Digital Image Correlation기법을 이용한 구조물의 다중 동적변위응답 측정 Multi-point Dynamic Displacement Measurements of Structures Using Digital Image Correlation Technique원문보기
최근 대형구조물의 유지관리에 대한 관심이 커지고 있으며 자연재해, 구조물의 노후 등으로 구조적 안전성의 검토가 요구되는 대형구조물의 수가 급증하고 있는 실정이다. 실제 사용하고 있는 구조물의 구조적 특성은 최초 설계 당시의 특성과 차이점을 보이는 것이 일반적이며 부재의 균열 및 구조물의 노후화 등으로 인한 강성저하에 의하여 구조물의 동특성에 변화가 나타날 수 있다. 구조물의 동특성의 변화를 관찰하면 손상의 위치를 파악할 수 있으며 정량적 평가 또한 가능하다. 교량, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적계측기이다. 현재 구조용 동적계측기는 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 많은 케이블 작업을 필요로 하기 때문에 센서를 부착하지 않고 원거리에서 진동을 측정하는 방법이 필요하다. 구조물의 동적응답 계측을 위하여 적용 가능한 비접촉식 방법으로는 레이저의 도플러효과 및 GPS를 이용하는 방법 등이 있으나 비경제적이기 때문에 교량구조물에 적용하기에 보편적이지 못하다. 그러나 영상 이미지를 이용하는 방법은 경제적이며 접근이 어려운 구조물의 진동 및 동특성 추출에 적합하다. 기존에 도 센서를 대신하여 카메라의 영상신호를 이용하는 연구가 수행되었으나 구조물에 부착된 target의 한 지점을 기록한 후 이미지 처리기법 을 이용하여 변위응답을 측정하는 방법으로서 측정 대상이 비교적 국한적일 수 있다. 그러므로 본 연구에서 제안한 DIC(Digital Image Correlation)기법을 이용한 다중 변위응답 측정기법을 검증하기 위하여 실내모형실험을 수행하였다.
최근 대형구조물의 유지관리에 대한 관심이 커지고 있으며 자연재해, 구조물의 노후 등으로 구조적 안전성의 검토가 요구되는 대형구조물의 수가 급증하고 있는 실정이다. 실제 사용하고 있는 구조물의 구조적 특성은 최초 설계 당시의 특성과 차이점을 보이는 것이 일반적이며 부재의 균열 및 구조물의 노후화 등으로 인한 강성저하에 의하여 구조물의 동특성에 변화가 나타날 수 있다. 구조물의 동특성의 변화를 관찰하면 손상의 위치를 파악할 수 있으며 정량적 평가 또한 가능하다. 교량, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적계측기이다. 현재 구조용 동적계측기는 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 많은 케이블 작업을 필요로 하기 때문에 센서를 부착하지 않고 원거리에서 진동을 측정하는 방법이 필요하다. 구조물의 동적응답 계측을 위하여 적용 가능한 비접촉식 방법으로는 레이저의 도플러효과 및 GPS를 이용하는 방법 등이 있으나 비경제적이기 때문에 교량구조물에 적용하기에 보편적이지 못하다. 그러나 영상 이미지를 이용하는 방법은 경제적이며 접근이 어려운 구조물의 진동 및 동특성 추출에 적합하다. 기존에 도 센서를 대신하여 카메라의 영상신호를 이용하는 연구가 수행되었으나 구조물에 부착된 target의 한 지점을 기록한 후 이미지 처리기법 을 이용하여 변위응답을 측정하는 방법으로서 측정 대상이 비교적 국한적일 수 있다. 그러므로 본 연구에서 제안한 DIC(Digital Image Correlation)기법을 이용한 다중 변위응답 측정기법을 검증하기 위하여 실내모형실험을 수행하였다.
Recently, concerns relating to the maintenance of large structures have been increased. In addition, the number of large structures that need to be evaluated for their structural safety due to natural disasters and structural deterioration has been rapidly increasing. It is common for the structural...
