혁신적인 비디오 처리 시스템을 활용한 미묘한 동작 감지, 증폭, 측정
혁신적인 비디오 처리 시스템을 활용한 미묘한 동작 감지, 증폭, 측정
RDI Technologies(미국 테네시주 녹스빌 소재)는 Iris M이라는 혁신적인 비접촉식 비디오 처리 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템은 FLIR 카메라를 사용(과거에는 Point Grey 사용)하여, 기계로 인해 발생한 미묘한 진동을 감지, 증폭, 측정해주며, 기존 기술이 갖고 있던 단점을 모두 없앤 솔루션입니다.
모든 기계는 진동을 발생시킵니다. 그 중 일부는 정상 작동의 일환으로 진동을 동반하기도 하지만, 그 외의 경우에 진동은 초기 고장을 나타내는 신호일 가능성이 있습니다. 예방 정비 분야에서는 작은 결함이 심각한 고장으로 번지기 전에 문제를 확인하고 해결하는 것이 중요한데, 진동은 이러한 진단 과정에서 핵심 요소로 활용됩니다.
RDI Technologies의 Iris M 시스템은 Vanguard 삼각대 위에 장착된 Point Grey/FLIR 2.3 메가픽셀 Grasshoppper3 카메라를 사용하여, 1920 x 1050의 기본 해상도와 초당 120 프레임의 프레임률로 Mono크롬 형식의 화상 데이터를 수집합니다.
카메라에 있는 데이터는 USB 3.0 인터페이스를 통해 태블릿 PC로 전송되며, FLIR에서만 제공되는 독점 소프트웨어를 사용하여 분석이 이루어집니다. 이를 기반으로 사용자는 기계 등 공장 자산의 진동 신호를 시각화하여 조회 할 수 있습니다.
전통적으로 이러한 진동 감지 검사는 접촉식 가속도계 등 유선 센서를 기계에 직접 배치하여 진동을 모니터링 하는 방식으로 수행되었습니다. 데이터가 센서에서 수집되면, 시스템은 해당 데이터를 대상으로 작동 편향 형상 분석을 수행합니다. 결과는 기계 동작을 애니메이션 모델 형태로 렌더링하는데 활용되고 생성된 화상은 진동 패턴을 시각화해 줍니다.
그러나 RDI Technologies의 창업주 겸 CEO인 Jeff Hay 박사에 따르면, 이 기술에도 단점은 있다고 합니다. 여러 개의 지점에서 측정 값을 수집한다는 것은 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 기계 또는 구조물에 직접 접근해야 한다는 문제를 야기합니다. 따라서, 기계에 대한 접근이 제한적이거나, 접근이 불가능한 경우, 설비가 벽이나 유리 뒤에 자리잡고 있는 경우에는 사용을 할 수 없게 됩니다. 또한, 접촉식으로 측정을 수행하려면 가속도계를 설치해야 하는데, 설치 시에는 기계의 작동을 중단시켜야 하기 때문에 공정 차질로 인한 피해가 발생합니다.
화상 설비
Iris M 시스템에서 카메라는 움직임을 포착해내고 분석 할 수 있는 비디오 화상을 수집하는 데이터 수집 장치의 역할을 수행합니다. Vanguard 삼각대 위에 장착된 FLIR 2.3 메가픽셀 Grasshoppper3 GS3-U3-23S6M-C 카메라(과거에는 Point Grey 제품 사용)는 기본 해상도 1920 x 1050와 초당 120 프레임의 프레임률로 Mono크롬 형식의 화상 데이터를 수집합니다. 카메라를 통해 수집한 데이터는 USB 3.0 인터페이스를 통해 나사형 고정 케이블을 거쳐 Getac F110, 또는 Microsoft Surface Book 태블릿 PC로 전송됩니다.
Iris M 시스템은 포인트 측정 값을 해석하여 존재하는 모든 모션 유형과 결함 유형을 결정하는 기능 대신, 특정 모션을 정량화 하는데 활용 할 수 있는 화상에서 직접적으로 플랜트 자산의 절대 변위 관련 포인트를 측정 할 수 있는 역량을 제공합니다.
