KR20110098127A - 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 교정용 캘리브레이션 장치 및 이를 이용한 신뢰성 검증과 교정 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 카메라를 시험편에 수직을 이루게 한 후, 콘크리트 시험편의 표면을 촬영하여, 콘크리트 시험편에 대한 이미지를 취득하는 단계와; 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 단계와; 설정된 임계값에 따라, 실제 균열과 같은 다수의 균열홈이 소정의 폭 단위로 미리 가공된 캘리브레이션 장치의 균열판을 구비하는 단계와; 실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 단계와; 실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캘리브레리션 장치를 이용한 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 카메라를 시험편에 수직을 이루게 한 후, 콘크리트 시험편의 표면을 촬영하여, 콘크리트 시험편에 대한 이미지를 취득하는 단계와; 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 단계와; 설정된 임계값에 따라, 실제 균열과 같은 다수의 균열홈이 소정의 폭 단위로 미리 가공된 캘리브레이션 장치의 균열판을 구비하는 단계와; 실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 단계와; 실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캘리브레리션 장치를 이용한 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증방법을 제공한다.
Description
본 발명은 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 교정용 캘리브레이션 장치 및 이를 이용한 신뢰성 검증과 교정 방법에 관한 것으로서, 비전센서와 영상처리기법을 이용한 콘크리트 균열측정시스템의 균열 폭 처리과정에서 중요한 이진화 임계값(Threshold value)을 정확하게 산정할 수 있는 방법과 이를 위한 교정용 캘리브레이션 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 대부분의 건축 및 토목 구조물은 철, 콘크리트 등으로 이루어져 있고, 시간이 흐르면서 재료의 화학반응, 외력의 영향, 지진, 구조적 결함 등으로 구조적 붕괴를 초래할 수 있는 바, 이런 이유로 모든 구조물은 주기적으로 안전진단을 실시해야 하고, 특히 터널의 경우 터널 상태 및 안정성을 주기적으로 평가하여 보수, 보강 및 성능회복을 유지시키는 등 터널의 안정성에 대한 확보 및 유지관리가 필수적으로 이루어져야 한다.
콘크리트 구조물에 대한 안전진단의 가장 기본적인 항목은 육안검사라 할 수 있으며, 특히 콘크리트의 균열에 대한 육안검사는 구조물 내부와 외부의 상태를 평가하고 다음 단계의 국부적인 정밀안전진단 수행항목, 방법 등을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다.
하지만, 터널 등과 같이 대 단면이고 연장길이가 긴 구조물을 기존의 균열자나 균열경을 이용한 육안검사법으로는 조사시간이 너무 오래 걸리고, 객관적 조사 자체가 매우 어려운 단점이 있으며, 이러한 단점에 기인하여 조사방법의 자동화, 정확성, 신속성이 필요로 하게 되었고, 근래에 와서 레이저, 비전센서 등을 이용한 외관조사기법과 측정 시스템들이 개발되어 점진적으로 사용되고 있다.
위의 외관조사기법 및 측정 시스템들 중 비전센서를 이용한 방법은 얻어낸 영상을 통해 외관 상태를 조사하는 방법으로서, 구축비용 대비 성능, 빠른 조사시간 등의 장점이 있어 다른 시스템들보다 우수하여 선호하고 있는 추세에 있다.
그러나, 이러한 종래의 영상처리기법을 이용한 방법들은 데이터의 신뢰성에 관한 부분에 있어서, 각 시스템별 특성과 현장 환경조건의 영향이 커서 얻어낸 데이터가 신뢰적 데이터라 보기 힘들고, 개발단계에서 환경조건에 대한 변수와 균열 폭 특성에 대한 올바른 검증시험을 거치지 않고선 검증된 방법이라고 보기 어렵다.
따라서 종래의 측정 시스템들의 균열측정에 대한 신뢰도를 측정할 수 있는 검증장치와 방법이 필요하다.
여기서, 종래의 디지털 영상처리기법을 이용한 균열 검출 시스템 및 그 영향인자에 대한 분석 결과를 살펴보면 다음과 같다.
종래의 비전센서와 디지털 영상처리를 이용하여 터널의 균열을 검출하는 시스템은 실제 터널의 안전진단을 위한 외관조사 방법으로 많이 쓰이고 있고, 그 외에도 비전센서를 이용하여 쉽게 균열을 검출하는 휴대용 시스템, 단일 비전센서를 이용한 터널 균열검출 시스템, 비전센서를 이용한 원거리 구조물 균열검출장치, 등 비전센서를 이용한 균열검출 시스템들이 지속적으로 개발되고 있다.
이러한 종래의 균열 검출 시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 콘크리트 구조물을 비전센서를 이용하여 영상을 취득하고 분석하여, 표면의 균열부분을 검출하고, 균열의 폭과 길이에 대한 정보 값을 얻어내는 방법으로서, 이 방법을 이용하면 기존의 사람에 의한 육안조사법보다 빠르고 정확하게 조사를 할 수 있고, 특히 터널(지하철, 도로터널, 수로터널 등)과 같이 연장 길이가 길고 단면이 큰 구조물인 경우, 시간적, 경제적, 정확성 등에서 큰 효과를 볼 수 있다.
