KR20170069171A - 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치 - Google Patents

고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치 Download PDF

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아씨아엘 안토니오 페리스
잔루카 마르실리아
다니엘레 나달루티
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에어버스 디펜스 앤드 스페이스 게엠베하
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Abstract

본 명세서는 일반적으로 진동 분석 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 명세서는 스트럭쳐의 모듈식 고속 비디오 진동 분석을 위한 기술에 관한 것이다. 고속 비디오 진동 분석에 관한 장치의 실시 예는 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 카메라 배열 및 상기 카메라 배열에 연결된 데이터 분석부를 포함하고, 상기 데이터 분석부는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 추정하고, 상기 적어도 두 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하고, 추정된 변형 및 결정된 깊이 정보를 고려함으로써 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 처리부를 포함한다.

Description

고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치{MODULAR DEVICE FOR HIGH-SPEED VIDEO VIBRATION ANALYSIS}
본 명세서는 일반적으로 진동 분석 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 명세서는 스트럭쳐의 고속 비디오 진동 분석을 위한 기술에 관한 것이다.
최근, 산업 분야에서의 진동과 스트럭쳐(structure)의 건전성 테스트, 특히, 항공 산업에서의 지상과 비행 테스트는 근본적으로 가속도계라는 장치에 기초한다. 가속도계는 매우 정확하고 신뢰할 수 있지만, 긴 준비 및 설치 시간이 필요하고, 고도의 자격을 갖춘 운전자를 요구하고, 실험중인 스트럭쳐를 자체 중량과 함께 적재하며(따라서 스트럭쳐의 진동 응답을 변경함), 이산 지점들에서만 측정이 가능하다.
보다 현대적인 비접촉 기술은 레이저 도플러 진동 측정기(Laser Doppler Vibrometers (LDVs))로 대표된다. 상기 레이저 도플러 진동 측정기는 주로 자동차 산업에 주로 적용되지만, 항공, 민간, 음향, 방위 및 보안 분야에서도 어느 정도 활용된다. 상기 레이저 도플러 진동 측정기의 가장 큰 단점은 가격의 감당성(매우 높은 가격), 조작성(상기 레이저 도플러 진동 측정기의 성능은 외부 일광(external daylight)에 노출되면 약화되며 타겟까지의 거리가 멀어질수록 급격하게 떨어짐), 다기능성(높은 전력 소비와 일반적으로 "부피가 크다(bulky)" 즉, 제한된 공간 또는 표면에서 지나치게 멀리 떨어져서 관찰할 수 없는 활성 광학 시스템(active optical systems)임)이다.
게다가, 제한된 크기(일반적으로 1제곱 미터 정도)의 타겟만이 상기 레이저 도플러 진동 측정기로 테스트될 수 있고, 관찰중인 표면은 레이저 빔에 수직이어야만 한다.
따라서, 스트럭쳐의 진동 분석을 위한 기술의 개선이 필요하다.
본 명세서의 개시는 스트럭쳐의 진동 분석 기술을 개선하기 위한 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 개시에 따른 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는, 스트럭쳐(structure)의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 카메라 배열; 및 상기 카메라 배열에 연결된 데이터 분석부를 포함하고, 상기 데이터 분석부는, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형(deformation)을 추정하고, 상기 적어도 두 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하고, 상기 추정된 변형 및 상기 결정된 깊이 정보를 고려하여 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 처리부를 포함한다.
상기 데이터 분석부는 상기 카메라 배열의 제어 및/또는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 동기화를 수행하는 획득부(acquisition unit)를 더 포함한다.
상기 처리부는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 상기 제1평면 상에서 교정한다.
상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형과 관련된 진동 모드를 감지한다.
상기 처리부는, 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형, 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형과 관련되어 감지된 진동 모드와, 상기 제2평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 계산된 변형을 결합함으로써 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 진동 데이터를 추출한다.
상기 카메라 배열은 적어도 두 고속 카메라들을 포함하고, 상기 두 고속 카메라들 각각은 상기 스트럭쳐를 캡쳐하고 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 고속 비디오 스트림을 생성하기 위해 배열되고 조정된다.
상기 제2평면은 상기 제1평면에 수직이다.
사용자 입력, 사용자 설정, 상기 두 고속 비디오 스트림들 중에서 하나 이상, 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추출된 진동 데이터 및, 상기 추정된 변형의 합성 또는 모델-기반 표현 중에서 적어도 하나, 및/또는 상기 계산된 깊이 정보를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함한다.
그래픽 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 모델-기반 결과를 불러오고(import) 디스플레이하고, 그래픽 사용자 인터페이스의 전용 제어와 윈도우에 의해, 상기 추출된 진동 데이터에 맞춰 상기 모델-기반 결과를 조정한다.
상기 카메라 배열은 가시광선 영역에서 동작하는 고속 비디오 카메라와 비-가시광선 영역에서 동작하는 고속 비디오 카메라를 포함한다.
상기 카메라 배열이 배치되는 이동 가능한 플랫폼을 포함한다.
상기 이동 가능한 플랫폼은 가속도계들과 자이로 센서들 중에서 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 장치는 우주항공 비행체 또는 다른 종류의 장치 또는 스트럭쳐들, 예컨대, 기계, 자동차, 빌딩 또는 교량, 의 비접촉식 진동 분석에 쓰일 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 개시에 따른 스트럭쳐의 고속 비디오 진동에 관한 방법은, 카메라 배열이 상기 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 단계; 데이터 분석부의 처리부가, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터, 제1평면을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 추정하는 단계; 상기 처리부가, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터, 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하는 단계; 및 상기 처리부가, 상기 추정된 변형 및 상기 결정된 깊이 정보를 고려하여 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 단계를 포함한다.
상기 캡쳐된 스트럭쳐의 일부는 사용자-선택 포인트 및/또는 상기 스트럭쳐의 지역이고/지역이거나, 상기 추정하는 단계. 상기 결정하는 단계 및 상기 추출하는 단계는 사용자-선택 순서로 수행된다.
본 명세서의 개시에 의하면, 본 명세서의 장치를 이용할 경우, 개발, 생산, 시험 및 유지 비용뿐만 아니라 품질과 관련 없는 비용의 현저한 감소가 예측된다. 그러므로 이로 인해 인력 비용 및 품질과 관련 없는 비용(유지 보수 및 수리)을 상당히 줄일 수 있다.
또한, 본 명세서의 장치는 실내 및 실외 모두에 사용될 수 있고, 타겟에 대한 방향 및 거리에 관계없이 배치될 수 있으며, 스트럭쳐의 크기에 관계없이 모니터링 할 수 있다.
또한, 제조되는 아이템/스트럭쳐의 개발, 생산, 비-품질 비용이 감소될 수 있고, 동시에 제품 품질이 개선될 수 있다. 이는 엔지니어링, 운영 및 생산(즉, 시간 제약 또는 공간 및 자원 부족)과 같은 영역에서 끊임없이 직면할 수 있는 여러 문제들을 완화시킬 수 있다.
도 1은 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치의 실시 예의 개략도이다.
도 2는 두 고속 카메라들에 의해 캡쳐될 스트럭쳐의 개략도이다.
도 3은 두 고속 카메라들을 포함하는 짐벌 시스템(gimballed system)으로 도시된 센서 헤드부의 개략도이다.
도 4는 짐벌형 센서 헤드부(gimballed sensor head unit)을 갖는 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치의 실시 예의 개략도이다.
도 5는 강화된 데이터 분석부에 연결되고 타겟을 캡쳐하는 2개의 짐벌형 센서 헤드부를 갖는 시나리오의 개략도이다.
도 6은 공기 흡입구를 갖는 데이터 분석기 케이스의 상부에 위치한 공통 인터페이스부 및 디스플레이부의 개략도이다.
