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문제 정의
- Kinect v2 센서를 사용해 유체의 동적 거동 계측 시스템을 구축하고 유체의 자유표면 정보 데이터 수집 시 안정적인 샘플링속도(30Hz)로 측정할 수 있는지 확인하기 위해 수행하였다. 정량적인 Kienct v2 센서 데이터와의 비교를 위해 비디오센싱을 통한 측면 계측을 수행하였으며 본 연구에서 비디오센싱의 계측값을 기준치(reference)로 설정하였다.
- 유체를 사용한 구조물 제어분야 등의 선행 연구를 기반으로 구조물의 동적 거동을 측정 및 제어하고, 굳지 않은 콘크리트등과 같은 유체의 유동성을 제어하는 연구가 활발히 진행 중이다. 구조물의 기초부에 지진에 의한 진동을 흡수하는 면진시스템과 더불어 풍하중에 의한 상시진동을 제어할 수 있는 동조액체감쇠기(tuned liquid damper)가 대표적이며(Lee et al.,2012; Kim et al., 2015) 이러한 제어시스템은 유체를 사용해 구조적 안정성을 확보하고자 한다.
- 9(a)보다 작지만 유체의 거동 속도가 더 빨라 RMS 오차가 크게 나타난 것을 확인하였다. 본 실험으로 서로 다른 진폭과 다양한 주파수 범위에서 유체의 연속적인 변화에 대한 Kinect v2센서의 유체의 다점 동적 거동 계측성능 및 정확성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 Kim 등(2018)의 최근 연구를 발전시켜 유체의 자유표면의 동적 거동 측정을 위한 RGB-depth Kinect v2 센서의 적용성을 확인하였다. Kinect v2 센서의 성능 검토 및 실효성 확인, 3D 공간상에서의 유체의 자유표면 정보를 취득하였으며, 기존의 비디오 센싱 기법과 비교하여 본 연구에서 제시한 유체의 동적 거동 계측 시스템의 정확성 및 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- 8은 변조주파 신호 가진 시 Kinect v2와 비디오 센싱데이터의 4점에서 거동하는 유체의 데이터를 각각 추출하여 비교한 그래프이다. 140초 동안 두 데이터의 4점에서 2번의 큰 출렁임이 발생하였으며 전체적인 유체 거동의 트렌드가 같음을 확인한 후 첫 번째 측정 지점 데이터를 확대하여 비교하였다.
- Kinect v2 센서를 사용한 유체의 단일점 및 다점 거동 측정성능 검증을 바탕으로 유체의 자유표면을 연속적으로 획득하는 시스템을 구축하였다. 비디오 센싱을 통해 얻은 2차원 이미지와 Kinect v2 센서의 SDK(software development kit)를 사용해 취득한 표면정보를 바탕으로 Kinect v2 센서로 취득한 유체의 자유표면 정보를 3차원으로 재구성하였다.
- Kinect v2 센서의 유체의 단일점 측정 성능의 우수성을 토대로 Fig. 6과 같이 유체의 실시간 다점 거동 측정 실험을 진행하였다. 유체의 높이는 25mm로 실험에 사용한 신호는 10mm 진폭의 sine파(0.
- Kinect v2 센서의 측정 가능한 주파수 영역 및 진폭을 확인하기 위해 유체의 높이는 각각 10mm, 25mm, 40mm로 변화시켜 측정하였으며 식 (1)을 통해 얻은 유체의 높이별 고유진동수 이론값과 실험값을 비교하였다.
- Kinectv2 센서를 사용해 300×200×200mm 크기의 두께 10mm실험실 수준의 소형수조에 담긴 적색 염료를 혼합한 유체를 1m 거리에서 측정하였다(Fig. 3).
- 비디오 센싱을 통해 얻은 2차원 이미지와 Kinect v2 센서의 SDK(software development kit)를 사용해 취득한 표면정보를 바탕으로 Kinect v2 센서로 취득한 유체의 자유표면 정보를 3차원으로 재구성하였다. 비디오 센싱을 통해 얻은 25mm 유체의 시간별 1차모드 이미지는 이미지프로세싱의 가변 이진화(locally adaptive thresholding)변환을 통해 Fig. 10과 같이 2차원 이미지로 변환하였다.
