KR100726009B1

KR100726009B1 - 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100726009B1
Application number: KR1020060099620A
Authority: KR
Inventors: 최성환; 이종조
Original assignee: 최성환; 이종조
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-06-08

Abstract

본 발명은 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 각종 토목, 건축 구조물 및 이들 구성부재의 변위를 측정하여 주요 시설물의 안전진단을 할 수 있는 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특정 좌표에 따른 영상을 카메라를 이용하여 지속적으로 촬영하되, 카메라는 소정의 간격을 두고 다수개의 카메라를 이용하여 영상을 획득함으로써 구조물의 수직, 수평상의 움직임에 따른 2차원적인 변위값 뿐만 아니라 비틀림 등과 같은 3차원적인 변위값도 실시간으로 획득할 수 있도록 이루어진 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

구조물, 변위값, 카메라, 3차원, 중앙관제소, 관리서버

Description

구조물의 변위 측정 시스템 및 방법 {System and method for measuring displacement of structure}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변위 측정 시스템에 대한 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이며,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변위 측정 방법에 대한 개략적인 흐름도이며,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 좌표처리 프로그램으로부터 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 측정하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 4는 절대좌표계(X,Y,Z)에 대한 사진좌표계(x,y,z)의 관계를 도시한 도면이며,

도 5는 사진좌표계의 xy평면과 절대좌표계의 X,Y,Z 사이의 투영관계를 나타낸 도면이며,

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 교량의 진동을 계측한 후 측정점의 변위량을 나타낸 디스플레이 영상이며,

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 교량의 진동에 인위적인 비틀림을 인가한 후 측정점의 변위량을 나타낸 디스플레이 영상이며,

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 교량의 진동을 계측한 후 측정점의 3차원 변위량을 나타낸 그래프이며,

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 교량의 진동에 인위적인 비틀림을 인가한 후 측정점의 3차원 변위량을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 타겟 200 : 카메라

300 : 영상처리단말기 400 : 인터페이스

500 : 통신망 600 : 관리서버

700 : 데이터베이스 800 : 중앙관제소

900 : 무선신호송신부 1000 : 휴대용단말장치

1100 : 무선통신망

본 발명은 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각종 토목, 건축 구조물의 특정 좌표에 따른 영상을 카메라를 이용하여 지속적으로 촬영하되, 카메라는 소정의 간격을 두고 다수개의 카메라를 이용하여 영상을 획득함으로써 구조물의 수직, 수평상의 움직임에 따른 2차원적인 변위값 뿐만 아니라 비틀림 등과 같은 3차원적인 변위값도 실시간으로 획득할 수 있도록 이루어진 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 교량, 터널, 댐 등과 같은 각종 토목 및 건축 구조물은 시설물이 변형 또는 붕괴되었을 때 인명사뿐만 아니라 사회적 및 경제적으로 미치는 영향이 매우 크므로 지속적인 안전 진단을 통해 구조물의 낙후로 인한 사고를 미연에 방지하고, 지속적인 관찰을 통해 구조물의 변형을 조기에 발견해서 조치를 취해야만 한다.

특히, 교량은 통행하는 차량에 의한 불규칙적인 하중과 충격을 받고 있으며, 특히 우리나라의 경우 계절에 따른 일교차가 매우 크고, 한파, 태풍 등 급격한 자극이 주어지고 있다. 이와 같이 외부로부터 작용하는 충격과 자극뿐만 아니라 구조물을 이루고 있는 재료의 역학적 특성의 변화에 의해 구조물은 처짐, 비틀림 등과 같은 장기적인 변형을 일으킨다. 따라서 교량과 같은 이동하중이 반복으로 작용하는 구조물에 대해서는 장기적 변형과 단기적 진동에 대한 지속적인 모니터링에 의한 관리가 필요하다.

구조물의 전체적인 성능 변화를 평가하여 위한 지표로는 구조물의 변위 측정이 가장 적절하다. 그래서 현재 구조물의 안전진단을 위한 하중 재하 시험에서도 변위가 신뢰성 있는 계측 값으로 활용되고 있으며, 구조물의 안전진단을 위해서는 구조물의 변위량을 정확하게 계측하는 것이 매우 중요하다.

