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기술정보 혁신적인 진동 거동 가시화 기술 (1회) (Motion Amplification Technology)

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 100회 작성일 19-08-20 18:12

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진동 거동 가시화 기술은?
그 동안 산업 현장 및 배관/구조물 계통에 진동이 발생하여 그러한 진동이 지속되는 경우 심각한 안전사고로 이어질 수 있는 상태를 기존에 수행하는 사람의 눈을 통한 점검과 움직임은 인지가 되지 않으므로 파악하기가 어렵고, 적극적인 정비 계획 및 개선을 수행하는 것이 어려웠다.
그러나 진동 거동 가시화 기술을 적용하는 경우, 어떤 대상물이더라도 일반적인 영상을 촬영하듯이 고해상도 카메라를 이용하여 대상물을 기준으로 촬영 후 특허를 받은 영상 처리 알고리즘을 이용하면 사람의 눈으로 인지가 되지 않던 대상물의 진동 거동이 확연하게 나타나고, 전문적인 진동 분석 기술이 없더라도 누구나 쉽게 대상물에서 발생하고 있는 진동 거동 현상을 촬영 후 즉시 확인이 가능할 뿐만 아니라, 동영상의 어느 부분의 픽셀이라도 클릭을 하면(즉, 수백만 개의 픽셀 하나하나가 진동을 측정하는 센서가 되는 것) 진동 시간파형과 스펙트럼 및 수치화된 진동 데이터를 확인할 수가 있으므로 시각적으로 확인이 가능하며, 동영상 + 진동 파형 + 진동 데이터 값을 동시에 얻을 수 있는 진동 분석 분야의 혁신적인 기술로서 전 세계적으로 선풍적인 반응과 대부분의 신기술 시상식에서 수상하는 영광을 받고 있다.
아울러 이러한 기반 기술을 바탕으로 주요 대상물을 기준으로 지속적으로 모니터링 하기 위한 온라인 모니터링 시스템 개발과 신제품 개발이 꾸준히 진행되고 있으므로 향후 설비관리 및 안전 구조물 관리에 큰 기여를 할 것임을 확신한다.


조금 더 자세하게 기술을 살펴보면?
본 특허 기술은 사람의 눈에는 보이지 않는 휨, 변위, 움직임 및 진동을 측정하며, 소프트웨어 및 신호처리 알고리즘과 함께 비디오 카메라 기술을 활용하여 의미 있는 데이터를 추출한다. 이 기술은 카메라의 모든 픽셀을 진동이나 움직임을 볼 수 있도록 높은 수준의 정확도로 측정 할 수 있는 센서로 만드는 것이다.
촬영 결과는 진동 모션의 시각화에 활용이 되며, 카메라가 볼 수 있는 모든 대상물을 측정하고 진동 거동에 대한 정량화 된 데이터를 취득할 수 있다.

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특징으로는?
기존의 방식과 같이 대상물에 직접 부착하는 접촉 센서를 사용하여 대형 설비 또는 구조물의 경우 전체를 측정하고자 하는데 필요한 엄청난 양의 센서 때문에 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 전문적인 측정 기술을 보유한 진동 전문가가 필요하며, 시간적으로도 상당히 많은 시간이 투입되어야 한다. 전통적인 진동 기술의 한계를 극복하는 방법은 센서를 1차원 스펙트럼에서 시각적 스펙트럼으로 이동시키는 것이며, 진동 거동 가시화 기술을 사용하여 생성된 동영상은 대상물에 대한 시각적인 이해와 모션을 통해 누구나 쉽게 인지하도록 도와준다.

