KR20060018910A - Static movement measuring system for structure based on image processing for diagnosing and monitoring construction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고해상도 디지털 카메라를 이용하여 구조물의 2축 좌표 및 부재 길이를 계측하는 시스템이다. 본 발명은 기존의 다이얼 게이지나 변위센서(LVDT) 혹은 측량에 의한 구조물의 변위 및 형상을 측정하는 기술을 대신하여 간편한 디지털 카메라를 이용하여 구조물의 형상변화 및 부재 길이의 변화를 측정하는 방법이다. The present invention is a system for measuring biaxial coordinates and member length of a structure using a high resolution digital camera. The present invention is a method of measuring the shape change of the structure and the change in the length of the member using a simple digital camera in place of the conventional technology to measure the displacement and shape of the structure by a dial gauge, displacement sensor (LVDT) or surveying.
이미지 프로세싱에 기반한 구조물의 정적영상변위계측시스템, 표적지, 카메라 시스템, 망원렌즈, 영상획득용 카메라 Static image displacement measurement system, target site, camera system, telephoto lens, image acquisition camera based on image processing
Description
도 1은 정적영상변위계측을 위한 카메라시스템의 구성도1 is a configuration diagram of a camera system for static image displacement measurement
도 2는 수집된 영상을 처리하여 변위를 산정할 수 있도록 본 발명에서 개발2 is developed in the present invention to calculate the displacement by processing the collected image
된 프로그램이 내장되어 있는 컴퓨터시스템Computer systems with built-in programs
도 3은 정적영상변위계측을 위한 시스템의 구성도3 is a block diagram of a system for static image displacement measurement
도 4는 정적영상변위계측을 위한 기준좌표계 입력사진4 is a reference coordinate input photo for static image displacement measurement
도 5는 구조물의 형상 및 부재의 길이를 산정하고자 하는 위치 입력사진5 is a position input picture to calculate the shape of the structure and the length of the member
도 6은 구조물의 형상 및 부재의 길이를 산정한 결과 사진Figure 6 is a photograph of the result of calculating the shape of the structure and the length of the member
도 7은 정적영상계측시스템의 실행 흐름도7 is a flowchart of execution of a static image measuring system;
■ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ■ ■ Explanation of symbols for main parts of drawing ■
20 : 카메라 시스템 30 : 망원렌즈20: camera system 30: telephoto lens
40 : 영상획득용 카메라 50 : 컴퓨터40: image acquisition camera 50: computer
60 : 팬/틸트(Pan/Tilt) 70 : 삼각대60: Pan / Tilt 70: Tripod
본 발명은 고해상도 디지털 카메라를 이용하여 구조물의 2축 좌표 및 부재 길이를 계측하는 시스템이다. 본 발명은 기존의 다이얼 게이지나 변위센서(LVDT) 혹은 측량에 의한 구조물의 변위 및 형상을 측정하는 기술을 대신하여 간편한 디지털 카메라를 이용하여 구조물의 형상변화 및 부재 길이의 변화를 측정하는 방법이다.The present invention is a system for measuring biaxial coordinates and member length of a structure using a high resolution digital camera. The present invention is a method of measuring the shape change of the structure and the change in the length of the member using a simple digital camera in place of the conventional technology to measure the displacement and shape of the structure by a dial gauge, displacement sensor (LVDT) or surveying.
일반적으로 교량, 댐 및 대절·성토 사면 등과 같은 시설물은 변형 또는 붕괴되었을 때 인명사뿐만 아니라 사회적 및 경제적으로 미치는 영향이 매우 크다. 따라서 구조물의 지속적이고 장기적인 안전관리가 매우 중요하다. 특히 교량은 고속으로 통행하는 차량에 의한 불규칙적인 하중과 충격을 받고 있으며, 특히 우리나라의 경우 계절에 따른 일교차가 매우 크고, 한파, 태풍 등 급격한 자극이 주어지고 있다. 이와 같이 외부로부터 작용하는 충격과 자극뿐만 아니라 구조물을 이루고 있는 재료의 역학적 특성의 변화에 의해 구조물은 처짐, 비틀림 등과 같은 장기적인 변형을 일으킨다. 따라서 교량과 같은 이동하중이 반복으로 작용하는 구조물에 대해서는 장기적 변형과 단기적 진동에 대한 지속적인 모니터링에 의한 관리가 필요하게 되며, 댐 및 사면 같은 시설물은 장기적인 변형의 지속적인 모니터링에 의 한 관리가 필요하게 된다.In general, facilities such as bridges, dams and chartered and embankment slopes have a significant social and economic impact when deformed or collapsed, as well as deaths. Therefore, continuous and long term safety management of the structure is very important. In particular, bridges are subjected to irregular loads and shocks caused by vehicles traveling at high speeds, and in Korea, the daily crossovers are very large, and sudden stimuli such as cold waves and typhoons are given. As described above, the structure causes long-term deformation such as deflection and torsion by changing the mechanical properties of the materials forming the structure, as well as external shocks and stimuli. Therefore, structures with repeated moving loads such as bridges need to be managed by continuous monitoring of long-term deformation and short-term vibration, while facilities such as dams and slopes need to be managed by continuous monitoring of long-term deformation. .
