사용하여 피구조물에 부착 배치되어 있는 격자 패턴층을 연속 촬영한 후, 인위적으로 모아레(Moire) 이미지를 생성, 다시 말하자면, 모아레 간섭무늬를 생성하여 생성한 모아레의 주기를 비교 분석하여 피구조물의 변위량을 정밀 측정함으로써, 발생 진동을 계측할 수 있는 장점이 있다.
특히, 단위 시간당 다방향으로의 이동량을 측정할 수 있어, 피구조물에서 발생할 수 있는 다방향의 진동량을 계측할 수 있는 장점이 있다.
이를 통해서, 피구조물의 진동을 간단하면서도 고정밀도로 실시간 측정할 수 있을 뿐 아니라, 내장 센서인 가속도계에 비해 정밀도가 높고 고장 확률이 아주 낮아 신뢰도가 매우 높으며, 아주 적은 비용으로 유지 보수가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템을 나타낸 구성 예시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템의 격자 패턴층(100)을 나타낸 형성 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템의 분석부(300)의 분석 과정을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 방법을 나타낸 방법 예시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템의 격자 패턴층(100)을 나타낸 형성 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템의 분석부(300)의 분석 과정을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 방법을 나타낸 방법 예시도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법은 피구조물에 부착 배치된 격자 패턴층을 연속 촬영하고 이를 상세 분석함으로써, 격자 패턴층이 피구조물의 진동에 의해 변위되는 것을 통해서 연속된 영상에서의 상대적인 변위를 계산하여 발생되는 진동을 계측할 수 있는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법에 관한 것이다.
격자 패턴에 대해서 설명하자면, 일정 주기(period)로 서로 평행하게 배열된 선(line)들의 집합체를 격자 패턴이라 하고, 상기 격자 패턴이 기록된 필름 또는 시트(sheet)를 격자(Grating)이라 한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법에서의 상기 격자 패턴층이란 상기 격자 패턴이 기록된 필름 또는 시트 등을 총칭하는 것이 바람직하다.
또한, 이와 같이, 각각의 일정 주기가 있는 각기 다른 두 장의 격자를 서로 중첩시킬 경우, 두 격자에 프린팅되어 있는 선들의 일부는 중첩되거나 가깝게 위치하게 되고, 또다른 일부는 서로 떨어져 있기 되면서, 선들의 소밀 현상(Sparce and Dense Phenomenon)이 발생하게 된다. 이 소밀 현상은 두 격자 패턴의 간섭 현상(Interference Phenomenon)으로 이 현상에 의해 생성된 간섭무늬(Interference Pattern)를 모아레(Moire)라고 한다.
즉, 모아레는 2개 이상의 주기적인 패턴(periodic pattern)이 겹쳐질 때 만들어지는 간섭무늬(interference fringe)를 의미한다.
이 때, 생성되는 간섭무늬는, 다시 말하자면, 선들의 소밀 현상은 주기적으로 나타나기 때문에, 이 주기를 모아레 주기라고 한다.
모아레는 두 격자 중 어느 하나의 격자 위치의 변위가 발생할 경우, 보다 크게 변위가 발생하기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법은 이러한 모아레(모아레 간섭무늬)의 특성을 활용하여, 연속된 영상에서의 모아레 주기의 상대적인 변위를 계산하여 격자 패턴이 부착 배치된 피구조물의 진동을 계측하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 격자 패턴층(100), 카메라부(200) 및 분석부(300)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 격자 패턴층(100)은 진동을 계측하기 위한 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되며, 상술한 바와 같이, 일정 주기로 서로 평행하게 배열된 선들의 집합체가 기록된 필름 또는 시트 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 격자 패턴층(100)이 상기 피구조물(10)의 일면에 부착 배치됨에 있어서, 부착 수단에 대한 한정 또는 부착 배치되는 위치에 대해서 한정하는 것은 아니다. 상기 피구조물(10)의 일면에 움직임(상기 격자 패턴층(100) 자체 움직임) 없이 정확히 부착 배치시킬 수 있는 모든 부착 수단으로 구성될 수 있으며, 부착 배치되는 위치 역시도, 상기 카메라부(200)의 위치, 상기 카메라부(200)와 상기 피구조물(10) 간의 거리 간격 등을 고려하여 모든 영역 부착되는 것이 바람직하다.
상기 격자 패턴층(100)은 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡류 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지가 형성되는 것이 바람직하다.
