KR101479968B1 - Method and system for measuring dynamic load in wind tunnel based on image processing - Google Patents

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KR101479968B1 KR1020130101007A KR20130101007A KR101479968B1 KR 101479968 B1 KR101479968 B1 KR 101479968B1 KR 1020130101007 A KR1020130101007 A KR 1020130101007A KR 20130101007 A KR20130101007 A KR 20130101007A KR 101479968 B1 KR101479968 B1 KR 101479968B1
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Abstract

Provided is a system for measuring a dynamic load in a wind tunnel based on image processing, which monitors dynamic behaviors of a wind pressure model installed within an observation space where a preset man-made experimental air flow is generated. The system for measuring a dynamic load in a wind tunnel based on image processing comprises: a strobe lamp which is installed in the observation space and emits strobe light; multiple cameras which photograph reflected light reflected by passive markers, which are attached to the wind pressure model and reflect the strobe light, at different angles and positions in the observation space; a three-dimensional coordinates calculating unit which calculates three-dimensional coordinates of the passive markers of the wind pressure model on an absolute coordinate system based on geometric transformation relations of a camera coordinate system to the absolute coordinate system set via calibration, and two-dimensional coordinates of the passive markers in the images taken by the cameras; a smoothing filter unit which performs soothing and filtering of the three-dimensional coordinates data of the passive markers of the wind pressure model on the absolute coordinate system; a displacement measuring unit which extracts displacement information, speed information, and acceleration information based on temporal changes of the smoothen and filtered three-dimensional coordinates data of the passive markers of the wind pressure model; and a wind load analyzing unit which analyzes characteristics of a wind load of the wind pressure model based on the extracted displacement information, speed information, and acceleration information.

Description

영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING DYNAMIC LOAD IN WIND TUNNEL BASED ON IMAGE PROCESSING}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and system for dynamic load measurement in a wind tunnel based on image processing,

본 발명은 동적 하중 계측 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 풍동 내에서의 동적 하중 계측 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a dynamic load measuring technique, and more particularly, to a dynamic load measuring technique in a wind tunnel.

동적 하중에는 대표적으로 지진 하중과 풍하중이 있다. 고층 건물에서 풍하중은 시간적, 공간적으로 끊임없이 변동하는 자연풍이나 난류에 의해 구조물에 가해진다. Dynamic loads are typically earthquake loads and wind loads. In a high-rise building, wind loads are applied to structures by natural winds or turbulence that constantly fluctuates temporally and spatially.

풍하중의 크기는 바람의 변화 속도와 구조물의 응답 특성에 좌우되는데, 특히 평균적인 기류의 정적인 흐름이 아닌 강풍(gust)이나 난류에 의한 갑작스러운 기류의 변화에 의한 풍하중은 같은 크기의 하중이 점진적으로 작용할 때보다 훨씬 큰 풍응답을 발생시키므로, 풍하중은 동적 하중으로 취급되는 것이 바람직하다.The size of the wind load depends on the speed of change of the wind and the response characteristic of the structure. In particular, the wind load due to the sudden change of the air current due to the gust or turbulence, rather than the static flow of the average air current, It is preferable that the wind load is treated as a dynamic load.

고층 건물의 횡방향 거동을 예로 들면 풍하중에 의해 건물이 약간 휘면서 풍방향으로 약간 움직인 후 앞뒤 방향으로 진동하게 된다. 풍방향으로 움직인 후 건물 상부가 중립 위치를 지나 반대방향으로 움직이고, 이러한 진동은 멈출 때까지 계속된다. 건물이 한 싸이클 동안 진동하는 시간을 주기라고 하면, 높이 200 ~ 400 m 범위의 고층 철골 건물의 주기는 0.5 ~ 1초 범위이다.For example, the lateral movement of a tall building causes the building to bend slightly due to wind loads, move slightly in the wind direction, and vibrate back and forth. After moving in the wind direction, the top of the building moves in the opposite direction past the neutral position, and this vibration continues until it stops. Assuming that the building is vibrating for one cycle, the cycle of high-rise steel buildings in the 200-400 m high range is in the range of 0.5 to 1 second.

돌풍의 영향은 돌풍이 최대강도에 도달하고 나서 다시 감소하는데 걸리는 시간과 건물 자체 주기에 의해 결정된다. 만약 돌풍이 건물의 주기보다 훨씬 짧은 시간 내에 최대값이 되었다가 사라진다면, 그 효과는 동적으로 볼 수 있으나 만일 풍하중이 건물 주기보다 훨씬 긴 시간에 걸쳐서 증가하고 감소한다면 돌풍은 정적하중으로 볼 수 있다.The effect of a gust is determined by the time it takes for the gust to reach its maximum intensity and then decreasing again and the building's own cycle. If the blast is maximum and then disappears within a much shorter period than the building's duration, the effect can be seen dynamically, but if the wind load increases and decreases over a much longer period of time than the building cycle, the blast can be regarded as a static load .

풍동 실험은 이러한 풍하중을 산정하기 위한 전형적인 측정 과정이다. 풍동 실험 시에, 풍압 모형을 제작하고, 풍압 모형의 모든 측정점에서 풍압을 동시에 측정하여 시계열적으로 측정 데이터를 수집하여야 한다. Wind tunnel tests are a typical measurement procedure for estimating wind loads. During the wind tunnel test, the wind pressure model should be constructed and the wind pressure should be simultaneously measured at all measurement points of the wind pressure model to collect the measurement data in a time-series manner.

이를 위해 종래의 풍동 실험에서는, 풍압 모형에 다수의 풍압 센서들을 설치하여야 하고, 풍압 센서들을 장착할 측정공들이 풍압 모형에 형성되어야 하고, 풍압 센서들에 전원을 공급하고 데이터를 수신할 케이블들이 풍압 모형에 부설되어야 한다.To accomplish this, in the conventional wind tunnel test, a plurality of wind pressure sensors should be installed on the wind pressure model, the measurement holes to be installed the wind pressure sensors should be formed on the wind pressure model, the cables to supply the wind pressure sensors, It should be attached to the model.

