KR100892767B1 - System and Method for Shape Simulation of a Suspension Bridge - Google Patents
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Abstract
이미지를 촬영하는 디지털 카메라; 상기 디지털 카메라의 촬영 각도를 제어하여 상이한 촬영 각도로 하나 이상의 이미지를 촬영하는 촬영 모듈; 상기 각 이미지상에서 피사체의 형태를 결정하기 위한 하나 이상의 샘플 픽셀을 설정하는 템플릿 모듈; 상기 샘플 픽셀의 좌표를 계산하고, 상기 샘플 픽셀의 좌표에서 촬영각도에 따른 화상 왜곡을 보정하여 상기 샘플 픽셀의 보정된 좌표를 계산하는 분석 모듈; 및 상기 샘플 픽셀의 보정된 좌표를 출력하는 출력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 모사 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 형상 모사 시스템 및 방법을 사용하여, 기존의 측량 장비에 비하여 비용이 저렴한 디지털 카메라 등의 장비를 이용하여 현수교의 형상을 측정할 수 있으며, 측정에 장기간이 소모되는 종래 기술과 비교할 때 짧은 시간에 정확한 결과를 얻을 수 있는 이점이 있다.A digital camera for taking an image; A photographing module configured to photograph one or more images at different photographing angles by controlling photographing angles of the digital camera; A template module for setting at least one sample pixel for determining a shape of a subject on each image; An analysis module for calculating coordinates of the sample pixel and calculating corrected coordinates of the sample pixel by correcting image distortion according to a photographing angle in the coordinates of the sample pixel; And an output module for outputting the corrected coordinates of the sample pixel. Using the shape simulation system and method according to the present invention, the shape of the suspension bridge can be measured using equipment such as a digital camera, which is less expensive than conventional surveying equipment, and compared with the prior art, which takes a long time to measure. The advantage is that you get accurate results in a short time.
현수교, 측량, 화상 변위, 렌즈 왜곡, CCD, 디지털 카메라 Suspension bridge, surveying, image displacement, lens distortion, CCD, digital camera
Description
본 발명은 디지털 화상처리 프로그램을 이용한 현수교의 형상 모사(simulation)를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 디지털 카메라를 이용하여 현수교 등의 구조물을 복수 개의 이미지로 분할 촬영하고, 촬영된 이미지에서 샘플 픽셀들의 좌표를 설정하고 설정된 좌표에서 화상의 왜곡을 보정하여, 구조물의 형태를 정확하게 나타낼 수 있는 샘플 픽셀 좌표를 출력함으로써 구조물의 형상을 모사할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for simulating a shape of a suspension bridge using a digital image processing program. Specifically, a structure of a suspension bridge or the like is divided into a plurality of images using a digital camera, The present invention relates to a system and method that can simulate the shape of a structure by setting the coordinates of the sample pixels and correcting the distortion of the image at the set coordinates, and outputting the sample pixel coordinates that can accurately represent the shape of the structure.
최근 현수교, 사장교 등과 같이 케이블을 사용한 교량의 건설이 활발히 진행되고 있다. 이러한 교량들은 장경간으로 설계되는 것이 대부분이며 풍하중이나 차량하중에 의한 진동의 영향을 크게 받는다. 또한, 외기온도, 주탑의 경사도, 케이블 신장과 지점조건의 변화, 앵커 블록의 이동 등으로 인하여 전체적인 교량의 형상이 장기적으로 변화할 수 있다. 그러므로 이러한 변화요인들을 상시 파악하여 교량의 건전도를 평가하는 것이 필요하다. 특히, 현수교의 경우 교량의 상태변화가 주 케이블의 새그(sag) 변화로 나타나기 때문에 교량의 안전성을 평가하기 위하여 형상위치를 결정하는 것이 중요하다.Recently, construction of bridges using cables, such as suspension bridges and cable-stayed bridges, is actively underway. Most of these bridges are designed to have long spans and are greatly affected by the vibrations caused by wind and vehicle loads. In addition, the shape of the entire bridge may be changed in the long term due to the outside temperature, the slope of the pylon, the extension of the cable and the point condition, the movement of the anchor block, and the like. Therefore, it is necessary to constantly grasp these change factors and evaluate the health of the bridge. In particular, in the case of suspension bridges, it is important to determine the shape position in order to evaluate the bridge's safety because the change in the state of the bridge is represented by the change in the sag of the main cable.