- Kinect v2 센서를 사용한 유체의 단일점 및 다점 거동 측정성능 검증을 바탕으로 유체의 자유표면을 연속적으로 획득하는 시스템을 구축하였다. 비디오 센싱을 통해 얻은 2차원 이미지와 Kinect v2 센서의 SDK(software development kit)를 사용해 취득한 표면정보를 바탕으로 Kinect v2 센서로 취득한 유체의 자유표면 정보를 3차원으로 재구성하였다. 비디오 센싱을 통해 얻은 25mm 유체의 시간별 1차모드 이미지는 이미지프로세싱의 가변 이진화(locally adaptive thresholding)변환을 통해 Fig.
- 8Hz의 sine파를 가진해 진행하였다. 실험실 수준 수조의 4개의 지점에 대한 유체의 동적 거동을 측정하였으며 각 지점의 측정 장치에 따른 RMS 오차를 비교하였다. 변위가 큰 양 끝단 지점 유체의 두측정 장치의 RMS 오차 값은 1.
- 실험실 수준의 소형 수조 내 유체를 측정하기 위해 진동대 가진 신호를 변화하여 각 유체의 높이에 따른 고유진동수를 파악하였으며, Kinect v2 센서의 SDK와 비디오 센싱을 통해 Kinect v2 센서의 동적 거동 계측성능을 정량적으로 검증하였다. 다양한 유체의 동적 실험을 바탕으로 유체의 높이가 증가함에 따라 1차 모드 고유진동수, 유체의 진폭 크기 및 RMS 값이 증가함을 확인하였다.
- 유체의 정확한 동적 거동 측정을 위해 유체의 높이에 따른 고유진동수를 파악하여 해당 주파수의 sine파를 AC서보모터로 구동되는 1축 진동 테이블(shake table)로 가진하여 실험을 진행하였다. 유체의 높이에 따른 고유진동수는 다음 식을 통해 확인할 수 있다(Mattias, 1998).
- 일정 주파수로 거동하는 유체에 대한 Kienct v2 센서의 계측성능 검증을 바탕으로 다양한 주파수에 대한 성능 범위를 검증하기 위해 0.5Hz에서 3.5Hz의 변조주파 신호를 가진 하여 실험을 진행하였다.
- Kinect v2 센서를 사용해 유체의 동적 거동 계측 시스템을 구축하고 유체의 자유표면 정보 데이터 수집 시 안정적인 샘플링속도(30Hz)로 측정할 수 있는지 확인하기 위해 수행하였다. 정량적인 Kienct v2 센서 데이터와의 비교를 위해 비디오센싱을 통한 측면 계측을 수행하였으며 본 연구에서 비디오센싱의 계측값을 기준치(reference)로 설정하였다. Kinectv2 센서를 사용해 300×200×200mm 크기의 두께 10mm실험실 수준의 소형수조에 담긴 적색 염료를 혼합한 유체를 1m 거리에서 측정하였다(Fig.
- 2). 총 21장의 체커보드 이미지의 1,134개의 좌표를 토대로 Matlab의 calib_gui, stero_gui 함수를 사용해 카메라 내적, 외적 변수 값들을 추정하였으며(Branko.2013) 추정된 변수값은 Table 2와 같다.
대상 데이터
- Kinect v2 센서로 취득한 데이터는 비디오 센싱을 통해 얻은 2차원 이미지와 Kinect v2 센서의 SDK를 사용해 얻은 3차원 표면정보를 바탕으로 Matlab을 통해 노이즈를 제거하고 유체 자유표면에 대한 전체 정보를 3차원 point cloud 이미지로 획득하였다.
- RGB 카메라는 1920×1080 픽셀 해상도로 색상 정보를 획득하며 IR 카메라는 512×424 픽셀 해상도로 IR 데이터와 깊이데이터를 실시간으로 획득할 수 있다(Table 1).
- 실험에 사용한 비디오카메라는 삼성사의 HMX-QF20로 Kinect v2 센서보다 2배 많은 초당 프레임 수를 취득할 수 있으며(60fps) Kinect v2 센서의 색상 이미지의 픽셀과 동일한 1920×1080의 풀HD 영상을 취득할 수 있다.
