최근 캠코더와 같은 영상 장비의 고성능화 및 대중화, 그리고 화상 처리(image procession) 기술의 발달 등으로 인하여 영상 기반의 구조물 동적변위 계측에 관한 연구가 활발하며, 이러한 연구개발의 결과로 관련 시스템의 사용성 및 정확도가 많이 개선되고 있다. 그러나 이러한 영상 기반 시스템의 경우 장비 측면에서 볼 때 영상 장비 자체의 진동에 의한 오차, 화상 처리 과정에서의 오차 등을 개선할 필요가 있으며, 또한 적용 측면에서 볼 때 교량의 수직 처짐이나 건축구조물의 수평변위 계측에 제한되어 있어 부유체의 파랑응답과 같은 3차원 운동을 하는 구조물에 대한 확장이 필요한 시점이다. 이 연구에서는 이러한 영상 기반 동적변위 계측방법을 3차원 문제에 적용하기 위하여 다중 표적(multiple target)을 사용한 방법을 제시하고, 또한 화상 처리 과정에서의 정량적 판단 기준을 제시함으로써 간접적으로 영상 기반 시스템의 계측 정확도를 평가하여, 영상 기반 방법에 의하여 계측된 동적변위 계측결과의 유효성을 판단할 수 있도록 하였다. 제안된 방법을 $50m{\times}30m{\times}5m$ 규모의 대형 부유체에 대한 실해역 파랑 응답 실험에 적용하여, 부유체의 동적변위를 계측하였으며, 그 결과를 기존의 RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System), MRU(Motion Reference Unit) 등의 장비를 이용한 계측결과와 비교함으로써 그 성능을 검증하였다.
최근 캠코더와 같은 영상 장비의 고성능화 및 대중화, 그리고 화상 처리(image procession) 기술의 발달 등으로 인하여 영상 기반의 구조물 동적변위 계측에 관한 연구가 활발하며, 이러한 연구개발의 결과로 관련 시스템의 사용성 및 정확도가 많이 개선되고 있다. 그러나 이러한 영상 기반 시스템의 경우 장비 측면에서 볼 때 영상 장비 자체의 진동에 의한 오차, 화상 처리 과정에서의 오차 등을 개선할 필요가 있으며, 또한 적용 측면에서 볼 때 교량의 수직 처짐이나 건축구조물의 수평변위 계측에 제한되어 있어 부유체의 파랑응답과 같은 3차원 운동을 하는 구조물에 대한 확장이 필요한 시점이다. 이 연구에서는 이러한 영상 기반 동적변위 계측방법을 3차원 문제에 적용하기 위하여 다중 표적(multiple target)을 사용한 방법을 제시하고, 또한 화상 처리 과정에서의 정량적 판단 기준을 제시함으로써 간접적으로 영상 기반 시스템의 계측 정확도를 평가하여, 영상 기반 방법에 의하여 계측된 동적변위 계측결과의 유효성을 판단할 수 있도록 하였다. 제안된 방법을 $50m{\times}30m{\times}5m$ 규모의 대형 부유체에 대한 실해역 파랑 응답 실험에 적용하여, 부유체의 동적변위를 계측하였으며, 그 결과를 기존의 RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System), MRU(Motion Reference Unit) 등의 장비를 이용한 계측결과와 비교함으로써 그 성능을 검증하였다.
Recently, vision-based dynamic deflection measurement techniques have significant interests and are getting more popular owing to development of the high-quality and low-price camcorder and also image processing algorithm. However, there are still several research issues to be improved including the...
Recently, vision-based dynamic deflection measurement techniques have significant interests and are getting more popular owing to development of the high-quality and low-price camcorder and also image processing algorithm. However, there are still several research issues to be improved including the self-vibration of vision device, i.e. camcorder, and the image processing algorithm in device aspect, and also the application area should be extended to measure three dimensional movement of floating structures in application aspect. In this study, vision-based dynamic motion measurement technique using multiple targets is proposed to measure three dimensional dynamic motion of floating structures. And also a new scheme to select threshold value to discriminate the background from the raw image containing targets. The proposed method is applied to measure the dynamic motion of large concrete floating quay in open sea area under several wave conditions, and the results are compared with the measurement results from conventional RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System) and MRU(Motion Reference Unit).