구조물의 변위 측정에 널리 사용되고 있는 방법으로는 레이저를 이용한 측정기를 사용하거나 위성 위치 확인 시스템(GPS)의 신호를 이용한 진동량 측정방법이 있다. 레이저를 이용한 측정기는 대형 구조물이나 특수 교량의 변위량 또는 진동량의 측정에 흔히 쓰이는데, 구조물의 표면에 특별한 표식을 설치하지 않고 기계적인 스캐너가 레이저 소스를 움직여 분산된 다점을 측정하는 방식을 취하고 있다. 그러나 이 방법은 기기 사용이 편리한 장점이 있지만, 제품의 가격이 비싸고 절차가 복잡한 문제점이 있었다.

한편, 위성위치확인시스템(GPS)의 신호를 이용한 측정방법은 현수교나 사장교와 같은 장대 교량의 계측에 일부 적용되는데, 해상도가 낮아 일반 구조물에는 적용이 불가능한 문제점이 있었다.

또한, 최근 특수교량이나 초고층 빌딩 등과 같은 대형 구조물에는 시공당시에 각종 센서를 매립하여 지속적인 관찰이 가능하지만, 그 외의 일반 구조물에는 간단히 측정할 수 있는 장치가 없어 부득이 재하 실험을 할 수밖에 없는데, 재하 실험은 많은 인력과 비용이 소요되어 수시로 계측작업을 수행할 수가 없었고, 재하 실험시 교통을 차단할 수밖에 없어 민원이 제기되는 문제점도 있었다.

최근에는 CCD카메라를 이용하여 구조물의 특정 좌표를 지속적으로 촬영하고, 촬영한 다수의 영상으로부터 변위값을 추출하는 방법이 제시된 바 있다. 그러나, 종래기술에 의한 CCD카메라를 이용한 변위값 측정 방법은 대부분 수평 및 수직상의 흔들림에 따른 2차원적인 결과값만을 추출할 수 있었으며, 구조물의 비틀림등에 의한 3차원상의 변위값을 추출하기에는 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 구조물의 2차원적인 변위값 뿐만 아니라 비틀림 등과 같은 3차원적인 변위값도 획득할 수 있는 시스템을 제안하고자 함에 본 발명의 목적이 있다.

또한, 본 발명은 각종 구조물로부터 변위값을 실시간으로 획득하여 지속적으로 모니터링 할 수 있는 시스템을 제안하고자 함에 본 발명에 또 다른 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로는,

