KR20180056324A - Apparatus and method for measuring displacement and strain of plane using distributed laser speckle image - Google Patents

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KR20180056324A
KR20180056324A KR1020160154470A KR20160154470A KR20180056324A KR 20180056324 A KR20180056324 A KR 20180056324A KR 1020160154470 A KR1020160154470 A KR 1020160154470A KR 20160154470 A KR20160154470 A KR 20160154470A KR 20180056324 A KR20180056324 A KR 20180056324A
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이상윤
송재준
김세환
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
한국건설기술연구원
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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for measuring surface displacement and strain using a dispersed Laser Speckle Image (LSI). More specifically, in the present invention, a laser is scattered on the measurement surface of a structure, and the laser speckle image dispersed on the measurement surface is photographed, and the laser speckle image is analyzed by an image analysis method to measure the total displacement of the measurement surface of the structure. The present invention calculates the strain from the measured total displacement using a finite element method.

Description

분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING DISPLACEMENT AND STRAIN OF PLANE USING DISTRIBUTED LASER SPECKLE IMAGE} [0001] APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING DISPLACEMENT AND STRAIN OF PLANE USING DISTRIBUTED LASER SPECKLE IMAGE [0002]

본 발명은 분산된 레이저 스페클 이미지(LSI: Laser Speckle Image)를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하고, 측정면에 분산된 레이저 스페클 이미지를 촬영하여 이 레이저 스페클 이미지를 영상 분석 방법으로 분석하여 구조물 측정면의 전체 변위를 측정하고, 이 측정된 전체 변위로부터 유한요소법을 이용하여 변형률을 산출하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image (LSI). More particularly, the present invention relates to an apparatus and method for measuring a surface displacement and a strain of a structure, The laser speckle image is captured by a large image, and the total displacement of the structure measurement surface is measured by the image analysis method. The distributed laser speckle image that calculates the strain from the measured total displacement using the finite element method The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a surface displacement and a strain.

통상적으로, 구조물의 변위 및 변형률 계측은 구조물의 표면에 기계적으로 변위계와 변형률계를 설치하고, 데이터로거에서 각 계측기로부터 수신되는 전기적인 신호를 변환하여 변위 및 변형률 값을 계산하는 과정으로 이루어진다.Typically, displacement and strain measurements of a structure are made by mechanically installing a displacement meter and a strain meter on the surface of the structure, and converting the electrical signals received from each meter in the data logger to calculate displacement and strain values.

종래의 계측 변위를 기반으로 구조물의 건전도를 평가하는 시스템은, 예컨대 한국 특허 등록 제1328889호에 개시되어 있는 바와 같이, 구조물의 거동을 계측하는 계측부와; 상기 계측부에 의해 계측된 계측 데이터의 경향 학습을 통해 계측 데이터의 이상 유무를 판단하는 데이터 기반처리부와, 상기 계측 데이터에 기초한 계측 변위에 대한 구조 해석을 통해 구조물의 건전도를 평가하는 구조해석 기반 처리부를 갖는 데이터 처리부와; 상기 데이터 기반 처리부에 의해 상기 계측 데이터의 이상이 판단된 경우, 상기 구조해석 기반 처리부가 구조물의 건전도를 평가하도록 제어하는 메인 제어부를 포함하며, 상기 계측부는 구조물의 변위를 계측하기 위한 변위 계측 센서와; 구조물의 환경 조건을 계측하는 환경 계측 센서를 포함한다.As disclosed in Korean Patent Registration No. 1328889, for example, a system for evaluating a structural integrity of a structure based on a conventional measurement displacement includes a measurement unit for measuring a behavior of a structure; A data-based processing unit for determining whether there is an abnormality in the measurement data through the trend learning of the measurement data measured by the measurement unit; and a structural analysis-based processing unit for evaluating the integrity of the structure through structural analysis on the measurement displacement based on the measurement data ; And a main control unit for controlling the structure analysis based processing unit to evaluate the structural integrity of the structure when an abnormality of the measurement data is determined by the data based processing unit, wherein the measurement unit includes a displacement measurement sensor Wow; And an environmental measuring sensor for measuring environmental conditions of the structure.

이와 같이 구성된 종래의 계측 변위 기반의 구조물 건전도 평가 시스템은 기존 센서를 통합 활용하여 계측 데이터를 효율적으로 사용하고 이를 통한 거동 평가 결과의 신뢰도를 향상시킨다는 점에서 효과적이지만, 구조물에 변위 계측 센서와 환경 계측 센서를 장착해야 하므로 만약 대상 구조물이 위험한 위치에 있을 경우에는 위험한 작업으로 인한 사고 위험이 상존하며, 계측 센서 들을 설치하기 위한 보조 장치를 설치해야 할 경우 보조 장치의 설치 과정에서 필연적으로 구조물의 일부가 손상되며 보조 장치의 접촉면이 넓기 때문에 정확한 위치에서의 측정이 근본적으로 어렵다는 문제점이 있었다.The conventional structure displacement soundness evaluation system based on the above configuration is effective in that it efficiently utilizes the measurement data by utilizing the existing sensors and improves the reliability of the behavior evaluation result. However, If the target structure is in a dangerous position, there is a risk of accidents due to dangerous work. If an auxiliary device for installing measurement sensors is installed, it is necessary to install a part of the structure And since the contact surface of the auxiliary device is wide, the measurement at the accurate position is fundamentally difficult.