현재 현수교와 사장교의 정밀변위측정에는 토탈스테이션 및 3차원 레이저를 이용한 방법이 주로 사용되고 있으나, 장비가 고가이고 이를 사용하여 상시 측정하기 위서는 반사판을 부착하여 유지관리 하여야 하는 등 많은 인력과 비용의 소모를 필요로 하는 문제점이 있다. 따라서, 고가의 정밀 측량 장비를 필요로 하는 종래 기술 대신 절감된 비용으로 짧은 시간 내에 구조물의 형상을 측정할 수 있는 형상 모사 방법이 필요하다.Currently, total station and 3D laser method are mainly used for precise displacement measurement of suspension bridges and cable-stayed bridges.However, the equipment is expensive and requires a lot of manpower and cost. There is a problem that requires. Therefore, there is a need for a shape simulation method capable of measuring the shape of a structure in a short time at a reduced cost instead of the prior art which requires expensive precise surveying equipment.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 디지털 카메라를 이용하여 촬영된 현수교의 이미지를 분석하여 현수교의 형상을 모사함으로써, 적은 비용을 들여 짧은 시간 내에 정확하게 교량의 형상을 측정할 수 있는 형상 모사 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving the above problems of the prior art, by analyzing the image of the suspension bridge photographed using a digital camera to simulate the shape of the suspension bridge, it is possible to measure the shape of the bridge accurately in a short time at a low cost It is an object to provide a shape simulation system and method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템은, 이미지를 촬영하는 디지털 카메라; 상기 디지털 카메라의 촬영 각도를 제어하여 상이한 촬영 각도로 하나 이상의 이미지를 촬영하는 촬영 모듈; 상기 각 이미지상에서 피사체의 형태를 결정하기 위한 하나 이상의 샘플 픽셀을 설정하는 템플릿 모듈; 상기 샘플 픽셀의 좌표를 계산하고, 상기 샘플 픽셀의 좌표에서 촬영각도에 따른 화상 왜곡을 보정하여 상기 샘플 픽셀의 보정된 좌표를 계산하는 분석 모듈; 및 상기 샘플 픽셀의 보정된 좌표를 출력하는 출력 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.Shape simulation system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a digital camera for taking an image; A photographing module configured to photograph one or more images at different photographing angles by controlling photographing angles of the digital camera; A template module for setting at least one sample pixel for determining a shape of a subject on each image; An analysis module for calculating coordinates of the sample pixel and calculating corrected coordinates of the sample pixel by correcting image distortion according to a photographing angle in the coordinates of the sample pixel; And an output module for outputting corrected coordinates of the sample pixel.
본 발명의 다른 측면에 따른 형상 모사 방법은, 상이한 촬영각도로 하나 이상의 이미지를 촬영하는 단계; 촬영된 상기 각 이미지에서 피사체의 형태를 결정하기 위한 하나 이상의 샘플 픽셀을 설정하는 단계; 설정된 상기 샘플 픽셀의 좌표를 계산하는 단계; 상기 샘플 픽셀의 좌표에서 화상 왜곡을 보정하여 보정된 좌표를 계산하는 단계; 및 상기 샘플 픽셀의 보정된 좌표를 출력하는 단계를 포함하여 구 성될 수 있다.A shape simulation method according to another aspect of the present invention includes the steps of photographing one or more images at different photographing angles; Setting one or more sample pixels to determine a shape of a subject in each of the photographed images; Calculating coordinates of the set sample pixel; Calculating the corrected coordinates by correcting the image distortion in the coordinates of the sample pixel; And outputting corrected coordinates of the sample pixel.
