KR20040020261A - 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법 - Google Patents

영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법에 관한 것으로, 평행한 광을 검사대상 구조물의 표면에 선형으로 조사함으로써 라인 조명을 생성하고, 상기 라인 조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면에 대한 영상을 획득하며, 상기 획득된 영상정보와 이동 운반수단의 위치정보에 따라 구조물 표면의 영상을 이동 거리별로 영상화하여 저장하고 이 저장된 영상정보를 분석하여 균열을 검출하도록 구성된 것으로, 영상입력에 의해 검사대상 구조물의 균열을 자동으로 측정하여 균열의 폭과 길이, 위치, 방향 등의 정보를 분석·저장·출력함으로써, 구조물의 균열에 대한 객관적인 데이터를 확보할 수 있도록 한 것이다.

Description

영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법 {Apparatus for detecting crack in structure by input an image and method of the same}
본 발명은 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물에서 발생한 균열을 영상 입력에 의해 탐지하여 탐지된 균열 데이터를 처리, 분석, 저장하고 출력하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 터널, 교량, 땜, 다리, 빌딩을 포함하는 대부분의 구조물은 자연 및 환경적인 요인에 의해 손상이 발생되고, 시간이 흐름에 따라 노후화된다. 이와 같이 노후화되고 손상되는 구조물의 기능을 유지하고 수명을 연장시키기 위해서는 구조물에 대한 지속적인 관리 및 점검이 필요하다.
이러한 점검 및 진단을 수행하는데 있어서 가장 기본적인 조사항목이라고 할 수 있는 것은 외관조사이고, 이 외관조사 중 특히 구조물 표면의 균열에 대한 조사는 구조물 내부와 외부의 상태를 평가하고, 다음 단계의 국부적인 정밀 안전진단 수행 항목과 절차 및 방법 등을 결정하는데 있어서 매우 중요한 요소로 작용한다.
구조물 표면의 균열에 대한 외관조사 방법 가장 일반적이면서 대표적인 것은 인력에 의한 육안 조사 방법이다.
그러나, 상기한 육안 검사 방법은, 개인적인 지식과 경험에 의존하기 때문에 객관성이 결여된다. 또한 주변조건의 이력뿐만 아니라, 현재의 상태를 정확하게 파악할 수 없으므로 과거의 검사결과와 비교할 수 없을 뿐 아니라, 콘크리트의 내부와 같이 보이지 않은 부위나 인력으로 접근하기 어려운 부위에 발생된 손상은 경험이 풍부한 기술자라도 발견하기 쉽지 않다.
특히, 콘크리트 균열의 경우 일반적으로 정량적 판단이 가능한 측정기기가 없어 육안으로 확인하는 경우가 대부분이므로 객관적인 데이터의 확보가 불가능하며 대단면의 터널이나 대형 구조물의 경우 전단면에 대한 검사를 실시하는 것이 거의 불가능하다.
따라서, 구조물의 유지관리는 육안관찰 뿐만 아니라, 자동화 영상화 기법을 사용한 첨단 탐사장비의 개발로 구조물의 객관적인 유지관리를 실시하는 것이 바람직하다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 영상입력에 의해 검사대상 구조물의 균열을 자동으로 측정하여 균열의 폭과 길이, 위치, 방향 등의 정보를 분석·저장·출력할 수 있는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균열 탐지장치에 대한 외관 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 영상입력수단을 확대 도시한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 라인 조명수단의 개략적인 구조도,
도 4는 도 1에 도시된 균열 탐지장치를 제어하는 제어 블록도,
도 5는 도 4에 도시된 제어 블록의 동작과정을 설명하기 위한 플로우챠트,
도 6은 도 5에 도시된 영상 처리 스텝의 상세한 과정을 설명하기 위한 플로우챠트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 이동 운반 수단 11: 바퀴
20: 라인 조명수단 21: 반도체 레이저
22: 시준기 23: 분광기
24-1∼24-3: 프리즘 25, 26: 거울부재
30: 영상입력수단 31: 라인 카메라
31-1: 케이스 32: 방진판
33: 패닝 제어부 34: 틸팅 제어부
