Tech Trend - 디지털 영상처리를 활용한 첨단 시설물스캐닝 기술
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최근 잇따라 발생한 대형재난사고 소식에 그 어느 때보다 안전에 대한 중요성이 부각되고 있으며, 이와 더불어 시설물의 안전관리에 대한 국민적 관심도 커지고 있다.
국내의 사회기반 시설물은 그 수가 지난 수십년간 급속히 증가하여 포화상태에 이르렀으며, 이미 많은 부분에서 노후화가 진행되고 있어 제대로 된 안전관리가 절실하다.
국내의 시설물 안전관리는 「시설물 안전관리에 관한 특별법」(이하 ‘시특법’이라 함)에서 정한 주기나 수준에 의해 점검 및 진단이 이루어지고 있다.
그 중 정밀점검과 정밀안전 진단시 이루어지는 여러 항목 중 1차적으로 실시하는 외관조사는 중요한 검사항목 중 하나로 분류되고 있지만, 아직까지 대부분 육안에 의존하여 수행하고 있는 것이 현실이다.
육안에 의한 조사는 한정된 조사시간과 점검자 주관에 의존하기 때문에 손상의 누락이나 오류의 발생여지가 어쩔 수 없이 발생하게 되며, 이로 인해 정밀성과 객관성이 떨어질 수 밖에 없다.
따라서 일본, 유럽 등의 선진국에서는 오래전부터 첨단장비를 이용한 외관조사를 도입하여 널리 시행하고 있고, 국내에서도 한국표준과학연구원, (주)케이엠티엘 등에서 개발한 콘크리트 시설물 스캐닝기술을 활용한 조사가 2003년 처음 서울 금화터널에서 시작하여 현재 점차 확대·적용되고 있으며, 스캐닝 연장거리로 총 600km 이상이 실시되었다.
여기에서는 해외에서 개발된 외관조사 자동화기술들을 살펴보고 국내의 시설물 외관스캐닝 기술을 간략히 소개해 보고자 한다.
해외의 외관조사 자동화기술
해외의 시설물 외관조사 자동화기술은 이미 오래전부터 개발이 시작되어 다양한 기술들이 개발 및 적용되었으며, 특히 일본의 경우 여러 기관에서 관련기술에 대한 개발이 이루어졌다.
해외의 기술은 크게 레이저 방식과 CCD(Charge Coupled Device)라인센서 카메라 방식으로 나눌 수 있으며, 각 기술의 내용은 아래와 같다.
1. 레이저 방식
레이저 방식을 이용한 외관조사 시스템으로는 일본의 Tunnel Catcher, 스위스의 TS360 및 프랑스의 ATLAS-70 등이 있으며, 그 원리는 측정장치로부터 레이저빔을 터널 라이닝 표면에 방출한 후 반사되어 돌아오는 광선의 반사광량을 분석하여 라이닝표면의 상태를 영상으로 나타내는 방식이다.
레이저빔을 가늘게 만들어 폴리건 스캐너 등을 이용하여 계측대상물에 고속으로 주사하고 반사되는 광선의 양을 고속 광센서로 검출하여 검출된 정보는 디지털신호로 변환하여 고속데이터 레코더 등으로 기록한다.
그러나 이 방식은 반드시 정속주행을 해야 하기 때문에 정속주행이 가능한 철도 등의 터널 시설물에 국한되어 있을 뿐만 아니라 레이저빔의 간섭률이 높은 관계로 인하여 오차율에 한계를 극복하지 못하고 있는 실정이다.
2. CCD 라인센서 카메라 방식
CCD 라인센서 카메라 방식은 일반적으로 사무용 복사기, 스캐너 등에서 많이 활용되고 있는 방식을 콘크리트 시설물에 적용할 수 있도록 개발한 것으로 일본 고쓰에이단(交通營團) 지하철의 Tunnel Inspection System, 일본 JR도카이(東海)의 Tunnelas 등에서 주로 활용되고 있다.
그 원리는 CCD 라인센서 카메라를 이용하여 영상을 취득하는 방식으로 투영장치, 화상기록 장치, 조명장치 등으로 구성되어 있다.
그러나 CCD 라인센서 카메라를 이용한 방식의 균열검출 시스템은 레이저 방식과 동일하게 정속주행을 해야 하기 때문에 그 사용범위가 한정될 수밖에 없다.
일본의 경우 초기에는 레이저를 이용한 시스템을 사용하여 유지·관리하였으나, 활용도 및 정밀도에 있어서 여러가지 문제점이 노출되어, 현재는 고화질 비디오카메라를 이용한 시스템으로 연구개발하고 있는 추세이다.
유럽에서는 가시광선 영역에서 얻는 화상 이외에도 터널 내공형상 및 적외선 열화상 정보도 기록되는 시스템이 개발되어 현장에서 활용되고 있으나, 시설물 외관조사에 적용하기에는 적외선 열화상 정보처리 시스템의 해상도 등의 한계로 인하여 부적합한 면이 존재한다.
국내개발 시설물스캐닝 기술(TMS-100)
국내에서 개발한 시설물스캐닝 기술은 해외의 Line Type의 방식에서 벗어나 Area Type의 방식을 적용하였다.