본 발명에 따른 현수교의 형상 모사 시스템 및 방법을 사용하여, 기존의 측량 장비에 비하여 비용이 저렴한 디지털 카메라 등의 장비를 이용하여 현수교의 형상을 측정할 수 있으며, 측정에 장기간이 소모되는 종래 기술과 비교할 때 짧은 시간에 정확한 결과를 얻을 수 있는 이점이 있다.Using the shape simulation system and method of the suspension bridge according to the present invention, it is possible to measure the shape of the suspension bridge using equipment such as a digital camera which is less expensive than conventional surveying equipment, In comparison, there is an advantage of obtaining accurate results in a short time.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings looks at in detail with respect to the preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 대상으로서 현수교를 도시한 정면도이다. 도시되는 바와 같이 현수교 구조물은 강제 또는 철근 콘크리트 구조의 주탑(1), 주탑(1)에 매달린 주 케이블(2), 앵커 블록(3), 주 케이블(2)에 매달려 주 케이블의 장력을 대지 방향으로 이끄는 행거(hanger: 4) 및 주 케이블(2)에 매달리는 보강형(5)을 포함하여 구성된다. 본 발명은, 현수교를 촬영한 이미지에서 이들 각 구성요소의 위치를 파악할 수 있는 샘플(sample) 픽셀을 설정하여, 설정된 샘플 픽셀의 좌표를 통하여 현수교의 형상을 모사하도록 구성된다. 1 is a front view showing a suspension bridge as a preferred embodiment of the present invention. As shown, the suspension bridge structure is suspended in the main tower (1) of the forced or reinforced concrete structure, the main cable (2) suspended from the main tower (1), anchor block (3), the main cable (2) to the tension of the main cable It comprises a hanger (4) leading to the reinforcement type (5) hanging on the main cable (2). The present invention is configured to set a sample pixel which can grasp the position of each component in the image of the suspension bridge, and simulate the shape of the suspension bridge through the coordinates of the set sample pixel.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 도시되는 바와 같이, 상기 실시예에 따른 형상 모사 시스템은 디지털 카메라(21), 촬영 모듈(22), 템플릿(template) 모듈(23), 분석 모듈(24) 및 출력 모듈(25)을 포함한다. 촬영 모듈(22)에서 디지털 카메라(21)의 촬영 각도를 제어하여 촬영된 이미지는 템플릿 모듈(23)로 전달된다. 템플릿 모듈(23)은 각 이미지상에 구조물의 형상을 분석하기 위한 샘플 픽셀들을 설정한다. 분석 모듈(24)은 샘플 픽셀들의 좌표를 계산하고, 계산된 좌표에서 이미지 촬영으로 인한 왜곡을 보정한다. 출력 모듈(25)은 보정된 각 샘플 픽셀들의 좌표를 출력하며, 출력된 샘플 픽셀들의 좌표를 통하여 촬영 대상 구조물의 형태를 파악할 수 있다.2 is a block diagram showing the configuration of a shape simulation system according to an embodiment of the present invention. As shown, the shape simulation system according to the embodiment includes a
촬영 모듈Shooting module
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 상기 실시예에 따른 형상 모사 방법은 촬영 모듈(22)이 디지털 카메라(21)를 제어하여 구조물을 촬영하는 것으로서 시작된다(S301). 디지털 카메라(21)는 전하 결합 소자(CCD; Charge Coupled Device)를 포함하여, 디지털 카메라(21)에 입사된 빛에 대한 정보를 전기적인 신호로 변환하여 디지털 이미지를 생성한다. 생성된 디지털 이미지에서 현수교의 각 부분은 CCD의 화소의 수에 따른 좌표로 표현될 수 있으며, 높은 해상도의 CCD를 사용할수록 현수교 좌표의 정확성은 향상된다. 3 is a flowchart showing each step of the shape simulation method according to an embodiment of the present invention. The shape simulation method according to the above embodiment starts with the photographing
