KR20110024522A - 영상신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법 및 시스템 - Google Patents

영상신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법 및 시스템 Download PDF

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윤두병
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Abstract

커브피팅을 이용하여 진동 측정 변위 오차를 감소시킬 수 있는 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법은 대상물의 영상을 획득하는 단계, 상기 대상물의 영상을 그레이 영상으로 변환하는 단계, 상기 변환된 영상의 밝기를 조절하는 단계, 상기 밝기 조절된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 분리하는 단계, 상기 분리된 영상으로부터 상기 대상물의 에지를 선택하는 에지 검출 단계, 상기 에지로부터 잡음을 제거하는 단계, 및 상기 잡음 제거된 에지 영상에 커브피팅을 실시하는 커브피팅 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템에 의하면, 변위 오차의 감소로 인해 더욱 정확한 진동 측정이 가능하다는 효과가 있다.
Figure P1020090082554
영상, 커브피팅, 좌표, 진동.

Description

영상신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법 및 시스템 {Method and System for Measuring Structural Vibration Using Curve Fitting from Video Signal}
본 발명은 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 대상물의 영상신호로부터 잡음을 제거하고 커브피팅을 실시하여 에지 영역의 변환된 영상을 획득하여 변위 오차 감소 효과를 가지는 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
건물, 교량, 터널, 배관 등과 같은 구조물의 진동을 측정하기 위해서 가속도계나 레이저 측정기 등이 많이 사용되고 있다. 즉, 가속도계, 레이저 측정기, 변위센서 등의 장치를 구조물에 설치하고, 설치된 장치를 통해 구조물의 진동을 측정함으로써, 구조물의 이상 유무를 확인할 수 있었다.
그러나, 화력발전소나 원자력 발전소 등과 같이, 고온 및 방사능 구역에서는 일반적인 건물의 구조물과는 달리, 피폭을 우려하여 가속도계, 레이저 측정기, 변위센서 등의 장치를 구조물에 설치하여 구조물의 진동을 측정하기 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 고온 및 방사능 구역에 설치된 구조물에 대하여, 기존과 같이 구조물에 센서를 부착하지 않고도 원거리에서 구조물의 진동을 측정함으로써, 구조물의 이상 유무를 확인할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
최근에는 기존의 센서를 사용하지 않고 카메라 영상을 이용하여 진동을 측정하는 연구가 제시되기도 한다. 카메라를 이용하면 한 번의 촬영으로 많은 점들의 진동을 동시에 측정할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 카메라의 해상도 문제와 카메라가 측정 환경에 매우 민감하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 센서 등을 구조물에 직접 부착하지 않고서도 원거리에서 구조물의 진동을 측정하여 구조물의 이상 유무를 파악할 수 있는 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은 구조물의 영상신호에서 커브피팅을 이용하여 변위 오차를 감소시켜 진동 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 시스템은, 진동을 측정하고자 하는 대상물의 영상을 획득하는 영상획득부, 상기 획득된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 선택하여 상기 선택 영역의 영상을 변환하는 변환영상 획득부, 상기 변환된 영상을 바탕으로 상기 대상물의 선택 영역의 좌표를 결정하는 좌표결정부, 및 상기 대상물의 선택 영역의 변위를 이용하여 진동을 측정하는 진동측정부를 포함하고, 상기 변환영상 획득부는 상기 대상물의 에지 영역 영상의 잡음을 제거하고 커브피팅을 실시하여 에지 영역 영상을 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 영상획득부는 카메라일 수 있다.
또한, 상기 변환영상 획득부는, 상기 영상을 그레이 영상으로 변환하고 밝기 조절을 실시할 수 있는 전처리 모듈, 상기 밝기 조절된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 분리하는 선택영역 분리 모듈, 상기 선택된 영상으로부터 상기 대상물의 에지를 선택하는 에지검출 모듈, 상기 에지 외의 잡음을 제거하는 잡음제거 모듈, 및 상기 잡음 제거된 에지 영상에 커브피팅을 실시하는 커브피팅 모듈을 포함할 수 있다.
