KR20090126362A

KR20090126362A - 균열 측정 방법 및 측정 장치

Info

Publication number: KR20090126362A
Application number: KR1020080052402A
Authority: KR
Inventors: 이정주; 김원석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-12-09
Also published as: US8094922B2; US20090303469A1

Abstract

본 발명은 영상처리기법을 사용하여 재료표면의 균열의 진전 길이 및 폭을 실시간으로 빠르고 정밀하게 측정할 수 있는 균열측정방법 및 측정장치에 관한 것이다.

본 발명의 재료 표면의 균열의 성장을 감시하는 균열 측정방법은, 빛을 재료표면에 조사하는 빛 조사 단계, 조사된 빛이 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라를 통해 영상신호로 변환되어 연속적으로 포착되는 영상포착 단계, 포착된 영상에 나타나는 균열부위에 소정의 주사 간격으로 연속적으로 선 주사하는 선 주사 단계, 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 균열의 진전을 측정하는 균열 측정 단계를 포함하여 이루어진다.

균열 진전 길이, 균열 감시, 영상처리기법, 에지 검출기법

Description

균열 측정 방법 및 측정 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING CRACK}

본 발명은 재료표면의 성장하는 균열의 진전 길이 및 폭을 측정하는 균열 측정방법 및 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 많은 구조 설계용 재료의 물성 측정방법에서는 균열진전길이의 측정을 요구하고 있다. 종래의 방법으로서, 직접적으로 조업자가 재료표면의 균열진전길이를 관찰하여 측정하는 방법과, 전기신호를 이용한 자동화된 균열진전길이 측정 및 감시방법이 있다. 이에 대하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 자를 이용한 균열진전 길이 및 폭을 측정하는 방법을 설명하기 위한 사진이고, 도 2는 종래 기술에 따른 전기 저항식 균열 게이지를 이용한 균열진전 길이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 방법으로 직접적으로 조업자가 재료표면의 균열진전길이를 관찰하는 방법은, 큰 균열의 경우에는 재료 표면에 직접 자를 대어 측정하고, 작은 균열의 경우에는 현미경으로 확대하여 보면서 혹은 확대한 영상을 저장한 후에 기준이 되는 눈금 격자(scale grid)와 비교함으로 균열의 길이를 측정하였다. 그러나, 이러한 방법은 균열이 빠르게 진전하거나 미세한 진전을 실시간으로 감지해야 할 경우 균열진전길이 측정에 많은 오차를 발생케 하는 원인이 되며, 측정자의 미숙도와 주관적인 판단 차이로 인한 편차의 발생을 야기하게 된다.

도 2에 나타난 바와 같이, 전기 신호를 이용한 자동화된 균열진전길이 측정 및 감시 방법은, 균열 앞에 등 간격의 얇은 도체선 배열(electrically-conductive strips)을 부착하여, 그것의 저항 변화를 이용하여 구리선의 절단을 감지하여줌으로써, 균열진전길이를 측정하는 균열진전 게이지(Crack propagation gauge)가 제시된 바 있다. 이는 현재 상용화되어 판매되고 있다. ([문헌1] US 4149406 (RUSSENBERGER, M. E.) 1979.04.17, [문헌2] PANKEVICIUS and SPICER. Technique and apparatus for automatic monitoring of crack propagation along glue lines. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, 1990, Vol.25, ISBN 0022-2461, 3079-3082쪽, [문헌3] Vishay Measurements Group, model TK-09-CPB02-005/DP). 이 방식은 앞서 언급한 사용자에 의하여 측정하는 방식에 비해 많은 단점이 극복되었으나, 균열이 있는 재료에 도체선 배열을 부착하므로 재료의 균열진전을 방해하여 정확한 물성 측정을 어렵게 한다. 이는 재료의 두께와 균열진전 정도가 큰 경우 얇은 도체선 배열은 미미한 효과가 되겠지만, 갈수록 소형 경량화되는 구조물이 많아지면서 재료의 시험편 자체도 크게 만들 수 없는 경우가 빈번해지고 있으며, 균열의 위치 및 재료의 특성상 게이지를 접합할 수 없는 경우 또한 많아지고 있다. 따라서, 이 방식은 균열진전길이를 측정하기 위한 재료의 균열 진전에 영향을 주어 부정확한 측정을 수행한다는 문제점과 접착이 불가능한 재료에는 사용할 수 없다는 한계점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 재료 표면의 균열의 진전을 측정함에 있어 영상처리기법을 도입하여, 비접촉 방식으로 재료에는 전혀 영향을 주지 않으면서, 신속하고 정확하게 재료표면의 균열의 진전을 자동화하여 측정할 수 있는 균열 측정방법 및 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 재료의 물성 측정 시험 편뿐만이 아니라, 실 구조물에서도 균열진전을 실시간으로 감시할 수 있도록 하는 균열 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

청구항 1에 관한 발명인 균열 측정방법은, 빛을 재료표면에 조사하는 빛 조사 단계, 조사된 빛이 상기 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라를 통해 영상신호로 변환되어 연속적으로 포착되는 영상포착 단계, 포착된 영상에서 나타나는 균열부위에 소정의 주사 간격으로 연속적으로 선 주사하는 선 주사 단계, 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 균열의 진전을 검사하는 균열 검사 단계를 포함한다.