본 기술의 장점은?
대상물에 대한 진동 현상 조기 감지 및 이해를 위한 문제 해결 툴
기술자와 비 기술자 간의 효과적인 커뮤니케이션
도구로 활용
완벽한 비 접촉 방식으로 안전한 데이터 수집
정상적으로 가동 중인 설비를 대상으로 일정 거리를 유지하며 측정하므로 안전하게 측정 수행
전통적인 ODS 기술보다 시간과 비용이 혁신적으로 절감되며, 누구나 쉽게 사용


1. 고해상도 카메라

(1) 고해상도 카메라
진동 거동 가시화(모션 증폭)은 고품질 그레이 스케일 이미지를 캡처할 수 있는 USB 3.0 스트리밍 비디오 카메라를 사용한다. 카메라는 USB 3.0 케이블로 컴퓨터에 연결되며, USB 3.0 케이블을 통해 카메라에 전원이 공급된다. USB 3.0 케이블은 나사 잠금 커넥터로 항상 카메라에 연결해야 하며, 케이블 길이는 3m(9.84 ft)를 넘지 않아야 한다.

(2) 렌즈
카메라에 사용되는 렌즈 유형은 C 마운트 렌즈이다. 렌즈는 나사식 인터페이스를 통해 카메라 전면에 장착된다. 표준 키트에는 여러 개의 렌즈가 제공된다. 렌즈의 초점 거리가 시야각(fov)과 배율을 결정한다. 렌즈를 초점 거리의 두 배로 변경하면 배율이 두 배가 되고, fov는 1/2로 줄어든다. 렌즈를 초점 거리의 절반으로 변경하면 확대율이 절반으로 줄어들고, fov가 두 배가 된다.

-Aperture Ring - 조리개 링은 조리개를 늘리거나 줄이기 위해 사용한다. 그 효과는 빛을 보다 많이 또는 적게 받을 수 있도록 하는 것이다.
-Focus Ring - 초점 링은 카메라의 고리이며, 이미지의 초점을 변경한다.

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2. 소프트웨어

(1) 데이터 수집(Acquisition)과 모션 증폭(진동 거동 가시화) 

진동 거동 가시화는 데이터 수집(Acquisition)과 모션 증폭(진동 거동 가시화)의 두 가지 소프트웨어 어플리케이션으로 구성된다. 두 소프트웨어 어플리케이션은 컴퓨터에 동시에 설치되며, Acquisition 소프트웨어는 데이터를 기록하고, 진동 거동 가시화 소프트웨어는 데이터를 분석하고 모션을 증폭한다.
카메라의 기본 설정은 다음과 같으며, 기본값은 60Hz 전원 주파수에 대한 것이다.

① 카메라 특성(Camera Properties)
-Acquisition Mode - 오버 샘플링을 적용하지 않고, 앨리어싱(Aliasing) 또는 모션 증폭(진동 거동 가시화)을 줄이기 위해 오버 샘플링을 적용하여 위치
이동에 우선 순위를 부여할지 여부를 결정한다.
가능한 값은 변위(Displacement) 또는 모션 증폭(진동 거동 가시화)입니다. 변위 모드에서는 오버 샘플링 안티 앨리어싱 모드를 허용하기 위해 프레임 속도가 요청된 Fmax 보다 높게 설정된다. 모션 증폭에서 프레임 속도는 더 높게 설정되지 않고, 오버 샘플링이 적용되지 않는다.
-*Lighting - 조명 조건에 적합한 프레임 속도를 설정한다. 가능한 설정은 AC Indoor 및 Other이다. 한국의 경우 AC Indoor는 120 fps의 ½ 분할인 프레임 속도를 허용한다. 60 fps, 30 fps ... 다른 나라의 경우 100 fps의 ½ 분할이다. 50 fps, 25 fps. “Other”를 선택하면 사용자가 프레임 속도를 원하는 값으로 설정할 수 있다.
-Framerate (fps) - 1초 내에 수집할 이미지의 수를 결정한다. 샘플링 속도와 동일하다.
-Fmax - 주파수 측정을 위해 스펙트럼에서 사용 가능한 최대 주파수를 결정한다. 이 옵션 또한 원하는 Fmax를 달성하기 위해 변위(Displacement) 모드에서 필요한 프레임 속도로 프레임 속도를 대체하고 설정한다.
-Brightness (%) - 이미지의 노출 시간을 변경하여 이미지의 밝기를 조정한다. 밝기 레벨이 클수록 노출 시간이 길어진다. 이 값은 0에서 100%까지
조정된다.
-Gain - 카메라 센서의 감도를 조정한다. Gain을 높이면 이미지가 밝아지지만 더 많은 노이즈가 발생하고, 측정 품질이 저하된다. 때로는 이미지가 너무 어두울 때 필요하다.