또 다른 구조물의 변위 및 변형률 계측 방법으로서는 구조물의 표면에서 추출되는 자연적인 패턴을 이용하여 구조물의 표면에서 발생되는 변위와 변형률을 측정하는 방법이 있다.Another method for measuring the displacement and strain of a structure is to measure the displacement and strain generated on the surface of the structure using a natural pattern extracted from the surface of the structure.

이와 같은 자연적인 패턴을 이용하여 변위와 변형률을 측정하는 방법은 측정 정밀도 및 측정 가능 여부가 구조물 주변의 밝기에 따라 영향을 받는다. 즉, 매우 어두운 경우에는 측정이 어렵고 간접 조명을 설치해야 하며, 야간에 조명을 이용하여 측정하는 경우에는 조명의 변화에 의해 주간과 야간에 표면에서 촬영되는 패턴의 변화가 발생하여 연속적인 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.The method of measuring displacement and strain using such a natural pattern is affected by the measurement accuracy and the possibility of measurement depending on the brightness around the structure. In other words, it is difficult to measure in the case of very dark, indirect lighting should be installed, and in case of using nighttime illumination, it is difficult to continuously measure due to the change of the pattern photographed on the surface during daytime and nighttime There was a problem.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 계측이 간편하며, 측정 점을 명확히 정의할 수 있으며, 구조물 주변의 밝기에 영향을 받지 않고 계측할 수 있는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring the brightness of a structure, which can be easily measured, And an apparatus and method for measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하도록 구성된 레이저 분산 조사부; 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하도록 구성된 레이저 스페클 이미지 생성부; 상기 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하도록 구성된 변위 측정부; 및 상기 변위 측정부에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성된 변형률 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a surface displacement and a strain using a dispersed laser speckle image, the apparatus comprising: a laser dispersion irradiator configured to disperse and irradiate a laser on a measurement surface of a structure; A laser speckle image generator configured to capture a measurement surface of the structure to generate a dispersed laser speckle image; A displacement measuring unit configured to receive a laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit and measure a displacement occurring at various points in a measurement plane of the structure by an image analysis method; And a strain calculator configured to calculate a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method based on a displacement generated at various points within the measurement plane measured by the displacement measurement unit.

상기 일실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는 상기 변위 측정부에 의해 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출부에 의해 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.The surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to the embodiment of the present invention is characterized in that the displacements occurring at various points within the measurement plane of the structure measured by the displacement measuring unit and the displacements generated by the strain calculating unit And a display unit configured to display a strain of the measurement surface of the structure.

상기 일실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치에 있어서, 상기 변위 측정부는 상기 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하도록 더 구성될 수 있다.In the apparatus for measuring a surface displacement and a strain using a dispersed laser speckle image according to the above embodiment, the displacement measuring unit measures the movement of the laser speckle image pattern based on an arbitrary measurement point on the laser speckle image, A method of measuring a displacement with respect to a measurement point is used to estimate the displacement of the entire surface by applying the measurement method to an intersection of a plurality of virtual grid networks formed on the laser speckle image .

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하도록 구성된 레이저 분산 조사부; 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하도록 구성된 레이저 스페클 이미지 생성부; 상기 스페클 이미지 생성부에 의해 생성된 상기 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI: Speckle flow Index)를 생성하도록 구성된 이미지 변환부; 상기 이미지 변환부에 의해 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하도록 구성된 변위 측정부; 및 상기 변위 측정부에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성된 변형률 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a surface displacement and a strain using a dispersed laser speckle image, the apparatus comprising: a laser dispersion irradiator configured to disperse and irradiate a laser on a measurement surface of a structure; A laser speckle image generator configured to capture a measurement surface of the structure to generate a dispersed laser speckle image; A window is created on the laser speckle image generated by the speckle image generating unit to generate a speckle contrast image by converting the window into standard deviation / average while sliding the window, and the generated speckle contrast An image conversion unit configured to take a reciprocal of a squared value of Speckle Contrast at each pixel in an image multiplied by an exposure time of a laser speckle image generating unit to generate a Speckle flow Index (SFI) part; A displacement measuring unit configured to receive a speckle flow index generated by the image converting unit and measure a displacement occurring at various points in a measurement plane of the structure by an image analysis method; And a strain calculator configured to calculate a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method based on a displacement generated at various points within the measurement plane measured by the displacement measurement unit.

상기 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는 상기 변위 측정부에 의해 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출부에 의해 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.The surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to the another embodiment may further include a displacement calculating unit for calculating displacement and strain of the structure measured by the displacement measuring unit, And a display unit configured to display a strain of the measurement surface of the structure.

상기 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치에 있어서, 상기 변위 측정부는 상기 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 스페클 플로우 인덱스 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하도록 더 구성될 수 있다.In the apparatus for measuring a surface displacement and a strain using a dispersed laser speckle image according to another embodiment of the present invention, the displacement measuring unit measures the movement of the speckle flow index pattern based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index, A method of measuring a displacement with respect to a measurement point is used as an estimation method, and the measurement method is applied to an intersection of a plurality of virtual grid networks formed on the speckle flow index to further measure the displacement with respect to the entire surface .

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법은 레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하는 단계; 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 단계; 변위 측정부가 상기 레이저 스페클 이미지 생성 단계에서 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 단계; 및 변형률 산출부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image, the method comprising: dispersing and irradiating a laser on a measurement surface of a structure by a laser dispersion irradiator; Capturing a measurement surface of the structure by a laser speckle image generating unit to generate a dispersed laser speckle image; Measuring a displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure by an image analysis method, the displacement measurement unit receiving the laser speckle image generated at the laser speckle image generation step; And calculating a strain of the measurement surface of the structure using the finite element method by receiving a displacement generated by the strain calculation unit at various points within the measurement plane measured in the displacement measurement step.

