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KR101932214B1 - 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101932214B1
KR101932214B1 KR1020170162679A KR20170162679A KR101932214B1 KR 101932214 B1 KR101932214 B1 KR 101932214B1 KR 1020170162679 A KR1020170162679 A KR 1020170162679A KR 20170162679 A KR20170162679 A KR 20170162679A KR 101932214 B1 KR101932214 B1 KR 101932214B1
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KR
South Korea
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crack
skeleton
crack region
pixel
region
Prior art date
Application number
KR1020170162679A
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Inventor
홍정욱
이상언
진수영
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명에 의한 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치는 조사 대상을 촬영한 이미지를 제공 받아 상기 제공 받은 이미지로부터 균열 영역을 검출하는 균열 영역 검출부; 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하는 스켈레톤 추출부; 및 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고 상기 생성된 윈도우를 이용하여 해당 픽셀에 있어서의 균열의 진행 방향을 판별하여 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 상기 균열의 폭을 측정하는 균열 영역 측정부를 포함하고, 상기 스켈레톤 추출부는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 상기 추출된 스켈레톤에서 적어도 하나의 곁가지를 제거하여 상기 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 상기 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득한다.

Description

이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING CRACK USING IMAGE PROCESSING TECHNOLOGY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 균열 측정 기법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
비연속적인(discrete) 이미지에서 원하는 영역을 추출하여 추출된 영역의 폭을 측정하는 기술은 기계, 교통, 건설 등의 여러 분야에서 통계적으로 중요한 의미를 갖는다.
예를 들어, 이미지에서 균열 영역의 폭을 측정하는 경우, 사용자는 몇 개의 지점을 임의의 선정하여 인지적으로 측정하는 방법이 일반적이다. 이 방법은 측정 데이터의 양이 충분하지 못하고 측정 방향의 기준이 명확하지 않다.
이를 보완하고자 컴퓨터를 이용하여 측정 데이터의 양을 증가시키고 측정 방향을 통일시키기 위한 다양한 연구가 이루어졌다. 그 일예로, 등록특허공보 제10-0765047호에서는 카메라로 촬영한 콘크리트 표면 영상을 디지털 영상 처리를 하여 콘크리트 표면의 균열의 폭을 측정하는 방안을 제안하고 있다.
하지만 이러한 방식은 사용자가 화면에 표시된 영상에서 균열의 경계를 직접 지정하고 있어, 자동으로 균열의 폭을 정확히 측정하는데 한계가 있다.
등록특허공보 제10-0765047호, 공고일자 2007년10월09일
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 조사 대상을 촬영한 이미지로부터 균열 영역을 검출하고, 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하여, 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 한 소정 크기의 윈도우를 이용하여 균열의 진행 방향과 그 진행 방향을 기준으로 한 균열의 폭을 측정하도록 한, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치는 조사 대상을 촬영한 이미지를 제공 받아 상기 제공 받은 이미지로부터 균열 영역을 검출하는 균열 영역 검출부; 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하는 스켈레톤 추출부; 및 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고 상기 생성된 윈도우를 이용하여 해당 픽셀에 있어서의 균열의 진행 방향을 판별하여 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 상기 균열의 폭을 측정하는 균열 영역 측정부를 포함하고, 상기 스켈레톤 추출부는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 상기 추출된 스켈레톤에서 적어도 하나의 곁가지를 제거하여 상기 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 상기 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 검출부는 측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 기준 색상을 기초로 상기 이미지 내에서 균열의 윤곽선을 추출하고, 상기 추출된 균열의 윤곽선을 기초로 상기 균열 영역을 검출하며, 상기 검출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성할 수 있다.