촬영된 이미지를 분석하여 구조물의 형태를 모사하는 경우, 높은 화소로 구조물 전체를 촬영한 하나의 이미지를 사용하여 구조물의 형태를 모사하는 것이 바람직하다. 그러나, 구현할 수 있는 화소의 수가 제한되어 있기 때문에 높은 해상도의 CCD(Charge Coupled Device)를 사용하여 촬영된 단일 화상을 통하여 현수교를 분석하는 것은 매우 어렵다. 그러므로, 본 발명에서는 하나의 구조물을 여러 장의 촬영 이미지로 분할하여 촬영하며, 분할된 촬영 이미지를 분석하는 방법을 사용한다. 촬영 모듈(22)은 디지털 카메라(21)의 촬영 각도를 제어하여, 피사체인 현수교 구조물을 미리 설정된 개수의 이미지로 분할하여 촬영한다. 본 명세서에서 촬영 각도란 디지털 카메라(21)가 피사체의 정 중앙으로부터 회전되어 있는 각도를 의미한다. 예컨대, 피사체의 정 중앙을 촬영할 경우의 촬영각도는 0°가 된다.In the case of simulating the shape of the structure by analyzing the photographed image, it is preferable to simulate the shape of the structure by using one image obtained by photographing the entire structure with high pixels. However, since the number of pixels that can be implemented is limited, it is very difficult to analyze the suspension bridge through a single image photographed using a high resolution Charge Coupled Device (CCD). Therefore, the present invention uses a method of photographing a structure by dividing one structure into several photographed images and analyzing the divided photographed images. The
디지털 카메라(21)는 피사체인 현수교 구조물을 소정의 개수로 분할하여 촬영하며, 촬영된 이미지 파일은 분석을 위하여 저장된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이미지 파일은 픽셀 단위로 저장 가능한 비트맵(Bitmap) 형식을 사용하여 저장될 수 있으며, 선명한 화질을 유지할 수 있는 BMP, JPG, GIF 등 다양한 비트맵 형식을 사용할 수 있다.The
템플릿template 모듈 module
촬영 이미지가 저장되면, 템플릿 모듈(23)은 촬영된 이미지의 분석을 위하여 각 이미지에서 적절한 샘플 픽셀들을 설정한다(S302). 본 발명에서, 상기 샘플 픽셀들은 촬영 대상 구조물의 형태를 쉽게 파악할 수 있도록 하는 픽셀들로 설정되는 것이 바람직하다. 현수교를 실시 대상으로 하는 본 발명의 일 실시예에서, 상기 샘플 픽셀들은 주 케이블(2)과 각 행거(4)의 교점, 각 행거(4)와 보강형(5)의 교점, 주탑(1) 상부, 앵커 블록(3)과 주 케이블(2)의 교점 또는 보강형(5) 트러스의 교점 등에 위치한 픽셀들로 설정될 수 있다.When the captured image is stored, the
도 4는 현수교를 촬영한 촬영 이미지상에서 설정되는 샘플 픽셀들 중 몇몇 픽셀의 위치를 예시적으로 나타낸 사진이다. 사진에서 +기호로 표시되는 픽셀들(41, 42) 중 픽셀(41)은 주 케이블(2)과 행거(4)의 교점을 나타내며, 픽셀(42)는 행거(4)와 보강형(5)을 나타낸다. 일반적으로 샘플 픽셀의 개수는 많을수록 바람직하며, 실시예에 따라 장비의 연산 부하 등을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다. 샘플 픽셀들이 결정되면, 촬영 이미지는 분석 모듈로 전달된다. 4 is a photograph exemplarily illustrating positions of some pixels among sample pixels set on a captured image of a suspension bridge. Of the
분석 모듈Analysis module
우선, 분석 모듈(24)에 포함된 좌표 설정부(241)는 각 이미지를 병합한 전체 이미지상에서 샘플 픽셀들의 좌표를 설정한다(S304). 픽셀의 좌표값은 촬영 이미지에 포함된 전체 픽셀의 수에 따라 달라지며, 일반적으로 (x, y)의 형태로 표현될 수 있다. 예를 들어, 이미지가 가로로 3,072 개의 픽셀을 가지며 세로로 2,048 개의 픽셀을 가지는 경우, 픽셀의 좌표는 (0, 0) 내지 (3072, 2048) 의 범위에서 설정될 수 있다. 좌표를 설정하기 위해서 좌표 설정부(241)는 먼저 각 촬영 이미지를 하나의 이미지로 병합하여 좌표계를 설정하여야 한다.First, the
좌표 설정부(241)는 인접하여 촬영된 각 이미지에서 구조물의 수직적 길이, 예컨대 현수교 구조물의 경우에는 행거(4)의 길이 등을 비교하여, 길이의 차이가 가장 적은 부분에서 각 픽셀들이 서로 겹치는 것으로 판단한다. 따라서, 길이의 차이가 가장 적은 픽셀들을 서로 연결하여 인접하는 이미지를 병합할 수 있으며, 좌표 설정부(241)는 상기 과정을 전체 촬영 이미지에 대하여 수행한다.The
일 실시예에서 이미지의 병합 과정은 피사체의 정 중앙에서 촬영된 이미지 (즉, 촬영 각도가 0°인 이미지)를 기점으로 양 측면에서 인접한 이미지를 붙여나가는 순서로 수행될 수 있다. 피사체 정 중앙에서 촬영된 사진이 가장 왜곡률이 낮기 때문에, 정 중앙의 이미지를 기준으로 할 경우 왜곡 오차가 가장 적어진다. 병합된 이미지에서 좌표 원점은, 병합 전의 정 중앙 이미지의 정 중앙 픽셀로 설정된다. 일단 좌표 원점이 설정되면, 각 샘플 픽셀의 좌표를 전술한 바와 같이 (x, y) 형식으로 나타내는 것이 가능하다.In an embodiment, the merging of images may be performed in the order of pasting adjacent images from both sides based on an image photographed at the center of the subject (that is, an image having a photographing angle of 0 °). Since the photograph taken at the center of the subject has the lowest distortion rate, the distortion error is the smallest based on the image at the center. The coordinate origin in the merged image is set to the center pixel of the center image before merging. Once the coordinate origin is set, it is possible to represent the coordinates of each sample pixel in the form (x, y) as described above.