도 7은 본 명세서에 기술된 데이터 분석기와 함께 사용 가능한 탈착식(detachable) 휴대용 장치 및 도킹 스테이션의 개략도이다.
도 8은 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 개략적인 흐름도이다.
도 9a는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 개략적인 흐름도이다.
도 9b는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 교정 과정(calibration process)의 개략적인 흐름도이다.
도 9c는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 비디오 획득 과정(video acquisition process)의 개략적인 흐름도이다.
도 9d는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 다중 대응 처리를 갖는 비디오 획득 과정(video acquisition process with multiple correspondence processing)의 개략적인 흐름도이다.
도 9e는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 스테레오 대응 과정(stereo correspondence process)의 개략적인 흐름도이다.
도 9f는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 전처리 과정(pre-processing process)의 개략적인 흐름도이다.
도 9g는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 매칭 포인트의 계산의 개략적인 흐름도이다.
도 9h는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 삼각 측량 과정(triangulation process)의 개략적인 흐름도이다.
도 9i는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 변위 계산(displacement calculation)의 개략적인 흐름도이다.
도 9j는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 실시 예의 일부일 수 있는 3D 모달 분석(3D modal analysis)의 개략적인 흐름도이다.
제1측면에 따르면, 스트럭쳐의 고속 비디오 진동 분석에 대한 장치가 제공된다. 상기 장치는 카메라 배열(camera arrangement) 및 데이터 분석부(data analyzer unit)를 포함한다. 상기 카메라 배열은 상기 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성한다. 상기 데이터 분석부는 상기 카메라 배열에 연결되고 처리부(processing unit)를 포함한다. 상기 처리부는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 추정한다. 상기 처리부는 상기 적어도 두 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정한다. 상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 추정된 변형 및 상기 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 상기 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 고려하여 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출한다.
이러한 방식으로 고속 비디오 처리에 기초한 스트럭쳐의 진동 분석이 가능하다. 본 명세서에서 “고속 비디오(high-speed video)”라 함은 고 시간 해상도(high temporal resolution), 즉, 스트럭쳐의 관심있는 진동의 최대 시간 주파수(maximum temporal frequency)의 적어도 2배 이상으로 기록된 비디오로 이해될 수 있다. 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 고속 비디오 처리에 기초한 비접촉식(contactless/non-contactless) 진동 분석을 수행할 수 있다. 즉, 상기 장치는 스트럭쳐의 비접촉식 진동 분석에 기초하여 고속 비디오를 수행하는데 적합할 수 있다. 고속 비디오 분석을 위한 장치는 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(modular device)라고 할 수도 있다.
상기 스트럭쳐의 전술한 부분은 동일 - 예를 들어, 동일한 크기, 모양 및/또는 위치 - 할 수 있다. 예컨대, 처리부는 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 정확히 하나로부터 제1평면을 따라 캡쳐된 구조의 적어도 일부의 변형을 추정할 수 있다. 상기 제2평면의 상기 축은 평면 외 축(out-of-plane axis)이거나 상기 평면 외 축과 평행할 수 있다. 상기 평면 외 축은 아래에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
변형(deformation)은, 상기 스트럭쳐의 변형으로, 진동 데이터를 초래할 수 있는 임의의 종류의 변동(variation), 움직임(motion) 또는 진동(vibration)인 고속 비디오 스트림에서의 캡쳐된 스트럭쳐의 변형으로 나타낼 수 있는 변형을 의미할 수 있다.
상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 추정된 변형과 상기 제2평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결합함으로써 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출할 수 있다.
이러한 고려 - 예를 들어, 변형의 추정과 깊이 정보의 결정의 결합 - 는 두 직교한 평면들로부터 진동 데이터를 추출할 수 있게 한다. 결과적으로, 공간에서 임의의 방향으로 스트럭쳐의 임의의 변화를 감지할 수 있게 하고, 이러한 카메라 배열, 예를 들어, 하나 이상의 고속 카메라들은, 일광 조건(daylight condition)에서도 작동할 수 있게 한다. 상기 카메라 배열의 상기 하나 이상의 고속 카메라들은, 에너지 방출이 필요 없고 상기 스트럭쳐까지의 거리 및/또는 상기 스트럭쳐의 공간 확장은 광학 구성(즉, 초점 거리 및 시야)을 간단히 조정함으로써 조절될 수 있는 광학 수동 센서들일 수 있다.
하나 이상의 실시 예들에서, 데이터 분석부는 상기 카메라 배열의 제어 및/또는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 동기화를 수행하는 획득부(acquisition unit)를 더 포함할 수 있다.
상기 처리부는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 상기 제1평면 상으로 교정(rectify)할 수 있다.
상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 추정된 변형과 관련된 진동 모드(vibration mode)를 감지할 수 있다.
상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형, 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형과 관련된 감지된 진동 모드와, 상기 제2평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 계산된 변형을 결합함으로써 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출할 수 있다.
상기 카메라 배열은 적어도 하나의 고속 카메라를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 카메라 배열은 적어도 두 고속 카메라들을 포함할 수 있다. 각 카메라는 상기 스트럭쳐를 캡쳐하기 위해 배열되고 적용될 수 있고, 상기 적어도 두 고속 카메라 스트림들의 고속 비디오 스트림을 생성할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 상기 제2평면은 상기 제1평면과 다를 수 있다. 상기 제2평면은 상기 제1평면에 수직할 수 있다. 예컨대, 상기 제1평면은 소위 인-플레인(in-plane), 예컨대 캡쳐된(예컨대, 촬영된) 스트럭쳐 및 잠재적으로 그 주변이 투영된 카메라 배열의 평면이거나 이를 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1평면은 고속 카메라들의 이미지 평면 상의 상기 캡쳐된 스트럭쳐 및 그 주위의 투영을 나타내는 인-플레인(in-plane)일 수 있다.
상기 제2평면은 아웃-오브-플레인(out-of-plane)이거나 상기 아웃-오브-플레인을 포함할 수 있다. 상기 아웃-오브-플레인(out-of-plane)은 상기 인-플레인(in-plane)에 직교될 수 있고, 고속 카메라의 적어도 하나의 시야 방향(viewing direction)에 의해 생성될 수 있다. 상기 제2평면은 아웃-오브-플레인 축(out-of-plane axis)(예컨대, 상기 카메라 배열의 광학 축)이거나 아웃-오브-플레인 축을 포함할 수 있다. 상기 카메라 배열이 적어도 두 고속 카메라들을 포함하는 경우, 상기 적어도 두 카메라들은 상기 제1평면(예컨대, 인-프레인)의 일부를 형성하는 베이스라인에 의해 서로 분리될 수 있다. 상기 베이스라인은 상기 제2평면(예컨대, 아웃-오브-프레인)을 형성하는 직교 축(orthogonal axis)을 가질 수 있다. 또한, 상기 베이스라인이 상기 제2평면을 구성하고, 대응하는 수직 평면은 상기 제1평면일 수 있다. 또한, 상기 제2평면은 상기 제1평면에 수직인 축이거나 수직인 축을 포함하거나, 상기 제1평면은 상기 제2평면에 수직인 축이거나 수직인 축을 포함할 수 있다.
고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 디스플레이부(display unit)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부는 사용자 입력(user input), 사용자 설정(user setting), 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 하나 이상, 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 추출된 진동 데이터, 상기 추정된 변형의 합성 또는 모델-기반 표현(synthetic or model-based representation) 및/또는 결정된 깊이 정보 중에서 적어도 하나를 디스플레이할 수 있다. 상기 디스플레이부는 전용 고대역 데이터 링크(dedicated high bandwidth data link) 및 데이터 버스를 중 적어도 하나를 통해 상기 데이터 분석부와 연결될 수 있다.
