基于單目視覺的橋梁撓度檢測系統(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)小康社會的需求，切實安全的保障人民的出行安全，我國公路橋梁行業(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)測中撓度是一項很重要的指標(biāo)，為了能在各種狀態(tài)下都保障通行的安全，監(jiān)測作業(yè)要求實時在線的檢測橋梁的撓度，同時為不影響橋梁正常的交通，新的檢測技術(shù)必須具備使得設(shè)備在橋梁以外的地方就可以進行檢測，目前利用機器單目視覺測量的原理可以實現(xiàn)遠距離無接觸的實時高頻測量橋梁的撓度。
1 橋梁撓度檢測技術(shù)現(xiàn)狀
橋梁的撓度測量方法有傳統(tǒng)的和當(dāng)前流行的兩類，傳統(tǒng)的測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)勢見表1。
通過表1格能很清晰的看到光電成像法的優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)在計算機圖形學(xué)的技術(shù)實現(xiàn)橋梁撓度的多點實時監(jiān)測是現(xiàn)實的，文章提出的基于單目視覺和的撓度測量方法在保證精度的前提下可以滿足多點測量的要求。
2 基于單目視覺的撓度測量原理
如圖1，單目視覺測量系統(tǒng)可以用中心透視投影的原理解釋，既是針孔模型，被測量的物體（本文使用自制標(biāo)志件）表面反射的光線經(jīng)過一個針孔投射到成像平面上，物像點的大地實際坐標(biāo)（x，y，z）和對應(yīng)的相機成像面的坐標(biāo)（x’，y’，z’）。
在幾何光路中構(gòu)成一定的關(guān)系，實際的坐標(biāo)經(jīng)過一次的旋轉(zhuǎn)和第二次的平移可以得到其在相機坐標(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，則實際坐標(biāo)和成像面的坐標(biāo)的對應(yīng)變換關(guān)系如下公式（1）
其中T1=，T2=均是系統(tǒng)的參數(shù)。而物象點的相機成像面坐標(biāo)（x’，y’，z’）和計算機圖像的坐標(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）和物像點的大地實際坐標(biāo)（x，y，z）的關(guān)系為：
公式（3）中若已知成像點的計算機圖像坐標(biāo)（xp，yp）和相機的內(nèi)外參數(shù)還需要固定大地坐標(biāo)系的一個坐標(biāo)軸，兩個方程解兩個未知量可得成像點的大地坐標(biāo)的x和y值，文章設(shè)計的基于單目視覺的橋梁撓度檢測系統(tǒng)既是通過這種方法最終取得坐標(biāo)計算撓度值的。
3 基于單目視覺的橋梁撓度檢測系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)的組成
該系統(tǒng)主要由工業(yè)面陣CCD、長焦鏡頭、30mm*30mm的正方形標(biāo)靶和一套橋梁撓度檢測系統(tǒng)軟件組成。該系統(tǒng)標(biāo)靶與橋梁待測點剛性連接，當(dāng)橋梁待測點產(chǎn)生位移時，與之連接的標(biāo)靶也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的移動。通過工業(yè)CCD和長焦鏡頭高頻采集標(biāo)靶上的數(shù)字化圖像，CCD和鏡頭通過三腳架固定與計算機相連，計算機對采集到的圖像進行同步處理，計算出圖像中標(biāo)靶A、B、C、D四點的中心坐標(biāo)的位移，通過換算就可以得到標(biāo)靶四個點中心點的實際位移，進而得到待測點的實際位移，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。
3.2 系統(tǒng)的工作原理
3.2.1 整個系統(tǒng)的標(biāo)定
在標(biāo)靶上有四個標(biāo)識點，事先我們知道這四個標(biāo)識點的實際距離和實際坐標(biāo)，通過計算采集的圖像四個標(biāo)識點的像素距離，得到像素距離和實際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以便將測量得到的標(biāo)識點的像素位移轉(zhuǎn)換為實際距離。
轉(zhuǎn)換參數(shù)（mm/pixel）=實際距離（mm）/像素距離（pixel）
測量待測點的位移時，可以用四個標(biāo)識點的中心坐標(biāo)位移量作為待測點的位移，計算精度更高，實時性比較好。通過計算機實時預(yù)覽、抓拍、連續(xù)保存圖片，經(jīng)過后續(xù)處理能夠觀測待測點的靜態(tài)位移和動態(tài)位移，觀測實時數(shù)據(jù)和曲線。
3.2.2 圖像處理和撓度數(shù)據(jù)輸出
實際工作環(huán)境下，CCD相機捕捉的圖像由于受到環(huán)境影響（光照，空氣折射率），圖像會出現(xiàn)失真和噪聲，基于HANLLCON開發(fā)圖像預(yù)處理程序去除圖像噪聲，然后進行圖像分割，標(biāo)志件識別和定位，最終計算出坐標(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 試驗驗證
選取真實的橋梁，放置10個標(biāo)志件，對于每個標(biāo)志件都連續(xù)測量五次，每次時間的間隔為1ms，實驗所得的數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。
表中X，Y分別代表被測的標(biāo)志件的A、B、C、D四個點的坐標(biāo)平均值，既是標(biāo)志件中心點的坐標(biāo)，由實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，在1000HZ的采樣頻率下，仍然能夠保證1mm的精度，并且在每個點5次采樣中每次的數(shù)據(jù)差距不大，說明進行重復(fù)性測量時重復(fù)性精度高。
5 結(jié)論
該橋梁動態(tài)撓度檢測系統(tǒng)能夠以極高頻率對橋梁上的多點進行撓度的動態(tài)測量，從而可以將橋梁結(jié)構(gòu)的細微變形測量的時間刻度縮小至1毫秒以下，可以更加微觀的反映橋梁在動態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)變形情況，尤其對于沖擊性載荷的快速加載與卸載過程的真實還原有開創(chuàng)性和突破性的技術(shù)意義。
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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)督局檢測中心 浙江省舟山市 316021
