基于單目視覺(jué)的橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)的研究
2017-08-21
為了響應(yīng)2016年“十三五規(guī)劃”提出的全面建設(shè)小康社會(huì)的需求，切實(shí)安全的保障人民的出行安全，我國(guó)公路橋梁行業(yè)目前正從高速發(fā)展建設(shè)的階段轉(zhuǎn)向維護(hù)和保養(yǎng)階段，保養(yǎng)階段的公路橋梁安全狀態(tài)的日常監(jiān)測(cè)是一份很重要的工作，在公路和鐵路橋梁的安全健康監(jiān)測(cè)中撓度是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，為了能在各種狀態(tài)下都保障通行的安全，監(jiān)測(cè)作業(yè)要求實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)橋梁的撓度，同時(shí)為不影響橋梁正常的交通，新的檢測(cè)技術(shù)必須具備使得設(shè)備在橋梁以外的地方就可以進(jìn)行檢測(cè)，目前利用機(jī)器單目視覺(jué)測(cè)量的原理可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)接觸的實(shí)時(shí)高頻測(cè)量橋梁的撓度。
1 橋梁撓度檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀
橋梁的撓度測(cè)量方法有傳統(tǒng)的和當(dāng)前流行的兩類，傳統(tǒng)的測(cè)量方法包括精密水準(zhǔn)儀法和全站儀法，當(dāng)前比較流行的方法包括光電成像法，傾角儀法和連通管法等，各種方法的局限和優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。
通過(guò)表1格能很清晰的看到光電成像法的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁撓度的多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)實(shí)的，文章提出的基于單目視覺(jué)和的撓度測(cè)量方法在保證精度的前提下可以滿足多點(diǎn)測(cè)量的要求。
2 基于單目視覺(jué)的撓度測(cè)量原理
如圖1，單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)可以用中心透視投影的原理解釋，既是針孔模型，被測(cè)量的物體（本文使用自制標(biāo)志件）表面反射的光線經(jīng)過(guò)一個(gè)針孔投射到成像平面上，物像點(diǎn)的大地實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）和對(duì)應(yīng)的相機(jī)成像面的坐標(biāo)（x’，y’，z’）。
在幾何光路中構(gòu)成一定的關(guān)系，實(shí)際的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)一次的旋轉(zhuǎn)和第二次的平移可以得到其在相機(jī)坐標(biāo)平面的坐標(biāo)。設(shè)三維正交矩陣T1和三維列向量T2分別是旋轉(zhuǎn)和變換的矩陣，則實(shí)際坐標(biāo)和成像面的坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)變換關(guān)系如下公式（1）
其中T1=，T2=均是系統(tǒng)的參數(shù)。而物象點(diǎn)的相機(jī)成像面坐標(biāo)（x’，y’，z’）和計(jì)算機(jī)圖像的坐標(biāo)（xp，yp）的關(guān)系如公式（2）
由公式（1）代入（2）可知圖像坐標(biāo)（xp，yp）和物像點(diǎn)的大地實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）的關(guān)系為：
公式（3）中若已知成像點(diǎn)的計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)（xp，yp）和相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)還需要固定大地坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸，兩個(gè)方程解兩個(gè)未知量可得成像點(diǎn)的大地坐標(biāo)的x和y值，文章設(shè)計(jì)的基于單目視覺(jué)的橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)既是通過(guò)這種方法最終取得坐標(biāo)計(jì)算撓度值的。
3 基于單目視覺(jué)的橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)的組成
該系統(tǒng)主要由工業(yè)面陣CCD、長(zhǎng)焦鏡頭、30mm*30mm的正方形標(biāo)靶和一套橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)軟件組成。該系統(tǒng)標(biāo)靶與橋梁待測(cè)點(diǎn)剛性連接，當(dāng)橋梁待測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生位移時(shí)，與之連接的標(biāo)靶也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。通過(guò)工業(yè)CCD和長(zhǎng)焦鏡頭高頻采集標(biāo)靶上的數(shù)字化圖像，CCD和鏡頭通過(guò)三腳架固定與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行同步處理，計(jì)算出圖像中標(biāo)靶A、B、C、D四點(diǎn)的中心坐標(biāo)的位移，通過(guò)換算就可以得到標(biāo)靶四個(gè)點(diǎn)中心點(diǎn)的實(shí)際位移，進(jìn)而得到待測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位移，從而得到橋梁的撓度變化值。以圖1為系統(tǒng)原理示意圖，圖2為該系統(tǒng)所使用的標(biāo)靶圖案標(biāo)識(shí)。
3.2 系統(tǒng)的工作原理
3.2.1 整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定