통상적으로 풍하중을 검증해야 할 정도로 거대한 구조물의 풍압 모형은 복잡한 구조를 그대로 반영하여 소정의 축소 비율로 정밀하게 제작되어야 하나, 정밀한 풍압 모형인만큼 더 많은 수의 풍압 센서들이 장착되고 더 많은 케이블링이 필요함으로써 풍압 센서와 케이블링의 무게로 인한 오차에 취약하게 될 수 있다. The wind pressure model of a huge structure, which is normally required to verify the wind load, should be precisely manufactured at a predetermined reduction ratio as it reflects the complicated structure. However, since it is a precise wind pressure model, a larger number of wind pressure sensors are mounted, Which can be vulnerable to errors due to the weight of the wind sensor and cabling.

나아가, 풍동의 크기를 고려하여 풍압 모형의 크기를 제한할 경우에는, 풍압 센서들과 케이블링에 의한 영향은 더 커질 수 있다.Further, when the size of the wind pressure model is limited in consideration of the size of the wind tunnel, the influence by the wind pressure sensors and the cabling can be larger.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법 및 시스템을 제공하는 데에 있다.A problem to be solved by the present invention is to provide a method and system for dynamic load measurement in a wind tunnel based on image processing.

본 발명의 일 측면에 따라, 풍동 내에서 소정의 인공적인 실험 기류가 발생되는 관측 공간에 설치된 풍압 모형의 동적 거동을 모니터링하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템은,According to one aspect of the present invention, an image processing based dynamic load measuring system for monitoring dynamic behavior of a wind pressure model installed in an observation space in which a predetermined artificial experimental airflow is generated in a wind tunnel,

상기 관측 공간에 설치되어 스트로브 광을 발산하는 스트로브 램프;A strobe lamp installed in the observation space and emitting a strobe light;

상기 풍압 모형에 부착되어 스트로브 광을 반사하는 패시브 마커들에 의해 각각 반사된 반사광을 상기 관측 공간 내의 서로 다른 각도와 위치에서 촬영하는 복수의 카메라들;A plurality of cameras attached to the wind pressure model and each of which photographs the reflected light reflected by the passive markers reflecting the strobe light at different angles and positions in the observation space;

상기 복수의 카메라들로써 각각 촬영한 영상들을 영상 처리하는 영상 처리부;An image processing unit for image-processing the images photographed by the plurality of cameras;

캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 상기 각 카메라들에서 촬영된 패시브 마커들의 영상 내의 2차원 좌표들에 기초하여, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표들을 연산하는 3차원 좌표 연산부;Dimensional coordinates on the absolute coordinate system of the passive markers of the wind pressure model, based on the geometric conversion relations of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates in the images of the passive markers photographed by the cameras, A three-dimensional coordinate calculation unit for calculating a three-dimensional coordinate;

상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링하는 평활화 필터링부;A smoothing filtering unit for performing smoothing filtering on three-dimensional coordinate data on an absolute coordinate system of passive markers of the wind pressure model;

상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 평활화 필터링된 3차원 좌표 데이터의 시간적 변화를 기초로 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 각각 추출하는 변위 측정부; 및A displacement measuring unit for extracting displacement information, velocity information, and acceleration information based on temporal changes of the smoothed and filtered three-dimensional coordinate data of the passive markers of the wind pressure model; And

상기 추출된 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 기초로 상기 풍압 모형의 풍하중 특성을 분석하는 풍하중 분석부를 포함할 수 있다.And a wind load analysis unit for analyzing wind load characteristics of the wind pressure model based on the extracted displacement information, velocity information, and acceleration information.

일 실시예에 따라, 상기 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템은, According to one embodiment, the dynamic load measuring system in the wind tunnel,

상기 풍동의 관측 공간 내에 고정된 캘리브레이션용 완드의 패시브 마커들을 상기 복수의 카메라들로써 촬영한 영상으로부터 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 획득하고, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하여 상기 캘리브레이션용 완드를 기준으로 하는 절대 좌표계와 각각의 카메라에 의한 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계를 각각 설정함으로써 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함할 수 있다.Acquiring two-dimensional coordinates of passive markers from an image obtained by photographing passive markers of the calibration wand fixed within the observation space of the wind tunnel with the plurality of cameras, registering the two-dimensional coordinates of the obtained passive markers, And a calibration unit that performs calibration by setting a geometric relationship between an absolute coordinate system serving as a reference and camera coordinate systems by each camera, respectively.

본 발명의 다른 측면에 따라, 풍동 내에서 소정의 인공적인 실험 기류가 발생되는 관측 공간에 설치된 풍압 모형의 동적 거동을 모니터링하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided an image processing based dynamic load measuring method for monitoring the dynamic behavior of a wind pressure model installed in an observation space in which a predetermined artificial experimental airflow is generated in a wind tunnel,

상기 풍동의 관측 공간에 소정의 실험 기류를 일으키면서, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들의 반사광을 복수의 카메라들로써 각각 촬영한 영상들을 영상 처리하는 단계;Image processing the images photographed by the plurality of cameras of the reflected light of the passive markers of the wind pressure model while generating a predetermined experimental flow in the wind tunnel observation space;

캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 각 카메라들에서 촬영된 패시브 마커들의 영상 내의 2차원 좌표들에 기초하여, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표들을 연산하는 단계;Dimensional coordinates on the absolute coordinate system of passive markers of the wind pressure model on the basis of the geometric conversion relation of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates in the images of the passive markers photographed by the cameras Computing;

상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링하는 단계;Smoothing filtering three-dimensional coordinate data on an absolute coordinate system of passive markers of the wind pressure model;

상기 풍압 모형의 패시브 마커들에 관한 필터링된 3차원 좌표 데이터의 시간적 변화를 기초로 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 추출하는 단계; 및Extracting displacement information, velocity information, and acceleration information based on temporal changes of filtered three-dimensional coordinate data of passive markers of the wind pressure model; And

상기 추출된 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 기초로 상기 풍압 모형의 풍하중 특성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.And analyzing the wind load characteristics of the wind pressure model based on the extracted displacement information, velocity information, and acceleration information.

일 실시예에 따라, 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법은According to one embodiment, the dynamic load measurement method in wind tunnel based on image processing

상기 풍동의 관측 공간 내에 고정된 캘리브레이션용 완드의 패시브 마커들을 상기 복수의 카메라들로써 촬영한 영상으로부터 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 획득하고, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하여 상기 캘리브레이션용 완드를 기준으로 하는 절대 좌표계와 각각의 카메라에 의한 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계를 각각 설정함으로써 캘리브레이션을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Acquiring two-dimensional coordinates of passive markers from an image obtained by photographing passive markers of the calibration wand fixed within the observation space of the wind tunnel with the plurality of cameras, registering the two-dimensional coordinates of the obtained passive markers, And performing a calibration by setting a geometric relationship between an absolute coordinate system serving as a reference and camera coordinate systems by each camera, respectively.