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② 레코딩/재생 바(Recording/Playback Bar)
레코딩 / 재생 바는 이미지 뷰어 창 아래에 있으며, 사용자가 어떤 모드에 있는지에 따라 사용자에게 레코딩 및 재생을 제어하고 알려주는 역할을 한다.
레코딩 저장  - 이것을 누르면 데이터 수집 후 레코딩이 저장된다.
레코딩 삭제  - 이것을 누르면 레코딩이 삭제된다.
레코딩 증폭  - 이것을 누르면 모션 증폭(진동 거동 가시화)어플리케이션이 시작되고, 현재의 레코딩이 증폭된다.

③ 이미지 뷰어(Image Viewer)
이미지 정보 - 이미지 위에 마우스를 올리면 이미지 정보가 표시된다. 정보는 전체 밝기의 퍼센트, 수평 픽셀 위치, 수직 픽셀 위치이다. 픽셀 (0,0)은 왼쪽 상단 모서리에 있다.
이미지 툴 바 - 이미지 뷰어 창 위에 있는 이미지 툴 바를 사용하면 축소, 확대, 전체 보기로 재설정 및 이미지 이동이 가능하다. 이미지 이동 단추는
이미지가 확대된 경우에만 액세스할 수 있다.

사용자는 뷰어 영역에서 이미지의 크기와 위치가 변경되는 관심 영역(Region of Interest : ROI)을 그릴 수 있다. ‘마우스 왼쪽 클릭 + 드래그’는 이미지의 일부분에 빨간색 상자를 그린다.

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④ 데이터 수집 모드(Acquisition Modes)
데이터 수집에는 변위(Displacement)와 모션 증폭(진동 거동 가시화) 두 가지 기본 모드가 있다. 변위(Displacement) 는 변위량 측정에 중점을 두고, 모션 증폭(진동 거동 가시화)의 경우 보다 넓은 범위를 허용하는 일부 제한을 제거한다. 모션 증폭(진동 거동 가시화) 모드에서는 제약이 줄어들어 더 높은 설정의 프레임 속도를 얻을 수 있다.

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a. 변위(Displacement)

이 모드는 주로 변위(Displacement) 측정을 수행하도록 설계되었다. 이 모드와 모션 증폭(진동 거동 가시화) 모드의 주요 차이점은 오버 샘플링이 앨리어싱을 줄이기 위해 적용된다는 것이다. 또한, 구성 가능한 설정은 프레임 속도가 아닌 Fmax이다. 안티 앨리어싱 필터를 적용하려면 프레임 속도를 높아야 하므로 수직 해상도가 감소한다. 변위(Displacement) 모드에는 두 가지 옵션이 있다. 1. AC Indoor - 이 모드에서는 프레임 속도 옵션이 Fmax로 변경된다. 이것은 프레임 속도가 안티 앨리어싱을 위해 오버 샘플링을 하기 때문이다. 예를 들어, 63Hz Fmax를 선택하면 63Hz를 분해하는데 필요한 126 fps보다 훨씬 높은 프레임 속도로 카메라가 수집된다. 따라서, 변위 판독에서 예상되는 주파수 범위를 더 쉽게 이해할 수 있다. 사용 가능한 값은 126, 63 및 32Hz이다(50Hz 전원 주파수의 경우 105, 53 및 26Hz). 2. Other - Fmax는 재구성 가능한 옵션이다. 여기서 사용자는 원하는 Fmax를 선택할 수 있으며, 소프트웨어는 오버 샘플링 안티 앨리어싱 필터를 구현하는데 필요한 프레임 속도를 설정한다. 최대 Fmax는 카메라의 최대 프레임 속도에 의해 결정된다. 허용 가능한 최대 Fmax가 너무 느리면 카메라의 수직 해상도를 줄여서 더 빠른 프레임 속도가 가능하도록 하자.