Recently, vision-based dynamic deflection measurement techniques have significant interests and are getting more popular owing to development of the high-quality and low-price camcorder and also image processing algorithm. However, there are still several research issues to be improved including the self-vibration of vision device, i.e. camcorder, and the image processing algorithm in device aspect, and also the application area should be extended to measure three dimensional movement of floating structures in application aspect. In this study, vision-based dynamic motion measurement technique using multiple targets is proposed to measure three dimensional dynamic motion of floating structures. And also a new scheme to select threshold value to discriminate the background from the raw image containing targets. The proposed method is applied to measure the dynamic motion of large concrete floating quay in open sea area under several wave conditions, and the results are compared with the measurement results from conventional RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System) and MRU(Motion Reference Unit).
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문제 정의
또한 계류시스템의 요소인 펜더와 계류삭에 작용하는 하중을 계측하기 위하여 펜더 반력계와 계류삭에 대한 장력계를 설치하였다. 여기서는 영상 기반의 동적변위계측 결과를 기존 MRU5와 RTK-GPS 장비를 이용하여 계측한 결과와 비교하고, 영상 기반 방법의 사용성 및 정확성을 검토하는 것이 목적이므로, 부유체의 응답을 계측하는 것에 관련된 내용에 대해서만 설명하고자 한다.
이 연구에서는 기존의 화상 자체의 특성을 이용하는 방법과 달리, 실제 계측 결과가 얼마나 정확할지를 예측하고 이에 따른 최적 임계값을 결정하기 위하여 변환행렬을 구하는데 사용한 3개의 원 외에 남은 (Np-3)개 원의 계산된 좌표 값과 실제 좌표 값의 차이를 최소화시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 우선, 아래와 같은 (Np-3)개의 원에 대하여 i번째 인식자의 좌표 (#)를 변환행렬(cij,di)과 영상 내에서의 좌표 (<xproj,i(t), yproj,i(t)>T)를 이용하여 구할 수 있다.
따라서 전후운동, 좌우운동, 요잉 등의 경우 RTK-GPS가 더욱 적합하다고 할 수 있으나, 요잉을 RTK-GPS로 계측하기 위해서는 추가적인 GPS 수신기가 필요하기 때문에, 이 연구에서는 MRU를 이용하여 요잉을 계측하였다. 한편 파주파수운동 성분인 수직운동의 경우 주파수 특성으로는 MRU로 계측하는 것이 좋을 수 있으나, MRU의 수직운동에 대한 계측 정밀도가 RTK-GPS보다 낮기 때문에 이 연구에서는 RTK-GPS를 이용하여 수직운동을 계측하고자 하였다.
제안 방법
주파수 특성으로 본다면 RTK-GPS가 저주파수 운동 계측에 적합하고, MRU가 상대적으로 좀 더 높은 주파수 성분의 운동 계측에 유리하다. 따라서 전후운동, 좌우운동, 요잉 등의 경우 RTK-GPS가 더욱 적합하다고 할 수 있으나, 요잉을 RTK-GPS로 계측하기 위해서는 추가적인 GPS 수신기가 필요하기 때문에, 이 연구에서는 MRU를 이용하여 요잉을 계측하였다. 한편 파주파수운동 성분인 수직운동의 경우 주파수 특성으로는 MRU로 계측하는 것이 좋을 수 있으나, MRU의 수직운동에 대한 계측 정밀도가 RTK-GPS보다 낮기 때문에 이 연구에서는 RTK-GPS를 이용하여 수직운동을 계측하고자 하였다.
