KR20010087493A - 암반절취면의 형상을 측량하는 장치(영상측량기) 및 방법 - Google Patents

Abstract

영상 측량기는 절취면의 영상 사진을 이용해 불연속면의 배열과 암반절취면의 굴곡을 전산으로 측량하는 기구이다. 측량기의 원리는, 4개의 레이저 포인터가 절취면을 주사하여 2대의 폐쇄회로 카메라로 주사점의 위치를 판독하고 이를 이용해 주사점의 지구공간 좌표를 계산하는 것이다. 레이저 포인터는 수평과 수직이동을 제어하는 2개의 스텝핑 모터에 의해 절취면을 스캔하게끔 제작되어 있다.

측량의 원리는 아래와 같다.

1. 폐쇄회로 카메라에 맺힌 영상에서 주사점의 중앙위치를 픽샐의 위치로 판독한다. 즉 영상처리 기법을 이용해 두 카메라에 맺힌 동일 레이저 주사점을 영상의 픽셀좌표로 판독한다.

2. 입체시 효과를 계산하기 위해 두 영상에서 획득된 레이저 포인터의 좌표와 카메라의 촛점거리를 이용해 레이저 포인터로 주사된 위치의 3차원 모델 좌표를 계산한다.

3. 레이저 포인터의 위치를 규칙적으로 이동시켜 위의 과정을 반복한다.

4. 위의 과정에서 얻어진 3차원 모델 좌표들을 보간하여 3차원 모델을 계산한다.

5. 모델 자료를 2개의 기준면을 이용하여 회전하여 지형좌표 자료로 변환한다.

영상 측량기는 2대의 비디오 카메라, 측점의 위치를 표시하는 4개의 레이저 포인터, 레이저 포인터의 회전을 수행하는 모터들과 이들을 제어하는 제어박스, 이 기계들에 의해 측량된 자료를 분석하는 S/W로 구성된다. S/W는 카메라를 통해 획득된 사진들을 영상처리 기법을 이용해 자동으로 입체시화 하기 위하여 영상의 포착시간, 레이저 포인터의 회전을 수행하는 모터의 제어기능, 포착된 영상에서 기준점을 영상처리로 인지하는 기능을 수행한다. 또한 측량된 측점의 3차원 모델을 위한 내삽법과 모델을 지형공간으로 회전하는 계산을 수행한다.

Description

암반 절취면의 형상을 측량하는 장치(영상측량기) 및 방법 {A survey equipment and method for rock excavation surface}

본발명은 측량기로 부터 측점까지의 거리를 영상 측량기로 측량하는 원리를 이용해 암반 절취면의 3차원 형상을 재현하는 기술과 측량기기 이다. 암반 절취면의 형상을 모델화 하는데 영상측량 기법을 활용한 사례는없다. 그러나 사진이나 폐쇄회로 카메라를 이용해 거리를 측량하는 다양한 방법이 타 분야에서 고안되어 활용되고 있다. 예를들어 항공사진의 입체시를 이용해 지형의 3차원 형상을 제작하는 기법은 오래동안 활용되어 왔다. 한편 2대의 폐쇄회로 카메라를 이용해 차량간의 간격을 측량하거나 로봇이 물체를 인식하는 등의 기술이 본 발명과 유사한 분야라 할 수 있다.

카메라를 이용한 거리 측량기술은 매우 다양하며 특히 본 발명과 유사하게 레이저 빔을 이용하여 영상에 주사점을 형성하고 이를 이용해 입체시된 영상에서 주사점의 좌표를 추출하는 다양한 기법들이 고안되어 있다. 기존의 방법들은 원형의 외곽선을 갖거나 적합한 사이클로 변조된 레이저 빔을 주사하여 형성된 영상을 입체시 하여 거리를 측정하는 방법 (10-1997-073309, 특1996-078456, 10-1991-011395), 결상렌즈로 부터 피사체의 위치를 인지하는 방법(10-1999-0005874), 레이저의 광선이 피사체를 맞고 반사하는 속도를 이용한 거리 측량 기법들 이었다. 그러나 본 발명은 일반 레이저 포인터를 이용해 피사체에 주사점을 형성하고 이를 영상처리기법을 이용해 판독하는 방법(10-1998-0705587, 10-1996-009402)을 이용하고 있다.