상기 진동측정부는 상기 에지 영역 좌표의 시간대별 변위를 바탕으로 상기 대상물의 진동을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법은, 대상물의 영상을 획득하는 단계, 상기 대상물의 영상으로부터 선택된 영역의 영상을 변환하는 단계, 상기 변환된 영상으로부터 선택한 영역의 좌표를 획득하는 단계, 및 상기 대상물의 선택 영역의 변위를 바탕으로 진동을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 변환된 영상의 획득은 상기 대상물의 에지 영역 영상의 잡음을 제거하고 커브피팅을 실시하여 에지 영역의 변환된 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 영상 획득 단계는 카메라를 이용하여 상기 대상물의 영상을 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 변환된 영상을 획득하는 단계는, 상기 대상물의 원영상을 그레이 영상으로 변환하는 단계, 상기 변환된 영상의 밝기를 조절하는 단계, 상기 밝기 조절된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 분리하는 단계, 상기 분리된 영상으로부터 상기 대상물의 에지를 선택하는 에지 검출 단계, 상기 에지로부터 잡음을 제거하는 단계, 및 상기 잡음 제거된 에지 영상에 커브피팅을 실시하는 커브피팅 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템에 의하면, 원거리에서 대상물의 진동을 측정하여 대상물의 이상 유무를 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템에 의하면, 대상물의 영상신호에서 커브피팅을 이용하여 변위 오차를 감소시킴으로써, 진동 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 시스템(10)의 구성도이다.
도 1을 참조하여, 영상신호를 이용한 진동 측정 시스템(10)은 영상획득부(100), 변환영상 획득부(200), 좌표결정부(300) 및 진동측정부(400)를 포함한다.
영상획득부(100)는 진동을 측정하고자 하는 대상물의 영상을 획득하며, 상기 영상획득부(100)는 카메라일 수 있다. 상기 카메라는 대상물의 측정하고자 하는 영역의 영상을 촬영하여 원 영상 신호를 획득한다.
상기 대상물은 건물, 교량, 터널 등에 포함된 배관, 파이프, 철근 등의 구조물일 수 있으며, 바람직하게는 센서 부착 등이 용이하지 않은 원자력발전소나 화력발전소의 구조물일 수 있다.
변환영상 획득부(200)는 전처리 모듈(210), 선택영역 분리 모듈(220), 에지검출 모듈(230), 잡음제거 모듈(240), 및 커브피팅 모듈(250)을 포함한다. 변환영상 획득부(200)는 대상물의 원하는 영역의 변위를 측정할 수 있도록 영상획득부(100)에서 촬영된 원 영상을 처리한다.
전처리 모듈(210)은 영상획득부(100)로부터 촬영된 원 영상을 그레이 영상으로 변환하고 밝기 조절을 수행할 수 있다.
선택영역 분리 모듈(220)은 이렇게 밝기 조절된 영상 중 변위를 측정하고자 하는 부분을 선택하여 상기 선택된 영역만을 분리해 낸다.
에지검출 모듈(230)은 대상물의 분리된 영상의 에지 영역을 검출한다. 카메라를 이용하여 진동을 측정할 경우에는 이미지 프로세싱을 통해 측정 대상물의 에지(edge)를 구해야 하며, 이러한 에지 영역의 변위를 측정함으로써 대상물의 진동 정도를 측정할 수 있다.
잡음제거 모듈(240)은 선택된 에지 영역 외의 불필요한 잡음 영상을 제거한다.
커브피팅 모듈(250)은 불연속적인 선택된 영역의 에지 부분을 커브피팅(curve fitting)을 이용하여 직선으로 연결한다.
구체적으로, 카메라의 해상도나 측정 환경에 따라 에지를 정확하게 검출하지 못하게 되는 경우가 발생한다. 즉, 잡음 제거 후 에지 영역의 영상은 연속적으로 형성되지 못하고 불 연속한 구간을 가지게 된다. 에지 영역의 불연속 구간이 생기지 않도록 잡음 제거를 실시하는 방법도 생각해 볼 수 있으나, 이러한 경우에는 잡음이 원하는 정도로 제거되지 못한다는 단점이 있다. 이러한 불연속한 구간은 에지 부분의 변위 오차를 유발하게 되고, 이러한 변위 오차는 결국 진동 측정 결과의 정확도를 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.
커브피팅 모듈(250)은 분리된 선택영역의 에지 영상을 커브피팅에 의해 직선화하여, 에지 영상의 불연속적인 구간을 제거한다.
좌표결정부(300)는 상기 선택영역의 에지 영상을 좌표계에 투영하여, 상기 좌표계로부터 원하는 에지 영역의 좌표를 결정한다.
진동측정부(400)는 좌표결정부(300)에서 결정된 선택된 에지 영역의 좌표를 바탕으로, 상기 에지 영역의 시간대별 변위를 측정한다. 상기 시간대별 에지 영역 변위를 분석함으로써, 대상물의 선택 영역 진동을 측정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 영상신호를 이용한 진동 측정 시스템(10)에 의한 진동 측정 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2의 (a)는 카메라에 의해 촬영된 대상물의 원 영상이고, (b)는 이미지 전처리를 통해 얻어진 밝기가 조절된 영상이다. 도 3의 (a)는 선택되어 분리된 영상이고, (b)는 선택되어 분리된 영상의 에지 영상이며, (c)는 잡음이 제거된 에지 영상이다. 도 4는 커브피팅을 통하여 직선화된 에지 부분의 영상이다.
진동을 측정하고자 하는 대상물은 건물, 교량, 발전소 시설물, 배관 등의 다양한 구조물이 될 수 있으며, 본 실시예에서는 배관을 예로 들어 이의 진동 측정 방법에 대해 설명하기로 한다.
영상획득부(100)를 통해 대상물인 배관의 영상을 획득하며, 바람직하게는 카메라를 이용하여 배관의 영상을 촬영한다.