40: 엔코더 50: 조작부
60: 정보출력부 70: 제어부
80: 라인조명 제어부 90: 카메라 제어부
100: 영상저장부 110: 영상처리부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치는, 이용자의 조작에 따라 선택된 방향을 따라 이동하는 이동 운반수단과,상기 이동 운반수단에 운반되어 이동하면서 구조물의 표면에 레이저 빔을 선형으로 조사하여 라인 조명을 생성하는 라인 조명 수단과, 상기 이동 운반수단에 운반되어 이동하면서 상기 라인 조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면 영상을 입력하고 입력된 영상에 상응하는 영상정보를 발생하는 영상입력수단과, 상기 이동 운반수단이 이동하는 위치정보를 발생하는 위치정보 발생수단과, 상기 영상입력수단에 의해 발생된 영상정보와 상기 위치정보 발생수단에서 발생된 위치정보에 따라 구조물 표면의 영상을 이동 거리별로 영상화하여 저장하고 저장된 영상정보를 분석하여 균열을 검출하여 이를 출력 및 저장하는 영상처리수단과, 사용자의 선택에 따라 상기 라인조명수단과 상기 영상입력수단 및 상기 영상처리수단을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법은, 평행한 광을 검사대상 구조물의 표면에 선형으로 조사함으로써 라인 조명을 생성하는 라인 조명 스텝과, 상기 라인 조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면에 대한 영상을 획득하는 표면 영상 획득 스텝과, 상기 획득된 영상을 처리하여 영상으로부터 지역적인 정보를 얻고 이 얻어진 지역적인 정보에 의해 균열의 모서리를 추출하는 모서리 추출 스텝과, 상기 추출된 모서리에 의해 균열의 영역을 구성하는 영역 구성 스텝과, 구성된 균열의 각 영역에 대해 고유한 식별자를 부여하는 영역 라벨링 스텝과, 식별자가 부여된 각 영역에 대해 서로 근접한 영역끼리 연결하여 하나의 영역으로 정의하는 근접 영역 연결 스텝과, 근접 영역 연결 후 각 영역의 기하학적인 특징 형상을 구해 이 구해진 특징 형상에 근거하여 균열 여부를결정하는 균열 선별 스텝과, 균열로 결정된 영역의 폭과 길이와 방향 및 밀도 등을 측정하는 균열 측정 스텝과, 측정된 균열에 대한 정보를 저장 및 출력하는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균열 탐지장치에 대한 외관 사시도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 균열 탐지장치는, 이동 운반수단(10)과 라인조명수단(20)과 영상 입력수단(30)과 엔코더(40)를 포함한다.
상기 이동 운반수단(10)은 라인조명수단(20)과 영상 입력수단(30)과 후술될 제어부 및 영상처리수단을 이동 운반하는 것으로, 예컨대, 트럭과 같은 차량일 수 있다. 이러한, 이동 운반수단(10)은 사용자의 조작에 따라 검사대상의 구조물을 따라 일정방향으로 이동하게 된다.
상기 라인조명수단(20)은, 이동 운반수단(10)에 운반되어 이동하면서 검사대상 구조물의 표면에 레이저빔을 선형으로 조사하여 라인 조명을 생성하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저(21)와 시준기(22)와 분광기(23)와 복수의 프리즘(24-1∼24-3)과 복수의 다각형 거울부재(25, 26)로 구성된다.
상기 반도체 레이저(21)는 소정 파장의 레이저(laser) 광을 발생하고, 상기 시준기(Lamp Collimator Optical Modular)(22)는 반도체 레이저(21)로부터 발생된 레이저 광을 평행한 빔(beam)으로 변환한다.
상기 분광기(Beam Splitter)(23)는 시준기(22)로부터 변환된 레이저빔을 서로 다른 방향으로 분광(分光)하며, 상기 복수의 프리즘(24-1∼24-3)은 상기 분광기(230)로부터 분광된 레이저빔을 굴절시켜 원하는 방향으로 진행시키기 위해 사용된다.
상기 복수의 다각형 거울부재(Polygon Mirror)(25, 26)는, 다각형태(예컨대, 4각∼8각형 정도)로 이루어지고 회전축을 중심으로 그 측면부에는 거울을 형성 또는 부착하여 회전하면서 분광기(23) 또는 프리즘(24-3)으로부터 진행되어온 레이저빔을 반사시킨다.
여기서, 상기 복수의 다각형 거울부재(25, 26)는 일직선으로 평행하게 배열되되 각 거울부재에서 반사되는 레이저빔이 검사하고자 하는 대상의 구조물 표면 영역을 모두 커버할 수 있도록 분광기(23)와 프리즘(24-1∼24-3)을 사이로 하여 일정간격으로 배치된다.