청구항 1에 관한 발명인 균열 측정방법은, 빛 조사단계에서는 재료표면의 균열의 진전을 측정하기 위하여 사용자에 의하여 선택된 각종 설정데이터를 설정한 후, 재료표면에 빛을 조사한다. 영상포착 단계에서는 조사된 빛이 재료표면에서 반 사되면, 그 반사된 빛이 카메라에 영상신호로 수집되며, 그 수집된 영상신호가 중앙처리부에 실시간으로 입력 및 저장되어 재료표면에 대한 영상이 연속적으로 포착된다. 선 주사 단계에서는 중앙처리부에 포착된 균열부위의 영상에 연속적으로 선 주사를 수행하고, 균열 검사 단계에서는 그 주사선 내부의 각 픽셀정보를 분석하여, 픽셀 중 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여준다. 그리고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 이용하여 균열의 진전 길이, 균열 폭을 에지 검출기법에 의하여 측정할 수 있게 된다.

따라서, 청구항 1에 관한 발명인 균열 측정방법은, 중앙처리부에 포착된 영상에서 균열부위에 선 주사(line scan)를 수행한 후 에지 검출(edge detection)을 균열 앞에서 연속적으로 수행함으로써, 재료표면의 균열의 진전을 실시간으로 자동으로 측정할 수 있다.

청구항 2에 관한 발명인 균열 측정방법은, 청구항 1에 있어서, 균열 검사 단계는 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 빛의 강도가 급격히 변화되는 에지(edge)를 검출하는 에지 검출 단계, 검출된 에지를 이용하여 재료표면의 균열 길이를 산출하는 균열 길이 산출 단계를 더 포함한다.

청구항 2에 관한 발명인 균열 측정방법은, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 그 중 빛의 강도가 급격하게 변화되는 픽셀을 에지 검출기법을 이용하여 검출하여 준 후, 검출된 에지의 유무를 이용하여 정확하게 재료표면의 균열길이를 산출하여준다.

따라서, 청구항 2에 관한 발명인 균열 측정방법은, 자동화된 에지 검출기법 을 사용하여 실시간으로 재료표면의 균열길이를 산출할 수 있다.

청구항 3에 관한 발명인 균열 측정방법은, 청구항 1에 있어서, 균열 검사 단계는 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 에지(edge)를 검출하는 에지 검출 단계, 검출된 에지를 이용하여 재료표면의 균열 폭을 산출하는 균열 폭 산출 단계를 더 포함한다.

청구항 3에 관한 발명인 균열 측정방법은, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하고, 그 중 빛의 강도가 급격하게 변화되는 픽셀을 에지 검출기법을 이용하여 검출하여 준 후, 검출된 에지의 위치를 이용하여 정확하게 재료표면의 균열 폭을 산출하여준다.

따라서, 청구항 3에 관한 발명인 균열 측정방법은, 자동화된 에지 검출기법을 사용하여 실시간으로 재료표면의 균열 폭을 산출할 수 있다.

청구항 4에 관한 발명인 균열 측정방법은, 청구항 2에 있어서, 균열 진전 길이는 소정의 주사 간격과 균열이 지나간 주사선의 개수를 곱한 값이다.

청구항 4에 관한 발명인 균열 측정방법은, 선 주사된 소정의 주사 간격과 재료표면의 균열이 지나간 주사선의 총 개수를 곱한 값을 재료표면의 균열 진전 길이로 한다.

따라서, 청구항 4에 관한 발명인 균열 측정방법은, 선 주사를 수행하면서 그 주사선 내에서 빛의 강도가 급격히 변하는 선까지 균열이 진전된 것으로 판단하여 균열길이를 산출할 수 있다.

청구항 5에 관한 발명인 균열 측정방법은, 청구항 3에 있어서, 균열 폭은 균 열에 걸쳐진 주사선(scan line) 내에서 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 거리이다.

청구항 5에 관한 발명인 균열 측정방법은, 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀의 위치데이터에 의하여 주사선(scan line) 안에 위치한 균열의 폭이 결정되므로, 균열 폭은 균열이 지나간 주사선(scan line) 내에서 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 거리가 된다. 즉, 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 픽셀 개수를 1개의 픽셀의 길이로 곱한 값이 재료표면의 균열 폭이 된다.

따라서, 청구항 5에 관한 발명인 균열 측정방법은, 균열이 지나간 주사선내의 빛의 강도가 변하고 회복되는 픽셀의 위치데이터를 이용하여 재료표면의 균열 폭을 산출할 수 있다.

