KR20030055770A - 이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법 - Google Patents

이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량 등과 같은 토목 및 건축 구조물의 안전진단을 위하여 구조물의 동적 변위량을 계측함에 있어서, 고가의 광학식 또는 레이저 측정기를 사용하지 않고도 휴대가 가능한 카메라와 컴퓨터를 이용한 간단한 과정만으로도 구조물의 변위량을 정확하게 자동적으로 계측할 수 있도록 한 이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법에 관한 것이다.
본 발명은 카메라(10)로 구조물(20)의 표식(21) 내의 기준마크(22, 22')를 촬영하여 영상 데이터를 얻는 단계(S100); 카메라(10)로 얻은 영상 데이터를 컴퓨터(30)로 이송하는 단계(S110); 이미지 프로세싱 기법을 이용하여, 전송된 영상 데이터로부터 상기 기준마크(22, 22')의 좌표를 산출하는 단계(S120); 상기 기준마크(22, 22')의 좌표를 이용하여 이미지 프로세싱된 영상에 있어서 영상기본단위에 대한 실제 거리의 관계를 산정하는 단계(S130); 구조물(20)이 진동함에 따라 표식(21)내 기준마크(22, 22')가 이동한 상태의 연속적인 영상을 이미지 프로세싱하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 기준마크(22, 22')의 변위량을 영상기본단위로 측정하는 단계(S140); 상기 영상기본단위로 측정된 변위량을 산정된 영상기본단위당 실제 거리와의 관계(S140)에 의해 실제 거리로 산출하는 단계(S150); 상기 산출된 기준마크(22, 22')의 실제 이동 거리를 시간에 따른 이동 경로로 도시하여 출력하는 단계(S160)로 이루어져 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 교량이나 빌딩, 타워 등 대형 구조물의 변위량을 효과적으로 측정하여 그 진동량을 구할 수 있게 된 것이다.
또한, 휴대가 가능하여 현장에서 직접 진동량의 변동을 계측할 수 있고, 정적 변위 뿐만 아니라 동적 변위도 측정이 가능해 보다 신뢰성 있는 진단을 할 수 있게 된 것이다.

Description

이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법 {Method for Measuring Displacement of Structural Members}
본 발명은 이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계측하고자 하는 구조물에 표식을 설정하고, 카메라로 지정된 표식을 촬영한 후, 촬영한 데이터를 이미지 프로세싱에 의하여 처리하여 그로부터 구조물의 변위량을 측정하므로써, 교량 등과 같은 구조물의 변위량과 진동량을 현장 또는 녹화 후 타 공간에서 효과적으로 판독, 진단할 수 있도록 한 구조물의 변위량 측정방법에 관한 것이다.
교량 등과 같은 토목 및 건축 구조물은 지속적인 안전 진단을 통해 구조물의 낙후로 인한 사고를 미연에 방지하고, 지속적인 관찰을 통해 구조물의 변형을 조기에 발견해서 조치를 취해야만 한다.
이러한 구조물의 전체적인 성능 변화를 평가하여 위한 지표로는 구조물의 변위가 가장 적절하다. 그래서 현재 구조물의 안전진단을 위한 하중 재하 시험에서도 변위가 신뢰성 있는 계측 값으로 활용되고 있으며, 구조물의 안전진단을 위해서는 구조물의 변위량을 정확하게 계측하는 것이 매우 중요하다.
구조물의 변위 측정에 널리 사용되고 있는 방법으로는 레이저를 이용한 측정기를 사용하거나 위성 위치 확인 시스템(GPS)의 신호를 이용한 진동량 측정방법이 있다. 레이저를 이용한 측정기는 대형 구조물이나 특수 교량의 변위량 또는 진동량의 측정에 흔히 쓰이는데, 구조물의 표면에 특별한 표식을 설치하지 않고 기계적인 스캐너가 레이저 소스를 움직여 분산된 다점을 측정하는 방식을 취하고 있다. 그러나 이 방법은 기기 사용이 편리한 장점이 있지만, 제품의 가격이 비싸고 절차가 복잡한 문제점이 있었다.