본 발명의 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법 및 시스템에 따르면, 풍동 내에서 풍압 모형에 많은 수의 측정공, 복잡한 신호 배선 및 전원 배선을 설치하지 않고도 정밀한 측정 데이터를 고속으로 수집할 수 있다.According to the image processing-based dynamic load measuring method and system of the present invention, precise measurement data can be collected at high speed without installing a large number of measurement holes, complicated signal wiring, and power wiring in a wind pressure model in a wind tunnel .

본 발명의 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법 및 시스템에 따르면, 서로 다른 측정 센서들의 동기화나 측정 데이터의 복잡한 후처리 없이도 측정 데이터의 변화 추이를 실시간으로 관측할 수 있다.According to the method and system for dynamic load measurement in wind tunnel according to the present invention, it is possible to observe the change of measured data in real time without synchronization of different measurement sensors or complicated post-processing of measurement data.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 예시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템의 모니터링 장치를 개략적으로 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 이용하여 측정될 수 있는 단순한 보 부재에 마커들을 부착한 모습을 예시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 이용하여 도 3의 보 부재에 가속도계들과 패시브 마커들을 혼재하여 장착하였을 때에, 가속도계 및 패시브 마커들의 모션 캡처를 통해 각각 획득한 진동 특성을 예시한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법을 예시한 순서도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a dynamic load measuring system in a wind tunnel based on an image processing according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for monitoring a dynamic load measuring system in a wind tunnel based on an image processing according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a state where markers are attached to a simple beam member which can be measured using a dynamic load measuring system in a wind tunnel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of measuring dynamic load in a wind tunnel using the dynamic load measurement system according to an embodiment of the present invention. These are graphs illustrating vibration characteristics.
5 is a flowchart illustrating a dynamic load measurement method in a wind tunnel based on image processing according to an embodiment of the present invention.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 예시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템의 모니터링 장치를 개략적으로 예시한 블록도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a dynamic load measuring system in a wind tunnel based on an image processing according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a dynamic load measuring system based on an image processing according to an exemplary embodiment of the present invention. Fig. 2 is a block diagram schematically illustrating the device.

도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템(10)은 풍동(100), 모니터링 장치(200) 및 풍압 모형(300)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 together, the image processing based dynamic load measurement system 10 of the present invention may include a wind tunnel 100, a monitoring device 200, and a wind pressure model 300.

풍동(100)은 소정의 관측 공간(101)에 소정의 풍속, 풍속 변화량 및 풍속 스펙트럼과 같은 속성으로 정의되는 인공적인 실험 기류를 발생시키는 장치로서, 관측 공간(101)을 형성하는 풍동 본체(102), 실험 대상 모형을 고정하고 모형의 자세를 변경할 수 있는 턴테이블(103), 송풍기(104) 등으로 구성될 수 있다.The wind tunnel 100 is an apparatus for generating an artificial experimental wind flow defined in a predetermined observation space 101 such as a predetermined wind speed, a wind speed variation amount and an air velocity spectrum. The wind tunnel 100 includes a wind tunnel body 102 A turntable 103 for fixing the model to be tested and changing the posture of the model, a blower 104, and the like.

풍동(100) 내의 실험 기류는 실제의 기류를 상사법칙(similitude law)에 따라 축소시킨 형태로 발생된다. 실제 기류는 연직방향의 풍속 분포(높이별 평균 풍속 분포 형상), 풍속의 파워 스펙트럼(변동 성분의 주파수 대역별 에너지 분포), 난류 강도(변동 성분의 높이별 표준 편차) 및 난류 스케일(난류의 크기)과 같은 속성들로써 규정될 수 있다. 실험 기류의 상사비는 실제 구조물의 크기에 대한 풍압 모형(300)의 축소비나, 설계 풍속 및 실험 풍속의 축소비 등에 따라 결정될 수 있다.The experimental airflow in the wind tunnel 100 is generated by reducing the actual airflow according to the similitude law. The actual airflow is composed of the wind speed distribution (the average wind speed distribution profile by height), the power spectrum of the wind speed (energy distribution by frequency band of the fluctuation component), the turbulence intensity (standard deviation by the height of the fluctuation component) and the turbulence scale ). ≪ / RTI > The superficiality of the experimental airflow can be determined according to the reduction ratio of the wind pressure model 300 to the size of the actual structure, the design wind speed and the reduction ratio of the wind speed.

모니터링 장치(200)는 적외선 스트로브 광(strobe light)을 발생시키는 스트로브 램프들(201, 202, 203), 적외선 스트로브 광을 반사하는 패시브 마커들(passive markers)(211)의 2차원 변위를 계측할 수 있을 정도의 해상도를 가지는 복수의 카메라들(221, 222, 223, 224), 영상 처리부(230), 3차원 좌표 연산부(240), 평활화 필터링부(smoothing filter)(250), 변위 측정부(260), 풍하중 분석부(270)를 포함할 수 있다.The monitoring apparatus 200 measures the two-dimensional displacement of the strobe lamps 201, 202 and 203 for generating infrared strobe light and the passive markers 211 for reflecting the infrared strobe light A plurality of cameras 221, 222, 223, and 224 having an image resolution that allows the image to be displayed on the display unit 230, an image processor 230, a three-dimensional coordinate calculator 240, a smoothing filter 250, 260, and a wind load analysis unit 270.

