KR102528815B1 - 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치에 관한 것으로, 항타기의 해머와 파일의 일정 위치에 각각 부착되고 구분이 가능하도록 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃과; 상기 타깃을 향해 설치되고 타깃의 변위를 측정하기 위해 영상이미지를 연속적으로 취득하며 취득하는 영상이미지의 한 프레임에는 상기 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃을 포함하는 카메라, 및 상기 카메라로부터 영상이미지 데이터를 수신하고 타깃의 변위량을 산출하며 운영자에 의한 운영지시를 무선통신을 통해 할 수 있는 현장단말기를 포함하여 이루어짐으로써, 하나의 영상으로 관입량과 리바운드량 및 해머의 낙하고를 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 항타에 의한 진동의 영향을 받지 않으면서 특유의 상관값 산정방법과 보간법 적용으로 측정된 변위량의 정밀도가 매우 높다.

Description

영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치 {Image-based displacement measurement apparatus related to pile driving}
본 발명은 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 영상으로 관입량과 리바운드량 및 해머의 낙하고를 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 항타에 의한 진동의 영향을 받지 않으면서 특유의 상관값 산정방법과 보간법 적용으로 측정된 변위량의 정밀도가 매우 높은 변위 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 고층건물, 교량, 항만 등과 같은 토목공사를 시공하기 위하여 구조물을 시공하기에 앞서 지반에 말뚝, 즉, 파일(Pile)을 수직 방향으로 항타하는 파일 시공이 수행된다. 이러한 파일은 수직력에 저항하기 위한 견고한 지반까지 관입시키기 위해 항타기를 이용하여 지반에 항타된다.
이러한 파일 시공은 토목공사의 기초 공정으로서, 갈수록 고층화되어 가는 구조물의 안전을 위하여 파일이 항타되는 깊이와 허용지지력의 산정이 더욱 중요해지고 있는 실정이다.
이러한 파일 항타시에는 반드시 관입량 및 리바운드량 등 항타에 의해 파일에 발생하는 변위를 측정하여 파일의 관입량을 관리하고 있다. 이것은 항타시 측정한 파일의 변위 거동을 통하여 파일 기초가 지반에 제대로 시공되었는지를 확인할 수 있을 뿐 아니라, 경험적 방법을 통해 파일의 허용지지력을 간접적으로 평가할 수 있기 때문이다.
이러한 파일의 허용지지력은 복잡한 현장 지반 조건이나 시공 상태에 따라 크게 좌우되며, 설계시에 파일의 지지력을 정확하게 예측하기 어렵기 때문에, 시공 시 파일의 지지력을 확인하기 위한 현장시험이 필수적이라고 할 수 있다.
하지만, 종래에는 실무적으로 항타 파일의 변위량 측정은 주로 수작업에 의해 이루어지고 있는데, 모눈종이를 관입되는 파일의 일측면에 부착하고 작업자가 직접 사인펜을 들고 항타되는 파일 바로 옆에 서서 사인펜을 모눈종이에 갖다 대는 방법으로 관입량 측정이 이루어졌다.
이러한 수작업은 작업자의 안전성에 문제가 있고, 측정 범위의 한계가 존재하며, 주변 환경 요인에 의한 오차가 발생하고, 작업자의 임의 조작 가능성이 존재하며, 현장에서 데이터 계측 후 실내에서 따로 분석해야 한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 레이저를 이용하거나 여러대의 카메라를 이용하는 등 다양한 계측 및 광학 장비를 항타 파일의 변위 측정에 적용한 개발 사례가 있었으나, 실제 현장은 작업 환경이 열악하여 실무에서 사용하기에 불편하거나 너무 오랜 시간이 걸려 아직은 적극적으로 사용되지 못하고 있다.
따라서, 신뢰성 있는 단일의 영상수집유닛을 이용하여 영상분석을 통해 정밀하면서도, 파일에 근접할 필요가 없는 파일항타관련 변위 측정장치가 필요한 실정이다.
한편, 종래 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-2200824호(2021년01월12일 공개)에 개시되어 있는 바와 같이, 항타 파일의 일정 위치에 부착 설치되는 촬영 타겟과; 상기 항타 파일의 주변에 설치되어 상기 항타 파일의 항타 관입량에 따라 발생된 상기 촬영 타겟의 변위량 측정 영상을 획득하기 위한 카메라와; 상기 촬영 타겟에 탈부착 설치되어 상기 항타 파일의 항타 후 리바운드량을 측정하기 위한 가속도센서와; 상기 카메라에서 측정된 상기 촬영 타겟의 변위량 영상 데이터와 상기 가속도센서에서 측정된 리바운드량 데이터를 수집하여 상기 항타 파일의 관입량 및 리바운드량을 산출하기 위한 데이터 처리장치와; 상기 데이터 처리장치로부터 산출된 항타 파일의 관입량 및 리바운드량을 출력하기 위한 디스플레이장치;를 포함하여 구성되며, 상기 가속도센서는 진동가속도 값을 측정하고, 가속도 및 변위에 관한 알고리즘 및 FFT(Fast Fourier Transform)과정에 의하여 주파수별 진동변위(D)값을 편진폭값으로 리바운드량을 산출하는 것을 특징으로 하는 카메라 및 가속도센서를 이용한 발명이다.
