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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 하나의 카메라를 이용하여 카메라의 위치에 상관없이 정확하게 1축 변위를 측정할 수 있는 영상 기반 변위 계측 시스템을 제안하였다. 이를 위하여 Lee and Shinozuka가 제안한 식 (1) 대신에, 평면간의 1:1 대응 관계를 표현하는 평면 호모그래피 기법을 활용하였다.
- 본 연구에서는 카메라의 위치에 상관없이 정확하게 변위를 측정할 수 있는 영상 기반 변위 계측 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 PC와 프레임그래버, 카메라, 그리고 네 개의 점이 찍힌 측정판으로 구성된다.
제안 방법
- 제안 시스템의 검증을 위하여 2층 전단빌딩 모형을 이용한 실내 실험을 수행하였다. 가진된 전단빌딩 모형에 측정판을 부착하고 카메라의 수평, 수직각도를 변화해가며 측정판의 움직임을 영상으로 획득, 평면 호모그래피 기법과 기존의 영상기반 변위 추정 기법으로 분석하여 구조물의 변위를 얻었다. 레이저 변위계로 계측한 기준 변위와 비교하였을 때, 카메라와 측정판 사이의 수평, 수직 각도가 증가함에 따라 기존 기법은 큰 오차를 유발하는 반면 제안 기법은 각도 60도에서도 6.
- 성능 검증을 위하여 소형 구조물을 이용한 실내실험을 수행하였다. 구조물에 측정판을 부착하고 이를 가진한 뒤, 측정판의 변위를 다양한 각도에 위치한 카메라로 촬영하여 변위를 얻어내었다. 얻어낸 변위는 레이저 변위계로 얻은 변위, 기존 방법으로 얻은 변위와 비교하여 성능을 평가하였다.
- 구조물의 상단에 수평방향으로 충격하중을 가하고 측정판이 자유진동하는 영상을 카메라를 통해 습득한 뒤 평면 호모그래피 기법을 이용하여 변위를 계산하였다. 각도에 따른 개선을 검증하기 위해 동일한 영상에 기존의 영상 기반 변위기법 (Lee and Shinozuka, 2006)을 적용하여 변위를 계산하였다.
- 개발된 시스템은 PC와 프레임그래버, 카메라, 그리고 네 개의 점이 찍힌 측정판으로 구성된다. 두 평면간의 1:1 대응 관계를 표현하는 평면 호모그래피 기법을 활용하여, 영상 속 측정판의 네 점과 실제 측정판 상의 네 점들의 대응관계를 표현하는 호모그래피 행렬을 계산하고, 영상 속에서 변화하는 점들의 좌표에 그 역행렬을 곱함으로써 실제의 변위로 변환하였다.
- 본 논문에서 제안한 평면 호모그래피를 이용한 영상기반 변위측정 기법의 성능 평가를 위해 실내 실험을 수행하였다. Fig.
- , 2000; Szeliski, 2011). 성능 검증을 위하여 소형 구조물을 이용한 실내실험을 수행하였다. 구조물에 측정판을 부착하고 이를 가진한 뒤, 측정판의 변위를 다양한 각도에 위치한 카메라로 촬영하여 변위를 얻어내었다.
- 구조물에 측정판을 부착하고 이를 가진한 뒤, 측정판의 변위를 다양한 각도에 위치한 카메라로 촬영하여 변위를 얻어내었다. 얻어낸 변위는 레이저 변위계로 얻은 변위, 기존 방법으로 얻은 변위와 비교하여 성능을 평가하였다.
- 각도에 따른 개선을 검증하기 위해 동일한 영상에 기존의 영상 기반 변위기법 (Lee and Shinozuka, 2006)을 적용하여 변위를 계산하였다. 영상 기반으로 계산한 두 가지 변위와 레이저 변위계로 계측한 변위를 비교하였다.
- 측정판 측면에는 40μm의 해상도로 변위의 정밀한 측정이 가능한 레이저 변위계 (OPTEX FA CD4-350)를 설치하여, 기준이 되는 변위를 측정하였다.
- 구조물의 계측 위치에 네 점이 찍힌 측정판을 부착하고, 측정판의 동적 영상을 잘 고정된 카메라를 통하여 획득한다. 프레임 그래버를 이용해 노트북으로 이 영상 데이터를 전송한 뒤, 이를 해석하여 변위를 얻어낸다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 카메라의 위치에 상관없이 정확하게 변위를 측정할 수 있는 영상 기반 변위 계측 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 PC와 프레임그래버, 카메라, 그리고 네 개의 점이 찍힌 측정판으로 구성된다. 두 평면간의 1:1 대응 관계를 표현하는 평면 호모그래피 기법을 활용하여, 영상 속 측정판의 네 점과 실제 측정판 상의 네 점들의 대응관계를 표현하는 호모그래피 행렬을 계산하고, 영상 속에서 변화하는 점들의 좌표에 그 역행렬을 곱함으로써 실제의 변위로 변환하였다.
- 4와 같이 카메라와 프레임 그래버 (frame grabber), PC (노트북)와 측정판으로 구성된다. 구조물의 계측 위치에 네 점이 찍힌 측정판을 부착하고, 측정판의 동적 영상을 잘 고정된 카메라를 통하여 획득한다. 프레임 그래버를 이용해 노트북으로 이 영상 데이터를 전송한 뒤, 이를 해석하여 변위를 얻어낸다.
