[논문]증강현실 기반의 프리캐스트 교각의 사전시공 시뮬레이션 및 시공성 정밀도 관리방안

박성준; 당고손; 윤도선; 론 소칸야; 심창수

doi:10.13161/kibim.2018.8.1.015

증강현실 기반의 프리캐스트 교각의 사전시공 시뮬레이션 및 시공성 정밀도 관리방안
Pre-construction Simulation of Precast Bridge Piers and Quality Management using Augmented Reality 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.8 no.1, 2018년, pp.15 - 23

박성준 (중앙대학교 토목공학과) , 당고손 (중앙대학교 토목공학과) , 윤도선 (중앙대학교 건설환경공학과) , 론 소칸야 (중앙대학교 토목공학과) , 심창수 (중앙대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Geometry control of precast members is the most important technology for modular construction. In this paper, image-based modeling and rendering (IBMR) technology was adopted for 3D modeling of precast elements. It is necessary to use match-casting method for precast post-tensioned column assembly. Preassembly using 3D models created by image processing can minimize construction error. Augmented reality devices are used to check the geometry of the segment. Laboratory-scale tests were performed. The proposed process has been applied to the real precast bridge pier segments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구는 조립식 교각의 시공시 발생할 수 있는 사항에 대해서 증강현실 및 가상현실 기반에 접근법을 활용하여 사전에 평가하여 대비할 수 있는 프로세스에 대해서 제시하고 검증하였다.
이 논문에서는 조립식 교각의 사전제작 현장에서 최우선 제약사항인 주요 공정에 대한 영향을 최소화 할 수 있고 조립식 부재 각각의 시공 정밀도를 평가 가능하도록 Figure 2에 표현된 프로세스에 대해서 제시하고 검증하였다. 콘크리트 구조물을 대상으로 2차원 이미지로부터 3차원 모델을 구축하는 과정에서 정밀도와 관계된 변수인 배경조건에 대해서 실험실 규모의 시험이 진행되고 이 변수에 대해서 주요관리 포인트의 오차 정도에 대해 서 평가하고 분석하였다. 실물 교각 규모의 조립식 교각 세그먼트에 대해서 사전에 시공 가능 여부 및 정밀도에 대해 상세하게 평가하고 추후 검측 및 유지관리를 위한 증강현실 기반의 정보 모델을 제시하였다.