청구항 6에 관한 발명인 균열 측정방법은, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 균열 검사 단계의 검사결과를 디스플레이하는 검사 결과 디스플레이 단계를 더 포함한다.

청구항 6에 관한 발명인 균열 측정방법은, 수행된 균열 검사 단계의 검사결과, 즉 재료표면의 균열의 진전 길이, 균열 폭에 대한 검사결과를 디스플레이한다.

따라서, 청구항 6에 관한 발명인 균열 측정방법은, 재료표면의 균열의 발전 또는 진전의 검사결과를 사용자에게 디스플레이하여 줌으로써, 재료표면의 균열상태를 실시간으로 감시할 수 있게 한다.

청구항 7에 관한 발명인 재료표면의 균열의 진전을 검사하는 균열 측정장치 는, 재료표면에 빛을 조사하는 광 조사부, 조사된 빛이 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛을 카메라를 통해 영상신호로 변환하여 연속적으로 포착하는 영상 포착부, 포착된 영상에서 나타나는 균열부위에 소정의 주사 간격으로 연속적으로 선 주사하는 선 주사부, 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 균열의 진전을 검사하는 균열 검사부를 포함한다.

청구항 7에 관한 발명인 균열 측정장치는, 광 조사부는 측정하고자 하는 균열이 위치한 재료표면에 빛을 조사한다. 영상 포착부는 조사된 빛이 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라를 통하여 영상신호로 수집되며, 그 수집된 영상신호가 균열 검사부에 실시간으로 입력 및 저장되어 재료표면에 대한 영상이 연속적으로 포착될 수 있도록 하여준다. 균열 검사부는 포착된 균열부위의 영상에 연속적으로 선 주사를 수행하고, 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하여 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악한 후, 균열의 진전을 검사한다.

따라서, 청구항 7에 관한 발명인 균열 측정장치는, 영상 포착부에 포착된 영상에서의 균열부위에 선 주사(line scan)를 균열부위 앞에서 연속적으로 수행한 후, 에지 검출(edge detection)기법을 사용하여 파악된 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 통해 균열의 진전을 실시간으로 자동으로 측정할 수 있다

청구항 8에 관한 발명인 균열 측정장치는, 청구항 7에 있어서, 재료표면의 균열관련측정을 수행하기 위하여 필요한 설정데이터가 입력되는 입력부를 더 포함하고, 설정데이터는 재료표면의 균열을 감시하기 위한 균열 부분의 영상 시야, 확 대 배율, 조사하는 빛의 세기를 포함한다.

청구항 8에 관한 발명인 균열 측정장치는, 입력부가 사용자로부터 재료표면의 균열을 감시하기 위하여 필요로 되는 카메라 또는 중앙처리부의 설정조건등을 입력하여준다. 그 설정조건은 균열상태를 측정하는 데에 필요한 설정데이터로서, 균열 부분의 영상 시야, 확대 배율, 조사하는 빛의 세기를 입력한다.

따라서, 청구항 8에 관한 발명인 균열 측정장치는, 입력부가 카메라로 촬영시 균열 부분의 영상 시야, 확대 배율, 조사하는 빛의 세기를 미리 입력하여줌으로써, 보다 정확한 재료표면의 균열의 진전을 감시할 수 있다.

청구항 9에 관한 발명인 균열 측정장치는, 청구항 7 에 있어서, 균열 검사부가 검사한 균열의 진전 검사의 결과를 표시하여주는 디스플레이부를 더 포함한다.

청구항 9에 관한 발명인 균열 측정장치는, 디스플레이부가 균열 검사부에서 검사된 균열상태 측정의 결과, 즉 재료표면의 균열의 진전 길이, 균열 폭에 대한 측정의 결과를 디스플레이한다.

따라서, 청구항 9에 관한 발명인 균열 측정장치는, 디스플레이부가 재료표면의 균열의 진전 검사의 결과를 사용자에게 디스플레이 하여줌으로써, 재료표면의 균열상태를 실시간으로 검사할 수 있다.

청구항 10에 관한 발명인 균열측정방법은, 빛을 재료표면에 조사하고, 빛이 조사되는 재료표면을 카메라를 통하여 영상 신호로 포착하고, 이 영상 신호에 소정 간격으로 선 주사하여, 이 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 파악하여 균열의 진전을 측정하는 방법이다.

청구항 10에 관한 발명인 균열측정방법은, 재료표면의 균열의 진전을 검사하기 위하여 빛을 재료표면에 조사하고, 빛이 조사된 재료표면을 카메라를 통하여 영상 신호로 포착하고, 포착된 영상신호에서의 균열부위에 대하여 소정 간격으로 선 주사하여, 선 주사된 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 에지 검출기법에 의하여 파악하여줌으로써, 재료표면의 균열의 진전을 검사할 수 있다.

따라서, 청구항 10에 관한 발명인 균열측정방법은, 카메라에 의하여 포착된 영상신호에서의 균열부위에 대하여 선 주사(line scan)를 수행한 후 에지 검출(edge detection)를 균열 앞에서 연속적으로 수행함으로써, 재료표면의 균열의 진전을 실시간으로 자동으로 측정할 수 있다.