이렇게 콘크리트 구조물 표면을 비전센서를 이용하여 얻어낸 영상신호를 디지털 신호로 변환하여, 이미지 데이터로 저장한 후, 이미지 프로세스를 해서 균열에 대한 분석정보(폭, 길이 등)와 균열처리화상을 얻어낸다.
여기에, 균열처리화상에 영향을 주는 인자는 비전센서의 분해능, 검출 알고리즘, 조명조건, 진동, 이동 속도, 렌즈 왜곡, 카메라와 촬영 면과의 각도 등이 있고, 특히 비전센서의 분해능과 검출알고리즘은 균열 측정값 오차에 가장 큰 영향을 주게 된다.
종래의 균열 검출시스템의 분해능으로서, 균열의 폭, 길이 등을 계산하기 위해서는 1개 화소가 나타내는 실제 길이를 알아야 하므로, 아래의 수학식 1에 의거 카메라가 촬영하고 있는 콘크리트 표면적과 비전센서의 화소수를 알면 구할 수 있다.
Pi : 하나의 화소가 나타내는 실제길이(mm/화소),
W DIST : 촬영면 한변의 길이(eg. X축 길이),
R DIST : CCD 한변의 화소수(eg. X축 화소수).
콘크리트 구조물 촬영 시에 위의 수학식 1과 같이, 화소크기를 고려하여 균열 측정의 최소 폭을 정하는 바, 즉 일반적인 균열 검출 방법인 화소수의 계산에 의한 균열 폭 검출 방법인 경우 균열 폭 0.1mm까지 측정하고자 한다면 최소 화소 하나가 담당하는 실제 길이가 0.1mm 이하가 되어야 한다.
따라서, 균열 측정 최소 폭을 고려하여 촬영할 면적을 카메라의 화각으로 설정하여 촬영하게 되지만, 이런 화소 수를 이용한 폭 계산은 균열 폭 안에 화소수가 적을수록 정확성이 떨어지며, 이는 화소가 사각형 형태이므로 균열이 수직 수평 방향이 아닐 경우 한 화소가 담당하는 실제 길이의 차이가 생기기 때문이다.
한편, 상기한 균열 측정 시스템의 균열 검출 및 측정 이미지 프로세스(Image Process) 과정을 살펴보면 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 비전센서를 통해 들어온 영상신호는 디지타이저를 통해 디지털 신호로 변환되어 저장장치에 저장된다.
저장된 데이터는 균열검출 및 계측을 하기 위해 그레이-스케일 변환, 크랙 검출 필터링, 크랙 검출 및 분석 과정 등의 영상처리 단계를 거치게 되고. 이러한 영상처리 단계에 의하여 도 3 및 도 4와 같은 분석 결과가 나타나게 된다.
보다 상세하게는, 카메라를 통해 얻은 원본이미지를 8비트(bit) 흑백영상 처리한 후, 균열만을 추출하기 위해 여러 가지 필터링 작업을 수행하되, 크랙 검출 필터링(Crack Detection Filters) 과정은 균열영역과 비균열 영역(배경)을 분리시키기 위한 과정으로서, 히스토그램 평활화(histogram equalization)와 이진화 과정으로 이루어지며, 이때 히스토그램 평활화는 빛, 노이즈 등에 의한 영향을 보정해서 이미지의 대비를 개선시키는 모포로지(Mopology) 기법 등을 사용한다.
히스토그램 평활화 과정후, 다양한 밝기값을 가진 화소들을 임의의 임계값( Threshold Value)을 기준으로 0(black)과 1(white)로 바꿔 균열부와 비균열부를 분리시키고, 이 분리 과정을 거친 후 균열영역 내의 픽셀을 이용하여 폭과 길이, 좌표를 계산하며, 그 계산법은 많은 연구자들이 다양한 방법을 제시하였고 균열검출 시스템들 마다 여러 방법을 사용하고 있다.
이러한 영상처리과정에서 중요한 문제점은 균열부분만을 추출해 내는 크랙 검출 필터링 과정에서 나타나는데, 도 4에서 보여지듯이 균열영역과 비균열영역의 경계부분 픽셀의 히스토그램 값이 균열영역 중심부의 히스토그램 값과 애매모호한 차이가 나는데 있다.
따라서 불확실한 임계값 설정에 따라 균열 폭 측정에 큰 오차가 발생할 수 있고, 이러한 오차를 줄이고 좀 더 향상된 알고리즘을 개발하기 위해서는 정량적 실험이 가능한 실험장치가 절실히 필요하다.