즉, 각 다각형 거울부재(25, 26)는 회전에 의해 각기 설정된 반사각도(θ1, θ2)로 각 레이저빔을 선형으로 반사시키게 되는 바, 상기 각 다각형의 거울부재(25, 26)의 반사각도(θ1, θ2)를 일정 지점에서 중첩되게 배열함으로써, 일직선상의 라인조명(L)을 형성한다.
이때, 검사대상 구조물의 형태에 따라 라인조명(L)의 커버영역(즉, 구조물 표면에서 비춰지는 라인조명의 직선상 거리)을 더 넓힐 필요가 있거나 좁혀도 되는 경우가 있는데, 이 경우는 다각형 거울부재의 수를 증가시키거나 감소시킴으로써, 라인조명(L)의 커버영역을 증감시킬 수 있다.
상기 영상 입력수단(30)은 라인조명수단(20)에 의해 형성된 라인조명에 의해비춰지는 구조물의 표면 영상을 입력하고 입력된 영상에 상응하는 영상정보를 발생하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 구성되어 있다.
상기한 도 3을 참조하면 알 수 있듯이, 영상 입력수단(30)은, 촬영된 영상에 상응하는 영상신호를 발생하는 라인 카메라(31)와, 이 라인 카메라(31)가 수납되는 케이스(31-1)와, 라인 카메라(31)가 고정되고 충격과 진동을 감쇄하는 방진판(32)과, 이 방진판(32)의 상부에 설치되고 회전 모터(도시되지 않음)와 기어수단 등을 포함하고서 라인 카메라(31)의 좌우 회전각을 제어하는 패닝(Panning) 제어부(33)와, 방진판(32)의 상부에 설치되고 회전 모터(도시되지 않음)와 기어수단 등을 포함하고서 라인 카메라(31)의 상하 경사각을 제어하는 틸팅(Tilting) 제어부(34)를 포함하여 구성된다.
상기 영상입력수단(30)의 라인 카메라(31)는 일정한 각도 범위 내에 있는 영역의 영상을 입력할 수 있는 바, 검사 대상 구조물의 표면이 대단면(예컨대, 터널 등)일 경우 영상입력수단(30)을 복수개 사용하여 각 영상입력수단(30)을 일직선상에 적절한 각도로 배열함으로써, 대단면의 구조물 표면에 대한 영상을 획득한다.
상기 엔코더(40)는 이동 운반수단(10)의 바퀴(11)에 설치되어 바퀴(11)의 회전에 따른 펄스 신호를 발생한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 균열 탐지장치는, 도 4에 도시된 바와 같은 제어블록에 의해 제어된다.
도 4에 있어서, 균열 탐지장치를 제어하는 제어블록은, 조작부(50)와 정보출력부(60)와 제어부(70)와 라인조명 제어부(80)와 카메라 제어부(90)와 영상저장부(100)와 영상처리부(210)를 포함하여 구성된다.
상기 조작부(50)는 사용자가 본 발명에 따른 균열 탐지장치를 제어하기 위한 지시명령을 입력하기 위한 인터페이스 장치이며, 상기 정보출력부(60)는 탐지된 균열에 대한 데이터를 출력하는 장치로, 예컨대, 정보출력부(60)는 균열정보를 디스플레이하는 모니터이거나 균열정보를 인쇄하여 출력하는 프린터일 수 있다.
상기 제어부(70)는 조작부(50)를 통해 입력되는 사용자의 지시명령에 따라 엔코더(40)와 라인조명 제어부(80)와 카메라 제어부(90)와 영상 저장부(100)와 영상 처리부(210)를 제어한다.
상기 라인조명 제어부(80)는 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호에 따라 반도체 레이저(21)와 다각형 거울부재(25, 26)를 각각 회동시키는 모터에 전원을 인가하고 그 작동을 제어하며, 상기 카메라 제어부(90)는 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호에 따라 영상입력수단(30)의 라인카메라(31)의 작동을 제어함과 더불어 패닝제어부(33) 및 틸팅제어부(34)를 제어한다.
상기 영상 저장부(100)는 제어부(70)의 제어에 따라 엔코더(40)로부터 입력되는 펄스신호에 따라 이동 운반수단의 위치이동을 감지하며 그에 따라 각 라인 카메라(31)로부터 입력되는 라인 영상을 저장하고 저장된 라인 영상에 대한 데이터를 영상 처리부(210)로 전달함과 더불어 영상 처리부(210)에 의해 영상 처리된 결과에 따른 균열 정보를 저장한다.