고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface)를 포함할 수 있다. 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 모델-기반 결과를 모델-기반 결과를 불러오고(import) 상기 모델-기반 결과를 디스플레이하고, 상기 추출된 진동 데이터(예컨대, 상기 그래픽 사용자 인터페이스의 전용 콘트롤 및 윈도우들에 의해)에 맞춰 상기 모델-기반 결과를 조정(align)할 수 있다. 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 제3자 소프트웨어(third-party software)에 의해 생성된 모델-기반 결과들을 불러오고(import) 디스플레이할 수 있다. 상기 그래픽 사용자 인터페이스는, 상기 그래픽 사용자 인터페이스의 전용 콘트롤및 윈도우들에 의해, 상기 추출된 진동 데이터에 맞춰 상기 모델-기반 결과를 조정(align)할 수 있다. 상기 콘트롤및 윈도우들은 상기 그래픽 사용자 인터페이스에 디스플레이되고, 상기 처리부에 영향을 미치는 파라미터들을 사용자가 제어할 수 있도록 하는 노브(knobs) 및 슬라이더(sliders)일 수 있다. 상기 콘트롤및 윈도우들은 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 포인트나 지역을 선택하기 위해 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 프레임을 잘라(crop)내기 위한 선택기(selector)일 수 있다. 상기 콘트롤 및 윈도우들은 상기 제1평면 및/또는 상기 제2평면 내에서 조사될 방향을 지정하기 위한 컨트롤러일 수 있다. 사용자는 상기 그래픽 사용자 인터페이스를 제어하기 위해 상기 디스플레이부를 사용할 수 있다.
상기 카메라 배열은 가시광선 영역 내에서 동작하는 고속 비디오 카메라 및 비-가시광선 영역 내에서 동작하는 고속 비디오 카메라를 포함할 수 있다. 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(modular device)는 상기 가시광선 영역 또는 상기 비-가시광선 영역(예컨대, 원거리/중거리/근거리 적외선, 자외선) 내에서 동작하는 다양한 유형의 비디오 장치를 지원할 수 있다. 디스플레이 비디오 속도는, 120Hz보다 높은 속도의 디스플레이 비디오 속도를 위해(예컨대 1000 또는 10000 frames/second 또는 그 이상), 25Hz 부터 최대 120Hz까지 다양할 수 있다. 주변 장치의 혼합된 구성의 이용은 센서 융합 기술들(sensor fusion techniques)을 결합하는데 활용되기 위한 옵션일 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 공통 인터페이스부(common interface unit)를 더 포함할 수 있다. 상기 공통 인터페이스부는 상기 데이터 분석부와 연결될 수 있다. 상기 공통 인터페이스부는 상기 사용자 입력을 수행할 수 있고, 적어도 하나의 터치 디스플레이, 전용 키보드, 마우스 및 USB(universal serial bus)를 포함할 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 메모리 저장부(memory storage unit)를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리 저장부는 전용 고대역 데이터 링크 및 데이터 버스 중에서 적어도 하나를 통해 상기 데이터 분석부와 연결될 수 있다. 상기 메모리 저장부는 고속 비디오 스트림을 저장할 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 냉각부(cooling unit)를 포함할 수 있다. 상기 냉각부는 상기 데이터 분석부에 연결되고 열을 발산하도록 배열되고 적용될 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 전력 공급부(power supply unit)를 포함할 수 있다. 상기 전력 공급부는 상기 카메라 배열(예컨대, 적어도 두 고속 카메라들, 상기 데이터 분석부 및 냉각부)에 전력을 공급하도록 배열되고 적용될 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치의 상기 데이터 분석부는 모니터, 제어부 및 컴퓨터 심볼 생성기(computer symbol generator) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 모니터와 상기 제어부는 상기 데이터 분석부의 데이터 전송 및 데이터 처리를 동기화할 수 있다. 상기 컴퓨터 심볼 생성기는 적어도 두 고속 비디오 스트림들, 사용자 입력, 사용자 설정 및/또는 제3자 소프트웨어에 의해 생성된 모델-기반 결과 중에서 적어도 하나를 상기 추출된 진동 데이터와 결합할 수 있다.
상기 카메라 배열과 상기 데이터 분석부는 기계적 및 전기적으로 모듈식일 수 있다. 상기 카메라 배열 및 상기 데이터 분석부는 전용 고대역 비디오 링크와 전용 파워 링크(dedicated power link)를 통해 연결될 수 있다.
원격 제어기(예컨대, 휴대형 태블릿 컴퓨터(hand-held tablet computer))는 무선 데이터 링크를 통해 상기 데이터 분석기에 연결되거나 연결될 수 있다. 이러한 점에서, 상기 데이터 분석부는 상기 원격 제어기의 배터리를 충전하기 위한 도킹 스테이션(docking station)으로 사용될 수 있다. 상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 휴대용 하드웨어 케이스에 저장되거나 저장될 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 센서 헤드부(sensor head unit)를 포함할 수 있다. 상기 센서 헤드부는 상기 데이터 분석부에 의해 제어될 방위각(azimuthal direction) 방향 및 고도 방향(elevational direction)을 회전할 수 있는 상기 적어도 두 고속 카메라들을 운반하도록 배열되고 적용될 수 있다. 즉, 상기 카메라 배열(예컨대, 하나 이상의 카메라들)은 상기 데이터 분석부에 연결되는 상기 센서 헤드부 내에 장착되거나 포함될 수 있다. 상기 센서 헤드부는 하나 이상의 고속 카메라들(예컨대, 적어도 2개의 고속 카메라들)을 슬라이딩(slide)시키기 위한 가이드 레일(guide rail)을 포함할 수 있다.
상기 데이터 분석부는 상기 센서 헤드부를 동기화하고, 상기 적어도 두 고속 카메라들 사이의 거리, 상기 센서 헤드부의 방향 및, 상기 적어도 두 고속 카메라들을 타겟/스트럭쳐로의 조정을 제어할 수 있다.
상기 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치는 고체 가속도계(solid state accelerometer) 및/또는 자이로 센서(gyro sensor) 및/또는 모션 센서(motion sensor)를 포함할 수 있다. 상기 고체 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서 및/또는 상기 모션 센서는 상기 센서 헤드부의 진동 보상을 위해 상기 센서 헤드부 상에 또는 상기 센서 헤드부 내에 위치할 수 있다. 상기 센서 헤드부 내부에서, 상기 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서 및/또는 상기 모션 센서는 상기 카메라 배열 상에도 또는 상기 카메라 배열 내에도 위치할 수 있다. 따라서, 상기 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서 및/또는 상기 모션 센서는 상기 센서 헤드부 및/또는 상기 카메라 배열의 자기-진동(self-vibrations)을 검출할 수 있다. 상기 센서 헤드부는 상기 가속도계, 상기 자이로 센서 및 상기 모션 센서에 의해 생성된 아날로그/디지털 신호를 판독할 수 있는 획득 절차(acquisition process)를 더 제공할 수 있다. 상기 자기-진동 획득 절차는 비디오 획득 절차에 동기화될 수 있다(즉, 고속 카메라 프레임 레이트가 주어지면, 시간(ti, ti +1, …, ti +N)에서 상기 고속 카메라들로부터 획득한 비디오 프레임들을, 시간(ti, ti +1, …, ti +N)의 상기 가속도계, 상기 자이로 센서 및 상기 모션 센서의 출력과 연관(associate)시킬 수 있다). 상기 센서 헤드부는 상기 가속도계, 상기 자이로 센서 및 상기 모션 센서로부터 획득한 신호들을, 여기서 자기-진동 데이터(self-vibration data)로 불리는 적절한 데이터 스트림(suitable data stream)으로 변환(convert)/처리(process)/병합(merge)하기 위해, 상기 신호들을 자세히 분석(elaborate)할 수 있다. 상기 센서 헤드부는 자기 진동 데이터 스트림이 상기 비디오 데이터 스트림과 함께 제공되거나 상기 비디오 데이터 스트림에 내장(embedded)되도록 적용될 수 있다. 상기 센서부는 상기 센서 헤드부 및/또는 상기 카메라 배열에 대한 자기-진동 데이터(self-vibration data)를 상기 데이터 분석부에 제공할 수 있다. 상기 처리부는 모니터링되는 스트럭쳐 부분의 추정된 변형 및/또는 결정된 깊이 정보를 보정(correct)하기 위해 상기 자기-진동 데이터를 획득하고 처리할 수 있다.
