基于单目视觉的桥梁挠度检测系统的研究
2017-08-21
为了响应2016年“十三五规划”提出的全面建设小康社会的需求，切实安全的保障人民的出行安全，我国公路桥梁行业目前正从高速发展建设的阶段转向维护和保养阶段，保养阶段的公路桥梁安全状态的日常监测是一份很重要的工作，在公路和铁路桥梁的安全健康监测中挠度是一项很重要的指标，为了能在各种状态下都保障通行的安全，监测作业要求实时在线的检测桥梁的挠度，同时为不影响桥梁正常的交通，新的检测技术必须具备使得设备在桥梁以外的地方就可以进行检测，目前利用机器单目视觉测量的原理可以实现远距离无接触的实时高频测量桥梁的挠度。
1 桥梁挠度检测技术现状
桥梁的挠度测量方法有传统的和当前流行的两类，传统的测量方法包括精密水准仪法和全站仪法，当前比较流行的方法包括光电成像法，倾角仪法和连通管法等，各种方法的局限和优势见表1。
通过表1格能很清晰的看到光电成像法的优势，结合现在计算机图形学的技术实现桥梁挠度的多点实时监测是现实的，文章提出的基于单目视觉和的挠度测量方法在保证精度的前提下可以满足多点测量的要求。
2 基于单目视觉的挠度测量原理
如图1，单目视觉测量系统可以用中心透视投影的原理解释，既是针孔模型，被测量的物体（本文使用自制标志件）表面反射的光线经过一个针孔投射到成像平面上，物像点的大地实际坐标（x，y，z）和对应的相机成像面的坐标（x’，y’，z’）。
在几何光路中构成一定的关系，实际的坐标经过一次的旋转和第二次的平移可以得到其在相机坐标平面的坐标。设三维正交矩阵T1和三维列向量T2分别是旋转和变换的矩阵，则实际坐标和成像面的坐标的对应变换关系如下公式（1）
其中T1=，T2=均是系统的参数。而物象点的相机成像面坐标（x’，y’，z’）和计算机图像的坐标（xp，yp）的关系如公式（2）
由公式（1）代入（2）可知图像坐标（xp，yp）和物像点的大地实际坐标（x，y，z）的关系为：
公式（3）中若已知成像点的计算机图像坐标（xp，yp）和相机的内外参数还需要固定大地坐标系的一个坐标轴，两个方程解两个未知量可得成像点的大地坐标的x和y值，文章设计的基于单目视觉的桥梁挠度检测系统既是通过这种方法最终取得坐标计算挠度值的。
3 基于单目视觉的桥梁挠度检测系统
3.1 系统的组成
该系统主要由工业面阵CCD、长焦镜头、30mm*30mm的正方形标靶和一套桥梁挠度检测系统软件组成。该系统标靶与桥梁待测点刚性连接，当桥梁待测点产生位移时，与之连接的标靶也随之产生相应的移动。通过工业CCD和长焦镜头高频采集标靶上的数字化图像，CCD和镜头通过三脚架固定与计算机相连，计算机对采集到的图像进行同步处理，计算出图像中标靶A、B、C、D四点的中心坐标的位移，通过换算就可以得到标靶四个点中心点的实际位移，进而得到待测点的实际位移，从而得到桥梁的挠度变化值。以图1为系统原理示意图，图2为该系统所使用的标靶图案标识。
3.2 系统的工作原理
3.2.1 整个系统的标定
在标靶上有四个标识点，事先我们知道这四个标识点的实际距离和实际坐标，通过计算采集的图像四个标识点的像素距离，得到像素距离和实际距离的转换参数，以便将测量得到的标识点的像素位移转换为实际距离。
转换参数（mm/pixel）=实际距离（mm）/像素距离（pixel）
测量待测点的位移时，可以用四个标识点的中心坐标位移量作为待测点的位移，计算精度更高，实时性比较好。通过计算机实时预览、抓拍、连续保存图片，经过后续处理能够观测待测点的静态位移和动态位移，观测实时数据和曲线。
3.2.2 图像处理和挠度数据输出
实际工作环境下，CCD相机捕捉的图像由于受到环境影响（光照，空气折射率），图像会出现失真和噪声，基于HANLLCON开发图像预处理程序去除图像噪声，然后进行图像分割，标志件识别和定位，最终计算出坐标的变化值，既是挠度值。如图3是标志件图像预处理的效果图。
4 试验验证
选取真实的桥梁，放置10个标志件，对于每个标志件都连续测量五次，每次时间的间隔为1ms，实验所得的数据汇总如表2。
表中X，Y分别代表被测的标志件的A、B、C、D四个点的坐标平均值，既是标志件中心点的坐标，由实验的数据结果来看，在1000HZ的采样频率下，仍然能够保证1mm的精度，并且在每个点5次采样中每次的数据差距不大，说明进行重复性测量时重复性精度高。
5 结论
该桥梁动态挠度检测系统能够以极高频率对桥梁上的多点进行挠度的动态测量，从而可以将桥梁结构的细微变形测量的时间刻度缩小至1毫秒以下，可以更加微观的反映桥梁在动态载荷下的结构变形情况，尤其对于冲击性载荷的快速加载与卸载过程的真实还原有开创性和突破性的技术意义。
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作者单位
1.浙江省舟山市定海区交通工程质量监督站 浙江省舟山市 316000
2.浙江省舟山市定海区交通运输局 浙江省舟山市 316000
3.浙江省舟山市交通工程质量监督局检测中心 浙江省舟山市 316021