삭제
또한, 상기 스켈레톤 추출부는 상기 스켈레톤 상의 한 픽셀을 기준으로 하는 원이 접하는 두 접점이 서로 다른 윤곽선에 속하는 경우 해당 픽셀을 스켈레톤으로 판단하여 제거하지 않고, 상기 두 접점이 동일한 윤곽선에 속하는 경우 해당 픽셀을 상기 곁가지로 판단하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 측정부는 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 동일한 크기의 윈도우를 생성할 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 측정부는 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 가변적인 크기의 윈도우를 생성하되, 상기 윈도우의 크기는 상기 균열 영역의 윤곽선에 접하는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원의 지름에 비례하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 측정부는 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 가변적인 크기의 윈도우를 생성하되, 상기 윈도우의 크기는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원이 상기 균열 영역의 윤곽선과 만나는 두 접점 사이의 거리에 비례하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 측정부는 상기 생성된 윈도우 내 모든 픽셀의 바이너리 정보를 이용하여 해당 픽셀의 2차 모멘트를 산출하고, 상기 산출된 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 2×2 행렬을 구하며, 상기 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구하며, 상기 고유 값 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 균열의 진행 방향을 판별하고, 상기 고유 값 중 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 판별할 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 측정부는 상기 추출된 스켈레톤이 두 개의 픽셀 라인으로 추출되는 경우, 상기 두 개의 픽셀 라인 중 하나의 픽셀 라인 상의 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 방법은 조사 대상을 촬영한 이미지를 제공 받아 상기 제공 받은 이미지로부터 균열 영역을 검출하는 균열 영역 검출단계; 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하는 스켈레톤 추출단계; 및 상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고 상기 생성된 윈도우를 이용하여 해당 픽셀에 있어서의 균열의 진행 방향을 판별하여 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 상기 균열의 폭을 측정하는 균열 영역 측정단계를 포함하고, 상기 스켈레톤 추출단계에서는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 상기 추출된 스켈레톤에서 적어도 하나의 곁가지를 제거하여 상기 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 상기 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 상기 균열 영역 검출단계에서는 측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 기준 색상을 기초로 상기 이미지 내에서 균열의 윤곽선을 추출하고, 상기 추출된 균열의 윤곽선을 기초로 상기 균열 영역을 검출하며, 상기 검출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성할 수 있다.
삭제
또한, 상기 균열 영역 측정단계에서는 상기 생성된 윈도우 내 모든 픽셀의 바이너리 정보를 이용하여 해당 픽셀의 2차 모멘트를 산출하고, 상기 산출된 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 2×2 행렬을 구하며, 상기 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구하며, 상기 고유 값 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 해당 픽셀에 대한 균열의 진행 방향을 판별하고, 상기 고유 값 중 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 상기 균열의 폭을 측정하기 위한 측정 방향으로 판별할 수 있다.
이처럼 본 발명은 조사 대상을 촬영한 이미지로부터 균열 영역을 검출하고, 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하여, 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 한 소정 크기의 윈도우를 이용하여 균열의 진행 방향과 그 진행 방향을 기준으로 한 균열의 폭을 측정하도록 함으로써, 균열의 폭을 자동으로 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 스켈레톤 상의 픽셀을 기준으로 한 소정 크기의 윈도우를 이용하여 균열의 진행 방향과 그 진행 방향에 수직인 측정 방향을 판별하는 것이 가능하기 때문에, 균열의 폭을 측정하는 방향에 대한 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 균열 영역의 전 구간에 걸쳐서 픽셀 단위로 균열의 폭을 측정하는 것이 가능하기 때문에, 특정 지점이 아닌 전체적인 균열 폭의 분포를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 이미지로부터 검출된 특정 영역에 대한 진행 방향과 폭을 검출하기 때문에, 균열뿐만 아니라 강, 도로 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 균열 영역 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스켈레톤 추출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스켈레톤의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 균열영역 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 균열영역 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 균열의 폭이 정의되지 않아 잘못 측정되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 가능한 대상을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치 및 그 방법을 설명한다. 특히, 본 발명에서는 조사 대상을 촬영한 이미지로부터 균열 영역을 검출하고, 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하여, 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 한 소정 크기의 윈도우를 이용하여 균열의 진행 방향과 그 진행 방향을 기준으로 한 균열의 폭을 측정하도록 한, 새로운 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 장치는 이미지 획득부(110), 균열 영역 검출부(120), 스켈레톤 추출부(130), 균열 영역 측정부(140)를 포함할 수 있다.