Recently, concerns relating to the maintenance of large structures have been increased. In addition, the number of large structures that need to be evaluated for their structural safety due to natural disasters and structural deterioration has been rapidly increasing. It is common for the structural characteristics of an older large structure to differ from the characteristics in the initial design stage, and changes in dynamic characteristics may result from a reduction in stiffness due to cracks on the materials. The process of deterioration of such structures enables the detection of damaged locations, as well as a quantitative evaluation. One of the typical measuring instruments used for the monitoring of bridges and buildings is the dynamic measurement system. Conventional dynamic measurement systems require considerable cabling to facilitate a direct connection between sensor and DAQ logger. For this reason, a method of measuring structural responses from a remote distance without the mounted sensors is needed. In terms of non-contact methods that are applicable to dynamic response measurement, the methods using the doppler effect of a laser or a GPS are commonly used. However, such methods could not be generally applied to bridge structures because of their costs and inaccuracies. Alternatively, a method using a visual image can be economical as well as feasible for measuring vibration signals of inaccessible bridge structures and extracting their dynamic characteristics. Many studies have been conducted using camera visual signals instead of conventional mounted sensors. However, these studies have been focused on measuring displacement response by an image processing technique after recording a position of the target mounted on the structure, in which the number of measurement targets may be limited. Therefore, in this study, a model experiment was carried out to verify the measurement algorithm for measuring multi-point displacement responses by using a DIC (Digital Image Correlation) technique.
Recently, concerns relating to the maintenance of large structures have been increased. In addition, the number of large structures that need to be evaluated for their structural safety due to natural disasters and structural deterioration has been rapidly increasing. It is common for the structural characteristics of an older large structure to differ from the characteristics in the initial design stage, and changes in dynamic characteristics may result from a reduction in stiffness due to cracks on the materials. The process of deterioration of such structures enables the detection of damaged locations, as well as a quantitative evaluation. One of the typical measuring instruments used for the monitoring of bridges and buildings is the dynamic measurement system. Conventional dynamic measurement systems require considerable cabling to facilitate a direct connection between sensor and DAQ logger. For this reason, a method of measuring structural responses from a remote distance without the mounted sensors is needed. In terms of non-contact methods that are applicable to dynamic response measurement, the methods using the doppler effect of a laser or a GPS are commonly used. However, such methods could not be generally applied to bridge structures because of their costs and inaccuracies. Alternatively, a method using a visual image can be economical as well as feasible for measuring vibration signals of inaccessible bridge structures and extracting their dynamic characteristics. Many studies have been conducted using camera visual signals instead of conventional mounted sensors. However, these studies have been focused on measuring displacement response by an image processing technique after recording a position of the target mounted on the structure, in which the number of measurement targets may be limited. Therefore, in this study, a model experiment was carried out to verify the measurement algorithm for measuring multi-point displacement responses by using a DIC (Digital Image Correlation) technique.
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문제 정의
DIC기법을 이용하여 target의 변위를 측정할 경우 카메라의 중앙지점이 아니면 오차가 발생할 수 있으므로 본 연구에서는 다중 변위응답을 측정을 할 경우 왜곡영상을 확인하기 위해 3회의 실험을 수행하였다. 표 3과 같이 카메라 화상 중심과 레이저 변위계의 위치를 변화시키며 화상왜곡에 대한 영향을 확인하였다.
그러나 기존의 방법은 구조물에 부착된 target의 한 지점을 기록한 후 이미지 처리 기법을 이용하여 변위응답을 측정하는 방법으로서 측정 대상이 비교적 국한적일 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 DIC (Digital Image Correlation)기법(7),(8)을 사용하여 다중 변위 응답을 측정할 수 있는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 실내모형실험을 수행하였다.
본 연구에서는 구조물의 지점 및 다중변위응답을 계측하는 경우에 적합한 방법으로 상업용 디지털 캠코더를 기반으로 하는 영상처리 분석을 통한 비접촉식 변위 계측방법을 제안하였다.