그러나 상기 종래 기술도 변위량 측정의 정밀도에 있어 만족할 수준이 되지 못하고, 데이터 처리장치는 실시간으로 현장에서 사용하기에는 불편하여 현장적용성이 떨어지기는 마찬가지이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2200824호(2021년01월12일 공고, 발명의 명칭: 카메라 및 가속도센서를 이용한 실시간 파일항타 관입량 및 리바운드량 자동측정시스템)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 카메라 촬영으로 취득되는 영상의 한 프레임에는 항타기의 해머와 파일에 부착된 두 개의 다른 형태의 타깃을 모두 포함하도록 하여 하나의 영상으로 관입량과 리바운드량 및 해머의 낙하고를 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 항타에 의한 진동의 영향을 받지 않으면서 특유의 상관값 산정방법과 보간법 적용으로 측정된 변위량의 정밀도가 매우 높은, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치를 제공하는데 있다.
또한, 현장에서 전반적인 운영지시를 운영자가 현장단말기로 확인하면서 무선통신을 통해 바로 직접적으로 할 수 있으므로 항타 작업의 효율성과 현장적용성이 뛰어나며 작업자의 안전사고 발생도 방지할 수 있는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 항타기의 해머와 파일의 일정 위치에 각각 부착되고 구분이 가능하도록 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃과; 상기 타깃을 향해 설치되고 타깃의 변위를 측정하기 위해 영상이미지를 연속적으로 취득하며 취득하는 영상이미지의 한 프레임에는 상기 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃을 포함하는 카메라, 및 상기 카메라로부터 영상이미지 데이터를 수신하고 타깃의 변위량을 산출하며 운영자에 의한 운영지시를 무선통신을 통해 할 수 있는 현장단말기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 카메라 및 현장단말기와 제어신호를 송수신하여 타깃의 변위 측정과 관련된 제어를 수행하는 제어부가 상기 현장단말기에 포함되고, 상기 파일 상단에는 완충내장재 캡이 씌어져 있다.
또한, 본 발명에서 항타전 카메라 촬영으로 취득한 영상이미지인 기준이미지를 입력 데이터로 하여 모멘트 기반 타깃 검출을 통해 상기 기준이미지로부터 타깃을 검출하는 타깃 검출 모듈은 상기 현장단말기에 포함된다.
또한, 본 발명에서 타깃을 검출하여 수집한 타깃이미지와 항타시 카메라 촬영으로 취득한 모든 프레임인 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값(-1 ~ +1 사이의 값)은 다음의 수학식,
Figure 112022128017692-pat00001
(여기서, n은 타깃이미지의 총픽셀수, x는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 가로축 픽셀위치, y는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 세로축 픽셀위치, t(x,y)는 타깃이미지의 x,y위치에서의 그레이스케일, m(x,y)는 타깃이미지에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 x,y위치에서의 그레이스케일, σt와 σm은 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 표준편차,
Figure 112022128017692-pat00002
와
Figure 112022128017692-pat00003
는 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 평균)을 이용하여 계산하는 상관값 계산 모듈은 상기 현장단말기에 포함된다.
또한, 본 발명에서 상기 타깃이미지는 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 좌측상단부터 우측하단까지 1픽셀씩 이동하면서 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀에 대해서 상기 상관값을 계산하되, 상기 상관값은 타깃이미지의 모든 픽셀 중에서 일정한 위치의 픽셀인 측정점(기준이미지에서는 기준점)에 부여되며 그 측정점(기준이미지에서는 기준점)은 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 거쳐 이동한다.
또한, 본 발명에서 상기 상관값이 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값을 이용하여 상기 측정점(또는 기준점)의 상관값이 최대값인 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)의 위치를 가로축과 세로축에서 각각 다음의 수학식,
Figure 112022128017692-pat00004
(여기서, α,β,γ는 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값)을 통해 찾아내는 측정점(또는 기준점) 보간 모듈은 상기 현장단말기에 포함된다.
또한, 본 발명에서 상기 보간된 측정점과 보간된 기준점을 입력데이터로 하여, 파일에 부착된 타깃의 상기 보간된 측정점의 위치와 보간된 기준점의 위치의 수직 변위인 관입량과, 1회 항타 기준으로 리바운드되기 전의 제일 낮은, 파일에 부착된 타깃의 상기 보간된 측정점의 위치와 리바운드된 후의 제일 높은, 파일에 부착된 타깃의 상기 보간된 측정점의 위치의 수직 변위인 리바운드량, 및 해머가 파일 상단에서 이격되어 있지 않은 정지상태에서의 해머에 부착된 타깃의 상기 보간된 측정점의 위치와 해머가 최고로 들어올려진 상태에서의 해머에 부착된 타깃의 상기 보간된 측정점의 위치의 수직 변위인 낙하고를 동시에 산출하는 타깃 변위 산출 모듈은 상기 현장단말기에 포함된다.
