基于数字图像处理技术的结构二维位移及应变监测方法技术

本方法提出一种基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征是：标靶采用圆形图案，以确保进行结构物理量监测时标靶截面的无方向性；选取圆形的圆心作为标靶图像特征，并运用数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化、抗噪性多尺度数学形态学边缘检测、基于面积跟踪算法的图像进一步去噪、基于最小半径法的边缘精定位和非迭代快速圆心拟合法，来提取圆心二维像素坐标；采用边长已知的方形图案作为标定板来进行当前视觉监测系统的系统标定；所述系统标定是指通过运用数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化分割和基于面积跟踪算法的图像进一步去噪，来寻找方形图案四个顶点，进而确定像素边长值和实际边长值之间的对应关系。最后，利用系统双向分辨率和标靶圆心帧差法计算结构测点二维位移；利用标靶中相邻两圆心的像素坐标和平均应变计算公式，确定结构局部平均应变。

Two-Dimensional Displacement and Strain Monitoring Method of Structures Based on Digital Image Processing Technology

【技术实现步骤摘要】
基于数字图像处理技术的结构二维位移及应变监测方法
本专利技术公开一种非接触式结构二维位移及应变监测方法，特别是一种基于数字图像处理的非接触式结构二维位移及应变监测方法以及该方法的实现流程。
技术介绍
为确保结构安全及人民的生命财产和安全，进行结构的健康监测是十分必要的。结构健康监测的内容很多，如载荷监测、温度监测、加速度监测、位移监测、应变监测等等。其中，结构的位移及应变监测更是结构健康监测的重要内容。通过对在建结构的位移及应变监测，可以知道结构是否满足设计要求，并在出现较大位移或应变时做到及时纠正；通过对已有建筑的位移及应变监测，可以判断结构是否处于安全状态，以便能及时对其进行加固等处理。此外，结构的位移信息还是进行结构实验和分析的极其有价值的原始数据，是结构动态特性之一。结构位移(应变)监测方法有：传统的非图像监测方法和基于数字图像的位移监测方法。其中，传统的非图像监测方法又包括有线、无线传感器监测方法和非接触式监测方法。但就目前的这些位移监测方法来看：基于传感器的方法定会有传感器与待测点的接触。而对于结构的一些难以接近的位置无法放置传感器，从而无法进行位移或应变的监测；其次，大型土木结构一般情况下均需放置几百个传感器，所以实际工程中的传感系统非常复杂，布置工作量大；最后，基于有线传感器的方法会有过多的信号传输线存在，而基于无线传感器虽未用传输线但数据信号却易受到环境干扰，往往测得的数据不完备且夹杂有较明显的噪声。传统的非接触式测量方法，如电子全站仪和GPS卫星测量法，在实验及一些实际工程中也有成功的先例，但它们都需要采用很昂贵的机器设备及专业人士操作，且采集到的信号受环境干扰大。由于传统非图像监测方法的缺点和问题，近年来许多的专家学者开始研究基于数字图像处理的位移监测方法，并且取得了不少的成绩。如华中科技大学的赵文光等提出的基于标定板CCD图像处理技术的土木工程二维位移监测方法，通过对某公路桥梁的跑车和跳车试验表明该方法能够测量出桥梁在动载和静载作用下横向和竖向位移，且能够实时输出。其视觉监测系统安装示意图如图1所示：同济大学的周奇才等提出利用定点放置的目标点光源的数字图像进行隧道横纵向变形监测方法，通过模拟实验表明该方法能够得到隧道的变形量，且变形监测结果是比较精确、可靠的。同时，该学者还提出在实际的隧道变形监测中，会每隔适当距离在隧道壁上安装一个图像传感器并在其正前方固定目标点光源，从而实现对站间地铁隧道的变形监测。其地铁隧道变形监测系统示意图如图2所示：中国地震局工程力学研究所的张涛提出利用黑白双色标靶的数字图像进行光学位移测量，并进行了水平振动台振动位移测量和桥墩静力试验下的位移测量试验，两次试验结果均表明其所提出的光学位移测量法能很好地实现对结构二维位移的测量。其黑白双色标靶如图3所示：学者JongJaeLee等提出利用尺寸已知且含四白色斑点的目标面板进行二维位移监测。