數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

溫 荷, 萬 里, 陳 蘇, 徐 汛

(1. 成都東軟學(xué)院, 四川 成都 611844； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211816)

數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

溫 荷1 2, 萬 里2, 陳 蘇2, 徐 汛2

(1. 成都東軟學(xué)院, 四川 成都 611844； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211816)

對目前土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的位移采集、空間定位問題進(jìn)行了討論,分析了數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)的一般構(gòu)成、位移記錄算法,構(gòu)建了數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)的原型。為驗(yàn)證構(gòu)架的可行性,開發(fā)了簡易的測試軟件,采用視頻記錄了物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,并通過最小二乘法進(jìn)行多圓擬合對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精確定位,分析得到對應(yīng)標(biāo)靶的位移變化情況。通過與激光位移計(jì)的數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證了算法的正確性。最后,通過地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn),驗(yàn)證了其在土木結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試中的適用性。

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)； 位移測試； 動(dòng)態(tài)測試； 數(shù)字圖像

近年來計(jì)算機(jī)視覺研究已成為熱點(diǎn),特別是在交叉學(xué)科中得到了長足的發(fā)展,例如:生物特征識別[1]、醫(yī)學(xué)影像處理、工業(yè)制造、智能交通目標(biāo)識別[2]、安全防護(hù)等。在土木工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,為了精確測量結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),測試數(shù)據(jù)包括加速度、速度、位移[3]。加速度和速度是目前常用數(shù)據(jù),可以通過傳感器直接獲取,而受限于測試技術(shù)限制,位移測試目前多采用電阻式或感應(yīng)式位移傳感器[4-5],屬于接觸式位移測試技術(shù)。此類傳感器精度基本可以滿足測試要求,且成本較低,但由于其本身原理限制,難以達(dá)到高精度、高速采集。另外,接觸式位移測試采集的是沿傳感器方向上的位移,非被測物自身實(shí)際的位移。

位移測試同樣也可以采用非接觸式位移測試方法,目前典型的非接觸式位移測量采用的是激光位移測試技術(shù)[6-7]。激光位移計(jì)通過激光反射的方式測量位移,但仍然只能測試沿位移計(jì)方向上的位移,且由于被測點(diǎn)在空間上是移動(dòng)的,不能完全反映被測點(diǎn)的真實(shí)位移。

本文在被測試件上設(shè)置靶標(biāo)點(diǎn),記錄了被測試件隨時(shí)間變化時(shí)整體數(shù)字圖像,通過對圖像進(jìn)行逐幀解析,采用一定的算法計(jì)算出靶標(biāo)點(diǎn)的精確位移?；谝陨弦?構(gòu)建了簡易的位移測試系統(tǒng),并基于基本的硬件、軟件分析系統(tǒng),驗(yàn)證了位移測試系統(tǒng)的可行性,為結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)提供一種新方法。

1 數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)的組成

如圖1所示,根據(jù)數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)一般分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分,其硬件組成應(yīng)包括高清攝像機(jī)、視頻數(shù)據(jù)傳輸線路和板卡,以及用于數(shù)據(jù)存儲和分析的服務(wù)器；軟件部分則包括視頻采集控制模塊、圖像處理模塊、標(biāo)定模塊、圖像解析模塊和數(shù)據(jù)后處理模塊。

圖1 數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)框圖

受軟硬件限制,本文未采用實(shí)時(shí)方式進(jìn)行視頻傳輸并處理,而是用攝像機(jī)預(yù)先拍攝好視頻,而后用數(shù)據(jù)線傳輸給服務(wù)器再進(jìn)行處理的方式。因此用于數(shù)據(jù)處理的軟件是本文的核心。由于不需要實(shí)時(shí)接收視頻數(shù)據(jù),本文省略了硬件接口的開發(fā)工作,而將主要精力用于系統(tǒng)框架的搭建與核心算法的開發(fā)上。

圖2為本文規(guī)劃的軟件架構(gòu)。視頻采集控制模塊主要用于實(shí)時(shí)對高速攝像機(jī)進(jìn)行控制,包括連接攝像機(jī)、視頻采集開始、暫停以及視頻數(shù)據(jù)存儲等；存儲于服務(wù)器的視頻隨后導(dǎo)入圖像處理模塊,首先對視頻進(jìn)行分幀處理,將視頻分解為逐幀的單張靜態(tài)圖像,然后將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖,進(jìn)行兩值化處理。標(biāo)定模塊,由于攝像機(jī)與被測物的位置可能會發(fā)生變化,在正式對圖像進(jìn)行解析之前,需要以標(biāo)準(zhǔn)的靶標(biāo)對攝像機(jī)與被測物之間的位置進(jìn)行標(biāo)定,這里包含了兩種修正,標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)的直徑校正與靶標(biāo)相對位置的位移校正。圖像解析模塊是生成的關(guān)鍵模塊,首先需劃定位移檢測的邊界,對標(biāo)靶位置進(jìn)行定位,然后與標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,形成最終位移數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)后處理模塊主要是對生成的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理,具體包括頻譜特性分析,對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行微分運(yùn)算,計(jì)算速度、加速度,極值點(diǎn)捕捉,以及可以進(jìn)行數(shù)據(jù)還原等。

圖2 圖像位移測試軟件功能框圖

圖3為本文所開發(fā)的軟件系統(tǒng)界面,該軟件已初步具備基本的攝像機(jī)接口、視頻導(dǎo)入功能,通過攝像機(jī)、標(biāo)靶信息的處理,得到其位移信息,并可對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理,包括FFT變換、頻譜分析,以及數(shù)據(jù)微分功能等。

