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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 Micro X-ray CT를 이용하여 사질토의 간극비를 측정하기 위하여 고분해능 X-ray CT 시스템의 적용에 문제가 되는 빔 하드닝(beam hardening) 및 동심원상 화상결함(ring artifact) 등에 대한 문제점 지적 및 해결방안을 제시하였으며, 간극비 산정을 위한 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다. 또한 X-ray CT를 이용하여 주문진 표준사의 간극비를 측정하여 신뢰성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 물체의 내부를 3차원으로 관찰할 수 있는 비파괴 기술인 X-ray CT를 암반 및 지반 분야에 활용하기 위한 기초 연구의 일환으로, X-ray CT를 이용한 사질토의 간극비 측정에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 고분해능 X-ray CT 시스템의 적용에 문제가 되는 빔 하드닝 및 동심원상 화상결함 등에 대한 문제점 지적 및 해결방안을 제시하였다.
제안 방법
- (1) 영상의 해상도와 정확도를 높여 X-ray CT 이미지의 품질을 높이기 위하여 Micro X-ray CT를 구성하는 소스, 디텍터, 구동축에 대한 장비의 기하학적 보정을 수행하였으며, 보정 전과 후의 이미지 비교를 통해 보정 결과를 평가하였다. 또한 영상 왜곡의 주요한 원인 중 하나인 빔 하드닝을 보정하기 위하여 필터를 이용한 보정법을 적용하였으며, 다양한 규격의 구리 및 알루미늄 필너에 대한 빔 하드닝 영향도를 분석하여 0.
- (3) X-ray CT의 슬라이스 이미지 상에서 토립자로 판단되는 픽셀의 개수와 간극으로 판단되는 픽섹의 개수를 간극비를 정의하고, 이러한 과정을 수많은 슬라이스에 반복 적용하여 지반재료의 부피를 고려하는 간극비 산정 알고리즘을 제시하였으며, 이를 기반으로 하는 간극비 산정 프로그램을 개발하였다.
- CT 촬영 시 함수비 유지에 대한 오링의 영향을 평가하기 위해 오링이 공기에 미치는 영향을 분석하였다. 오링을 제거한 상태와 결합한 상태에서의 공기의 그레이 스케일은 그림 6과 같이 각각 3,200～3,250과 3,200～3,260 의 범위를 나타낸다.
- Micro X-ray CT의 촬영 조건과 활용에 있어서 적합한 규격을 설정하고, 동시에 지반재료의 특성을 고려하여 시료의 교란에 대한 영향을 최소화하기 위해 지그(jig)를 제작하였다. 지그는 촬영시 시료를 구동축에 고정 및 자립시키는데 필요하다.
- X-ray CT를 이용한 간극비 측정 결과의 신뢰성 검토를 위해 기존 실내시험 방법에 의하여 주문진 표준사의 간극비를 측정하였다. 이를 위해 먼저 주문진 표준사의 기본 물성치를 측정하였으며, 그 결과는 표 4와 같다.
- 그림 3은 현재 한국건설기술연구원에서 보유하고 있는 Micro X-ray CT 장비이다. X-ray 발생장치(X-ray source)와 X-ray 영상 수집 장치(X-ray detector) 사이에 촬영 물체를 올려놓고 물체를 360도 회전하여 촬영 영상을 역투사하며, CT 재구성 알고리즘으로 재구성하여 내부 구조를 분석할 수 있는 단층 영상을 얻는다. 본 연구에 사용한 Micro X-ray CT 장비의 부분별 성능은 표 1과 같다.
- 5mm 까지 총 5개를 제작하였다. 각각의 필터를 소스에 부착하여 증류수에 대한 그레이 스케일을 측정하였으며, CT Number의 ROI(Region Of Interest)를 이용하여 평균값과 표준편차에 대한 변화를 살펴보았다. 실험 결과 각각의 평균은 큰 차이가 없으며, 빔 하드닝에 대한 영향 평가의 지표로 활용될 표준편차는 필터의 종류와 두께에 따라 그림 9와 같은 분포를 보인다.
- 공학적으로 빔 하드닝의 영향을 최소화 할 수 있는 필터를 선정하기 위하여 재질과 두께를 다르게 하는 다양한 필터를 제작하였다. 장비의 소스 크기와 최대 출력을 감안하여 30mm×35mm 크기로 제작하였으며, 재질은 알루미늄과 구리로 하였다(그림 8).