제안 방법

Figure 15 (a)는 3차원 프린터를 활용하여 1개 세그먼트를 축소 출력한 결과물로 이 결과물 위에 Pix4D를 활용한 모델을 투영시켰다. 증강현실 기반의 시뮬레이션을 활용하기 위하여 다중마커 기법을 선택하였으며 투영된 모델에 대해서 출력물 간의 오차를 가시적으로 확인할 수 있어 검측에 효율성을 제공할 수 있다.
Figure 13는 전체적인 오차를 고려할 경우 확인할 사항들에 대한 예시를 나타냈다. 교각의 경우 Figure 13 (a)에 표현된 교좌장치 위치의 시공 정밀도에 대한 평가가 필요하고 개별 세그먼트의 오차는 초과할 수 있지만 전체 오차에서 상쇄시킬 방안을 제시하였다. Figure 13 (b)는 조립식 교각의 구조 거동은 축방향 강재에 지배적인 거동을 보이며 축방향 강재를 시공하기 위한 쉬스관의 누적오차를 확인한 사항이다.
1) 이미지 기반의 3차원 모델을 획득하는 과정에서 콘크리트 색상과 배경색 사이의 차이로 인하여 발생하는 오차에 대해서 평가하였으며 이를 세그먼트 공장에서 배경색상으로 추천할 수 있다.
2) 조립식 교각의 시공시 단일 세그먼트가 가지는 오차를 판별하기 위하여 2가지 방안을 적용하여 평가하였으며 개별적인 오차에 대해서 평가로 이루어진 현행 평가를 넘어서 누적 오차에 대한 판단이 필요함을 제시하고 이를 검증하고 이 절차를 수행 할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다.
3) 완공 후 검측 및 유지관리 단계에서 기존에 구축된 모델을 활용하여 필요한 정보를 동시에 제공할 수 있는 증강현실 기술의 예시를 제시하였다.
Figureure 6과 같이 Φ100mm×100mm의 원형 공시체에 대해 Pix4D 프로그램을 활용하여 추출한 점군 데이터를 2가지 방법에 의해서 평가하였다.
배경색으로 총 8개 색상에 대해서 분석하였으며 노란색, 초록색과 회색은 콘크리트 구조물을 대상으로 3차원 모델을 생성 할 경우 배경색으로 적합하지 않았다. Table 3은 개별 색상별로 1~3축 방향 오차에 대해서 정리하였고 Figure 11은 모델 생성에 가장 용이한 색상을 Table 3에 표현된 수치에 근거하여 가시적으로 판단하도록 오차율로 표현하였다.
콘크리트 구조물을 대상으로 2차원 이미지로부터 3차원 모델을 구축하는 과정에서 정밀도와 관계된 변수인 배경조건에 대해서 실험실 규모의 시험이 진행되고 이 변수에 대해서 주요관리 포인트의 오차 정도에 대해 서 평가하고 분석하였다. 실물 교각 규모의 조립식 교각 세그먼트에 대해서 사전에 시공 가능 여부 및 정밀도에 대해 상세하게 평가하고 추후 검측 및 유지관리를 위한 증강현실 기반의 정보 모델을 제시하였다.
임의의 점 또는 주요관리 포인트에 대한 X, Y 좌표에 대해서 고정하고 상하면의 Z값을 추출한다. 쌍을 이루는 상하면의 Z 값 사이의 거리를 누적한 합계 값을 비교하였다. Table 4는 공시체 2기에 대해서 개별적으로 1~3축 방향의 오차에 대해서 정리하였으며, 상부 공시체와 하부 공시체는 각각 평균 길이오차 0.
기존 연구에서 문화재 및 다양한 구조물에 대해 적용한 이미지 스캐닝 기법은 특징의 개체수가 적은 콘크리트 부재에 대해서 디지털 트윈 모델을 구현하는 정밀도를 만족시킬 수 없었다. 이 논문에서는 조립식 교각의 사전제작 현장에서 최우선 제약사항인 주요 공정에 대한 영향을 최소화 할 수 있고 조립식 부재 각각의 시공 정밀도를 평가 가능하도록 Figure 2에 표현된 프로세스에 대해서 제시하고 검증하였다. 콘크리트 구조물을 대상으로 2차원 이미지로부터 3차원 모델을 구축하는 과정에서 정밀도와 관계된 변수인 배경조건에 대해서 실험실 규모의 시험이 진행되고 이 변수에 대해서 주요관리 포인트의 오차 정도에 대해 서 평가하고 분석하였다.
Canny의 외곽선 추출 이론은 2차원 이미지 내 개별 Pixel이 가지는 RGB 값에 따라서 상대차가 비교적 명확히 나타나는 부분을 외곽선으로 인식하는 이론이다. 이 이론의 적용을 위해서 2차원 이미지의 명암 값을 증폭시켰으며 이 후 도출된 사진을 캐니의 외곽선 도출 이론을 적용하여 2차원 모델을 추출하고 Figure 1에서 제시된 주요관리 포인트에 대해서 평가하였다.
프리캐스트 부재의 경우 접합면에 각별한 시공관리가 필요하며 조립식 교각의 접합면이 균질하지 않게 정합될 경우 일부분에 긴장력이 집중될 수 있으며, 이로 인하여 콘크리트 외곽부가 탈락하는 현상이 발생할 수 있다. 이를 모사하기 위하여 축소된 크기의 공시체 2기를 접합되도록 제작하였으며 이에 대해 평가하였다. 정합성은 Figure 12에 표현된 개념에 의해서 평가되었다.
정밀도와 시간효율을 만족할 수 있는 조건을 도출하기 위하여 Table 1의 입력 수량에 대 한 변수실험이 선행되었다. 충분한 정밀도를 제공할 수 있는 값을 도출한 후 종속 변인으로 변경하여 진행하였다. 2차원 이미지 기반의 3차원 모델 프로세싱 기법은 대상 2차원 이미지 내에서 최소 단위인 Pixel이 가지는 RGB 값의 상대 차이로 특징점, 외곽 선 및 굴곡 등을 추출하고 표현한다.
촬영된 사진은 렌즈의 외곽부 굴곡으로 인해 발생하는 왜곡을 완화하기 위하여 촬영된 사진의 10% 부분을 Figure 4와 같이 제거하였다. 획득한 다중 시점의 2차원 이미지를 상용화 프로그램인 Pix4D를 활용하여 3차원 점군 데이터로 변환하였다.

