KR20120015819A - 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법 - Google Patents

비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법 Download PDF

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Abstract

비접촉식 다채널 디지털 카메라를 이용하여 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터를 생성하는 방법이 제공된다. 비접촉식 다채널 카메라를 조합하는 방식으로 구조물의 다수 운영 지점에 각각 일정 간격으로 설치되는 다수의 타켓을 저속으로 촬영하여 수집하면서 설정 변경 과정을 거치면서 사용자에 의한 상기 타켓 영상의 확인시 보이는 타켓 영상이 뚜렷한 영상이 되도록 하는 최적 상태를 확보한다. 상기 비접촉식 다채널 카메라의 조합 및 인식이 최적의 상태를 유지하면 상기 비접촉식 다채널 카메라로 상기 다수의 타켓을 고속으로 촬영하여 텍스트 파일로 저장한다. 상기 구조물의 상태를 각 부분별로 확인하도록 카메라별 x 축 및 y 축 데이터를 모니터링하고 상기 저장된 타켓 영상을 중속으로 재생한다. 상기 텍스트 파일로 저장된 타켓 영상 데이터를 독출하여 인식된 타겟 이동 좌표를 시간에 따라 누적하여 그래프를 구성하고, 상기 시간에 대한 타겟 좌표를 이용하여 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 얻은 데이터를 구조물 변위 측정용 입력 파라미터 데이터로서 출력한다.