청구항 11에 관한 발명인 균열측정장치는, 빛을 재료표면에 조사하고, 빛이 조사되는 재료표면을 카메라를 통하여 영상 신호로 포착하고, 이 영상 신호에 빛을 소정 간격으로 선 주사하여, 이 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 파악하여 균열의 진전을 측정한다.

청구항 11에 관한 발명인 균열측정장치는, 재료표면의 균열의 진전을 검사하기 위하여 빛을 재료표면에 조사하고, 빛이 조사된 재료표면을 카메라를 통하여 영상 신호로 포착하고, 포착된 영상신호에서의 균열부위에 대하여 소정 간격으로 선 주사하여, 선 주사된 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 에지 검출기법에 의하여 파악하여줌으로써, 재료표면의 균열의 진전을 검사할 수 있다.

따라서, 청구항 11에 관한 발명인 균열측정장치는, 카메라에 의하여 포착된 영상신호에서의 균열부위에 대하여 선 주사(line scan)를 수행한 후 에지 검 출(edge detection)를 균열 앞에서 연속적으로 수행함으로써, 재료표면의 균열의 진전을 실시간으로 자동으로 측정할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 영상처리기법을 사용하여 재료표면의 균열의 진전을 측정하여줌으로써, 종래의 방법에 비해 정밀하면서 자동화된 방법으로 재료표면의 균열의 진전 길이 및 폭을 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 이로 인하여 재료표면의 균열의 진전 측정시 발생할 수 있는 오차와 편차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 재료표면과의 비 접촉식 방식으로 측정하여줌으로써, 재료 물성 측정값에는 전혀 영향을 주지 않으면서 접착하기 어려운 재료나 형상을 가진 구조물의 균열 감시 또한 가능하게 하는 효과가 있다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정방법 및 측정장치에 대하여 첨부 한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

주사란, 2차원의 화상을 시간적인 전기신호로 전송하기 위하여 화상을 화소로 분해하고 각 화소의 신호 값을 일정한 순서와 방법으로 읽어내는 동작 또는 이와 같은 신호로부터 원래 화상을 복원하는 동작을 말하는 것으로서, 그 화상을 구성하기 위하여 정해진 주사에 관한 방식으로는, 선 주사 방식과 SECTOR검사 및 점 주사 방식이 있으나, 이하에서는 선 주사 방식을 그 예로 하여 설명하기로 한다.

또한, 주사선 수란, 수직귀선기간 포함한 1프레임 화면을 나타내는 주사선의 수를 말하는 것으로서, NTSC525, PAL, SECOM 625본, 하이비젼 1125본이 있으나, 이하에서는 NTSC525를 그 예로 하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 재료표면의 균열 측정장치는, 장치의 각 부에서 필요로 하는 동작전원을 제공하는 전원부(100), 재료표면의 균열관련측정을 수행하기 위하여 필요한 설정데이터가 입력되는 입력부(200), 재료표면에 빛을 조사하는 광 조사부(400), 그 조사된 빛이 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛을 카메라를 통하여 영상신호로 변환하여 연속적으로 포착하는 영상포착부(500), 포착된 영상에 나타나는 균열부위에 연속적으로 선 주사하는 선 주사부(310)과 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하여 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악한 후, 균열의 진전을 검사하는 균열 검사부(320)를 포함하는 중앙처리부(300), 수행된 균열의 진전 검사의 결과를 표시하여주는 디스플레이부(600)를 포함한다.

또한, 중앙처리부(300)와 디스플레이부(600)의 사이는 데이터 전달을 위한 통신인터페이스(미도시)를 통하여 연결된다.

여기서, 중앙처리부(300)는 균열관련측정에 필요한 각종 프로그램이 저장되어있는 프로그램 저장부(330)와, 사용자로부터 설정데이터 또는 균열관련측정에 의하여 얻어진 데이터등을 저장하는 데이터 저장부(340)를 포함한다.

또한, 중앙처리부(300)는 각 부의 전체를 통합적으로 제어하여 프로그램 저장부(330)의 프로그램을 이용하여 영상 포착부(500)를 통하여 제공되는 영상에서 균열길이 및 균열 폭의 측정을 위한 연산을 행하고, 그 데이터를 데이터 저장부(340)에 저장하는 기능도 수행하게 된다.

한편, 중앙처리부(300)는 본 발명에 있어서 영상신호처리를 위한 프로그램이 설치된 컴퓨터를 말하는 것이다.

따라서, 컴퓨터와 이에 연결된 카메라를 활용하는 영상 신호 수집 및 분석 방식은 컴퓨터 성능의 향상으로 초당 수백에서 수천 화면까지 가능하여 매우 정밀하면서 빠르게 진전하는 균열까지 실시간으로 감시할 수 있다.