즉, 영상처리를 이용한 균열 측정방법의 가장 중요한 부분은 측정결과의 신뢰성에 있다 할 것이고, 특히 폭에 대한 측정값은 콘크리트의 내구성, 안전성에 영향을 미치는 가장 중요한 항목이며, 길이나 위치보다 요구되는 정밀도(0.1mm단위)가 높은 점을 감안하여, 균열 폭 측정값에 대한 신뢰성 검증 방법을 위하여 도 5와 같이 실제의 콘크리트 균열 폭을 현미경이나 크랙 룰러(Crack Ruler) 등을 이용하여 측정해서 표기하고 영상처리 결과값과 비교하는 방법이 이용되었는 바, 이렇게 균열현미경으로 실제 균열 폭을 측정하여 검증하는 것도 하나의 방법이지만, 보다 더 정확한 균열 폭에 대한 검증을 위해 정량적으로 검증할 수 있는 장치 및 그 알고리즘이 필요하다 하겠다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 영상처리기법을 이용한 구조물 균열검출시스템의 운영에서 제기되고 있는 균열 측정값 오차에 영향을 주는 인자에 대해 분석하고, 균열 측정값 오차에 영향을 주는 인자에 대해 분석할 수 있는 기초적인 표준체계를 제시하고자 한 것으로서, 촬영 각도에 대한 균열 폭 변화, 촬영 거리에 대한 왜곡 현상, 측정 가능 균열 최소 폭, 균열의 각도에 대한 폭 측정값 변화, 왜곡 보정능력, 거리에 대한 최대 최소 화각, 조명 설계 적합성, 최적조도 등의 항목을 평가할 수 있고, 특히 균열 측정값을 정하는데 중요한 요소인 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 것에 대해 새로운 방법을 제시하여, 균열 검출시스템의 신뢰성을 평가함으로써, 콘크리트 비파괴 검사분야에서 보다 신뢰성 있는 데이터를 제공하는데 기여할 수 있는 영상처리기법을 이용한 콘크리트 구조물용 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시험편의 균열 이미지에 대한 영상처리 단계별 실험과 종합적 분석이 가능한 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부에서 취득된 이미지를 기반으로 균열홈이 가공된 구조로서, 열 변형이 적은 SUS재질에 레이저로 0.1mm~1.0mm 까지 0.1mm폭 단위로 홈이 가공된 균열판과; 균열판이 안착되는 보호 케이스와; 상기 케이스의 외주부에 부착되어, 균열판의 열변형을 파악하고자 주변온도를 측정하는 온도계; 로 구성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 이진화 임계값 산정용 캘리브레이션 장치를 제공한다.
또한, 캘리브레이션 장치의 케이스 외주부에는 균열 각도를 파악할 수 있는 각도측정장치와, 균열 길이를 표기한 2개의 룰러(ruler)가 더 부착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 카메라를 콘크리트 시험편에 수직을 이루게 한 후, 콘크리트 시험편의 표면을 촬영하여, 콘크리트 시험편에 대한 이미지를 취득하는 단계와; 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 단계와; 설정된 임계값에 따라, 실제 균열과 같은 다수의 균열홈이 소정의 폭 단위로 미리 가공된 캘리브레이션 장치의 균열판을 구비하는 단계와; 실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 단계와; 실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 콘크리트 시험편에 대한 이미지 취득 단계는 콘크리트 시험편의 케이스별로 균열 폭 0.1mm~0.9mm까지 0.1mm씩 증가시키면서 각 균열 폭에 대해 0°~ 90°까지 10°씩 변화시키면서 이미지를 취득하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 빛에 대한 영향을 최소화하여 시험편의 표면 색이 균일하기 때문에 히스토그램 평활화를 배제한 채 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 캘리브레이션 장치의 케이스 외주부에는 균열 각도를 파악할 수 있는 각도측정장치와, 균열 길이를 표기한 2개의 룰러(ruler)가 더 부착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 카메라를 콘크리트 시험편에 수직을 이루게 한 후, 콘크리트 시험편의 표면을 촬영하여, 콘크리트 시험편에 대한 이미지를 취득하는 단계와; 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 단계와; 설정된 임계값에 따라, 실제 균열과 같은 다수의 균열홈이 소정의 폭 단위로 미리 가공된 캘리브레이션 장치의 균열판을 구비하는 단계와; 실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 단계와; 실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘그리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 콘크리트 시험편에 대한 이미지 취득 단계는 콘크리트 시험편의 케이스별로 균열 폭 0.1mm~0.9mm까지 0.1mm씩 증가시키면서 각 균열 폭에 대해 0°~ 90°까지 10°씩 변화시키면서 이미지를 취득하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 빛에 대한 영향을 최소화하여 시험편의 표면 색이 균일하기 때문에 히스토그램 평활화를 배제한 채 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면 균열 측정값을 정하는데 중요한 요소인 이진화 임계값을 구하는 것에 대한 새로운 방법으로서, 각 균열폭의 각도에 따라 적용해야 할 임계값을 서로 다르게 적용하여 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시함으로써, 콘크리트 균열 측정에 대한 신뢰성과 정확도를 크게 높일 수 있다.