이상에서 살펴본, 본 발명인 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치는 카메라 촬영으로 취득되는 영상의 한 프레임에는 항타기의 해머와 파일에 부착된 두 개의 다른 형태의 타깃을 모두 포함하도록 하여 하나의 영상으로 관입량과 리바운드량 및 해머의 낙하고를 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 항타에 의한 진동의 영향을 받지 않으면서 특유의 상관값 산정방법과 보간법 적용으로 측정된 변위량의 정밀도가 매우 높고, 현장에서 전반적인 운영지시를 운영자가 현장단말기로 확인하면서 무선통신을 통해 바로 직접적으로 할 수 있으므로 항타 작업의 효율성과 현장적용성이 뛰어나며 시공의 안전성도 동시에 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 사용되는 일실시예인 드롭해머를 갖춘 항타기와 파일을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치에서 항타관련 변위를 측정하기 위한 구성을 나타낸 도면.
도 3 은 본 발명에서 다른 형태의 두 개의 타깃이 한 프레임에 촬영된 영상이미지를 간략하게 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명에서 타깃이미지와 기준이미지 및 측정이미지의 일실시예를 나타낸 도면.
도 5 는 본 발명에서 타깃이미지와 기준이미지(또는 측정이미지) 간의 상관값을 산출하는 과정을 설명하는 개념도.
도 6 은 본 발명에 적용되는 포물선 보간법을 설명하는 개념도.
도 7 은 해머에 의한 항타시 본 발명에 따른 측정장치로 분석한 변위 실측값에 관한 그래프(1회 항타 기준)를 간략하게 나타낸 도면.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면들 및 이를 참조한 설명은 본 발명에 관하여 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들이 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시된 것이며, 본 발명의 사상 및 범위를 한정하려는 의도로 제시된 것은 아님에 유의하여야 할 것이다.
도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치는 거치대가 부착된 영상수집기, 제어부(60), 현장단말기(20) 및 항타기의 해머(50)와 파일(pile,40)의 일정 위치에 각각 부착되는 타깃(30,31)을 포함하고 있다. 상기 거치대는 예를 들어 삼각대이고 상기 영상수집기는 파일(40)의 변위를 측정하기 위해 연속적으로 취득한 영상이미지 데이터를 현장단말기(20)로 유/무선통신을 통해 송신하는데 예를 들어 타깃(30,31)을 향해 설치된 카메라(10)이며, 상기 해머(50)는 예를 들어 드롭 해머이다. 타깃(30,31)에 대한 카메라의 빠른 조준을 위해 레이저 시준기가 추가로 적용될 수도 있다.
상기 제어부(60)는 상기 카메라(10) 및 현장단말기(20)와 제어신호를 송수신하여 변위 측정과 관련된 일련의 전반적인 제어를 수행하는데 상기 현장단말기(20)에 포함될 수 있다.
상기 현장단말기(20)는 상기 카메라(10)로부터의 영상이미지 데이터 수신과 함께 본 발명에 따른 변위 측정과 관련된 전반적인 운영지시를 현장단말기(20)로 확인하면서 운영자에 의해 무선통신(블루투스, 와이파이 등)을 통해 할 수 있다. 현장단말기(20)에 수신된 데이터는 원거리 통합서버로 전송될 수도 있다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 항타기의 해머(50)와 파일(40)에 각각 타깃(30,31)이 부착되는데 상기 타깃(30,31)은 항타에 의한 타격과 진동에도 타깃(30,31)의 최초 부착지점에서 이동되지 않게 단단히 부착되어야 하고, 타깃(30,31)은 다양한 형태를 가질수 있으나 항타기의 해머(50)와 파일(40)에 부착되는 타깃(30,31)은 구분이 가능하도록 서로 다른 형태이어야 한다.
예를 들어, 본 발명에서는 카메라(10)의 영상이미지에서 검출이 쉽도록 검은색 굵은 선의 일정한 크기의 사각형 테두리에 그 내부에는 동일한 굵기의 십자모양(+) 또는 가위모양(×)을 갖는 타깃(30,31)을 사용하는데 상술한 바와 같이 항타기의 해머(50)와 파일(40)에는 각각 다른 내부모양을 사용한다. 이러한 형상의 타깃(30,31)은 후술되는 바와 같이 모멘트 기반 타깃 검출을 이용하여 다른 내부모양의 구별이 가능하고 타깃(30,31)의 검지 및 타깃의 위치 변화에 따른 추적에 의한 변위 측정은 회색조(그레이스케일)로 처리된 영상을 이용한다.
