KR20240083822A - 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템 - Google Patents

3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템 Download PDF

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KR20240083822A
KR20240083822A KR1020230167144A KR20230167144A KR20240083822A KR 20240083822 A KR20240083822 A KR 20240083822A KR 1020230167144 A KR1020230167144 A KR 1020230167144A KR 20230167144 A KR20230167144 A KR 20230167144A KR 20240083822 A KR20240083822 A KR 20240083822A
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line
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camera
scan camera
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박종국
김정연
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투아이시스(주)
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Abstract

본 기술은 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템이 개시되어 있다. 본 기술의 구체적인 실시예에 따르면, 고해상도 시설물 스캔이 가능한 라인센서를 이용하여 매우 넓은 화각으로 구성이 가능하며, 철도 차량 및 철도 시설물을 촬영하는데 카메라 개수를 줄일 수 있고, 고속 주행중인 열차의 차체외형을 스캔하기 위한 방법으로 설치비용을 절감하는 효과가 있어 일반철도뿐만 고속열차가 주행하는 선로 상에 주요 거점마다 시스템 설치가 가능하며, 또한 3선형 라인스캔 카메라를 이용하여 주행중인 열차에 차체의 형상을 스캔하여 결함을 감지할 수 있어 열차로 인한 사고에 파급을 축소할 수 있다.