상기 고속 비디오 분석을 위한 장치는 상기 카메라 배열이 배열되는 이동 가능한 플랫폼(movable platform)을 포함할 수 있다. 상기 이동 가능한 플랫폼은 로봇식 플랫폼(robotic platform)일 수 있다. 상기 플랫폼의 이동은 원격으로 제어될 수 있다.
상기 이동 가능한 플랫폼은 그 자체의 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 플랫폼은 가속도계 및/또는 자이로 센서 및/또는 모터 센서 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서 및/또는 상기 모션 센서는 상기 이동 가능한 플랫폼 및/또는 상기 카메라 배열의 자기-진동(self-vibrations)을 감지할 수 있다. 상기 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서 및/또는 상기 모션 센서는 상기 검출된(결과) 자기-진동 데이터 또는 상기 검출된 자기-진동을 상기 데이터 분석부에 제공할 수 있다. 자기-진동 데이터 및 상기 검출된 자기-진동은 상기 데이터 분석부로 전송된 상기 비디오 데이터 스트림과 같이 제공되거나 상기 비디오 데이터 스트림에 내장(embedded)되거나, 상기 비디오 분석부에 제공되는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들과 같이 제공되거나 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들에 내장(embedded)될 수 있다. 상기 처리부는 상기 이동 가능한 플랫폼 및/또는 상기 카메라 배열의 상기 감지된 자기-진동에 기초하여 모니터된 상기 스트럭쳐 부분의 진동 데이터를 보정(correct)할 수 있다.
제2양상은 항공 우주 운송 수단 또는 다른 종류의 장치 또는 스트럭쳐들(예컨대, 기계, 자동차, 빌딩 또는 교량)의 비접촉식(non-contact) 진동 분석에서 상기 제1양상에 따른 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치의 사용에 관한 것이다.
제3양상에 따르면, 스트럭쳐의 고속 비디오 진동 분석을 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 카메라 배열이 상기 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 데이터 분석부의 처리부가 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터 제1평면을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 추정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 상기 처리부가 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 상기 처리부가 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 추정된 변형 및 상기 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 상기 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 고려하여 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 단계를 더 포함한다.
상기 캡쳐된 스트럭쳐의 일부는 상기 스트럭쳐의 사용자-선택 포인트 및/또는 지역(region)일 수 있다.
추정하는 단계, 결정하는 단계 및 추출하는 단계는 사용자가 선택한 순서에 따라 수행될 수 있다.
상기 제1양상, 상기 제2양상 및 상기 제3양상에 따른 진동 데이터는 상기 고속 비디오 스트림들로 중첩(superimpose)된 출력의 적절한 세트(예컨대, 관심 지역/포인트에서의 합성 마커(synthetic markers))로 변환될 수 있다. 다른 적절한 출력은 상기 스트럭쳐의 비디오에 중첩되고 진폭에 따라 색깔이 정해지는 가상 편향(virtual deflections)일 수 있다. 또 다른 적절한 출력은 주파수, 진폭, 속도 가속도 및 푸리에 변환의 런타임에서 진화된 동적 그래픽(dynamic graphics) 및 플롯(plots)일 수 있다. 또 다른 적합한 출력은 모든 사용자 설정, 입력 비디오 스트림들 및 관련된 처리 출력들이 저장된 데이터 파일일 수 있다. 또 다른 적합한 출력은 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 구성된 사용자 정의 이벤트(예컨대, 관심있는 특정 지역/포인트에서의 추정된 진폭 또는 편향이 사전에 정의된 임계값을 초과하는 경우)에 의해 발생되는(triggered) 오디오 경고(audio warnings)일 수 있다. 또 다른 적절한 출력은 테이블 및/또는 3D 모델일 수 있으며, 예컨대, FEM 연구와 같은 이전 분석으로부터의 데이터는 들어오는 고속 비디오 스트림들과 비교 및/또는 중첩될 수 있다. 상기 중첩되는 단계는 컴퓨터 심볼 생성기에 의해 수행될 수 있다.
여기서 언급된 스트럭쳐는 항공 우주 운송 수단(예컨대, 항공기, 헬리콥터 또는 위성) 또는 다른 스트럭쳐일 수 있다. 그에 따라, 상기 스트럭쳐의 일부는 상기 스트럭쳐의 지역, 상기 스트럭쳐의 부분 및/또는 상기 스트럭쳐의 구성요소일 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에서 기술된 방법 양상들 중에서 어느 하나의 단계는 하나 이상의 적절한 구성요소, 장치 또는 유닛(예컨대, 진동 분석 장치의 적절한 구성 요소(예컨대, 데이터 분석부, 처리부, 카메라 배열 등))에서 동일하게 수행될 수 있다.
제4양상에 따르면, 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 시스템 또는 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서 실행될 때, 본 명세서에 기술된 방법 양상들 중 어느 하나의 단계가 수행되도록 하는 프로그램 코드 부분을 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터-판독 가능한 기록 매체(computer-readable recording medium)에 저장되거나 신호로서 다운로드 가능할 수 있다.
다음에서, 본 명세서는 도면에 도시된 실시 예들을 참조하여 더 설명되게 될 것이다.
이하에서는, 제한이 아닌 설명의 목적으로, 본 명세서의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 알고리즘과 같은 구체적인 세부 사항을 제시한다. 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 명세서가 이러한 특정 세부 사항들에서 벗어나는 다른 실시 예들에서도 실시될 수 있음을 명백히 알 수 있다. 예컨대, 본 명세서는 주로 2대의 고속 카메라를 참조하여 설명되지만, 고속 카메라의 수는 변경될 수 있다.
본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면, 이하에서 설명되는 기능들이 개별 하드웨어 회로, 프로그램된 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 함께 기능하는 소프트웨어, 응용 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit (ASIC)) 및 또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서들(Digital Signal Processors (DSPs))을 이용하여 실행될 수 있음을 명백히 인식할 수 있다. 또한, 본 명세서가 방법으로 설명될 때, 컴퓨터 프로세서 및 프로세서와 연결된 메모리에서 구현될 수 있으며, 상기 메모리는 상기 프로세서에 의해 본 명세서의 방법이 수행될 수 있는 하나 이상의 프로그램으로 인코딩되어 있다.
도 1은 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)로서 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치의 실시 예의 개략도이다. 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)는 실시 예에서 카메라 배열의 일부를 형성하는 두 고속 카메라들(10)을 포함한다. 모듈식 고속 카메라들(10)은 전력 선들 및 데이터 선들을 통해 데이터 분석부(20)에 연결되어 있다. 비록, 예로서 도 1에는 두 카메라들이 도시되어 있지만, 본 명세서는 두 고속 카메라들에 한정되지 않는다. 도 1에 도시된 예로, 데이터 분석부(20)는 획득부(11), 처리부(12), 메모리 저장부(13), 모니터 및 제어부(14) 및 컴퓨터 심볼 생성기(15)를 포함한다. 획득부(11)는 상기 고속 카메라 동작 및 고속 카메라들(10)로부터의 고속 비디오 스트림의 획득을 제어할 수 있다.