한편 카메라 촬영으로 취득되는 영상의 한 프레임에는 항타기의 해머(50)와 파일(40)에 부착된 두 개의 다른 형태의 타깃(30,31)을 모두 포함하도록 한다. 여기서 프레임의 크기는 카메라(10)와 항타기 간의 이격 거리 및 화각에 영향을 받으므로 카메라(10)와 타깃(30,31) 간의 거리는 카메라의 해상도와 작업자의 안전을 고려하여 결정한다.
이하에서는 본 발명에 따른 변위 측정장치에 의한 변위(관입량, 낙하고, 리바운드량 등) 측정과정을 구체적으로 살펴보겠다.
우선, 카메라(10)에 의해 취득된 영상에서 타깃(30,31)을 검출하는데 이러한 검출은 항타기의 해머(50)와 파일(40)에 부착된 타깃(30,31) 모두에 대하여 수행한다. 이러한 검출과정은 변위 측정을 위한 타깃(30,31)을 검지하여 그 위치와 크기를 획득하는 단계이다. 즉, 항타전 카메라 촬영으로 취득한 영상이미지인 기준이미지로부터 타깃(30,31)의 초기 위치를 획득한다. 조명이나 날씨의 변화에 따라 타깃(30,31)의 이미지의 밝기가 차이(추후 보상 가능)날 수 있고 카메라(10)와 타깃(30,31) 간의 거리에 따라 영상에서 크기 비율이 변경될 수 있다.
본 발명에서 타깃(30,31) 검출시 모멘트 기반 타깃 검출을 적용하는데, 상기 모멘트(Moments)는 영상의 형태를 표현하는 일련의 실수 값으로, Geometric moments와 Central moments 및 Normalized central moments 의 세가지 기능이 있는데 중심모멘트(central moments)를 이용하면 객체의 위치가 바뀌어도 동일한 객체를 추출할 수 있는 특성이 있고, 중심모멘트 정규화(normalized central moments)는 Central moments를 정규화한 것이다. 이외에도 HU의 7개 불변 모멘트 기법도 있는데 이를 이용하면 영상의 크기, 회전, 이동, 대칭에 대해서 모멘트 값이 불변하는 특성이 있다.
이러한 모멘트 기반 객체 검출은 두개의 외곽선, 그레이스케일 영상을 이용하여 모양을 비교하는 방법이다. 특정 함수와 입력영상의 상관성(correlation)을 계산하여 어떤 영상의 모양정보를 얻어내는데 본 발명의 일실시예인 타깃(검은색 굵은 선의 일정한 크기의 사각형 테두리에 그 내부에는 동일한 굵기의 십자모양(+) 또는 가위모양(×)을 갖는 타깃)의 검출된 모양정보는 본 발명의 하나의 구성인 제어부(60)를 통해 인식된다. 이러한 다른 두 개의 타깃(30,31)의 모양정보는 후술할 상관값 계산시 각각 동일한 모양정보에 대해 높은 상관값을 가지게 된다.
한편 카메라(10)에 의해 타깃(30,31)이 검지되면 그 검지신호는 제어부(60)를 통해 현장단말기(20)로 전송되고 이후 현장단말기(20)에 의한 운영지시에 의해 후술할 추적 측정단계가 수행된다.
다음으로, 항타시 카메라(10) 촬영으로 취득한 모든 프레임인 측정이미지로부터 타깃(30,31)의 변화된 위치를 추적 측정하는데 상기 타깃 검출 단계에서 수집한 타깃이미지를 기반으로 타깃(30,31)의 위치 변화량을 계산한다.
본 발명에서는 상기 검출된 타깃이미지를 기반으로 카메라(10) 촬영으로 취득한 영상이미지에서 타깃(30,31)의 위치를 찾고 후술할 상관값 산정방법과 보간법을 이용하여 상기 기준이미지와 측정이미지로부터 타깃(30,31)의 미세한 위치 변화를 측정할 수 있다. 여기서 위치 변화량, 즉 타깃(30,31)의 이동량은 영상의 픽셀 크기를 ㎜로 변환하여 ㎜단위로 산정한다. 도 4에서는 상기 타깃이미지(a)와 기준이미지(b) 및 측정이미지(c)의 일실시예를 나타낸 것으로 편의상 하나의 타깃(30)만 표현한 것이다.
