[논문]배전 선로의 열화 진단을 위한 복합 카메라 보정기법

정하형; 박진하; 유준

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0219

배전 선로의 열화 진단을 위한 복합 카메라 보정기법
A Composite Camera Calibration Technique for Thermal Deterioration Diagnosis of Power Distribution Line 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.6, 2016년, pp.463 - 469

정하형 (충남대학교 전자공학과) , 박진하 (충남대학교 전자공학과) , 유준 (충남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a composite camera calibration method to determine thermal degradation of power distribution equipment by combining an infrared (IR) camera and a color camera. A calibration jig was first constructed to match the properties of the two cameras. Our calibration and visualization techniques allow for the display of two images, one from the color camera and the other from the IR camera with different field of views (FOVs), on the screen at the same time. To confirm its validity, several case studies have been developed to analyze thermal deterioration limits of indoor and outdoor power distribution facilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 점검 방식은 육안에 의존하기 때문에 점검 소요 시간이 과다하게 소요되고 높은 위험성을 갖는 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 실영상과 열영상을 보정한 복합 영상을 사용하여 배전 설비의 점검을 시도한다.
본 논문에서는 배전 선로의 열화 진단을 위한 복합 카메라 보정 방법을 제안했다. 특성이 서로 다른 색상 카메라와 열상 카메라에서 동시에 인식이 가능한 보정용 지그를 제작했고, 이를 이용하여 카메라의 내부변수외 외부행렬을 추정하였다.
본 논문에서는 특성이 서로 다른 열상 카메라와 색상 카메라를 조합할 때 발생하는 정합 문제를 보정한다. 두 카메라는 스테레오 카메라 시스템과 유사하게 위 아래로 배치하여 스테레오 보정 방식의 특성상 두 카메라가 동시에 기준이 되는 체스보드를 촬영한 영상을 가지고 정합을 시도한다.