在標(biāo)靶上有四個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，事先我們知道這四個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的實(shí)際距離和實(shí)際坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算采集的圖像四個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的像素距離，得到像素距離和實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以便將測(cè)量得到的標(biāo)識(shí)點(diǎn)的像素位移轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離。
轉(zhuǎn)換參數(shù)（mm/pixel）=實(shí)際距離（mm）/像素距離（pixel）
測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)，可以用四個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的中心坐標(biāo)位移量作為待測(cè)點(diǎn)的位移，計(jì)算精度更高，實(shí)時(shí)性比較好。通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)預(yù)覽、抓拍、連續(xù)保存圖片，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理能夠觀測(cè)待測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)位移和動(dòng)態(tài)位移，觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。
3.2.2 圖像處理和撓度數(shù)據(jù)輸出
實(shí)際工作環(huán)境下，CCD相機(jī)捕捉的圖像由于受到環(huán)境影響（光照，空氣折射率），圖像會(huì)出現(xiàn)失真和噪聲，基于HANLLCON開(kāi)發(fā)圖像預(yù)處理程序去除圖像噪聲，然后進(jìn)行圖像分割，標(biāo)志件識(shí)別和定位，最終計(jì)算出坐標(biāo)的變化值，既是撓度值。如圖3是標(biāo)志件圖像預(yù)處理的效果圖。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
選取真實(shí)的橋梁，放置10個(gè)標(biāo)志件，對(duì)于每個(gè)標(biāo)志件都連續(xù)測(cè)量五次，每次時(shí)間的間隔為1ms，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。
表中X，Y分別代表被測(cè)的標(biāo)志件的A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)平均值，既是標(biāo)志件中心點(diǎn)的坐標(biāo)，由實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，在1000HZ的采樣頻率下，仍然能夠保證1mm的精度，并且在每個(gè)點(diǎn)5次采樣中每次的數(shù)據(jù)差距不大，說(shuō)明進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量時(shí)重復(fù)性精度高。
5 結(jié)論
該橋梁動(dòng)態(tài)撓度檢測(cè)系統(tǒng)能夠以極高頻率對(duì)橋梁上的多點(diǎn)進(jìn)行撓度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而可以將橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)微變形測(cè)量的時(shí)間刻度縮小至1毫秒以下，可以更加微觀的反映橋梁在動(dòng)態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)變形情況，尤其對(duì)于沖擊性載荷的快速加載與卸載過(guò)程的真實(shí)還原有開(kāi)創(chuàng)性和突破性的技術(shù)意義。
參考文獻(xiàn)
[1]陳學(xué)友.基于攝像測(cè)量變形識(shí)別方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011：1-10.
[2]葉肖偉.基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的橋梁撓度測(cè)試方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，48（5）：813-819.
[3]韓亞榮.圖像法動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其工程應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012：38-40.
[4]周逸.橋梁撓度線型快速測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011：3-6.
[5]高雷雨.基于激光圖像測(cè)量法的橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010：9-13.
[6]陳洪濤.基于機(jī)器視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試方法的研究[J].機(jī)械與電子，2007（10）：49-52.
[7]陳洪濤.利用機(jī)器視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試方法的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006：15-16.
[8]肖獻(xiàn)強(qiáng).基于視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)物體特征點(diǎn)參數(shù)測(cè)量方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（2）：121-142.
作者單位
1.浙江省舟山市定海區(qū)交通工程質(zhì)量監(jiān)督站 浙江省舟山市 316000
2.浙江省舟山市定海區(qū)交通運(yùn)輸局 浙江省舟山市 316000
3.浙江省舟山市交通工程質(zhì)量監(jiān)督局檢測(cè)中心 浙江省舟山市 316021