- Micro X-ray CT가 내재하고 있는 오차에 대해서 일정 수준의 보정 작업을 거치더라도 그 외의 영향인자로 인해 오차가 발생하게 된다. 따라서 한계값의 정밀도와 오차율을 분석하기 위한 실험을 수행하였으며, 이를 위해 면적비를 산출할 수 있는 게인(gain) 보정용 지그를 이용하였다. 실험에 사용된 게인 보정용 지그는 그림 12(a)와 같이 내경이 10mm, 두께가 4mm 이며, Micro X-ray CT로 촬영한 단면은 그림 12(b)와 같다.
- 따라서, 본 연구에서는 Micro X-ray CT를 이용하여 사질토의 간극비를 측정하기 위하여 고분해능 X-ray CT 시스템의 적용에 문제가 되는 빔 하드닝(beam hardening) 및 동심원상 화상결함(ring artifact) 등에 대한 문제점 지적 및 해결방안을 제시하였으며, 간극비 산정을 위한 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다. 또한 X-ray CT를 이용하여 주문진 표준사의 간극비를 측정하여 신뢰성을 평가하였다.
- 이를 위해 고분해능 X-ray CT 시스템의 적용에 문제가 되는 빔 하드닝 및 동심원상 화상결함 등에 대한 문제점 지적 및 해결방안을 제시하였다. 또한 X-ray CT를 이용한 간극비 산정을 위한 알고리즘 및 프로그램을 개발하였으며, 이를 이용하여 주문진 표준사의 간극비를 측정 하여 신뢰성을 검토하였다. 연구내용에 대한 세부적인 결과는 다음과 같다.
- (1) 영상의 해상도와 정확도를 높여 X-ray CT 이미지의 품질을 높이기 위하여 Micro X-ray CT를 구성하는 소스, 디텍터, 구동축에 대한 장비의 기하학적 보정을 수행하였으며, 보정 전과 후의 이미지 비교를 통해 보정 결과를 평가하였다. 또한 영상 왜곡의 주요한 원인 중 하나인 빔 하드닝을 보정하기 위하여 필터를 이용한 보정법을 적용하였으며, 다양한 규격의 구리 및 알루미늄 필너에 대한 빔 하드닝 영향도를 분석하여 0.6mm 두께의 알루미늄 필터를 빔 하드닝에 대한 영향을 최소화 시킬 수 있는 최적의 필터로 결정하였다.
- 지그는 아크릴 두께에 대한 영향과 함수비 유지를 위한 오링의 영향 등을 분석하여 사용 적정성을 평가하였다. 먼저 아크릴 두께에 대한 영향은 지그의 메인틀에 뚜껑을 결합했을 때와 제거했을 때 내부 공기에 대한 그레이 스케일(gray scale)값의 비교를 통해 검토하였다. 그림 5(a)는 메인틀로 뚜껑을 제거했을 때 촬영한 프로파일이며, 공기에 대한 그레이 스케일값은 3,190～3,270까지의 분포를 보이고 있다.
- 슬라이스 수가 많아질수록 데이터의 정확도는 증가하지만, 그에 따른 데이터 처리 시간 역시 증가한다. 본 연구에서는 수 백장 또는 수 천장의 슬라이스 데이터를 처리하기 위하여 LabView Professional ver. 8.2를 이용하여 자료 처리 프로그램을 개발하였으며, 변수가 되는 한계값을 설정하고 결과값을 출력하는 형태이다. 엑셀 형태의 슬라이스 데이터를 입력 자료로 하며, 각 셀에 대한 CT Number를 기준이 되는 한계값을 통해 0과 1로 구분하여 0이 되는 셀과 1이 되는 셀의 총합을 계산하게 된다.
- 상기 절에서 언급한 간극비 산정 프로그램을 이용하여 주문진 표준사에 대한 간극비를 측정하기 위하기 X-ray CT 촬영을 수행하였다. 주문진 표준사는 입도분포가 균일한 모래로서 촬영을 실시하였을 때 입자의 구별이 명확하며, 간극과 입자간의 구별도 가능하였다.
