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문제 정의
- 울산광역시 정자해변의 형상이 다른 해변자갈 2 종류, 콘크리트 배합에 사용되는 쇄석 2 종류 등 4종류의 형상이 다른 시료를 사용하였다. 또한 체가름이 불가능한 시료로써, 해양 현장에서 많이 사용하는 아모르와 댐 현장에서 사용하는 필터용 시료에 대해, 체가름이 아닌 직접 DIP기법을 사용함으로써 암석시료에 대한 본 연구의 적용성을 검증하고자 하였다. 각 시료의 형태는 해변자갈은 얇거나 두꺼운 평판의 모양을 가지고 있다.
- 입자 모양의 분석 및 정량화를 위해서는 디지털 이미지 처리기법(DIP, Digital Image Processing)에 의한 시료의 이미지분석 방법을 적용하였다. 본 논문에서는 체분석이 불가능한 일반토사 및 조립토 입자의 입도분포 특성을 디지털 이미지 처리기법을 적용하여 분석하는 방법을 제안하였다. 4종류의 형상 특성을 가진 시료를 디지털 이미지 처리 기법을 이용해 골재 입자의 형상 특성을 체분석 결과와 비교·분석하였다.
가설 설정
- 입자의 표면구조는 규모가 너무 작아서 입자 전체의 모양에 영향을 주지 않는다.(Vallejo & Zhou 1995) 입자 표면에 있는 구멍, 긁힌 자국, 미세한 모양, 패각상의 형태와 같은 다양한 세부적인 관찰을 묘사하는데 사용된다.
제안 방법
- 2차원 투영면인 압축용 주문진표준사와 해변자갈, 쇄석, 암석시료 등의 실험 대상 시료의 이미지로부터 산출된 DIP에 의한 장축과 중축의 측정 결과를 검증하기 위하여 실측과 DIP에 의한 중축에 대한 장축의 비로 나타내는 세장비를 비교하였다. 형상이 등입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 일정량을 채취하였고 실측과 DIP를 적용하여 입자의 장축과 단축을 측정하였다.
- 3) 2차원 투영면인 압축용 주문진표준사와 해변자갈, 쇄석, 암석시료 등의 실험 대상 시료의 이미지로부터 산출된 DIP에 의한 장축과 중축의 측정 결과를 검증하기 위하여 실측과 DIP에 의한 중축에 대한 장축의 비로 나타내는 세장비를 비교하였다. 형상이 등입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 일정량을 채취하였고 실측과 DIP를 적용하여 입자의 장축과 단축을 측정하였다.
- 4) 편평비에 종속된 매개변수인 λ를 검증하기 위하여 실측과 DIP에 의한 편평비를 비교였다.
- 20%이었다. 다른 두 종류의 시료는 콘크리트 배합에 사용되는 쇄석 2종류를 채취하여 체분석을 수행하였다. 쇄석자갈I의 입경은 19 mm의 누적 통과율 13.
- 석영은 물리·화학적 안정성 때문에 각 환경에서 생성되는 표면구조의 특징들을 가장 잘 기록할 조성광물이다. 따라서 석영입자에 붙어 있는 여러 가지 물질들을 제거한 뒤 전자주사현미경(SEM)으로 관찰하고 표면구조 특징들의 상대적 빈도를 측정하여 해석하게 된다.
- 본 연구에서 디지털 이미지 분석법을 이용하여 해변자갈 및 쇄석, 필터재료, 호박돌에 대하여 입자 형상특성의 분석과 정량화를 수행하였다. 제한된 시험결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 형상이 등 입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 각기 일정량을 채취하여 실험을 하였다. 실측은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)를 사용하여 입자의 중축과 단축을 측정하였다. 실측과 DIP에 의한 편평비를 분석한 결과, 1:1 상관 직선에 대하여 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으며, DIP에 의한 편평비를 입자 형태의 분류에 따라 산술 평균하여 실측의 편평비와 비교한 결과 97.
- 형상이 등입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 일정량을 채취하였고 실측과 DIP를 적용하여 입자의 장축과 단축을 측정하였다. 실측은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)를 이용하여 장축, 중축과 단축의 세 방향의 직경을 측정하였다.
- 조립토의 거칠기 및 입자 형상특성을 분석하고, DIP 입도 분석의 결과와 체분석을 비교하기 위한 시료를 선정·채취하였다.
- 주문진 표준사는 #40체에 남은 시료의 형상계수를 산출하여 입자의 모양을 정량화 및 분석을 하였다. 주문진 표준사의 형상계수는 세장비를 나타내는 세장비는 0.