Description

3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템{TRAIN SHAPE SCANNING METHOD USING TRI-LINEAR SCAN CAMERA}
본 발명은 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템에 관한 것으로서, 선형 라인 카메라를 사용하여 주행 중인 열차에 2D 컬러이미지와 3D 형상 데이터를 동시에 생성한 다음 3D 형상데이터와 2D 컬러이미지를 병합하여 열차에 3D형상 및 2D 표면정보를 시각화함에 따라 라인 스캔 카메라를 이용하여 주행 중인 열차의 형상을 효과적으로 스캔할 수 있는 기술에 관한 것이다.
대차는 차륜·차축으로 구성되며, 차체의 중량을 차축에 전달하는 것과 동시에 주행·제동 기능을 갖춘 구조물이며, 차체라 함은 대차에 의하여 지지되며 여객 등이 탑승하거나 화물 및 운전용기기 등을 적재하는 철도차량 부분의 총칭을 말한다.
이러한 철도차량의 안전을 확보하기 위하여 열차에 부착설비는 차량한계 벗어나서는 아니되며, 차체 및 대차에 균열ㆍ훼손ㆍ용접부의 균열이 있어서는 아니된다.
따라서 차량 및 부착 설비에 대한 외관손상이 없었는지에 대한 상태 확인을 위한 예방 유지보수 작업이 필요하며, 부품에 결함이나 고장 발생시에는 열차운행되기 이전에 반드시 수리되어야 한다.
열차 부착설비에 대한 결함검사는 숙련된 차량 유지보수자에 육안 검사를 실시하고 있으나, 상시 운행하는 모든 열차를 신속하게 점검하기에는 유지보수 시간이 부족한 실정이다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 제10-1602376호에 따른 열차 결함 모니터링 시스템의 경우, 2D 카메라 및 3D 카메라를 사용하여 열차에 영상을 획득하는 기술이 개시된바 있다.
선행특허의 경우 2D 카메라와 3D 카메라를 분리하여 사용하므로 시스템 구축 비용이 고가이고, 서로 다른 카메라에서 수집한 열차에 2D 이미지와 3D 형상 정보를 병합하는 과정이 복잡한 단점이 있다.
또한, 3D 스캐너의 경우 2D 스캐너에 비해 상대적으로 영상 촬영 속도가 떨어지는 단점이 있어, 열차가 저속(50km/h 미만)으로 주행하는 선로(차량기지, 역사 등)에 설치해야 하는 장소에 제약이 있다.
한국등록특허 제10-1602376호
본 발명의 목적은, 선형 라인 카메라를 사용하여 주행중인 열차에 2D 컬러이미지와 3D 형상 데이터를 동시에 생성하므로, 시스템 구축비용이 저렴한 장점이 있으며, 하나의 카메라로부터 3D 형상데이터와 2D 컬러이미지 병합하여 열차에 3D형상 및 2D 표면정보를 시각하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 라인스캔카메라의 경우에 주행중인 열차의 고속스캔이 가능하므로, 일반철도뿐만 아니라 고속열차가 주행하는 모든 운행 선로 상에 주요 거점마다 시스템 설치가 가능하므로, 열차에 차체 부착시설물의 결함으로 인한 사고에 파급을 축소하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 양태에 의거, 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템은,
3 선형 라인스캔카메라로 구성되어 주행중인 열차의 형상을 스캔하는 열차 스캔부;
열차의 이동속도를 감지하여 차체형상 스캔부의 3선형 라인스캔 카메라의 촬영 신호를 전송하는 카메라 촬영 제어부;
3 선형 라인스캔 카메라에서 촬영된 이미지로부터 열차 외형에 대한 3D 형상을 생성하는 열차형상 생성부; 및
열차에 3D 형상데이터를 분석하여 열차 차체에 부착된 시설물에 이상상태를 검지하는 열차 결함 분석부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 시스템은
열차 운행 선로변에 설치되는 열차외형 이상상태 검사장치(S)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 열차 열차외형 이상상태 검사장치(S)는
액셀카운터를 선로변에 설치한 후, 열차 통과시 차륜을 인식하며, 차륜을 인식 시간과 차륜과 차륜간에 설치거리를 계산하여 열차의 주행속도를 계산한 다음 열차 주행 속도에 따라 이동하는 차량을 3선형 라인스캔 카메라가 일정한 간격으로 촬영할 수 있도록 카메라의 촬영신호를 제어하는 카메라 촬영 제어부(100);
선로변을 통과중인 열차에 차체를 스캐닝하는 열차 스캔부(200);
3개의 선형 CCD 센서로부터 이미지를 수집한 다음 수집된 이미지를 정합하여 차체의 3D 형상정보를 생성하는 열차 형상 생성부(300); 및
차체에 3D 형상 정보를 분석하여 차체 부착 시설물에 파손 및 균열 등에 결함상태를 인식한 다음 차량 결함 및 시설물에 상태 변화를 모니터링을 수행하는 열차결함 분석부(400)를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 카메라 촬영 제어부(100)는,
액셀카운터를 선로변에 설치한 후, 열차 통과시 차륜을 인식하며, 차륜을 인식 시간과 차륜과 차륜간에 설치거리를 계산하여 열차의 주행속도를 계산하는 차량속도 감지모듈(101); 및
열차 주행 속도에 따라 이동하는 차량을 3선형 라인스캔 카메라가 일정한 간격으로 촬영할 수 있도록 카메라의 촬영신호를 제어하는 카메라 촬영제어 모듈(102)을 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 열차 스캔부(200)는 3개의 선형 CCD 센서(red, green, blue)의 배열로 구성되며, 3개의 선행 CCD 센서는 일정 간격으로 취부되어 주행중인 열차를 스캐닝하는 3선형 라인스캔 카메라(201); 및
3선형 카메라의 광원으로 3선형 라인 스캔 카메라의 라인 조명(202)을 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 열차 형상 생성부(300)는
3개의 선형 CCD 센서로부터 이미지를 수집하는 이미지 수집모듈(301); 집된 이미지를 정합하여 차체의 3D 형상정보를 생성하는 3D 형상모듈(302)를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 열차결함 분석부(400)는
상기 열차결함 분석부(400)는 차체에 3D 형상 정보를 분석하여 차체 부착 시설물에 파손 및 균열 등에 결함상태를 인식하는 차체결함 인식모듈(401); 및
차량 결함 및 시설물에 상태 변화를 모니터링하기 위한 결함처리 모듈(402)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의거하면, 고해상도 시설물 스캔이 가능한 라인센서를 이용하여 매우 넓은 화각으로 구성이 가능하며, 철도 차량 및 철도 시설물을 촬영하는데 카메라 개수를 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고속 주행중인 열차의 차체외형을 스캔하기 위한 방법으로 설치비용을 절감하는 효과가 있어 일반철도뿐만 고속열차가 주행하는 선로 상에 주요 거점마다 시스템 설치가 가능하다.