기존에는 이와 같이 장기적인 구조물의 변형 및 위치변화를 계측하기 위해서는 접촉식 변위계나 레이저센서를 상시 설치하여 계측을 실시하거나 전문 기술자에 의하여 고성능 광파측정기를 이용하여 정밀측량을 실시하여야 한다. 구조물의 장기변위를 측정하기 위하여 변위계를 설치하는 경우 설치비가 고가이며, 측량을 실시하는 경우 측량을 실시하는 기술자에 따라 발생되는 오차뿐만 아니라 고가의 경비를 지출할 수밖에 없는 문제점을 안고 있다.Conventionally, in order to measure the deformation and position change of a long-term structure, it is necessary to always install a contact displacement meter or a laser sensor for measurement, or to perform a precise survey using a high-performance light wave measuring instrument by a professional technician. When the displacement meter is installed to measure the long-term displacement of the structure, the installation cost is expensive, and when the survey is carried out, there is a problem in that expensive expenses as well as errors caused by the technician performing the survey are incurred.
또한 대절토사면이나 대성토사면의 경우 사면의 변위를 계측하게 위하여 접촉식 변위계를 설치하거나 지중변위계를 이용하여 국부적인 변위계측을 하였으나 넓은 범위의 변위를 측정할 수 없는 단점을 보완하기 위하여 최근에는 GPS시스템을 이용하여 변위를 측정하는 방법이 연구되고 있다.In addition, in the case of a large slope or a large soil slope, in order to measure the displacement of a slope, a contact displacement meter was installed or a local displacement measurement was performed using a ground displacement gauge. A method for measuring displacement using a GPS system has been studied.
이에 본 발명에서는 기존의 접촉식 센서를 사용하는 계측시스템은 고가의 설치비 및 경비의 단점을 해결하기 위하여 영상처리기술을 이용한 구조물의 정적변위계측시스템을 발명하였다.Therefore, in the present invention, the measurement system using the conventional contact sensor invented the static displacement measurement system of the structure using the image processing technology to solve the disadvantages of expensive installation cost and expense.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 디지털 카메라를 이용하여 수집된 영상을 기준으로 구조물의 기준좌표계를 형성한 후 이를 기준으로 부재가 이루고 있는 각 지점의 좌표값을 산정할 수 있도록 하고 각 지점을 연결하는 부재의 길이를 산정할 수 있도록 함으로서 장시간의 경과에 따른 구조물의 변위변화 및 형상변 화를 추정할 수 있도록 하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to form a reference coordinate system of the structure based on the image collected using a digital camera and to calculate the coordinate value of each point formed by the member based on this and to connect each point By estimating the length of the member, the displacement change and the shape change of the structure over time can be estimated.
이와 같이 전문기술자가 아니라도 구조물의 장기적인 변위를 주기적으로 계측하는 정적계측의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하드웨어로서 대상물인 구조물의 양상을 수집하는 카메라 시스템과 수집된 영상을 처리할 수 있는 소프트웨어를 내장한 컴퓨터시스템으로 구성된다.In order to achieve the objective of static measurement that periodically measures the long-term displacement of the structure, even if it is not a technical expert, the present invention provides a camera system that collects aspects of the structure as an object and software for processing the collected images. It consists of a built-in computer system.