Description

비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법{Non-contact method for generating parameter data for measuring displacement of structure}
본 발명은 구조물 변위 측정에 관한 것으로서, 더 상세하게는 교량과 같은 구조물의 변위를 측정하는 방법에 관한 것이다.
다채널 비접촉식 변위 센서는 시설물 즉 교량, 건물 등의 구조적 안정성 검토를 위한 측정 시스템입니다. 현재 교량, 터널, 건물 등의 유지 관리를 위한 점검과 안전 진단이 정기적으로 수행되고 있다. 구조물의 구조적 특성은 최초 설계 당시의 특성과 차이점을 보이는 것이 일반적이며 부재의 균열 및 구조물의 노후화 등으로 인한 강성 저하에 의하여 구조물의 동 특성에 변화가 나타날 수 있다.
구조물의 동 특성의 변화를 관찰하면 손상의 위치를 파악할 수 있으며 정량적 평가 또한 가능하다. 교량, 터널, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적 계측기이다. 현재 측정 방법은 각 센서와 계측기를 1 : 1로 연결하는 방식의 접촉식 센서를 사용하고 있어 많은 케이블 작업 및 센서를 고정하기 위한 가 시설물의 설치비용 또한 상당하며, 신호를 증폭하고 저장하기 위한 부수적인 장비들이 필요하다. 이에 안전 진단에 사용되고 있는 장비들은 비실용적이거나, 고가의 장비로 교량, 터널 등의 구조물에 적용하기에 보편적이지 못하다. 또한, 이러한 모든 변위 측정 장비들은 전량 수입에 의존하고 있다.
최근 교량, 터널 등의 구조물의 유지 관리에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 자연 재해, 구조물의 노후화 등으로 구조적 안전성의 검토가 요구되는 실정이다. 성능이 저하된 구조물, 노후화된 구조물 등에서 안전성이 불확실하여 대형 참사를 유발할 가능성이 있다. 따라서 미리 방지하기 위한 대비책 및 보수, 보강 대책을 강구하여 인명과 경제적 손실을 방지하기 위해 구조물의 현재 상태를 효율적으로 분석하고 추정하는 것이 매우 중요한 문제가 되었다.
본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 비접촉식 다채널 디지털 카메라를 이용하여 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터를 생성하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법은 (i) 비접촉식 다채널 카메라를 조합하는 방식으로 구조물의 다수 운영 지점에 각각 일정 간격으로 설치되는 다수의 타켓을 저속으로 촬영하여 수집하면서 설정 변경 과정을 거치면서 사용자에 의한 상기 타켓 영상의 확인시 보이는 타켓 영상이 뚜렷한 영상이 되도록 하는 최적 상태를 확보하는 단계; (ii) 상기 비접촉식 다채널 카메라의 조합 및 인식이 최적의 상태를 유지하면 상기 비접촉식 다채널 카메라로 상기 다수의 타켓을 고속으로 촬영하여 텍스트 파일로 저장하는 단계; (iii) 상기 구조물의 상태를 각 부분별로 확인하도록 카메라별 x 축 및 y 축 데이터를 모니터링하고 상기 저장된 타켓 영상을 중속으로 재생하는 단계; 및 (iv) 상기 텍스트 파일로 저장된 타켓 영상 데이터를 독출하여 인식된 타겟 이동 좌표를 시간에 따라 누적하여 그래프를 구성하고, 상기 시간에 대한 타겟 좌표를 이용하여 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 얻은 데이터를 구조물 변위 측정용 입력 파라미터 데이터로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상의 설명에서와 같이, 비접촉식 다채널 디지털 카메라를 이용한 구조물의 동적 변위 측정 시스템은 카메라의 영상 이미지를 이용하기 때문에 매우 경제적이며, 접근이 어려운 구조물의 진동 및 동적 특성을 측정할 수 있다. 또한, 더욱 중요한 것은 이러한 측정 시스템을 통해 모형의 다리, 건물을 사전 풍동, 진동 시험을 통해 그 변위량을 측정함으로써 구조물 설계기술 발전에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 설명된 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법에 적용될 수 있는 비접촉식 다채널 디지털 카메라 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화면에 디스플레이되는 타켓 영상 데이터를 나타낸 도면들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면 전체 모니터링을 위한 디지털 카메라 6대를 운영 지점 및 역할을 부여한다(단계 1). 도 2는 도 1에 설명된 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법에 적용될 수 있는 비접촉식 다채널 디지털 카메라 시스템을 나타낸 도면이다.
다수의 타켓은 상기 교량의 좌측 교각의 중심점에 설치되는 제1 타켓(212), 상기 교량(200)의 우측 교각의 중심점에 설치되는 제2 타켓(214), 상기 교량(200)의 중심점에 설치되는 제3 타켓(216), 상기 제1 타켓(212)과 상기 제3 타켓(216) 간의 교각 지점에 설치되는 제4 타켓(218), 및 상기 제2 타켓(214)과 상기 제3 타켓(216) 사이의 교각 지점에 설치되는 제5 타켓(220)을 포함한다.
교량의 효율적 모니터링을 위해서는 교량의 카메라의 효율적 배치는 6대로 구성한다. 즉, 상기 비접촉식 다채널 카메라(230)는 교량의 교각 전체를 모니터링하기 위하여 촬영하는 제1 카메라(232); 및 상기 제1 타켓(212) 내지 제5 타켓(220)을 각각 개별 촬영하는 5개의 제2 카메라(234)로 이루어진다.
이와 같은 카메라 구성은 영상에서 획득한 데이터 신뢰성을 높이고, 왜곡을 방지하기 위한 최적의 구성이라 볼 수 있다.
이어서, Low-Speed Image Acquisition은 초기 타켓을 설치 후 주변환경과 구조물에 대한 카메라의 조합 및 인식 여부를 확인하는 과정으로, 비접촉식 다채널 카메라를 조합하는 방식으로 구조물의 다수 운영 지점에 각각 일정 간격으로 설치되는 다수의 타켓을 저속으로 촬영하여 수집하면서 설정 변경 과정을 거치면서 사용자에 의한 상기 타켓 영상의 확인시 보이는 타켓 영상이 뚜렷한 영상이 되도록 하는 최적 상태를 확보한다(단계 2). 상기 최적 상태는 타겟의 위치, 초점, 밝기 등의 상태에 따라 변형된다. 이 시스템은 고속 영상을 저장한 뒤에 파일을 불러와서 타켓의 변화를 인식하여 변위량을 측정하는 시스템으로 기존의 제품들은 측정 후에 데이터를 확인하였을 때 타겟을 제대로 인식하지 못하거나 주변의 영향으로 인하여 측정이 잘못되면 몇 번이고 측정을 하여야하는 불편함이 있는데 저속으로 영상을 수집하면서 타겟이 바로 인식하는지의 확인할 수 있는 기능이다. 이 부분에서는 양질의 영상을 수집하기 위한 작업을 한다. 가장 크게 영향을 주는 것은 카메라의 렌즈(235)를 이용하여 초점을 조절할 수도 있고, 조리개를 이용하여 밝기를 조절할 수 있다.