"PC에서 실행이 가능한 Motion Amplification이라는 독점 비디오 처리 알고리즘을 사용하면, 기계의 진동을 시각화 할 수 있습니다. 그러기 위해서는 프레임 단위로 각 화상의 픽셀을 분석하여, 촬영 장면 상의 어느 부분이 움직이는지를 확인해야 합니다. 그 다음, 시스템은 화면상 움직임의 진폭이 갖고 있는 주기적인 변화를 육안으로 볼 수 있는 수즌으로 증폭시켜줍니다. 이는 육안으로 볼 때 너무 미묘한 움직임까지 보여 주며, 진동의 구성 요소와 상호 관계에 대한 이해를 향상시킵니다”라고 Hay 박사는 밝혔습니다.
PC용 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하면, 사용자는 추가 분석을 위해 화상의 여러 부분을 선택 할 수 있습니다. 원하는 부분을 선택하면, 시스템 소프트웨어는 해당 지역과 관련된 시간 종속 강도 데이터를 표시해줍니다. 그런 다음, 고속 푸리에 변환(FFT) 등 다양한 함수를 사용하여, 시간 종속 강도 데이터 집합을 주파수 종속 강도 데이터로 변환 할 수 있습니다. 마지막으로, 시스템은 사용자에게 화면 상에서 선택한 영역에 대해 서로 다른 주파수에서 전혀 증폭하지 않은 진폭 및 위상을 표시해줍니다.
감도 및 확장성
2016년 3분기에 출시된 Iris M 시스템은 기계 상태 모니터링 분야에서 사람들이 모션을 관찰하는 방식에 혁신적인 변화를 가져다 두었습니다. 시스템은 사용법이 간편 할 뿐만 아니라, 사용자가 장비의 동작을 더욱 잘 이해 할 수 있도록 쉬운 비디오 화상을 다시 전송해줍니다.
Hay 박사의 경우, 시스템이 성공적으로 작동을 하는 데에는 FLIR Grasshopper 카메라의 공이 크다고 전했습니다. 카메라의 12 비트 동적 범위는 화상의 밝은 영역과 어두운 영역 사이의 미미한 픽셀 차를 캡처하여 시스템 소프트웨어가 보다 더 자세한 변화를 추출 할 수 있도록 도와줍니다.
그러나, Motion Amplification 알고리즘 자체도 매우 중요한 역할을 합니다. "특별한 알고리즘 덕분에 Iris M은 기존의 화상 기반 측정 도구보다 측정 변위가 100배 가량 더 민감합니다. 아울러, Iris M 시스템은 포인트 측정 값을 해석하여 존재하는 모든 모션 유형과 결함 유형을 결정하는 기능 대신, 특정 모션을 정량화 하는데 활용 할 수 있는 화상에서 직접적으로 절대 변위 관련 포인트를 측정 할 수 있는 역량을 필요에 따라 제공합니다”라고 그는 밝혔습니다.
Iris M은 기존의 화상 기반 측정 도구보다 측정 변위가 100배 가량 더 민감합니다.
이 기술이 보유한 주요 장점 중 또 한가지는 바로, 데이터가 반환되는 속도와 제공되는 데이터의 디테일 수준입니다. 전통적인 접촉식 측정 시스템과는 달리, 카메라의 시야각에 들어오는 모든 설비의 움직임을 동시에 측정 할 수 있기 때문에 활용을 매우 쉽게 확장 할 수 있습니다. 아울러, 자산과 관련된 모든 문제의 근본 원인을 비디오에서 직접 확인 할 수 있기 때문에 일반 사용자와 전문 기술자 간의 소통 도구로도 적합합니다.
이 새로운 시스템은 이미 다양한 현장에 실제 배치되었습니다. Iris M 시스템은 기계 등 산업 설비에 대한 상태 모니터링 외에도 교량, 건물, 기타 유사한 구조물 등의 구조적 무결성을 분석하는데 사용될 수도 있습니다. 또한, 개인의 호흡 상태를 평가하기 위한 생물의학적 모니터링 용도로도 활용될 수 있는 시스템입니다.
