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문제 정의
- 이 연구에서는 저가의 산업용 CCD 카메라를 사용하여 측정해상도를 향상시키기 위한 방법으로 이미지 모자익 기법(8)을 적용한 방법을 제안한다. 제안된 방법을 검증하기 위해 초고속카메라와 일반 산업용 CCD 카메라를 이용한 비교실험을 통해 제안 방법의 성능을 살펴본다.
- 이미지 모자익 기법은 한 번에 촬영할 수 없는 큰 배경이나 사물을 부분적으로 촬영한 후 이들을 조합하여 전체 배경이나 사물을 합성하는 기술이다. 본 연구에서는 이미지 모자익 기법을 이용함으로써 진동변위 측정해상도를 향상시키고자 한다.
- 이 연구에서는 저가의 산업용 CCD 카메라를 이용한 진동변위 측정 시 측정 해상도를 향상시키기 위한 방법을 제안하였다. 카메라를 이용한 정확한 진동변위 측정을 위해서는 고해상도의 영상 촬영과 정확한 픽셀사이즈 결정 과정이 매우 중요하다.
제안 방법
- 을 적용한 방법을 제안한다. 제안된 방법을 검증하기 위해 초고속카메라와 일반 산업용 CCD 카메라를 이용한 비교실험을 통해 제안 방법의 성능을 살펴본다.
- 이 연구에서는 Fig. 3과 같이 픽셀사이즈 결정과정에서 고 배율 렌즈를 이용하여 구조물의 지름방향으로 여러 개의 부분영상을 취득하고 이미지 모자익 기법을 사용하여 하나의 완성된 전체 영상으로 만들어 픽셀의 사이즈를 결정한 후 같은 촬영 조건에서 진동변위 측정과정을 수행한다.
- 이미지 모자익 기법의 적용 및 고해상도 이미지 취득을 위해 고 배율 렌즈를 사용하여 구조물 양쪽 에지의 수직방향으로 카메라를 이동시켜가며 여러 장의 부분이미지를 취득한다. t번째 이미지와 t+1번째 이미지를 NCC(normalized cross correlation) 방법을 이용하여 두 이미지가 매칭되는 위치를 검색한다.
- 현장 적용 가능성을 확인하기 위해 비 주기 진동 신호에 대한 실험을 수행하였다. Fig.
- 4 mm의 원통형 구조물을 측정 대상체로 하였으며 외부 충격을 이용하여 가진 시켰다. 일반 산업용 CCD 카메라와 제안 방법을 적용하여 실험하였다.
- 픽셀 사이즈가 측정오차에 미치는 영향을 확인하기 위하여 산업용 CCD 카메라와 18~108 mm 줌렌즈를 이용하여 픽셀사이즈를 증가시켜가며 제안된 방법을 적용한 총 9개의 픽셀사이즈별 10초간 진동변위 신호를 취득하였다.
대상 데이터
- 픽셀사이즈와 측정오차와의 관계 및 제안방법의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 5의 고해상도 초고속 카메라와 Fig. 6의 저가 산업용 CCD 카메라를 이용하여 실험하였다. 지름 38.
- 6의 저가 산업용 CCD 카메라를 이용하여 실험하였다. 지름 38.2 mm의 원통형 구조물을 측정 대상체로 하였으며 가진기를 사용하여 10 Hz의 정현파로 가진하였다.
- 제안된 영상처리 방법은 Visual Studio C++을 사용하여 개발되었으며 S/W를 구동하고 분석하기 위한 노트북 컴퓨터를 사용하여 실험함으로써 제안된 방법의 성능을 평가하였다. 측정 오차를 평가하기 위하여 가속도센서 데이터를 동시에 취득하였으며 센서가 설치된 같은 위치의 영상을 취득하여 실험에 사용하였다.
- 초고속 카메라 이미지는 200프레임에 1600×1200 해상도로 취득되었다.
- 카메라는 198프레임에 640×480 해상도로 영상데이터를 취득하였다.
- 초고속 카메라를 이용한 실험은 측정 대상체로부터 1.5 m 거리에서 200 mm 고 배율 렌즈를 사용하여 측정하였다. 초고속 카메라 이미지는 200프레임에 1600×1200 해상도로 취득되었다.
- 일반 CCD 카메라를 이용한 실험은 측정 대상체로부터 1 m 거리에 카메라를 설치하고 90 mm 고 배율 렌즈와 35 mm렌즈를 사용하여 제안방법과 기존방법에 각각 사용할 영상데이터를 취득하였다. 카메라는 198프레임에 640×480 해상도로 영상데이터를 취득하였다.
- 현장 적용 가능성을 확인하기 위해 비 주기 진동 신호에 대한 실험을 수행하였다. Fig. 17과 같이 지름 64.4 mm의 원통형 구조물을 측정 대상체로 하였으며 외부 충격을 이용하여 가진 시켰다. 일반 산업용 CCD 카메라와 제안 방법을 적용하여 실험하였다.