한편, 위성위치확인시스템(GPS)의 신호를 이용한 측정방법은 현수교나 사장교와 같은 장대 교량의 계측에 일부 적용되는데, 해상도가 낮아 일반 구조물에는 적용이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 드물게는 연통관, 경사계를 이용한 방법이나, CCD(Charge Coupled Device)화소에 맺히는 영상의 움직임을 추적하여 측정하는 광학식 측정기를 이용한 방법이 있으나, 상기 연통관, 경사계를 이용한 측정방법은 동적 진동을 측정하기가 불가능하고, 상기 광학식 측정기를 이용한 방법은 근거리에서의 해상도는 우수하지만, 중, 장거리에서는 해상도가 낮고, 가격이 비싼 문제점이 있었다.
또한, 최근 특수교량이나 초고층 빌딩 등과 같은 대형 구조물에는 시공당시에 각종 센서를 매립하여 지속적인 관찰이 가능하지만, 그 외의 일반 구조물에는 간단히 측정할 수 있는 장치가 없어 부득이 재하 실험을 할 수밖에 없는데, 재하 실험은 많은 인력과 비용이 소요되어 수시로 계측작업을 수행할 수가 없었고, 재하 실험시 교통을 차단할 수밖에 없어 민원이 제기되는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 교량 등과 같은 토목 및 건축 구조물의 안전진단을 위하여 동적 변위량을 계측함에 있어서, 고가의 광학식 또는 레이저 측정기를 사용하지 않고도 휴대가 가능한 카메라와 컴퓨터를 이용한 간단한 과정만으로도 구조물의 변위량을 정확하게 자동적으로 계측할 수 있도록 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물의 변동량 측정과정을 개략적으로 도시한 사시도
도 2는 본 발명에 따른 구조물의 변동량 측정과정을 순차적으로 도시한 순서도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 카메라 20 : 구조물
21 : 표식 22, 22' : 기준마크
30 : 컴퓨터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 카메라로 구조물의 표식 내의 기준마크를 촬영하여 영상 데이터를 얻는 단계; 카메라로 얻은 영상 데이터를 컴퓨터로 이송하는 단계; 이미지 프로세싱 기법을 이용하여, 전송된 영상 데이터로부터 상기 기준마크의 좌표를 산출하는 단계; 상기 기준마크의 좌표를 이용하여 이미지 프로세싱된 영상에 있어서 영상기본단위에 대한 실제 거리의 관계를 산정하는 단계; 구조물이 진동함에 따라 표식 내 기준마크가 이동한 상태의 연속적인 영상을 이미지 프로세싱하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 기준마크의 변위량을 영상기본단위로 측정하는 단계; 상기 영상기본단위로 측정된 변위량을 산정된 영상기본단위당 실제 거리와의 관계에 의해 실제거리로 산출하는 단계; 상기 산출된 기준마크의 실제 이동 거리를 시간에 따른 이동 경로로 도시하여 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물의 기준마크가 변위된 상태를 촬영한 영상에 대하여 상기 표식의 변위량을 영상기본단위로 측정하는 단계와, 영상기본단위로 측정된 변위량을 실제 거리로 산출하는 단계를 반복하여 기준마크의 변위된 실제 거리를 계속해서 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명에서는 카메라(10)를 이용하여 구조물(20)에 표시된 표식(21)내부에 부착된 기준마크(22, 22')의 움직임을 촬영한다(S100). 이를 위하여 도 1에 예시된 바와 같이, 구조물(20)에 표식(21) 내부에 두 개의 기준마크(22, 22')를 표시하고, 상기 표식(21)으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 카메라(10)를 설치하여 구조물(20)의 움직임에 따른 표식(21)내에 표시된 기준마크(22, 22')의 변화하는 영상을 촬영한다. 상기 표식(21)내 기준마크(22, 22')의 형상에는 어떠한 제한도 없으나, 먼 거리에서도 쉽게 식별할 수 있도록 흑백의 표시로 이루어지는 것이 바람직하다.