- 6과 같이 유체의 실시간 다점 거동 측정 실험을 진행하였다. 유체의 높이는 25mm로 실험에 사용한 신호는 10mm 진폭의 sine파(0.8Hz)와 변조주파 신호(chirp signal)(0.5~3.5Hz)이다.
데이터처리
- 슬로싱과 같은 유체 자유표면의 동적 거동 계측에 저가형RGB-depth 센서인 Microsoft사의 Kinect v2의 적용성 검증을 통해 유체 자유표면의 동적 거동을 실험적으로 분석하였다. 사용된 Kinect v2 센서는 유체의 동적 거동을 측정에 대해 편리하고, 실현 가능하며 비용 효율적인이라는 것을 확인하였다.
성능/효과
- 80mm보다 큰 것을 확인하였다. 25mm의 유체에 대한 Kinect v2 센서의 단일점 측정성능과 비교했을 때 두 측정 장치의 RMS 오차 값이 근사하였으며 해당 진폭보다 절반 수준의 진폭을 나타내는 유체의 중앙부 RMS 오차 값은 양 끝단 벽체의 유체보다 약 0.6배보다 작은 것을 확인하였다.
- Kinect v2 센서로 취득한 유체의 동적 변위는 비디오 센싱데이터 대비 약 2% 이내의 오차 범위로 매우 근사함을 확인하였으며 동일한 주파수(0.8Hz)에서 상이한 진폭에 대한 Kinect v2 센서의 유체의 단일점 동적 거동 계측성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 Kim 등(2018)의 최근 연구를 발전시켜 유체의 자유표면의 동적 거동 측정을 위한 RGB-depth Kinect v2 센서의 적용성을 확인하였다. Kinect v2 센서의 성능 검토 및 실효성 확인, 3D 공간상에서의 유체의 자유표면 정보를 취득하였으며, 기존의 비디오 센싱 기법과 비교하여 본 연구에서 제시한 유체의 동적 거동 계측 시스템의 정확성 및 타당성을 검증하였다.
- 실험실 수준의 소형 수조 내 유체를 측정하기 위해 진동대 가진 신호를 변화하여 각 유체의 높이에 따른 고유진동수를 파악하였으며, Kinect v2 센서의 SDK와 비디오 센싱을 통해 Kinect v2 센서의 동적 거동 계측성능을 정량적으로 검증하였다. 다양한 유체의 동적 실험을 바탕으로 유체의 높이가 증가함에 따라 1차 모드 고유진동수, 유체의 진폭 크기 및 RMS 값이 증가함을 확인하였다. 또한, 0.
- 06Hz이다. 두 측정 장치의 RMS 오차 값은 유체의 높이와 고유주파수에 따라 증가하였지만 여전히 유체의 동적 거동 측정성능의 우수함을 확인하였다. 또한, 실험 결과와 비교한 유체 높이별 1차 모드 고유진동수는 평균 3%의 오차를 확인하였으며 비디오 센싱 데이터와 매우 근사함을 확인하였다.
- 다양한 유체의 동적 실험을 바탕으로 유체의 높이가 증가함에 따라 1차 모드 고유진동수, 유체의 진폭 크기 및 RMS 값이 증가함을 확인하였다. 또한, 0.8Hz의 sine파 가진 시 진폭의 변화가 큰 양 끝단의 유체 움직임이 중앙 부분의 움직임 대비 RMS 값이 약 2배 이상 컸으며 변조주파 신호 가진을 통한 진동수 변화에 따른 유체의 동적 거동 계측 실험에서는 유체의 1, 3차 고유진동수의 주파수에서 가장 큰 출렁임 확인을 통해 Kinect v2 센서의 측정성능을 검증하였다.
- 12와 같이 유체의 최저점과 최고점 표현이 가능하며 최대 30Hz의 샘플링속도로 유체 자유표면의 모든 변화를 실시간으로 취득할 수 있다. 또한, 비디오 센싱을 통해 얻은 2차원 이미지와 Kinect v2 센서의 SDK를 통해 얻은 표면정보와 비교한 3차원 point cloud 이미지는 입면도와 평면도를 동시에 나타낼 수 있을 뿐 아니라 실시간으로 모니터링이 가능하며 이를통해 유체의 동적 거동에 대한 제어를 보다 효과적으로 할 수 있다. 또한, 3차원 point cloud의 360° 회전을 통해 유체의 거동 특성을 보다 정밀히 분석할 수 있으며 2차원 이미지 정보대비 Kinect v2 센서에 의한 3차원 정보를 바탕으로 건축물 진동저감을 위한 모니터링 시스템 구축이 가능할 것으로 예상된다.