* 괄호안 번호는 기존의 특허 출원번호임

토목공사에서 암반에 발달한 약선면의 배열은 기초의 설계에 중요한 자료로 활용될 뿐 아니라 시공시의 안정성과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다. 이러한 중요성으로 인하여 암반내부에 발달하는 불연속면의 배열상태를 분석하여 설계와 시공에 반영하는 기법들이 많이 연구되어있다. 그러나 암반의 면구조 측정은 수작업으로 이뤄져야 하며 현장 상황에 따라서 모든 면구조에 접근이 불가능한 경우가 많아서 면구조의 측정을 위하여 많은 시간을 투자하고도 실제로 활용할만한 충분한 자료를 얻지 못하고 있다. 현재는 대표적인 면구조만을 측정하여 이를 바탕으로 설계와 시공을 수행하고 있는 형편이다. 특히 토목공사의 특성상 암반에 발달하는 모든 면구조를 공사가 진행되는 과정에서 측정하는 것은 불가능하므로 암반구조에 의한 토목공사의 설계나 시공의 문제점은 자료의 분석에 있는 것이 아니고 암반내부의 면구조를 단시간에 정확히 측정할 수 있는 방법론에 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 하는 시도로서 사진측량기법의 문제점인 측점 위치를 레이저 포인터를 활용해 설정하고, 레이저 포인터의 주사점을 영상처리 기법을 통해 인식함으로 측량방법과 기기를 실용화하였다.

도1: 본 발명품에 응용된 사진측량 원리.

도2: 시작품으로 제작된 영상측량기중 레이저 포인터 제어장치.

도3: 시작품으로 제작된 영상측량기 중 폐쇄회로 카메라 부분.

도4: Stepping motor의 제어박스로서 인텔의 80C196KC CPU가 탑재된 마이크로 컨트롤러 보드이다. 모터제어를 위한 8254 타이머 칩과 DA converter가 내장되어 있다.

도5: 시험가동에 응용되었던 사면.

도6: 측량기에 의해 모델된 사면의 3차원 형태.

본 발명은 입체시를 이용한 거리측정 이론을 암반 절취면의 3차원 지형모델 제작에 활용한 것이다. 모델을 위한 기본자료 입력, 영상 입체시를 이용한 절취면 모델 제작을 위한 영상 측량기의 가동, 영상 측량기에서 추출된 자료의 영상처리 및 모델수치 계산, 모델 자료를 지형공간으로 회전하는 과정, 회전된 지형모델을 이용한 영상처리와 절취면에 분포하는 약선면의 배열추출 과정으로 구성되어 있다. 구성의 흐름도는 아래와 같다.

발명의 구체적인 구성요소는 아래와 같다.

1. 자료입력.

대상 절취면에서 평면으로 노출된 하나의 기준면과 직선으로 노출된 하나의 선분을 설정하고 이들의 3차원 배열을 크리노 콤파스로 측량하여 컴퓨터에 입력한다. 정밀한 측량을 위하여 이 과정에서 광파측정기 등을 이용해 기준면과 기준선의 정확한 측량을 시도할 수도 있다.

2. 영상 입체시를 이용한 모델 DEM 제작을 위한 영상 측량기의 가동

영상 측량기는 세 개의 폐쇄회로 카메라에서 추출된 영상 이미지를 이용하여 레이저 포인터에서 주사된 주사점의 공간좌표를 추출하는 과정이다. 주사점은 4개의 레이저 포인터에서 일시에 주사되어 절취면에 붉은 점으로 표시된 4개의 위치가 된다. 카메라는 중앙에 한 개와, 좌우에 각기 한 개씩으로(대표도 참조), 중앙의 카메라는 모델위치의 영상을 제공하며 좌우의 카메라는 입체시를 위한 두 영상을 제공한다. 한번의 주사에서 4개의 측점이 측량되게 되며, 레이저 포인터가 모터에 의해 일정 간격으로 절취면을 스캔하면서 각 회전마다 4개씩의 측점측량을 더하여 절취면 전체의 굴곡을 3차원으로 모델화 하게 된다. 레이저 포인터는 붉은색의 주사점을 영상에 맺히게 한다. 이 붉은색의 측점을 인식하기 위하여 작성된 s/w는 측점이 맺히지 않았던 영상과 측점이 맺힌 영상의 적색 화상밴드 값을 비교하여 갑작스런 변화가 인식되는 화소의 위치을 판독하고 이 위치의 평균값을 측정해 측점 중앙의 화소 위치를 결정하게 된다.