이 연구를 통하여 (1) 표적을 이용한 영상 기반 계측 시표적과 배경을 구분하는 임계값을 화상 자체 자료가 아닌 변위 계측 시의 계측오차를 이용하여 결정할 수 있도록 개선하였으며, 이를 적용하여 기존의 임계값 결정 방법에 의한 임계값과 비교하였을 때 상대적으로 계측오차가 작음을 확인하였다. 또한 (2) 여러 표적을 동시에 촬영함으로써 구조물의 회전변위를 효과적으로 계측할 수 있는 방법을 제안하였고, 이를 부유체 구조물에 적용하여 그 정확성을 검증하였다. 또한 이러한 연구결과를 바탕으로 영상 기반 동적변위계측 시스템이 기존의 RTK-GPS나 MRU 등을 이용한 부유체 응답 계측보다 경제적이며, 또한 정확성이 높음을 제시하였다.
지난 2008년 12월 삼성중공업(주) 거제조선소 한내부두 해상에서 콘크리트 부유식 안벽시설의 사용성, 안정성 및 안전성 등을 검토하기 위하여 다양한 파조건에 대한 실해역 파랑 응답 실험을 수행한 바 있으며, 이를 위하여 온도, 풍향 등을 계측하기 위한 AWS(Automatic Weathering System), 파고조건을 계측하기 위한 용량식 및 파압식 파고계, 부유체의 응답을 계측하기 위한 영상 기반 장비, 가속도계, MRU5, 그리고 RTKGPS 등을 설치하였다. 또한 계류시스템의 요소인 펜더와 계류삭에 작용하는 하중을 계측하기 위하여 펜더 반력계와 계류삭에 대한 장력계를 설치하였다. 여기서는 영상 기반의 동적변위계측 결과를 기존 MRU5와 RTK-GPS 장비를 이용하여 계측한 결과와 비교하고, 영상 기반 방법의 사용성 및 정확성을 검토하는 것이 목적이므로, 부유체의 응답을 계측하는 것에 관련된 내용에 대해서만 설명하고자 한다.
이 연구에서는 표적과 배경을 구분하는 임계값을 객관적으로 결정할 수 있도록, 우선 변위 계측시의 정확도에 대한 평가 기준으로 변위오차지수(DEI, Deflection Error Index)를 정의하고, 이러한 DEI 값이 최소화시킬 수 있는 임계값결정 방법을 제안하였다. 또한 구조물의 3차원 운동을 계측할 수 있도록 다수의 표적을 구조물에 설치하여 하나의 캠코더로 2개 이상의 표적을 동시에 촬영하는 방법을 제안하였다. 제안방법을 검증하기 위하여 실해역에서 수행된 부유체 구조물의 파랑 응답 계측 실험에 영상 기반 방법과 MRU(Motion Reference Unit), RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System) 등을 적용한 실험을 수행하고, 영상 기반 계측결과를 MRU와 RTK-GPS 장비로부터 구한 동적 변위 계측결과와 비교하여, 제안 방법의 정확성 및 사용성을 검증하였다.
부유식 안벽을 현장에 설치하기 전에 소형 선박 3척을 이용하여 항주파를 생성하고, 이러한 항주파를 입사파로 고려하여 각 설계조건 별 입사파의 통계 특성치를 분석하였다. 이 연구에서는 입사파가 구조물에 직각 입사 하는 경우와 경사 입사 하는 두 가지 경우에 대하여 항주파를 발생시킬 수 있도록 선박의 경로를 결정하였으며, 입사파에 대한 결과분석을 위하여 DW(Directional Waverider)를 사용하였다.
부유식 안벽을 현장에 설치하기 전에 소형 선박 3척을 이용하여 항주파를 생성하고, 이러한 항주파를 입사파로 고려하여 각 설계조건 별 입사파의 통계 특성치를 분석하였다. 이 연구에서는 입사파가 구조물에 직각 입사 하는 경우와 경사 입사 하는 두 가지 경우에 대하여 항주파를 발생시킬 수 있도록 선박의 경로를 결정하였으며, 입사파에 대한 결과분석을 위하여 DW(Directional Waverider)를 사용하였다. 다만 여기서는 모든 입사파 조건에 대한 결과를 제시하기 보다는 직각입사 시의 결과만을 제시하고자 하였고(그림 8참조), 직각 입사 시의 항주파 생성조건과 실제 생성된 입사파의 조건은 다음 표 2와 같다.