이에 본 발명에서는 기본적으로 항타기 해머(50)에 부착된 타깃(31)을 이용하여 해머(50)의 낙하고를 산출하고, 파일(40)에 부착된 타깃(30)을 이용하여 관입량과 리바운드량을 산출한다. 해머(50)의 낙하고는 상대적으로 관입량과 리바운드량에 비해 중요한 수치가 아니므로 후술할 보간법을 이용하지 않을 수도 있고, 파일(40) 손상 방지를 위해 파일(40) 상단에 씌워진 완충재내장 캡(41)이 반복적인 해머(50)의 항타에 의한 캡(41)의 상면 레벨의 변동으로 발생하는 오차는 무시할 수 있을 정도이며, 상기 낙하고는 항타시마다 항타기의 해머(50)가 파일(40) 상단에서 이격되어 있지 않은 정지상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31) 위치와 해머(50)가 최고로 들어올려진 상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31) 위치를 비교하면 낙하고를 산출할 수 있다.
다음의 표 1은 본 발명에 따른 측정장치의해 측정된 항타 횟수별 파일(40) 관입량, 낙하고 및 리바운드량을 기록한 일실시예를 나타낸 것이다.
항타횟수 측정값
(단위:m)		 변위
(항타별 관입량)		 항타5회별
평균변위		 리바운드량 낙하고
0 0
1 0.025 0.025 0.013 1.520
2 0.046 0.021 0.010 1.477
3 0.063 0.017 0.010 1.530
4 0.078 0.015 0.008 1.625
5 0.088 0.010 0.017 0.006 1.550
6 0.098 0.010 0.005 1.456
7 0.106 0.008 0.005 1.448
8 0.111 0.005 0.003 1.510
9 0.116 0.005 0.003 1.580
10 0.120 0.004 0.006 0.002 1.525
.
.
.
.
상기 표 1에서 측정값에는 파일(40)에 부착된 타깃(30)을 이용하여 각 항타후 후술할 보간된 최후 측정점(도 7 참조)과 보간된 기준점과의 세로축 방향의 위치차이(수직 변위)가 기록되고, 변위에는 상기 측정값을 이용하여 각 항타에 의한 항타별 관입량이 기록되며, 파일(40)을 항타하는 과정에서 발생하는 파일(40)의 리바운드량도 파일(40)에 부착된 타깃(30)을 이용하여 각 항타시 모든 프레임에 대하여 보간된 측정점들을 기준(도 7 참조)으로 산출하여 기록되고, 낙하고는 항타기 해머(50)에 부착된 타깃(31)을 이용하여 각 항타시 후술할 상관값을 계산하여 기록하는데 후술할 보간법도 병행할 수 있다.
구체적으로는 도 7에 나타낸 바와 같이, 1회 항타 기준으로 도 7에 표시된 각 포인트는 영상의 각 프레임별로 후술할 상관값과 보간법이 적용된 측정점이고 시점상 마지막 포인트가 1회 항타 기준으로 보간된 최후 측정점이 되어 관입량 산정에 기준이 되며, 도 7에 표시된 포인트 중 제일 낮은 위치의 포인트와 리바운드된 후의 제일 높은 위치의 포인트와의 수직 변위 차이가 리바운드량이 된다.
한편, 상기 표 1의 항타 5회별 평균변위는 5회씩 항타후 직전 항타 5회 변위의 평균값이 기록되는 것으로, 시공 관리기준으로는 '항타 5회별 평균변위가 기준치 범위내이면서 항타 5회별 평균변위 기준치 범위내가 3번 반복되면 항타 작업을 종료할 것'과 같이 결정할 수 있다. 이러한 상기 기준치는 항타 현장의 일부 파일(40)에 수행된 동재하시험의 결과를 기준으로 할 수 있다.
따라서 항타시에 파일(40)의 최종 관입량을 정확히 측정하는 것도 매우 중요하며, 항타 분석시에 각각의 항타에 따른 관입량을 정확히 측정하는 것도 매우 중요하다. 이에 본 발명은 상관값 산정방법과 보간법 적용에 의해 타깃(30,31)의 이동량(관입량, 낙하고, 리바운드량 등)을 영상 이미지를 구성하는 최소 단위인 픽셀보다 더 작은 단위로 산정할 수 있으므로 그 정밀도가 매우 높아 항타 작업의 효율성과 시공의 안전성을 동시에 달성할 수 있다.
이하에서는 본 발명에서 상관값 산정방법과 보간법 적용에 대해 구체적으로 살펴보겠다.
도 5에 도시된 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값은 다음의 수학식 1과 같이 산정한다.
Figure 112022128017692-pat00005
여기서, n은 타깃이미지의 총픽셀수, x는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 가로축 픽셀위치, y는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 세로축 픽셀위치, t(x,y)는 타깃이미지의 x,y위치에서의 그레이스케일, m(x,y)는 타깃이미지에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 x,y위치에서의 그레이스케일이다.
상기 그레이스케일은 각 픽셀의 값이 빛의 양을 나타내는 하나의 샘플인 이미지를 가리키며, 광도의 정보만을 전달한다. 이러한 종류의 이미지는 흑백 또는 단색회로도 알려져 있으며 회색 음영으로 이루어져 있어서 가장 여린 광도의 '검정'부터 가장 센 광도의 '백색'에 이르기까지 다양하다. 보통 8비트 그레이스케일에서는 검정색이 0이고, 백색이 255이어서 그레이스케일은 0에서 255사이의 정수로 표현된다.