정적영상변위계측시스템은 영상을 수집하는 카메라 시스템(20) 및 수집된 영상을 이용하여 각 위치의 좌표 및 길이를 계측하는 컴퓨터 시스템(50)으로 구성된다.The static image displacement measurement system is composed of a
도 1에서 카메라 시스템(20)은 디지털 카메라(40), 카메라(40)에서 컴퓨터(50)로 양상을 전송할 수 있는 USB Connect(41), 장거리의 대상물을 관측하기 위하여 성능이 충분한 망원렌즈(30), 측정용 타켓(10)이 카메라(40)의 영상내에 위치하도록 카메라(40)을 상·하, 좌·우로 미세하게 회전할 수 있도록 조정할 수 있는 팬/틸트(Pan/Tilt)(60), 팬/틸트(60)가 움직이지 않도록 고정할 수 있는 삼각대(70)로 구성되어 있다.In FIG. 1, the
도 2에서 컴퓨터시스템(50)은 수집된 영상을 처리하여 변위를 산정할 수 있도록 본 발명에서 개발된 프로그램이 내장되어 있는 컴퓨터로 구성되어 있다.In FIG. 2, the
본 발명품인 정적영상변위계측시스템을 이용하여 변위를 계측하기 위해 시스템을 설치한 것이 도 4이다. 삼각대(70)를 안정된 곳에 설치한 후 삼각대(70)에 팬 /틸트(60)를 고정용 나사를 이용하여 충분히 고정한다. CCD카메라(40)와 망원렌즈(30)를 서로 결합한 후 팬/틸트(60)에 고정용 나사를 이용하여 고정한다. 카메라 시스템(20)에 인접하여 컴퓨터시스템(50)을 설치하고, CCD카메라(40)에서 수집된 영상데이터를 컴퓨터 시스템(50)으로 전송을 위해 USB Connect(41)를 이용하여 CCD카메라(40)와 컴퓨터 시스템(50)을 연결한다.FIG. 4 shows a system installed for measuring displacement using a static image displacement measurement system according to the present invention. After the
다음으로 정적 계측은 다음의 과정을 포함한다.Next, static measurement involves the following process.
도 4에서는 계측하고자 하는 교량을 디지털 카메라로 촬영한 후 변위를 산정할 수 있도록 본 발명에서 개발된 프로그램이 내장되어 있는 컴퓨터로 전송하여 기준좌표를 지정하기 위해 비교·대조 가능한 4지점 사이의 거리를 도면을 이용하여 직접 입력을 하게 되면 이 4개의 값을 기준으로 하여 영상의 왜곡 및 실제 치수를 모두 자동으로 계산하게 되는 과정을 사진으로 나타내었다.Figure 4 shows the distance between the four points that can be compared and contrasted to designate the reference coordinates by transmitting the computer developed by the present invention to calculate the displacement after taking the bridge to be measured with a digital camera When a direct input is made using the drawings, the process of automatically calculating both the distortion and the actual dimension of the image based on these four values is shown as a photograph.
도 5에서는 기준좌표가 입력된 후 우리가 원하는 위치에 마우스 포인터를 드래그하여 가져다 놓으면 연속적으로 그 실제 치수를 보여 주게 되므로 영상 상의 어떤 곳이든 거리와 위치를 쉽게 알 수 있는 과정을 보여 준다.In FIG. 5, when the reference point is input, when the user drags the mouse pointer to a desired position, the actual dimension is continuously shown, and thus the distance and the position of the image can be easily known.
도 6은 실제 교량에서 지정된 마커들을 계측할 수 있게 된 사진이다.6 is a picture that can measure the designated markers in the actual bridge.
다음으로 상기의 정적영상변위계측시스템으로 영상처리기술을 통해 구조물의 좌표 및 길이를 계측하는 처리과정은 도 7을 통해 설명한다.Next, the process of measuring the coordinates and the length of the structure through the image processing technology with the static image displacement measurement system will be described with reference to FIG.
(s301)은 최초 디지털 신호로 변환하는 영상획득용 카메라의 초기화 단계이다.S301 is an initialization step of the image acquisition camera converting the first digital signal.
(s302)는 영상획득용 카메라로부터 영상을 얻어내는 단계이다.S302 is a step of obtaining an image from an image acquisition camera.
(s303)은 컬러로 얻어진 영상의 흑백으로 전환하는 단계이다.S303 is a step of converting the image obtained in color to black and white.
본 발명은 대상물의 움직임에 대해 계측하는 시스템이므로 컬러값은 필요하지 않다. 따라서 처리과정의 신속화를 위하여 데이터를 줄이는 과정으로서 그레이스케일(Grayscale)로 변환하기 위하여 (식1)을 사용한다.Since the present invention is a system for measuring the movement of an object, color values are not necessary. Therefore, we use (Equation 1) to convert to grayscale as a process of reducing data for speeding up the process.
(식1) (Eq. 1)
여기서, R, G, B : 빨간색, 초록색, 파란색으로 구성된 컬러 영상값, 혹은 RGB24영상이라고 한다.Here, R, G, and B are referred to as color image values composed of red, green, and blue, or RGB24 images.