스트로브 램프들(201, 202, 203)은 매우 짧은 주기로 적외선 섬광을 발산하여 스트로보스코픽(stroboscopic) 영상을 촬영할 수 있게 한다. 스트로보스코픽 영상은 매우 짧고 강한 주기적인 섬광에 의해 조명된 물체들에서 반사된 빛을 섬광의 주기에 맞춰 각각 감광함으로써 초고속 셔터를 가진 고성능 카메라로도 얻기 힘든 매우 짧은 시간 동안 노출시킨 듯한 영상들을 얻는 스트로보스코프 기법에 의한 영상을 의미한다. 스트로보스코프 기법은 초고속 촬영의 장점 뿐 아니라, 복수의 카메라에서 노출 시간이 동기된 복수의 영상들을 쉽게 획득할 수 있는 장점도 있다.The strobe lamps 201, 202, and 203 emit infrared flashes in a very short period of time, thereby allowing a stroboscopic image to be captured. Stroboscopic images are stroboscopic images that are reflected by very short and strong periodic flashes, each of which is reflected by the period of the flash, making it difficult to obtain even a high-performance camera with a high-speed shutter. Means an image obtained by a scoping technique. The stroboscopic technique not only has the advantage of super fast shooting but also has the advantage of easily acquiring a plurality of images synchronized in exposure time by a plurality of cameras.

복수의 카메라들(221, 222, 223, 224)은 스트로브 램프들(201, 202, 203)의 발광 주기에 맞춰 높은 샘플링 주파수의 영상을 획득하고, 획득된 영상을 영상 처리부(230)에 전달할 수 있다.The plurality of cameras 221, 222, 223 and 224 may acquire an image of a high sampling frequency in accordance with the light emission cycle of the strobe lamps 201, 202 and 203 and transmit the acquired image to the image processing unit 230 have.

스트로브 램프들(201, 202, 203)이나 복수의 카메라들(221, 222, 223, 224)은 풍동(100)의 관측 공간(101) 내에 흐를 기류에 영향을 주거나 또는 기류로부터 영향을 받지 않는 위치에 설치되어야 한다.The strobe lamps 201, 202 and 203 and the plurality of cameras 221, 222, 223 and 224 are disposed at locations where the airflow flowing in the observation space 101 of the wind tunnel 100 is influenced or not influenced by the airflow .

이렇게 풍동(100)의 관측 공간(101)에 스트로브 램프들(201, 202, 203) 및 카메라들(221, 222, 223, 224)이 설치되고 나면, 풍압 모형(300)이 놓일 위치의 절대 좌표계를 기준으로 카메라들(221, 222, 223, 224) 각각의 카메라 좌표계가 결정된다.After the strobes 201, 202, 203 and the cameras 221, 222, 223, 224 are installed in the observation space 101 of the wind tunnel 100 in this way, the absolute coordinate system The camera coordinate system of each of the cameras 221, 222, 223, and 224 is determined based on the camera coordinate system.

본격적인 풍압 모형(300)의 풍하중 계측 이전에 카메라 좌표 캘리브레이션이 수행되는데, 형상, 규격 및 패시브 마커들의 위치가 사전에 결정된 캘리브레이션용 완드(wand)(281)를 절대 좌표계의 원점으로 정하고, 캘리브레이션용 완드(281)의 패시브 마커들을 각 카메라로 촬영함으로써 카메라 좌표계를 결정한다. 촬영된 영상 내의 패시브 마커들의 2차원 좌표는 각각의 카메라의 렌즈 및 촬상 소자의 초점거리, 분해능과 같은 광학적 특성과, 카메라와 완드 사이의 거리와 방향에 따라 주지의 특정한 광학-기하학적 관계를 가지므로, 예를 들어 캘리브레이션용 완드(281)가 놓인 위치를 원점으로 하는 절대 좌표계를 중심으로 하는 카메라들(221, 222, 223, 224) 각각의 카메라 좌표계가 획득될 수 있다.Camera coordinate calibration is performed prior to the wind load measurement of the full wind pressure model 300. The calibration wand 281, which is predetermined in terms of shape, size, and position of passive markers, is defined as the origin of the absolute coordinate system, The camera coordinate system is determined by photographing the passive markers of the camera 281 with each camera. The two-dimensional coordinates of the passive markers in the photographed image have a certain optical-geometric relationship of known characteristics depending on the optical characteristics such as the focal length and resolution of each lens and the imaging device of each camera, and the distance and direction between the camera and the wand The camera coordinate system of each of the cameras 221, 222, 223, and 224 centering on the absolute coordinate system having the position where the calibration wand 281 is placed can be obtained, for example.

캘리브레이션이 완료되면, 풍압 모형(300)을 관측 공간(101) 내에서 절대 좌표계에 의해 잘 표현될 수 있는 위치, 예를 들어 절대 좌표계의 원점에 고정하고, 설치된 풍압 모형(300)의 표면에 패시브 마커들(211)을 부착한다.When the calibration is completed, the wind pressure model 300 is fixed at a position that can be well expressed by the absolute coordinate system in the observation space 101, for example, at the origin of the absolute coordinate system, Attach the markers 211.

이후에, 스트로브 램프들(201, 202, 203)이 발산하는 적외선 섬광을 받아 패시브 마커들(211)이 반사하는 적외선 반사광들을 카메라들(221, 222, 223, 224)로써 촬영한다.Thereafter, infrared rays reflected by the passive markers 211 are received by the cameras 221, 222, 223, and 224, respectively, by receiving infrared scintillation rays emitted from the strobe lamps 201, 202,

카메라들(221, 222, 223, 224)에 의해 촬영된 스트로보스코픽 영상들은 영상 처리부(230)에 제공된다. 영상 처리부(230), 3차원 좌표 연산부(240), 평활화 필터링부(250), 변위 측정부(260) 및 풍하중 분석부(270)는 다음의 도 2를 참조하여 설명한다.Stroboscopic images photographed by the cameras 221, 222, 223, and 224 are provided to the image processing unit 230. The image processing unit 230, the three-dimensional coordinate calculating unit 240, the smoothing filtering unit 250, the displacement measuring unit 260, and the wind load analysis unit 270 will be described with reference to FIG.

한편, 풍압 모형(300)은 실험 기류에 적용된 상사법칙에 의한 상사비와 동일한 상사비를 가지고 실제 구조물을 축소하여 제작될 수 있다. 지붕이나 그 밖의 돌출 부위 등은 난류와 같은 현상이 자주 일어나며 특히 형상에 따라 양상이 크게 달라지기 때문에 다른 부위보다 더 정밀하게 제작되어야 할 수도 있다.On the other hand, the wind pressure model 300 can be manufactured by reducing the actual structure with the same topology as that of the topology by the top rule applied to the test airflow. Roofs and other protruding areas often have turbulent phenomena such as turbulence, which can vary greatly depending on the shape, so they may need to be made more precisely than others.