- 본 연구에서 사용한 영상 기반 변위 계측 시스템은 Fig. 4와 같이 카메라와 프레임 그래버 (frame grabber), PC (노트북)와 측정판으로 구성된다. 구조물의 계측 위치에 네 점이 찍힌 측정판을 부착하고, 측정판의 동적 영상을 잘 고정된 카메라를 통하여 획득한다.
- 본 연구에서 쓰인 측정판은 Fig. 1에 보이는 4개의 점이 있는 측정판을 그대로 이용하였다. 측정판이 변형되지 않는다고 가정할 경우, 측정판의 움직임은 실제 구조물의 움직임으로 가정할 수 있다.
이론/모형
- 구조물의 상단에 수평방향으로 충격하중을 가하고 측정판이 자유진동하는 영상을 카메라를 통해 습득한 뒤 평면 호모그래피 기법을 이용하여 변위를 계산하였다. 각도에 따른 개선을 검증하기 위해 동일한 영상에 기존의 영상 기반 변위기법 (Lee and Shinozuka, 2006)을 적용하여 변위를 계산하였다. 영상 기반으로 계산한 두 가지 변위와 레이저 변위계로 계측한 변위를 비교하였다.
- 따라서 본 연구에서는 하나의 카메라를 이용하여 카메라의 위치에 상관없이 정확하게 1축 변위를 측정할 수 있는 영상 기반 변위 계측 시스템을 제안하였다. 이를 위하여 Lee and Shinozuka가 제안한 식 (1) 대신에, 평면간의 1:1 대응 관계를 표현하는 평면 호모그래피 기법을 활용하였다. 평면 호모그래피는 영상에서 얻어진 측정판의 좌표를 단순한 변환 행렬을 통하여 실제 측정판 자체의 좌표로 변환시키는 기법이다 (Simon et al.
- 제안 시스템의 검증을 위하여 2층 전단빌딩 모형을 이용한 실내 실험을 수행하였다. 가진된 전단빌딩 모형에 측정판을 부착하고 카메라의 수평, 수직각도를 변화해가며 측정판의 움직임을 영상으로 획득, 평면 호모그래피 기법과 기존의 영상기반 변위 추정 기법으로 분석하여 구조물의 변위를 얻었다.
성능/효과
- 즉 카메라가 측정판을 비스듬히 보는 상황에서도 영상과 측정판 사이에 정확한 변환이 가능하다. 따라서 본 연구에서 제안하는 시스템은 카메라를 원하는 곳 어디든 설치를 할 수 있으며, 이를 통해 얻은 변위의 정확도도 더욱 향상된다.
- 가진된 전단빌딩 모형에 측정판을 부착하고 카메라의 수평, 수직각도를 변화해가며 측정판의 움직임을 영상으로 획득, 평면 호모그래피 기법과 기존의 영상기반 변위 추정 기법으로 분석하여 구조물의 변위를 얻었다. 레이저 변위계로 계측한 기준 변위와 비교하였을 때, 카메라와 측정판 사이의 수평, 수직 각도가 증가함에 따라 기존 기법은 큰 오차를 유발하는 반면 제안 기법은 각도 60도에서도 6.56% 미만의 오차로 정확하게 변위를 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 영상 기반으로 얻은 변위 모두 각도가 작을 때는 기준 변위와 거의 유사한 값을 보이지만, 카메라의 각도가 점점 커짐에 기존 방법은 큰 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다. 반면 제안한 시스템은 각도가 무관하게 기준 변위와 거의 유사한 값을 보임을 쉽게 확인할 수 있다.
- 특히 토목 및 건축 구조물과 같은 대형 구조물의 경우, 계측을 원하는 위치에 측정판을 부착한 뒤 장소의 제한이 없이 최적의 위치에 카메라를 설치하고 저렴한 비용으로 정확하게 변위를 측정할 수 있다. 본 시스템은 1축 변위의 측정이 가능하므로, 교량 및 건축물의 슬라브의 처짐, 또는 건축물의 횡 방향 거동의 계측에 활용할 경우, 매우 효과적이라 판단된다.
- 7은 영상를 통해 얻어진 두 종류의 변위와 레이저 변위계로 얻은 기준 변위를 비교한 그래프이다. 영상 기반으로 얻은 변위 모두 각도가 작을 때는 기준 변위와 거의 유사한 값을 보이지만, 카메라의 각도가 점점 커짐에 기존 방법은 큰 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다. 반면 제안한 시스템은 각도가 무관하게 기준 변위와 거의 유사한 값을 보임을 쉽게 확인할 수 있다.
- 56%로 매우 작은 오차를 꾸준히 나타낸다. 이 결과는 본 연구에서 제안한 시스템이 카메라가 60도의 상당한 각도로 측정판을 응시하더라도 실제의 변위값을 잘 측정할 수 있음을 보이는 것이다. 참고로 60도의 수직, 수평각도에서 다른 경우와 비교하여 오차가 크게 나타난 것은 Fig.
후속연구
- 본 연구에서 개발한 시스템은 소형 구조물뿐만 아니라 대형 구조물의 변위계측에 충분히 활용할 수 있을 것이다. 특히 토목 및 건축 구조물과 같은 대형 구조물의 경우, 계측을 원하는 위치에 측정판을 부착한 뒤 장소의 제한이 없이 최적의 위치에 카메라를 설치하고 저렴한 비용으로 정확하게 변위를 측정할 수 있다.
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