여기서, 설정데이터는 재료표면의 균열을 감시하기 위한 균열 부분의 영상 시야, 확대 배율, 조사하는 빛의 세기를 포함하는 것으로서, 측정자의 의도에 따라 각종 선택사항을 선택하여 입력될 수 있다.

또한, 영상포착부(500)는 카메라 등의 영상포착수단을 의미하는 것으로서, 그 카메라로는 CCD카메라 또는 CMOS카메라를 사용하게 된다. 여기서, CCD 또는 CMOS 방식은 이미지 센서를 통해 들어온 전하를 프로세서로 전송하는 방식으로서, 이 앞에 빛을 실제로 받아들이는 포토다이오드 같은 광전변환소자가 있어 빛의 신호를 전하의 양으로 받아들이는데, 이 전하의 양을 처리하여주는 회로이다.

즉, 일단 영상이 카메라에 수집된다는 것은 카메라 내부의 CCD(Charge Couple Device) 혹은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 센서에서 빛의 강도를 전압 신호로 변환하는 것이다. CCD의 각 픽셀에 들어온 빛의 강도에 비례해서 각 픽셀의 전압 신호가 출력되므로, 중앙처리부(300)에 저장된 영상 데이터에서 원하는 영역의 픽셀 정보를 보면 빛의 강도를 알 수 있게 된다. 이때, 컬러 CCD인 경우 RGV 세가지 색상의 강도가 다 나오고, 흑백 CCD의 경우 명암 강도만 출력하여준다. 따라서, 빛의 강도는 숫자로 나오는 영상의 각 픽셀정보를 통하여 알 수 있게 된다.

그리고, 카메라의 전단에 설치되어 광조사부(400)에서 조사되어 재료표면에서 반사되는 광을 집속하는 집속렌즈(미도시)를 포함한다.

미리 설정된 프로그램은 에지 검출(edge detection)기법을 사용하는데 이에 대하여는 이하 도 7에서 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 우선 재료표면의 균열상태를 카메라를 이용하여 영상 신호로 변환하여준다. 그 후에, 중앙처리부를 이용하여 재료표면의 균열진전(crack growth)이 예상되는 부위에 일정 간격으로 조밀한 선 주사(line scan)검 사를 연속적으로 수행하고, 균열 부분에서 나타나는 빛의 강도(light intensity) 변화를 검출하여 줌으로써, 균열이 진전된 부분과 진전되지 않은 부분을 구분할 수 있다.

여기서, 선 주사하는 부분에 균열이 진전된 상태(a)일 경우, 균열 부분은 재료와 다른 빛을 나타내어 영상 정보에서 강도 및 색상 신호가 주변 재료와 현저하게 다른 값을 나타난다. 이를 검출하여 균열이 지나간 유무를 확인할 수 있게 된다. 즉, 연속적인 선 주사 결과, 빛의 강도가 불연속적으로 변하는 부분(Intensity drop due to crack)이 있는 주사 선 영역은 균열이 진행한 영역(a)이며, 불연속성이 없이 일정한 값을 가지는 주사선 영역(Uniform intensity without crack)은 균열이 진전하지 않은 영역(b)이라고 간주된다.

균열이 진행한 영역(a) 및 균열이 진행하지 않은 영역(b)를 구분하여 줌으로 균열진전길이(L)를 측정할 수 있으며, 한 주사 선 상에서 빛의 강도가 급격히 변하는 부분에서 다시 회복되는 부분의 위치(D)를 검출하여 출력하여줌으로써, 주사 선 상에 위치한 및 균열 폭(W) 또한 측정할 수 있다.

한편, 선 주사 사이의 물리적인 간격(I)이 균열진전길이 측정의 분해능이 되는 것으로써, 재료표면의 균열 부근을 촬영하는 렌즈의 배율에 따라 물리적으로 수 마이크로 스케일의 작은 간격까지도 나타낼 수 있다. 따라서, 현재 포착된 영상에서 정확한 균열길이의 자동화된 측정을 가능하게 한다.

우선, 균열이 있는 재료 시험 편에 하중을 주면서 균열 부근의 상태를 렌즈로 6배 광학 확대하여 영상 신호로 변환한다. 영상 신호 수집은 초당 30 화면을 수 집하고 NTSC525 규격에 따른 컬러 이미지 송수신 방식으로 수집한다.

여기서, 수집된 영상에서 균열 앞 부분에 균등한 간격으로 선 주사를 수행함으로 빛의 색상 값(RGV value) 정보를 분석한다. 4개의 주사선의 간격은 물리적으로 200μm 정도를 나타내고 있으나, 이값은 영상 신호 수집 시 렌즈의 확대 배율에 따라 충분히 더 작은 간격으로 분할될 수 있는 값이다. 따라서, 주사선 사이의 물리적 간격이 작다면 균열진전길이 측정이 더 세세하게 된다. 즉 그 간격은 균열진전길이 측정의 분해능이 되는 것이다.