풍압 모형(300)의 표면 곳곳에는 패시브 마커들(211)이 부착될 수 있다. 풍압 모형(300)의 부착 부재의 형상에 따라 패시브 마커들(211)의 개수 및 부착 위치는 부착 부재의 변형 함수, 예를 들어 수평의 단순보 부재가 하중에 의해 직하 방향으로 쳐질 경우에 탄성곡선법에 의한 다항 함수와 같은 변형 함수를 회귀 분석에 의해 소정의 오차 범위 이내로, 또는 가장 작은 오차를 가지고 추정할 수 있는 개수 및 위치로 결정될 수 있다.Passive markers 211 may be attached to the surface of the wind pressure model 300. Depending on the shape of the attachment member of the wind pressure model 300, the number and the attachment position of the passive markers 211 may be determined by a deformation function of the attachment member, for example, when the horizontal simple beam member is struck in a downward direction by a load, A transformation function such as a polynomial function by law can be determined by a regression analysis within a predetermined error range or a number and position that can be estimated with the smallest error.

구체적으로 도 2를 참조하면, 풍동 내 동적 하중 계측 시스템(10)의 모니터링 장치(200)는 스트로브 램프들(201), 패시브 마커(211), 복수의 카메라들(221, 222), 영상 처리부(230), 3차원 좌표 연산부(240), 평활화 필터링부(250), 변위 측정부(260), 풍하중 분석부(270) 및 캘리브레이션부(280)를 포함할 수 있다.2, the monitoring device 200 of the dynamic load measuring system 10 includes a stroboscope 201, a passive marker 211, a plurality of cameras 221 and 222, an image processing unit A three-dimensional coordinate calculation unit 240, a smoothing filtering unit 250, a displacement measurement unit 260, a wind load analysis unit 270, and a calibration unit 280.

복수의 카메라들(221, 222)에 의해 획득된 복수의 스트로보스코픽 영상들은 실시간적으로 영상 처리부(230)로 전송된다.The plurality of stroboscopic images obtained by the plurality of cameras 221 and 222 are transmitted to the image processing unit 230 in real time.

영상 처리부(230)는 적외선 스트로브 광에 의한 패시브 마커들의 반사광을 제외한 광 성분을 제거하거나 또는 촬상 대상이 없는 방향에서 발생하는 노이즈를 마스킹하거나, 렌즈 또는 촬상 소자의 광학-기하학적 특성에 따른 영상 왜곡을 보정할 수 있다.The image processing unit 230 removes a light component other than the reflected light of the passive markers by the infrared strobe light or masks the noise generated in the direction in which no image is to be captured or implements image distortion according to the optical- Can be corrected.

3차원 좌표 연산부(240)는 캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 각 카메라들(221, 222)에서 촬영된 패시브 마커들(211)의 영상 내의 2차원 좌표들에 기초하여, 패시브 마커들(211)의 절대 좌표계 상의 3차원 좌표들을 연산한다.The three-dimensional coordinate calculation unit 240 calculates a three-dimensional coordinate based on the geometric conversion relation of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates in the image of the passive markers 211 photographed by the cameras 221 and 222 Dimensional coordinates on the absolute coordinate system of the passive markers 211 are calculated.

실시예에 따라서, 영상 처리부(230)에서 렌즈 또는 촬상 소자의 광학-기하학적 특성에 따른 영상 왜곡을 보정하는 대신에, 3차원 좌표 연산부(240)에서 각 카메라들(221, 222)에서 촬상된 패시브 마커들(211)의 영상 내의 2차원 좌표들을 렌즈 또는 촬상 소자의 특성에 따라 보정할 수도 있다.In place of correcting the image distortion due to the optical-geometrical characteristics of the lens or the imaging element in the image processing unit 230, the three-dimensional coordinate calculation unit 240 may calculate the three- The two-dimensional coordinates in the image of the markers 211 may be corrected according to the characteristics of the lens or the imaging element.

평활화 필터링부(250)는 시간에 따라 누적되는 패시브 마커들(211)의 중심점들의 절대 좌표계 상의 처리 전 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링하여 노이즈가 제거된 3차원 좌표를 추출할 수 있다.The smoothing filtering unit 250 may smooth out the three-dimensional coordinate data before processing on the absolute coordinate system of the center points of passive markers 211 accumulated over time to extract three-dimensional coordinates from which the noise has been removed.

패시브 마커의 크기가 작지 않고 반사광이 확산되기 때문에, 디지털 카메라의 촬상 소자에 의해 디지털적으로 획득되는 패시브 마커들(211)의 촬상 형상은 적지 않은 수의 픽셀들로 구성되고, 따라서 패시브 마커의 위치는 패시브 마커 이미지의 중심점으로 간주된다. 패시브 마커 이미지의 중심점은 패시브 마커의 풍진동이 아닌 카메라의 기계적 진동이나 열잡음, 노출 변화, 픽셀 양자화 오차 등에 의해 많은 노이즈를 가지고 변동할 수 있다.The captured shape of the passive markers 211 digitally acquired by the image pickup device of the digital camera is composed of a small number of pixels so that the position of the passive marker Is regarded as the center point of the passive marker image. The center point of the passive marker image may fluctuate with a lot of noise due to the mechanical vibration of the camera, thermal noise, exposure change, pixel quantization error, etc., rather than the rudder motion of the passive marker.

이에 따라, 평활화 필터링부(250)는 예를 들어 칼만 필터(Kalman filter), 월트링 필터(Woltring filter) 등을 이용하여 패시브 마커들(211)의 중심점들의 절대 좌표계 상의 처리 전 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링할 수 있다.Accordingly, the smoothing filtering unit 250 uses the Kalman filter, the Woltring filter, or the like to obtain three-dimensional coordinate data before processing on the absolute coordinate system of the center points of the passive markers 211 Smoothing filtering can be performed.

변위 측정부(260)는 패시브 마커들(211)의 중심점들의 절대 좌표계 상의 필터링된 3차원 좌표 데이터를 각각 추적하여 변위, 속도 및 가속도를 측정할 수 있다.The displacement measuring unit 260 may track the filtered three-dimensional coordinate data on the absolute coordinate system of the center points of the passive markers 211 to measure the displacement, the velocity and the acceleration.