상기 영상 처리부(210)는 제어부(70)의 제어에 따라 각 라인 카메라(31)로부터 입력되어 영상 저장부(100)에 저장되는 영상정보와 엔코더(40)로부터 입력되는펄스신호에 따른 위치정보에 의해 구조물 표면의 영상을 이동 거리별로 영상화하여 저장하고 저장된 영상정보를 분석하여 균열을 검출하여 이를 출력한다.
이제 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작과정을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 사용자는 조작부(50)를 통해 검사 대상을 입력한다(S10). 예컨대, 구조물의 종류와 형태 또는 재질 등에 대한 정보를 입력한다.
다음, 사용자는 검사하고자 하는 구조물의 형태에 따라 각 영상입력수단(30)의 좌우 회전각 및 상하 경사각을 제어하여 각 라인 카메라(31)의 FOV(Field Of View)가 검사 대상의 영역을 검사할 수 있도록 설정한다(S20).
사용자가 각 영상입력수단(30)의 좌우 회전각 및 상하 경사각을 제어하기 위해 입력하는 지시명령은 조작부(50)로부터 제어부(70)로 입력되고, 상기 입력된 지시명령에 따라 제어부(70)로부터 각 영상입력수단(30)의 좌우 회전각 및 상하 경사각을 제어하기 위한 제어신호가 발생되며, 상기 제어부(70)로부터 발생된 제어신호에 의해 카메라 제어부(90)가 영상입력수단(30)의 패닝 제어부(33)와 틸팅 제어부(34)를 제어하여 각 라인 카메라(31)의 좌우 회전각 및 상하 경사각을 조절한다.
이와 더불어, 사용자는 라인조명을 온(on)시키기 위한 지시명령을 조작부(50)를 통해 입력하고, 이 입력된 지시명령에 의해 제어부(70)로부터 라인조명을 온시키기 위한 제어신호가 라인조명제어부(80)로 인가된다.
상기 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호에 의해 라인조명제어부(80)는 라인조명수단(20)의 반도체 레이저(21)에 전원을 인가하여 온 시키고 각 다각형 거울부재(25, 26)를 회동시키는 모터를 제어하여 각 다각형 거울부재(25, 26)를 회전시킨다.
반도체 레이저(21)로부터 발생된 레이저 광은 시준기(22)에서 평행한 빔으로 변환된 다음, 분광기(23)에서 서로 다른 방향으로 분광(分光)되며, 이중 어느 한 방향을 분광된 레이저빔은 다각형 거울부재(26)로 진행하고, 다른 방향으로 분광된 레이저빔은 복수의 프리즘(24-1∼24-3)에서 굴절되어 다각형 거울부재(25)로 진행한다.
상기 다각형 거울부재(25, 26)로 각각 진행된 레이저빔은 회전하는 다각형 거울부재(25, 26)에 의해 선형으로 반사되어 검사대상 구조물의 표면에 라인조명을 형성한다.
상기와 같이 영상입력수단(30)과 라인조명수단(20)을 동작시킨 다음, 사용자는 이동 운반수단(10)을 검사 대상 구조물을 따라 이동시킨다. 예컨대, 검사 대상 구조물이 터널인 경우에는 터널의 입구로부터 출구로 진행시킨다.
상기와 같이 이동 운반수단(10)이 이동되면, 엔코더(40)로부터 이동 운반수단(10)의 위치이동에 따른 펄스신호가 발생되어 영상저장부(100)와 각 영상입력수단(30)의 라인카메라(31)로 입력되고, 각 영상입력수단(30)의 라인 카메라(31)에서는 라인조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면에 대한 라인 영상을 입력하여 그에 상응하는 영상 데이터를 영상 저장부(100)로 입력한다(S40).
영상 저장부(100)는 엔코더(40)로부터 입력되는 펄스신호에 따른 이동 운반수단의 이동속도에 따라 상기 각 라인 카메라(31)로부터 입력되는 영상 데이터를 저장하고(S50), 이 저장된 영상 데이터를 영상 처리부(210)로 전달한다.
영상 처리부(210)는 상기 영상 저장부(100)로부터 전달되는 영상 데이터를 처리하여 구조물의 표면에 대한 균열 정보를 획득하게 되는데(S60), 이에 대한 구체적인 동작과정은 도 6에 도시된 바와 같다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 영상 처리부(210)는 모서리 추출 스텝(S61)과 영역 구성(S62)과 영역 라벨링 스텝(S63)과 근접 영역 연결 스텝(S64)과 특징형상 계산 및 균열 선별 스텝(S65)과 균열 측정 스텝(S66)을 수행한다.
상기 모서리 추출 스텝(S61)에 대해 설명하면 다음과 같다.