상기 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법에 있어서, 디스플레이부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출 단계에서 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the surface displacement and strain measuring method using the dispersed laser speckle image according to the another embodiment described above, it is preferable that the displacement of the display portion at various points within the measurement plane of the structure measured at the displacement measuring step, And displaying the strain of the measurement surface of the structure calculated in the step.

상기 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법에 있어서, 상기 변위 측정 단계는 상기 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of measuring a surface displacement and a strain using a dispersed laser speckle image according to another embodiment of the present invention, the displacement measuring step may include a step of moving the laser specimen image pattern based on an arbitrary measurement point on the laser specimen image, Is applied to an intersection of a plurality of virtual lattice networks formed on the laser speckle image to measure a displacement of the entire surface of the laser speckle image, . ≪ / RTI >

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법은 레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하는 단계; 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 단계; 이미지 변환부가 상기 스페클 이미지 생성 단계에서 생성된 상기 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성하는 단계; 변위 측정부가 상기 스페클 인덱스 생성 단계에서 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 단계; 및 변형률 산출부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image, the method comprising: dispersing and irradiating a laser on a measurement surface of a structure by a laser dispersion irradiator; Capturing a measurement surface of the structure by a laser speckle image generating unit to generate a dispersed laser speckle image; The image transforming unit creates a window on the laser spec image generated in the speckle image generating step and converts the window into a standard deviation / average while sliding the window to generate a speckle contrast image, Generating a speckle flow index (SFI) by taking a reciprocal of a square value of Speckle Contrast at each pixel in a large contrast image multiplied by an exposure time of a laser speckle image generating unit; Measuring a displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure by an image analysis method, the displacement measurement unit receiving the speckle flow index generated in the speckle index generation step; And calculating a strain of the measurement surface of the structure using the finite element method by receiving a displacement generated by the strain calculation unit at various points within the measurement plane measured in the displacement measurement step.

상기 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법에 있어서, 디스플레이부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출 단계에서 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the surface displacement and strain measuring method using the dispersed laser speckle image according to the another embodiment described above, it is preferable that the displacement of the display portion at various points within the measurement plane of the structure measured at the displacement measuring step, And displaying the strain of the measurement surface of the structure calculated in the step.

상기 또 다른 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법에 있어서, 상기 변위 측정 단계는 상기 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 스페클 플로우 인덱스 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image according to another embodiment of the present invention, the displacement measurement step may include a step of measuring a displacement of a speckle flow index pattern based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index A method of measuring a displacement with respect to a measurement point by using an image analysis method and applying the measurement method to an intersection of a plurality of virtual grid networks formed on the speckle flow index, . ≪ / RTI >

본 발명의 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법에 의하면, 레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하고, 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하며, 변위 측정부가 상기 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하며, 변형률 산출부가 상기 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성됨으로써, 계측이 간편하며, 측정점을 명확히 정의할 수 있으며, 구조물 주변의 밝기에 영향을 받지 않고 계측할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.According to the surface displacement and strain measuring apparatus and method using the dispersed laser speckle image according to the embodiment of the present invention, the laser is dispersed and irradiated on the measurement surface of the structure by the laser dispersion irradiating unit, And a displacement measuring unit for receiving the generated laser speckle image and measuring a displacement occurring at various points in the measurement plane of the structure by an image analysis method, And the strain calculating unit is configured to calculate a strain of the measurement surface of the structure by using a finite element method to receive a displacement occurring at a plurality of points within the measured measurement plane and thereby to easily measure and define a measurement point And can be measured without being influenced by the brightness around the structure. There.

좀 더 상세하게는, 본 발명의 실시형태에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법에 의하면, 변위계 및 변형률계를 측정하고자 하는 구조물에 직접 설치하는 과정이 생략되므로 계측이 간편해지며, 특정점을 기준으로 변위와 변형률이 측정되므로 측정점을 명확히 정의할 수 있으며, 레이저 스페클을 이용하여 계측하는 방식이므로 구조물 주변의 밝기에 영향을 받지 않는다는 뛰어난 효과가 있다. More specifically, according to the surface displacement and strain measuring apparatus and method using the dispersed laser speckle image according to the embodiment of the present invention, the process of directly installing the displacement meter and strain meter on the structure to be measured is omitted Since the measurement is simple and the displacement and strain are measured on the basis of the specific point, the measurement point can be clearly defined and the measurement is performed using laser speckle, so that it is not influenced by the brightness around the structure.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 5는 도 2의 이미지 변환부에서 수행되는 이미지 변환 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 계측 방법의 정확도를 검증하기 위한 시스템 구성도 및 쉐이킹 테이블(shaking table)이다.
도 7은 도 6의 LVDT를 이용한 측정 및 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 6의 LSI 머신(Machine)에서 얻어진 SFI 이미지를 이용한 FDD(Frequency Domain Decomposition)를 나타낸 도면이다.1 is a block diagram of a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a first embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a second embodiment of the present invention.
3 is a flow chart for explaining a surface displacement and strain measuring method using a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a surface displacement and strain measuring method using a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a second embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining an image conversion process performed by the image conversion unit of FIG.
6 is a system configuration diagram and a shaking table for verifying the accuracy of the measurement method according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating measurement and analysis results using the LVDT of FIG. 6. FIG.
8 is a diagram showing FDD (Frequency Domain Decomposition) using the SFI image obtained in the LSI machine of FIG.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[제 1 실시예][First Embodiment]

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a first embodiment of the present invention.

