최근 건축물과 교량 등 사회기반시설물들의 노후화로 인해 변위센서, 가속도센서 등 첨단 기술을 이용한 구조물 안전관리 기법이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 일반적으로 구조물의 안전관리를 위한 구조 건전성 모니터링 기술은 IT와 계측센서 기반으로 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 많은 비용이 소요된다. 본 논문에서는 기존 계측센서 기반의 구조 건전성 모니터링 시스템에 비해 보다 경제적이고 효과적인 방법으로 구조물의 변위와 고유진동수를 추정하여 손상도를 평가하는 영상 기반의 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 논문에서 개발한 시스템은 디지털 카메라와 같은 영상장치를 이용하여 구조물의 영상을 촬영하고, 영상처리를 위해 주로 사용되고 있는 정규상호상관기법인 NCC연산을 통해 변위와 고유 진동수를 분석하고, 구조물의 손상전후의 주파수응답비를 비교분석하여 손상도를 판별하여 문제가 발생 시 관리자에게 경보하는 기능을 지원한다. 본 시스템은 기존의 구조물에 부착하거나 고정해서 사용하는 계측 센서에 비해 설치 및 이동이 간편하고, 시스템이 단순하여 경제적이며 활용성이 높은 장점이 있다.
최근 건축물과 교량 등 사회기반시설물들의 노후화로 인해 변위센서, 가속도센서 등 첨단 기술을 이용한 구조물 안전관리 기법이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 일반적으로 구조물의 안전관리를 위한 구조 건전성 모니터링 기술은 IT와 계측센서 기반으로 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 많은 비용이 소요된다. 본 논문에서는 기존 계측센서 기반의 구조 건전성 모니터링 시스템에 비해 보다 경제적이고 효과적인 방법으로 구조물의 변위와 고유진동수를 추정하여 손상도를 평가하는 영상 기반의 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 논문에서 개발한 시스템은 디지털 카메라와 같은 영상장치를 이용하여 구조물의 영상을 촬영하고, 영상처리를 위해 주로 사용되고 있는 정규상호상관기법인 NCC연산을 통해 변위와 고유 진동수를 분석하고, 구조물의 손상전후의 주파수응답비를 비교분석하여 손상도를 판별하여 문제가 발생 시 관리자에게 경보하는 기능을 지원한다. 본 시스템은 기존의 구조물에 부착하거나 고정해서 사용하는 계측 센서에 비해 설치 및 이동이 간편하고, 시스템이 단순하여 경제적이며 활용성이 높은 장점이 있다.
Recently, structure safety management techniques using cutting-edge technology(Displacement senor, sensor of acceleration) has emerged as an important issue owing to the aging of infrastructure such as bridge and building. In general, the structural monitoring system for structure safety management ...
Recently, structure safety management techniques using cutting-edge technology(Displacement senor, sensor of acceleration) has emerged as an important issue owing to the aging of infrastructure such as bridge and building. In general, the structural monitoring system for structure safety management is based on IT technology and it is expensive to install. In this paper developed an image-based structure dynamic characteristic analysis system prototype to assess the damage of structure in a more cost-effective way than traditional structure health monitoring system. The inspector can take a video of buildings or other structures with digital camera or any other devices that is passible to take video, and then using NCC calculation for image processing technique to get natural frequency. This system is analysis of damage of the structure using a compare between the frequency response ratio and functions when problems are occurs send alarm to administrator. This system is easier to install and remove than previous monitoring sensor in economical way.
Recently, structure safety management techniques using cutting-edge technology(Displacement senor, sensor of acceleration) has emerged as an important issue owing to the aging of infrastructure such as bridge and building. In general, the structural monitoring system for structure safety management is based on IT technology and it is expensive to install. In this paper developed an image-based structure dynamic characteristic analysis system prototype to assess the damage of structure in a more cost-effective way than traditional structure health monitoring system. The inspector can take a video of buildings or other structures with digital camera or any other devices that is passible to take video, and then using NCC calculation for image processing technique to get natural frequency. This system is analysis of damage of the structure using a compare between the frequency response ratio and functions when problems are occurs send alarm to administrator. This system is easier to install and remove than previous monitoring sensor in economical way.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 계측센서에 비해 보다 경제적이고 효과적인 방법으로 영상처리기법을 이용한 구조물동특성 분석 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 센서 기반 시스템보다 경제적이며 간편하게 동특성을 추정할 수 있으며, 기존 영상처리기법을 이용한 구조물 정적, 동적 계측 시스템의 단점을 개선한 영상기반 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 실외 환경에서 제약을 받지 않고 폭넓게 활용할 수 있는 비마커 방식을 사용하였으며, 구조물 안정성평가 알고리즘을 적용하여 취득한 영상자료에서 추출한 동특성을 기반으로 시스템에서 자동으로 손상도를 파악하여 이상 징후 발생 시 현장실무자와 관리자에게 경보 하여 신속하게 대처할 수 있도록 하였다.