카메라(10)를 이용하여 구조물(20)의 진동을 촬영하게 되면, 촬영된 영상에 대한 데이터는 컴퓨터(30)로 입력된다(S110). 영상 데이터를 컴퓨터(30)에 입력하는 방법으로는 카메라(10)와 컴퓨터(30)를 유무선 통신선으로 연결하여 곧바로 카메라(10)로부터 컴퓨터(30)로 전송하므로써 현장에서 측정 결과를 확인할 수도 있으며, 카메라(10)로 촬영한 영상을 녹화하였다가, 추후에 이를 재생하여 컴퓨터(30)에 입력하여 활용할 수도 있다. 카메라(10)로부터 영상 데이터를 받아들이기 위해 컴퓨터(30)에는 별도의 영상신호 입출력 소프트웨어가 설치되어 있고, 받아들인 이미지 데이터에서 기준마크(22)를 찾아 그 움직임을 분석하기 위해서 영상처리 소프트웨어를 설치해서 사용한다. 또한, 사용자가 컴퓨터(30)상에서 상기 영상데이터 입출력 소프트웨어와 영상처리 소프트웨어를 조작하고, 그 결과를 확인할 수 있도록 사용자 인터페이스 소프트웨어가 설치되어 사용된다.
구조물(20)의 움직임을 촬영한 영상에는 기준마크(22, 22')의 영상만이 있는 것이 아니라, 배경 등의 영상도 포함되어 있으므로, 컴퓨터(30)에 내장되어 있는공지의 이미지 프로세싱 기법을 이용하여, 전송된 영상 데이터로부터 상기 표식(21)내의 기준마크(22, 22')의 영상만을 추출하고, 추출된 기준마크(22, 22')의 영상으로부터 기준마크(22, 22')의 좌표를 산출한다(S120).
상기 기준마크(22, 22')의 좌표를 산출하기 위하여 본 발명에서 사용하는 이미지 프로세싱 기법은 공지의 기술인데, 이를 간략히 살펴보면, 우선 적당한 경계치를 기준으로 영상 데이터 전체를 이진화하고, 이 데이터를 각 좌표축에서 적분하면 미리 설정된 특별한 모양, 즉 표식의 모양을 띠게 되고, 이를 계산함으로써 기준마크의 좌표값을 계산할 수 있게 된다.
본 발명에서는, 우선 구조물(20)의 최초 정지 영상을 이미지 프로세싱 기법으로 처리하여 최초 정지 영상에 있어서의 기준마크(22, 22')의 좌표를 산출한다.
이렇게 산출된 최초 정지 영상의 기준마크(22, 22') 좌표를 이용하여, 해당 기준마크(22)와 카메라(30)의 설치 위치에서 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 길이단위(이하, "영상길이단위"라고 칭함)에 대한 실제 길이의 관계를 산정하게 된다(S130). 즉, 구조물로부터 소정 거리 떨어진 위치에서 구조물을 촬영한 영상에서, 실제 구조물에서의 소정 간격이 촬영한 영상에서는 어느 정도의 길이로 표현되는지를 산정하는 것이다. 만일, 예를 들어 촬영한 영상의 길이를 픽셀 단위로 표현할 수 있다면, 촬영된 영상에서 소정의 단위의 픽셀이 실제 구조물에서는 어느 정도의 길이가 되는지를 산정하는 것이다.
이후, 측정하고자 하는 구조물(20)이 진동함에 따라 기준마크(22, 22')가 이동한 상태의 연속적인 영상을 이미지 프로세싱하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 기준마크(22, 22')의 변위량을 영상길이단위로 측정한다(S140).
이렇게 영상길이단위로 측정된 변위량은 앞서 산정된 영상길이단위당 실제 길이와의 관계(S140)에 의해 실제 거리로 산출될 수 있는 것이다(S150).