본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 레이저 분산 조사부(100), 레이저 스페클 이미지 생성부(200), 변위 측정부(300), 변형률 산출부(400) 및 디스플레이부(500)를 포함한다. 1, the apparatus for measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image according to the first embodiment of the present invention includes a laser dispersion irradiating unit 100, a laser speckle image generating unit 200, A displacement measuring unit 300, a strain calculating unit 400, and a display unit 500.

레이저 분산 조사부(100)는 측정 대상인 구조물(S)의 측정면(도시 안됨)에 레이저를 분산하여 조사하는 역할을 한다. The laser dispersion irradiating unit 100 serves to disperse and irradiate a laser on a measurement surface (not shown) of the structure S to be measured.

레이저 스페클 이미지 생성부(200)는 구조물(S)의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 역할을 하며, 디지털 카메라로 구성될 수 있다. 레이저 분산 조사부(100)와 레이저 스페클 이미지 생성부(200)는 서로 체결되어 상호간의 위치가 고정되어 있거나, 또는 각각 다른 위치에 설치되더라도 상호간의 상대적인 위치를 확인할 수 있어야 한다.The laser speckle image generating unit 200 generates a dispersed laser speckle image by photographing the measurement surface of the structure S, and may be constituted by a digital camera. The laser scattering irradiating unit 100 and the laser speckle image generating unit 200 may be fixed to each other so that their relative positions can be confirmed even if they are fixed to each other or are installed at different positions.

변위 측정부(300)는 레이저 스페클 이미지 생성부(200)에 의해 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 역할을 한다. 변위 측정부(300)는 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴(LSI 패턴)의 이동(변위)을 영상 분석 방법(Image Analysis method)으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정할 수 있다.The displacement measuring unit 300 receives the laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit 200 and measures displacements occurring at various points in the measurement plane of the structure S by an image analysis method . The displacement measuring unit 300 estimates the displacement (displacement) of the laser speckle image pattern (LSI pattern) based on an arbitrary measurement point on the laser speckle image by an image analysis method, And the measurement method can be applied to the intersections of a plurality of virtual grid networks formed on the laser speckle image to measure the displacement of the entire surface.

변형률 산출부(400)는 변위 측정부(300)에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 구조물(S)의 측정면의 변형률을 산출하는 역할을 한다. The strain calculating unit 400 receives the displacements occurring at various points within the measurement plane measured by the displacement measuring unit 300 and calculates the strain of the measurement surface of the structure S using the finite element method .

디스플레이부(500)는 변위 측정부(300)에 의해 측정된 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 변형률 산출부(400)에 의해 산출된 구조물(S)의 측정면의 변형률을 입력받아 디스플레이하는 역할을 하며, LCD, LED, CRT 등의 출력장치로 구성될 수 있다.The display unit 500 displays the displacement of the structure S measured by the displacement measuring unit 300 at various points within the measurement plane and the displacement of the measurement surface of the structure S calculated by the strain calculating unit 400 And it can be constituted of output devices such as LCD, LED, and CRT.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치에 의해 구현된 면 변위와 변형률 계측 방법에 대해 설명하기로 한다.The surface displacement and strain measuring method implemented by the surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to the first embodiment of the present invention will be described.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.3 is a flow chart for explaining a surface displacement and strain measuring method using a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a first embodiment of the present invention, .

먼저, 레이저 분산 조사부(100)에 의해 구조물(S)의 측정면에 레이저를 분산하여 조사한다(S10).First, the laser is dispersed and irradiated onto the measurement surface of the structure S by the laser dispersion irradiating unit 100 (S10).

이어서, 레이저 스페클 이미지 생성부(200)에 의해 구조물(S)의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성한다(S20).Then, the laser speckle image generating unit 200 photographs the measurement surface of the structure S to generate a dispersed laser speckle image (S20).

스텝(S30)에서는 변위 측정부(300)가 상기 스텝(S20)에서 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정한다. 좀 더 상세하게는, 본 스텝(S30)은 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정한다.In step S30, the displacement measuring unit 300 receives the laser speckle image generated in step S20, and measures a displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure S by an image analysis method. More specifically, this step S30 uses a method of estimating the movement of the laser speckle image pattern based on an arbitrary measurement point on the laser speckle image by an image analysis method and measuring the displacement with respect to the measurement point, This measurement method is applied to the intersections of a plurality of virtual lattice networks formed on the laser speckle image to measure the displacement of the entire surface.

스텝(S40)에서는 변형률 산출부(400)가 상기 스텝(S30)에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 구조물(S)의 측정면의 변형률을 산출한다.In step S40, the strain calculating unit 400 receives the displacement occurring at various points within the measurement plane measured in step S30, and calculates the strain of the measurement surface of the structure S using the finite element method.

스텝(S50)에서는 디스플레이부(500)가 상기 스텝(S30)에서 측정된 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 스텝(S40)에서 산출된 구조물(S)의 측정면의 변형률을 디스플레이한다.In step S50, the display 500 displays the displacement of the structure S measured at the step S30 at various points within the measurement plane and the measurement plane of the structure S calculated at the step S40, Of strain.