샘플 픽셀들의 좌표가 설정되면, 다음으로 각 이미지의 상대적인 촬영 위치에 따른 화상 왜곡을 보정하여야 한다(S305 내지 S307). 이미지의 왜곡을 보정하기 위해서는 피사체와 카메라의 각도, 기울어짐의 정도 등의 자료가 필요하다. 하지만 이미지에 포함된 값으로는 이를 모두 알기 어렵기 때문에, 후술하는 몇 가지의 가정을 통하여 보정 과정을 단순화하는 것이 필요하다.Once the coordinates of the sample pixels are set, image distortion according to the relative photographing position of each image should be corrected (S305 to S307). To correct the distortion of the image, data such as the angle of the subject and the camera and the degree of tilting are required. However, since it is difficult to know all of the values included in the image, it is necessary to simplify the correction process through some assumptions described below.
첫째, 촬영 시 카메라의 위치는 피사체의 정 중앙을 바라보는 위치에서 촬영함을 원칙으로 한다. 정 중앙에 위치된 카메라로 촬영할 경우 좌, 우측 보정의 차이를 줄일 수 있기 때문이다. 둘째, 피사체를 분할하여 촬영하고 촬영된 이미지를 병합하기 위하여 모든 사진은 동일한 배율로 촬영되어야 한다. 셋째, 촬영 시 고저차로 인하여 발생하는 왜곡은 일반적으로 현수교 등의 구조물을 촬영하는 경우에는 피사체까지의 거리가 멀어 수직 방향의 차이가 작기 때문에 크게 문제되지 않는다. 따라서, 수직 기울어짐 각도에 따른 오차는 이미지 보정시 고려하지 않기로 한다. 넷째, 현수교의 경우 케이블에서부터 보강형에까지 이르는 행거는 수직인 것으로 가정한다. 이는 촬영시 사진기의 회전에 따른 사진의 회전 변환을 보정하기 위한 가정으로, 행거가 수직임에 기초하여 상하 좌표의 기울어짐 각도를 산출할 수 있다.First, when shooting, the camera should be photographed at the position facing the center of the subject. This is because the difference between left and right correction can be reduced when shooting with a camera located in the center. Second, all the photographs should be taken at the same magnification in order to divide the photographed subject and merge the photographed images. Third, the distortion caused by the height difference at the time of photographing is generally not a problem since the distance to the subject is large because the distance to the subject is small when photographing a structure such as a suspension bridge. Therefore, the error due to the vertical tilt angle will not be considered when correcting the image. Fourth, for suspension bridges, it is assumed that the hanger from cable to reinforced type is vertical. This is an assumption for correcting the rotational conversion of the picture according to the rotation of the camera at the time of photographing, and it is possible to calculate the tilt angle of the up and down coordinates based on the verticality of the hanger.