나이키스트와 샤논의 표본화 정리이론에 의하면 계측된 신호를 정확하게 처리하기 위해서는 측정된 최대주파수의 2배 이상의 초당 프레임 수가 필요하다[10]. 본 논문에서는 영상처리기법을 이용하기 위한 영상장치의 최소 요구 성능을 확인하기 위해 사회기반시설물 중 구조건전성 모니터링이 중요한 교량과 건축물을 대상으로 고유진동수를 조사하였다.
본 논문에서는 우선적으로 구조물 동특성분석을 위해 필요한 영상장치의 요구 성능을 확인하기 위해 구조 모니터링이 중요한 국내 공용교량과 고층건축물의 진동대역을 조사하여 최소 30의 초당 프레임수가 요구됨을 확인하였다.
본 시스템은 영상장치로부터 관리하고자 하는 구조물의 영상을 촬영하고, 영상처리기법을 이용하여 동특성을 추출하고, 추출한 동특성을 이용하여 구조물 안전성평가를 실시하여 구조물에 중대한 결함이나 이상 징후가 발생하였을 경우 관리자에게 경보하고 신속하게 대처하여 대형 사고를 미연에 방지하는 데 그 목적이 있다. 본 시스템은 [그림 4]와 같이 영상장치, 메인서버 및 동특성 분석 프로그램으로 구성되어 있다.
제안 방법
동특성 분석 프로그램을 이용한 구조물 영상처리 방법은 케이블로 연결된 영상장치를 통해 실시간으로 처리하거나, 외부에서 미리 촬영한 영상 자료를 불러와서 동특성을 분석할 수 있다. 동특성 분석 시 불필요한 주파수대역을 제거하기 위해 주파수 필터링 기능을 추가하였으며, 표적이미지 및 관심영역 설정을 편리하게 할 수 있도록 [그림 5]의 (1)에서와 같이 불러온 동영상을 화면에 표시하여 마우스를 이용해 사과박스모양으로 영역을 선택하도록 하였고, 또한 필요한 구간의 데이터만 취득하여 저장할 수 있도록 하여 효율적인DB관리가 가능하도록 하였다.
동특성 분석 프로그램은 영상처리기법을 이용하여 구조물의 변위와 진동수를 추정하는 동특성 분석 모듈, 주파수 응답비 보증지수기법을 이용하여 구조물의 손상을 판별하는 구조물 안정성 평가 모듈 및 손상 발생 시 경보메시지를 발송하는 손상 경보 발생 모듈로 구성되어 있다. 동특성 분석프로그램은 기본적으로 Windows 64bit 운영환경에서 작동하도록 설계하였으며 사용자가 간편하게 조작할 수 있도록 GUI환경으로 구현하였고, [그림 5]는 동특성 분석 프로그램의 기본 화면을 나타낸다. 동특성 분석 프로그램을 이용한 구조물 영상처리 방법은 케이블로 연결된 영상장치를 통해 실시간으로 처리하거나, 외부에서 미리 촬영한 영상 자료를 불러와서 동특성을 분석할 수 있다.
메인서버는 데이터를 더욱 효율적으로 관리하기 위해 세분화 하였으며, 영상장치로부터 촬영된 영상자료를 관리하는 영상 스토리지 서버, 이용자 관리를 위해 정보를 저장하고 권한을 설정하는 이용자 인증 서버, 구조물의 동특성과 손상정보를 관리하기 위한 동특성 DB서버와 원격의 관리자에게 경보를 발송하고 정보를 송수신하기 위한 미들웨어 서버로 구성하였다. 마지막으로 동특성 분석 프로그램은 영상장치로부터 수집한 영상자료를 처리하여 변위와 고유진동수를 분석하고 구조물의 손상을 평가하여 이상징후 발생 시 시스템에 등록된 관리자에게 경보를 발생하는 기능을 수행한다.
구조물 영상자료 획득을 위한 영상장치는 디지털카메라나 캠코더 등을 활용할 수 있다. 메인서버는 데이터를 더욱 효율적으로 관리하기 위해 세분화 하였으며, 영상장치로부터 촬영된 영상자료를 관리하는 영상 스토리지 서버, 이용자 관리를 위해 정보를 저장하고 권한을 설정하는 이용자 인증 서버, 구조물의 동특성과 손상정보를 관리하기 위한 동특성 DB서버와 원격의 관리자에게 경보를 발송하고 정보를 송수신하기 위한 미들웨어 서버로 구성하였다. 마지막으로 동특성 분석 프로그램은 영상장치로부터 수집한 영상자료를 처리하여 변위와 고유진동수를 분석하고 구조물의 손상을 평가하여 이상징후 발생 시 시스템에 등록된 관리자에게 경보를 발생하는 기능을 수행한다.