도 1은 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템을 설명하는 개략도,
도 2는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템의 디지털 이미지 처리 과정을 설명하는 순서도,
도 3은 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템의 이미지 처리 및 크랙 분석과정을 보여주는 개략도,
도 4는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템에서 얻어진 크랙 이미지를 보여주는 사진,
도 5는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템을 이용한 균열 폭 측정 결과를 나타내는 이미지,
도 6은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 나타내는 사진,
도 7은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치의 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부를 나타내는 이미지,
도 8은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치에서 취득된 8비트 그레이 스케일의 균열 이미지,
도 9는 도 8의 이미지를 800% 확대한 이미지,
도 10은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 이용하여, 이진화 임계값을 설정한 후의 균열 이미지,
도 11은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치의 캘리브레이션 장치를 나타내는 사진,
도 12 내지 도 16은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 나타내는 개략도.
도 2는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템의 디지털 이미지 처리 과정을 설명하는 순서도,
도 3은 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템의 이미지 처리 및 크랙 분석과정을 보여주는 개략도,
도 4는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템에서 얻어진 크랙 이미지를 보여주는 사진,
도 5는 기존 콘크리트 구조물의 크랙 검출 시스템을 이용한 균열 폭 측정 결과를 나타내는 이미지,
도 6은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 나타내는 사진,
도 7은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치의 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부를 나타내는 이미지,
도 8은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치에서 취득된 8비트 그레이 스케일의 균열 이미지,
도 9는 도 8의 이미지를 800% 확대한 이미지,
도 10은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 이용하여, 이진화 임계값을 설정한 후의 균열 이미지,
도 11은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치의 캘리브레이션 장치를 나타내는 사진,
도 12 내지 도 16은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치를 나타내는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 비전센서를 이용한 콘크리트 구조물 균열검출 시스템에 있어서, 조사 현장의 환경적 영향에 따라 균열 데이터의 측정값에 오차가 발생되는 점을 감안하여, 빛, 진동, 이동속도, 거리, 렌즈 왜곡 등의 환경적 요소와 CCD화소특성에 따른 균열 폭 계산 알고리즘 등에 대해 실험과 검증을 하되, 기존의 균열 폭 검증방법에 비해 보다 더 정확한 검증을 위하여 이진화 임계값(Threshold Value)을 구하는 것에 대해 새로운 방법을 제시함으로써, 보다 신뢰성 있는 균열 데이터를 제공하고자 한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치는 여러 종류의 비전센서를 고정시킬 수 있고, 시편과의 거리와 각도 조절이 가능한 카메라 자세조절장치와, 다양한 재료의 시험편을 장착하여 균열 폭을 조절할 수 있고 회전이 가능한 균열 폭 조절장치와, 촬영이미지의 디스토션(distortion) 정도와 촬영면, 길이를 측정할 수 있는 베이스 장치와, 촬영면의 조도조절과 촬영면과 광원의 각도를 조절할 수 있는 조명장치와, 균열 이미지의 영상처리 단계별 실험과 종합적 분석이 가능한 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부와, 상기 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부에서 취득된 이미지를 기반으로 균열홈이 가공된 캘리브레이션 장치를 포함하여 구성된다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 먼저 카메라 자세조절장치와, 균열 폭 조절장치와, 베이스 장치와, 조명장치에 대한 일 구현예를 첨부한 6의 사진과, 도 12 내지 도 16의 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.
상기 카메라 자세조절장치는 수직으로 세워지는 포스트 구조물(11)을 기본 골격으로 하고, 이 포스트 구조물(11)에 시험편 촬영을 위한 카메라 지그(14)가 설치된다.
상기 베이스 장치는 포스트 구조물(11)과 연결되며 바닥면에 배치되는 베이스 구조물(10)을 골격으로 하고, 상기 균열 폭 조절장치로서 베이스 구조물(10)상에 시험편 장착을 위한 시험편 지그(13)가 설치된다.
또한, 상기 베이스 장치의 주변에는 복수개의 조명수단(40)이 각도 조절 가능하게 배치된다.
상기 베이스 구조물(10)의 윗면에는 시험편 지그(13)가 속해 있는 영역을 포함하는 일정한 면적, 예를 들면 베이스 구조물 전체 길이의 약 2/3 정도의 길이에 해당하는 면적에 걸쳐 그리드(34)가 형성되어 있어서 카메라 촬영시 왜곡보정을 할 수 있고, 또 베이스 구조물(10)의 윗면 일측에는 길이방향으로 나란하게 배치되면서 1mm 단위 눈금을 가지는 눈금자(35)가 구비되어 있어서 이것을 통해 촬영시 거리에 대한 최대 최소 화각을 검증할 수 있도록 되어 있다.