06 cm로 제안 방법에 의한 DEI값보다는 크지만 여전히 매우 합리적인 수준의 오차 수준을 가지고 있음을 알 수 있다. 이 연구에서는 제안 방법을 이용하여 결정한 임계값을 이용하여 이후의 영상 기반 동적변위를 계측하는데 사용하였다.
한편, 영상으로부터 표적 상의 원 또는 임의 형상을 구분하여야 하는데, 이를 위하여 서론에서 설명한 바와 같이 특정 임계값을 적용하여 원하는 영상을 얻을 수 있다. 이 연구에서는 표적 상에 Np개(Np≧4)의 원을 표시해 두고, 해당원의 중심(centroid)을 구하는 과정에서 흑백을 구분하여 배경과 구분하게 된다. 이러한 임계값을 자동 계산하기 위하여 전체 영상 내에서의 밝기 정보를 이용하여 통계적으로 처리하여 두 영역 혹은 그 이상의 영역을 구분할 수 있는 값을 구하거나(Otsu 1979), 혹은 배경과 표적 영상의 밝기에 관한 통계치를 이용할 수 있다(Lee 등, 2006a; 2006b).
한편 표적과 배경을 구분하지 않고, 영상 간의 상관관계를 이용하거나(김성완 등, 2009; 2010), 또는 표적의 중심을 구하기 위하여 밝기 정보를 이용하는 방법(권순덕 등, 2002) 등도 적용된 바 있다. 이 연구에서는 표적과 배경을 구분하는 임계값을 객관적으로 결정할 수 있도록, 우선 변위 계측시의 정확도에 대한 평가 기준으로 변위오차지수(DEI, Deflection Error Index)를 정의하고, 이러한 DEI 값이 최소화시킬 수 있는 임계값결정 방법을 제안하였다. 또한 구조물의 3차원 운동을 계측할 수 있도록 다수의 표적을 구조물에 설치하여 하나의 캠코더로 2개 이상의 표적을 동시에 촬영하는 방법을 제안하였다.
한편, 부유체 상부에 설치한 표적1의 경우 가능한 상부중앙에 위치시키는 것이 바람직하나, 해당 위치에는 MRU, RTK-GPS, 데이터 취득 및 처리 장치 등이 설치되어 있고, 또한 이들을 바람 및 비 등으로부터 보호하기 위하여 천막을 설치한 상태로 표적 설치가 어려워, 표적1은 중앙에서 2m 떨어진 지점에 설치하였고, 또 다른 표적2은 사진에서와 같이 15 m 이격된 편측에 설치하였다. 이중 표적1을 이용하여 전후운동(surge)과 상하운동(heave)을 계측하였고, 두 표적 사이의 상대변위를 이용하여 횡동요(rolling) 및 요잉(yawing)의 회전운동을 계측하였다. 캠코더를 2개 운영할 경우 6자유도 운동을 계측할 수 있으나, 이 연구에서는 적용가능성을 검토하기 위하여 캠코더 1개를 이용하여 4자유도 변위만을 계측하였다.
정량적인 분석을 위하여 RMSD(Root Mean of Squared Deviations)값을 변형하여 두 자료의 차이를 분석하였다. 기본적으로 RMSD는 절대적인 값을 나타내므로 상대오차 등을 표현하기에 부적절하며, 따라서 RMSD 값을 다음의 식(12)과 같이 x와 y값의 Norm으로 나누어 주어 상대적인 값을 나타낼 수 있도록 하고, 이를 ReRMSD(Relative RMSD)로 정의하였다.