분석 모듈(24)에서는 전술한 가정들에 기초하여 화상 왜곡을 보정한다. 상세하게는 경사각 계산부(242)에서 픽셀 경사각을 계산하고, 수평 보정부(243)에서는 픽셀 경사각을 이용하여 수평 방향(즉, x좌표) 왜곡을 보정하며, 수직 보정부(244)에서는 수직 방향(즉, y좌표) 왜곡을 보정한다. 각각의 오차 보정 과정은 이미지상에 설정된 샘플 픽셀의 좌표에 적용되며, 보정에 따라 샘플 픽셀의 좌표가 변경된다.The
먼저, 경사각 계산부(242)에서 픽셀 경사각을 계산하는 단계에 대하여 설명한다(S305). 픽셀 경사각은 촬영 기지점에서 피사체까지의 수직 거리 L 및 피사체인 현수교 구조물에서 미리 설정된 두 지점 사이의 거리 S를 사용하여 구할 수 있다. 촬영 기지점에서 피사체까지의 거리는 디지털 카메라(21)가 위치한 지점으로부터 촬영 대상 피사체까지의 가장 가까운 거리를 의미하며, 실제 측량에 의하여 구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 촬영 기지점에서 피사체까지의 거리는 항공 사진을 사용하여 구하는 것도 가능하다.First, the step of calculating the pixel tilt angle in the
피사체에서 미리 설정된 두 지점은, 피사체 상에서 픽셀 경사각을 정의하기 위한 소정의 거리를 산출하기 위해서 사용되는 지점들이다. 일 실시예에서, 피사체에서 미리 설정된 두 지점 사이의 거리로는 피사체인 현수교 구조물의 보강형(5)의 한 세그먼트(segment) 사이의 길이를 사용할 수 있다. 일반적으로 현수교 구조물에서 보강형(5)의 한 세그먼트 사이의 길이는 일정하고 정밀하게 시공되며, 예컨대 9.175m 또는 9.425m로 구성될 수 있다.The two preset points in the subject are points used to calculate a predetermined distance for defining the pixel tilt angle on the subject. In one embodiment, the distance between two preset points in the subject may be the length between one segment of the
도 5a는 촬영 기지점에서 피사체까지의 거리 L과, 피사체인 현수교 구조물에서 보강형(5)의 한 세그먼트 사이의 길이를 S를 도시하며, 도 5b는 촬영 각도 , 픽셀 경사각 , L 및 S를 도시한다. 이때, 픽셀 경사각 는 삼각함수를 사용하여 다음 수학식 1에 의하여 계산될 수 있다.FIG. 5A shows the distance L from the photographing base point to the subject and the length between one segment of the
픽셀 경사각이 구해지면, 다음으로 수평 보정부(243)는 픽셀 경사각을 사용하여 샘플 픽셀 좌표의 수평 보정 과정을 수행한다(S306). 수평 보정은 촬영 각도에 따라 옆으로 기울어져 촬영된 사진 투영면을 실제 피사체의 면과 일치시키는 보정이다. 다음에서는, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 이러한 보정 방법에 대하여 설명한다. 도 6a 및 도 6b는 도 5b에 도시된 사진 투영면과 실제면의 교점 부분을 확대하여 도시한 도면들이다. 사진 투영면과 실제면이 교차하는 픽셀(60)을 중심으로 하여, 도 6a는 피사체의 좌측면을 확대한 도면이며 도 6b는 피사체의 우측면을 확대한 도면이다. 사진 투영면과 실제면이 교차하는 교차점(60)은 촬영 이미지의 정 중앙 픽셀에 해당한다. 먼저, 도 6a를 참조하여 좌측면을 촬영한 이미지를 보정하는 과정에 대하여 설명한다.When the pixel tilt angle is obtained, the
도 6a에서 보정 전 샘플 픽셀의 위치는 픽셀(61)로 표시된다. 수평 보정부(243)는 교차점(60)으로부터 샘플 픽셀(61)까지의 거리를 계산하여, 상기 거리에 대하여 왜곡을 보정하게 된다. 수평 보정부(243)는 삼각함수를 사용하여 픽셀(61)을 실제면에 투영하여 픽셀(62)로 이동시키고, 투영 과정에서 빛의 직진으로 인하여 발생하는 오차를 보정하여 픽셀(63)으로 이동시킨다. 실제면에서 샘플 픽셀(63)과 교차점(60) 사이의 거리를 S'이라고 하면, S'은 사진 촬영각도 와 오차 를 사용하여 다음 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.In FIG. 6A the position of the sample pixel before correction is indicated by
상기 수학식 2에 사용된 의 값은 보정 대상인 촬영 이미지가 교차점(60)을 기준으로 피사체의 어느 측면을 촬영하였는지에 따라 달라지며, 실제면과 사진 투영면 사이의 거리인 h를 사용하여 구할 수 있다. h의 값은 다음 수학식 3에 의하여 계산된다.Used in
h의 값이 계산되면, 의 값은 삼각 함수 공식을 사용하여 하기 수학식 4 및 수학식 5에 의하여 계산된다.Once the value of h is calculated, The value of is calculated by the following equations (4) and (5) using a trigonometric formula.