상기 포스트 구조물(11)은 베이스 구조물(10)상에서 길이방향으로 위치를 옮길 수 있는 구조로 설치되는 바, 이를 위하여 베이스 구조물(10)의 폭 중앙에는 일정구간 가이드 기어(17)가 길이방향으로 길게 설치되고, 이렇게 설치되는 가이드 기어(17)의 양편으로는 2개의 가이드 레일(18a)이 나란하게 설치되며, 이때의 가이드 레일(18a) 위에 포스트 구조물(11)의 하단 플레이트 부재가 슬라이드가능하게 지지되는 구조로 설치된다.
또한, 상기 포스트 구조물(11)의 한쪽 측면부에는 플레이트 부재의 저면부에 회전가능한 형태로 양단 지지되는 구조의 길다란 축이 폭방향으로 설치되고, 이때의 축 한쪽 끝에는 거리조절용 핸들(15)이 장착되는 동시에 축길이 중간쯤에는 상기 가이드 기어(17)와 맞물리는 형태의 구동 기어(16)가 장착된다.
이에 따라, 거리조절용 핸들(15)을 조작하면 기어 간의 전동에 의해 포스트 구조물(11) 전체가 베이스 구조물(10)의 길이방향을 따라 이동할 수 있게 된다.
상기 시험편 지그(13)는 콘크리트 시험편을 장착하는 부분으로서, 베이스 구조물(10)상에 관통 지지되는 저면 중심부의 축(30)을 통해 설치되는 베이스 플레이트(19)와, 실제 시험편이 장착되는 한쌍의 시험편 장착블럭(20a),(20b)으로 구성된다.
상기 베이스 플레이트(19)의 경우 축(30)을 중심으로 하여 평면상에서 회전가능한 구조를 가지게 되며, 이에 따라 카메라에 대한 시험편의 촬영각도를 다양하게 구현할 수 있게 된다.
또한, 베이스 플레이트(19)는 이것의 회전궤적을 따라가면서 베이스 구조물(10)상에 형성되는 곡선형의 슬롯(31)과, 이 슬롯(31)을 통해 베이스 플레이트(19)와 베이스 구조물(10)을 관통 체결하고 있는 공지의 레버식 록킹장치(23a)에 의해 회전 후의 조절된 각도가 고정 유지될 수 있게 된다.
즉, 도 16에 도시한 바와 같이, 레버식 록킹장치(23a)을 한쪽을 젖혀 록킹 상태를 해제한 다음 베이스 플레이트(19)의 회전각도를 조절하고, 조절 후 재차 레버식 록킹장치(23a)를 잠그면 베이스 플레이트(19)는 이때의 조절된 상태 그대로 고정될 수 있게 된다.
또한, 상기 베이스 플레이트(19)의 축 지지부위에는 축의 회전각도를 감지하는 공지의 센서 수단이 설치되고, 이때의 센서 수단으로부터 제공되는 신호를 받아 이를 수치로 나타내는 공지의 디스플레이장치(32)가 베이스 구조믈(10)의 일측에 설치되므로서, 베이스 플레이트(19)의 각도조절, 즉 시험편 지그(13)의 각도조절을 보다 편리하게 또 미세하고 정밀하게 수행할 수 있게 된다.
특히, 상기 균열 폭 조절장치인 시험편 지그(13)는 시험편의 균열 폭을 조절할 수 있는 수단을 포함하는 바, 이를 위하여 베이스 플레이트(19)상의 시험편 장착블럭(20a),(20b)은 플레이트의 상부에서 폭 양쪽에 나란하게 설치되는 가이드 레일(18b)에 의한 슬라이드 지지를 받으면서 위치를 이동할 수 있는 구조로 설치되고, 이때 2개의 시험편 장착블럭(20a)(20b) 중 어느 하나의 시험편 장착블럭(20a)이 베이스 플레이트(19)상에 설치되는 미세조절장치(21)에 스크류 전동가능한 형태로 조합된다.
이에 따라, 도 15에 도시한 바와 같이, 미세조절장치(21)를 돌리는 조작을 통해 이것과 연동되는 시험편 장착블럭(20a)을 움직여줌으로써, 2개의 장착블럭 간의 간격, 즉 균열부위를 경계로 하여 각 장착블럭에 놓여지는 시험편의 균열 폭을 조절할 수 있게 된다.
또한, 상기 시험편 지그(13)에는 시험편 균열 폭 조절시 이때의 조절 정도를 확인할 수 있는 수단을 포함하는 바, 이를 위하여 베이스 플레이트(19)의 한쪽 측면에는 장착블럭의 측면부와 나란하게 버어니어 캘리퍼스(22), 예를 들면 디지털 수치 표시 화면을 가지는 버어니어 캘리퍼스가 설치되고, 이때의 버어니어 캘리퍼스의 슬라이드체가 이동가능한 시험편 장착블럭(20a)에 결합되어 함께 움직이게 되므로서, 시험편 장착블럭(20a)의 이동거리를 버어니어 캘리퍼스에 표시되는 수치로 손쉽게 확인할 수 있게 된다.