또한 구조물의 3차원 운동을 계측할 수 있도록 다수의 표적을 구조물에 설치하여 하나의 캠코더로 2개 이상의 표적을 동시에 촬영하는 방법을 제안하였다. 제안방법을 검증하기 위하여 실해역에서 수행된 부유체 구조물의 파랑 응답 계측 실험에 영상 기반 방법과 MRU(Motion Reference Unit), RTK-GPS(Real Time Kinematics-Global Positioning System) 등을 적용한 실험을 수행하고, 영상 기반 계측결과를 MRU와 RTK-GPS 장비로부터 구한 동적 변위 계측결과와 비교하여, 제안 방법의 정확성 및 사용성을 검증하였다.
이중 표적1을 이용하여 전후운동(surge)과 상하운동(heave)을 계측하였고, 두 표적 사이의 상대변위를 이용하여 횡동요(rolling) 및 요잉(yawing)의 회전운동을 계측하였다. 캠코더를 2개 운영할 경우 6자유도 운동을 계측할 수 있으나, 이 연구에서는 적용가능성을 검토하기 위하여 캠코더 1개를 이용하여 4자유도 변위만을 계측하였다.
한편 횡동요와 요잉의 경우, 영상 기반 계측 자료를 MRU에 의한 계측결과와 비교하였다. 기본적으로 자이로 효과를 이용하는 MRU의 경우 회전운동에 대한 계측 정밀도가 매우 우수한 것으로 알려져 있으며, 이 연구에서도 MRU의 계측결과와 영상 기반 계측결과가 매우 잘 일치하는 것으로 분석되었다.
한편, 영상 장비의 자체 진동이 변위 계측에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 캠코더에 가속도계를 추가적으로 설치하여 영상 장비 자체의 동적 특성을 분석하였다. 변위 계측중 영상 장비의 가속도 자료를 이용하여 구한 장비 자체의 고유주파수는 3.
대상 데이터
한편 영상 기반의 부유체 동적 변위 계측을 위하여 그림 6 및 그림 7(a)와 같이 부유체 상에 2개의 표적을 설치하였고, 640×480 해상도로 초당 30프레임을 기록할 수 있는 소형 캠코더는 육상 측의 고정된 위치에 설치하였다.
데이터처리
다음 그림 10, 11, 12는 각각 선박의 속도를 18 km/h, 22 km/h, 24 km/h로 유지하여, 항주파를 생성한 후, 해당되는 파고조건에서의 부유체의 운동을 계측한 결과를 시계열자료와 FFT 분석을 통한 주파수 성분 자료로 정리한 그림이다. 그림에서 상하운동과 전후운동과 같은 병진 운동의 경우 RTK-GPS 결과를 영상 기반 계측 결과와 비교하였으며,횡동요와 요잉과 같은 회전 운동의 경우 MRU 결과를 이용하여 영상 기반 계측 결과와 비교하였다.
이론/모형
한편 수직운동의 경우, 계측 범위와 정확도는 각각 ±50 m와 5 cm로 수 mm~cm 범위 수직운동을 갖는 본 실험에는 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 부유체의 병진 운동에 대한 계측을 위하여 그림 5에서와 같이 비교적 정밀도가 우수한 GPS 시스템인 RTK-GPS를 선정하여 사용하였다. RTK-GPS는 2개의 GPS 시스템으로 구성되며 대상체의 동적응답을 10 Hz까지 샘플링 할 수 있고, 이때 정확도는 ±0.
성능/효과
부유체 상하운동의 경우, 선박의 속도를 18 km/h에서 22 km/h, 24 km/h로 증가시키더라도 전체적인 상하운동 폭은 약 4 cm 내로 매우 제한적인 것으로 분석되었다. 그러나 각 계측 방법의 결과를 좀 더 살펴보면, 영상 기반 계측 결과의 경우 150초~180초 정도의 매우 긴 장주기 성분의 진폭이 4 cm 내외이며, 주기 7초 내의 운동 성분은 매우 작은 것으로 분석되었다. 그러나 RTK-GPS에 의한 상하운동 계측 결과는 그 폭은 유사하지만, 영상 기반 계측결과와는 달리 주기 150~180초 사이의 장주기 성분의 진폭이 아닌 단주기 성분의 진폭이 4 cm 내외로 나타나고 있다.