모서리(edge)는 대개 물체의 가장자리를 이르는 말로서, 영상처리 관점에서 모서리는 영상 내에서 광도(intensity)의 변화가 심한 지점이다. 본질적으로 영상이란 광도의 2차원 분포이고 이를 두 개의 독립 변수(영상 평면의 좌표)를 가지는 함수로써 표현할 수 있다.
따라서, "광도의 변화가 심하다"라는 말은 "기울기 벡터(gradient vector)의 크기가 크다"라는 수학적 표현으로 바꾸어 표현할 수 있다. 영상 f의 (x,y) 점에서의 기울기 벡터(gradient vector) g는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.
그리고, 그 크기() 및 방향( psi )은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.
모서리의 방향보다 크기만 알고자 할 때는, 기울기(gradient) 대신 하기의 수학식 3과 같은 라플라시안(Laplacian) 미분 연산자를 사용할 수 있다.
여기서, "h"는 함수를 정의한 변수로서, 보다 정확하게는 이차 미분을 나타낸다.
상기한 바와 같은 라플라시안 연산은 모든 방향에 대해 동일한 값을 가지며, 방향 불변(rotation-invariant)의 특성을 가지고 있다.
상기한 수학식 1 내지 3을 디지털 영상에 적용하기 위해서는 편미분(partial derivatives)을 차분(difference)으로 근사화해야 하는데, 본 발명에서는 Sobel 모서리 연산자를 이용해 하기의 수학식 4와 같이 근사화하였다.
이때, "fx", "fy", 및 "h" 또한 영상 "f"와 마찬가지로 2차원 함수이므로 각각의 연산은 하기의 수학식 5에서와 같이 Convolution으로 표현될 수 있다.
여기서, Sx는 Convolution Mask이다.
상기한 수학식 1 내지 5를 정리하면, 하기의 수학식 6과 같다.
fx = 1*f(x-1, y-1) + 2*f(x-1, y) + 1*f(x-1,y+1) - [1*f(x+1, y-1) + 2*f(x+1, y) + 1*f(x+1,y+1)]
즉, 라플라시안(Laplacian) 미분 연산자(Convolution Mask)를 이용해 기울기의 크기를 구하고, 이 기울기 크기가 "0"이 되는 지점에서 모서리를 추출하며, Sobel 연산자(Convolution Mask)를 이용해 모서리의 방향을 구할 수 있다.
다음으로, 상기한 영역 구성 스텝(S62)에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 모서리 추출 스텝(S61)에서 추출된 두 모서리 사이에서 지역적인 최소값(local minimum)을 갖는 점을 골짜기(ravine)로 정의하고, 2차원 영상의 경우 모서리의 방향으로 스캔하여 1차원 프로파일(profile)을 얻는다.
이때, 한 모서리에서 그 모서리의 기울기 반대 방향으로 스캔하면서 다음과 같은 (1) 내지 (3)의 조건 중 어느 하나를 만족하면 스캔을 중단한다.
(1) 다른 모서리와 만나는 경우
(2) 원영상에서 현재 화소의 광도가 모서리에서의 광도보다 높은 경우
(3) 스캔 길이가 미리 설정된 특정 값보다 큰 경우
이 중에서 상기한 (1)의 조건에 해당하는 경우에는,
이 중 조건 (1)에 의해 스캔이 중단되었을 경우, 구해진 프로파일의 지역 최소값을 나타내는 위치를 구하고 이를 골짜기로 표시하며, 골짜기를 중심으로 균열의 두께를 계산한다.
만약, 상기한 조건 (2) 또는 (3)에 의해 스캔이 중단된 경우에는, 골짜기를 표시하지 않는데, 이중 조건 (3)에 의해 스캔을 중단하는 경우는 계산상의 효율을 높일 뿐만 아니라 비균열을 제거할 수 있다. 즉, 균열과 같이 길쭉한 형태의 영역이 아닌 경우 상기한 조건 (3)에 의해 제거된다.
다음, 상기한 영역 라벨링 스텝(S63)에 대해 설명하면 다음과 같다.
영상으로부터 추출된 영역은 그 연결 특성에 따라서 그룹 지어져야 하는 바. 서로 연결된 화소들의 집합을 찾아서 동일한, 그러나 연결되지 않은 집합과는 구별되는 식별자(일반적으로 정수로 표현됨)를 부여한다. 특정 균열이라고 하는 것은 상기와 같은 화소들의 집합과 동일한 의미를 지닌다.