또한, 상기 시험편 장착블럭(20a),(20b)의 경우 베이스 플레이트(19)의 일측에서 길이방향으로 나란하게 설치되어 있는 가이드 봉(33) 내에 그 한쪽이 슬라이드가능한 형태로 끼워지면서 레버식 록킹장치(23c)에 의한 구속을 받을 수 있도록 되어 있다.
이에 따라, 레버식 록킹장치(23c)를 한쪽으로 젖혀서 풀면 이동가능한 상태가 되고, 반대쪽으로 젖혀서 조이면 고정가능한 상태가 된다.
이러한 레버식 록킹장치(23c)는 각 장착블럭의 전체적인 세팅상태를 조절할 필요가 있을 때 사용할 수 있다.
상기 카메라 지그(14)는 카메라를 장착하는 부분으로서, 사각 플레이트를 이용하여 후술하는 높이조절장치의 스크류 이동장치(27)측에 지지되는 "ㄷ"자형의 고정블럭(28)과, 통상의 슬라이드 착탈식으로 카메라를 장착할 수 있는 회전블럭(29)으로 이루어져 있다.
이때, 상기 회전블럭(29)은 고정블럭(28) 내에 수용되면서 수평방향으로 체결되는 축에 의해 고정블럭(28)과 결합되며, 이에 따라 회전블럭(29)은 축을 중심으로 하여 위아래로 회전되면서 카메라의 상하방향 각도 조절을 가능하게 해준다.
특히, 상기 고정블럭(28)과 회전블럭(29)은 측면에서 수평방향으로 관통 체결되는 레버식 록킹장치(23b)에 의해 결속되는 형태로 서로 구속될 수 있도록 되어 있어서 레버식 록킹장치(23b)의 조작을 통해 회전블럭(29)을 포함하는 카메라의 각도조절을 위한 조작 및 조절된 상태의 유지 등이 가능하게 된다.
상기 카메라 지그(14)는 포스트 구조물(11)을 따라 위아래로 이동하는 방식으로 시험편과의 거리(높이)를 조절할 수 있는 구조로 되어 있다.
이를 위하여, 포스트 구조물(11)의 일측에는 브라켓을 통해 회전조작가능하면서 축에 구동 풀리(25)를 가지는 높이조절용 핸들(24)이 설치되고, 포스트 구조물(11)의 전면에는 길이방향으로 나란하게 위치되면서 베어링을 매개로 양단 지지되는 형태의 스크류 이동장치(27)가 설치되는 동시에 이와 나란하게 한쪽 옆에는 가이드 레일(18c)이 설치되는 한편, 상기 스크류 이동장치(27)의 하단에는 피동 풀리(26)가 장착되고, 이때의 피동 풀리(26)는 벨트 등으로 상기 구동 풀리(25)와 연결되어 서로 전동이 가능한 형태가 된다.
또한, 상기 카메라 지그(14)의 본체는 스크류 이동장치(27)의 슬라이드체에 일체식으로 결합되는 동시에 가이드 레일(18c)에 슬라이드 안내를 받을 수 있는 형태로 결합된다.
이에 따라, 높이조절용 핸들(24)을 조작하면 벨트 전동에 의해 스크류 이동장치(27)가 가동되면서 슬라이드체의 움직임에 따라 카메라 지그(14)는 위아래로 움직이면서 위치를 옮길 수 있게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증장치의 구성중 비전센서 즉, CCD 카메라에서 촬영된 균열 이미지의 영상처리 단계별 실험과 종합적 분석이 가능한 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부(50)와, 상기 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부에서 취득된 이미지를 기반으로 균열홈이 가공된 캘리브레이션 장치(60)를 첨부한 도 11을 참고로 설명하면 다음과 같다.
상기 캘리브레이션 장치(60)의 주요 구성인 균열판(62)이 케이스(64)내에 안착되는 바, 이 균열판(62)은 열 변형이 적은 SUS재질에 레이저로 0.1mm~1.0mm 까지 0.1mm폭 단위로 균열홈(66)이 가공되고, 정밀도는 ±5 ㎛로 구비된 것이다.
또한, 상기 캘리브레이션 장치(60)의 외곽 케이스(64)에는 열변형을 파악할 수 있게 주변온도를 측정하는 온도계(68)와, 균열 각도를 파악할 수 있는 각도측정장치, 길이를 표기한 2개의 룰러(69, ruler) 등이 소정의 위치에 부착된다.
이에, 검증할 균열검출 시스템의 비전센서를 자세 조절 장치에 장착하고 검증하고자 하는 항목별로 해당하는 장치들을 조절해가며 이미지를 획득한 후, 그 시스템이 사용하는 알고리즘을 적용하여 균열 폭 측정 결과를 도출하고 검증장치의 폭 설정 값과 비교 검증한다. 신뢰성 검증 시스템의 기능 및 검증 항목은 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
상기 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부는 획득한 균열 이미지의 영상처리 단계별 실험과 그 영향에 대해 종합적 분석이 가능한 영상처리를 위한 것으로서, 도 7은 그 메인 화면을 보여주고 있다.