제안 방법
DIC기법 알고리즘을 검증하기 위하여 카메라 화상 중심을 Mass3에 고정시키고 3회의 실험을 수행하였다. Mass3에 초기변위 약 10, 8, 6mm로 자유진동실험을 수행하여 레이저 변위계의 응답과 DIC기법 알고리즘을 적용하여 얻은 변위응답과 비교하였다.
DIC기법 알고리즘을 검증하기 위하여 카메라 화상 중심을 Mass3에 고정시키고 3회의 실험을 수행하였다. Mass3에 초기변위 약 10, 8, 6mm로 자유진동실험을 수행하여 레이저 변위계의 응답과 DIC기법 알고리즘을 적용하여 얻은 변위응답과 비교하였다.
본 연구에서는 각 target의 변위응답을 측정하고, 측정한 변위응답의 타당성을 검증하기 위하여 주요 모드가 3개(1차 모드: 0.47Hz, 2차 모드: 4.53Hz, 3차 모드: 10.30Hz)(10)인 실험모형을 그림 4와 같이 제작하였다. 표 1은 실험모형의 제원이다.
획득된 이미지를 시간순서대로 배열한 후, 변형이 없는 이미지에서 target 이미지의 변위를 알고 싶은 지점, 즉 기준점을 지정한다. 상관관계 크기를 결정하기 위하여 ROI를 설정한 후, 정규상호상관의 계산양의 감소를 위해 sum-table을 계산한다. Target 이미지가 ROI 에 최적으로 매칭 되는 곳에서 정규상호상관을 계산하며, 단위픽셀이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 1/10000픽셀 단위로 계산된다.
DIC기법에서 사용되는 상호상관(Cross Correlation)은 두 개의 다른 이미지를 검출하기 위하여 변형되지 않는 이미지와 비교하는 고전적인 방법이다. 상호상관은 유클리디안 거리(Euclidean Distance)를 이용하여 이미지와 등록된 target의 상관성을 구하며 입력된 패턴에 따라 노이즈 제거, 확대, 축소, 회전 등을 하여 패턴을 정규화한다. 그러나 이미지 강도 변화에 의한 매칭율 변화, 등록 패턴의 크기에 따라 결과 값이 변화하는 단점이 있다.
센서의 설치위치는 그림 5와 같이 구조물의 동특성을 알아보기 위해 질량(Mass1, Mass2, Mass3)에 가속도센서와 target을 설치하였고, DIC기법을 이용한 변위응답을 검증하기 위하여 카메라 화상 중심에서 왜곡영상이 큰 target의 위치에 레이저 변위계를 설치하였다.
실험모형의 동특성을 확인하기 위하여 1, 2, 3차 모드가 발생하도록 가진하였으며, 표 5와 같이 카메라 화상 중심과 레이저 변위계의 위치를 변화시키며 2회의 실험을 수행하였다.
실험은 일반 휴대용 디지털 캠코더(Samsung VM-HMX 10A)를 사용하여 720×480의 픽셀크기의 영상을 초당 60프레임(Frame per Second)으로 촬영하였으며 가속도센서 (PCB 393BO4) 및 레이저 변위계(LTMB265)는 데이터 취득속도 100Hz로 동시에 계측하였다. 실험을 수행하기에 앞서 target의 길이에 대응하는 픽셀의 값을 계측하였다. 그 결과 target의 크기는 85mm이고 이에 상응하는 픽셀은 32개이므로 한 픽셀의 해상도는 2.
그러나 이미지 강도 변화에 의한 매칭율 변화, 등록 패턴의 크기에 따라 결과 값이 변화하는 단점이 있다. 정규상호상관(Normalized Cross Correlation)은 빛과 조명의 변화에 둔감하며, 비율 및 회전의 변화에 대해 불변한 특성을 가지며 임계한계(Threshold Limit)를 설정할 수 있는 장점이 있으므로 본 연구에서는 정규상호상관을 적용하였다.