예를 들면, 200μm 간격 주사선에서 2개의 주사선까지 균열이 감지되고 나머지 2개에서는 균열이 감지되지 않았다면, 400μm까지 균열이 간 것이 된다. 만약, 고 배율 렌즈를 써서 더 확대한 영상이 되어 주사선 사이의 간격이 실제로 10μm를 나타낸다면, 균열이 간 주사선 개수에 10μm를 곱하면 균열진전길이가 된다. 또한, 주사선은 4개뿐만 아니라 수십 수백 개도 사용할 수 있어 균열 진전 길이가 길어도 측정할 수 있다.

도 5(a)는 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정장치를 나타내는 사진이고, 도 5(b)는 도 5(a)를 이용한 재료표면의 균열 진전 측정시 영상 신호 획득 후 선 주사 시행 모습을 나타내는 도면이며, 도 5(c)는 도 5(a)를 이용한 재료표면의 균열 진전 측정시 영상 신호 획득 후 경계 색상(threshold color) 값에서 색 보정 후 선 주사 시행 모습을 나타내는 도면이고, 도 6(a)는 도 5(b) 영상의 선 주사 분석 결과를 나타내는 도면이며, 도 6(b)는 도 5(c) 영상의 선 주사 분석 결과를 나타내는 도면이다.

한편, 컴퓨터에 저장된 영상 즉, 디지털 영상(jpg, tiff, png, bmp 등)이라면 모두 각 픽셀에 고유한 색상 값 정보를 가지고 있다. 영상 처리 소프트웨어를 사용하면 선 주사(line scan)로 원하는 선상에 있는 픽셀들의 정보를 볼 수 있게 된다. 보통 한 픽셀은 RGV 각각을 8bit로 즉 256등급으로 색을 나누게 되고, 색에 따라 R:230, G:150, V:200 등으로 픽셀은 색상 정보를 가진다. 만약, 흑백이라면 검은색과 흑색 사이만 256 등급으로 나누어서 그 픽셀은 그 사이 값을 가지게 된다.

본 발명에서는 균열상태 측정이 필요한 재료 시험편의 상태를 영상 신호로 변환한 후, 연속적인 선 주사 기법으로 정해진 선을 따라 빛의 강도 변화를 측정한다.

따라서, 본 발명에서 사용하는 선 주사를 행하면, 도 6(b) 및 도 6(c)와 같은 그래프로 주사선상의 정보를 나타낼 수 있다. 도 5(b)는 재료표면의 균열 측정시 카메라를 통하여 입력 저장된 영상 신호를 중앙처리부에서 획득한 후, 균열부위를 선 주사 시행한 모습을 나타내고 있다. 도 5(c)는 영상 신호 획득 후 경계 색상(threshold color) 값에서 색 보정 후, 선 주사 시행 모습을 나타내고 있다. 선 주사의 선 프로파일(line profile)은 일반적인 영상처리 소프트웨어에서도 얻을 수 있다.

여기서, 도 5(b)와 도 5(c)의 차이는 에지 간파를 더 효율적으로 하기 위해, 기본 영상인 도 5(b)에 나타난 픽셀의 RGV 정보를 다 소멸시키고, 오직 양(1), 음(0)으로 영상의 픽셀 정보를 축소시킨 것이다. 즉, 기준이 되는 문턱 값(threshold value)을 정하고(RGV 값의 평균이 125), 이를 넘으면 1, 넘지 않으면 0으로 픽셀 정보를 바꾼 것이다. 그 후, 도 5(b)와 도 5(c)의 선주사 결과인 이하의 도 6(a)와 도 6(b)의 차이와 같이, 에지 검출은 픽셀이 가진 빛 정보가 0에서 1로 바뀌는 픽셀을 에지로 설정하면 되는 것이다. 물론, 이와 같은 색보정 단계를 하면 원본 영상보다 더 정밀하고 빠르게 에지 검출할 수 있다.

도 6(a) 및 6(b)는 도 5(b) 및 도 5(c) 영상의 선 주사 분석 결과를 나타내는 도면이다.

도 6(a) 및 6(b)에 나타난 바와 같이, 균열 부근의 선 주사를 실시한 결과 균열이 있는 부분에서 빛의 강도가 급격하게 감소하는 것을 나타낸다. 영상 신호 변환 후 조명 및 재료의 반사 정도에 따라 적절한 경계 색상 값(threshold RGV value)에서 색상을 변환하고, 그 후 선 주사로 색상 값에 따른 빛의 강도변화를 분석하면 더욱 정확한 균열 경계를 탐지할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 재료표면의 균열 측정방법에 대하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 재료표면의 균열 측정방법을 나타내는 순서도이다.