참고적으로, 영역 라벨링(Labeling)을 위해 래스터 스캔 방식의 빠른 알고리즘이 공지되어 있으나, 별도의 메모리를 필요로 할 뿐만 라벨을 농축시키는 부가적인 기능을 수행하지 않는 한 라벨이 드문드문 분포하게 되는 단점이 있는 바, 다른 공지기술인 깊이우선탐색(Depth First Search; DFS) 방법을 통해 각 영역을 라벨링하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 근접 영역 연결 스텝(S64)에서는, 상기 영역 라벨링 스텝(S63)을 수행한 다음, 근접한 영역에 존재하는 다른 라벨 영역과의 연결을 위하여 각 라벨링 영역의 양 끝점에 대해서 특정 개수의 화소를 직선으로 모델링하여 기울기를 구하고 동일한 기울기를 갖는 경우 하나의 영역으로 정의한다.
상기 특징 형상 계산 및 균열 선별 스텝(S65)에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기한 스텝(S61)∼스텝(S64)까지에 의해 추출된 영역은 균열 영역이 되거나 비균열 영역이 될 수 있다. 예컨대, 추출된 균열영역 중에는, 시공 단차에 의한 것과, 작업자가 인위적으로 한 마크이거나, 노이즈 또는 얼룩에 의한 것일 수 있다.
이러한 잘못된 영역은 제거되어야 한다. 따라서, 균열과 비균열을 구분하기 위해서 각 영역의 기하학적인 특징 형상을 구하고 이를 바탕으로 균열 여부를 결정한다.
예컨대, 균열이 매우 작은 영역은 노이즈에 의한 것이고, 길쭉하지 않은 영역은 누수와 같은 얼룩에 의한 영향으로 발생된 것이며, 지나치게 곧은 영역은 시공 단차나 전선과 같은 부착물에 의한 것인 바, 이러한 특징 형상을 보이는 것들은 균열이 아닌 것으로 결정한다.
다음으로, 상기 균열 측정 스텝(S66)에서는, 균열로 결정된 영역에 대해 그 균열의 폭과, 길이와, 방향과, 밀도 등을 구한다.
상기 균열의 폭을 구하는 과정은 다음과 같다.
상기 영역 구성 스텝(S62)에서 모서리로부터 영역을 구성할 때 각 에지를 구성하는 점의 폭은 이미 계산하였는 바, 이 중 아웃라이어(outlier)를 제거하기 위해서 필터를 적용하여 그 폭을 평균한다.
예컨대, 길이가 5인 메디안 필터를 적용하여 그 폭을 평균할 때, 균열의 j번째 점의 두께는 하기의 수학식 7과 같은 방법으로 계산한다.
여기서, "med"는 메디안 필터를 의미한다.
상기 균열의 길이는, 화소의 개수로써 쉽게 계산될 수 있는데, 대각선 방향의 길이는 , 수직 수평 방향의 길이는 1로써 계산한다.
상기 균열의 방향은, 균열을 구성하는 한 영역의 좌표값으로 수직축과 수평축에 대한 면적분포를 표현하는 2차면적 모멘트를 계산하고, 이러한 값의 비가 최대가 되는 방향으로 얻는다.
상기 균열의 밀도는, 영상 내에서의 균열영역을 설정한 거리 내에 획득된 영상의 면적으로 나눔으로써, 얻어진다.
상기와 같이 영상 처리부(210)로부터 스텝(S61)∼(S66)을 통해 얻어진 균열 정보는 제어부(70)의 제어에 따라 영상 저장부(100)에 저장되며, 정보 출력부(60)를 통해 출력된다(S70).
한편, 검사 대상을 여러 대의 카메라를 통해 받아들인 영상은 서로 겹치는 영역이 존재하는 바, 이러한 중첩되는 영역을 보정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
검사 시작 전에 검사 대상체의 형태에 따라 각 라인 카메라(31)의 FOV를 제어하면 각 라인 카메라(31)가 받아들이는 검사 대상체 영역을 설정할 수 있다. 실제 3차원 좌표를 2차원 영상 좌표로 변환하는 카메라 보정을 통해 각 라인 카메라(31)의 FOV 양쪽 지점의 위치는 2차원 행렬형태 영상의 첫 번째 열과 마지막 열을 나타낸다.
따라서, 각 라인 카메라(31)가 받아들이는 영상의 중복 부위를 예측할 수 있지만 정확한 영상 결합(merging)을 위해 다음과 같은 방법으로 중첩되는 영역을 보상한다.