상세하게는, 도 2의 a)에 도시된 바와 같이, 사선의 선 배열 방향을 가진 사선 격자, 도 2의 b)에 도시된 바와 같이, 무한대의 사선 배열 방향을 가진 일정 곡률 반경의 호(Arc)형 격자, 도 2의 c)에 도시된 바와 같이, 수직의 선 배열 방향을 가진 수직 격자를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
물론, 이 외에도 주기적으로 어떠한 선들이나 패턴이 일정 방향으로 배열된 집합체를 모두 격자로 사용할 수 있다.
특히, 상술한 바와 같이, 사선 방향, 수직 방향 등 외에 다방향에서 발생할 수 있는 피구조물(10)의 경우에는 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 동일한 두께의 선들의 집합 이미지를 둘 이상 또는 서로 다른 방향으로 중첩시켜 형성되는 것이 바람직하다.
상세하게는, 도 3의 a)에 도시된 바와 같이, 수직의 선 배열 방향을 가진 수직 격자와 수평의 선 배열 방향을 가진 수평 격자를 서로 인접시켜 부착 배치시키거나, 도 3의 b)에 도시된 바와 같이, 동일 선들의 배열이 수평 방향과 수직 방향을 동시에 가진 망형 격자(Grid type Grating)를 포함하여 구성될 수도 있다.
뿐만 아니라, 도 3의 c)에 도시된 바와 같이, 무한대의 사선 배열 방향을 가진 일정 곡률 반경의 호형 격자와 수평의 선 배열 방향을 가진 수평 격자를 중첩시킨 중첩 격자, 도 3의 d)에 도시된 바와 같이, 사선의 선 배열 방향을 가진 사선 격자와 수평의 선 배열 방향을 가진 수평 격자를 중첩시킨 중첩 격자, 도 3의 e)에 도시된 바와 같이, 무한대의 사선 배열 방향을 가진 일정 곡률 반경의 호형 격자와 사선의 선 배열 방향을 가진 사선 격자를 중첩시킨 중첩 격자, 도 3의 f)에 도시된 바와 같이, 무한대의 사선 배열 방향을 가진 일정 곡률 반경의 호형 격자와 수평의 선 배열 방향을 가진 수평 격자를 중첩시킨 중첩 격자, 도 3의 g)에 도시된 바와 같이, 수직의 선 배열 방향을 가진 수직 격자와 수평의 선 배열 방향을 가진 수평 격자를 중첩시킨 중첩 격자를 포함하여 구성될 수 있으며, 이들을 90도 회전시킨 격자들을 포함하여 구성될 수도 있다.
상기 카메라부(200)는 상기 격자 패턴층(100)이 부착 배치된 상기 피구조물(10)이 일면에 대향하도록 소정거리 이격되어 위치하는 것이 바람직하며, 상기 격자 패턴층(100)을 연속 촬영하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 소정거리란 상기 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되어 있는 상기 격자 패턴층(100)을 한 앵글에 충분히 촬영할 수 있는 정도의 거리를 의미하는 것이 바람직하다. 그렇기 때문에, 상기 격자 패턴층(100)이 작을수록 상기 피구조물(10)에 보다 가깝게 위치할 수 있다.
또한, 상기 카메라부(200)는 항공 드론으로 구성할 경우, 지상에서 발생하는 진동, 다시 말하자면, 지진 계측에도 활용할 수 있는 장점이 있다.
상기 분석부(300)는 상기 카메라부(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어, 상기 카메라부(200)로부터 연속 촬영된 상기 격자 패턴층(100)의 영상 데이터를 전송받는 것이 바람직하다.
상기 분석부(300)는 전송받은 상기 영상 데이터의 각 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)이 이루는 격자 방향별 모아레 이미지를 생성하여, 생성한 상기 모아레 이미지를 분석하여 상기 피구조물(10)에서 발생된 진동을 계측하는 것이 바람직하다. 이를 통해서, 상기 분석부(300)는 상기 피구조물(10)의 진동을 간단하면서도 고정밀도로 실시간 측정할 수 있게 된다.
상세하게는, 상기 분석부(300)는 상기 영상 데이터의 선택되는 어느 하나의 제n 프레임(n은 정수임.)에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하는 것이 바람직하며, 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 분석부(300)는 상기 제1 격자 패턴 이미지로부터 분석한 상기 제1 격자 패턴 이미지에 포함되어 있는 선들 간의 간격(일정 주기)을 분석하여, 이와는 상이한 소정 주기를 가지도록 상기 기준 격자 패턴 이미지를 생성하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 분석부(300)는 외부로부터 상기 제1 격자 패턴 이미지에 포함되어 있는 선들 간의 간격(일정 주기) 정보를 입력받아 이를 통해서 상기 기준 격자 패턴 이미지를 생성할 수도 있다.