한편 횡동요와 요잉의 경우, 영상 기반 계측 자료를 MRU에 의한 계측결과와 비교하였다. 기본적으로 자이로 효과를 이용하는 MRU의 경우 회전운동에 대한 계측 정밀도가 매우 우수한 것으로 알려져 있으며, 이 연구에서도 MRU의 계측결과와 영상 기반 계측결과가 매우 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 계측 방식이 전혀 다른 MRU 계측결과와 영상 기반 계측결과가 서로 잘 일치한다는 것은 간접적으로 영상 기반 계측결과가 실제 부유체의 운동을 정확하게 계측하고 있음을 의미하며, 또한 영상 기반 장치의 경우 두개의 표적을 이용하여 그 상대 변위를 이용하여 회전 변위를 분석하고 있기 때문에, 두 개 표적의 병진 운동 역시 정확하게 계측한 것으로 판단할 수 있다.
또한 (2) 여러 표적을 동시에 촬영함으로써 구조물의 회전변위를 효과적으로 계측할 수 있는 방법을 제안하였고, 이를 부유체 구조물에 적용하여 그 정확성을 검증하였다. 또한 이러한 연구결과를 바탕으로 영상 기반 동적변위계측 시스템이 기존의 RTK-GPS나 MRU 등을 이용한 부유체 응답 계측보다 경제적이며, 또한 정확성이 높음을 제시하였다.
이 연구를 통하여 (1) 표적을 이용한 영상 기반 계측 시표적과 배경을 구분하는 임계값을 화상 자체 자료가 아닌 변위 계측 시의 계측오차를 이용하여 결정할 수 있도록 개선하였으며, 이를 적용하여 기존의 임계값 결정 방법에 의한 임계값과 비교하였을 때 상대적으로 계측오차가 작음을 확인하였다. 또한 (2) 여러 표적을 동시에 촬영함으로써 구조물의 회전변위를 효과적으로 계측할 수 있는 방법을 제안하였고, 이를 부유체 구조물에 적용하여 그 정확성을 검증하였다.
한편 수평방향 운동인 전후운동의 경우 선박 속도에 무관하게 상당히 큰 표류(drift) 운동을 하는 것으로 분석되었다. 전후운동의 경우 전체적인 운동의 크기도 수십 cm 이상으로 상대적으로 상하운동에 비하여 클 뿐만 아니라 RTK-GPS의 전후운동에 대한 계측 성능도 상하운동에 비하여 우수하므로, 이 경우에는 영상 기반 계측 결과와 상당히 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 FFT 결과를 통하여 입사파에 의한 파랑응답을 분석할 때 영상 기반 계측 결과와 상당히 큰 차이가 있다.
한 가지 특이한 점은 횡동요나 요잉의 경우 ReRMSD 값이 파조건에 상관없이 유사한 수준의 값을 가지는 데 비하여, 상하운동의 경우 파조건이 커질수록, 즉 부유체의 운동이 커질수록 ReRMSD 값이 크게 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉 선박의 속도가 18 km/h일 경우 ReRMSD 값이 193% 수준이었으나, 선박의 속도를 22 km/h, 24 km/h로 증가시켜 파조건을 크게 할 경우, 이 값이 109.8%, 36.8%로 크게 감소되었다. 이는 곧 RTK-GPS로 계측 가능한 수준의 부유체 운동이 발생하는 경우, 정확한 계측이 가능해 짐을 의미한다고 할 수 있다.
표 3에서는 선박의 운항 설계 속도에 따른 영상 기반 변위 계측결과와 기존 장비 계측결과 사이의 ReRMSD 값을 정리하였다. 표 3을 통하여, 비교적 두 자료의 차이가 크지 않은 횡동요와 요잉에 대하여 MRU 계측결과와 영상 기반 계측결과 사이의 ReRMSD값은 13.5~22.3%의 값을 가지고 있으며, 상하운동과 전후운동의 경우에는 36.8~192.9%의 차이가 있음을 알 수 있다. 한 가지 특이한 점은 횡동요나 요잉의 경우 ReRMSD 값이 파조건에 상관없이 유사한 수준의 값을 가지는 데 비하여, 상하운동의 경우 파조건이 커질수록, 즉 부유체의 운동이 커질수록 ReRMSD 값이 크게 줄어드는 것을 알 수 있다.