측정이미지는 항타시 카메라(10) 촬영으로 취득한 모든 프레임인데(도 4c참조), 예를 들어 초당 5 프레임을 촬영한다면 10초인 경우 50개의 측정이미지가 생성될 것이고 50개의 각 측정이미지마다 상술한 상관값의 계산방법이 적용된다. 여기서 초당 프레임수는 항타 간격을 고려하여 설정할 수도 있다.
한편, 기준이미지는 항타전 카메라(10) 촬영으로 취득한 이미지인데(도 4b참조), 타깃이미지와 기준이미지에 대한 상관값 계산방법은 역시 상술한 상관값 계산방법에서 측정이미지를 기준이미지로 대체하여 상기 수학식 1을 적용한다. 즉 b(x,y)를 타깃이미지에 대응하는 기준이미지의 x,y위치에서의 그레이스케일이라고 한다면 m(x,y)를 b(x,y)로 대체하는 방식이다.
예를 들어, 타깃이미지가 10×10 픽셀이면 총픽셀수 n은 100이고, 상기 x는 1~10 상기 y도 1~10이므로 타깃이미지에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)는 타깃이미지와 크기가 동일한 측정이미지(또는 기준이미지)의 일부인 10×10 픽셀이 된다(도 5에서는 5×5 픽셀로 표현).
상기 타깃이미지는 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 바람직하게는 좌측상단부터 우측하단까지 1픽셀씩 이동하면서 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀에 대해서 상기 상관값을 계산하게 되는데, 다시 말해 상기 상관값은 타깃이미지의 모든 픽셀 중에서 상기 상관값이 부여되는 일정한 위치의 픽셀을 측정점(기준이미지에서는 기준점)이라고 한다면 그 측정점(기준이미지에서는 기준점)은 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 거쳐 이동할 수 있도록 해야 한다(도 5에서는 타깃이미지가 이동하면서 측정이미지(또는 기준이미지)와 겹치는 부분은 검정색으로 표현했음).
상기 측정점(또는 기준점)은 타깃이미지의 중앙 픽셀 또는 중앙에 가까운 픽셀로 정하는 것이 바람직하므로 상기 측정점(또는 기준점)이 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 거쳐 이동하려면 측정이미지(또는 기준이미지)의 가장자리에서 상기 상관값의 계산시에는 타깃이미지의 일부 픽셀이 측정이미지를 벗어날 수도 있다.
상기 수학식 1의 각각의 이미지를 표준편차로 나누어 그레이스케일 차이를 보상하여 정규화하면 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112022128017692-pat00006
여기서, σt와 σm은 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 표준편차이다.
상기 수학식 2는 -1 ~ +1 사이의 값을 갖게 된다.
또한, 이미지 밝기 차이를 보상한(평균은 0으로 표준편차는 1이 되도록 정규화한) 상관값을 구하고자 한다면 다음의 수학식 3과 같은데 이 또한 -1 ~ +1 사이의 값을 갖는다.
Figure 112022128017692-pat00007
여기서,
Figure 112022128017692-pat00008
와
Figure 112022128017692-pat00009
는 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 평균이다.
결국 상기 수학식 3을 이용하여 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값을 계산하고 후술할 보간법을 활용하여 측정이미지(또는 기준이미지)에서의 타깃이미지의 위치를 찾아내게 되는데, 앞서 살펴본 바와 같이 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)는 그레이스케일(0~255)로 미리 변환한다.
구체적으로 상기 측정점(또는 기준점)의 상관값이 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀 중에서 상관값이 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀을 찾아낼 수 있다.
상기 보간법과 상기 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값을 이용하여 측정점(또는 기준점)의 상관값이 최대값(peak, 이하 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)이라 함)인 위치를 가로축과 세로축에서 각각 찾아내면 그 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)의 위치는 타깃(30,31)의 변위(관입량, 낙하고, 리바운드량 등)를 산출하는데 기준이 된다.
다시 말해, 상기 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)은 상기 측정점(또는 기준점)의 상관값이 최대값으로 추정되는 측정점(또는 기준점)이고, 상기 보간법의 개념은 도 6에 도시된 바와 같고, 포물선에 대한 일반 공식은 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112022128017692-pat00010
상기 측정점(또는 기준점)의 최대값(peak)에 가장 가까운 3개의 상관값인 α,β,γ(상기 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값)를 이용하면 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)의 위치는 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112022128017692-pat00011
상술한 바와 같이, 보간된 측정점과 보간된 기준점의 위치차이가 타깃(30,31)의 변위가 되는데, 즉 세로축 방향의 변위량(수직 변위)이 프레임당 파일(40)의 관입량과 낙하고 및 리바운드량 등이 된다.