DIC기법을 이용하여 target의 변위를 측정할 경우 카메라의 중앙지점이 아니면 오차가 발생할 수 있으므로 본 연구에서는 다중 변위응답을 측정을 할 경우 왜곡영상을 확인하기 위해 3회의 실험을 수행하였다. 표 3과 같이 카메라 화상 중심과 레이저 변위계의 위치를 변화시키며 화상왜곡에 대한 영향을 확인하였다.
그림 3은 DIC기법을 이용한 변위응답측정 알고리즘이며 총 7단계로 분류된다. 획득된 이미지를 시간순서대로 배열한 후, 변형이 없는 이미지에서 target 이미지의 변위를 알고 싶은 지점, 즉 기준점을 지정한다. 상관관계 크기를 결정하기 위하여 ROI를 설정한 후, 정규상호상관의 계산양의 감소를 위해 sum-table을 계산한다.
대상 데이터
실험은 일반 휴대용 디지털 캠코더(Samsung VM-HMX 10A)를 사용하여 720×480의 픽셀크기의 영상을 초당 60프레임(Frame per Second)으로 촬영하였으며 가속도센서 (PCB 393BO4) 및 레이저 변위계(LTMB265)는 데이터 취득속도 100Hz로 동시에 계측하였다.
데이터처리
각각의 target의 기준점에 대한 변위 시간이력을 추출하기 위하여 그림 3에서 제시한 알고리즘이 적용되었으며, 알고리즘의 정확도와 정밀도를 확인하기 위하여 식 (14)의 percent error와 식 (15)의 RMS(Root Mean Square) error 및 식 (16)의 system error를 사용하여 오차분석을 수행하였다.
이론/모형
변환 함수로 사용되는 함수로는 선형적인 움직임만을 나타낼 수 있는 유사 함수(Affine Function), 작은 변형에 적합한 투영 함수(Projection Function), 비선형적인 변형과 움직임에 적용할 수 있는 다항 함수(Polynomial Function)가 있다. 본 연구에서는 변형과 같은 비선형적인 거동에 적합하도록 다음 식 (12)와 같은 2차 다항식을 사용하여 픽셀이하를 계산 하였다.
Target 이미지가 ROI 에 최적으로 매칭 되는 곳에서 정규상호상관을 계산하며, 단위픽셀이하에는 2차 다항식 함수를 사용하여 1/10000픽셀 단위로 계산된다. 본 연구에서는 위에 설명된 변위측정 알고리즘을 MATLAB7.0을 이용하여 자동화된 프로그램을 작성하여 사용하였다.
식 (1)에서 정규상호상관을 계산하기 위해 필요한 계산양의 감소를 위하여 Lewis(9)가 제시한 두 개의 sum-table을 사용하였다. Sum-table은 주어진 식에서 수치를 구하기 위해 필요한 덧셈 또는 곱셈의 연산수의 감소 및 참조 표처럼 실행되는 사전에 계산된 데이터 구조이며, 전체 이미지의 이산화된 형태이다.
성능/효과
5% 이내이나 RMS error는 초기 변위에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 system error의 값이 거의 일정하므로 오차가 매우 적은 것으로 판단되며 DIC기법 알고리즘에 의한 변위응답이 비교적 양호한 것으로 나타났다.
3%이내의 정확도를 가짐으로서 영상처리 데이터의 타당함을 확인할 수 있었다. 따라서 다중 변위응답의 계측이 필요한 구조물에 대하여 본 연구에서 제안하고 있는 영상처리기법을 이용한 진동계측방법이 보다 타당 할 수 있으며 이를 이용하면 대형 구조물에 대해 보다 저렴하고 간단하게 변위 측정이 가능하다고 판단된다.
5mm 이내로그 오차가 매우 적은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 적용한 DIC기법 알고리즘에 의해 추출한 다중 변위응답 결과의 신뢰성이 양호한 것으로 판단된다.