처리부(12)는 전처리 스테이지(pre-processing stage) 및 후처리 스테이지(post-processing state)로 불리는 두 개의 주요 파이프라인된 스테이지들(pipelined stages)을 포함할 수 있다. 상기 전처리 스테이지는 이미지 처리 기술에 의해 입력 비디오 스트림들의 공간적 시간 필터링을 수행한다. 상기 후처리 스테이지는 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 모션들/진동들을 추출하는 방식으로 전처리된 비디오 스트림들에 동작하고, 여기서는 추출되는 모션/진동들은 관측된 표면 평면(인-프레인 축) 및/또는 이에 수직된 평면(아웃-오브-플레인 축)을 따라 촬영/캡쳐되는 변형을 의미한다. 아웃-오브-프레인 모션(out-of-plane motion)은 계산된 픽셀 깊이(depth-of-pixels)(추정 깊이(inferred depth))의 불확실성을 처리하기 위한 통계 모델과 결합된 최신 스테레오 비전 처리 기술(stereo-vision processing techniques)(예컨대, 시차 영상(disparity image))에 의하여 외삽(extrapolate)될 수 있다. 관측된 표면/스트럭쳐의 좌표계를 참조하는 모션 데이터는 표준 기하학 변환(canonical geometric transformation)에 의하여 다른 좌표계(예컨대, x-y-z 시스템)를 참조할 수 있습니다. 처리부(12)는 입력된 고속 비디오 스트림들의 병렬 처리를 달성하기 위해 그래픽 처리부 및 중앙 처리부의 확장 가능한 클러스터를 이용할 수 있다.
메모리 저장부(13)는 고대역 데이터 링크 및 전용 파워 링크를 통해 상기 데이터 분석부에 연결되고, 그랩된(grabbed)/캡쳐된 비디오 세션들/고속 비디오 스트림들을 저장하고, 리플레이를 위해 상기 그랩된(grabbed)/캡쳐된 비디오 세션들/고속 비디오 스트림들을 제공한다. 상기 메모리 저장부(13)는 사용자가 요구한 테스트 설정, 입력 및 출력 또한 저장한다. 상기 장치의 소프트웨어 기반 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 상기 메모리 저장부의 컨텐츠에 접속할 수 있다. 메모리 저장부(13)에 저장된 데이터의 백업/업로드는 상기 USB와 같은 상용 표준 인터페이스(commercial standard interfaces)를 통해 상기 장치에 연결된 외부 상용 메모리 장치부(external commercial off-the-shelf memory unit) 에 의해 수행될 수 있다.
모니터 및 제어부(14)는 데이터 처리부(20)의 데이터 전송, 데이터 처리 및 모든 유무선 입출력을 동기화한다. 컴퓨터 심볼 생성기(15)는 처리부(12)의 출력(예컨대, 주파수, 진폭)을 획득된 비디오, 사용자 입력 및 사용자 설정, 진동 분석의 모델 기반 결과(가능한 경우)와 결합한다.
도 1에는 각각이 데이터 분석부(20)와 분리된 전력 공급부(16), 냉각부(17), 공통 인터페이스부(18) 및 디스플레이부(19) 또한 도시되어 있다. 전력 공급부(16)는 냉각부(17), 고속 카메라들(10) 및 데이터 분석부(20)로 전력을 공급한다. 냉각부(17)는 데이터 분석부(20)를 위해 열을 방출(heat dissipation)한다. 공용 인터페이스부(18)는 전용 키보드, 마우스 및/또는 USB 포트를 제공한다. 디스플레이부(19)는 사용자 입력 및 사용자 설정, 입력 비디오, 예컨대, 리플레이 모드, 추출된 진동 데이터, 후처리 비디오 및/또는 검출된 모션/진동/변형의 임의의 합성 또는 모델 기반 표현에 대한 디스플레이를 제공한다. 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)의 모든 유닛들은 기계적, 전기적, 및 절차적인 모듈식일 수 있다.
도 2는 두 고속 비디오 카메라들(10)을 포함하는 배열되고 촬영될 스트럭쳐(1)의 개략도이다. 여기서 “촬영된다(filmed)”는 말은 두 고속 카메라들(10)에 의해 캡쳐된 스터럭쳐를 의미할 수 있다. 스트럭쳐(1)를 캡쳐하는 카메라의 수는 두 개 이상일 수 있다. 대안적으로, 오직 하나의 카메라(10) 만이 상기 스트럭쳐를 캡쳐하도록 배열될 수 있으며, 카메라(10)는 다른 방향(perspective)에서 스트럭쳐(10)를 캡쳐하기 위해 이동할 수 있고/또는, 카메라(10) 그 자체는 서로 다른 시각으로부터 촬영된 이미지들에 대응한 이미지들을 생성하는 광(optics)을 포함할 수 있다. 상기 배열에는 베이스라인을 통해 서로 분리된 두 고속 카메라들(10)을 도시되어 있다. 두 고속 카메라들(10)은 스트럭쳐(1)를 서로 다른 각도로 캡쳐하고, 두 고속 카메라들(10) 각각은 고속 비디오 스트림을 생성한다. 두 고속 카메라들(10)은 데이터 분석부(20)와 같은 데이터 분석부와 연결되어 있고, 상기 데이터 분석부(예컨대, 데이터 분석부(20))에 의해 동기화된다. 고속 비디오들(10)은 전용 고대역 비디오 링크 및 전용 전력 링크를 통해 데이터 분석부(예컨대, 데이터 분석부(20))에 연결될 수 있다. 고속 카메라들(10)은 스트럭쳐(1)의 관심 있는 시점(view point of interest)으로 정렬된 데이터 분석부(예컨대, 데이터 분석부(20))로부터 분리된 삼각대(2)와 같은 운반 가능한 플랫폼 상에 장착(mounted)되는 것으로 도시되어 있다.
도 3은 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)를 제공하는 센서 헤드부(21)와 센서 헤드부(21) 상에 위치한 두 카메라들(10)을 개략적으로 도시한 도면이다. 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)에는 고각 스윙/회전(elevation swing/rotation) 및 방위각 스윙/회전(azimuth swing/rotation) (또는 좌우 운동(yaw) 및 피치(pitch))를 하는 고각 모터 및 방위각 모터가 제공된다. 센서 헤드부(21)는 데이터 분석부(20) 상에 장착되는 것으로 도시되어 있지만, 독립형 장치(standalone device)로서 위치하거나 삼각대와 같은 별도의 스트럭쳐 상에 장착될 수도 있다. 센서 헤드부(21)는 고속 카메라들(10)을 위한 슬라이딩 부착점(sliding attach-points)을 갖는 연장 가능한 가이드레일(guiderail)을 포함한다. 두 고속 카메라들(10)은 베이스라인을 통해 서로 분리된다. 상기 베이스라인의 길이는 캡쳐될 스트럭쳐의 추정 깊이(inferred depth)의 전반적인 정확도를 제어하는 수단을 제공하는 스테레오 비전 처리를 위해 규제된다. 센서 헤드부(21)는 공간에서 조명을 제공하는 상승 방향 및 방위각 방향으로 이동될 수 있다. 센서 헤드부(21)는 모니터링될 스트럭쳐 부분을 향한 최적의 방향을 제공하고 더 넓은 범위의 테스트 조건을 제공한다.