- 본 연구에서는 물체의 내부를 3차원으로 관찰할 수 있는 비파괴 기술인 X-ray CT를 암반 및 지반 분야에 활용하기 위한 기초 연구의 일환으로, X-ray CT를 이용한 사질토의 간극비 측정에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 고분해능 X-ray CT 시스템의 적용에 문제가 되는 빔 하드닝 및 동심원상 화상결함 등에 대한 문제점 지적 및 해결방안을 제시하였다. 또한 X-ray CT를 이용한 간극비 산정을 위한 알고리즘 및 프로그램을 개발하였으며, 이를 이용하여 주문진 표준사의 간극비를 측정 하여 신뢰성을 검토하였다.
- X-ray CT를 이용한 간극비 측정 결과의 신뢰성 검토를 위해 기존 실내시험 방법에 의하여 주문진 표준사의 간극비를 측정하였다. 이를 위해 먼저 주문진 표준사의 기본 물성치를 측정하였으며, 그 결과는 표 4와 같다. 기본 물성치를 식 (1)에 대입하여 간극비를 계산하면, e = 0.
- 지그는 촬영시 시료를 구동축에 고정 및 자립시키는데 필요하다. 지그 재료는 시료의 CT 촬영 영상에 최소한의 영향만을 미치며, 시료의 채취 및 유지를 위해 일정한 강도를 지녀야 한다는 점을 감안하여 아크릴로 선정하였다. 지그 형태와 규격은 시료의 특성을 고려하여 그림 4의 형태로 최종 결정하였으며, 세부적인 제원은 표 2와 같다.
- 지그는 아크릴 두께에 대한 영향과 함수비 유지를 위한 오링의 영향 등을 분석하여 사용 적정성을 평가하였다. 먼저 아크릴 두께에 대한 영향은 지그의 메인틀에 뚜껑을 결합했을 때와 제거했을 때 내부 공기에 대한 그레이 스케일(gray scale)값의 비교를 통해 검토하였다.
대상 데이터
- 장비의 소스 크기와 최대 출력을 감안하여 30mm×35mm 크기로 제작하였으며, 재질은 알루미늄과 구리로 하였다(그림 8). 알루미늄 필터는 두께를 0.3mm 부터 0.1mm 씩 증가하여 1.0mm 까지 총 8개, 구리 필터는 0.1mm부터 0.5mm 까지 총 5개를 제작하였다. 각각의 필터를 소스에 부착하여 증류수에 대한 그레이 스케일을 측정하였으며, CT Number의 ROI(Region Of Interest)를 이용하여 평균값과 표준편차에 대한 변화를 살펴보았다.
- 장비의 소스 크기와 최대 출력을 감안하여 30mm×35mm 크기로 제작하였으며, 재질은 알루미늄과 구리로 하였다(그림 8).
이론/모형
- 시료와 데이터를 처리하기 위한 스캐닝 준비의 영역에서 빔 하드닝에 대한 처리방법은 무시해도 될 정도의 X-ray를 사용하는 방법, X-ray 빔이 물체를 통과하기 전에 필터를 이용하여 미리 제거하는 방법, 촬영 물체와 비슷한 감쇠력을 가진 물체를 이용하여 쐐기보정 하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 지반 재료의 불균질한 특성을 고려하여 필터를 이용한 보정법을 선택하였다. 필터는 대개 구리, 황동, 알루미늄과 같은 재료의 판상 형태이다.
- 한계값 설정에 따라 결과에 미치는 영향은 매우 크며, Nielsen and Mokwa(2004)는 한계값 설정에 있어서 28의 그레이 스케일을 이용하여 입자를 0에 가까운 백색으로 나타내고 간극을 256에 가까운 흑색으로 표현하여 매질을 분류하였다. 이후 Kobayashi 등 (2009)은 그림 10과 같이 믹셀(mixed pixel)의 개념을 도입하여 순수한 입자 영역, 순수한 간극 영역, 두 가지가 혼재한 믹셀에 대한 표준분포곡선을 이용하여 한계값을 설정하였으며, 본 연구에서는 Kobayashi 등(2009)의 방법을 차용하였다. 그림 10은 두 가지 매질의 히스토그램을 세 가지 영역으로 분리하는 방법을 나타낸 것이며, class 1은 공기의 영역, class 2는 입자의 영역, class 3는믹셀의 영역이 된다.
성능/효과
- (2) X-ray CT 영상에서의 간극의 판정 기준이 되는 한계값 설정을 위하여 이미지 상의 픽셀을 순수한 입자영역, 순수한 간극영역, 두 가지가 혼재한 믹셀 영역으로 구분하였으며, 믹셀 영역에서의 최대 빈도를 나타내는 수치를 한계값으로 설정하여 간극비 측정의 신뢰성을 높였다. 또한 Micro X-ray CT의 기하학적 보정 이외의 영향인자에 대한 오차를 평가하기 위하여 한계값의 정밀도와 오차율을 분석하기 위한 실험을 수행하였으며, 그 결과 오차율은 8.