즉, 왼쪽부 카메라 A가 받아들인 영상을 Aimg, A 옆에 위치한 카메라 B가 받아들인 영상을 Bimg, Aimg의 폭을 Awidth라 두고, B 카메라의 FOV를 고려한 Aimg상의 위치를 Bcol라 정의한다.
여기서, Aimg상의 Bcol 위치 선정은 오차를 수반할 수 있으므로 약 10%의 여유, Bcol위치를 B'col = Bcol - (Awidth - Bcol)*0.1로 재 설정하고 B'col를 감안하여 중첩이 예상되는 Aimg상의 영상을 Aover라 정의한다.
다음, Aover 각 열의 gray 값과 Bimg 각 열의 gray 값 차의 분산을 구하여 분산이 작은 열을 겹치는 열로 고려하고 이런 일련의 열들을 겹치는 영역으로 처리하여 Bimg 상에서 이 영역을 제거란다.
이런 방식으로 좌측에서 우측방향으로 겹치는 영상을 제거하여 영상을 결합하고, 검사 대상에 대한 하나의 영상을 저장한다.
다른 한편, 검사 대상의 구조물에 대한 영상화 샘플링 속도를 제어하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
검사 대상체의 영상화 샘플링 속도는, 라인 카메라(31)의 line rate를 조절함으로써, 제어할 수 있다.
즉, 이동 운반수단(10)의 속도를 엔코더(40)로 측정하고 측정된 신호를 라인카메라(31)로 피드백함으로써 이동 운반수단(10)의 속도가 변화하더라도 일정한 간격, 즉 실제 일정 스캐닝 거리당 1라인의 영상을 획득할 수 있다.
즉, 미리 설정된 간격(예를 들어, 0.3mm 정도) 마다 1라인의 카메라 촬영을 수행하는 것으로, 일정한 간격의 영상은 이동체가 스캐닝한 거리에 대한 정보를 표현할 수 있다.
엔코더(40)는 단위 회전당 일정한 펄스를 발생하는 상용화된 장치로서, 엔코더(40)를 장착할 이동 운반수단(10)의 바퀴(11)의 반경은 엔코더(40)의 1회전당 펄스수와 영상 정밀도에 의해 결정된다.
엔코더(40)를 장착할 바퀴(11)의 반경을 R이라 두면 그 이동거리는 하기의 수학식 8과 같다.
이동거리 = 영상화된 이미지의 Row 수 * 2 * π* R/ (엔코더 펄스 수 / 1회전)
즉, 라인 카메라(31)를 통해 받아들인 영상으로부터 스캐닝 방향의 위치 정보를 구할 수 있으므로, 이를 통해 영상 내의 균열 위치를 쉽게 구할 수 있다.
상기에서 본 발명은 특정 실시예를 예시하여 설명하지만 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명에 대한 다양한 변형, 수정을 용이하게 만들 수 있으며, 이러한 변형 또는 수정이 본 발명의 특징을 이용하는 한 본 발명의 범위에 포함된다는 것을 명심해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 영상입력에 의해 검사대상 구조물의 균열을 자동으로 측정하여 균열의 폭과 길이, 위치, 방향 등의 정보를 분석·저장·출력함으로써, 구조물의 균열에 대한 객관적인 데이터를 확보할 수 있다.