他们以黑色背景下含4白色斑点的目标面板作为拍摄对象，以4斑点中的任一点作为监测目标来进行对桥梁的二维位移监测。由钢箱梁桥试验表明利用二维位移视觉监测法所得桥梁位移时程曲线能与激光测振器所得桥梁位移时程曲线较好地吻合。其目标面板示意图如图4所示：但以上各方法仍存在有一些问题。第一，此类基于数字图像处理技术的位移监测方法绝大多数情况下都用于桥梁、隧道、边坡等结构，但这些结构的表面情况都较为简单，而当结构较为复杂时以上的所提到的这些视觉位移监测方法是否适用还应做扩展研究；第二，由以上提到的几种视觉位移监测法可以看出，他们设计的方法仅适用于结构的二维(或一维)位移监测，作为结构另一重要指标的应变却无法获得；第三，以上的前三种位移监测方法中所设计拍摄对象有两类：设计有特殊图案的标靶(标定板)和LED灯光源。其中，特殊图案可设计为黑白相间格子或黑白双色，但是这样的设计使标靶(标定板)截面具有了方向性，即将其作为拍摄对象时必须确保标靶(标定板)横纵边的水平和竖直，如若发生标靶放置倾斜的情况，位移监测精度就会明显降低。同时，JongJaeLee等提出的方法也存在这个问题。当采用LED灯光源作为标靶时，对于拍摄环境的要求较为严格，最好是全黑的拍摄环境，因此这种标靶的设计局限了其方法的适用范围，使其仅能使用在夜间位移监测或是地铁隧道内部变形监测。
技术实现思路
本方法提出一种基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征是：标靶采用圆形图案，以确保进行结构物理量监测时标靶截面的无方向性；选取圆形的圆心作为标靶图像特征，并运用数字图像处理技术对其进行提取；所述特征是指为从拍摄的标靶数字图像中确定相应的结构位移或应变量所选择的监测计算点；采用边长已知的方形图案作为标定板来进行当前视觉监测系统的系统标定；所述系统标定是指通过运用数字图像处理技术寻找方形图案四个顶点，来确定像素边长值和实际边长值之间的对应关系。所述标靶和标定板应牢固固定于结构表面，并确保其与结构待测点间在结构振动期间不存在相对位移。所述圆形标靶的颜色未限定、具体尺寸无需已知，对于浅色结构表面可设置白底黑图，深色结构表面设置黑底白图；当为夜晚拍摄条件，可设置荧光或LED灯光源标靶来代替人为设置的圆形标靶图片，从而使标靶圆在土木工程中的适用范围得到扩展。所述边长已知的方形标定板，通过数字图像处理技术提取其四顶点的像素坐标，同时设置标定板方形图案尺寸为10cm×10cm，颜色为白底黑图；则在方形标定板摆正的情况下，可同时得到视觉监测系统沿水平向x和竖直向y的双向分辨率Rx和Ry。进行结构应变监测时，无需进行视觉监测系统标定，直接基于标靶中排列成一行的、不相互重叠的、且圆心在同一直线上的各标靶圆，通过数字图像处理技术来得到相邻两圆形标志点间像素距离在结构变形前后的改变量，从而得到结构在该段范围内的平均应变值，实现对结构微观物理量的监测。本方法为实现圆心提取采用的方案进一步还包括：所述标靶图像进行灰度变换和预处理；对预处理后的标靶图像运用“基于阈值选取的图像分割法”进行图像二值化；对二值图像运用“抗噪型多尺度数学形态学边缘检测算子”进行边缘检测；对边缘检测图像运用“面积跟踪算法”进行进一步去噪；对去噪后的标靶圆边缘图像运用“最小半径法”进行圆边缘精定位；对精定位后的边缘图像采用“非迭代快速圆心拟合法”进行圆心拟合；当进行的是结构局部应变监测时，除以上步骤外还需在圆边缘精定位之前，进行各圆形标志点所属区域分割。找到每一个圆单独存在的图像范围，并在该范围内完成圆的边缘精定位和圆心拟合。基于数字图像处理的结构二维位移及应变监测方法的实施，该方法包括：将标定板和标靶依次布置在结构待测点；由数码照相机、数码摄像机或摄像头构成采集设备进行标定板和标靶数字图像的拍摄；通过计算机实现对所拍摄数字图像的相关数字图像处理技术，从而获取当前监测系统的分辨率及标靶圆图像圆心二维像素坐标；根据系统分辨率和圆心二维像素坐标确定结构测点的二维位移；根据相邻标靶圆的圆心二维像素坐标确定结构局部应变。