이미지 획득부(110)는 조사 대상을 촬영한 이미지를 획득할 수 있다. 이러한 이미지 획득부(110)는 조사 대상을 직접 촬영하여 이미지를 획득하거나 조사 대상을 촬영한 이미지를 유선 또는 무선 통신을 통해 획득할 수 있다. 예를 들어, 이미지 획득부(110)는 촬영 기기이거나 통신 모듈일 수 있다.
균열 영역 검출부(120)는 이미지 획득부(110)로부터 획득된 이미지를제공 받아 제공 받은 이미지로부터 조사하고자 하는 균열 영역을 검출할 수 있다. 일반적으로 컬러 이미지의 경우 각 픽셀은 0~255의 RGB(Red, Green, Blue) 값을 갖기 때문에, 측정하고자 하는 영역의 에지 또는 윤곽선에서 RGB 값이 급변하는 원리를 이용하면 원하는 대상 영역을 검출하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 균열 영역 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 균열 영역 검출부(120)는 이미지 획득부(110)로부터 획득된 이미지를 제공 받을 수 있는데, 예컨대, 이미지는 현미경으로 촬영한 균열 사진 원본으로, 초록색 부분은 알루미늄 시편의 표면이고, 가운데 검은 세로 선은 균열이다.
도 2의 (b)를 참조하면, 균열 영역 검출부(120)는 측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 RGB 색상 범위를 기준 색상 예컨대, 검정색으로 정하고, 이렇게 정한 기준 색상을 기초로 이미지 내 한 점에서 시작해서 범위를 넓혀가면 RGB 값이 급변하는 구간을 균열 영역의 에지 또는 윤곽선으로 추출하고, 추출된 균열 영역의 윤곽선을 기초로 전체 균열 영역을 검출할 수 있다.
도 2의 (c)를 참조하면, 균열 영역 검출부(120)는 균열 영역이 검출되면 이미지를 추출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리(binary) 이미지를 생성할 수 있다. 균열 영역 검출부(120)는 예컨대, 균열 영역은 흰색, 비균열 영역은 검은색으로 이루어진 바이너리 이미지를 생성할 수 있다.
본 발명에서는 균열 영역과 비균열 영역을 흰색과 검은색 즉, 2개의 색상으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 그 이상 예를 들어, 3개 이상의 색상으로 세분화하여 이미지를 생성할 수도 있다.
이렇게 검출된 균열영역으로부터 균열의 폭을 측정해야 한다. 이를 위해, 균열 영역의 양쪽 윤곽선이 만나는 것이 중요한 경우, 각 지점에서 폭의 최소 거리를 측정해야 하거나, 동서 방향과 같이 특정한 방향으로 폭을 측정해야 한다. 또한, 구불구불한 모양의 경우에는 균열의 진행 방향에 수직하게 폭을 측정하는 방법이 있는데, 이 방법이 가장 직관적이다. 따라서, 본 발명에서는 균열의 진행 방향에 수직하게 균열의 폭을 측정하는 방법을 일 예로 설명하기로 한다.
스켈레톤 추출부(130)는 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤(skeleton)을 추출할 수 있다. 이때, 스켈레톤을 추출하는 방식으로는 기존에 사용되는 다양한 방식 예컨대, 세선화(thinning) 알고리즘, MAT(Medial Axis Transform) 알고리즘 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 MAT 알고리즘을 이용하여 스켈레톤을 추출하는 방식을 일 예로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스켈레톤 추출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 스켈레톤 추출부(130)는 미리 정해진 알고리즘 예컨대, MAT 알고리즘을 이용하여 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출한 결과를 보여주고 있다. 내접하는 원의 중점을 모아 스켈레톤을 만드는 MAT 알고리즘의 특성상 오목하게 들어간 부분에서 그림과 같이 곁가지가 발생하는 것을 볼 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 스켈레톤 추출부(130)는 추출된 스켈레톤에서 무의미한 곁가지를 모두 제거할 수 있다. 예컨대, 균열 영역의 양쪽 윤곽선에 ID1, ID2와 같은 ID를 각각 부여한 후, 스켈레톤 위의 한 픽셀에서 원이 커지면서 접하는 두 접점 C1, C2을 찾을 때 두 접점 C1, C2이 서로 다른 ID에 속하는 경우 이 픽셀은 주 스켈레톤이라고 판단하여 제거하지 않고, 두 접점 C1, C2이 같은 ID에 속하는 경우 곁가지로 판단하여 제거할 수 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 스켈레톤 추출부(130)는 무의미한 곁가지를 제거하는 과정을 거쳐, 측정하고자 하는 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 그 균열 영역의 중심선인 스켈레톤만이 포함된 바이너리 이미지를 획득할 수 있다.