구조물의 변위측정 대상 부위에 장착되는 타겟(100)과, 상기의 타겟(100)을 촬영할 수 있는 다수의 카메라(200)와, 상기 카메라(200)를 통해 촬영한 영상으로부터 기준 좌표를 인식하고 또한 좌표의 변위값을 처리할 수 있도록 좌표처리 프로그램(310)이 탑재되어 있는 영상처리단말기(300)와, 상기의 영상처리단말기(300)와 카메라(200)를 연결하는 인터페이스(400)와, 상기 영상처리단말기(300)와, 관리서버(600)와, 중앙관제소(800) 상호간에 데이터를 송수신 할 수 있도록 통신환경을 제공하는 통신망(500)과, 상기 영상처리단말기(300)로부터 전송된 구조물의 변위정보를 수집하는 관리서버(600)와, 관리서버(600)에서 수집된 변위정보를 포함하여 각종 데이터를 저장하는 데이터베이스(700)와, 상기 관리서버(600)로부터 전송된 데이터를 수신받아 실시간으로 모니터링하는 중앙관제소(800)와, 상기의 관리서버(600)에서 수집된 구조물의 변위정보에 따라 위험상황이라고 판단시 경보상황을 관리자에게 전송하기 위한 무선신호송신부(900)와, 상기의 관리서버(600)로부터 전송된 경보신호를 관리자가 수신할 수 있는 수단에 해당하는 휴대용단말장치(1000) 와, 상기의 무선신호송신부(900)와 휴대용단말장치(1000)간의 통신환경을 제공하는 무선통신망(1100)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 변위를 측정하고자 하는 구조물의 대상 부위에 타겟(100)을 설치하고, 다수의 영상을 반복 촬영하기 위한 촬영시간 설정 과정을 포함하는 환경설정 과정과(S100), 상기의 타겟(100)을 중심으로 설치된 다수의 카메라(200)를 통해 타겟(100)영상을 촬영하는 영상획득 과정과(S200), 다수의 카메라(200)로부터 획득한 각각의 영상을 영상처리단말기(300)로 전달하는 과정과(S300), 상기의 영상 획득 과정(S200) 및 획득한 영상의 수집과정(S300)이 설정된 시간동안 반복하는 과정과(S400), 영상처리단말기(300)에서는 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 설정된 시간동안 촬영된 다수의 영상으로부터 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정과(S500), 좌표처리 프로그램(310)을 통해 계산된 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 관리서버(600)로 전송하며 관리서버(600) 이를 수신하는 과정과(S600), 관리서버(600)로 수집된 구조물의 변위정보에 있어서 측정된 변위값에 따른 위험상황 여부를 판단하는 과정과(S700), 측정된 변위값에 따른 현재 상황이 위험한 상황이라고 판단시 미리 설정된 음성 및 문자형태의 경보신호를 관리자의 휴대용단말장치(1000)로 전송하는 과정과(S750), 관리서버(600)에서 수신한 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 중앙관제소(800)로 실시간 전송하며, 중앙관제소(800)에서는 이를 실시간으로 모니터링 하는 과정(S800)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기의 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정(S500)은, 촬영된 영상에 대한 영상처리 영역을 설정하는 과정과(S510), 설정된 영상처리 영역으로부터 타겟(100)의 입자 중심을 구하는 과정과(S520), 상기에서 타겟(100)의 입자 중심을 구한 후 카메라 교정방법을 통해 각각의 카메라에 대한 파라메타를 구하는 과정과(S530), 상기의 과정을 통해 계산된 각각 카메라의 파라메타와, 계산의 기준이 되는 타겟(100)의 특정점으로부터 구해진 입자 중심과의 연산을 통해 입자의 3차원 위치를 계산하는 과정과(S540), 각각의 카메라로부터의 획득한 2차원 Tracking에 의한 움직임과의 Cross Checking방법에 의해 최종 3차원 변위값을 획득하는 과정(S550)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변위 측정 시스템에 대한 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 구조물의 변위를 측정하고자 하는 소정 부위에 장착되는 것으로 피측정 대상에 해당되는 타겟(100)과, 피측정 대상에 해당되는 상기 타겟(100)을 촬영할 수 있는 다수의 카메라(200)와, 상기 카메라(200)를 통해 촬영한 영상으로부터 기준 좌표를 인식하고 또한 좌표의 변위값을 처리할 수 있도록 좌표처리 프로그램(310)이 탑재되어 있는 영상처리단말기(300)와, 상기의 영상처리단말기(300)와 카메라(200)를 연결하는 인터페이스(400)와, 상기 영상처리 단말기(300)에서 처리된 타겟(100)의 변위값을 수집하여 관리서버로 실시간 송신할 수 있는 통신환경을 제공하는 통신망(500)과, 상기 통신망(500)을 통해 전송된 구조물의 변위 정보를 수집하는 관리서버(600)와, 관리서버(600)에서 수집한 데이터를 저장하는 데이터베이스(700)와, 상기 관리서버(600)로부터 데이터를 전송받아 실시간으로 모니터링하는 중앙관제소(800)와, 상기의 관리서버(600)에서 수집된 구조물의 변위정보에 따라 위험상황이라고 판단시 경보상황을 관리자에게 전송하기 위한 무선신호송신부(900)와, 관리자는 경보상황을 수신할 수 있도록 구성되는 휴대용단말장치(1000)와, 상기의 무선신호송신부(900)와 휴대용단말장치(1000)간의 통신환경을 제공하는 무선통신망(1100)을 포함하여 구성된다.