상기 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부는 Boland C++로 개발된 것으로서, 균열 측정을 위한 영상처리에 있어서 여러 가지 기법들을 종합적으로 탑재하여 이미지에 적용 및 분석할 수 있도록 개발된 것이며, 그 세부 기능은 아래의 표 2에 기재된 바와 같다.
여기서, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열측정시스템을 위한 신뢰성 검증 방법을 하나의 시험예로서 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 신뢰성 검증 시스템을 이용하여 이미지에서 나타나는 가장 중요한 항목인 균열의 적합한 임계값(Threshold Value) 설정과 검증방법에 대해 시험예로서 균열 폭 측정 실험을 수행하였다.
균열 화상을 얻기 위해 사용한 비전센서는 23.7×15.7mm사이즈의 CMOS센서를 장착한 카메라를 채택하고, 이 카메라의 유효 화소수는 12.4메가 픽셀이며, 기록 화소수는 L, M, S 세가지 모드를 지원하는데 본 실험에서는 S모드: 2144×1424 pixel를 사용하였다.
카메라를 시험편에 수직을 이루게 하고, 상기한 수학식 1과 같이 촬영면은 214.4×142.4mm 로 설정하여, 하나의 화소가 나타내는 실제 길이가 0.1mm가 되게 하였다.
조명은 650W Tungsten Halogen Lamp 2개를 시험편과 60도가 되게 배치하였으며, 시험편에 대한 밝기를 균일화하여 빛에 대한 영향을 최소화하였다.
케이스별 실험은 균열 폭 0.1mm~0.9mm까지 0.1mm씩 증가시키면서 각 균열 폭에 대해 0°~ 90°까지 10°씩 변화시키면서 이미지를 취득하였다.
이렇게 각 케이스별로 실험하여 취득한 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화를 수행하였으며, 히스토그램 평활화(histogram equalization)은 생략하였다.
히스토그램 평활화를 생략한 이유는 실험조건에서 빛에 대한 영향을 최소화하였고, 시험편의 표면의 색이 균일하기 때문이며, 히스토그램 평활화의 균열 폭에 대한 영향을 제외시키기 위함이다.
여기서, 케이스 별 실험 중 하나의 예(0.1mm, 0°)를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본래 이미지(original image)를 그레이 스케일(Gray-Scale)로 변환하면 첨부한 도 8와 같이 나타나고, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도 8의 중앙부를 확대해서 나타낸 이미지는 도 9에 나타낸 바와 같다.
이론적으로, 균열에 해당하는 픽셀이 1픽셀라인으로 나타나야 하지만, 도 9 에서 보는 바와 같이 균열영역 1픽셀라인의 인접 픽셀라인에 균열영역과 비슷한 값을 갖는 픽셀들이 보여지게 되는 바, 이러한 현상은 대부분의 균열 이미지에서 나타나는 현상인데 CCD의 포토 다이오드(Photo Diode) 배열에서의 균열 폭의 위치, 빛의 간섭, 촬영면적의 정확성, 렌즈 수차 등의 영향으로 발생된다.
이때, 이진화를 위한 임계값(Threshold Value)를 어떻게 설정하느냐에 따라 균열 값이 0.1mm가 될 수도 있고, 0.2mm 또는 0.3mm가 될 수도 있다.
그러나, 실험조건에서 설정한 균열 폭 값은 0.1mm이므로 중심부의 가장 어둡게 나타나는 픽셀라인이 균열이며, 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부를 통해 가장 어둡게 나타나는 픽셀라인의 이진화 임계값(Threshold Value)은 37임을 알 수 있었고, 이 37의 값으로 이진화시킨 이미지는 첨부한 도 10에 나타낸 바와 같다.
이와 같이, 본 발명에 따른 시험예를 통해 이미지에 나타나는 균열의 특성과 각 케이스별로 정확한 균열 추출을 위한 이진화 임계값(Threshold Value)을 얻을 수 있었다.
이러한 결과로 통해, 콘크리트 균열을 측정하는데 있어 보다 정확한 결과를 얻을 수 있는 본 발명의 캘리브레이션(Calibration) 장치가 만들어진 것으로서, 실제 모습은 첨부한 도 11에 나타낸 바와 같다.
상기 캘리브레이션 장치(60)의 주요 구성인 균열판(62)이 케이스(64)내에 안착되는 바, 이 균열판(62)은 열 변형이 적은 SUS재질에 레이저로 0.1mm~1.0mm 까지 0.1mm폭 단위로 균열홈(66)이 가공되고, 정밀도는 ±5 ㎛로 구비된 것이며, 상기 캘리브레이션 장치(60)의 외곽 케이스(64)에는 열변형을 파악할 수 있게 주변온도를 측정하는 온도계(68)와, 균열 각도를 파악할 수 있는 각도측정장치, 길이를 표기한 2개의 룰러(69,ruler) 등이 소정의 위치에 부착된다.