고속 카메라들(10)을 위한 전용 줌 광학을 사용할 때, 작업자로부터 사실상 어떠한 거리에 위치한 스트럭쳐라도 분석될 수 있다. 고속 카메라들(10)은 장비 정비성/수리성 (maintainability/reparability)을 향상시키기 위해 센서 헤드부(21)로부터 용이하게 분리될 수 있다고 여겨진다. 상기 센서 헤드부의 상기 베이스라인 변위(baseline displacement) 및 짐벌 회전(gimbal rotations)은 수동적으로 설정되거나, 디지털 분석부(20)에 의해 모터 및 작동기(actuator)를 통해 능동적으로 제어될 수 있다.
전동 짐벌 플랫폼 및/또는 수동 덤퍼(passive dumpers)에 부착된 고체 가속도계(solid state accelerometers) 및/또는 자이로 센서들 및/또는 모션 센서들의 추가적인 사용으로 인해, 모션-안정화되고 능동적으로 제어되는 센서 헤드부(21)가 얻어지고, 바람직하지 않은 진동을 제거하기 위한 자기-이동 보상(예컨대, 비행 테스트)을 가능하게 한다. 상기 가속도계 및/또는 상기 자이로 센서들 및/또는 상기 모션 센서들은 고속 비디오 진동 분석을 위한 상기 모듈식 장치가 센서 헤드부(21) 및/또는 전동 짐벌 플랫폼(motorized gimbal platform) 및/또는 고속 카메라들(10)의 진동을 추적할 수 있게 한다. 따라서, 상기 센서 헤드부(21) 및/또는 상기 전동 짐벌 플랫폼 및/또는 상기 고속 카메라들(10)의 자기-진동으로부터, 모니터된 상기 스트럭쳐 부분의 센서 헤드부 및/또는 전동 짐벌 플랫폼 및/또는 고속 카메라들을 격리시킬 수 있다. 이는, 모니터될 상기 스트럭쳐 부분의 진동이 상기 카메라 배열로 다시 전달(propagate)될 때마다, 카메라 자체가 이러한 진동에 의해 떨린다(excited)는 사실 때문이다. 관찰된 환경 및/또는 상기 모니터될 스트럭쳐의 부분에 대해 고속 카메라들(10)의 정확한 위치를 추정할 때, 상기 모션 센서는 정밀도(accuracy)를 향상시키고 처리량을 감소시키기 위해 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 플랫폼은 적절한 휴대용 하드웨어(portable hardware)/견고한 케이스(ruggedized case)에 쉽게 보관될 수 있어, 설치가 쉬운 시스템(easy-to-install system)이 될 수 있다.
도 4는 고도 짐벌(elevation gimbal) 및 방위각 짐벌(azimuth gimbal)을 갖는 짐벌 시스템(21) 상에 장착된 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100) 및 가변 베이스라인 거리를 제공하는 두 개의 슬라이딩 레일들을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 추가하여, 도 4는, 이 실시 예에서는 짐벌 시스템(21)인, 센서 헤드부(21)을 위한 제어가 도시되어 있다. 데이터 분석부(20)는 센서 헤드부 상태를 수신하고 센서 헤드부의 방향을 제어하여 상기 상태에 반응한다.
도 5는 별도의 독립적인 구조인 짐벌 시스템 상에 장착된(또는 둘러싸인) 2개의 개별적인 고속 카메라 시스템들(21)에 의해 타겟 스트럭쳐(1)를 캡쳐/촬영하는 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)의 실시 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 타겟 스트럭쳐(1)는 서로가 직교하도록 정렬된 양 센서 헤드부(21) 모두에 의해 캡쳐된다. 게다가, 2개의 획득부(11)를 갖는 개선된 데이터 분석부(20)는 다수의 독립적인 센서 헤드부(21)로부터 동기화된 획득을 제어하고 연결하기 위해 제공된다. 이 설정은 상기 타겟 스트럭쳐의 번형/진동/움직임(예컨대, 날개 프로파일(wing profile)에 대해 결합된 비틀림(torsion)/굴곡(flexion)을 정확하게 표현할 수 있다. 이 시스템 아키텍처는 서로 다른 방향, 예를 들어, 정면(front-view) 및 측면(lateral view)을 따라 상기 스트럭쳐의 변형을 비교함, 에서 계산된 진동 데이터의 교차 검증(인-프레인(in-plane)/아웃-오브-플레인(out-of-plane) 모드 및 변형)을 가능케 한다. 이 시스템 아키텍쳐는 또한 고속 비디오 분석의 출력(센서 융합)을 위한 모듈식 장치의 정확도 및 견고성을 향상시키는 다수의 센서 헤드부(21)의 진동 데이터를 병합한다.
도 6은 디스플레이부(19), 공용 인터페이스부(18) 및 데이터 분석부(20)을 포함하는 고속 비디오 분석을 위한 모듈식 장치(100)의 일부를 개략적으로 도시한 도면이고, 데이터 분석부(20)는 하드웨어/견고한 케이스 내에 제공된다. 디스플레이부(19)는 데이터 분석부(20)에 연결된 랩톱에 통합된 것으로 도시되어 있으며, 데이터 분석부(20)에는 냉각 문제를 위해 공기 유입구가 있다.
도 7은 휴대형 무선 디스플레이(19)(예컨대, 태블릿 장치), 도킹 스테이션 및 공용 인터페이스부(18)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7은 휴대용 무선 디스플레이(19)를 데이터 입력부(20)에 연결된 상기 도킹 스테이션에 삽입하거나, 상기 도킹 스테이션으로부터 추출할 수 있는 가능성을 보여준다. 컴퓨터는 데이터 분석부(20)와 유무선으로 연결된 랩탑, 태블릿 또는 이와 유사한 장치일 수 있다. 상기 태블릿 장치는 하나의 휴대용 아이템 내에 사용자 입력 인터페이스와 디스플레이부(19)를 결합할 수 있다. 상기 도킹 스테이션은 태블릿의 배터리의 배터리 충전을 위한 도킹 스테이션으로 사용될 수 있다. 이는 운전자(operator)의 안전이 가장 중요한 위험하고 안전이 중요한 영역(hazardous/safety critical areas)에서 사용될 장치를 언제라도 원격 제어하려고 할 때 유용하고 적합하다.
도 8은 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석을 위한 방법의 실시 예의 개략적인 흐름도이다. 도 8의 실시 예는, 본 명세서에서 설명된 고속 비디오 진동 분석 장치(100)의 적절한 실시 예에 의해 구현될 수 있다. 상기 카메라 배열은 상기 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성한다(S1). 상기 처리부는, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중 적어도 하나로부터, 제1평면을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 제거한다(S2). 상기 처리부는, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터, 제2평면을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정한다(S3). 상기 제2평면은 상기 제1평면과는 다르다. 또한, 상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 추정된 변형과 상기 제2평면을 따라 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 결정된 깊이 정보를 결합함으로써, 상기 캡쳐된 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출한다(S4).
도 9a 내지 도 9j는 각각이 스트럭쳐의 고속 비디오 기반의 비접촉식 진동 분석의 실시 방법의 일부를 나타낸다. 도 9a 내지 도 9j에 각각 도시된 방법 중 하나 이상을 포함하는 상기 실시 방법은 도 8에 도시된 실시 방법의 상세한 방법으로 간주될 수 있다. 도 9a 내지 도 9j에 각각 도시된 방법 중 하나 이상을 포함하는 상기 실시 방법은 본 명세서에 기재된 고속 비디오 진동 분석 장치(100)의 임의의 적합한 실시 예에 의해 구현될 수 있다.
도 9a는 스트럭쳐의 고속 비디오 기반 비접촉 진동 분석의 실시 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 9a의 실시 방법은 비디오 교정(video rectification) 절차(도 9c 및 도 9d의 S14에 보다 자세히 도시됨), 스테레오 대응(stereo correspondence) 절차(도 9e의 S16에 보다 자세히 도시됨), 광학-흐름 변위 계산(optical-flow displacement computation) 절차(도 9i의 S40에 보다 자세히 도시됨), 및 3D 모달 분석 절차(3D modal analysis)(도 9j의 S54에서 보다 자세히 도시됨)를 포함한다.