[제 2 실시예][Second Embodiment]

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 분산 조사부(100), 레이저 스페클 이미지 생성부(200), 이미지 변환부(600), 변위 측정부(300'), 변형률 산출부(400') 및 디스플레이부(500')를 포함한다. 2, the apparatus for measuring surface displacement and strain using a dispersed laser speckle image according to a second embodiment of the present invention includes a laser dispersion irradiating unit 100, a laser speckle image generating unit 200, An image transformation unit 600, a displacement measurement unit 300 ', a strain calculation unit 400', and a display unit 500 '.

레이저 분산 조사부(100)는 측정 대상인 구조물(S)의 측정면(도시안됨)에 레이저를 분산하여 조사하는 역할을 한다. The laser dispersion irradiating unit 100 serves to disperse and irradiate a laser on a measurement surface (not shown) of the structure S to be measured.

레이저 스페클 이미지 생성부(200)는 구조물(S)의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 역할을 하며, 디지털 카메라로 구성될 수 있다. 레이저 분산 조사부(100)와 레이저 스페클 이미지 생성부(200)는 서로 체결되어 상호간의 위치가 고정되어 있거나, 또는 각각 다른 위치에 설치되더라도 상호간의 상대적인 위치를 확인할 수 있어야 한다.The laser speckle image generating unit 200 generates a dispersed laser speckle image by photographing the measurement surface of the structure S, and may be constituted by a digital camera. The laser scattering irradiating unit 100 and the laser speckle image generating unit 200 may be fixed to each other so that their relative positions can be confirmed even if they are fixed to each other or are installed at different positions.

이미지 변환부(600)는 레이저 스페클 이미지 생성부(200)에 의해 생성된 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부(200)의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성하는 역할을 한다.The image converting unit 600 creates a window on the laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit 200 and converts the window into a standard deviation / average while sliding the window to generate a speckle contrast image The inverse number of the square of the Speckle Contrast at each pixel in the generated speckle contrast image multiplied by the exposure time of the laser speckle image generating unit 200 is taken as the Speckle Contrast image, (SFI).

이미지 변환과정은 도 5에 도시되어 있다.The image conversion process is shown in FIG.

레이저 스페클 이미지 생성부(200)에 의해 생성된 레이저 스페클 이미지는 원본 이미지(Original)이며, 레이저 분산 조사부(100)에 의해 구조물(S)에 레이저를 분산하여 조사한 후 발생되어진 구조물(S) 표면의 레이저 스페클 패턴을 초 당 30 frames, 640×480으로 촬영한 이미지이다.The laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit 200 is an original image. The laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit 200 is generated by dispersing a laser beam into the structure S by the laser dispersion irradiating unit 100, It is an image of the laser speckle pattern of the surface at 30 frames per second, 640 × 480.

먼저, 이미지 변환부(600)는 위의 640×480으로 촬영한 이미지에 7×7 윈도우(window)를 만들어 이를 슬라이딩하며 표준편차/평균으로 변환(SC conv.)하여 스페클 콘트라스트 이미지를 생성하며, 이 이미지는 흐릿한(Blur) 이미지와 흐리지 않은(no Blur) 이미지의 콘트라스트(contrast)를 높여서 생성된 이미지이다.  First, the image converting unit 600 creates a 7 × 7 window on the image photographed at 640 × 480 and converts it into a standard deviation / average (SC conv.) To generate a speckle contrast image , This image is created by increasing the contrast of blur and no blur images.

이후, 이미지 변환부(600)는 아래의 [수학식 1]을 이용하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성한다.Thereafter, the image transform unit 600 generates a speckle flow index SFI using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[τC : 스페클 비상관 시간(Speckle decorrelation time), T: 노출 시간, C(i, j): 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트][τ C : Speckle decorrelation time, T: exposure time, C (i, j): speckle contrast at each pixel]

변위 측정부(300')는 이미지 변환부(600)에 의해 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 역할을 한다. 변위 측정부(300')는 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴(LSI 패턴)의 이동(변위)을 영상 분석 방법(Image Analysis method)으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정할 수 있다.The displacement measuring unit 300 'receives the speckle flow index generated by the image converting unit 600 and measures a displacement occurring at various points in the measurement plane of the structure S by the image analysis method . The displacement measuring unit 300 'estimates the displacement (displacement) of the laser speckle image pattern (LSI pattern) based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index by an image analysis method, And the measurement method can be applied to the intersections of a plurality of virtual lattice networks formed on the speckle flow index to measure the displacement of the entire surface.

변형률 산출부(400')는 변위 측정부(300')에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 구조물(S)의 측정면의 변형률을 산출하는 역할을 한다. The strain calculating unit 400 'receives a displacement occurring at various points within the measurement plane measured by the displacement measuring unit 300' and calculates the strain of the measurement surface of the structure S using the finite element method .

디스플레이부(500')는 변위 측정부(300')에 의해 측정된 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 변형률 산출부(400')에 의해 산출된 구조물(S)의 측정면의 변형률을 입력받아 디스플레이하는 역할을 하며, LCD, LED, CRT 등의 출력장치로 구성될 수 있다.The display unit 500'is used to calculate the displacement of the structure S calculated by the strain calculating unit 400'by using the displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure S measured by the displacement measuring unit 300 ' And may be configured as an output device such as an LCD, an LED, and a CRT.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치에 의해 구현된, 면 변위와 변형률 계측 방법에 대해 설명하기로 한다.The surface displacement and strain measurement method implemented by the surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to the second embodiment of the present invention will be described.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.4 is a flow chart for explaining a surface displacement and a strain measuring method using a surface displacement and strain measuring apparatus using a dispersed laser speckle image according to a second embodiment of the present invention, .