도 2를 참조하여, 상기 배관의 영상은 변환영상 획득부(200)의 전처리 모듈(210)을 통해서 이미지 전처리를 거친다. 즉, 배관의 원 영상은 그레이 영상으로 변환되며, 이때 원하는 수준으로 밝기 조절이 수행될 수 있다. 이에 의해, 변위 측정 대상이 되는 배관의 영상이 더욱 선명해진다.
도 3을 참고하여, 선택영역 분리 모듈(220)과 에지검출 모듈(230) 그리고 잡음제거 모듈(240)에 의해서, 밝기 조절이 수행된 영상에서 선택된 영역만을 분리해내고 분리된 영상에서 에지를 검출하고 에지 외의 잡음을 제거해 낸다.
구체적으로, 밝기 조절이 된 영상에서 원하는 영역(A)을 선택하고, 도 3(a)와 같이 상기 선택영역(A)을 분리해 낸다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 에지 부분의 영상에는 에지 외에 수많은 잡음들이 존재한다. 이러한 잡음은 에지의 변위 측정을 방해하므로 제거되어야 한다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 잡음 제거 영상 처리를 통해서 에지 부분 외의 잡음을 제거한다. 그런데, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 분리된 선택영역(A)의 에지 영상은 잡음 제거를 거치면서 불연속적인 구간을 포함하게 된다. 이러한 불연속 구간은 변위 측정 시 오차를 유발하게 되므로, 커브피팅 모듈(250)을 통해서 직선화한다.
즉, 도 4를 참조하여, 분리된 선택영역(A)의 에지는 커브피팅을 이용하여 직선화하여 선택영역(A) 내의 원하는 에지 영역의 좌표를 모두 구할 수 있다.
촬영 영상의 다음 프레임에서도 전술한 것과 동일한 방법을 반복하여, 원하는 배관 영역의 시간대별 영상의 변위를 확보할 수 있다.
좌표결정부(300)에서 선택영역(A)의 에지 영상을 좌표화한 후, 진동측정부(400)에서 시간대 별 에지 영역의 변위를 분석하여 대상물의 선택영역(A)에서의 진동을 측정한다. 상기 진동 측정 결과를 바탕으로 대상물의 상태 및 이상 유무를 측정할 수 있다.
도 5(a)는 가속도센서를 이용해서 측정한 변위와 단순한 영상처리만을 이용해서 측정한 변위를 시간대별로 나타낸 그래프이고, 도 5(b)는 가속도센서를 이용해서 측정한 변위와 본 발명에 따른 영상처리 방법을 이용하여 측정한 변위를 시간대별로 나타낸 그래프이다.
도 5(a)를 참조하여, 가속도센서를 이용한 변위 측정 결과와 비교하였을 때, 단순한 영상처리만을 이용하는 종래의 방법에 따른 변위 측정 결과는 정확한 대상물의 시간대별 변위를 반영하지 못한다. 이는 영상처리 후 잡음 제거에서 생기는 에지 영역의 불연속한 구간의 존재 때문이다.
이와 대비하여, 도 5(b)를 살펴보면, 본 발명에 따라 커브피팅을 포함하는 영상처리 방법에 의해 시간대별 변위를 측정한 결과를 살펴보면, 가속도센서를 이용한 변위 측정 결과와 별 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법은 실시 대상물의 선택영역의 진동을 거의 정확하게 반 영함을 알 수 있다.
다시 말해서, 도 5의 실험 결과는 종래의 커브피팅을 포함하지 않는 영상처리 방법에 비해서 커브피팅을 포함하는 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법은 정확도가 우수함을 보여준다.
도 6은 실제 배관 구조물의 진동을 시간대별로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6(a)는 커브피팅을 포함하지 않는 기존의 영상처리 방법에 의한 진동 측정 결과이고, 도 6(b)는 커브피팅을 포함하는 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 결과이다.
도 6(a)를 참조하여, 커브피팅을 포함하지 않는 기존의 영상처리 방법에 의한 진동 측정 결과는 에지 영역에 존재하는 불연속 구간으로 인해서 배관 구조물의 정확한 시간대 별 진동 모습을 반영하지 못한다.
이에 반해, 도 6(b)를 참조하여, 본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법은 배관 구조물의 커브피팅에 의해 에지 영역의 불연속 구간을 제거함으로써, 실제 배관 구조물의 진동을 비교적 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 방법 및 시스템은 구조물의 진동을 측정함에 있어서 기존의 영상처리 방법에 의한 진동 측정 결과보다 변위 오차를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 의해 진동 측정의 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해 당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상신호를 이용한 진동 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 카메라에 의해 촬영된 원 영상과 전처리를 거친 영상이다.
도 3은 선택되어 분리된 영상과 에지 부분의 영상, 및 잡음 제거된 영상이다.
도 4는 커브피팅을 통해서 직선화 된 에지 부분의 영상이다.
도 5는 단순히 영상처리만을 이용한 변위 측정 결과와 본 발명에 따른 방법에 의한 변위 측정 결과의 그래프이다.
도 6은 실제 배관 구조물의 진동을 시간대별로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 영상 신호를 이용한 진동 측정 시스템
100 : 영상획득부 200 : 변환영상 획득부
300 : 좌표결정부 400 : 진동측정부