이로써, 종래에 인력에 의해 수작업으로 수행되던 구조물의 균열 등 결함조사를 자동화할 수 있음에 따라, 대단면의 터널 등과 같은 대형 구조물의 단면에 대한 검사를 신속하고 간편하며 용이하게 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 검사대상 구조물의 표면을 조명하는 조명수단으로 평행한 레이저빔을 선형으로 조사하는 라인조명수단을 채용하였는 바, 이 라인조명수단은 조명 균일성과 강도가 우수하고 원거리에 있는 검사 대상물의 표면에서 밝기 분포가 균일하여 오차 발생률을 현저히 저하시키며 구조물의 크기에 따라 조명장치으 수를 증가시키지 않아도 되는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 이용자의 조작에 따라 선택된 방향을 따라 이동하는 이동 운반수단과,
    상기 이동 운반수단에 운반되어 이동하면서 구조물의 표면에 레이저빔을 선형으로 조사하여 라인 조명을 생성하는 라인 조명 수단과,
    상기 이동 운반수단에 운반되어 이동하면서 상기 라인 조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면 영상을 입력하고 입력된 영상에 상응하는 영상정보를 발생하는 영상입력수단과,
    상기 이동 운반수단이 이동하는 위치정보를 발생하는 위치정보 발생수단과,
    상기 영상입력수단에 의해 발생된 영상정보와 상기 위치정보 발생수단에서 발생된 위치정보에 따라 구조물 표면의 영상을 이동 거리별로 영상화하여 저장하고 저장된 영상정보를 분석하여 균열을 검출하여 이를 출력 및 저장하는 영상처리수단과,
    사용자의 선택에 따라 상기 라인조명수단과 상기 영상입력수단 및 상기 영상처리수단을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 라인 조명 수단은,
    반도체 레이저와,
    상기 반도체 레이저로부터 발생된 광을 평행한 빔 형태로 형성하는 시준기와,
    상기 시준기로부터 형성된 레이저 빔을 반사하는 다각형 거울부재와,
    상기 다각형 거울부재를 회전시키는 회전수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 라인 조명 수단은, 레이저 빔이 조사되는 각도를 확장하도록, 상기 시준기로부터 형성된 레이저빔을 복수 개로 분광하는 분광기가 더 구비되고, 상기 다각형 거울부재는 복수개로 구비되어 일직선상에 일정 간격만큼 거리를 두어 배열되는 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영상입력수단은, 촬영된 영상에 상응하는 영상신호를 발생하는 카메라와,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 카메라의 좌우 회전각을 제어하는 패닝 제어부와,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 카메라의 상하 경사각을 제어하는 틸팅 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 영상입력수단은, 보다 확장된 각도의 영상을 입력받을 수 있도록 복수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지장치.
  6. 평행한 광을 검사대상 구조물의 표면에 선형으로 조사함으로써 라인 조명을 생성하는 라인 조명 스텝과,
    상기 라인 조명에 의해 비춰지는 구조물의 표면에 대한 영상을 획득하는 표면 영상 획득 스텝과,
    상기 획득된 영상을 처리하여 영상으로부터 지역적인 정보를 얻고 이 얻어진 지역적인 정보에 의해 균열의 모서리를 추출하는 모서리 추출 스텝과,
    상기 추출된 모서리에 의해 균열의 영역을 구성하는 영역 구성 스텝과,
    구성된 균열의 각 영역에 대해 고유한 식별자를 부여하는 영역 라벨링 스텝과,
    식별자가 부여된 각 영역에 대해 서로 근접한 영역끼리 연결하여 하나의 영역으로 정의하는 근접 영역 연결 스텝과,
    근접 영역 연결 후 각 영역의 기하학적인 특징 형상을 구해 이 구해진 특징 형상에 근거하여 균열 여부를 결정하는 균열 선별 스텝과,
    균열로 결정된 영역의 폭과 길이와 방향 및 밀도 등을 측정하는 균열 측정 스텝과,
    측정된 균열에 대한 정보를 저장 및 출력하는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 모서리 추출 스텝은, 영상의 평면 좌표 상에서 기울기 벡터를 구하고 이 기울기 벡터의 크기에 의해 광도 변화가 심한 지점을 찾아 모서리를 추출함을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기울기 벡터는, 소벨 연산자(Sobel Convolution Mask)를 이용해 영상에서의 기울기 방향정보를 추출하고 라플라시안(Laplacian Convolution Mask)를 이용해 기울기 크기를 구하는 것임을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 영역 구성 스텝은, 두 모서리 사이에서 지역 최소값을 갖는 점으로 골짜기를 정의하고 이 골짜기를 중심으로 균열의 두께를 계산함으로써 영역을 구성하는 것임을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 영역 구성 스텝은, 하나의 모서리에서 그 모서리의 기울기 반대 방향으로 스캔하면서 다른 모서리를 만나는 경우에 지역 최고값을 구해 골짜기를 정의하되, 상기 스캔시 원 영상에서 현재 화소의 광도가 모서리에서의 광도보다 높거나 스캔 길이가 설정된 특정값보다 큰 경우 스캔을 중단함으로써 비균열 요소를 제거함을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 영상 획득 스텝에서는, 직선으로 배열된 복수의 카메라를 통해 영상을 획득하여 이를 하나의 영상으로 결합하되, 영상이 중첩될 경우 중첩부위의 어느 한쪽 영상 영역을 제거하여 중첩부위를 처리하는 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 라인 조명을 발생하는 수단과 영상을 획득하는 수단을 이동 운반수단에 실어 이동하면서 영상을 획득하되, 상기 이동 운반수단의 속도를 측정하고 그 측정된 속도에 따라 영상획득을 제어하여 일정 스캐닝 거리마다 1라인의 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 영상입력에 의한 구조물의 균열 탐지방법.
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