이렇게 스켈레톤을 추출하는 이유는 균열의 진행 방향을 찾기 위해서이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스켈레톤의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 균열 영역 내에 스켈레톤을 추출할 때, 양쪽의 윤곽선의 대칭성 때문에 2 픽셀의 두께로 스켈레톤이 추출될 수도 있다. 예컨대, 도 4a의 경우 양쪽 윤곽선 사이의 픽셀의 개수가 홀수 개인 경우 중심선에 해당하는 스켈레톤이 1 픽셀 라인 L1으로 추출되고, 도 4b의 경우 양쪽 윤곽선 사이의 픽셀의 개수가 짝수 개인 경우 중심선에 해당하는 스켈레톤이 2 픽셀 라인 L2, L3으로 추출될 수 있다.
상기 도 4a의 경우와 비교하면 상기 도 4b의 경우에 스켈레톤 상의 픽셀에서 균열의 폭을 측정하게 되면 전체 데이터 양이 두 배로 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 도 4b의 경우 두 개의 픽셀 라인 중 하나의 픽셀 라인만을 이용한다.
균열 영역 측정부(140)는 추출된 스켈레톤 상의 하나의 픽셀을 기준으로 하는 미리 정해진 크기의 윈도우를 이용하여 해당 픽셀에 대한 균열의 진행 방향을 판별하고 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 균열의 폭을 측정하기 위한 측정 방향으로 판별하여 그 측정 방향으로 균열의 폭을 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 균열영역 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 스켈레톤 추출부(130)로부터 측정하고자 하는 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 그 중심선인 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 제공 받을 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 추출된 스켈레톤 상의 하나의 픽셀을 기준으로 하는 고정된 크기를 갖는 고정 윈도우 예컨대, 5×5 크기의 윈도우를 생성할 수 있다. 즉, 고정 윈도우는 스켈레톤 상의 모든 픽셀에서 동일한 크기로 생성될 수 있다.
도 5의 (c)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 생성된 5×5 크기의 윈도우 내 픽셀의 바이너리 정보 즉, 0, 1을 이용하여 윈도우 내 기준이 되는 해당 픽셀의 2차 모멘트 Iij를 다음의 [수학식 1]을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017119613755-pat00001
여기서, i, j는 2차 모멘트를 구하기 위한 변수로서, i + j = 2를 만족하는 (0, 2), (1, 1), (2, 0)의 값을 갖는다. 따라서 해당 픽셀의 2차 모멘트는 I02, I11, I20을 포함할 수 있다. 또한,
Figure 112017119613755-pat00002
는 윈도우의 중심 좌표를 나타내며, (x, y)는 픽셀의 좌표를 나타내며, I(x,y)는 (x, y) 좌표에 있는 픽셀의 밝기(intensity)로서, 0이나 1의 값을 갖는다.
균열 영역 측정부(140)는 상기 [수학식 1]을 이용하여 산출된 윈도우 내 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 다음의 [수학식 2]와 같은 행렬을 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017119613755-pat00003
균열 영역 측정부(140)는 상기 [수학식 2]를 이용하여 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구할 수 있다. 이때, 구한 2개의 고유 벡터 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터는 균열 영역의 진행 방향을 나타내고, 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터는 균열 영역의 진행 방향에 수직한 방향 즉, 측정 방향을 나타낸다.