본 발명의 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템(10)은 이렇게 각 위치에 부착한 하나의 패시브 마커로 변위, 속도 및 가속도를 모두 정밀하게 획득할 수 있다. 종래의 풍동 실험 시스템에서는 각각의 변위계들에서 획득된 데이터가 동기화되지 않은 경우에는 실시간적으로 가속도 데이터를 얻을 수 없고 변위 데이터들을 누적한 후에 후처리하여야 한다.The dynamic load measuring system 10 based on the image processing based on the present invention can precisely acquire displacement, velocity, and acceleration with one passive marker attached to each position. In the conventional wind tunnel test system, if the data obtained from the respective displacement meters are not synchronized, the acceleration data can not be obtained in real time and the displacement data must be accumulated and post-processed.

풍하중 분석부(270)는 측정된 변위, 속도 및 가속도를 기초로 실제 구조물의 고유 진동수를 포함하는 풍하중 특성을 분석한다.The wind load analysis unit 270 analyzes the wind load characteristics including the natural frequency of the actual structure based on the measured displacement, velocity, and acceleration.

캘리브레이션부(280)는 풍압 모형(300)의 패시브 마커들(211)을 본격적으로 촬영하기에 앞서, 캘리브레이션을 수행하기 위한 블록이다.The calibration unit 280 is a block for performing calibration prior to shooting the passive markers 211 of the wind pressure model 300 in earnest.

캘리브레이션을 위해, 사용자가 절대 좌표계의 원점으로 정하고자 하는 풍동(100)의 관측 공간(101) 내의 적절한 위치에 캘리브레이션용 완드(281)를 놓으면, 캘리브레이션부(280)가 카메라들(221, 222)로부터 영상 처리부(230)를 거쳐 캘리브레이션용 완드(281)에 부착된 패시브 마커들의 촬영 영상 내의 2차원 좌표값들을 인식한다.When the user places the calibration wand 281 at an appropriate position in the observation space 101 of the wind tunnel 100 to be set as the origin of the absolute coordinate system for the calibration, Dimensional coordinate values in the captured image of the passive markers attached to the calibration wand 281 through the image processing unit 230 from the image sensing unit 230. [

캘리브레이션용 완드(281)는 예를 들어 T형 완드일 수 있는데, T형 완드는 직교하는 두 개의 막대로 구성되며, 막대 위의 지정된 위치 및 막대들의 교차점에 패시브 마커들이 각각 부착되어 있다. 패시브 마커들은 직교하는 x축 및 y축, 직교 원점, x축 및 y축들에 의해 형성되는 x-y 평면에 직교하는 z축의 방향과 축적을 유일하게 특정할 수 있는 위치에 부착된다.The calibration wand 281 can be, for example, a T-type wand, which is composed of two orthogonal bars, each of which is affixed with passive markers at the designated locations on the rods and at the intersections of the rods. Passive markers are attached at positions that can uniquely specify the direction and accumulation of the z-axis orthogonal to the x-y plane formed by orthogonal x and y axes, orthogonal origin, x and y axes.

이러한 캘리브레이션용 완드(281)를 촬영한 각각의 적외선 영상 속의 패시브 마커들의 위치와 간격, 2차원 좌표들은 각 카메라들의 거리와 방향에 따라 서로 다르지만, 동일한 패시브 마커에 상응하는 픽셀들은 고유하게 서로 매칭될 수 있기 때문에, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하면 캘리브레이션용 완드(281)를 중심으로 한 절대 좌표계와 개별 카메라의 시야에 의한 카메라 좌표계 사이의 기하학적 관계를 정확하게 설정할 수 있다. 이러한 절대 좌표계와 카메라 좌표계 사이의 기하학적 관계는 회전(rotation) 행렬과 병진(translation) 행렬로 표현될 수 있다.The positions, intervals, and two-dimensional coordinates of the passive markers in each infrared image captured by the calibration wand 281 are different from each other depending on the distance and direction of the cameras, but the pixels corresponding to the same passive markers uniquely match each other Matching the two-dimensional coordinates of the obtained passive markers can accurately set the geometric relationship between the absolute coordinate system around the calibration wand 281 and the camera coordinate system by the view of the individual camera. The geometric relationship between the absolute coordinate system and the camera coordinate system can be expressed by a rotation matrix and a translation matrix.

또한, 캘리브레이션용 완드(281)에 의한 절대 좌표계를 기준으로 복수의 카메라 각각의 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계도 도출되므로, 캘리브레이션용 완드(281)에 의한 절대 좌표계를 기준으로 하는 3차원 공간에 복수의 카메라들의 상대적인 위치와 방향도 정확하게 알 수 있다.Since the geometrical relationship between the camera coordinate systems of the plurality of cameras is derived on the basis of the absolute coordinate system by the calibration wand 281, a plurality of The relative position and direction of the cameras of the camera can be accurately known.

이렇게 하여 캘리브레이션이 완료되면, 캘리브레이션용 완드를 탈거하고 풍동(100)의 관측 공간(101) 내에 적절한 위치에 풍압 모형(300)을 장착할 수 있으며, 모니터링 장치(200)를 통해, 풍동(100) 내에 일으킨 실험 기류에 의한 풍압 모형(300)의 패시브 마커들의 동적 거동을 획득할 수 있다.When the calibration is completed, the calibration wand can be removed and the wind pressure model 300 can be mounted at an appropriate position in the observation space 101 of the wind tunnel 100 and the wind tunnel 100 can be installed through the monitoring device 200. [ The dynamic behavior of the passive markers of the wind pressure model 300 due to the test airflow generated in the wind force model 300 can be obtained.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 이용하여 동적 거동이 측정될 수 있는 단순한 보 부재에 마커들을 부착한 모습을 예시한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍동 내 동적 하중 계측 시스템을 이용하여 도 3의 보 부재에 가속도계들과 패시브 마커들을 혼재하여 장착하였을 때에, 가속도계 및 패시브 마커들의 모션 캡처를 통해 각각 획득한 진동 특성을 예시한 그래프들이다.3 is a conceptual view illustrating a state where markers are attached to a simple beam member capable of measuring dynamic behavior using a dynamic load measuring system in a wind tunnel according to an embodiment of the present invention. 3 is a graph illustrating vibration characteristics obtained through motion capturing of accelerometers and passive markers when accelerometers and passive markers are mixedly mounted on the beam member of FIG. 3 using a dynamic load measuring system according to an example.