007 cm라는 것으로 매우 정밀한 수준임을 의미한다. 한편 Otsu와 Lee 등이 제안한 방법으로 구한 최적임계값은 각각 0.592, 0.554로서 이와 같은 임계값을 적용했을 때의 DEI 값은 약 0.1 cm, 0.06 cm로 제안 방법에 의한 DEI값보다는 크지만 여전히 매우 합리적인 수준의 오차 수준을 가지고 있음을 알 수 있다. 이 연구에서는 제안 방법을 이용하여 결정한 임계값을 이용하여 이후의 영상 기반 동적변위를 계측하는데 사용하였다.
후속연구
현재 부유체의 동적 거동과 같이 접촉식 센서를 적용하기 어려운 경우, 적용 가능한 비접촉식 센서로는 이 연구에서 사용한 바와 같은 RTK-GPS 센서, MRU, 그리고 영상 기반 장비 등이 있으며, 따라서 작업 여건과 필요한 정밀도와 정확도 등을 고려하여 센서를 선정하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 영상 기반 장비의 경우 다른 두 장비에 비하여 매우 경제적인 설치 및 운영이 가능하며, 정확도와 정밀도 역시 매우 뛰어나지만 현재로서는 장기 모니터링이 어렵고, 고정된 설치지점이 필요하여 육상에서 가까운 해상에서의 부유체 거동만을 계측할 수 있는 단점이 있으므로, 향후에는 이러한 문제를 해결할 수 있는 연구가 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량이나 건축 구조물과 같은 사회기반시설물의 유지관리를 위해선 무엇을 모니터링 하는것이 중요한가?
교량이나 건축 구조물과 같은 사회기반시설물의 유지관리 를 위하여, 구조물의 고유주파수와 모드형상, 모드감쇠비 등과 같은 구조물의 동특성을 지속적으로 모니터링 하는 것이 중요하며(김정태 등, 2008), 또한 구조물의 사용성 평가 또는 직관적 안전성 평가를 위해서는 구조물의 변위를 모니터링 하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다(박종웅 등, 2009). 현재 구조물의 변위계측을 위해서는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 또는 링 게이지(Ring Gauge) 등과 같은 접촉식 센서를 사용하거나, LDV(Laser Doppler Vibrometer)과 같은 고가의 레이저 장비(이창복 등, 2004; Nassif 등, 2005), 혹은 GPS(Global Positioning System)와 같은 GPS 위성을 이용한 장비를 이용하여 측정할 수 있다(이호철 등, 2001; Celibi, 2000).
현재 구조물의 변위계측을 위해서 어떠한 센서나 장비를 이용하는가?
교량이나 건축 구조물과 같은 사회기반시설물의 유지관리 를 위하여, 구조물의 고유주파수와 모드형상, 모드감쇠비 등과 같은 구조물의 동특성을 지속적으로 모니터링 하는 것이 중요하며(김정태 등, 2008), 또한 구조물의 사용성 평가 또는 직관적 안전성 평가를 위해서는 구조물의 변위를 모니터링 하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다(박종웅 등, 2009). 현재 구조물의 변위계측을 위해서는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 또는 링 게이지(Ring Gauge) 등과 같은 접촉식 센서를 사용하거나, LDV(Laser Doppler Vibrometer)과 같은 고가의 레이저 장비(이창복 등, 2004; Nassif 등, 2005), 혹은 GPS(Global Positioning System)와 같은 GPS 위성을 이용한 장비를 이용하여 측정할 수 있다(이호철 등, 2001; Celibi, 2000). 그러나 접촉식 센서의 경우 센서 설치를 위한 고정된 기준점을 확보하기 어려운 고교각 교량이나, 강이나 바다를 건너는 해상 교량에 대해서는 적용이 어려우며, LDV의 경우 뛰어난 성능에도 불구하고, 상대적으로 매우 고가의 정밀한 장비로 일반 현장에서의 적용이 어려운 상황이다.