이러한 스트럭쳐의 고속 비디오 기반 비접촉식 진동 분석의 처리 단계는 도 9b 내지 9j 중에서 적어도 일부에 상세히 나타나 있다.
도 9b는 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치(100)에 대한 조정 과정(calibration process)(S11)의 개략적인 흐름도이다. 하나 이상 알려진 조정 패턴(1a)은, 비디오 획득에 의해, 현재 라이트 필드(light field) (1) 및 라이트 필드(2)를 통해 캡쳐된다(S10). 상기 비디오 획득은 오프라인 교정 절차(offline calibration process)로 원본 비디오(1) 및 원본 비디오(2)를 제공하는 고속 카메라(10) 및 획득부(11)가 조합된 단계로 고려될 수 있다(S12). 상기 교정 절차는 결과적으로 스테레오 교정 데이터(stereo calibration data)를 제공한다(S12). 오프라인 교정 절차는 내재적인 파라미터들(예컨대, 초점 거리, 이미지 중심 및 렌즈 왜곡)을 계산한다(S12). 상기 오프라인 교정 절차는 외래적인 파라미터들(예컨대, 고속 카메라들 사이의 정렬(alignment)을 정의하는 아핀 행렬(affine matrix)))을 계산한다. 스테레오 교정 데이터는 비디오 교정 절차(비디오 변환 및 필터링), 전처리 스테이지(프레임 단위의 신호 대 잡음비(Signal-Noise Ratio(SNR)) 향상), 삼각 측량 절차(픽셀 깊이, 추정된 깊이, 계산) 및 3D 모달 분석(진동 데이터를 평가) 내에서 3D 변위 벡터를 재구성하는 단계에 제공될 수 있다.
도 9c는 비디오 획득(S10)에 의해 라이프 필드(1) 및 라이트 필드(2)를 통해 캡쳐된 타겟/스트럭쳐(1)의 캡쳐 절차(S13)의 개략적인 흐름도이다. 그리고 원본 비디오(1) 및 원본 비디오(2)는 비디오 교정 절차에 제공된다(S14). 비디오 교정 절차(S14)에는 스테레오 교정 데이터가 제공되고, 상기 비디오 교정 절차(S14)는 교정된 비디오(1) 및 교정된 비디오(2)를 스테레오 대응 절차로 출력한다. 비디오 교정 절차(S14)는 렌즈 왜곡 제거 기술(lens distortion removal techniques) 및 회전 변환 기술(roto-translation techniques)(3D 물체 공간을 2D 카메라 평면으로 변환)을 이용하여 원본 스테레오 비디오 쌍을 표준 형식으로 변환한다.
도 9d는 도 9c의 스테레오 대응 절차를 대신한 적어도 다른 조명 영역 비디오 획득(S10) 및 다중 대응 절차(S16)에 의해 도 9c의 획득 절차를 확장한 흐름도이다. 상기 다중 대응 절차(multi correspondence process)는 비디오 교정 절차(S14)에 의해 교정된 복수의 비디오들에 제공된다.
도 9e는 입력 비디오 쌍(incoming video pair) 내에서 일치하는 “매칭” 포인트를 찾는 것을 목표로 하는 스테레오 대응 절차(S16)의 개략적인 흐름도이다. 상기 스테레오 대응 절차(S16)에는 교정된 비디오(1)와 교정된 비디오(2)가 공급된다. 전처리 단계(도 9f의 S18에 보다 자세히 도시됨)는 프레임 단위로 SNR((Signal-Noise-Ratio))을 향상시키는 단계를 포함한다. 전처리된 비디오 피라미드 쌍(pre-processed video pyramids pair)은 상기 전처리 스테이지에 의해 출력된다. 그 후, 상기 그래픽 사용자 인터페이스로부터 사용자 선택한(S24) 포인트 및 관심 영역을 이용하여, 매칭 포인트가 계산된다(도 9g의 S20에서 보다 자세히 도시됨), 이 계산의 결과로서, 정제된 시차 맵(disparity map)과 정제된 매치된 포인트들은 삼각 측량 절차(도 9h의 S22에서 보다 자세히 도시됨)에 의해 출력되고 사용된다. 상기 삼각 측량 절차는 계산된 깊이 맵 시간 변화(Δdepth(i))(본 명세서에서 추정 깊이(inferred depth) 및 시간에 따른 추정 깊이 변화로 나타내어짐)를 출력한다.
도 9f는 NG 레벨의 서브 샘플링(subsampling)을 갖는 각각의 프레임 i에 대한 이미지 피라미드(S26)를 계산한 후, 상기 고속 비디오 스트림의 각 프레임 i의 이미지 2D 필터링(S28)(예컨대, 측광 보정(photometric correction) 또는 에지 강조(edge enhancement)을 수행하여 프레임 단위로 상기 SNR을 향상시킴으로써 전처리 단계(S18)를 수행하는 개략적인 흐름도이다. 상기 이미지 피라미드는 가우시안 피라미드(Gaussian pyramid) 또는 라플라시안 피라미드(Laplacian pyramid) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 이미지 피라미드(S26)를 구축한 후, 변위 계산을 위해 오직 하나의 비디오 스트림만 발행되지만, 두 개 이상의 비디오 스트림들로 확장될 수도 있다. 이미지 2D 필터링(S28) 이후에, 전처리 비디오 피라미드 쌍(Pyr1(i,p) and Pyr2(i,p))은 매칭 포인트 계산에 전달된다.
도 9g는 상기 매칭 포인트를 계산하는 개략적인 흐름도이고, 상기 계산은 상기 전처리 비디오 피라미드들 쌍 및 그래픽 사용자 인터페이스로부터의 사용자 선택 포인트/관심 영역에 기초한다. 상기 매칭 코스트 계산(matching cost computation)/집합(aggregation)(S30)은 관심 포인트/관심 영역에 의해서 제공되고, 상기 비디오 피라미드들 쌍 내에서 발견된 매칭된 포인트들과 함께 변이 계산(disparity computation)(S32)이 제공된다. 조잡한 시차 맵(coarse disparity map)은 상기 변이 계산 방법에 의해 계산되고, 상기 조잡한 시차 맵은 정제되고(S34), 이는 정제된 매치 포인트들 및 정제된 시차 맵의 출력으로 이어진다. 이 둘은 삼각 측량 단계에 제공되고, 상기 정제된 매치 포인트들은 상기 변이 계산에 추가적으로 제공된다.
도 9h는 정제된 시차 맵 및 정제된 매치 포인트들의 입력을 갖는 삼각 측량 단계(S22)의 개략적인 흐름도이고, 상기 삼각 측량 절차(S22)에는 스테레오 교정 데이터가 제공된다. 상기 삼각 측량 단계(S22)는 깊이 맵을 계산하고(S36), 다음의 깊이 맵 시간 변화를 계산하고(S38), 픽셀의 깊이(깊이 ΔDepth(i)로 추정됨)의 변화를 3D 모달 분석을 제공한다.
도 9i는 이미지 피라미드(프레임)을 포함하는 오직 하나의 비디오 스트림에 의해 발행되는 변위 계산(S40)의 개략적인 흐름도이다. 먼저, 로컬 영상 특징들(예컨대, 로컬 위상 및 진폭)이 추출되고(S42), 모션 증폭(S44)은 선택적으로 계산될 수 있고, 모션 확대된 비디오가 생성될 수 있다. 그 다음, 정제된 매치 포인트들의 도움에 의해 정제된 매치 포인트들 주위의 변위 속도(displacement velocities)가 평가된다(S46). 그 후, 상기 SNR이 강화되고(S48), 상기 변위 신호가 재구성되고(S50), 상기 변위 신호를 재구성하는 단계는 상기 3D 모달 분석 단계에 공급되는 인-플레인(in-plane) 변위 신호로 이어진다. 진동 모드들이 진동 모드들과 함께 상기 3D 모달 분석에 제공되는 상기 인-플레인(in-plane) 변위 신호를 통해 검출된다.(S52).