타겟(100)은 피측정 대상에 해당하는 구조물의 특정 부위에 설치되는 것으로, 카메라(200)를 통해 영상 촬영시 좌표의 기준설정과 함께 좌표의 변위량을 관찰하기 위한 수단으로 사용된다. 상기에서의 타겟(100)은 특정 형상에 한정되지는 않지만 원 또는 구 형태의 타겟(100)이 사용됨이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따르면 타겟(100)으로 구 형상을 적용하였으며, 다수개의 구슬을 흰색 아크릴판 위에 각기 다른 길이로 돌출된 아크릴 봉의 단부에 각각 장착함으로써 타겟(100)을 형성하였다.

카메라(200)는 상기의 타겟(100)을 촬영하여 영상정보를 획득하기 위한 수단으로 타겟(100)으로부터 소정의 거리를 두고 설치되며 최소 2대 이상의 카메라가 타겟(100)을 중심으로 각각 서로 다른 각도에 설치된다. 또한, 상기의 카메라(200) 는 CCD형 디지털 카메라를 적용함이 바람직하다.

영상처리단말기(300)는 마이크로 프로세서를 포함한 제어수단 및 탑재된 프로그램을 처리할 수 있는 단말장치에 관한 것으로, 탑재된 프로그램으로는 타겟(100)의 기준 좌표를 인식하고 또한 좌표의 변위값을 처리할 수 있는 좌표처리 프로그램(310)을 포함하여 구성된다.

인터페이스(400)는 카메라(200)를 통해 촬영된 영상정보를 영상처리단말기(300)로 전달하기 위한 수단으로 각종 유무선 인터페이스 장비를 포함한다.

통신망(500)은 영상처리단말기(300)와 관리서버(600), 또는 관리서버(600)와 중앙관제소(800) 간에 데이터를 송수신 할 수 있는 통신환경을 제공하기 위한 수단으로 유ㆍ무선 인터넷 통신망을 포함한 각종 통신망이 적용될 수 있다.

무선신호송신부(900)는 관리서버(600)측에 구축되는 데이터 송신수단으로 음성, 문자, 영상 등 다양한 형태의 경보신호를 관리자에게 전송할 수 있는 수단에 해당한다.

휴대용단말장치(1000)는 통상적으로 음성 및 문자의 송수신이 가능한 휴대전화 또는 PDA(personal digital assistants)가 적용됨이 바람직하다.

무선통신망(1100)은 무선신호송신부(900)와 휴대용단말장치(1000)간의 통신환경을 제공하는 수단으로 이동통신망 또는 무선인터넷 통신망을 포함한 각종 무선신호를 송수신 할 수 있는 통신망이 적용된다.

이하, 상기의 시스템 구성을 적용한 변위 측정 방법에 대해 상세하게 설명한 다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변위 측정 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.

먼저, 구조물에서 변위를 측정하고자 하는 대상 부위에 준비된 타겟(100)을 설치하고, 상기 타겟(100)으로부터 소정의 거리에 다수의 카메라(200)를 설치한 후 설치된 카메라(200)로부터 다수의 영상을 반복 촬영하기 위한 촬영시간을 설정하는 등의 환경설정 과정이 수행되며(S100), 상기의 타겟(100)을 중심으로 최소 2대 이상의 카메라(200)가 각각 서로 다른 각도에서 타겟(100)을 촬영하는 영상획득 과정이 이루어진다(S200).

다수의 카메라(200)에서 각각 획득한 영상은 영상처리단말기(300)로 전달되며(S300), 상기의 영상 획득 과정(S200) 및 획득한 영상의 수집과정(S300)은 설정된 시간동안 다수의 영상을 반복 촬영하여 수집하는 과정이 되도록 반복한다(S400).

영상처리단말기(300)에서는 설정된 시간동안 촬영된 다수의 영상을 수집한 후 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 다수의 영상으로부터 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산한다(S500).

좌표처리 프로그램(310)을 통해 계산된 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 통신망(500)을 통해 관리서버(600)로 송신하고, 관리서버(600)에서는 이를 수신한다(S600).

만약, 관리서버(600)에서 수집된 구조물의 변위정보에 있어서, 측정된 변위값이 위험한 상황이라고 판단되면(S700), 미리 설정된 음성 및 문자형태의 경보신 호를 관리자의 휴대용단말장치(1000)로 전송한다(S750). 상기에서 관리자에게로 전송되는 경보신호는 데이터베이스(700)를 포함하는 각종 데이터 저장수단을 이용하여 보관한 후 필요시 호출한다.