이때 6대의 카메라(232, 234)를 초당 30프레임의 속도로 촬영하여, 영상을 저장하고 설정을 변경과정을 거치면서 최적의 상태를 확보하게 된다. PC(도시안됨)에서 비접촉식 디지털 카메라로 신호를 보내면 카메라에서 영상을 수집하게 된다. 이 영상은 PC 내부에 저장된다. PC는 IEEE1394B 타입의 카메라가 연결이 되어 있어서 영상 데이터를 바이너리 타입으로 저장하게 됩니다. 이 바이너리 타입으로 저장된 영상데이터를 다시 불러와서 타켓을 학습(Image Learning)을 한 후 Pattern Matching 함수를 이용하여 타겟을 인식하게 됩니다. 이 인식되는 X, Y좌표로 표현을 하게 되며 이 데이터는 txt or xls(엑셀)파일로 저장하게 됩니다. 이 경우, 저속영상저장 방식에는 Pattern Matching 알고리즘이 더 추가가 되어 있어서 고속 영상 저장 방식보다 속도가 낮다. 초당 30프레임의 촬영은 영상과 타켓의 인식 여부를 가장 편하고 빠르게 진행할 수 있으며, 본 발명의 실시에 따른 과정에서 얻어진 카메라에 대한 파라미터를 나타낸다.
1. IEEE 1394 Link to Image
2. Camera Config & Attributes
-Auto Exposure
-Brightness
-Frame Rate
-Gain
-Gamma
-Sharpness
-Shutter Speed
-Trigger Delay
3. Camera Image Save
그 후, Hi-Speed Image Acquisition은 상기 비접촉식 다채널 카메라의 조합 및 인식이 최적의 상태를 유지하면 상기 비접촉식 다채널 카메라로 상기 다수의 타켓을 고속으로 촬영하여 텍스트 파일로 메모리(도시안됨)에 저장한다(단계 3). 이때 영상은 초당 125프레임의 속도로 촬영하여 영상을 저장하게 되며, 촬영된 영상은 동시에 볼 수 없으며, PC 화면에는 저장되는 영상이 나타나지 않게 된다. 단계 3에서의 고속으로 촬영하는 이유는 구조물에서 발생하는 진동은 약 4~ 15Hz정도 됩니다. 이를 측정하기 위해서는 최소 5배 이상의 촬영 속도가 되어야 진동을 측정할 수 있으며, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)이 가능하다. 이에 프로그램에서 수집하는 속도와 영상이 저장되는 속도의 합의 최대 125 프레임까지 가능하다. 이는 컴퓨터와 OS성능이 높아진다면 속도는 올라갈 수 있다. 본 발명이 실시과정에서 얻어진 카메라에 대한 파라미터는 아래 도표와 같다.
1. IEEE 1394 Link to Image
2. Camera Config & Attributes
-Auto Exposure
-Brightness
-Frame Rate
-Gain
-Gamma
-Sharpness
-Shutter Speed
-Trigger Delay
3. Camera Image Save
4. Image Acquisition Data View
그 후, Image Acquisition Data View는 고속으로 촬영된 영상과 데이터를 동시에 보여주는 과정으로 상기 구조물인 교량(200)의 상태를 각 부분별로 확인하도록 카메라별 x 축 및 y 축 데이터를 모니터링하고 상기 저장된 타켓 영상을 중속, 예를 들면 초당 100개 프레임의 속도로 재생한다(단계 4).
이러한 100 개 프레임의 속도로의 재생은 본 발명과정에서 영상과 데이터가 왜곡없이 정확히 일치하는 시점으로, 영상을 확인하면서 데이터를 확인할 수 있도록 한다. 아래의 도표는 본 발명 실시과정에서 얻어진 카메라에 대한 파라미터를 나타내고 있다.
1. Target 지정 및 Image Learn 함수
2. ROI(Region of Interest) 지정 함수
3. Pattern Matching 함수
4. 영상 변환 좌표 함수 (X, Y 2축 변환)
5. Edge 인식 함수
6. 영상 확대/축소, 상하좌우 이동, 현재 좌표 인식 함수
7. FFT 주파수 변환 함수
각 카메라별 X축 Y축의 데이터를 모니터링하고, 최대 6대의 데이터를 동시에 확인할 수 있도록 구성한다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화면에 디스플레이되는 타켓 영상 데이터를 나타낸 도면들이다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 6개의 화면을 동시에 볼 수 있도록 구성하여 교량의 상태를 각 부분별로 즉시 확인할 수 있도록 구성하였다.
Data Result는 텍스트 파일로 저장된 데이터를 불러와 그래프 및 현상을 분석하고 재가공하여 저장할 수 있는 기능으로, 상기 텍스트 파일로 저장된 타켓 영상 데이터를 독출하여 인식된 타겟 이동 좌표를 시간에 따라 누적하여 그래프를 구성하고, 상기 시간에 대한 타겟 좌표를 이용하여 FFT 과정을 수행하여 얻은 데이터를 구조물 변위 측정용 입력 파라미터 데이터로서 출력한다(단계 5). 고속으로 저장한 영상을 불러와서 인식된 타겟 이동 좌표를 시간에 따라 누적을 하면 그래프로 표현이 됩니다. 이 시간에 대한 타겟의 좌표를 이용하여 FFT를 하게 된다면 그 시간대에 구조물에 미치는 주파수 대역을 파악할 수 있으며, 그 데이터를 가지고 시뮬레이션 툴에 파라미터 입력 데이터 자료로 활용할 수 있다.
상기 구조물 변위 측정용 입력 파라미터 데이터는 구조해석 시뮬레이션 프로그램에 입력되어 프로그램에서 구조 해석을 하여 교량의 상태 및 변형되는 곳을 확인이 가능하도록 하는 데이터로 이용된다. 본 프로그램은 LabVIEW를 이용하여 PC1대로 CPU를 운영 최대 8CPU로 분할하여 사용하며, 1대의 PC(도시안됨)로 6대의 카메라의 영상을 저장하게 된다. 데이터 측정 속도는 100 Sample/Sec이며, 영상이미지는 RAID방식을 이용하여 테라바이트급의 대용량 저장 장치(도시안됨)로 구성된다.
1. 영상 Calibration 기능 - 영상좌표를 실제 크기의 변위량으로 전환하여 현재
좌표를 0점으로 보정하는 기능
2. 영상을 X, Y 좌표의 변위량으로 변환하는 함수
3. 타켓을 인식(학습)하는 함수
4. 영상 Pattern Matching 함수
5. 시간에 대한 측정 결과 데이터를 FFT 주파수 변환 함수
200: 교량 212: 제1 타켓
214: 제2 타켓 216: 제3 타켓
218: 제4 타켓 220: 제5 타켓
230: 비접촉식 다채널 카메라 232: 제1 카메라
234: 제2 카메라 235: 렌즈