이 두 신호들은 개략적인 흐름도로서 도 9j에 도시된 3D 모달 분석 단계(S54)에서 결합된다. 상기 두 신호들은 상기 고속 비디오 스트림의 각 프레임의 서로 다른 추론 깊이(Δdepth(i))의 추가적인 입력과 대역 통과 시간 필터(band-pass temporal filter)(S56)에서 결합된다. 대역 통과 시간 필터(S56) 후, 3D 변위 벡터는 재구성된다(각 관심 포인트/관심 영역 주위의 각 모달 주파수에 대한 인-플레인(in-plane)/아웃-오브-플레인(out-of-plane) 변위에서, S58). 3D 모달 분석의 결과는 진동 데이터로 출력된다.
상술한 실시 예의 도움으로, 자동차, 우주 항공(항공기, 헬리콥터, 위성), 토목(빌딩 구조물, 교량, 도로, 철도 도로), 운송(기차, 선박), 방위 및 보안과 같은 분야에 적용되는, 위험한 구조적 진동/변형의 조기 발견(early-detection)/조기 경보(early-warning)에 적합한 비디오 기반의 센서를 모니터하고 동작할 수 있다. 예컨대, 주변 환경(즉, 적외선 미사일 경보기 또는 지뢰 탐지기) 또는 의학적 화상(medical imaging)에서 생성되는 광학적/음향적 진동을 분석함으로써 먼 거리/빠르게/낮게 관찰 가능한 물체를 검출(추적)할 수 있는 전기 광학 및 전기 음향 센서가 있을 수 있다. 대형 및/또는 복합 스트럭쳐들에 대한 진동 시험은 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치에 의해 수행될 수 있으며, 성능 및 휴대성에 대한 제한은 없다. 또한, 고속 카메라들은 에너지를 방출하지 않고 매우 높은 디지털 해상도를 달성할 수 있는 광 수동 센서(optical passive sensors)일 수 있다. 개발, 생산, 시험 및 유지 비용뿐만 아니라 품질과 관련 없는 비용의 현저한 감소가 예측된다. 그러므로 이로 인해 인력 비용 및 품질과 관련 없는 비용(유지 보수 및 수리)을 상당히 줄일 수 있다.
이에 따라, LDV에 의한 현재의 성과와 비교되는 사용자 경험은 최소한 유지될 수는 있다. 더군다나, LDV와 비해 현저한 장점 또한 있다. 예를 들어, 직접 비용 면에서 훨씬 저렴하고, 운영 조건 면에서 보다 다양하다.
또한, 본 명세서의 장치는 실내 및 실외 모두에 사용될 수 있고, 타겟에 대한 방향 및 거리에 관계없이 배치될 수 있으며, 스트럭쳐의 크기에 관계없이 모니터링 할 수 있다.
또한, 제조되는 아이템/스트럭쳐의 개발, 생산, 비-품질 비용이 감소될 수 있고, 동시에 제품 품질이 개선될 수 있다. 이는 엔지니어링, 운영 및 생산(즉, 시간 제약 또는 공간 및 자원 부족)과 같은 영역에서 끊임없이 직면할 수 있는 여러 문제들을 완화시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 비접촉식 진동 분석 기술은,
a) (가속도계와 비교할 때) 보다 신속하고 비용 효율적으로 달성되어야 하는 설정 시간을 요구하고,
b) 실내 및 실외 테스트 환경뿐만 아니라 지상 및 비행 테스트 모두에서 작동하므로 더욱 용도가 다양할 수 있다.

Claims (15)

  1. 고속 비디오 진동 분석을 위한 장치에 있어서,
    스트럭쳐(structure)의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 카메라 배열; 및
    상기 카메라 배열에 연결된 데이터 분석부를 포함하고,
    상기 데이터 분석부는:
    상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형(deformation)을 추정하고,
    상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하고,
    상기 추정된 변형 및 상기 결정된 깊이 정보를 고려하여 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 처리부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 분석부는 상기 카메라 배열의 제어 및/또는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 동기화를 수행하는 획득부(acquisition unit)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리부는 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 상기 제1평면 상에서 교정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 처리부는 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형과 관련된 진동 모드를 감지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 처리부는,
    상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형, 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추정된 변형과 관련되어 감지된 진동 모드와, 상기 제2평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 계산된 변형을 결합함으로써 상기 제1평면을 따라 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 진동 데이터를 추출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카메라 배열은 적어도 두 고속 카메라들을 포함하고, 상기 두 고속 카메라들 각각은 상기 스트럭쳐를 캡쳐하고 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들의 고속 비디오 스트림을 생성하기 위해 배열되고 조정된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2평면은 상기 제1평면에 수직인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 사용자 입력, 사용자 설정, 상기 두 고속 비디오 스트림들 중에서 하나 이상, 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 상기 추출된 진동 데이터 및, 상기 추정된 변형의 합성 또는 모델-기반 표현 중에서 적어도 하나, 및/또는 상기 계산된 깊이 정보를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 그래픽 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 모델-기반 결과를 불러오고(import) 디스플레이하고, 그래픽 사용자 인터페이스의 전용 제어와 윈도우에 의해, 상기 추출된 진동 데이터에 맞춰 상기 모델-기반 결과를 조정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카메라 배열은 가시광선 영역에서 동작하는 고속 비디오 카메라와 비-가시광선 영역에서 동작하는 고속 비디오 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카메라 배열이 배치되는 이동 가능한 플랫폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 이동 가능한 플랫폼은 상기 이동 가능한 플랫폼 및/또는 상기 카메라 배열의 자기-진동(self-vibrations)을 감지하고, 상기 자기-진동의 결과를 상기 데이터 분석부에 제공하는 가속도계들, 자이로 센서들 및 모션 센서들 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 처리부는 상기 감지된 자기-진동에 기초하여 모니터된 상기 스트럭쳐 부분의 상기 진동 데이터를 보정(correct)하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 우주항공 비행체 또는 다른 종류의 장치 또는 스트럭쳐들, 예컨대, 기계, 자동차, 빌딩 또는 교량, 의 비접촉식 진동 분석에서 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 장치의 용도.
  14. 스트럭쳐의 고속 비디오 진동에 관한 방법에 있어서,
    카메라 배열이 상기 스트럭쳐의 적어도 두 고속 비디오 스트림들을 생성하는 단계;
    데이터 분석부의 처리부가, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들 중에서 적어도 하나로부터, 제1평면을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 변형을 추정하는 단계;
    상기 처리부가, 상기 적어도 두 고속 비디오 스트림들로부터, 상기 제1평면과는 다른 제2평면 또는 상기 제2평면에 포함된 축을 따라 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 깊이 정보를 결정하는 단계; 및
    상기 처리부가, 상기 추정된 변형 및 상기 결정된 깊이 정보를 고려하여 캡쳐된 상기 스트럭쳐의 적어도 일부의 진동 데이터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캡쳐된 스트럭쳐의 일부는 사용자-선택 포인트 및/또는 상기 스트럭쳐의 지역이고/지역이거나,
    상기 추정하는 단계. 상기 결정하는 단계 및 상기 추출하는 단계는 사용자-선택 순서로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020160168419A 2015-12-10 2016-12-12 고속 비디오 진동 분석을 위한 모듈식 장치 KR20170069171A (ko)

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