Claims (7)

  1. 진동을 측정하고자 하는 대상물의 영상을 획득하는 영상획득부;
    상기 획득된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 선택하여, 상기 선택 영역의 영상을 변환하는 변환영상 획득부;
    상기 변환된 영상을 바탕으로 상기 대상물의 선택 영역의 좌표를 결정하는 좌표결정부; 및
    상기 대상물의 선택 영역의 변위를 이용하여 진동을 측정하는 진동측정부;
    를 포함하고,
    상기 변환영상 획득부는 상기 대상물의 에지 영역 영상의 잡음을 제거하고 커브피팅을 실시하여 에지 영역 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 영상신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상획득부는 카메라를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변환영상 획득부는,
    상기 영상을 그레이 영상으로 변환하고, 밝기 조절을 실시할 수 있는 전처리 모듈;
    상기 밝기 조절된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 분리하는 선택영역 분리 모듈;
    상기 분리된 영상으로부터 상기 대상물의 에지를 선택하는 에지검출 모듈;
    상기 에지 외의 잡음을 제거하는 잡음제거 모듈; 및
    상기 잡음이 제거된 에지 영상에 커브피팅을 실시하는 커브피팅 모듈;
    을 포함하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동측정부는 상기 에지 영역 좌표의 시간대별 변위를 바탕으로 상기 대상물의 진동을 측정하는 것을 특징으로 하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 시스템.
  5. 대상물의 영상을 획득하는 단계;
    상기 대상물의 영상으로부터 선택된 영역의 영상을 변환하는 단계;
    상기 변환된 영상으로부터 선택한 영역의 좌표를 획득하는 단계; 및
    상기 대상물의 선택 영역의 변위를 바탕으로 진동을 측정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 변환된 영상의 획득은, 상기 대상물의 에지 영역 영상의 잡음을 제거하고 커브피팅을 실시하여 에지 영역의 변환된 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    카메라를 이용하여 상기 대상물의 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 변환된 영상을 획득하는 단계는,
    상기 대상물의 원영상을 그레이 영상으로 변환하는 단계;
    상기 변환된 영상의 밝기를 조절하는 단계;
    상기 밝기 조절된 영상 중 측정하고자 하는 영역을 분리하는 단계;
    상기 분리된 영상으로부터 상기 대상물의 에지를 선택하는 에지 검출 단계;
    상기 에지로부터 잡음을 제거하는 단계; 및
    상기 잡음이 제거된 에지 영역의 커브피팅을 실시하는 커브피팅 단계;
    를 포함하는 영상 신호에서 커브피팅을 이용한 진동 측정 방법.
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