한편, 본 발명에서는 항타n회별 평균변위(표 1 참조)의 산출, 타깃(30,31)의 검출, 상관값의 계산, 측정점(또는 기준점)의 보간과 타깃(30,31)의 변위(관입량, 낙하고, 리바운드량 등) 산출시에는 이러한 과정을 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램을 사용한다.
이에 평균변위 산출모듈은 항타별 관입량을 입력 데이터로 하여 n회씩 항타후 직전 항타 n회 변위의 평균값을 산출하는데, 이러한 산출 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 저장되어 평균변위 산출모듈이 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 입력저장된 입력 데이터와 상기 프로그램을 이용하여 항타 n회 변위의 평균값을 산출하게 되는 것이다.
타깃 검출 모듈은 항타전 취득한 상기 기준이미지를 입력 데이터로 하여 모멘트 기반 타깃 검출을 통해 상기 기준이미지로부터 타깃(30,31)을 검출하게 되는데, 이러한 검출 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 모멘트 기반 객체 검출을 포함하면서 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 저장되어 타깃 검출 모듈이 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 입력저장된 입력 데이터와 상기 프로그램을 이용하여 타깃(30,31)을 검출하게 되는 것이다.
상관값 계산 모듈은 상기 수학식 3과 입력자료들을 이용해 상기 수학식 3을 만족하는 상관값을 계산하게 되는데, 이러한 계산 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 수학식 3을 포함하면서 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 저장되어 상관값 계산 모듈이 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 입력저장된 입력자료들과 상기 프로그램을 이용하여 상관값을 계산하게 되는 것이다.
측정점(또는 기준점) 보간 모듈은 상기 수학식 5와 입력자료들을 이용해 상기 수학식 5를 만족하는 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)을 결정하게 되는데, 이러한 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 수학식 5를 포함하면서 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 저장되어 측정점(또는 기준점) 보간 모듈이 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 입력저장된 입력자료들과 상기 프로그램을 이용하여 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)을 결정하게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 필요한 타깃(30,31) 변위는 관입량, 리바운드량 및 낙하고인데, 관입량은 보간된 측정점의 위치와 보간된 기준점의 위치의 수직 변위이고, 리바운드량은 1회 항타 기준으로 리바운드되기 전의 제일 낮은, 보간된 측정점의 위치와 리바운드된 후의 제일 높은, 보간된 측정점의 위치의 수직 변위이며, 낙하고는 해머(50)가 파일(40) 상단에서 이격되어 있지 않은 정지상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31)의 보간된 측정점의 위치와 해머(50)가 최고로 들어올려진 상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31)의 보간된 측정점의 위치의 수직 변위이다.
이에 타깃 변위 산출 모듈은 상기 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)을 입력 데이터로 하여 타깃(30,31)의 변위를 산출하게 되는데, 이러한 산출 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 저장되어 타깃 변위 산출 모듈이 현장단말기(20) 또는 별도의 저장장치에 입력저장된 입력 데이터와 상기 프로그램을 이용하여 타깃(30,31)의 변위를 산출하게 되는 것이다.
이러한 상기 평균변위 산출모듈, 타깃 검출 모듈, 상관값 계산 모듈, 측정점(또는 기준점) 보간 모듈과 타깃 변위 산출 모듈은 상기 현장단말기(20)에 포함되고, 상기 모듈들은 본 발명이 컴퓨터상에서 수행되도록 하기 위한 기술적 수단으로 평균변위 산출부, 타깃 검출부, 상관값 계산부, 측정점(또는 기준점) 보간부 및 타깃 변위 산출부로 각각 명명할 수도 있다.
따라서 본 발명은 현장에 적합한 배율의 렌즈가 적용된 카메라를 활용함으로써 넓은 화각으로 타깃을 쉽게 탐색할 수 있고, 현장셋업 정렬이 어려운 기존의 라인스캔 방식과 광학기반이 약해 근거리에서 측정해야 하는 QR코드 방식에 비해 현장적용성이 뛰어나며, 상관값 산정방법과 보간법 적용에 의해 타깃의 이동량(관입량, 낙하고, 리바운드량 등)를 영상 이미지를 구성하는 최소 단위인 픽셀보다 더 작은 단위로 산정할 수 있으므로 그 정밀도가 높다.