따라서, 균열 영역 측정부(140)는 해당 픽셀에서 이렇게 구한 균열의 진행 방향에 대해 수직한 방향 즉, 측정 방향으로 균열의 폭을 측정할 수 있다. 여기서는 스켈레톤 상의 모든 픽셀에의 측정된 균열의 폭을 나타내지 않고 측정 방향만을 보여주기 위해 일정한 픽셀 간격으로 측정된 경우를 보여주고 있다.
이처럼 본 발명에서는 2차 모멘트와 고유값, 고유벡터를 활용하여 균열의 진행 방향과 측정 방향을 정하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 최소자승법 등 다양한 수학적/물리적 방법을 이용하여 균열의 진행 방향을 정할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 균열영역 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 스켈레톤 추출부(130)로부터 측정하고자 하는 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 균열 영역의 중심선인 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 제공 받을 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 추출된 스켈레톤 상의 하나의 픽셀을 기준으로 하는 가변적 크기를 갖는 가변 윈도우를 생성할 수 있다. 즉, 가변 윈도우는 스켈레톤 상의 각 픽셀마다 가변적인 크기로 생성될 수 있다.
도 6의 (c)를 참조하면, 균열 영역 측정부(140)는 생성된 가변 크기의 윈도우 내 픽셀의 바이너리 정보 즉, 0, 1을 이용하여 윈도우 내 기준이 되는 해당 픽셀의 2차 모멘트를 상기 [수학식 1]을 이용하여 산출할 수 있다.
균열 영역 측정부(140)는 상기 [수학식 1]을 이용하여 산출된 윈도우 내 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 상기 [수학식 2]와 같은 행렬을 구할 수 있다.
그리고 나서, 균열 영역 측정부(140)는 상기 [수학식 2]를 이용하여 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구할 수 있다. 이때, 구한 2개의 고유 벡터 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터는 균열 영역의 진행 방향을 나타내고, 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터는 균열 영역의 진행 방향에 수직한 방향 즉, 측정 방향을 나타낸다.
따라서, 균열 영역 측정부(140)는 해당 픽셀에서 이렇게 구한 균열의 진행 방향에 대해 수직한 방향 즉, 측정 방향으로 균열의 폭을 측정할 수 있다. 여기서는 스켈레톤 상의 모든 픽셀에의 측정된 균열의 폭을 나타내지 않고 측정 방향만을 보여주기 위해 일정한 픽셀 간격으로 측정된 경우를 보여주고 있다.
이때, 윈도우의 크기가 작을 경우 상기 [수학식 1]로부터 얻을 수 있는 각도의 경우의 수가 많지 않기 때문에, 윈도우 사이즈가 충분히 커야 하고, 반대로 윈도우의 크기가 균열 폭에 비해 너무 클 경우 진행 방향이 부정확해진다. 따라서, 본 발명에서는 윈도우의 크기가 균열 폭에 어느 정도 비례하도록 하는데, 가변적인 윈도우의 크기 W는 다음의 [수학식 3]과 같이 구할 수 있다.
[수학식 3]
W = c × D
여기서, c는 0 < c ≤ 3 범위 내의 인수(factor)를 나타내고, D는 MAT 알고리즘에서 균열 영역의 윤곽선에 접하는 원의 지름을 나타낸다. 이때, D는 원의 지름으로 설정될 수 있지만, 그 원이 균열 영역의 윤곽선과 만나는 두 접점 사이의 거리로 설정될 수도 있다.
다시 말해, 본 발명에서 윈도우의 크기는 균열 영역의 윤곽선에 접하는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원의 지름 또는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원이 균열 영역의 윤곽선과 만나는 두 접점 사이의 거리에 비례하도록 설정될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 스켈레톤 상의 픽셀에서 판별된 균열의 진행 방향에 수직하게 균열의 폭을 측정하는 방법을 설명하고 있지만, 이 외에 특정 방향으로 균열의 폭을 측정하거나 각 지점에서 균열의 폭의 최소 거리를 측정해야 하는 경우에도 앞에서 설명한 과정을 이용하여 측정이 가능하다.
그 일예로, 특정 방향으로 균열의 폭을 측정하는 경우, 스켈레톤 상의 각 픽셀에서 [수학식 1]을 이용하여 측정 방향을 정하는 대신 원하는 방향의 벡터를 이용하면 된다.