도 3 및 도 4를 참조하면, 풍동 내에 설치된 보 부재의 길이는 3500 mm이고, 500 mm 단위로 패시브 마커들이 장착되었다. 또한 모션 캡쳐와 영상 처리의 성능에 비교하기 위해, 두 개의 가속도계가 부착되었다.3 and 4, the length of the beam member installed in the wind tunnel is 3500 mm, and passive markers are mounted in units of 500 mm. In addition, two accelerometers were attached to compare the performance of motion capture and image processing.

도 4는 국부적으로 돌풍(gust)이 발생하는 상황을 풍동에서 시뮬레이션한 경우에, 각 패시브 마커들의 모션 캡처에 의한 동적 거동으로부터 얻은 가속도 데이터를 FFT하여 얻은 진동 특성들과 가속도계의 측정에 의한 가속도 데이터를 FFT하여 얻은 진동 특성들을 비교한다.FIG. 4 is a graph showing the relationship between the vibration characteristics obtained by FFT of the acceleration data obtained from the dynamic behavior due to the motion capture of each passive marker and the acceleration data by the measurement of the accelerometer when the situation where the gust is locally generated is simulated in the wind tunnel Are compared with the vibration characteristics obtained by FFT.

7 개의 패시브 마커들에 의한 진동 특성은 모두 20.43 Hz의 1차 고유 진동수라는 결과를 도출하였고, 2 개의 가속도계에 의한 진동 특성은 모두 20.17 Hz의 1차 고유 진동수를 나타내었다. 보 부재의 수치해석에 따른 이론값은 20.98 Hz였다. 모션 캡처에 의한 결과는 가속도계로 얻은 결과와 1.3% 이내의 차이를 보이고, 이론값에 대해 3% 이내의 오차만을 가지므로, 양호한 수준임을 알 수 있다.All of the vibration characteristics of the seven passive markers result in the first order natural frequency of 20.43 Hz. The vibration characteristics of the two accelerometers show the first order natural frequency of 20.17 Hz. The theoretical value according to the numerical analysis of the beam member was 20.98 Hz. The results of the motion capture are within 1.3% of the results obtained by the accelerometer, and are good because they have errors within 3% of the theoretical values.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법을 예시한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a dynamic load measurement method in a wind tunnel based on image processing according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법은 먼저 단계(S51)에서, 풍동(100)의 관측 공간(101) 내에 고정된 캘리브레이션용 완드(281)의 패시브 마커들을 복수의 카메라들(221, 222, 223, 224)로써 촬영한 영상으로부터 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 획득하고, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하여 캘리브레이션용 완드(281)에 의한 절대 좌표계와 각각의 카메라에 의한 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계를 각각 설정함으로써 캘리브레이션을 수행한다.5, in step S51, the passive markers of the calibration wand 281 fixed in the observation space 101 of the wind tunnel 100 are divided into a plurality of cameras Dimensional coordinates of the passive markers from the images photographed by the calibration wand 281 and the two-dimensional coordinates of the passive markers obtained by the calibration wand 281, And the geometric relationship between the camera coordinate systems by the camera coordinate system.

단계(S52)에서, 풍동(100)의 관측 공간(101)에 소정의 실험 기류를 일으키면서, 풍동(100)의 관측 공간(101) 내에 고정된 풍압 모형(300)의 패시브 마커들의 반사광을 복수의 카메라들(221, 222, 223, 224)로써 각각 촬영한 영상들을 영상 처리한다.The reflected light of the passive markers of the wind pressure model 300 fixed in the observation space 101 of the wind tunnel 100 is irradiated with a predetermined test airflow in the observation space 101 of the wind tunnel 100 in the step S52, Image processing is performed on the images photographed by the cameras 221, 222, 223, and 224, respectively.

단계(S52)의 영상 처리는 예를 들어 적외선 스트로브 광에 의한 패시브 마커들의 반사광을 제외한 광 성분을 제거하거나 또는 촬상 대상이 없는 방향에서 발생하는 노이즈를 마스킹하거나, 렌즈 또는 촬상 소자의 광학-기하학적 특성에 따른 영상 왜곡을 보정하는 영상 처리일 수 있다.The image processing in step S52 may be performed by, for example, removing a light component other than the reflected light of the passive markers by the infrared strobe light, masking noise generated in a direction in which no image is to be picked up, And the image distortion may be corrected.

단계(S53)에서, 캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 각 카메라들(221, 222, 223, 224)에서 촬영된 패시브 마커들(211)의 영상 내의 2차원 좌표들에 기초하여, 풍압 모형(300)의 패시브 마커들(211)에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표들을 연산한다.In step S53, the geometric conversion relation of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates in the image of the passive markers 211 photographed by the cameras 221, 222, 223, and 224 Dimensional coordinates on the absolute coordinate system with respect to the passive markers 211 of the wind pressure model 300. [

단계(S54)에서, 풍압 모형(300)의 패시브 마커들(211)에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링한다.In step S54, the three-dimensional coordinate data on the absolute coordinate system of the passive markers 211 of the wind pressure model 300 is subjected to smoothing filtering.

단계(S55)에서, 풍압 모형(300)의 패시브 마커들(211)에 관한 필터링된 3차원 좌표 데이터의 시간적 변화를 기초로 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 추출한다.In step S55, the displacement information, the velocity information, and the acceleration information are extracted based on the temporal change of the filtered three-dimensional coordinate data concerning the passive markers 211 of the wind pressure model 300. [

단계(S56)에서, 추출된 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 기초로 풍압 모형(300)의 풍하중 특성을 분석한다.In step S56, the wind load characteristics of the wind pressure model 300 are analyzed based on the extracted displacement information, velocity information, and acceleration information.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modification is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only in accordance with the following claims, and all of the equivalent or equivalent variations will fall within the scope of the present invention.