데이터처리
- 제안된 영상처리 방법은 Visual Studio C++을 사용하여 개발되었으며 S/W를 구동하고 분석하기 위한 노트북 컴퓨터를 사용하여 실험함으로써 제안된 방법의 성능을 평가하였다. 측정 오차를 평가하기 위하여 가속도센서 데이터를 동시에 취득하였으며 센서가 설치된 같은 위치의 영상을 취득하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 이미지 모자익 기법의 적용 및 고해상도 이미지 취득을 위해 고 배율 렌즈를 사용하여 구조물 양쪽 에지의 수직방향으로 카메라를 이동시켜가며 여러 장의 부분이미지를 취득한다. t번째 이미지와 t+1번째 이미지를 NCC(normalized cross correlation) 방법을 이용하여 두 이미지가 매칭되는 위치를 검색한다. NCC 방법은 다음과 같다.
성능/효과
- 제안 방법을 사용하면 구조물의 지름사이즈 전체를 하나의 영상에 포함하지 않아도 픽셀의 사이즈를 결정할 수 있기 때문에 고 배율 렌즈를 사용함으로써 픽셀사이즈를 최소화할 수 있으며 측정해상도를 향상시킬 수 있게 된다.
- 7은 각 픽셀사이즈별 측정오차의 크기를 나타낸 것으로 측정오차 값은 취득된 샘플데이터의 RMS값과 가속도센서 신호의 RMS값 사이의 차이를 나타낸 것이다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 픽셀 사이즈가 증가 할수록 측정 오차의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있으며, 카메라를 이용한 진동변위 측정 방법에서 측정오차를 최소화하기 위해서는 고해상도 영상을 취득할 필요가 있음을 확인하였다.
- 가속도센서 신호의 RMS는 0.22779 mm이고 초고속카메라를 이용한 방법의 RMS는 0.22521 mm로 나타났다. 두 신호 사이의 RMS차이는 0.
- 22521 mm로 나타났다. 두 신호 사이의 RMS차이는 0.00258 mm로 가속도센서 신호를 기준으로 볼 때 약 1.13 %의 오차율을 보였다.
- 24932 mm로 나타났다. 두 신호 사이의 RMS차이는 0.01427 mm로 가속도센서 신호를 기준으로 볼 때 약 6.07 %의 오차율을 보였다.
- 14는 제안방법을 적용한 이미지로 카메라를 수직방향으로 이동시켜가며 부분이미지를 취득한 후고정된 상태에서의 취득이미지이다. 카메라를 이동 시키면서 취득한 여러 장의 부분 이미지데이터를 모자익 기법을 이용하여 하나의 합성이미지로 만들었으며, 이때 결정된 단위 픽셀 사이즈는 앞선 기존방법에 비해 약 3.8배 작아진 0.07028 mm/pixel로 나타났다.
- 15는 가속도센서 및 제안 방법을 통해 취득한 3초간 진동변위 측정데이터를 비교한 그래프이다. 가속도센서 신호의 RMS는 0.23488 mm로 나타났으며 제안방법을 통해 취득된 신호의 RMS는 0.23627 mm로 나타났다. 두 신호 사이의 RMS차이는 0.
- 초고속카메라 및 CCD 카메라를 이용한 기존방법과의 비교결과, 제안방법을 이용함으로써 고해상도 이미지를 취득함과 동시에 픽셀사이즈를 정확히 측정할 수 있었으며, 이에 측정오차를 크게 줄일 수 있음을 확인하였다.
- 34 %의 오차율을 보였다. 실험을 통해 비주기적인 구조물 진동변위 측정에서도 제안된 방법을 사용함 으로써 큰 구조물에서도 높은 측정해상도로 측정이 가능함을 확인하였다.
- 또한, 낮은 해상도로 인해 비교적 큰 지름을 갖는 구조물의 진동 측정에서는 측정해상도가 떨어질 수 밖에 없는 문제점을 가지고 있었다. 이 연구에서는 고 배율 광학 렌즈와 모자익 기법을 이용한 픽셀사이즈 결정방법을 사용 함으로써 큰 구조물의 진동변위 측정에서도 높은 측정해상도를 보일 수 있었으며, 실험을 통하여 제안된 방법을 검증하였다. 다만, 표면이 깨끗하고 매끄러운 구조물인 경우에는 제안된 모자익 기법을 사용하기에 어려움이 있었다.
후속연구
- 대부분의 산업현장 구조물은 표면의 긁힘 및 이물질 등이 있어 제안 방법의 적용이 가능할 것으로 판단되며, 특히 센서설치가 어려운 구조물의 진동변위 측정에 활용 가능할 것으로 기대된다.
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