이 후, 상기 분석부(300)는 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 임의의 모아레 이미지(제1 모아레 이미지)를 생성하는 것이 바람직하다. 더불어, 상기 분석부(300)는 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 제1 모아레 주기란, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지가 중첩되어 생성된 상기 제1 모아레 이미지(모아레 간섭무늬)에서 중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기(모아레 간섭무늬의 주기)를 의미한다.
상기 분석부(300)는 상기 영상 데이터의 선택되는 어느 하나의 제n 프레임의 다음 프레임(n+1 프레임)에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하는 것이 바람직하다. 이론적으로, 상기 피구조물(10)의 진동이 발생하지 않았을 경우, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 제2 격자 패턴 이미지가 동일하게 추출되게 된다. 그렇기 때문에, 상기 분석부(300)는 이 점을 분석하는 것이 바람직하다.
상기 분석부(300)는 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 임의의 모아레 이미지(제2 모아레 이미지)를 생성하고 이에 따른 제2 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 제2 모아레 주기란, 상기 제1 모아레 주기와 마찬가지로, 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지가 중첩되어 생성된 상기 제2 모아레 이미지(모아레 간섭무늬)에서 중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기(모아레 간섭무늬의 주기)를 의미한다.
이 후, 상기 분석부(300)는 상기 제1 모아레 주기와 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물(10)에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측할 수 있다. 즉, 상기 피구조물(10)에 진동이 발생했다면 다음 프레임에 의해 형성된 상기 제2 격자 패턴 이미지에 변위가 발생하게 되며, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 제2 격자 패턴 이미지가 갖는 차이(변위차)보다 모아레 간섭무늬로 인한 변위차가 더 크게 발생하기 때문에, 상기 피구조물(10)에서 발생한 미세 진동까지 계측할 수 있어 고정밀의 계측 시스템을 구성할 수 있다.
상세하게는, 중첩되는 두 격자 패턴(일 예를 들자면, 제1 격자 패턴 이미지와 기준 격자 패턴 이미지)의 주기를 각각 p와 q로 정의하고 두 격자 패턴이 중첩되어 생성되는 모아레의 주기(중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기)를 s로 정의할 경우, 
로 나타낼 수 있다.
이를 이용하여, 모아레의 주기는 p에 비해 
배 만큼 그 주기가 확대되며, q에 비해 
배 만큼 그 주기가 확대되게 된다.
다시 말하자면, 진동에 의해 주기 p를 가진 격자 패턴이 
만큼 이동했다면 모아레의 주기의 변위는 
로 나타나게 되며, 주기 q를 가진 격자 패턴이 
만큼 이동했다면 모아레의 주기의 변위는 
로 나타나게 된다. 이를 통해서, 변위 측정의 정확도가 주기 확대 배율 
또는 
만큼 증대되게 되기 때문에, 이를 통해서 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측할 수 있다.
상기 분석부(300)에 대해서 다시 말하자면, 도 4의 a)에 도시된 바와 같이, ① 제1 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 상기 제1 격자 패턴 이미지를 추출하고, ② 상기 제1 격자 패턴 이미지와는 상이한 소정 주기를 가지는 상기 기준 격자 패턴 이미지를 생성하고, ③ 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 중첩시켜 제1 모아레 이미지를 생성하고, ④ 생성한 상기 제1 모아레 이미지의 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
이 후, 도 4의 b)에 도시된 바와 같이, ⑤ 다음 프레임인 제2 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 상기 제2 격자 패턴 이미지를 추출하고, ⑥ 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 중첩시켜 제2 모아레 이미지를 생성하고, ⑦ 생성한 상기 제2 모아레 이미지의 주기를 추출한 후, ⑧ 상기 제1 모아레 이미지의 주기와 상기 제2 모아레 이미지의 주기를 비교 분석하여 변위를 연산함으로써, 상기 피구조물(10)의 진동을 계측할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 촬영단계(S100), 제1 이미지 추출단계(S200), 기준 이미지 생성단계(S300), 제2 이미지 추출단계(S400) 및 분석단계(S500)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 촬영단계(S100)는 상기 카메라부(200)에서 상기 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되어 있는 상기 격자 패턴층(100)을 연속 촬영하여 상기 분석부(300)로 전송하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 격자 패턴층(100)은 상술한 바와 같이, 일정 주기로 서로 평행하게 배열된 선들의 집합체가 기록된 필름 또는 시트 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡류 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지로 형성되거나, 일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 동일한 두께의 선들의 집합 이미지를 둘 이상 또는 서로 다른 방향으로 중첩시켜 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 이미지 추출단계(S200)는 상기 분석부(300)에서, 상기 촬영단계(S100)에 의해 전송받은 상기 격자 패턴층(100)의 영상 데이터로부터 선택되는 어느 하나의 제n 프레임(n은 정수임.)에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 기준 이미지 생성단계(S300)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에서 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 기준 이미지 생성단계(S300)는 상기 제1 격자 패턴 이미지로부터 분석한 상기 제1 격자 패턴 이미지에 포함되어 있는 선들 간의 간격(일정 주기)을 분석하여, 이와는 상이한 소정 주기를 가지도록 상기 기준 격자 패턴 이미지를 생성하거나, 외부로부터 상기 제1 격자 패턴 이미지에 포함되어 있는 선들 간의 간격(일정 주기) 정보를 입력받아 이를 통해서 상기 기준 격자 패턴 이미지를 생성할 수도 있다.