10 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템
100 풍동 101 관측 공간
102 풍동 본체 103 턴테이블
104 송풍기
200 모니터링 장치
201, 202, 203 스트로브 램프
211 패시브 마커
221, 222, 223, 224 카메라
230 영상 처리부 240 3차원 좌표 연산부
250 평활화 필터링부 260 변위 측정부
270 풍하중 분석부 280 캘리브레이션부
281 캘리브레이션용 완드10 Dynamic Load Measurement System in Wind Tunnel Based on Image Processing
100 Wind tunnel 101 observation space
102 Wind tunnel body 103 Turntable
104 blower
200 monitoring device
201, 202, 203 strobe lamp
211 Passive Markers
221, 222, 223, 224 cameras
230 image processor 240 The three-
250 smoothing filtering unit 260 displacement measuring unit
270 Wind load analysis section 280 Calibration section
281 Wand for calibration

Claims (4)

풍동 내에서 소정의 인공적인 실험 기류가 발생되는 관측 공간에 설치된 풍압 모형의 동적 거동을 모니터링하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템으로서,
상기 풍압 모형에 부착되어 스트로브 광을 반사하는 패시브 마커들에 의해 각각 반사된 반사광을 상기 관측 공간 내의 서로 다른 각도와 위치에서 촬영하여 획득한 복수의 영상들을 영상 처리하는 영상 처리부;
캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 상기 촬영된 영상들 내의 패시브 마커들의 2차원 좌표들에 기초하여, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표의 시간에 따른 변동을 각각 연산하는 3차원 좌표 연산부;
상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링하는 평활화 필터링부;
상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 평활화 필터링된 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터의 시간적 변동을 기초로 상기 패시브 마커들 각각의 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 각각 산출하는 변위 측정부; 및
상기 패시브 마커들 각각의 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 기초로 상기 풍압 모형의 풍하중 특성을 분석하는 풍하중 분석부를 포함하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템.An image processing based dynamic load measuring system for monitoring the dynamic behavior of a wind pressure model installed in an observation space in which a predetermined artificial experimental airflow is generated in a wind tunnel,
An image processor for processing a plurality of images obtained by photographing the reflected light reflected by the passive markers attached to the wind pressure model at different angles and positions in the observation space;
Dimensional coordinates on the absolute coordinate system for each of the passive markers of the wind-turbine model, based on the geometric transformation relation of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates of the passive markers in the captured images A three-dimensional coordinate calculation unit for calculating a variation according to the three-dimensional coordinate;
A smoothing filtering unit for smoothing filtering the three-dimensional coordinate data on the absolute coordinate system of each of the passive markers of the wind pressure model;
A displacement measuring unit for calculating displacement information, velocity information and acceleration information of each of the passive markers on the basis of temporal variation of three-dimensional coordinate data on the smoothed and filtered absolute coordinate system of each of the passive markers of the wind pressure model; And
And a wind load analysis unit for analyzing wind load characteristics of the wind pressure model based on displacement information, velocity information, and acceleration information of each of the passive markers. 청구항 1에 있어서, 상기 풍동의 관측 공간 내에 고정된 캘리브레이션용 완드의 패시브 마커들을 상기 복수의 카메라들로써 촬영한 영상으로부터 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 획득하고, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하여 상기 캘리브레이션용 완드를 기준으로 하는 절대 좌표계와 각각의 카메라에 의한 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계를 각각 설정함으로써 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 시스템.The method of claim 1, further comprising: obtaining two-dimensional coordinates of passive markers from an image captured by the plurality of cameras of passive markers of the calibration wand fixed within the observation space of the wind tunnel, Further comprising a calibration unit for performing calibration by setting a geometric relationship between an absolute coordinate system based on the calibration wand and camera coordinate systems by each camera, . 풍동 내에서 소정의 인공적인 실험 기류가 발생되는 관측 공간에 설치된 풍압 모형의 동적 거동을 모니터링하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법으로서,
상기 풍동의 관측 공간에 소정의 실험 기류를 일으키면서, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들의 반사광을 복수의 카메라들로써 각각 촬영한 영상들을 영상 처리하는 단계;
캘리브레이션에 의해 설정된 절대 좌표계에 대한 카메라 좌표계들의 기하학적 변환 관계 및 각 카메라들에서 촬영된 패시브 마커들의 영상 내의 2차원 좌표들에 기초하여, 상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표의 시간에 따른 변동을 각각 연산하는 단계;
상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터를 평활화 필터링하는 단계;
상기 풍압 모형의 패시브 마커들 각각에 관한 평활화 필터링된 절대 좌표계 상의 3차원 좌표 데이터의 시간적 변동을 기초로 상기 패시브 마커들 각각의 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 각각 산출하는 단계; 및
상기 패시브 마커들 각각의 변위 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 기초로 상기 풍압 모형의 풍하중 특성을 분석하는 단계를 포함하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법.An image processing based dynamic load measuring method for monitoring a dynamic behavior of a wind pressure model installed in an observation space in which a predetermined artificial experimental airflow is generated in a wind tunnel,
Image processing the images photographed by the plurality of cameras of the reflected light of the passive markers of the wind pressure model while generating a predetermined experimental flow in the wind tunnel observation space;
Dimensional coordinates on an absolute coordinate system for each of the passive markers of the wind pressure model, based on the geometric conversion relation of the camera coordinate systems to the absolute coordinate system set by the calibration and the two-dimensional coordinates in the image of the passive markers photographed by the cameras, Calculating a variation with time of each pixel;
Smoothing the three-dimensional coordinate data on the absolute coordinate system of each of the passive markers of the wind pressure model;
Calculating velocity information and acceleration information of each of the passive markers on the basis of temporal variation of three-dimensional coordinate data on the smoothed and filtered absolute coordinate system of each of the passive markers of the wind pressure model; And
And analyzing the wind load characteristics of the wind pressure model based on displacement information, velocity information, and acceleration information of each of the passive markers. 청구항 3에 있어서, 상기 풍동의 관측 공간 내에 고정된 캘리브레이션용 완드의 패시브 마커들을 상기 복수의 카메라들로써 촬영한 영상으로부터 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 획득하고, 획득된 패시브 마커들의 2차원 좌표들을 정합하여 상기 캘리브레이션용 완드를 기준으로 하는 절대 좌표계와 각각의 카메라에 의한 카메라 좌표계들 사이의 기하학적 관계를 각각 설정함으로써 캘리브레이션을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 기반의 풍동 내 동적 하중 계측 방법.4. The method of claim 3, further comprising: obtaining two-dimensional coordinates of passive markers from an image captured by the plurality of cameras of passive markers of the calibration wand fixed within the observation space of the wind tunnel, Further comprising the step of performing calibration by setting the geometric relationship between the absolute coordinate system based on the calibration wand and the camera coordinate system by each camera, .
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