- (4) 주문진 표준사에 대하여 본 연구에서 제안한 X-ray CT를 이용한 간극비 측정 방법을 통해 간극비를 측정한 결과 e=0.6의 결과를 도출하였다. 이는 기존 실내시험 방법에 의해 측정된 0.
- (5) 본 연구를 통해 개발된 간극비 산정 기법은 통일분류법 기준으로 0.05mm 이상의 입자 크기를 가지는 조립토를 대상으로 개발되었으며, 이론적으로는 Micro X-ray CT 장비의 최소 분해능(5㎛) 이상의 입자 크기를 가진 흙만을 대상으로 적용할 수 있다. 따라서 향후 점토 등과 같은 최소 분해능 크기 이하의 입자를 가지는 흙의 간극비 측정을 위한 별도의 알고리즘이 개발되어야 하며, 또한 조립토와 세립토가 혼합된 흙의 간극비 측정 기법에 대한 연구가 수행되어야 한다.
- 실험 결과 각각의 평균은 큰 차이가 없으며, 빔 하드닝에 대한 영향 평가의 지표로 활용될 표준편차는 필터의 종류와 두께에 따라 그림 9와 같은 분포를 보인다. 결과적으로 가장 낮은 표준편차를 보이는 0.6mm 두께의 알루미늄 필터가 최적인 것으로 확인되었다.
- (2) X-ray CT 영상에서의 간극의 판정 기준이 되는 한계값 설정을 위하여 이미지 상의 픽셀을 순수한 입자영역, 순수한 간극영역, 두 가지가 혼재한 믹셀 영역으로 구분하였으며, 믹셀 영역에서의 최대 빈도를 나타내는 수치를 한계값으로 설정하여 간극비 측정의 신뢰성을 높였다. 또한 Micro X-ray CT의 기하학적 보정 이외의 영향인자에 대한 오차를 평가하기 위하여 한계값의 정밀도와 오차율을 분석하기 위한 실험을 수행하였으며, 그 결과 오차율은 8.3% 로 확인되었다.
- 6이 된다. 이 값은 기존의 일반적인 실내시험 방법에 의해 계산된 0.62와 거의 일치하는 결과를 보이며, 이는 X-ray CT를 이용한 사질토의 간극비 산정 방법이 상당한 신뢰성을 가진다는 것을 의미한다.
- 6의 결과를 도출하였다. 이는 기존 실내시험 방법에 의해 측정된 0.62와 거의 일치하며, 따라서 X-ray CT를 이용한 간극비 측정 방법의 신뢰성은 매우 높은 것으로 확인되었다.
- 장비의 기하학적 오차 측정 결과는 표 3과 같다. 측정 결과에 의하면, 촬영의 기준이 되는 수직선과 수평선이 다소 틀어져 있었다. 또한 디텍터가 0.
후속연구
- 05mm 이상의 입자 크기를 가지는 조립토를 대상으로 개발되었으며, 이론적으로는 Micro X-ray CT 장비의 최소 분해능(5㎛) 이상의 입자 크기를 가진 흙만을 대상으로 적용할 수 있다. 따라서 향후 점토 등과 같은 최소 분해능 크기 이하의 입자를 가지는 흙의 간극비 측정을 위한 별도의 알고리즘이 개발되어야 하며, 또한 조립토와 세립토가 혼합된 흙의 간극비 측정 기법에 대한 연구가 수행되어야 한다. 나아가 지반분야에서의 Micro X-ray CT 장비의 활용 분야 확장을 위한 다양한 시도와 연구가 필요하다.
- 본 연구에서 사용한 X-ray CT의 최소 분해능은 5㎛ 이기 때문에, 상기 알고리즘을 이용한 간극비 측정의 적용범위는 이론적으로 최소 분해능 이상의 입자 크기를 가지는 흙에 한정되며, 점토 등과 같은 최소 분해능 크기 이하의 입자 크기를 가지는 흙에 대해서는 별도의 간극비 산정 알고리즘이 필요하다.
- , 2009). 향후 이를 위한 별도의 산정 방법에 대한 연구 개발도 필요한 부분으로 판단된다.
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