- 이미지 코드화(Image coding)는 이미지 습득에서 생성된 이미지를 컴퓨터에 저장하는 것을 말한다. 즉, 컴퓨터에 대상 이미지의 데이터를 픽셀 단위로 하여 좌표값, 명암정도, 밝기 등의 변수를 각각의 픽셀에 부여함으로써 전체 이미지를 구성하는 것이다.
- 2차원 투영면인 압축용 주문진표준사와 해변자갈, 쇄석, 암석시료 등의 실험 대상 시료의 이미지로부터 산출된 DIP에 의한 장축과 중축의 측정 결과를 검증하기 위하여 실측과 DIP에 의한 중축에 대한 장축의 비로 나타내는 세장비를 비교하였다. 형상이 등입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 일정량을 채취하였고 실측과 DIP를 적용하여 입자의 장축과 단축을 측정하였다. 실측은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)를 이용하여 장축, 중축과 단축의 세 방향의 직경을 측정하였다.
대상 데이터
- 조립토의 거칠기 및 입자 형상특성을 분석하고, DIP 입도 분석의 결과와 체분석을 비교하기 위한 시료를 선정·채취하였다. 울산광역시 정자해변의 형상이 다른 해변자갈 2 종류, 콘크리트 배합에 사용되는 쇄석 2 종류 등 4종류의 형상이 다른 시료를 사용하였다. 또한 체가름이 불가능한 시료로써, 해양 현장에서 많이 사용하는 아모르와 댐 현장에서 사용하는 필터용 시료에 대해, 체가름이 아닌 직접 DIP기법을 사용함으로써 암석시료에 대한 본 연구의 적용성을 검증하고자 하였다.
- 울산광역시 정자해변의 형상이 다른 해변자갈 2종류를 실험에 사용하였다. 그림 5에 나타난 것과 같이, 해변자갈I은 19 mm~26.
- 그림 7은 편평비에 종속된 매개변수인 λ를 검증하기 위하여 실측과 DIP에 의한 편평비를 비교한 결과이다. 형상이 등 입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 각기 일정량을 채취하여 실험을 하였다. 실측은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)를 사용하여 입자의 중축과 단축을 측정하였다.
데이터처리
- 4종류의 형상 특성을 가진 시료를 디지털 이미지 처리 기법을 이용해 골재 입자의 형상 특성을 체분석 결과와 비교·분석하였다.
이론/모형
- 그러나 입자의 입경 및 입도분포, 형상 등의 분석에 있어 이미지처리기법은 단지 입자의 2차원 투영면이 측정분석되어진다. 3차원인 입자의 두께를 측정하기 위해서는 Mora와 Kwan(2000)의 2차원 투영면에서 평균두께 산정 방법을 적용한다(황택진, 2007).
- 디지털 이미지 처리 기법(DIP; Digital Image Processing)에 의한 사용 재료입자의 형상 계수 등의 정량적인 형상 특성 분석은 이러한 문제를 해결하는데 적절한 방법이다(황택진, 2007). 입자 모양의 분석 및 정량화를 위해서는 디지털 이미지 처리기법(DIP, Digital Image Processing)에 의한 시료의 이미지분석 방법을 적용하였다. 본 논문에서는 체분석이 불가능한 일반토사 및 조립토 입자의 입도분포 특성을 디지털 이미지 처리기법을 적용하여 분석하는 방법을 제안하였다.
성능/효과
- 1) 해변자갈I, II의 형상계수는 0.35~0.54, 쇄석Ⅰ은 0.74의 범위로 박편 형태의 편평상으로 나타나는데 비해 주문진 표준사의 입자의 모양은 세장형으로 나타났다. 특히 해변자갈II는 해변자갈I과 달리 모든 시료보다 세장비가 작으므로 장축과 중축의 차이가 크고, 긴 입자의 형상특성을 보여주고 있다.