영상 처리 데이터를 분석해 얻어진 각 모드별 고유진동수 값은 가속도 센서를 이용해 얻어진 고유진동수 값과 ±0.3%이내의 정확도를 가짐으로서 영상처리 데이터의 타당함을 확인할 수 있었다. 따라서 다중 변위응답의 계측이 필요한 구조물에 대하여 본 연구에서 제안하고 있는 영상처리기법을 이용한 진동계측방법이 보다 타당 할 수 있으며 이를 이용하면 대형 구조물에 대해 보다 저렴하고 간단하게 변위 측정이 가능하다고 판단된다.
그림 6은 DIC기법 알고리즘과 레이저 변위계에 의해 계측된 변위응답을 비교한 것이다. 표 2에서 보면 변위응답에 대한 percent error에 대한 오차율이 0.5% 이내이나 RMS error는 초기 변위에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 system error의 값이 거의 일정하므로 오차가 매우 적은 것으로 판단되며 DIC기법 알고리즘에 의한 변위응답이 비교적 양호한 것으로 나타났다.
3% 이내의 정확도를 확인할 수 있었다. 표 6에서 변위응답에 대한 percent error의 오차율이 1.5% 이내이고 RMS error도 약 0.5mm 이내로그 오차가 매우 적은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 적용한 DIC기법 알고리즘에 의해 추출한 다중 변위응답 결과의 신뢰성이 양호한 것으로 판단된다.
후속연구
보다 진보된 장비로 시스템을 구축하여 카메라의 초당프레임수와 해상도를 확보할 경우 고주파수 성분을 가지는 변 위의 정밀측정이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조물 모니터링에 사용되는 대표적인 계측장비는 무엇인가?
구조물의 동특성의 변화를 관찰하면 손상의 위치를 파악할 수 있으며 정량적 평가 또한 가능하다. 교량, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적계측기이다. 현재 구조용 동적계측기는 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 많은 케이블 작업을 필요로 하기 때문에 센서를 부착하지 않고 원거리에서 진동을 측정하는 방법이 필요하다.
현재 구조용 동적계측기는 어떤 방식을 취하고 있나?
교량, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적계측기이다. 현재 구조용 동적계측기는 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 많은 케이블 작업을 필요로 하기 때문에 센서를 부착하지 않고 원거리에서 진동을 측정하는 방법이 필요하다. 구조물의 동적응답 계측을 위하여 적용 가능한 비접촉식 방법으로는 레이저의 도플러효과 및 GPS를 이용하는 방법 등이 있으나 비경제적이기 때문에 교량구조물에 적용하기에 보편적이지 못하다.
상호상관은 어떤 단점이 있나?
상호상관은 유클리디안 거리(Euclidean Distance)를 이용하여 이미지와 등록된 target의 상관성을 구하며 입력된 패턴에 따라 노이즈 제거, 확대, 축소, 회전 등을 하여 패턴을 정규화한다. 그러나 이미지 강도 변화에 의한 매칭율 변화, 등록 패턴의 크기에 따라 결과 값이 변화하는 단점이 있다. 정규상호상관(Normalized Cross Correlation)은 빛과 조명의 변화에 둔감하며, 비율 및 회전의 변화에 대해 불변한 특성을 가지며 임계한계(Threshold Limit)를 설정할 수 있는 장점이 있으므로 본 연구에서는 정규상호상관을 적용하였다.
참고문헌 (10)
Nassif, H.H. Gindy, M., and Davis, J., “Comparison of laser doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration,” NDT & E International, Vol. 38, No. 3, 213-218, 2005
Lee J.J., Shinozuka, M., “Real-time displacement of a flexural bridge using digital image processing technique,” Experimental Mechanics, Vol. 46, 105-114, 2006
Ji, Y.F. and Chang, C.C. “Nontarget image-based technique for small cable vibration measurement,” Journal of Bridge Engineering, Vol. 13, No. 1, 34-42, 2008
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