관리서버(600)에서 수신한 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 중앙관제소(800)로 실시간 전송하며, 중앙관제소(800)에서는 이를 실시간으로 모니터링 한다(S800).

상기 관리서버(600)에서 구조물의 변위 정보에 따라 위험한 상황이라고 판단하는 과정(S700)을 보충 설명하면 다음과 같다.

구조물 중에서 교량의 경우, 각각의 교량은 고유한 진동수를 갖고 있으며, 이러한 고유진동수와 차량이나 외부 영향에 의한 공진주파수가 일치하는 경우에는 위험한 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 실시간에 의한 지속적으로 교량의 상태를 3차원으로 모니터링 하여 공진주파수를 계산, 고유진동수와 비교를 통하여 위험진동수가 발생하는 빈도나 위험수위를 계산하여 미리 설정한 값 이상이 되면 위험 경보신호를 관리자에게 전송하는 방식이 적용되었다. 또한, 이러한 계산 및 판단은 관리서버(600)에서 담당한다.

이하, 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 구조물에 설치된 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정(S500)에 대해 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 좌표처리 프로그램으로부터 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

먼저, 영상처리단말기(300)에서는 카메라(200)로부터 촬영된 영상에 대해 영상의 처리할 영역을 설정하고(S510), 설정된 영상 영역에서 타겟(100)의 입자 중심을 구한다(S520). 기존의 이치화에 의한 면적모우멘트에 의한 방법은 이치화를 위한 계조치에 의해 입자의 중심이 변동될 수 있는 단점이 있어 본 발명에서는 정밀도가 높은 Gaussian Mask Method에 의해 입자의 중심을 구하였다.

상기 과정을 통해 타겟(100)의 입자 중심을 구하면 카메라 교정방법을 통해 각각의 카메라에 대한 파라메타를 구한다(S530).

상기에서 카메라 교정방법에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 외부파라메타(d ,α,β,κ,m_x, m_y)와 내부파라메타(c_x, c_y, k₁, k₂)등 10개의 파라메터를 정의하고, 관측방정식을 식(2)와 같이 정의하였다.

도 4는 절대좌표계(X,Y,Z)에 대한 사진좌표계(x,y,z)의 관계를 보여주고 있으며, d는 절대좌표계 Ｏ(0,0,0)점으로부터 카메라 중심까지의 거리를 의미한다. 즉, Ｏ점으로부터 카메라 중심까지의 거리를 말한다. 사진좌표계와 절대좌표계를 일치시키기 위하여 X,Y,Z축에 대한 회전각을 α,β,κ로 정의하고, 회전된 절대좌표값을 (X_m,Y_m,Z_m)으로 표시한다. 여기서 사진좌표계의 z축과 절대좌표계의 Z축을 일치시키기 위한 이동량을 m_x, m_y로 표시한다. 상기의 과정을 거치면, 도 5와 같은 사진좌표계의 xy평면과 절대좌표계의 X,Y,Z 사이의 투영관계로부터 식(1)과 같은 관측방정식을 얻을 수 있다.

단, c_x, c_y : 초점거리

ㅿx, ㅿy : 이미지 중심으로부터의 거리에 따른 렌즈의 굴절량

식(1)과 같이 정의된 각 카메라의 파라메타를 구하기 위해 이미 알고있는 절대좌표값(X_i,Y_i,Z_i)와 사진좌표값(x_i,y_i)에 대한 관측방정식 F,G는 식(2)와 같이 표시할 수 있다.

회전변환행렬을 M_M , 역행렬을 B라고 하면,

와 같이 표현이 가능하므로, X,Y,Z에 관해 정리하면,

상기에서와 같이, 각 카메라에 대한 카메라중심(X₀,Y₀,Z₀)과 입자의 중심을 지나는 하나의 직선 방정식을 구할 수 있으며, 하나의 입자에 대한 두 대 이상의 카메라로부터 구해진 직선 방정식을 동일선상에 있다는 조건을 이용하여 구할 수 있다.