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b. 모션 증폭(진동 거동 가시화)
이 모드는 주로 모션 증폭(진동 거동 가시화) 비디오를 생성하여 안티 앨리어싱 필터를 제거하여 주어진 해상도보다 높은 프레임 속도의 형태로 수집 시 넓은 범위를 제공하도록 설계되었다. 여기서 구성 가능한 설정은 프레임 속도이다. 모션 증폭(진동 거동 가시화) 모드에서 두 가지 옵션을 사용할 수 있다. 1. AC Indoor - 프레임 속도는 구성 옵션이다. 프레임 속도는 모션 증폭 비디오의 전원 주파수만을 기반으로 한다. 사용 가능한 프레임 속도는 120과 60fps이다(50Hz 전원 주파수의 경우 100과 50 fps). 2. Other - 이 모드에서 프레임 속도는 구성 가능한 설정이며, 사전 설정된 값이 없다. 카메라에서 사용할 수 있는 모든 프레임 속도를 사용자가 사용할 수 있다. 원하는 프레임 속도를 사용할 수 없는 경우 수직 해상도를 낮춰서 더 높은 프레임 속도를 사용할 수 있다.

(2) 모션 증폭(진동 거동 가시화) 소프트웨어

① 툴바(Toolbar)

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확대 버튼을 사용하면 증폭된 레코딩에서 관심 영역을 확대할 수 있다. 확대 된 후에는 확대 / 축소 위치를 전체 보기로 다시 설정할 수 있다. 보기가 확대된 경우 사용자는 화살표 버튼을 사용하여 현재 보기를 원하는 방향으로 이동할 수 있다. 모션 증폭(진동 거동 가시화)에서 격자 오버레이가 지원된다. 격자 버튼을 누르면 모션 증폭(진동 거동 가시화)창에 그리드가 표시된다. 주석 추가 버튼을 사용하면 화살표, 원, 사각형 및 텍스트 오버레이를 현재 레코딩에 추가할 수 있다. 사용자는 이 대화 상자에서 각 기능들의 색상을 선택할 수 있다.

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재생 바를 사용하면 레코딩을 재생 및 일시 중지를 할 수 있다. 루프 버튼은 활성화 및 비활성화할 수 있다. 루프 버튼이 활성화되어 있으면 녹음이 재생되어 끝까지 도달하면 자동으로 다시 시작된다.

외부로 보내기 할 레코딩 부분은 재생 막대에 표시된 녹색 삼각형으로 제어된다. 재생 위치 표시기를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 레코딩 위치를 내보내기 시작 또는 내보내기 끝을 설정할 수 있다.

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② 증폭 조정(Adjusting Amplification)

모션 증폭(진동 거동 가시화) 창의 오른쪽 상단에 있는 증폭 슬라이더는 현재 녹음이 재될 때 적용되는 증폭 양을 제어한다. 슬라이더의 기본 위치와 가장 낮은 위치는 0(또는 증폭 없음)이다. 슬라이더의 위쪽 위치는 50의 증폭 계수다. 증폭 계수를 높이면, 증폭된 이미지에 나타나는 노이즈가 증가한다.