본 논문에서는 센서 기반 시스템보다 경제적이며 간편하게 동특성을 추정할 수 있으며, 기존 영상처리기법을 이용한 구조물 정적, 동적 계측 시스템의 단점을 개선한 영상기반 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 실외 환경에서 제약을 받지 않고 폭넓게 활용할 수 있는 비마커 방식을 사용하였으며, 구조물 안정성평가 알고리즘을 적용하여 취득한 영상자료에서 추출한 동특성을 기반으로 시스템에서 자동으로 손상도를 파악하여 이상 징후 발생 시 현장실무자와 관리자에게 경보 하여 신속하게 대처할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 논문에서 개발한 영상기반 구조물 동특성 분석 시스템은 장대교량과 같이 구조건전성 모니터링 시스템을 통해 관리되지 않는 중소규모의 교량관리에 초점을 두고 있으며, 다양한 교량형식에 폭넓게 적용할 수 있도록 콘크리트교, 강박스교, PSC교 등을 조사대상으로 선정하였다[11]. 건축물의 경우에는 풍진동에 취약하여, 풍하중으로 인한 안정성과 사용성에 대한 유지관리가 중요한 고층 건물을 조사대상으로 선정하였다. 국내의 고층 건물들은 교량과 달리 구조물 건전성 모니터링 시스템이 대부분 구축되지 못한 실정이기 때문에 주기적인 진동계측을 통한 관리가 필요하다.
일반적으로 서해대교, 인천대교 등과 같은 일정규모이상의 교량의 경우 구조건전성 모니터링 시스템의 구축이 의무화 되고 있으며, 부식센서, 변형률센서, 가속도센서, 온도센서, 풍향센서 등 수많은 계측 센서들을 설치하여 체계적으로 관리하고 있다[11]. 본 논문에서 개발한 영상기반 구조물 동특성 분석 시스템은 장대교량과 같이 구조건전성 모니터링 시스템을 통해 관리되지 않는 중소규모의 교량관리에 초점을 두고 있으며, 다양한 교량형식에 폭넓게 적용할 수 있도록 콘크리트교, 강박스교, PSC교 등을 조사대상으로 선정하였다[11]. 건축물의 경우에는 풍진동에 취약하여, 풍하중으로 인한 안정성과 사용성에 대한 유지관리가 중요한 고층 건물을 조사대상으로 선정하였다.
이론/모형
OpenCV를 이용한 영상처리 알고리즘을 PC에서 사용하기 위한 프로그램으로 구현하기 위해서는 개발도구가 필요하며 본 논문에서는 Visual Studio 2013을 사용하였다. Visual Studio는 마이크로소프트사에서 개발한 IDE로서 C, C++, C#, 비주얼 베이직 등 다양한 프로그래밍 언어와 안정적인 개발 환경을 제공한다.
따라서 본 논문에서는 영상처리 기법으로 정규상호상관을 사용하였다. 정규상호상관을 사용한 영상처리방법은 시간에 따라 변화하는 물체의 움직임 추적을 위한 변형 전후의 영상을 매칭 할 경우 단위 픽셀을 사용하지 않고 관심영역인 ROI(Region of Interest)를 설정하고, 설정한 관심영역의 픽셀 집합을 사용하여 계산한다.
이러한 정규상호상관연산 속도를 개선하기 위한 방법으로는 Box-Filtering 방식과 Sum-Table을 활용한 방법이 있으며, Box-Filtering방식은 이미지의 연산결과를 재사용할 수 없거나 순차적으로 이동하지 않을 경우 연산속도의 개선을 기대할 수 없다[19]. 반면 Lewis[8]가 제시한 Sum-Table방식은 이미지의 크기와 위치에 상관없이 연산속도를 향상 시킬 수 있으며, 본 논문에서는 정규상호상관의 연산속도 향상을 위한 방법으로 Lewis의 Sum-table 계산식을 적용하였다.
본 논문에서는 영상으로부터 동특성을 분석하여, 구조물의 전역적인 손상여부를 판별하기 위한 방법으로 최근 국내에서 김정태 등에 의해 제안된 주파수 응답비보증지수(FRRAC ; Frequency Response Ratio Assurance Criterion)기법을 사용하였다[22]. 주파수 응답비보증 지수기법은 구조물의 손상전후의 주파수 응답비를 비교 분석하여 손상유무를 판단하는 기법이다.
본 시스템에 적용된 영상처리 알고리즘은 인텔사에서 개발한 공개용 컴퓨터 비전 C 라이브러리인 OpenCV-2.4.9 버전을 사용하였다. OpenCV는 윈도우, 리눅스 및 맥 OS X 등 다양한 플랫폼에서 사용할 수 있으며.