- 그림 6은 실측과 DIP에 의한 중축에 대한 장축의 비를 나타내는 세장비를 비교한 결과이다. 1:1 상관 직선에 대하여 입자의 형태분류에 의한 등입방형, 횡판형, 입판형의 형태에서 거의 일치하는 것으로 나타났고, 장주형은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)에 의한 입자의 크기를 실측 시 발생되는 개인적 오차로 인한 DIP에 의한 세장비와 아주 미소한 차이가 있었다. 따라서 DIP 기술은 매우 다양하고 불규칙한 표면을 갖는 입자의 형상 분석 시에 만족스럽게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 형상이 등입방형, 횡판형, 장주형, 입판형의 4가지 유형인 실험 시료의 입자를 무작위로 일정량을 채취하였고 실측과 DIP를 적용하여 입자의 장축과 단축을 측정하였다. 1:1 상관 직선에 대하여 입자의 형태분류에 의한 등입방형, 횡판형, 입판형의 형태에서 거의 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 DIP 기술은 매우 다양하고 불규칙한 표면을 갖는 입자의 형상 분석 시에 만족스럽게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 2) 해변자갈I, II는 편평비 값이 거의 0.3 정도의 값을 나타내므로 이것은 입자의 형태가 거의 Plate 및 Thick Plate의 형태 사이에 존재하는 형상특성을 가지고 있다는 것이며, 특히 해변자갈II는 해변자갈I과 비슷한 형상적 분포를 보이나 그에 비해 약간 타원형의 형태를 가진 시료로 판단된다.
- 그림 3과 같은 세장형의 입자는 길이가 체 눈금보다 큼에도 불구하고 폭과 두께가 체 눈금보다 작으면 그림과 같이 아무런 문제없이 체를 통과하게 된다. 둘째, 입자의 형상이 매우 얇은 박편의 모양일 경우 그림 4와 같이 체 눈금보다는 입자의 길이와 두께가 큼에도 불구하고 입자의 폭이 체의 대각선 길이 보다 작을 때 역시 체를 통과한다. 이와 같이 체 분석에 의한 입자의 입경정의는 정사각형 체 눈금의 변의 크기로 정의된다.
- 5%의 높은 상관도를 나타내었다. 따라서 DIP 기술을 이용한 입자의 정량적인 형상 분석 시 Mora와 Kwan(2000)의 평균두께 산정 방법의 적용으로 실측 시 입자의 단축과 매우 일치하는 2차원 투영면인 입자의 이미지로부터 단축을 산출할 수 있을 것으로 판단된다.
- 쇄석II의 형상계수는 편평비는 0.83, 구형비는 0.79로써, 거의 구에 가까우므로 본 연구에서 사용하고 있는 입경을 완전한 구로 가정한 등가직경 이론의 적용이 가장 적합한 시료인것으로 판단된다.
- 다른 두 종류의 시료는 콘크리트 배합에 사용되는 쇄석 2종류를 채취하여 체분석을 수행하였다. 쇄석자갈I의 입경은 19 mm의 누적 통과율 13.47%, 25.4 mm의 누적 통과율 77.71%의 분포를 대부분 차지하고 있으며, 쇄석자갈II의 경우는 각각 49.53%, 43.18%로써 나타났다. 표 2는 각각 해변자갈I, 해변자갈II 및 쇄석자갈I, 쇄석자갈II의 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cc) 및 입도 분포 특성 결과를 정리한 것이다.
- 실측은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)를 사용하여 입자의 중축과 단축을 측정하였다. 실측과 DIP에 의한 편평비를 분석한 결과, 1:1 상관 직선에 대하여 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으며, DIP에 의한 편평비를 입자 형태의 분류에 따라 산술 평균하여 실측의 편평비와 비교한 결과 97.5%의 높은 상관도를 나타내었다. 따라서 DIP 기술을 이용한 입자의 정량적인 형상 분석 시 Mora와 Kwan(2000)의 평균두께 산정 방법의 적용으로 실측 시 입자의 단축과 매우 일치하는 2차원 투영면인 입자의 이미지로부터 단축을 산출할 수 있을 것으로 판단된다.
- 79로써 구형에 가장 가까운 형태를 가지고 있다. 형상계수는 1.16으로 산출되었으며, 해변자갈I,II은 0.35~0.54, 쇄석I은 0.74의 범위로 박편 형태의 편평상으로 나타나는데 비해 주문진 표준사의 입자의 모양은 세장형으로 나타났다. 표 3과 같이 해변자갈I, II는 거의 유사한 형상 특성을 가지고 있는 것으로 보여 진다.
후속연구
- 1:1 상관 직선에 대하여 입자의 형태분류에 의한 등입방형, 횡판형, 입판형의 형태에서 거의 일치하는 것으로 나타났고, 장주형은 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)에 의한 입자의 크기를 실측 시 발생되는 개인적 오차로 인한 DIP에 의한 세장비와 아주 미소한 차이가 있었다. 따라서 DIP 기술은 매우 다양하고 불규칙한 표면을 갖는 입자의 형상 분석 시에 만족스럽게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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