③ 증폭 시간 결정(Determining Amplification Period)
흔히 사용자가 증폭하기를 원하지 않는 움직임이 있거나 움직임이 너무 커서 증폭이 바람직하지 않은 영향을 미친다. 예를 들어, 프레스의 충격 중 움직임은 흥미로울 수 있지만 프레스가 내려오는 동작은 그렇지 않을 수 있다. 이것을 고려하여 증폭 시간을 변경할 수 있다. 이를 통해 사용자는 증폭을 위한 시작과 끝을 설정할 수 있다. 그런 다음 소프트웨어는 이 시간 간격만 보고 움직임을 확인하고 그 움직임을 증폭시킨다. 이는 수집을 시작할 때 발생하는 모션이 크고 나중에 발생하는 장면의 움직임에 좋지 않은 영향을 줄 수 있는 경우에 유용하다. 증폭이 발생하는 시간을 조정하려면 재생 표시기를 시작 위치에 놓고 증폭을 발생시킨 다음, 재생 위치 표시기를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한다. 드롭 다운 메뉴에서 증폭 시작 설정을 선택한다. 그러면 막대 위쪽의 파란색 삼각형이 현재 위치로 이동하여 증폭 시작임을 나타낸다. 이제 재생 위치 표시기를 증폭을 종료할 지점으로 이동하면 되고, 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 증폭 끝 설정을 선택하면 된다. 두 번째 파란색 삼각형이 증폭 기간의 끝점을 나타내는 현재 위치의 막대 위에 나타난다. ※중요 : 이 시간 동안 증폭을 적용하려면 마우스 오른쪽 버튼을 클릭을 하고, 재증폭 레코딩(Reamplify Recording)을 선택한다.

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※레코딩의 총 길이보다 작은 시간이 증폭 영역으로 설정되면 증폭된 레코딩 부분만 재생 시 증폭. 증폭 창 외부의 나머지 시간은 정상적인 비디오로 나타남

④ 밝기 / 재생 속도(Brightness / Playback Speed)
레코딩의 밝기는 일반적으로 수집 중에 제어되지만, 모션 증폭(진동 거동 가시화) 창의 오른쪽에 있는 밝기 슬라이더로 재생 중에 미세 조정할 수 있다. 기본, 중심 위치는 조정되지 않는다. 슬라이더를 가운데 위치 위로 움직이면 증폭된 재생의 밝기가 증가한다. 슬라이더를 가운데 위치 아래로 움직이면 증폭된 재생의 밝기가 감소한다. 재생 속도 버튼에는 여러 위치가 있다. 가장 느린 위치는 맨 아래에 있으며, 가장 빠른 위치는 맨 위에 있다. 가장 빠른 위치는 데이터를 수집할 때 재생 속도의 4배가 된다. 가장 느린 위치는 재생 속도가 수집한 속도의 1/20이 된다. 예를 들어, 120 fps로 촬영한 레코딩의 경우 가장 느린 재생 속도로 재생하면 6 fps로 표시된다.

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⑤ 비디오 내보내기(Exporting a Video)
내보내기 버튼은 모션 증폭(진동 거동 가시화) 창의 오른쪽 아래에 있다. 진행 중인 재생을 일시 중지하고, 현재 레코딩의 내보내기를 시작한다. 내보낸 레코딩에는 현재 표시된 모든 오버레이(격자 및 / 또는 주석)가 포함된다. 또한 전체 프레임의 현재 표시된 부분만 내보내짐으로 사용자가 창의 특정 부분을 확대한 경우 해당 부분만 내보낼 수 있다.

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(3) 변위와 주파수(Displacement and Frequency)

① 측정 대상 관심 영역(Region of Interest) 그리기
변위 측정은 모션 증폭(진동 거동 가시화) 소프트웨어에서 직접 기록할 수 있다. 이렇게 하려면 측정이 필요한 위치의 이미지에 관심 영역(Region of Interest : ROI)을 그려야 한다. 다음 이미지는 시간 파형, 스펙트럼 및 궤도 버튼의 위치를 보여준다. 활성화된 버튼은 다른 유형의 플롯에 대해 별도의 창을 시작한다. 변위 측정을 수행할 ROI를 그리려면 왼쪽 마우스 버튼을 누른 상태로 있다. 그런 다음 측정할 영역 위로 마우스를 드래그한다. ROI가 적절한 위치에 있으면 사용자는 마우스 왼쪽 버튼을 놓는다. 이 시점에서 소프트웨어는 ROI 내에서 변위 측정을 결정한다.

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