대상 데이터

콘크리트 부재의 축소모형 시험은 Figure 3에 표현된 조건에 의해서 진행되었다. 촬영에 DSLR D750 카메라를 활용하였으며 이 카메라는 2,432만 유효화소수의 성능을 보유하고 있다. 촬영된 사진은 렌즈의 외곽부 굴곡으로 인해 발생하는 왜곡을 완화하기 위하여 촬영된 사진의 10% 부분을 Figure 4와 같이 제거하였다.
입력하는 사진 수량에 따라 변동하는 3차원 모델의 정밀도에 대해서 Figure 10과 같은 수렴성이 나타날 때까지 진행하였다. 해당 공시체의 경우 최소 100장의 사진을 입력할 필요성을 확인되었고 이 논문에서는 평균 3mm 이내 오차를 가지는 200장을 기준으로 수행하였다.

성능/효과

2차원 이미지 기반의 3차원 모델 프로세싱 기법은 대상 2차원 이미지 내에서 최소 단위인 Pixel이 가지는 RGB 값의 상대 차이로 특징점, 외곽 선 및 굴곡 등을 추출하고 표현한다. RGB 값은 0~255로 구성되며 콘크리트 RGB 값은 평균 90~140 정도에 분포함을 확인하였다. 콘크리트의 평균 색상은 Figure 5에 나타나듯 회색의 색상을 가지며 보색 또한 회색과 유사한 색상을 나타낸다.
Table 3은 개별 색상별로 1~3축 방향 오차에 대해서 정리하였고 Figure 11은 모델 생성에 가장 용이한 색상을 Table 3에 표현된 수치에 근거하여 가시적으로 판단하도록 오차율로 표현하였다. 가장 적합한 색상은 검은색, 빨간색과 하늘색으로 판단되었으며, 하늘색의 경우 실외 촬영시 이미지상에 포함된 색상이고 배경색상을 검은색과 빨간 색을 활용하면 대상 물체의 정밀한 3차원 모델을 획득하는데 유리함을 확인하였다. 해당 색상이 가지는 RGB 값에 관해 확인하면 R 값과 G 값에 대한 차이가 콘크리트의 물체를 3차원 모델로 변환하는 과정에 유리하였으며 이 시험결과에서는 B 값의 차이에 따라서는 명확한 차이를 보이지 않았다.
Figure 15 (a)는 3차원 프린터를 활용하여 1개 세그먼트를 축소 출력한 결과물로 이 결과물 위에 Pix4D를 활용한 모델을 투영시켰다. 증강현실 기반의 시뮬레이션을 활용하기 위하여 다중마커 기법을 선택하였으며 투영된 모델에 대해서 출력물 간의 오차를 가시적으로 확인할 수 있어 검측에 효율성을 제공할 수 있다. 실제 구조물의 경우 검측을 수행하는 작업자가 직접 마커를 인식하여 전체적인 문제점을 확인할 수 있어 검측의 효율성을 상승시킬 수 있다.
가장 적합한 색상은 검은색, 빨간색과 하늘색으로 판단되었으며, 하늘색의 경우 실외 촬영시 이미지상에 포함된 색상이고 배경색상을 검은색과 빨간 색을 활용하면 대상 물체의 정밀한 3차원 모델을 획득하는데 유리함을 확인하였다. 해당 색상이 가지는 RGB 값에 관해 확인하면 R 값과 G 값에 대한 차이가 콘크리트의 물체를 3차원 모델로 변환하는 과정에 유리하였으며 이 시험결과에서는 B 값의 차이에 따라서는 명확한 차이를 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 스캐닝 기술의 한계점은?	2016). 레이저 스캐너의 활용은 스캐닝에 소모되는 시간 활용성과 고가의 장비가 적용되므로 경제성에 대한 한계점이 존재한다(Soontranon, N. et al).
	SfM은 무엇인가?	, 2004). Structure from Motion(SfM)은 2차원 이미지의 다중 시점으로부터 3차원 모델을 구축하는데 사용되는 기술이다(Olsson et al., 2011; Wu et al.
	하부구조에 프리캐스트 부재를 적용하기 힘든 이유는?	상부구조에 적용되는 프리캐스트 부재의 경우 세그먼트 사이의 접합면과 하중의 가력방향이 수평방향으로 존재하며, 해당 접합면에 시공 오차를 감쇠 할 수 있는 모르타르 층을 타설할 수 있다. 반면에 하부구조에 적용되는 프리캐스트 부재의 경우 접합면과 가력방향이 수직방향으로 존재하며 해당 접합면에 모르타르 층을 형성할 수 있지만 모르타르 층의 강도에 대한 신뢰성과 접합면의 정합성을 확보하기에 각별한 시공관리가 필요하므로 적용이 용이하지 않다. 이와 더불어 해당 접합면이 비균질하게 정합될 경우 일부분에 긴장력이 집중될 수 있으며, 이로 인하여 콘크리트 외곽부가 탈락하는 현상이 발생할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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