즉, 공간상의 입자 P점에 대해 각각의 카메라는;

와 같은 방정식이 구해진다.

즉, 두 대의 카메라로부터의 직선방정식은

미지의 값 t, s의 값이 구해지면 A(X,Y,Z), B(X,Y,Z)가 결정되고, 입자의 3 차원 위치 P(X,Y,Z)는 아래와 같다.

표 1은 본 발명의 실시예에 따른 계산과정을 통해 얻어진 각각의 카메라에 대한 파라메타를 나타내고 있다.

Parameter	Camera1	Camera2
d(mm)	3091.65722656	3079.53637695
cx(mm)	2921.83911132	2951.81591796
cy(mm)	2920.07055664	2946.92993164
ω(°)	0.39342305	-0.21862249
ψ(°)	-0.10749399	-0.11257622
κ(°)	-0.04458145	-0.01821789
mx(mm)	-19.94536781	-2.85178780
my(mm)	-22.96369743	21.78836822
k1	-0.00000001	0.00000795
k2	-0.00000000	-0.00000000

상기의 과정을 통해 구해진 각각 카메라의 파라메타와 정해진 특정점으로부터 구해진 입자 중심과의 연산을 통한 Direct Pair Matching 방법에 의하여 입자의 3차원 위치를 계산한다(S540).

3차원의 연속적인 위치는 각각의 카메라로부터의 획득한 2차원 Tracking에 의한 움직임과의 Cross Checking방법에 의해 연속적인 최종 3차원 좌표값을 획득한다(S550).

바람직하게, 상기에서 획득한 연속적인 3차원 좌표값은 시간변화에 따른 그래프로 생성하여 시각적으로 출력하는 디스플레이과정(S560)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 각각의 카메라로부터 얻어진 영상에서 Target Point를 정하여 구슬의 중심의 위치를 가우시안 마스크법을 이용하여 계산하였다. 또한, 교정작업으로 구하여진 파라메타들과 각각의 카메라로부터 연속하여 얻어진 Target Point의 좌표를 이용하여 3차원 좌표를 계산하였다. 일반적으로 교량의 진동을 계측하는 기존의 방법들은 카메라 1대를이용하여 2차원적인 방법을 이용하였지만, 교량의 특성상 상하움직임보다 비틀림에 대하여 취약하기 때문에 3차원적인 계측방법이 이루어져야 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 35초정도 연속해서 실험을 실시하였으며, 인위적으로 비틀림 현상이 일어날 수 있도록 하는 방법(Case2)과 그렇지 않은 경우(Case1)에 대하여 실험을 하였다. 피측정물에 다수의 측정점중 특정점을 각각의 카메라에 대해서 결정한 후 연속해서 계측하였다.

도 6은 Case1에 대한 결과이고, 도 7은 Case2에 대한 결과를 보여주고 있다. 상기의 도 6 및 도 7는 피측정물의 특정점에 대한 좌표 변화량을 시간변화에 따라 연속적으로 측정한 후 디스플레이한 영상으로, 상기에서 디스플레이된 영상은 영상처리단말기(300)에 구축된 좌표처리 프로그램(310)을 통해서 획득한 좌표 변화량을 나타낸 것이다.

또한, 디스플레이된 영상에 있어서 각각의 좌표점에 대한 색상은 시간변화에 따라 각각 구분되게 출력한 것으로, 파랑색에서 빨강색 순으로 시간의 진행상황을 나타내고 있다.

도 8은 Case1에 대한 시간에 따른 측정점의 3차원 변위량을 나타낸 그래프이며, 도 9는 Case2에 대한 시간에 따른 측정점의 3차원 변위량을 나타낸 그래프이다. 도 8 및 도 9에 도시한 그래프에서는 좌표값의 X,Y,Z 축에 대한 각각의 변위량에 대한 그래프를 구별되는 색상으로 표현하였다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 타겟의 개수를 한 개만을 사용하여 계측하였으나, 모든 점들을 동시에 실시간으로 계측이 가능하기 때문에 구조물의 미세한 3차원 움직임(롤링이나 피칭)에 대해서 정도 높은 계측이 가능하다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 구조물의 변위 측정 시스템 및 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 특정 구조물에 대한 수직 및 수평에 해당하는 2차원상의 변위량 뿐 아니라 비틀림과 같은 3차원상의 변위량도 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 관리서버 또는 중앙관제소를 통해 구조물의 변위량을 실시간으로 관측할 수 있으므로 위험상황이 발생하더라도 즉각적인 조치를 취할 수 있는 효과도 있다.