이와 같이, 구조물(20)의 진동상태를 촬영한 영상에 대하여 위와 같은 단계 S140과 단계 S150을 반복하여 기준마크(22, 22')의 변위된 실제 거리를 계속하여 구할 수 있는 것이다(S151).
따라서, 반복적으로 구해진 기준마크(22, 22')의 변위 이동 거리는 시간에 따른 변위의 이동 경로로 도시(S160)될 수 있어, 구조물의 변위량을 효과적으로 표시할 수 있는 것이다.
여기에서, 상술한 바의 구조물에서 측정된 표식(21) 내부의 기준마크(22, 22')를 이미지 프로세싱하여 영상에서의 상기 기준마크(22, 22') 각각의 좌표를 영상길이단위당 실제 거리로 산정하여 변위된 기준마크(22, 22')의 실제 변위량을 산출하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 예시된 바와 같이, 계측하고자 하는 구조물(20)에 표식(21)과 두 개의 기준마크(22, 22')를 고정하여 촬영한 기준마크(22, 22')의 최초 정지 영상을 이미지 프로세싱하게 되면, 이미지 프로세싱된 영상에서의 상기 기준마크(22, 22') 각각의 좌표를 추출하게 되는데, 추출된 상기 각각의 기준마크(22, 22') 좌표로부터 기준마크(22)의 중심과 또다른 기준마크(22')의 중심간의 이미지 프로세싱된 영상에서의 간격(d)을 영상길이단위로 구한다.
그리고, 구조물에 부착되어 있는 표식(21) 내 두 개의 기준마크(22, 22') 중심간의 실제 간격(Dt)을 측정하고, 실측된 간격(Dt)과 상기 이미지 프로세싱된 영상에서 산출한 영상길이단위의 중심간 간격(d)을 대비하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 영상길이단위에 해당하는 실제 거리, 즉 영상길이단위당 실제거리 Dt/d를 산정하게 되는 것이다. 즉, 예를 들면, 모니터에 표시된 영상의 기본적인 영상길이단위가 1픽셀인 모니터를 이용하여 촬영된 구조물의 영상을 표시하는 경우, 기준마크(22)와 또 다른 기준마크(22')의 실제 중심 간격(Dt)이 100mm이고, 이미지 프로세싱된 영상에서 구해진 기준마크(22, 22')의 중심 간격(d)이 10픽셀이라면, 영상기본단위당 실제 거리, 즉 단위 픽셀 당 실제 거리는 10mm (100/10)으로 산정되는 것이다.
후속하여 구조물(20)이 진동함에 따라 표식(21)내 기준마크(22, 22')가 이동한 상태의 연속적인 영상을 이미지 프로세싱하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 기준마크(22, 22')의 변위량을 영상기본단위로 측정한다(S140).
구조물(20)이 진동하게 되면, 표식(21)은 도 1에서 실선으로 도시된 최초 위치 A에서 점선으로 도시된 위치 B로 이동하게 되는데, 변위된 구조물(20)의 후속 정지 영상으로부터 다시 변위된 위치 B에서 기준마크(22, 22')가 이미지 프로세싱된 영상 좌표를 구하여(S151), 기준마크(22, 22')의 최초 위치 A에서의 최초 정지 영상으로부터 구한 기준마크(22, 22')의 좌표와 대비하여, 기준마크(22, 22')가 위치 A로부터 위치 B로 이동한 변위량(Δd)을 영상기본단위로 구한다.
영상기본단위로 계산된 변위량(Δd)에 앞서 구한 영상기본단위당 실제 길이를 곱하여 실제 구조물에서 기준마크(22, 22')가 위치 A에서 위치 B로 변위된 실제 길이(ΔDt)를 절대적인 수치로서 구한다(S150). 즉, 변위된 실제 길이(ΔDt)는 다음과 같은 수학식 1에 의하여 구해지는 것이다.