제안 방법

가공 배전설비를 진단할 때 열영상 및 광학장비를 사용하여 발열여부나 외관상 방전흔적 및 균열 여부 등을 확인한다. 이러한 점검 방식은 육안에 의존하기 때문에 점검 소요 시간이 과다하게 소요되고 높은 위험성을 갖는 경우가 많다.
보정용 지그는 4x4 cm의 정사각형 모양을 4cm 간격의 5x6 배열 형태로 겉 판넬에 격자 형태로 구멍을 뚫었으며 그 뒷부분에 열전도성이 좋은 알루미늄으로 뒷 판넬을 끼워 넣을 수 있는 구조로 설계한다. 그림 1에서처럼 실온상태의 전면 흰색 플라스틱 판넬과 냉각한 검은색 알루미늄 뒷 판넬을 겹쳐놓고 두 판넬의 온도차와 색상차를 이용하여 이종 카메라간에 하나의 정합용 체스보드를 사용하여 특징점을 뚜렷하게 구분할 수 있도록 한다. 그림 2는 위 개념을 적용하여 제작한 복합 카메라 보정용 지그이다.
이루어지고 있다. 깊이 카메라와 일반 카메라를 보정하여 3차원 지도를 작성하고 이를 이동로봇의 SLAM에 활용하고 있으몌3], Zalud는 군용 로봇의 비전 시스템을 위해서 열상 카메라와 깊이 카메라 그리고 색상 카메라의 조합을 시도하였다[4].
조합할 때 발생하는 정합 문제를 보정한다. 두 카메라는 스테레오 카메라 시스템과 유사하게 위 아래로 배치하여 스테레오 보정 방식의 특성상 두 카메라가 동시에 기준이 되는 체스보드를 촬영한 영상을 가지고 정합을 시도한다. 이때 종래의 프린트된 종이형태의 체스보드 보정 툴로는 열영상에서 체스 무늬를 검출할 수 없기 때문에 열상 카메라와 색상 카메라에서 동시에 관찰 가능한 보정용 지그를 개발하였으며, 이 지그를 이용하여 이종의 두 카메라를 보정한다.
두 카메라의 정렬된 보정용 지그 특징점 집합을 이용하여 스테레오 카메라 보정을 수행하여 두 카메라의 내부변수와 외부변수를 추정한다. 다음 식 (4)와 (5)는 색상 카메라와 열상 카메라 각각의 추정된 내부변수이다.
짧은 시간에 넓은 면적을 진단할 수 있다. 또한 이 방법은 대상물의 적외선(IR) 에너지, 즉 열을 측정하여 이를 영상신호로 전환해 표면 온도분포를 검출하고 해석함으로써 결함 검출을 수행한다.
이때 종래의 프린트된 종이형태의 체스보드 보정 툴로는 열영상에서 체스 무늬를 검출할 수 없기 때문에 열상 카메라와 색상 카메라에서 동시에 관찰 가능한 보정용 지그를 개발하였으며, 이 지그를 이용하여 이종의 두 카메라를 보정한다. 실영상위에 열 분포를 표현함으로서 열화 진단을 위한 복합 카메라를 제작하고, 실제 장비와 설비를 촬영하여 실험을 진행한다.
위와 같은 3상 온도 비교법을 토대로 표 2처럼 온도 비교법 알고리즘을 정립했다. 측정하고자 흐}는 배전 설비의 지점을 6점을 설정하고, 6점의 온도 평균을 구하여 개별장비의 온도차를 비교하여 주의, 요주의, 즉시점검으로 사용자에게 알려주도록 한다.
대상물체의 온도분포가 다르게 나타났다. 이 실험 영상의 측정 대상물은 전신주에 부착된 배전 선로이기 때문에 열 영상에서 하늘에 해당하는 영역을 제거하여 복합 영상을 정합했다. 여기서 전신주에 부속된 장비들의 온도분포가 균일하게 분포하고 있기 때문에 이 장비들은 열화 고장이 없음으로 판단한다.
두 카메라는 스테레오 카메라 시스템과 유사하게 위 아래로 배치하여 스테레오 보정 방식의 특성상 두 카메라가 동시에 기준이 되는 체스보드를 촬영한 영상을 가지고 정합을 시도한다. 이때 종래의 프린트된 종이형태의 체스보드 보정 툴로는 열영상에서 체스 무늬를 검출할 수 없기 때문에 열상 카메라와 색상 카메라에서 동시에 관찰 가능한 보정용 지그를 개발하였으며, 이 지그를 이용하여 이종의 두 카메라를 보정한다. 실영상위에 열 분포를 표현함으로서 열화 진단을 위한 복합 카메라를 제작하고, 실제 장비와 설비를 촬영하여 실험을 진행한다.
이 배전 선로의 장비 내부 부품의 고장 및 전기 사용량의 급격한 증가로 인한 접속 부분의 절연 열화가 발생하여 화재 및 정전 사고가 발생하곤 한다. 이러한 설비의 원활한 운용과 신뢰성 확보가 중요하며 사고 발생 이전에 열화 정도를 진단하기 위해본 논문에서는 대상물에 손상을 가하지 않고 결함 유무를 파악하는 비파괴 진단 방식중 하나인 열영상(열상) 카메라를 사용한다. 열상 카메라는 기존 방식에 비해 현장에서 사용하기 용이하며, 이상 여부를 신속하게 발견할 수 있기 때문에 여러 산업 분야에서 사용되고 있다[1, 2].
따라서 기존의 프린트된 체스보드 보정지그의 열영상에서는 무늬를 인식할 수 없기 때문에 사용할 수 없으며, 이종의 두 카메라에서 동시에 인식할 수 있는 보정용 지그의 제작이 필요하다. 이를 위해서 보정용 체스보드를 응용하여 두 개의 이종 카메라에서 동시에 체스무늬를 검출하는 정합용 지그를 제작했다. 보정용 지그는 4x4 cm의 정사각형 모양을 4cm 간격의 5x6 배열 형태로 겉 판넬에 격자 형태로 구멍을 뚫었으며 그 뒷부분에 열전도성이 좋은 알루미늄으로 뒷 판넬을 끼워 넣을 수 있는 구조로 설계한다.
특성이 서로 다른 색상 카메라와 열상 카메라에서 동시에 인식이 가능한 보정용 지그를 제작했고, 이를 이용하여 카메라의 내부변수외 외부행렬을 추정하였다. 추정된 카메라 변수를 이용하여 이종 카메라의 정합을 수행하고, 실영상 위에 온도분포를 표현한 복합 영상을 생성하며, 카메라 보정의 실효성을 보이기 위해 배전 설비에 적용하여 사용자로 하여금 열화 정도의 파악할 수 있도록 복합영상으로 시각화하여 보여준다.
웹캠은 640x480 해상도를 그리고 AX5 열상 카메라는 이더넷 통신방식을 사용하며 336x256 해상도로 60 FPS의 속도를 제공한다. 카메라 보정과정을 통한 이종 영상 정합을 위하여 상하로 두 개의 카메라를 고정시켜 일치된 시점을 갖도록 기구를 구성하였으며, 두 카메라를 이용하여 제작한 복합 카메라는 그림 8과 같다.
보정 방법을 제안했다. 특성이 서로 다른 색상 카메라와 열상 카메라에서 동시에 인식이 가능한 보정용 지그를 제작했고, 이를 이용하여 카메라의 내부변수외 외부행렬을 추정하였다. 추정된 카메라 변수를 이용하여 이종 카메라의 정합을 수행하고, 실영상 위에 온도분포를 표현한 복합 영상을 생성하며, 카메라 보정의 실효성을 보이기 위해 배전 설비에 적용하여 사용자로 하여금 열화 정도의 파악할 수 있도록 복합영상으로 시각화하여 보여준다.