다른 예로, 각 지점에서 균열의 폭의 최소 거리를 측정하는 경우, 가변 윈도우를 이용하여 균열의 진행 방향과 폭을 측정하면 된다. 즉, 윈도우의 크기를 균열의 폭에 비례하게 설정하기 위한 MAT 알고리즘에서 균열의 윤곽선에 접하는 원의 지름을 이용하여 윈도우의 크기를 설정하였는데, 이 원의 중심과 두 접점을 이용하여 균열의 폭의 최소 거리를 쉽게 계산할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균열을 측정하기 위한 장치(이하, 균열 측정 장치라고 한다)는 조사 대상을 촬영한 이미지를 획득할 수 있다(S710). 이때, 균열 측정 장치는 조사 대상을 직접 촬영하여 이미지를 획득하거나 조사 대상을 촬영한 이미지를 유선 또는 무선 통신을 통해 획득할 수 있다.
다음으로, 균열 측정 장치는 획득된 이미지로부터 조사하고자 하는 균열 영역을 검출할 수 있다(S720). 구체적으로, 균열 측정 장치는 측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 기준 색상을 기초로 이미지 내에서 균열의 윤곽선을 추출하고, 추출된 균열의 윤곽선을 기초로 균열 영역을 검출하며, 검출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성할 수 있다.
다음으로, 균열 측정 장치는 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출할 수 있다(S730). 구체적으로, 균열 측정 장치는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 추출된 스켈레톤에서 곁가지를 제거하여 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득할 수 있다.
다음으로, 균열 측정 장치는 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 균열의 진행 방향과 그 진행 방향에 수직한 방향으로 균열의 폭을 측정할 수 있다(S740). 구체적으로, 균열 측정 장치는 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고, 생성된 윈도우 내 모든 픽셀의 바이너리 정보를 이용하여 해당 픽셀의 2차 모멘트를 산출하며, 산출된 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 2×2 행렬을 구하며, 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구하며, 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 해당 픽셀에 대한 균열의 진행 방향을 판별하고, 상기 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 균열의 폭을 측정하기 위한 측정 방향으로 판별한 후, 판별된 측정 방향으로 균열의 폭을 측정할 수 있다.
도 8은 균열의 폭이 정의되지 않아 잘못 측정되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명과 같이 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 균열의 폭을 측정하지 않아 잘못 측정되는 경우를 보여주고 있다. (a)에서는 특정 방향으로 폭을 측정할 경우 화살표와 같이 과도하게 큰 값이 측정되는 예를 보여주고, (b)에서는 균열이 꺽이는 경우 충분하지 못한 윈도우 크기로 인해 과도하게 큰 값이 측정되는 예를 보여주고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 가능한 대상을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, (a)의 피로 균열에 의한 균열의 폭을 측정할 수 있을 뿐 아니라 (b)의 강의 폭, (c)의 도로의 폭도 효과적으로 측정할 수 있다.