ΔDt=Δd ×(Dt/d)
여기서, Δd는 이미지 프로세싱된 영상에서 표식(21)의 이동거리를 영상기본단위로 산출한 것이고, Dt는 기준마크(22, 22')의 중심간 실제 거리이며, d는 이미지 프로세싱된 영상에서 기준마크(22, 22')의 중심간 거리를 영상기본단위로 산출한 것이다.
구조물(20)의 진동상태를 촬영한 영상에 대하여 위와 같은 단계 S140과 단계 S150을 반복하여 기준마크(22, 22')의 변위된 실제 길이를 계속하여 구하게 된다.(S151)
이와 같이, 본 발명에서는 이미 알고 있는 표식 내 기준마크간의 실제 거리와, 촬영된 영상의 이미지 프로세싱 결과로 얻어진 영상에서의 기준마크간의 거리 및 이동거리를 상대 비교하므로써 실제 표식의 이동거리를 측정하여 구조물의 변위량을 정확하게 측정할 수 있게 된 것이다.
한편, 본 발명에서는 위와 같은 과정을 통하여 측정된 구조물의 변위량을 시간에 따른 변위량으로 표시할 수 있는데, 구체적으로는 구조물의 원하는 방향의 변위량, 예를 들면 교량 구조물의 경우 교축에 직각인 방향의 변위량을 세로축으로 하고, 가로축을 시간으로 하여 그래프로 표시할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 필요에 따라 구조물의 변위량을 입체적인 그래프로도 표시할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 표시된 그래프를 실제 구조물의 영상 위에 오버랩하여 도시할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 교량이나 빌딩, 타워 등 대형 구조물의 변위량을 효과적으로 측정하여 그 진동량을 구할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 이미 알고 있는 표식 내 기준마크간의 실제 거리와, 촬영된 영상의 이미지 프로세싱 결과로 얻어진 영상에서의 기준마크간의 거리 및 이동거리를 상대 비교하는 방식을 이용하므로, 카메라와 표식간의 거리가 변화하더라도 무방하다.
특히, 이러한 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 필요한 하드웨어는 카메라와 휴대용 컴퓨터이므로, 고가의 추가 장비가 필요 없으므로, 적은 비용으로 간단한 작업을 통하여 구조물의 변위량을 측정할 수 있으며, 휴대가 가능하여 현장에서 직접 진동량의 변동을 계측할 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 카메라(10)로 구조물(20)의 표식(21)내 기준마크(22, 22')를 촬영하여 영상 데이터를 얻는 단계(S100);
    카메라(10)로 얻은 영상 데이터를 컴퓨터(30)로 이송하는 단계(S110);
    이미지 프로세싱 기법을 이용하여, 전송된 영상 데이터로부터 상기 기준마크(22, 22')의 좌표를 산출하는 단계(S120);
    상기 기준마크(22, 22')의 좌표를 이용하여 이미지 프로세싱된 영상에 있어서 영상기본단위에 대한 실제 거리의 관계를 산정하는 단계(S130);
    구조물(20)이 진동함에 따라 기준마크(22, 22')가 이동한 상태의 연속적인 영상을 이미지 프로세싱하여, 이미지 프로세싱된 영상에 있어서의 기준마크(22, 22')의 변위량을 영상기본단위로 측정하는 단계(S140);
    상기 영상기본단위로 측정된 변위량을 산정된 영상기본단위당 실제 거리와의 관계(S140)에 의해 실제 거리로 산출하는 단계(S150);
    상기 산출된 기준마크(22, 22')의 실제 이동 거리를 시간에 따른 이동 경로로 도시하여 출력하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구조물(20)의 표식(21)내 기준마크(22, 22')가 변위된 상태를 촬영한 영상에 대하여 상기 단계 S140과 단계 S150을 반복하여 기준마크(22, 22')의 변위된 실제 거리를 계속하여 구하는 단계(S151)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 프로세싱을 이용한 구조물의 변위량 측정방법.
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