Claims (4)

  1. (i) 비접촉식 다채널 카메라를 조합하는 방식으로 구조물의 다수 운영 지점에 각각 일정 간격으로 설치되는 다수의 타켓을 저속으로 촬영하여 수집하면서 설정 변경 과정을 거치면서 사용자에 의한 상기 타켓 영상의 확인시 보이는 타켓 영상이 뚜렷한 영상이 되도록 하는 최적 상태를 확보하는 단계;
    (ii) 상기 비접촉식 다채널 카메라의 조합 및 인식이 최적의 상태를 유지하면 상기 비접촉식 다채널 카메라로 상기 다수의 타켓을 고속으로 촬영하여 텍스트 파일로 저장하는 단계;
    (iii) 상기 구조물의 상태를 각 부분별로 확인하도록 카메라별 x 축 및 y 축 데이터를 모니터링하고 상기 저장된 타켓 영상을 중속으로 재생하는 단계; 및
    (iv) 상기 텍스트 파일로 저장된 타켓 영상 데이터를 독출하여 인식된 타겟 이동 좌표를 시간에 따라 누적하여 그래프를 구성하고, 상기 시간에 대한 타겟 좌표를 이용하여 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 얻은 데이터를 구조물 변위 측정용 입력 파라미터 데이터로서 출력하는 단계를 포함하는 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 구조물인 교량이고, 상기 다수의 타켓은 상기 교량의 좌측 교각의 중심점에 설치되는 제1 타켓, 상기 교량의 우측 교각의 중심점에 설치되는 제2 타켓, 상기 교량의 중심점에 설치되는 제3 타켓, 상기 제1 타켓과 상기 제3 타켓 간의 교각 지점에 설치되는 제4 타켓, 및 상기 제2 타켓과 상기 제3 타켓 사이의 교각 지점에 설치되는 제5 타켓을 포함하는 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 비접촉식 다채널 카메라는 교량의 교각 전체를 모니터링하기 위하여 촬영하는 제1 카메라; 및 상기 제1 타켓 내지 제5 타켓을 각각 개별 촬영하는 5개의 카메라로 이루어지는 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 단계 (i)에서 초당 30개 프레임의 속도로 촬영하고, 단계 (ii)에서 초당 125개 프레임의 속도로 촬영하고 단계 (iii)에서 초당 100개 프레임의 속도로 재생하는 비접촉식 구조물 변위 측정용 파라미터 데이터 생성 방법.
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