상기 제2 이미지 추출단계(S400)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제n 프레임의 다음 프레임(n+1 프레임)에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 분석단계(S500)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 격자 패턴 이미지, 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지 및 상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지 중 선택되는 두 개의 이미지 간의 모아레 이미지를 생성하여, 상기 모아레 이미지를 분석하여 상기 피구조물에서 발생된 진동을 계측할 수 있다.
이론적으로, 상기 피구조물(10)의 진동이 발생하지 않았을 경우, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 제2 격자 패턴 이미지가 동일하게 추출되게 되기 때문에, 상기 분석단계(S500)에서는 이 점을 감안하여 분석을 수행하는 것이 바람직하다.
이러한 상기 분석단계(S500)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분석단계(S510), 제2 분석단계(S520) 및 진동 계측단계(S530)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 분석단계(S510)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 임의의 모아레 이미지(제1 모아레 이미지)를 생성하고, 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 제1 모아레 주기란, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지가 중첩되어 생성된 상기 제1 모아레 이미지(모아레 간섭무늬)에서 중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기(모아레 간섭무늬의 주기)를 의미한다.
상기 제2 분석단계(S520)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 임의의 모아레 이미지(제2 모아레 이미지)를 생성하고 이에 따른 제2 모아레 주기를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 제2 모아레 주기란, 상기 제1 모아레 주기와 마찬가지로, 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지가 중첩되어 생성된 상기 제2 모아레 이미지(모아레 간섭무늬)에서 중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기(모아레 간섭무늬의 주기)를 의미한다.
상기 진동 계측단계(S530)는 상기 분석부(300)에서, 상기 제1 분석단계(S510)에 의한 상기 제1 모아레 주기와 상기 제2 분석단계(S520)에 의한 상기 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물(10)에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측할 수 있다. 즉, 상기 피구조물(10)에 진동이 발생했다면 다음 프레임에 의해 형성된 상기 제2 격자 패턴 이미지에 변위가 발생하게 되며, 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 제2 격자 패턴 이미지가 갖는 차이(변위차)보다 모아레 간섭무늬로 인한 변위차가 더 크게 발생하기 때문에, 상기 피구조물(10)에서 발생한 미세 진동까지 계측할 수 있어 고정밀의 계측 시스템을 구성할 수 있다.
상세하게는, 중첩되는 두 격자 패턴(일 예를 들자면, 제1 격자 패턴 이미지와 기준 격자 패턴 이미지)의 주기를 각각 p와 q로 정의하고 두 격자 패턴이 중첩되어 생성되는 모아레의 주기(중첩되는 첫 번째 선과 두 번째 선 간의 간격 주기)를 s로 정의할 경우, 
로 나타낼 수 있다.
이를 이용하여, 모아레의 주기는 p에 비해 
배 만큼 그 주기가 확대되며, q에 비해 
배 만큼 그 주기가 확대되게 된다.