이러한 본 발명의 캘리브레이션 장치에 대한 사용 방법은 캘리브레이션 장치의 균열판을 콘크리트 표면과 함께 촬영해서 이미지를 취득하고, 상기한 바와 같이 캘리브레이션 장치의 균열판 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구한 후, 실제 콘크리트 균열 사진과 대비를 통해 실제 콘크리트 균열의 데이터 오차 검증이 이루어지는 과정으로 진행됨에 따라, 콘크리트 균열 측정에 대한 신뢰성을 크게 높일 수 있다.
즉, 실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 함께 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하되, 균열폭의 각도에 따라 적용해야 할 임계값을 서로 다르게 구한 후, 실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시함으로써, 콘크리트 균열 측정에 대한 신뢰성 검증 정확도를 크게 높일 수 있다.
10 : 베이스 구조물 11 : 포스트 구조물
13 : 시험편 지그 14 : 카메라 지그
15 : 거리조절용 핸들 16 : 구동 기어
17 : 가이드 기어 18a,18b,18c : 가이드 레일
19 : 베이스 플레이트 20a,20b : 시험편 장착블럭
21 : 미세조절장치 22 : 버어니어 캘리퍼스
23a,23b,23c : 레버식 록킹장치 24 : 핸들
25 : 구동 풀리 26 : 피동 풀리
27 : 스크류 이동장치 28 : 고정블럭
29 : 회전블럭 30 : 축
31 : 슬롯 32 : 디스플레이장치
33 : 가이드 봉 34 : 그리드
35 : 눈금자 40 : 조명수단
50 : 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부
60 : 캘리브레이션 장치 62 : 균열판
64 : 케이스 66 : 균열홈
68 : 온도계 69 : 룰러
13 : 시험편 지그 14 : 카메라 지그
15 : 거리조절용 핸들 16 : 구동 기어
17 : 가이드 기어 18a,18b,18c : 가이드 레일
19 : 베이스 플레이트 20a,20b : 시험편 장착블럭
21 : 미세조절장치 22 : 버어니어 캘리퍼스
23a,23b,23c : 레버식 록킹장치 24 : 핸들
25 : 구동 풀리 26 : 피동 풀리
27 : 스크류 이동장치 28 : 고정블럭
29 : 회전블럭 30 : 축
31 : 슬롯 32 : 디스플레이장치
33 : 가이드 봉 34 : 그리드
35 : 눈금자 40 : 조명수단
50 : 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부
60 : 캘리브레이션 장치 62 : 균열판
64 : 케이스 66 : 균열홈
68 : 온도계 69 : 룰러
Claims (5)
- 시험편의 균열 이미지에 대한 영상처리 단계별 실험과 종합적 분석이 가능한 균열 측정 신뢰성 검증 연산처리부에서 취득된 이미지를 기반으로 균열홈이 가공된 구조로서,
열 변형이 적은 SUS재질에 레이저로 0.1mm~1.0mm 까지 0.1mm폭 단위로 홈이 가공된 균열판과;
균열판이 안착되는 보호 케이스와;
상기 케이스의 외주부에 부착되어, 균열판의 열변형을 파악하고자 주변온도를 측정하는 온도계;
로 구성된 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 장치
- 청구항 1에 있어서,
상기 케이스 외주부에는 균열 각도를 파악할 수 있는 각도측정장치와, 균열 길이를 표기한 2개의 룰러(ruler)가 더 부착된 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 장치.
- 카메라를 시험편에 수직을 이루게 한 후, 콘크리트 시험편의 표면을 촬영하여, 콘크리트 시험편에 대한 이미지를 취득하는 단계와;
취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 단계와;
설정된 임계값에 따라, 실제 균열과 같은 다수의 균열홈이 소정의 폭 단위로 미리 가공된 캘리브레이션 장치의 균열판을 구비하는 단계와;
실제 측정대상의 콘크리트 표면과 균열판을 촬영하여, 실제 콘크리트 표면 이미지와 균열판의 이미지에서 이진화 임계값(Threshold Value)를 구하는 단계와;
실제 콘크리트 표면의 이진화 수행후 균열 사진과, 균열판 표면의 이진화 수행후 균열 사진을 비교하여, 실제 콘크리트 표면의 균열 데이터 오차 검증을 실시하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 콘크리트 시험편에 대한 이미지 취득 단계는 콘크리트 시험편의 케이스별로 균열 폭 0.1mm~0.9mm까지 0.1mm씩 증가시키면서 각 균열 폭에 대해 0°~ 90°까지 10°씩 변화시키면서 이미지를 취득하는 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 방법.
- 청구항 3에 있어서,
취득한 칼라 이미지를 8비트 그레이 스케일(bit Gray-Scale)로 변환한 후, 빛에 대한 영향을 최소화하여 시험편의 표면 색이 균일하기 때문에 히스토그램 평활화를 배제한 채 바로 이진화 임계값(Threshold Value)를 설정하는 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 균열측정시스템의 역치값 보정을 위한 캘리브레이션 방법.
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