의 크기가 계산되면, 상기 수학식 2에 계산된 의 값을 대입하여 다음 수학식을 얻을 수 있다. When the size of is calculated, calculated in
상기 수학식 6에 의하여 S'이 계산되면 교차점(60)으로부터 샘플 픽셀(63)까지의 거리가 S'이 되도록 샘플 픽셀(63)의 x좌표를 보정한다. 상기 수학식 2 내지 수학식 6에 의하여, 교차점(60)을 중심으로 피사체의 좌측을 촬영한 이미지의 수평 보정이 이루어진다.When S 'is calculated by Equation 6, the x-coordinate of the
다음으로, 도 6b를 참조하여 교차점(60)을 기준으로 피사체 우측면을 촬영한 이미지를 보정하는 과정에 대하여 설명한다. 피사체 우측면에서 보정 전 샘플 픽셀의 위치가 픽셀(64)로 도시되며, 사진 투영면을 실제면에 투영함에 따라 픽셀(64)는 픽셀(65)로 이동된다. 다시 빛의 직진으로 인한 오차를 보정하면 최종적인 픽셀의 위치는 픽셀(66)이 된다. 전술한 좌측면의 경우와 마찬가지로, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.Next, a process of correcting an image of photographing the right side of the subject based on the
상기 수학식 7에서는 좌측면의 경우를 나타낸 수학식 2와는 달리, S'의 계산에 있어 길이 S를 실제면에 투영한 후 만큼 빼줘야 하는 것을 알 수 있다. 상기 수학식 7에서 의 값은, 전술한 좌측면의 경우와 마찬가지로 길이 h를 사용하여 다음 수학식 8에 의하여 구할 수 있다.In Equation 7, unlike
우측면 촬영 이미지에 대하여 구한 를 상기 수학식 7에 대입하여 보정된 길이를 구하면 다음과 같다.Obtained for the image on the right side Substituting into Equation 7 to obtain the corrected length is as follows.
따라서 샘플 픽셀(64)로부터 교차점(60)까지의 거리가 S'이 되도록 샘플 픽셀(64)의 x좌표를 보정한다. 전술한 과정에 의하여 촬영 이미지에서 수평 방향 왜곡을 보정한다.Therefore, the x-coordinate of the
다음으로, 수직 보정부(244)에서 수직 방향 왜곡을 보정한다(S308). 우선, 수직 보정부(244)는 전술한 수평 왜곡 보정 과정의 결과를 사용하여 원점으로부터 샘플 픽셀까지의 수직 방향 길이를 비례적으로 증가시킨다. 도 7을 참조하면, 수평 보정에 의하여 사진 투영면(71)에서의 길이 S는 실제면(72)에서의 길이 S'으로 증가된다. 도 7에 도시된 픽셀(A)는 이에 따라 픽셀(A')으로 이동한다. 이때, 픽셀(A)의 y좌표를 A라 하고, 픽셀 (A')의 y좌표를 A'라 하면, 수평 보정에 의하여 x좌표가 증가한 것과 같은 비율로 y좌표가 증가하여야 하기 때문에, 하기 수학식 10에 의하여 A'을 계산할 수 있다.Next, the vertical correcting
샘플 픽셀의 위치가 픽셀(A')로 이동된 후, 디지털 카메라(21) 렌즈의 특성으로 인한 초점 거리의 차이를 보정하는 과정이 추가적으로 필요하다. 수직 보정 부(244)에서는, 디지털 카메라(21) 렌즈의 왜곡 수차(distortion)인 를 사용하여 픽셀(A')을 픽셀(A'')으로 보정한다. After the position of the sample pixel is moved to the pixel A ', a process of correcting the difference in focal length due to the characteristics of the lens of the
왜곡 수차는 렌즈를 통한 빛이 한 점에 모이지만, 배율이 상의 크기에 따라 달라져 상이 찌그러져 보이는 현상이다. 왜곡 수차는 촬영 거리, 배율 및 촬영 각도 등에 종속하여 변화하는 렌즈 자체의 특성이며, 본 발명의 일 실시예에서 왜곡 수차는 피사체와 디지털 카메라(21)의 거리를 변화시켜가며 반복적으로 촬영한 데이터를 통하여 구할 수 있다. 예컨대, 디지털 카메라(21)를 사용하여 정사각형 형태의 모눈 종이를 거리와 촬영 각도를 달리하면서 반복적으로 촬영하고, 촬영된 모눈 종이의 이미지에서 수직 방향의 좌표를 전술한 수학식 10에 의하여 보정한 값과 실제 알고 있는 모눈 종이의 길이값과의 차이를 측정하는 모눈종이 실험을 통해 왜곡 수차의 값을 얻을 수 있다. Distortion aberration is a phenomenon in which light through a lens collects at one point, but the magnification varies depending on the size of the image and the image is distorted. The distortion aberration is a characteristic of the lens itself that varies depending on the shooting distance, magnification, and the shooting angle, and the like, and in one embodiment of the present invention, the distortion aberration changes the distance between the subject and the
픽셀(A'')과 픽셀(A')의 y좌표의 차이인 h는 왜곡 수차 를사용하여 다음의 수학식 11에 의하여 계산된다.H, the difference between the y coordinates of pixel A '' and pixel A ', is a distortion aberration It is calculated by using the following equation (11).