도 7에 나타난 바와 같이, 재료표면의 균열 측정방법은, 재료표면의 균열을 감시하기 위한 균열 부분의 영상 시야, 확대 배율, 조사하는 빛의 세기를 포함하는 설정데이터를 입력하는 단계(S110), 재료표면에 빛을 조사하는 단계(S120), 그 조 사된 빛이 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라를 거쳐 중앙처리부에 입력 및 저장되어 재료표면에 대한 영상을 연속적으로 포착하는 단계(S130), 포착된 영상들이 미리 설정된 프로그램에 의하여 처리되어 재료표면의 균열의 발전 또는 진전 검사를 수행하는 단계(S140 내지 S190)를 포함하여 구성된다.

또한, S140 내지 S190 은 다음과 같이 세분화되며 이와 같은 영상처리 단계는 샘플링된 모든 영상들에 프로그램화되어 연속적으로 수행되어진다. 즉, 포착된 영상에서의 균열부위에 연속적인 선 주사를 수행하는 단계(S140), 수행된 선 주사의 주사선 내의 픽셀정보를 분석하는 단계(S150), 빛의 강도가 급격히 변하는 픽셀을 탐색하여 에지를 검출하는 단계(S160), 검출된 에지를 이용하여 균열길이를 산출하는 단계(S180)를 포함한다.

또한, 빛의 강도가 회복되는 픽셀을 탐색하여 에지를 검출하는 단계(S170), 검출된 에지를 이용하여 균열 폭을 산출하는 단계(S190)도 포함할 수 있다.

여기서, 본 발명에서 사용한 영상 처리 기법인 선 주사(line scan)한 후 에지 검출(edge detection) 하는 기법은, 영상 처리 기법 중 가장 기본적인 기법이다. 디지털 영상에서 에지는 영상의 밝기가 급격하게 변하는 곳을 말한다. 영상에서 밝기의 급격한 변화는 일반적으로 피사체의 주요한 변화를 의미하는 것으로, 이는 깊이의 변화, 표면방향의 변화, 표면재질의 변화, 조명의 변화를 포함한다. 또한, 에지 검출기법은 영상처리분야와 컴퓨터 비젼분야에 사용하며 특히 어떤 사물의 특징을 추출하는 데 많이 사용된다. 이를 통해 두드러진 부분을 강조하고 덜한 부분을 덜어내어 처리할 데이터의 양을 확연히 줄일 수 있게 된다.

구체적으로 설명하면, 디지털 영상에서 에지는 소수의 픽셀 사이(픽셀 4-5개)에서 빛의 강도 변화가 크게 변할 때, 그 픽셀 구간을 의미하는 것이다. 이때, 픽셀 몇 개 사이에서 빛의 강도변화(흑백 영상의 경우 명암변화)가 얼마나 변할 경우를 에지로 판단할 것인가에 관하여 사용자가 지정할 수도 있다. 예를 들어, 선주사 한 픽셀 선들에서 5개의 픽셀 사이에서 명암이 40 단계이상 변하는 위치를 에지로 설정한다면, 이러한 기준이 적용되는 5개 픽셀의 가운데 위치한 픽셀이 에지로 검출되게 된다. 이는 에지 간파의 가장 기본적이 개념으로서, 현재 이를 보강한 더 지능적이고 효율적인 에지 검사 기법이 별도의 설정 없이 사용될 수 있도록, 대부분의 영상처리 소프트웨어가 지원하고 있다.

따라서, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀에서 빛의 강도가 급격히 변하는 픽셀을 탐색하기 위해, 선 주사(line scan)하여 에지 검출(edge detection) 기법을 사용하여 그 픽셀의 위치정보를 알 수 있게 된다. 그 후, 그 픽셀의 위치정보를 알면 균열진전길이도 알 수 있게 된다. 즉, 픽셀의 위치 및 픽셀 간격은 카메라에 맺힌 실제 영상의 면적, 선 주사한 길이, 주사선 사이의 물리적인 간격으로부터 측정이 가능한 것으로, 이는 카메라에 포착된 물체의 범위(field of view)를 미리 측정하고 이 범위가 할당된 CCD 픽셀 개수를 이용하여 계산할 수 있다.

구체적으로, 이를 기초하여 산출될 수 있는 균열길이는 아래 식 <1>과 같이, 주사선(scan line) 사이의 간격과 균열이 지나간 주사선의 개수를 곱한 수치 즉, 주사 간격과 균열이 걸쳐진 주사선의 개수를 곱한 수치이다.

균열길이(L) = 주사의 간격 × 균열에 걸쳐진 주사선의 개수 <식 1>

또한, 이를 기초하여 산출될 수 있는 균열 폭은 아래 식 <2>와 같이,균열이 지나간 주사선(scan line) 내에서 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 거리 값이다. 이는 아래 식 <3>과 같이, 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 픽셀 개수와 1개의 픽셀의 길이를 곱한 수치와 같다.