10: 카메라 20: 현장단말기
30: 파일에 부착된 타깃 31: 해머에 부착된 타깃
40: 파일(pile) 41: 완충재내장 캡
50: 해머 60: 제어부

Claims (7)

  1. 항타기의 해머(50)와 파일(40)의 일정 위치에 각각 부착되고 구분이 가능하도록 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃(30,31)과;
    상기 타깃(30,31)을 향해 설치되고 타깃(30,31)의 변위를 측정하기 위해 영상이미지를 연속적으로 취득하며 취득하는 영상이미지의 한 프레임에는 상기 그 형태가 서로 다른 두 개의 타깃(30,31)을 포함하는 카메라(10), 및
    상기 카메라(10)로부터 영상이미지 데이터를 수신하고 타깃(30,31)의 변위량을 산출하며 운영자에 의한 운영지시를 무선통신을 통해 할 수 있는 현장단말기(20)를 포함하여 이루어지되,
    항타전 카메라(10) 촬영으로 취득한 영상이미지인 기준이미지를 입력 데이터로 하여 모멘트 기반 타깃 검출을 통해 상기 기준이미지로부터 타깃(30,31)을 검출하는 타깃 검출 모듈은 상기 현장단말기(20)에 포함되고,
    타깃(30,31)을 검출하여 수집한 타깃이미지와 항타시 카메라(10) 촬영으로 취득한 모든 프레임인 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값(-1 ~ +1 사이의 값)은 다음의 수학식,
    Figure 112023024637067-pat00023
    (여기서, n은 타깃이미지의 총픽셀수, x는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 가로축 픽셀위치, y는 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 세로축 픽셀위치, t(x,y)는 타깃이미지의 x,y위치에서의 그레이스케일, m(x,y)는 타깃이미지에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 x,y위치에서의 그레이스케일, σt와 σm은 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 표준편차,
    Figure 112023024637067-pat00024
    와
    Figure 112023024637067-pat00025
    는 각각 타깃이미지와 그에 대응하는 측정이미지(또는 기준이미지)의 그레이스케일의 평균)을 이용하여 계산하는 상관값 계산 모듈은 상기 현장단말기(20)에 포함되는 것을 특징으로 하는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카메라(10) 및 현장단말기(20)와 제어신호를 송수신하여 타깃(30,31)의 변위 측정과 관련된 제어를 수행하는 제어부(60)가 상기 현장단말기(20)에 포함되고, 상기 파일(40) 상단에는 완충내장재 캡(41)이 씌어져 있는 것을 특징으로 하는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 타깃이미지는 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 좌측상단부터 우측하단까지 1픽셀씩 이동하면서 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀에 대해서 상기 상관값을 계산하되, 상기 상관값은 타깃이미지의 모든 픽셀 중에서 일정한 위치의 픽셀인 측정점(기준이미지에서는 기준점)에 부여되며 그 측정점(기준이미지에서는 기준점)은 측정이미지(또는 기준이미지)의 모든 픽셀을 거쳐 이동하는 것을 특징으로 하는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관값이 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값을 이용하여 상기 측정점(또는 기준점)의 상관값이 최대값인 보간된 측정점(또는 보간된 기준점)의 위치를 가로축과 세로축에서 각각 다음의 수학식,
    Figure 112022128017692-pat00015
    (여기서, α,β,γ는 가장 1에 가까운 위치의 측정이미지(또는 기준이미지) 픽셀과 가로축 세로축으로 각각 인접하는 2개씩의 픽셀에서의 타깃이미지와 측정이미지(또는 기준이미지)에 대한 상관값)을 통해 찾아내는 측정점(또는 기준점) 보간 모듈은 상기 현장단말기(20)에 포함되는 것을 특징으로 하는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보간된 측정점과 보간된 기준점을 입력데이터로 하여,
    파일(40)에 부착된 타깃(30)의 상기 보간된 측정점의 위치와 보간된 기준점의 위치의 수직 변위인 관입량과,
    1회 항타 기준으로 리바운드되기 전의 제일 낮은, 파일(40)에 부착된 타깃(30)의 상기 보간된 측정점의 위치와 리바운드된 후의 제일 높은, 파일(40)에 부착된 타깃(30)의 상기 보간된 측정점의 위치의 수직 변위인 리바운드량, 및
    해머(50)가 파일(40) 상단에서 이격되어 있지 않은 정지상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31)의 상기 보간된 측정점의 위치와 해머(50)가 최고로 들어올려진 상태에서의 해머(50)에 부착된 타깃(31)의 상기 보간된 측정점의 위치의 수직 변위인 낙하고를 동시에 산출하는 타깃 변위 산출 모듈은 상기 현장단말기(20)에 포함되는 것을 특징으로 하는, 영상기반의 파일항타관련 변위 측정장치.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10298991A (ja) * 1997-05-01 1998-11-10 Shimizu Corp 杭頭変位計測方法および杭の支持力算定装置
WO2006042138A2 (en) * 2004-10-07 2006-04-20 Transmedics, Inc. Systems and methods for ex-vivo organ care
KR20080064466A (ko) * 2007-01-05 2008-07-09 삼성물산 주식회사 변위측정마크를 이용한 항타품질 분석시스템
JP2010230482A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Penta Ocean Construction Co Ltd 杭リバウンド量測定装置および方法
KR102200824B1 (ko) 2020-09-01 2021-01-12 (주)영신디엔씨 카메라 및 가속도센서를 이용한 실시간 파일항타 관입량 및 리바운드량 자동측정시스템

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