먼저, 레이저 분산 조사부(100)에 의해 구조물(S)의 측정면에 레이저를 분산하여 조사한다(S10').First, a laser is dispersed and irradiated on the measurement surface of the structure S by the laser dispersion irradiating unit 100 (S10 ').

이어서, 레이저 스페클 이미지 생성부(200)에 의해 구조물(S)의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성한다(S20').Next, the laser speckle image generating unit 200 photographs the measurement surface of the structure S to generate a dispersed laser speckle image (S20 ').

스텝(S30')에서는 이미지 변환부(600)가 상기 스텝(S20')에서 생성된 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부(200)의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성한다.In step S30 ', the image transforming unit 600 creates a window on the laser spec image generated in step S20', and converts the window into a standard deviation / average while sliding the window to obtain a Speckle Contrast image ), And taking the reciprocal of the squared value of the Speckle Contrast in each pixel in the generated speckle contrast image times the exposure time of the laser speckle image generating unit 200, Thereby generating a flow index SFI.

스텝(S40')에서는 변위 측정부(300')가 상기 스텝(S30')에서 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정한다. 좀 더 상세하게는, 본 스텝(S40')은 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 스페클 플로우 인덱스 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정한다.In step S40 ', the displacement measuring unit 300' receives the speckle flow index generated in step S30 'and calculates a displacement occurring at various points in the measurement plane of the structure S by the image analysis method . More specifically, the present step S40 'uses a method of estimating the movement of the speckle flow index pattern based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index by an image analysis method and measuring a displacement with respect to the measurement point , And this measurement method is applied to the intersections of a plurality of virtual lattice networks formed on the speckle flow index to measure the displacement of the entire surface.

스텝(S50')에서는 변형률 산출부(400')가 상기 스텝(S40')에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 구조물(S)의 측정면의 변형률을 산출한다.In step S50 ', the strain calculating unit 400' receives a displacement occurring at various points in the measurement plane measured in the step S40 ', and calculates the strain of the measurement plane of the structure S using the finite element method .

스텝(S60')에서는 디스플레이부(500')가 상기 스텝(S40')에서 측정된 구조물(S)의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 스텝(S50')에서 산출된 구조물(S)의 측정면의 변형률을 디스플레이한다.In step S60 ', the display unit 500' calculates the displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure S measured at the step S40 'and the displacement S' calculated at the step S50 ' ) On the measurement surface of the sample.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 계측 방법의 정확도를 검증하기 위한 시스템 구성도 및 쉐이킹 테이블(shaking table)이며, 도 7은 도 6의 LVDT를 이용한 측정 및 분석 결과를 나타낸 도면이며, 도 8은 도 6의 LSI 머신(Machine)에서 얻어진 SFI 이미지를 이용한 FDD를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a system configuration diagram and a shaking table for verifying the accuracy of the measurement method according to the second embodiment of the present invention, FIG. 7 is a diagram showing measurement and analysis results using the LVDT of FIG. 6, 8 is a diagram showing FDD using an SFI image obtained in the LSI machine of FIG.

계측 방법의 정확도를 검증하기 위한 과정은 다음과 같다.The procedure for verifying the accuracy of the measurement method is as follows.

먼저, 2, 3, 4, 5 Hz 주파수를 설정하고, 변위를 조절하였다.First, we set the frequency of 2, 3, 4, 5 Hz and adjusted the displacement.

이어서, 동작 변위(displacement)와 쉐이킹(shaking) 주파수를 LVDT로 측정한 후, LSI 기기의 성능 평가를 위해 LSI 머신에서 얻어진, SFI 이미지를 이용한 FDD와 LVDT의 측정 결과를 비교 분석하면, 두 결과의 주파수는 "2, 2, 3, 4, 2"로 동일함을 알 수 있다.Next, the displacement displacement and shaking frequency were measured by LVDT, and then the results of the FDD and LVDT measurements using the SFI image obtained from the LSI machine for the performance evaluation of the LSI device were compared and analyzed. It can be seen that the frequency is equal to "2, 2, 3, 4, 2".

이와 같이 주파수가 동일하다는 것은 SFI 이미지를 이용하여 측정점의 이동 경로를 정확하게 추적할 수 있다는 것을 의미하므로, SFI를 이용한 변위 및 변형률 측정 결과가 정확하다는 것을 암시하는 것이다.This same frequency means that the moving path of the measuring point can be accurately tracked using the SFI image, which implies that the displacement and strain measurement results using SFI are accurate.

위에 설명한 본 발명의 제 1, 2 실시예에 의한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치 및 방법에 의하면, 레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하고, 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하며, 변위 측정부가 상기 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하며, 변형률 산출부가 상기 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성됨으로써, 계측이 간편하며, 측정점을 명확히 정의할 수 있으며, 구조물 주변의 밝기에 영향을 받지 않고 계측할 수 있다.According to the surface displacement and strain measuring apparatus and method using the dispersed laser speckle image according to the first and second embodiments of the present invention described above, the laser is dispersed and irradiated on the measurement surface of the structure by the laser dispersion irradiating unit, The laser speckle image generating unit generates a dispersed laser speckle image by photographing the measurement surface of the structure, and the displacement measuring unit receives the generated laser speckle image, And the strain calculating unit calculates the strain of the measurement surface of the structure using the finite element method by receiving the displacement occurring at various points within the measured measurement plane, , The measurement point can be clearly defined and can be measured without being affected by the brightness around the structure .