또한 일반적으로 몇 개의 지점에서 측정하는데 반해, 본 발명은 이미지 전체의 픽셀 단위로 측정하는 것이 가능하며 한 값이 아니라 그 분포를 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 이미지 획득부
120: 균열 영역 검출부
130: 스켈레톤 추출부
140: 균열 영역 측정부

Claims (13)

  1. 조사 대상을 촬영한 이미지를 제공 받아 상기 제공 받은 이미지로부터 균열 영역을 검출하는 균열 영역 검출부;
    상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하는 스켈레톤 추출부; 및
    상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고 상기 생성된 윈도우를 이용하여 상기 해당 픽셀에 있어서의 균열의 진행 방향을 판별하여 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 상기 균열의 폭을 측정하는 균열 영역 측정부;
    를 포함하고, 상기 스켈레톤 추출부는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 상기 추출된 스켈레톤에서 적어도 하나의 곁가지를 제거하여 상기 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 상기 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 검출부는,
    측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 기준 색상을 기초로 상기 이미지 내에서 균열의 윤곽선을 추출하고,
    상기 추출된 균열의 윤곽선을 기초로 상기 균열 영역을 검출하며,
    상기 검출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스켈레톤 추출부는,
    상기 스켈레톤 상의 한 픽셀을 기준으로 하는 원이 접하는 두 접점이 서로 다른 윤곽선에 속하는 경우 해당 픽셀을 스켈레톤으로 판단하여 제거하지 않고,
    상기 두 접점이 동일한 윤곽선에 속하는 경우 해당 픽셀을 상기 곁가지로 판단하여 제거하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정부는,
    상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 동일한 크기의 윈도우를 생성하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정부는,
    상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 가변적인 크기의 윈도우를 생성하되, 상기 윈도우의 크기는 상기 균열 영역의 윤곽선에 접하는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원의 지름에 비례하도록 설정되는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정부는,
    상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 가변적인 크기의 윈도우를 생성하되, 상기 윈도우의 크기는 해당 픽셀을 기준으로 하는 원이 상기 균열 영역의 윤곽선과 만나는 두 접점 사이의 거리에 비례하도록 설정되는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정부는,
    상기 생성된 윈도우 내 모든 픽셀의 바이너리 정보를 이용하여 해당 픽셀의 2차 모멘트를 산출하고,
    상기 산출된 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 2×2 행렬을 구하며,
    상기 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구하며,
    상기 고유 값 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 해당 픽셀에 대한 균열의 진행 방향을 판별하고, 상기 고유 값 중 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 상기 균열의 폭을 측정하기 위한 측정 방향으로 판별하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정부는,
    상기 추출된 스켈레톤이 두 개의 픽셀 라인으로 추출되는 경우, 상기 두 개의 픽셀 라인 중 하나의 픽셀 라인 상의 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
  10. 조사 대상을 촬영한 이미지를 제공 받아 상기 제공 받은 이미지로부터 균열 영역을 검출하는 균열 영역 검출단계;
    상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하는 스켈레톤 추출단계; 및
    상기 추출된 스켈레톤 상의 픽셀마다 해당 픽셀을 기준으로 하는 소정 크기의 윈도우를 생성하고 상기 생성된 윈도우를 이용하여 상기 해당 픽셀에 있어서의 균열의 진행 방향을 판별하여 그 판별된 균열의 진행 방향에 수직한 방향으로 상기 균열의 폭을 측정하는 균열 영역 측정단계;
    를 포함하고, 상기 스켈레톤 추출단계에서는 미리 정해진 알고리즘을 이용하여 상기 검출된 균열 영역의 중심선에 해당하는 스켈레톤을 추출하고, 상기 추출된 스켈레톤에서 적어도 하나의 곁가지를 제거하여 상기 균열 영역의 양쪽 윤곽선과 상기 곁가지가 제거된 스켈레톤이 포함된 바이너리 이미지를 획득하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 균열 영역 검출단계에서는,
    측정하고자 하는 균열 영역을 판별하기 위한 기준 색상을 기초로 상기 이미지 내에서 균열의 윤곽선을 추출하고,
    상기 추출된 균열의 윤곽선을 기초로 상기 균열 영역을 검출하며,
    상기 검출된 균열 영역과 비균열 영역으로 이진화하여 바이너리 이미지를 생성하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 균열 영역 측정단계에서는,
    상기 생성된 윈도우 내 모든 픽셀의 바이너리 정보를 이용하여 해당 픽셀의 2차 모멘트를 산출하고,
    상기 산출된 해당 픽셀의 2차 모멘트를 기반으로 2×2 행렬을 구하며,
    상기 구한 2×2 행렬을 이용하여 2개의 고유 값과 2개의 고유 벡터를 구하며,
    상기 고유 값 중 큰 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 해당 픽셀에 대한 균열의 진행 방향을 판별하고, 상기 고유 값 중 작은 고유 값을 갖는 고유 벡터로부터 상기 균열의 진행 방향에 수직한 방향을 상기 균열의 폭을 측정하기 위한 측정 방향으로 판별하는, 이미지 처리 기법을 이용하여 균열을 측정하기 위한 장치.
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