균열 폭(W) = 균열에 걸쳐진 주사선(scan line) 내에서 빛의 강도가 변하는 픽셀의 위치 - 회복되는 픽셀의 위치 <식 2>

= 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 픽셀 개수 × 1개의 픽셀의 길이 <식 3>

따라서, 상기와 같이 기계, 토목 구조물 및 구조 설계용과 같은 재료표면(또는 재료시험편)의 균열 측정방법은 설명된 영상처리 기법을 활용하여 빠르고 정밀하게 실시간으로 균열의 진전을 측정할 수 있게 된다. 보다 상세하게는, 재료 표면의 균열측정에 광학 장비의 고 배율 확대 능력과 빠르고 정밀한 디지털 영상 수집 및 처리 기법을 활용하여 미세한 균열진전을 정확하게 측정할 수 있게 된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다 는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 자를 이용한 균열진전길이 및 균열 폭을 측정하는 방식을 설명하기 위한 도면.

도 2(a) 및 (b)는 종래기술에 따른 전기 저항식 균열 게이지를 이용한 균열진전길이 측정하는 방식을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정장치의 구성을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정방식을 설명하기 위한 도면.

도 5(a)는 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정장치를 나타내는 사진.

도 5(b)는 도 5(a)를 이용한 재료표면의 균열 진전 측정시 영상 신호 획득 후 선 주사 시행 모습을 나타내는 도면.

도 5(c)는 도 5(a)를 이용한 재료표면의 균열 진전 측정시 영상 신호 획득 후 경계 색상(threshold color) 값에서 색 보정 후 선 주사 시행 모습을 나타내는 도면.

도 6(a)는 도 5(b) 영상의 선 주사 분석 결과를 나타내는 도면.

도 6(b)는 도 5(c) 영상의 선 주사 분석 결과를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 재료표면의 균열 측정방법을 나타내는 순서도.

Claims

빛을 재료표면에 조사하는 빛 조사 단계;

상기 조사된 빛이 상기 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라를 통해 영상신호로 변환되어 연속적으로 포착되는 영상포착 단계;

상기 포착된 영상에 나타나는 균열부위에 소정의 주사 간격으로 연속적으로 선 주사하는 선 주사 단계; 및

상기 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 균열의 진전을 검사하는 균열 검사 단계

를 포함하는 균열 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 균열 검사 단계는,

빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 빛의 강도가 급격히 변화되는 에지(edge)를 검출하는 에지 검출 단계; 및

상기 검출된 에지를 이용하여 상기 재료표면의 균열 진전 길이를 산출하는 균열 진전 길이 산출 단계를 더 포함하는,

균열 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 균열검사단계는,

빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 에지를 검출하는 에지 검출단계; 및

상기 검출된 에지를 이용하여 상기 재료표면의 균열 폭을 산출하는 균열 폭 산출 단계를 더 포함하는,

균열 측정방법.
제2항에 있어서,

상기 균열 진전 길이는 상기 소정의 주사 간격과 에지가 검출되어 균열이 지나간 것으로 판명된 주사선의 개수를 곱한 값인,

균열 측정방법.
제3항에 있어서,

상기 균열 폭은 균열에 걸쳐진 주사선(scan line) 내에서 에지 검출단계에서 검출된 빛의 강도가 변하는 픽셀과 회복되는 픽셀 사이의 거리인,

균열 측정방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 균열 검사 단계의 검사 결과를 디스플레이하는 검사 결과 디스플레이 단계를 더 포함하는,

균열 측정방법.
빛을 재료표면에 조사하는 광 조사부;

상기 조사된 빛이 상기 재료표면에서 반사되고, 그 반사된 빛을 카메라를 통해 영상신호로 변환하여 연속적으로 포착하는 영상 포착부;

상기 포착된 영상에 나타나는 균열부위에 소정의 주사 간격으로 연속적으로 선 주사하는 선 주사부; 및

상기 선 주사된 주사선 내의 픽셀정보를 분석하고, 빛의 강도가 상대적으로 높거나 낮은 픽셀을 파악하여 균열의 진전을 검사하는 균열 검사부

를 포함하는 균열 측정장치.
제7항에 있어서,

상기 재료표면의 균열관련측정을 수행하기 위하여 필요한 설정데이터가 입력되는 입력부를 더 포함하고,

상기 설정데이터는 재료표면의 균열을 감시하기 위한 균열 부분의 영상 시야, 확대 배율, 조사하는 빛의 세기를 포함하는, 균열 측정장치.
제7항에 있어서,

상기 균열 검사부가 검사한 균열의 진전 검사의 결과를 표시하여 주는 디스플레이부를 더 포함하는, 균열 측정장치.
빛을 재료표면에 조사하고,　빛이 조사되는 재료표면을 카메라를 통하여　영상 신호로 포착하고, 이 영상 신호에 소정 간격으로 선 주사하여, 이 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 파악하여 균열의 진전을 측정하는, 균열 측정 방법.
빛을 재료표면에 조사하고,　빛이 조사되는 재료표면을 카메라를 통하여　영상 신호로 포착하고, 이 영상 신호에 빛을 소정 간격으로 선 주사하여, 이 주사선 내의 빛의 강도의 변화를 파악하여 균열의 진전을 측정하는, 균열 측정 장치.