영상 기반의 동적변위 계측과 관련된 연구로 무엇들이 있었는가?
영상 기반의 동적변위 계측과 관련하여 국내외에서 많은 연구가 이루어지고 있으며, 많은 결과가 발표되고 있다. 권순덕 등(2002)은 영상 기반 변위계측과 관련하여 캠코더와 IEEE1394통신을 이용한 영상 기반 교량 동적변위 계측에 관한 연구를 수행한 바 있고, 김기영 등(2005)은 구조물의 저주파 진동을 계측하기 위하여 삼각형 표적을 이용한 영상 기반 방법을 제안한 바 있는데, 이들은 삼각형의 세 꼭짓점을 탐색하여 변위를 계측함으로써 그 이전의 모서리 검출(Edge detection)을 이용한 방법에 비하여 속도를 개선할 수 있었다. 한편, Lee 등(2006a, 2006b)은 ROI(Region of Interest)개념을 도입하여 화상처리 영역을 최소화하고, 또한 표적과 배경 사이를 구분하기 위하여 흑백영상의 밝기 정보에 대한 통계치를 이용하여 임계값(threshold)을 결정할 수 있도록 하였으며, 이로부터 교량의 변위를 실시간으로 계측하기 위한 시스템을 제안한 바 있다. 또한 이들은 제안 기법을 교량내하력 평가에 적용하여, 실제 교량에 대한 내하력 평가 시접촉식 센서보다 영상 기반 센서가 레이저 장비와 더 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 현장실험을 통하여 검증한 바있다(Lee 등, 2007). 한편 김성완 등(2009)은 영상 내 표적의 상관관계를 이용하여 영상의 이동을 추적하고, 구조물의 변위를 계측하는 방법을 제시하였으며, 이 방법을 외팔보의 동적변위 계측 및 진동대 위에 설치된 2층 철골 구조물 내의 여러 지점에서 동적변위 계측에 적용한 바 있다(김성완 등, 2010). 한편 보다 최근에 Park 등(2010)은 분절화 기법(partitioning approach)을 이용하여 고층 건축구조물의 변위를 정확하게 계측할 수 있는 방법을 제안한 바 있고, Choi 등(2011)은 동영상 화소분할방법을 적용하여 구조물의 동적변위를 더욱 정밀하게 계측할 수 있는 방법을 제안한 바 있다. 한편 Ji 등(2008)은 표적을 사용하지 않고 구조물의 동적변위를 계측할 수 있는 방법을 제안하였으나, 이 방법은 상대적으로 형상이 단순하여 모서리 검출이 용이하고, 또한 변위가 상대적으로 큰 케이블의 변위를 계측하는 방법으로 제안되어 적용이 제한적이라 할 수 있다.
참고문헌 (17)
권순덕, 이종운, 도영수, 김정행(2002) 영상처리를 통한 교량 진동 측정. 대한토목학회 정기학술대회논문집, 대한토목학회, pp. 525-528.
김기영, 곽문규(2005) 영상 처리 방법을 이용한 구조물의 큰 변위 저주파 진동 계측. 한국소음진동공학회논문집, 한국소음진동공학회, 제15권 제3호, pp. 329-333.
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Lee, J.J. and Shinozuka, M. (2006a) Real-time displacement of a flexural bridge using digital image processing technique. Experimental Mechanics, Vol. 46, pp. 105-114.
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Nassif, H. H., Gindy, M., and Davis, J. (2005) Comparison of laser Doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration, NDT&E International, Vol. 38, pp. 213-218.
Otsu, N. (1979) A threshold selection method from gray-level histograms, IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. SMC-9, No. 1, January 1979.
Park, J.-W., Lee, J.J., Jung, H.-J., and Myung, H. (2010) Visionbased displacement measurement method for high-rise building structures using partitioning approach, NDT&E International, Vol. 43, pp. 642-647.
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