성능/효과
마지막으로 동특성 분석 프로그램을 통해 분석한 구조물의 동특성은 [그림 5]의 (3)과 같이 한눈에 파악할 수 있도록 구성하였으며, 횡 방향(X)과 수직 방향(Y)의 변위와 고유진동수를 동시에 확인 가능하다. 또한 선택기능에서 입력한 저주파와 고주파 필터링 구간과 1차모드의 고유진동수를 빨간색 막대바로 나타나도록 하였고, 식(2)와 (3)을 이용하여 관리자가 정한 기준치 이하로 떨어지면 시스템에 등록된 현장, 사무실 및 외부안전 관리자에게 경보메시지를 발동하게 된다.
본 시스템에 적용된 영상처리기법은 실외환경에서 폭넓게 활용이 가능한 비마커 방식과 탬플릿 매칭에 효과적인 정규상호상관방법을 사용하였으며, 연산속도가 느린 단점을 개선하기 위해 Sum-Table 기법을 적용하였고, 기존 방식에 비해 약 1/8 수준으로 영상처리에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
또한 기존의 영상처리를 이용한 구조물 동특성 분석방법은 단순한 측정기술로서, 구조물의 손상 상태를 판단하기 위해 전문가에 의한 분석 단계가 필요해 현장에서 제대로 된 손상 평가를 할 수 없는 단점이 있었다. 본 시스템은 이러한 부분을 보완하기 위하여 구조물의 손상전 후의 주파수 응답비를 이용하여 구조물의 손상도를 추정하는 주파수 응답비보증지수와 관리도 분석기술을 활용한 구조물 안전성 평가 알고리즘을 적용하여 현장에서 바로 구조물의 손상평가를 수행할 수 있는 장점이 있다.
후속연구
이처럼 본 논문에서 개발한 영상기반의 구조물 동특성 분석 시스템은 기존의 구조물에 부착하거나 고정해서 사용하는 계측 센서에 비해 설치 및 이동이 간편하고, 현장에서 바로 구조물의 손상도를 평가할 수 있으며 시스템이 단순하여 향후 구조물 안전관리에 폭넓게 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영상처리기법은 무엇인가?
이에 반해 영상처리기법은 휴대성이 좋은 디지털카메라와 같은 영상장비로 촬영한 영상을 사용하여 구조물의 변위 및 고유진동수를 계측하는 방식으로, 추가적인 부속장비나 케이블 배선이 필요하지 않아 다중 위치의 측정을 비교적 짧은 시간에 수행할 수 있다. 따라서 부가적인 장비 설치 및 복잡한 현장실험을 동반해야하는 기존 센서에 의한 방식보다 인력과 시간을 줄일수 있어 구조물의 동특성 분석을 위한 측점 당 소요비용을 줄일 수 있다.
레이저의 도플러 효과 방식의 단점은 무엇인가?
현재 국내외에서 구조물의 동특성을 계측하기 위해서 변위센서 및 가속도센서와 같은 접촉식센서를 주로사용하고 있으며 보다 정밀한 계측을 위해서는 레이저의 도플러 효과 및 GPS방식을 주로 사용하고 있다.[2] 그러나 레이저의 도플러 효과 방식은 정확도가 높으나 매우 고가의 장비로 많은 구조물에 적용하기에는 현실적 제약이 따르며, GPS방식은 수직 처짐에 대한 계측정밀도가 낮은 단점이 있다. [2][3] 또한 변위센서나 접촉식 가속도센서는 구조물과 일체화시키기 위해 접근성의 용이함이 필요하며 정확히 고정하기 어려워 이로 인한 계측 값의 오차발생 여부, 케이블 등의 부가적인장비의 추가 설치 및 측정지점마다 매번 이동하여 반복적인 설치 작업이 필요해 번거로운 단점이 있다.
적용범위에 제약이 따르는 것 이외에, 마커를 부착하여 마커의 움직임을 추적하는 방식의 한계점은 무엇인가?
또한 객체 인식방법으로는 마커를 부착하여 마커의 움직임을 추적하는 방식을 적용하고 있으며, 이러한 방식은 표적의 탐지를 쉽게 할 수 있는 장점이 있지만 측정하고자 하는 모든 부위에 마커를 부착해야하는 문제로 인해 적용범위에 제약이 따른다. 더불어 장애물로 인해 마커의 일부분이 가려지면 표적 탐지가 어렵고, 바람이나 비 등에 의해 마커에 손상이 발생하면 재사용이 불가능해 실내 환경에서 주로 사용된다[9]. 비마커 방식은 이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 기술로 주로 물체의 점, 선, 에지 등과 같은 특징정보들
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