셋째, 구조물의 변위정보에 따라 위험상황 발생시 관리자의 휴대용단말장치에도 비상연락이 가능한 시스템을 통하여 관리자가 부재시에도 위험상황을 인지할 수 있으며 그에 따른 즉각적인 조치를 취할 수 있는 효과도 있다.

Claims

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변위를 측정하고자 하는 구조물의 대상 부위에 타겟(100)을 설치하고, 다수의 영상을 반복 촬영하기 위한 촬영시간 설정 과정을 포함하는 환경설정 과정과(S100);

상기의 타겟(100)을 중심으로 설치된 다수의 카메라(200)를 통해 타겟(100)영상을 촬영하는 영상획득 과정과(S200);

다수의 카메라(200)로부터 획득한 각각의 영상을 영상처리단말기(300)로 전달하는 과정과(S300);

상기의 영상 획득 과정(S200) 및 획득한 영상의 수집과정(S300)이 설정된 시간동안 반복하는 과정과(S400);

영상처리단말기(300)에서는 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 설정된 시간동안 촬영된 다수의 영상으로부터 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정과(S500);

좌표처리 프로그램(310)을 통해 계산된 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 관리서버(600)로 전송하며 관리서버(600) 이를 수신하는 과정과(S600);

관리서버(600)로 수집된 구조물의 변위정보에 있어서 측정된 변위값에 따른 위험상황 여부를 판단하는 과정과(S700);

측정된 변위값에 따른 현재 상황이 위험한 상황이라고 판단시 미리 설정된 음성 및 문자형태의 경보신호를 관리자의 휴대용단말장치(1000)로 전송하는 과정과(S750);

관리서버(600)에서 수신한 구조물의 변위값에 해당하는 정보는 중앙관제소(800)로 실시간 전송하며, 중앙관제소(800)에서는 이를 실시간으로 모니터링 하는 과정(S800);을 포함하여 이루어지는 구조물의 변위 측정 방법에 있어서,

상기의 좌표처리 프로그램(310)을 통하여 타겟(100)의 기준좌표 및 그에 따른 변위값을 계산하는 과정(S500)은,

촬영된 영상에 대한 영상처리 영역을 설정하는 과정과(S510);

설정된 영상처리 영역으로부터 타겟(100)의 입자 중심을 구하는 과정과(S520);

상기에서 타겟(100)의 입자 중심을 구한 후 카메라 교정방법을 통해 각각의 카메라에 대한 파라메타를 구하는 과정과(S530);

상기의 과정을 통해 계산된 각각 카메라의 파라메타와, 계산의 기준이 되는 타겟(100)의 특정점으로부터 구해진 입자 중심과의 연산을 통해 입자의 3차원 위치를 계산하는 과정과(S540);

각각의 카메라로부터의 획득한 2차원 Tracking에 의한 움직임과의 Cross Checking방법에 의해 연속적인 최종 3차원 변위값을 획득하는 과정(S550);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 변위 측정 방법.
제 4항에 있어서,

상기의 좌표처리프로그램(310)을 통해 연속적인 최종 3차원 변위값을 획득하는 과정(S550) 이후에, 해당 변위값을 시간 변화에 따른 그래프로 출력하는 디스플레이과정(S560)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 변위 측정 방법.
제 5항에 있어서,

상기의 좌표처리프로그램(310)은 영상처리단말기(300), 또는 관리서버(600), 또는 중앙관제소(800) 중 어느 하나에 구축되며,

좌표처리프로그램(310)이 구축된 시스템에서 구조물의 3차원 변위값에 해당하는 그래프 영상을 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 구조물의 변위 측정 방법.