또한 3선형 라인스캔 카메라를 이용하여 주행중인 열차에 차체의 형상을 스캔하여 결함을 감지할 수 있어 열차로 인한 사고에 파급을 축소할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 3선형 라인스캔 카메라를 이용하여 고속으로 주행중인 열차의 형상을 고속 스캐닝하기 위한 열차외형 이상상태 검사장치(S)를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 열차외형 이상상태 검사장치(S)를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 고속으로 주행중인 열차의 외형을 스캔닝하기 위한 3선형 라인스캔 카메라의 구성을 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3선형 라인센서를 이용하여 고속으로 주행중인 열차표면의 형상을 스캐닝한 방법을 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 열차외형 이상상태 검사장치(S)에서 검사 대상이 되는 열차의 부착된 설비를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 3선형 라인센서를 이용하여, 카메라로부터 주행중인 열차의 길이 및 깊이 정보를 계산하는 방법을 도시한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 주행중인 열차의 길이와 깊이 정보를 이미지 형태로 저장한 결과를 도시한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
동 1은 일 실시예의 3선형 라인스캔카메라(201)를 전철주 상부 또는 터널 상부에 설치한 후, 주행중인 열차의 형상을 고속 스캐닝하기 위한 방법이다. 먼저 주행중인 열차의 진입을 검지하기 위해 엑슬카운터로 구성된 차량속도감지모듈(101)를 선로변에 설치한다. 차량속도 감지모듈(101)은 열차 통과시 차륜을 실시간 인식한다. 또한 차륜 인식시간과 차륜과 차륜간에 이동 거리를 계산한 후, 열차의 주행속도 정보를 카메라 촬영제어 모듈(102)로 전송한다.
카메라 촬영제어 모듈(102)은 열차 주행 속도에 따라 3선형 라인스캔 카메라에 촬영신호(Trigger)를 출력한다. 이때 카메라 촬영신호는 열차 주행속도에 따라 주행중인 열차를 카메라라 일정간격으로 스캔할 수 있도록 제어한다.
카메라 촬영제어 모듈(102)의 카메라 촬영신호에 따라 3선형 라인스캔 카메라(201)는 통과중인 열차의 차체를 스캔닝하고, 3개의 선형 CCD 센서로부터 각각의 열차 스캐닝 영상을 수집한다.
열차외형 이상상태 검사장치(S)는 도 2를 참조하면 카메라 촬영제어부(100)와 열차스캔부(200), 열차형상생성부(300), 열차결함분석부(400)로 구성된다.
촬영제어부(100)은 열차의 진입정보를 수집하여 통과중인 열차에 이동속도를 계산하는 차량속도감지모듈(101)과 3선형 라인스캔 카메라의 촬영명령을 제어하는 카메라 촬영 제어부(102)로 구성된다.
열차스캔부(200)은 3선형 라인스캔카메라(201)과 라인조명(202)로 구성되어 선로변을 통과중인 열차을 스캐닝하여 3개의 라인스캔 이미지를 수집한다.
3선선 라인스캔카메라(201)은 [도3]과 같이 고속으로 주행중인 열차의 외형을 스캔닝하기 위해 3개의 선형 CCD 센서(red, green, blue)의 배열로 구성되며, 3개의 선행 CCD 센서는 일정 간격으로 분리되어 주행중인 열차의 표면을 [도4]와 같이 3개의 공간 분리된 라인(Red, green, blue)의 색상으로 열차를 스캐닝한다.
3선형 라인스캔 카메라는 공간적으로 분리되어 색상 채널당 3개의 라인으로 구성되므로 광학 관점으로 볼 때 3개의 개별 이미지를 수집한다. 따라서 열차 표면의 부착시설물의 RGB 배열로 구성된 라인센서를 이용하여 도 3의 스테레오 방식 삼각측정원리를 통해 철도차량에 부착된 시설물에 깊이 측정이 가능하다.
열차형상스캔부(300)는 3선형 이미지를 수집하여 열차의 3D 형상 데이터를 생성하기 위한 이미지정합모듈(301)과 3D 형상 생성모듈(302)로 구성된다.
이미지정합모듈(301)는 3선형 라인센서에서 촬영되는 3가지 색상 이미지를 열차의 이동 속도를 고려하여 하나의 이미지로 정합한다. 이러한 정합을 위해서는 각각의 이미지가 동일시점에 촬영되어야 하며, 균일하고 균일한 조명과 완벽하게 초점이 맞춰진 이미지가 중요하다.
3D 형상 생성모듈(302)는 각각의 선형 이미지로부터 물체의 특징을 인식하기 위해 시설물의 패턴매칭방식을 적용하여 해당하는 각각의 이미지 포인트를 인식한 후 이미지 포인터에 대한 깊이정보를 계산한다.
각 이미지 포인터에 대한 깊이 정보는 3선형 라인이미지를 이용하여 스테레오 방식의 삼각측량원리에 의해 깊이(Depth) 정보를 [도6]과 같이 계산한다.
도 6을 참조하면, 3선형 라인 이미지로부터 3선형 라인 센서간에 거리(PL과 PR)와 랜즈와 라인센서까지의 초점거리를 이용하여 물체 점 P까지에 깊이를 계산한다.
즉, 각각의 3선형 이미지로부터 PL, PR에 해당하는 이미지 특징점을 서로 매칭한 후, 3선형 센서간에 물리적 설치 거리와 초점거리를 이용하여 측정점 P에 대한 깊이를 계산한다.
도 6을 참조하면, 3선형 라인 센서간에 물리적 설치거리(L)와 측정점(P)에 대하여 각 라인센서에서 촬영된 영상에서 픽셀에 상이 맺히는 각도(α)와 각도(β)에 대한 정보를 이용하여 측정점(P)까지에 높이값(h)과 거리값(a)를 추출하는 방식으로 다음의 식(1)를 통해 3선형 라인센서로부터 열차 차체에 대한 깊이(Depth) 계산이 가능하다.
..........................식(1)
열차결함 분석부(400)는 열차에 3D 형상을 분석하여 열차 차체의 파손 및 균열 등에 결함상태를 인식하는 차체결함 인식모듈(401)과 차량 결함 및 시설물에 상태 변화를 모니터링하고, 결함검사 결과를 기간별로 이력관리를 수행하기 우한 결함처리 모듈(402)로 포함할 수 있다.
이에 일 실시예는 고해상도 시설물 스캔이 가능한 라인센서를 이용하여 매우 넓은 화각으로 구성이 가능하며, 철도 차량 및 철도 시설물을 촬영하는데 카메라 개수를 줄일 수 있다.
또한 일 실시예는 고속 주행중인 열차의 차체외형을 스캔하기 위한 방법으로 설치비용을 절감하는 효과가 있어 일반철도뿐만 고속열차가 주행하는 선로 상에 주요 거점마다 시스템 설치가 가능하다.
일 실시예는 3선형 라인스캔 카메라를 이용하여 주행중인 열차에 차체의 형상을 스캔하여 결함을 감지할 수 있어 열차로 인한 사고에 파급을 축소할 수 있는 장점이 있다.
S: 열차외형 이상상태 검사장치
100: 카메라 촬영제어부
101: 차량속도 감지모듈
102: 카메라 촬영 제어모듈
200: 열차스캔부
201: 3선형 라인스캔 카메라
202: 라인조명
300: 열차형상 생성부
301: 이미지 정합모듈
302: 3D 형상생성 모듈
400: 열차 결함분석부
401: 차체결함 인식 모듈
401: 결함처리 모듈