h의 값이 계산되면, 비례식을 통하여 계산된 픽셀(A')의 y좌표에 h를 더함으로써 최종적으로 수직 보정이 완료된 샘플 픽셀의 좌표를 얻을 수 있다. 샘플 픽셀(A'')의 y좌표인 A''은 최종적으로 다음의 수학식 12에 의하여 계산된다.When the value of h is calculated, by adding h to the y-coordinate of the pixel A 'calculated through the proportional expression, the coordinates of the sample pixel that has been vertically corrected can be obtained. The y coordinate A ″ of the sample pixel A ″ is finally calculated by the following equation (12).
출력 모듈Output module
분석 모듈(24)에서 전술한 수학식들에 의하여 이미지의 왜곡을 보정하는 과정이 완료되면, 출력 모듈(25)은 보정된 샘플 픽셀들의 좌표를 병합하여 출력한다(S308). 일 실시예에서, 출력 모듈(25)에서 출력되는 결과물은 각 이미지의 픽셀들의 좌표를 모두 망라한 텍스트(text) 파일 형태로 출력될 수 있다. 또한 출력 모듈(25)에서는 출력된 픽셀들의 좌표를 쉽게 알아볼 수 있는 형태로 도시함으로써, 피사체인 현수교의 구조를 간편하게 파악하도록 할 수도 있다.When the process of correcting the distortion of the image is completed by the above-described equations in the
전술한 과정에 의하여 본 발명에 따른 형상 모사 시스템 및 방법을 사용하여 현수교 구조물의 형상을 분석함으로써, 기존의 측량 장비에 비하여 비용이 저렴한 디지털 카메라를 이용하여 현수교의 형상을 정확하게 측정할 수 있다. 또한 현수교 구조물의 형상 측정에 장기간이 소모되는 종래 기술과 비교할 때, 본 발명에 따른 형상 모사 시스템 및 방법을 이용하면 짧은 시간에 정확한 결과를 얻을 수 있는 이점이 있다.By analyzing the shape of the suspension bridge structure using the shape simulation system and method according to the present invention by the above-described process, it is possible to accurately measure the shape of the suspension bridge using a digital camera which is less expensive than conventional surveying equipment. In addition, compared with the prior art, which takes a long time to measure the shape of the suspension bridge structure, using the shape simulation system and method according to the present invention has the advantage that it is possible to obtain accurate results in a short time.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다. While specific embodiments of the present invention have been illustrated and described, the technical spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings and the above description, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art, and variations of this form will be regarded as belonging to the claims of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
도 1은 일반적인 현수교의 형태를 도시한 측면도이다.1 is a side view showing the shape of a typical suspension bridge.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of a shape simulation system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.3 is a flowchart showing each step of the shape simulation method according to an embodiment of the present invention.
도 4는 현수교를 촬영한 이미지상에 설정되는 샘플 픽셀들의 위치를 예시적으로 나타낸 사진이다.4 is a photograph showing an example of positions of sample pixels set on an image of a suspension bridge.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템에서 픽셀 경사각을 구하는 과정을 도시한 개략도이다.5A is a schematic diagram illustrating a process of obtaining a pixel tilt angle in a shape simulation system according to an embodiment of the present invention.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템에서 픽셀 경사각을 구하는 과정을 도시한 또 다른 개략도이다.5B is another schematic diagram illustrating a process of obtaining a pixel tilt angle in a shape simulation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템에서 피사체 좌측면을 촬영한 이미지의 수평 방향 왜곡을 보정하는 과정을 도시한 개략도이다.6A is a schematic diagram illustrating a process of correcting horizontal distortion of an image photographing a left side of a subject in a shape simulation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템에서 피사체 우측면을 촬영한 이미지의 수평 방향 왜곡을 보정하는 과정을 도시한 개략도이다.6B is a schematic diagram illustrating a process of correcting horizontal distortion of an image photographing a right side of a subject in a shape simulation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 모사 시스템에서 수직 방향 왜곡을 보정하는 과정을 도시한 개략도이다.7 is a schematic diagram showing a process of correcting vertical distortion in a shape simulation system according to an embodiment of the present invention.
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