여러 대의 고감도 CCD 카메라를 이용하여 이동(5~10km/h)하면서 시설물 표면을 촬영하고 각종 영상처리기법들을 통해 손상상태를 검출하는 기술이다.
이 스캐닝 기술은 기존 육안조사와 대비하여 수백배 빠른 속도로 외관조사 작업이 가능하고 디지털 방식이므로 통합관리시스템(경년변화 및 생애주기)을 구축하고 데이터베이스를 통한 집중관리가 가능하다.
이러한 시설물스캐닝 기술은 크게 영상획득기술, 영상처리기술, 균열 Mapping기술 등 3가지 핵심기술로 구성된다.
1. 영상획득기술
영상획득기술은 여러 대의 고감도 CCD 비디오 카메라(최대 16대)를 하나의 지그에 장착하여 5~10km/h 내외로 주행하면서 왜곡과 진동영향이 최소화되도록 시설물 표면을 촬영하는 기술이다.
최적조건일 경우 0.1mm의 균열폭까지 추출이 가능한 정밀한 영상을 획득할 수 있는 기술로 카메라의 왜곡과 주행시 진동영향을 최소화시키는 것이 가장 핵심이라 할 수 있다.
해당기술에서는 카메라 자세제어장치, 레이저 화각장치, 방진장치 등을 개발하여 왜곡과 진동문제를 개선한 영상획득 시스템을 구성하였다.
2. 영상처리기술
여러 대의 카메라로 획득한 동영상을 왜곡보정을 거쳐 정지영상으로 변환한 후 하나의 정지영상으로 접합하고, 이를 디지털 영상처리 기법을 이용하여 균열, 박리, 누수, 백태 등의 주요손상들을 찾아내고 그 정도를 측정하여 필요한 형식의 데이터로 출력하는 것이 영상처리기술의 흐름이다.
영상처리기술에 있어서 핵심은 현장에서 취득한 대용량의 영상데이터를 고속으로 접합하는 기술, 정지영상에서 균열을 추출하는 기술, 균열을 수치화하는 기술, 균열을 도면화 하는 기술, 도면화된 각 손상들을 Excel로 수치화시키는 기술이다.
각각의 처리단계별로 적합한 소프트웨어가 필요하며, 영상처리시스템을 구성하기 위해 영상 Merging, 영상편집, 영상 왜곡보정처리, 손상정보 인식 및 측정, 데이터 출력과 같은 상세핵심기술을 개발하였다.
특히 균열폭 측정에 있어서 균열과 비균열의 대비를 극대화하고 정확한 균열폭의 측정을 위해서 농도치 히스토그램을 이용한 균열폭 측정 영상처리 알고리듬을 개발하여 빠르고 정확한 균열처리가 가능하도록 하였다.
3. 균열 Mapping기술
앞서 영상획득기술과 영상처리기술을 통해 얻어진 시설물의 균열, 누수, 백태, 박락 등의 손상정보를 정량적으로 조사하여 데이터 베이스를 구축하고 2차원, 3차원으로 상태변화 이력을 입력, 조회할 수 있는 기술이다.
특히 균열의 진행여부를 판단하는 데 있어 이러한 균열매핑기술을 통해 이전 진단결과의 균열과 현재 진단결과의 균열을 오버랩시켜 상호 비교하는 것이 가능하다.
해외기술과 국내기술의 비교
해외에서 개발한 레이저 방식, CCD 라인센서 카메라 방식의 외관조사 시스템과 국내의 고감도 3CCD 디지털 비디오 카메라 방식의 스캐닝시스템의 성능과 특징을 비교하면 표 1 과 같다.
표 1 에서 보듯이 3CCD 디지털 비디오 카메라 방식이 정밀도와 검사속도 면에서 가장 우수한 성능을 구현함을 알 수 있으며, 무엇보다 타 방식의 검사시스템은 검사대상시설이 터널에 제한되어 있는 반면, 3CCD 디지털 비디오 카메라 방식은 터널 외의 시설물에도 적용이 가능하다는 점에서 큰 장점이 있다.
실제로 국내에서 다양한 시설물을 대상으로 스캐닝 조사가 이루어지고 있으며, 특히 도로터널 및 철도터널은 물론 교량의 교각, 모노레일, 댐 여수로 및 도수터널, LNG탱크 등 다양한 시설물에 적용하고 있다.
맺음말
시설물의 외관조사를 자동화하는 기술은 시설물 유지관리에 대한 중요성을 먼저 인식한 해외선진국에서부터 시작되었지만, 국내에서 개발된 스캐닝 기술은 정밀도와 운전속도, 준비시간 등의 면에서 해외기술과 견주어도 뒤처지지 않는 수준을 확보하였다.
하지만 아무리 우수한 기술이라도 활용되지 않으면 도태될 수밖에 없다.
보다 많은 시설물과 다양한 영역에서 기술적용이 확대되고 이로 인해 기술의 개선과 추가개발 등이 활발히 이루어질 수 있도록 적극적인 제도개선이 이루어지기를 기대한다.