대상 데이터

경부선 호남선 분기 지점 KTX 전원공급 구분개소의 그림 13과 같은 단권변압기와 변전소내 저압 변압기를 촬영하여 실험했다. 그림 14와 15에서 좌측 상단은 열 영상 이며 좌측 하단은 실영상이고, 우측은 두 영상을 정합하여 실영상 위에 온도분포를 표현한 복합영상이다.
실험에 사용된 복합카메라의 색상 카메라는 Microsoft 사의 웹캠과 열상 카메라로는 Flir사의 AX5를 사용한다. 웹캠은 640x480 해상도를 그리고 AX5 열상 카메라는 이더넷 통신방식을 사용하며 336x256 해상도로 60 FPS의 속도를 제공한다.

이론/모형

5. Resultant image by the Harris comer algorithm.

후속연구

추후 연구로는 영상처리를 통하여 특정 장비를 구별하여 열화 고장유무를 분석하는 연구를 진행하고자 한다.

참고문헌 (13)

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S. Vidas, M. Peyman, and B. Michael, "3D thermal mapping of building interiors using an RGB-D and thermal camera," IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 2311-2318, May 2013.
L. Zalud, "Fusion of thermal imaging and CCD camera-based data for stereovision visual telepresence," IEEE International Symposium on Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR), pp. 1-6, Oct. 2013.
Z. Zhang, "A flexible new technique for camera calibration," IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intellegence, vol. 22, no. 11, pp. 1330-1334, 2000.

상세보기
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S. Lee, Y. Jeon, and S. Kim, "Analyzing refractory bricks of ladles using infrared images," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean),vol. 21, no. 4, pp. 291-300, 2015.

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J. Choi, C. Chung, and Y. Choi, "A defect detection of thin welded plate using an ultrasonic infrared imaging," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 13, no. 11, 2007.
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B. Yu, "A study on the safety diagnosis for electric power systems using thermal imaging analysis," Journal of the Korean Society of Safety (in Korean), vol. 26, no. 2, pp. 26-31, 2011.
J. Park and J. Lee, "Precise detection of coplanar checkerboard corner points for stereo camera calibration using a single frame," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 7, pp. 602-608, 2015.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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