- 두 측정 장치의 RMS 오차 값은 유체의 높이와 고유주파수에 따라 증가하였지만 여전히 유체의 동적 거동 측정성능의 우수함을 확인하였다. 또한, 실험 결과와 비교한 유체 높이별 1차 모드 고유진동수는 평균 3%의 오차를 확인하였으며 비디오 센싱 데이터와 매우 근사함을 확인하였다.
- 실험실 수준 수조의 4개의 지점에 대한 유체의 동적 거동을 측정하였으며 각 지점의 측정 장치에 따른 RMS 오차를 비교하였다. 변위가 큰 양 끝단 지점 유체의 두측정 장치의 RMS 오차 값은 1.33mm, 1.42mm로 유체의 중앙부 RMS 오차 값 0.78mm, 0.80mm보다 큰 것을 확인하였다. 25mm의 유체에 대한 Kinect v2 센서의 단일점 측정성능과 비교했을 때 두 측정 장치의 RMS 오차 값이 근사하였으며 해당 진폭보다 절반 수준의 진폭을 나타내는 유체의 중앙부 RMS 오차 값은 양 끝단 벽체의 유체보다 약 0.
- 슬로싱과 같은 유체 자유표면의 동적 거동 계측에 저가형RGB-depth 센서인 Microsoft사의 Kinect v2의 적용성 검증을 통해 유체 자유표면의 동적 거동을 실험적으로 분석하였다. 사용된 Kinect v2 센서는 유체의 동적 거동을 측정에 대해 편리하고, 실현 가능하며 비용 효율적인이라는 것을 확인하였다. Kinect v2 센서의 주요 장점은 센서의 넓은 시야(유체의 일부분이 아닌 표면 전체)와 22만개 포인트를 사용해 보다 정확한 자유표면 정보를 획득할 수 있으며 실시간으로 모니터링할 수 있다는 점이다.
- 또한, 3차원 point cloud의 360° 회전을 통해 유체의 거동 특성을 보다 정밀히 분석할 수 있으며 2차원 이미지 정보대비 Kinect v2 센서에 의한 3차원 정보를 바탕으로 건축물 진동저감을 위한 모니터링 시스템 구축이 가능할 것으로 예상된다. 이를 바탕으로 Kinect v2 센서의 실시간 유체의 동적 거동계측 시스템의 타당성을 검증하였다.
후속연구
- Kinect v2센서는 측정 대상의 색상의 변화에 따른 반사율에 차이가 있기 때문에 다양한 색상을 가진 유체 자유표면의 동적 거동 계측에 관한 추가 연구를 통해 최적의 유체 색상을 결정할 수 있다. 1축 면외방향 정보를 포함한 2축 면외방향에 대한 추가 연구를 통해 구조물 최상층에 설치된 동조액체감쇠기(TLD. tunedliquid damper) 및 동조주관감쇠기(TLCD. tuned liquidcolumn damper)의 제어에 효과적으로 사용할 수 있다.
- 제안된 유체 자유표면의 동적 거동 계측 시스템은 소형 수조 내 투명한 유체는 측정할 수 없는 문제점이 있다. Kinect v2센서는 측정 대상의 색상의 변화에 따른 반사율에 차이가 있기 때문에 다양한 색상을 가진 유체 자유표면의 동적 거동 계측에 관한 추가 연구를 통해 최적의 유체 색상을 결정할 수 있다. 1축 면외방향 정보를 포함한 2축 면외방향에 대한 추가 연구를 통해 구조물 최상층에 설치된 동조액체감쇠기(TLD.
- 또한, 3차원 point cloud의 360° 회전을 통해 유체의 거동 특성을 보다 정밀히 분석할 수 있으며 2차원 이미지 정보대비 Kinect v2 센서에 의한 3차원 정보를 바탕으로 건축물 진동저감을 위한 모니터링 시스템 구축이 가능할 것으로 예상된다.
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