좀 더 상세하게는, 변위계 및 변형률계를 측정하고자 하는 구조물에 직접 설치하는 과정이 생략되므로 계측이 간편해지며, 특정점을 기준으로 변위와 변형률이 측정되므로 측정점을 명확히 정의할 수 있으며, 레이저 스페클을 이용하여 계측하는 방식이므로 구조물 주변의 밝기에 영향을 받지 않는다. More specifically, since the process of directly installing the strain gage and the strain gauge on the structure to be measured is omitted, measurement is simplified, and the displacement and strain are measured on the basis of the specific point, so that the measurement point can be clearly defined, So that it is not influenced by the brightness around the structure.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the best mode has been shown and described in the drawings and specification, certain terminology has been used for the purpose of describing the embodiments of the invention and is not intended to be limiting or to limit the scope of the invention described in the claims. It is not. Therefore, those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 레이저 분산 조사부
S: 구조물
200: 레이저 스페클 이미지 생성부
300, 300': 변위 측정부
400, 400': 변형률 산출부
500, 500': 디스플레이부
600: 이미지 변환부100: Laser dispersion unit
S: Structure
200: Laser speckle image generating unit
300, 300 ': displacement measuring unit
400, 400 ': strain calculator
500, 500 ': display unit
600:

Claims (12)