Claims (7)

  1. 3 선형 라인스캔카메라로 구성되어 주행중인 열차의 형상을 스캔하는 열차 스캔부;
    열차의 이동속도를 감지하여 차체형상 스캔부의 3선형 라인스캔 카메라의 촬영 신호를 전송하는 카메라 촬영 제어부;
    3 선형 라인스캔 카메라에서 촬영된 이미지로부터 열차 외형에 대한 3D 형상을 생성하는 열차형상 생성부; 및
    열차에 3D 형상데이터를 분석하여 열차 차체에 부착된 시설물에 이상상태를 검지하는 열차 결함 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시스템은
    열차 운행 선로변에 설치되는 열차외형 이상상태 검사장치(S)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열차 열차외형 이상상태 검사장치(S)는
    액셀카운터를 선로변에 설치한 후, 열차 통과시 차륜을 인식하며, 차륜을 인식 시간과 차륜과 차륜간에 설치거리를 계산하여 열차의 주행속도를 계산한 다음 열차 주행 속도에 따라 이동하는 차량을 3선형 라인스캔 카메라가 일정한 간격으로 촬영할 수 있도록 카메라의 촬영신호를 제어하는 카메라 촬영 제어부(100);
    선로변을 통과중인 열차에 차체를 스캐닝하는 열차 스캔부(200);
    3개의 선형 CCD 센서로부터 이미지를 수집한 다음 수집된 이미지를 정합하여 차체의 3D 형상정보를 생성하는 열차 형상 생성부(300); 및
    차체에 3D 형상 정보를 분석하여 차체 부착 시설물에 파손 및 균열 등에 결함상태를 인식한 다음 차량 결함 및 시설물에 상태 변화를 모니터링을 수행하는 열차결함 분석부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 카메라 촬영 제어부(100)는,
    액셀카운터를 선로변에 설치한 후, 열차 통과시 차륜을 인식하며, 차륜을 인식 시간과 차륜과 차륜간에 설치거리를 계산하여 열차의 주행속도를 계산하는 차량속도 감지모듈(101); 및
    열차 주행 속도에 따라 이동하는 차량을 3선형 라인스캔 카메라가 일정한 간격으로 촬영할 수 있도록 카메라의 촬영신호를 제어하는 카메라 촬영제어 모듈(102)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 열차 스캔부(200)는 3개의 선형 CCD 센서(red, green, blue)의 배열로 구성되며, 3개의 선행 CCD 센서는 일정 간격으로 취부되어 주행중인 열차를 스캐닝하는 3선형 라인스캔 카메라(201); 및
    3선형 카메라의 광원으로 3선형 라인 스캔 카메라의 라인 조명(202)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 열차 형상 생성부(300)는
    3개의 선형 CCD 센서로부터 이미지를 수집하는 이미지 수집모듈(301); 및
    집된 이미지를 정합하여 차체의 3D 형상정보를 생성하는 3D 형상모듈(302)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 열차결함 분석부(400)는
    상기 열차결함 분석부(400)는 차체에 3D 형상 정보를 분석하여 차체 부착 시설물에 파손 및 균열 등에 결함상태를 인식하는 차체결함 인식모듈(401); 및
    차량 결함 및 시설물에 상태 변화를 모니터링하기 위한 결함처리 모듈(402)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 선형 라인 스캔 카메라를 이용한 열차 형상 스캔 시스템.


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