优选地，首先，在进行结构二维位移监测前，利用数码相机对布置在结构待测位置的方形标定板进行多次拍照；并在结构二维位移监测时，在保证结构与相机相对位置不变的情况下，以圆形标靶来替换方形标定板，通过对其拍照或摄像来得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征是：标靶采用圆形图案，以确保进行结构物理量监测时标靶截面的无方向性；选取圆形的圆心作为标靶图像特征，并运用数字图像处理技术对其进行提取；所述特征是指为从拍摄的标靶数字图像中确定相应的结构位移或应变量所选择的监测计算点；采用边长已知的方形图案作为标定板来进行当前视觉监测系统的系统标定；所述系统标定是指通过运用数字图像处理技术寻找方形图案四个顶点，来确定像素边长值和实际边长值之间的对应关系；首先，在进行结构二维位移监测前，利用数码相机对布置在结构待测位置的方形标定板进行多次拍照；并在结构二维位移监测时，在保证结构与相机相对位置不变的情况下，以圆形标靶来替换方形标定板，通过对其拍照或摄像来得到结构测点在拍摄时间内的监测信息；然后，对获取的方形标定板图像主要运用以下数字图像处理技术：数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化和基于面积跟踪算法的图像进一步去噪；来获取方形标定板的四顶点像素坐标及各边的像素长度，与已知的物理边长相结合进而确定出当前视觉监测系统在x和y方向的双向分辨率；对获取的圆形标靶图像主要运用以下数字图像处理技术：数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化、抗噪性多尺度数学形态学边缘检测、基于面积跟踪算法的图像进一步去噪、基于最小半径法的边缘精定位和非迭代快速圆心拟合法，来提取标靶圆圆心二维像素坐标；最后，利用系统双向分辨率和标靶圆心帧差法位移计算原理，确定结构测点二维位移；利用标靶中相邻两圆心的像素坐标和平均应变计算公式，确定结构相邻测点间的平均应变。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征是：标靶采用圆形图案，以确保进行结构物理量监测时标靶截面的无方向性；选取圆形的圆心作为标靶图像特征，并运用数字图像处理技术对其进行提取；所述特征是指为从拍摄的标靶数字图像中确定相应的结构位移或应变量所选择的监测计算点；采用边长已知的方形图案作为标定板来进行当前视觉监测系统的系统标定；所述系统标定是指通过运用数字图像处理技术寻找方形图案四个顶点，来确定像素边长值和实际边长值之间的对应关系；首先，在进行结构二维位移监测前，利用数码相机对布置在结构待测位置的方形标定板进行多次拍照；并在结构二维位移监测时，在保证结构与相机相对位置不变的情况下，以圆形标靶来替换方形标定板，通过对其拍照或摄像来得到结构测点在拍摄时间内的监测信息；然后，对获取的方形标定板图像主要运用以下数字图像处理技术：数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化和基于面积跟踪算法的图像进一步去噪；来获取方形标定板的四顶点像素坐标及各边的像素长度，与已知的物理边长相结合进而确定出当前视觉监测系统在x和y方向的双向分辨率；对获取的圆形标靶图像主要运用以下数字图像处理技术：数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化、抗噪性多尺度数学形态学边缘检测、基于面积跟踪算法的图像进一步去噪、基于最小半径法的边缘精定位和非迭代快速圆心拟合法，来提取标靶圆圆心二维像素坐标；最后，利用系统双向分辨率和标靶圆心帧差法位移计算原理，确定结构测点二维位移；利用标靶中相邻两圆心的像素坐标和平均应变计算公式，确定结构相邻测点间的平均应变。2.如权利要求1所述的基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征在于：所述圆形标靶的颜色未限定、具体尺寸无需已知，对于浅色结构表面设置白底黑图，深色结构表面设置黑底白图；当为夜晚拍摄条件，设置荧光或LED灯光源标靶来代替人为设置的圆形标靶图片，从而使标靶圆在土木工程中的适用范围得到扩展；所述边长已知的方形标定板，通过数字图像处理技术提取其四顶点的像素坐标，同时设置标定板方形图案尺寸为10c...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕军，卢伟，崔燕，李祚华，
申请(专利权)人：滕军，
类型：发明
国别省市：广东,44