I : 영상의 명암을 구성하는 요소로 회색 영상, 혹은 Y8 영상이라고 한다.I: Consisting of the image contrast, it is called gray image or Y8 image.
(s304)는 얻어진 단색의 이진화된 영상을 경계화(Thresholding) 과정을 거쳐 표적지의 확실한 윤곽을 얻어낸다. 경계화 과정은 (식2)의 함수 T를 포함하고 있는 실행 요소를 고려해야 한다.(s304) obtains a definite outline of the target through the thresholding process of the obtained monochromatic binary image. The demarcation process must consider the element of execution that contains the function T in (2).
(식2) (Eq. 2)
이때, 는 점의 명암을 나타내고, 는 점들의 궤적을 표시한다. 또한, 경계화(Threshoding)된 영상 는 (식3)으로 정의된다.At this time, Point Indicates the contrast of Indicates the trajectory of the points. In addition, the thresholded image Is defined by (3).
(식3) (Eq. 3)
도 5는 함수 T가 92일 경우 실제 캡쳐된 영상과 경계화 작업 결과를 보여준다.5 shows the actual captured image and the result of the boundary operation when the function T is 92.
(s305)는 경계화된 영상에서 주시할 점을 찾아낸다. 이때 경계화된 영상 도 4에서 좌표상 최대최소의 픽셀을 골라 원형의 표적에 대상물을 인식했음을 표시하는 사각박스를 그린 후, 둥근 모양의 표적의 중심을 찾기 위해 사각형의 대각선의 교차점(s401)을 얻어내어 필요한 관측점을 찾는다. (s305) finds a point to watch in the bordered image. In this case, draw a rectangular box indicating that the target is recognized on the circular target by selecting the minimum pixel in coordinates in FIG. Obtain and find the required viewpoint.
s(305)에서는 위에서 얻어진 표적의 중심 좌표는 실제 좌표가 아닌 컴퓨터 모니터 상의 좌표이므로 실제 움직인 양을 계측하기 위해서 실제 좌표로 변환하는 중앙부연산(Center Calculation)을 수행한다. 중앙부연산(Center Calculation)에 대해서는 하기에서 자세히 설명한다. 먼저 왜곡된 영상획득용 카메라의 영상 좌표를 변환하기 위해 (식4)를 이용한다.In s (305), since the center coordinates of the target obtained above are coordinates on a computer monitor, not actual coordinates, center calculation is performed to convert the actual coordinates into actual coordinates in order to measure the actual movement amount. Center calculation is described in detail below. First, Equation 4 is used to convert the image coordinates of the distorted image acquisition camera.
(식4) (Eq. 4)
변형된 좌표를 변형되지 않은 절대좌표로 변환한다. 실제 좌표인 와 를 (식5)를 이용하여 구한다.Transformed coordinates Unmodified world coordinates Convert to The actual coordinates Wow Is obtained using (Eq. 5).
(식5)(Eq. 5)
(s306)에서는 좌표축에서 위치를 구한다.In (s306), the position is obtained from the coordinate axis.
최종적인 결과를 도 7에 나타내었다.The final result is shown in FIG.
기존의 대부분의 계측 시스템은 교량의 상·하 움직임만을 보았다. 이는 2축으로 접촉식 변위계를 설치함으로서 고가의 센서가 추가되어야 하며 설치가 곤란하기 때문이다. 그러나 동적영상변위계측시스템은 구조물의 2축 변위를 한 번에 계측할 수 있는 것이 특징이다. 그리고 간단한 표적 설치만으로 원거리에서 원하는 시간에 계측을 할 수 있는 것 또한 장점이라고 할 수 있다.Most existing measurement systems only saw the bridge's up and down movement. This is because expensive sensors must be added by installing contact displacement meters in two axes, and installation is difficult. However, the dynamic image displacement measurement system can measure the biaxial displacement of the structure at once. It is also an advantage to be able to measure at a desired time from a distance with a simple target installation.
이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 구조물의 정적변위계측시스템에 의한 계측은 고해상도 카메라로 촬영한 최소한의 영상만으로도 구조물의 형상을 계측할 수 있어 경제적인 계측이 가능하다는 특징을 가지고 있으며, 누구나 쉽게 활용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.As described in detail above, the measurement by the static displacement measurement system of the structure according to the present invention has the feature that it is possible to measure the shape of the structure with a minimum image taken by a high-resolution camera, so that economic measurement is possible. It is easy to use.
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