두 개의 영상을 이용한 좌표추출의 원리는 일반적인 사진측량 원리를사용한다. 도1에서와 같이 측점의 위치를 Po(X,Y,Z)라 하고, 두 카메라의 렌즈 위치를 각기 O1과 O2라 하고, 카메라들의 초점거리를 f라 하고, 두 개의 카메라가 떨어져 있는 거리를 d라 할 때, 두 사진(영상)에 맺힌 Po는 각기 P1과 P2가 된다. 두 사진의 주점을 렌즈의 중심선에 맞추고 사진으로부터 읽힌 측점의 좌표를 각기 P1과 P2와 같이 읽어준다. 본 발명에서 사용하고 있는 영상은 폐쇄회로 카메라에 의한 것 이므로 사진이 아닌 소자의 크기와 영상의 크기를 보정하여 소자에서의 좌표를 읽게된다. 이 정보를 이용하여 지형공간의 측점 Po(X,Y,Z)는 아래와 같이 계산된다.

Z'은 모델평면에서 측점까지의 수직거리 이다.

측점 Po는 레이저 포인터에서 주사된 점의 위치이다. 주사점은 4개의 레이저 빔에 의해 주어지며, 4개의 주사점이 암반 절취면에 붉은 점으로 표시될 때 두 개의 카메라로 동시에 입체시된 영상을 취득하게 된다. 취득된 영상에서 적색밴드를 추출한 후 4개의 clustering 그룹과 그 중심점을 각 영상의 좌표로 기록한다. 이렇게 영상의 좌표가 구해지면 위의 공식을 이용하여 측점의 (X,Y,Z) 좌표를 구하게 된다. 빔의 위치를 일정간격으로(반드시 일정할 필요는 없음) 이동하면서 위의 과정을 반복함으로서 절취면의 표면을 스캔하는 효과를 갖게하여 절취면 전체의 지형모델을 제작하게 된다.

이 과정을 위하여 컴퓨터에서 카메라의 영상 획득하는 "Image grabbing card"가 활용되며 영상의 획득에서 처리는 제작된 프로그램에 의해 수행된다. 또한 레이저 포인터의 주사점이 절취면을 고루 스캔하기 위하여 stepping motor에 의해 회전되는 레이저 포인터 제어기와 콘트롤러가 제작되었다. 이 콘트롤러는 컴퓨터에 의해 상기한 위치측정 전산프로그램과 연계되어 함께 제어된다.

3. 절취면의 형상모델을 지형공간으로 회전하는 과정

지형모델은 크게 두 가지의 과정을 통해 이뤄진다. 첫 번째는 위의 과정을 통해 스캔된 절취면의 측점들을 내삽법을 이용하여 XY 평면에 등간격의 Z' 값으로 수록된 데이터를 제작하는 과정이다. 두 번째 과정은 모델에서 구해진 데이터를 실 지구좌표계로 전환하는 과정이다. 이 과정은 모델화한 자료에서 측량된 면과 선의 배열을 실 지형에서 측량된 면과 선의 3차원 배열을 로 일치시키는 과정으로 진행된다.

위의 공식에 의해 구해진 모델의 기준면은 아래와 같은 4단계의 회전에 의해 지형의 기준면 위치로 회전되며 이 기준되는 회전을 통하여모델의 자료들이 회전될 회전 행열이 획득된다.

1) 모델과 지형 기준면의 주향(면과 수평면이 만나서 이루는 방향)을 일치시킨다.

2) 기준면의 경사값(주향에 수직인 방향과 수평면이 이루는 각도)을 일치시킨다.

3) 기준선의 배열을 지형공간의 배열로 일치 시킨다.

터널, 암사면, 개착식 굴착공사와 같이 암반이 관련된 토목공사 현장에서 암반 내부의 약선대(면구조)를 자동화된 공정을 이용하여 파악하게 됨으로서, 시공의 안정성을 높일 수 있을 뿐 아니라 설계에 반영하여 공기의 단축이나 공사비의 절감을 기대할 수 있다. 본 발명은 일반 측량기에 비해 저가로 제작될 수 있을 뿐 아니라 휴대가 간편하여 활용이 용이하다.

Claims (4)

1. 두 대의 폐쇄회로 카메라와 컴퓨터로 제어되어 절취면를 스캔하는 레이저 포인터로 이뤄져 절취면의 형상을 측량하는 것을 특징으로 하는 영상측량 장치.
2. 상위 장치에 있어서 일반적인 레이저 포인터를 이용해 형성된 주사점의 위치를 영상처리로 인식하는 것을 특징으로 하는 측정방법
3. 상위 장치를 암반 절취면의 형상을 모델에 활용하는 방법
4. 상위 장치를 암반 절취면의 형상을 모델에 활용하여 암반에 발달하는

   약선면의 3차원 배열을 측량하는 측정방법.