다시 말하자면, 진동에 의해 주기 p를 가진 격자 패턴이 
만큼 이동했다면 모아레의 주기의 변위는 
로 나타나게 되며, 주기 q를 가진 격자 패턴이 
만큼 이동했다면 모아레의 주기의 변위는 
로 나타나게 된다. 이를 통해서, 변위 측정의 정확도가 주기 확대 배율 
또는 
만큼 증대되게 되기 때문에, 이를 통해서 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 시스템 및 그 계측 방법은, 피구조물에 부착된 격자 패턴층을 연속 촬영하여 피구조물에서 발생하는 진동을 간단하면서도 고정밀도로 실시간 측정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모아레를 이용한 진동 계측 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(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 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 피구조물
100 : 격자 패턴층
200 : 카메라부
300 : 분석부
100 : 격자 패턴층
200 : 카메라부
300 : 분석부
Claims (8)
- 피구조물의 진동을 계측하기 위한 진동 계측 시스템에 있어서,
진동을 계측하기 위한 피구조물(10)의 일면에 부착 배치되는 격자 패턴층(100);
상기 격자 패턴층(100)이 부착 배치된 상기 피구조물(10)의 일면에 대향하도록 소정거리 이격되어 위치하여, 상기 격자 패턴층(100)을 촬영하는 카메라부(200); 및
상기 카메라부(200)와 연결되어 상기 카메라부(200)로부터 연속 촬영된 상기 격자 패턴층(100)의 영상 데이터를 전송받아, 상기 영상 데이터의 선택되는 어느 하나의 제1 프레임과 상기 제1 프레임의 다음 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)이 이루는 격자 방향별 각각의 모아레(moire) 이미지를 생성하여, 생성한 상기 모아레 이미지들을 비교 분석하여 상기 피구조물(10)에서 발생된 변위 정도를 연산하여 발생된 진동을 계측하는 분석부(300);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 격자 패턴층(100)은
일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지가 형성된 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 격자 패턴층(100)은
일정 주기를 가지고 일정 방향 또는 일정 곡률 반경에 따라 배열된 동일한 두께의 선들의 집합 이미지를 둘 이상 또는 서로 다른 방향으로 중첩시켜 형성된 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 분석부(300)는
상기 영상 데이터의 선택되는 어느 하나의 제1 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하고, 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하여,
상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제1 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 제 4항에 있어서,
상기 분석부(300)는
상기 제1 프레임의 다음 프레임에 대해 상기 격자 패턴층(100)에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하여,
상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제2 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제2 모아레 이미지에 포함되어 있는 제2 모아레 주기를 추출하는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 분석부(300)는
상기 제1 모아레 주기와 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물(10)에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물(10)의 발생 진동을 계측하는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 시스템.
- 피구조물의 진동을 계측하기 위한 진동 계측 방법에 있어서,
카메라부에서, 피구조물의 일면에 부착 배치되어 있는 격자 패턴층을 촬영하여 분석부로 전송하는 촬영단계(S100);
분석부에서, 상기 촬영단계(S100)에 의해 전송받은 상기 격자 패턴층의 영상 데이터로부터, 선택되는 어느 하나의 제1 프레임에 대해 상기 격자 패턴층에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제1 격자 패턴 이미지를 추출하는 제1 이미지 추출단계(S200);
분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에서 추출한 상기 제1 격자 패턴 이미지의 일정 주기와는 상이한 소정 주기를 가지는 기준 격자 패턴 이미지를 생성하는 기준 이미지 생성단계(S300);
분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 프레임의 다음 프레임에 대해 상기 격자 패턴층에 의해 형성되는 일정 주기를 가지는 제2 격자 패턴 이미지를 추출하는 제2 이미지 추출단계(S400); 및
분석부에서, 상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 격자 패턴 이미지, 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지 및 상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지 중 선택되는 두 개의 이미지 간의 모아레 이미지를 생성하여, 상기 모아레 이미지들을 비교 분석하여 피구조물에서 발생된 변위 정도를 연산하여 발생된진동을 계측하는 분석단계(S500);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 분석단계(S500)는
상기 제1 이미지 추출단계(S200)에 의한 상기 제1 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제1 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제1 모아레 이미지에 포함되어 있는 제1 모아레 주기를 추출하는 제1 분석단계(S510);
상기 제2 이미지 추출단계(S400)에 의한 상기 제2 격자 패턴 이미지와 상기 기준 이미지 생성단계(S300)에 의한 상기 기준 격자 패턴 이미지를 일정 영역만큼 중첩시켜 제2 모아레 이미지를 생성하고, 생성한 상기 제2 모아레 이미지에 포함되어 있는 제2 모아레 주기를 추출하는 제2 분석단계(S520); 및
상기 제1 분석단계(S510)에 의한 상기 제1 모아레 주기와 상기 제2 분석단계(S520)에 의한 제2 모아레 주기를 비교 분석하여, 상기 피구조물에서 발생된 변위 정도를 연산하여 상기 피구조물의 발생 진동을 계측하는 진동 계측단계(S530);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 진동 계측 방법.
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| KR101539945B1 (ko) * | 2014-05-02 | 2015-07-30 | 에스엔유 프리시젼 주식회사 | 간섭계를 이용한 진동측정방법 |
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