구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하도록 구성된 레이저 분산 조사부;
상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하도록 구성된 레이저 스페클 이미지 생성부;
상기 레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하도록 구성된 변위 측정부; 및
상기 변위 측정부에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성된 변형률 산출부를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.A laser dispersion irradiating part configured to disperse and irradiate a laser on a measurement surface of the structure;
A laser speckle image generator configured to capture a measurement surface of the structure to generate a dispersed laser speckle image;
A displacement measuring unit configured to receive a laser speckle image generated by the laser speckle image generating unit and measure a displacement occurring at various points in a measurement plane of the structure by an image analysis method; And
And a strain calculating unit configured to calculate a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method based on a displacement generated at various points within the measurement plane measured by the displacement measuring unit, Surface displacement and strain measuring device. 제 1 항에 있어서,
상기 변위 측정부에 의해 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출부에 의해 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a display section configured to display displacements occurring at various points within the measurement plane of the structure measured by the displacement measurement section and strain rates of the measurement plane of the structure calculated by the strain calculation section, Surface displacement and strain measurement using image. 제 1 항에 있어서,
상기 변위 측정부는 상기 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하도록 더 구성된, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.The method according to claim 1,
Wherein the displacement measuring unit estimates the movement of the laser speckle image pattern based on an arbitrary measurement point on the laser speckle image by an image analysis method and measures a displacement with respect to the measurement point, And applying to the intersection of a plurality of virtual grid networks formed on the large image to measure the displacement over the entire surface, using the dispersed laser speckle image. 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하도록 구성된 레이저 분산 조사부;
상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하도록 구성된 레이저 스페클 이미지 생성부;
상기 스페클 이미지 생성부에 의해 생성된 상기 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성하도록 구성된 이미지 변환부;
상기 이미지 변환부에 의해 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하도록 구성된 변위 측정부; 및
상기 변위 측정부에 의해 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하도록 구성된 변형률 산출부를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.A laser dispersion irradiating part configured to disperse and irradiate a laser on a measurement surface of the structure;
A laser speckle image generator configured to capture a measurement surface of the structure to generate a dispersed laser speckle image;
A window is created on the laser speckle image generated by the speckle image generating unit to generate a speckle contrast image by converting the window into standard deviation / average while sliding the window, and the generated speckle contrast An image transforming unit configured to generate a speckle flow index (SFI) by taking a reciprocal of a squared value of Speckle Contrast at each pixel in an image multiplied by an exposure time of a laser speckle image generating unit;
A displacement measuring unit configured to receive a speckle flow index generated by the image converting unit and measure a displacement occurring at various points in a measurement plane of the structure by an image analysis method; And
And a strain calculating unit configured to calculate a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method based on a displacement generated at various points within the measurement plane measured by the displacement measuring unit, Surface displacement and strain measuring device. 제 4 항에 있어서,
상기 변위 측정부에 의해 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출부에 의해 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.5. The method of claim 4,
Further comprising a display section configured to display displacements occurring at various points within the measurement plane of the structure measured by the displacement measurement section and strain rates of the measurement plane of the structure calculated by the strain calculation section, Surface displacement and strain measurement using image. 제 4 항에 있어서,
상기 변위 측정부는 상기 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 스페클 플로우 인덱스 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하도록 더 구성된, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the displacement measuring unit estimates the movement of the speckle flow index pattern based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index by an image analysis method and measures a displacement with respect to the measurement point, And applying to the intersections of a plurality of virtual lattice networks formed on the flow index to measure displacements over the entire surface. A surface displacement and strain meter using dispersed laser speckle images. 제 1 항에 기재된 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법으로서:
레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하는 단계;
레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 단계;
변위 측정부가 상기 레이저 스페클 이미지 생성 단계에서 생성된 레이저 스페클 이미지를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 단계; 및
변형률 산출부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하는 단계를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.A surface displacement and strain measuring method using a dispersed laser speckle image using a surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to claim 1,
Dispersing and irradiating a laser on a measurement surface of a structure by a laser dispersion irradiating unit;
Capturing a measurement surface of the structure by a laser speckle image generating unit to generate a dispersed laser speckle image;
Measuring a displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure by an image analysis method, the displacement measurement unit receiving the laser speckle image generated at the laser speckle image generation step; And
And calculating a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method by receiving a displacement generated at various points in the measurement plane measured by the strain calculation unit in the displacement measurement step, Surface displacement and strain measurement method. 제 7 항에 있어서,
디스플레이부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출 단계에서 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.8. The method of claim 7,
Further comprising the step of displaying displacements of the display unit at various points within the measurement plane of the structure measured at the displacement measurement step and strain rates of the measurement plane of the structure calculated at the strain calculation step, Surface displacement and strain measurement method using. 제 7 항에 있어서,
상기 변위 측정 단계는 상기 레이저 스페클 이미지 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 레이저 스페클 이미지 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 레이저 스페클 이미지 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하는 단계를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the displacement measurement step uses a method of estimating the movement of the laser speckle image pattern based on an arbitrary measurement point on the laser speckle image by an image analysis method and measuring a displacement with respect to the measurement point, And applying displacement to the intersection of a plurality of virtual lattice networks formed on the speckle image to measure the displacement of the entire surface. 제 4 항에 기재된 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 장치를 이용한, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법으로서:
레이저 분산 조사부에 의해 구조물의 측정면에 레이저를 분산하여 조사하는 단계;
레이저 스페클 이미지 생성부에 의해 상기 구조물의 측정면을 촬영하여 분산된 레이저 스페클 이미지를 생성하는 단계;
이미지 변환부가 상기 스페클 이미지 생성 단계에서 생성된 상기 레이저 스페클 이미지에 윈도우를 만들어 이 윈도우를 슬라이딩시키면서 표준편차/평균으로 변환하여 스페클 콘트라스트 이미지(Speckle Contrast Image)를 생성하고, 이 생성된 스페클 콘트라스트 이미지에 있어서 각 픽셀에서의 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast)의 제곱값에 레이저 스페클 이미지 생성부의 노출시간을 곱한 값의 역수를 취하여 스페클 플로우 인덱스(SFI)를 생성하는 단계;
변위 측정부가 상기 스페클 인덱스 생성 단계에서 생성된 스페클 플로우 인덱스를 입력받아 영상 분석 방법에 의해 상기 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 측정하는 단계; 및
변형률 산출부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위를 입력받아 유한요소법을 이용하여 상기 구조물의 측정면의 변형률을 산출하는 단계를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.A surface displacement and strain measurement method using a dispersed laser speckle image using a surface displacement and strain measuring apparatus using the dispersed laser speckle image according to claim 4,
Dispersing and irradiating a laser on a measurement surface of a structure by a laser dispersion irradiating unit;
Capturing a measurement surface of the structure by a laser speckle image generating unit to generate a dispersed laser speckle image;
The image transforming unit creates a window on the laser spec image generated in the speckle image generating step and converts the window into a standard deviation / average while sliding the window to generate a speckle contrast image, Generating a speckle flow index (SFI) by taking a reciprocal of a square value of Speckle Contrast at each pixel in a large contrast image multiplied by an exposure time of a laser speckle image generating unit;
Measuring a displacement occurring at various points within the measurement plane of the structure by an image analysis method, the displacement measurement unit receiving the speckle flow index generated in the speckle index generation step; And
And calculating a strain of a measurement surface of the structure by using a finite element method by receiving a displacement generated at various points in the measurement plane measured by the strain calculation unit in the displacement measurement step, Surface displacement and strain measurement method. 제 10 항에 있어서,
디스플레이부가 상기 변위 측정 단계에서 측정된 구조물의 측정면 내 여러 점에서 발생하는 변위와, 상기 변형률 산출 단계에서 산출된 구조물의 측정면의 변형률을 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.11. The method of claim 10,
Further comprising the step of displaying displacements of the display unit at various points within the measurement plane of the structure measured at the displacement measurement step and strain rates of the measurement plane of the structure calculated at the strain calculation step, Surface displacement and strain measurement method using. 제 10 항에 있어서,
상기 변위 측정 단계는 상기 스페클 플로우 인덱스 상의 임의의 측정점을 기준으로 한 스페클 플로우 인덱스 패턴의 이동을 영상 분석 방법으로 추정하여 측정점에 대한 변위를 측정하는 방법을 사용하며, 이 측정 방법을 상기 스페클 플로우 인덱스 상에 형성된 복수의 가상 격자망의 교차점에 적용하여 면 전체에 대한 변위를 측정하는 단계를 포함하는, 분산된 레이저 스페클 이미지를 이용한 면 변위와 변형률 계측 방법.11. The method of claim 10,
The displacement measuring step may include a method of estimating the movement of the speckle flow index pattern based on an arbitrary measurement point on the speckle flow index by an image analysis method and measuring a displacement with respect to the measurement point, And applying displacement to the intersection of a plurality of virtual lattice networks formed on the large flow index to measure a displacement with respect to the entire surface, and a method of measuring surface displacement and strain using the dispersed laser speckle image.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210157747A (en) 2020-06-22 2021-12-29 중앙대학교 산학협력단 Displacement Measurement System of structure using image processing unit and laser
KR20230156866A (en) 2022-05-06 2023-11-15 중앙대학교 산학협력단 Displacement Measurement System of structure using laser Jig capable of calibration

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KR20210157747A (en) 2020-06-22 2021-12-29 중앙대학교 산학협력단 Displacement Measurement System of structure using image processing unit and laser
CN113188453A (en) * 2021-04-30 2021-07-30 东北电力大学 Speckle generating device for film structure non-contact displacement and strain measurement
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