圖3 位移分析軟件的用戶界面

圖3所示的界面較為簡單,選單(菜單)項(xiàng)包括文件、工具、幫助3個(gè)一級選單。文件選單下包括視頻文件讀入和退出2個(gè)二級選單；工具選單下包括曲線局部放大、曲線局部縮小、設(shè)置3個(gè)二級選單。

2 測試系統(tǒng)的部分算法

本系統(tǒng)的圖像處理基于OpenCV(open source computer vision library)通用開源視覺庫,實(shí)現(xiàn)了圖像灰度、二值化,并對于標(biāo)靶進(jìn)行識別,然后對標(biāo)靶進(jìn)行定位。標(biāo)靶的精確定位直接決定了本系統(tǒng)的適用性,通過多種方法對比,本系統(tǒng)最終采取較為成熟的最優(yōu)圓擬合圓檢測算法,對標(biāo)靶位置進(jìn)行精確計(jì)算[8-9]。

在進(jìn)行標(biāo)靶中心定位前,首先需要進(jìn)行圖像邊緣檢測,本系統(tǒng)采用了Canny算法,準(zhǔn)確獲取了標(biāo)靶的邊界[10]。Canny邊緣檢測算法流程見圖4。

圖4 Canny邊緣檢測算法流程

在完成標(biāo)靶邊緣檢測后,通過Hough變換提取目標(biāo)圖像中的圓、橢圓甚至是任意形狀的邊緣,從而實(shí)現(xiàn)從圖像空間到參數(shù)空間的映射。

對于本文所采用的圓形靶標(biāo),假定圓中心坐標(biāo)為O(a,b),對于半徑為r的圓,其邊緣任意點(diǎn)坐標(biāo)可以表達(dá)為

由圖像空間[X,Y]T可以解得對應(yīng)的參數(shù)空間[a,b,r]T,以此為圓心，再采用最小二乘法進(jìn)行多圓擬合。其基本原理:采用標(biāo)靶圓邊緣點(diǎn)擬合所得的圓逼近標(biāo)靶圓的輪廓,使采用標(biāo)靶圓邊緣點(diǎn)擬合所得的圓與標(biāo)靶圓邊緣點(diǎn)組成的圓之間的殘差最小。得到此時(shí)的標(biāo)靶圓心坐標(biāo)及半徑。算法可以實(shí)現(xiàn)在圖片中多個(gè)圓的識別工作,多圓識別算法是在已有的最小二乘法基礎(chǔ)上,添加了圖像自動(dòng)區(qū)域分割技術(shù),使得對圓局部可以準(zhǔn)確獲取識別區(qū)域。圖5給出了單圓及多圓的識別效果。

圖5 單圓與多圓識別效果

3 數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)驗(yàn)證

對標(biāo)靶的識別僅僅只是系統(tǒng)驗(yàn)證的第一步,為了充分驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,在南京工業(yè)大學(xué)土木工程與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了系統(tǒng)驗(yàn)證。

模擬地震振動(dòng)臺臺面寬為3.36m,水平單向激振方向長為4.86m，振動(dòng)臺最大載重量為25t,水平最大位移為±120mm,水平向最大加速度為±1.0g。振動(dòng)臺臺面圖6所示。驗(yàn)證試驗(yàn)采用尼康D7000型相機(jī),相機(jī)測試幀率為30幀/s,可以測試15Hz以下的振動(dòng)位移。驗(yàn)證試驗(yàn)體系見圖7。

圖6 振動(dòng)測試臺面

圖7 試驗(yàn)驗(yàn)證體系

驗(yàn)證結(jié)果見圖8(激振頻率為1Hz和3Hz),由圖8可知，采用數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)測得的位移與激光位移傳感器測試的位移形態(tài)一致,幅值相同。說明在本實(shí)驗(yàn)條件下,數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)可以替代激光位移傳感器完成測試任務(wù)。

圖8 數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)與位移傳感器測試結(jié)果對比

4 數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)應(yīng)用

目前開展的大型振動(dòng)臺試驗(yàn)中,高聳結(jié)構(gòu)位移測試的技術(shù)難點(diǎn)在于位移傳感器安裝困難,一般采用在局部處安裝加速度傳感器,在數(shù)據(jù)處理時(shí)二次積分加速度的方法[11-12],但是數(shù)值積分過程涉及到積分算法選取及截?cái)囝l帶選取等人為主觀因素,數(shù)值積分也并非最優(yōu)解決方案,為此筆者嘗試將數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)應(yīng)用于大型振動(dòng)臺試驗(yàn)中。

如圖9所示為正在準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?該模型為縮比模型,比例為1∶4,整體高度為6.3m,5層,底部5層為徹體結(jié)構(gòu),頂部1層為鋼結(jié)構(gòu)。為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,在結(jié)構(gòu)周圍構(gòu)筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本次試驗(yàn)的目的是為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。在該試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)沿地震方向的位移測試采用的是拉線式位移計(jì)。本文為驗(yàn)證數(shù)字圖像位移測試系統(tǒng)在振動(dòng)測試中應(yīng)用的可能性,在振動(dòng)方向上增加了2個(gè)圖像靶標(biāo)。靶標(biāo)1與拉線式位移計(jì)1測點(diǎn)相同,靶標(biāo)2與拉線式位移計(jì)2相同,測點(diǎn)布置見圖10。用于對比的拉線式位移計(jì)為德國ASM公司所生產(chǎn)的WS10SG-1000-R1K型位移傳感器,其量程為0～1 000mm,測量精度為±0.05%。

圖9 在地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)應(yīng)用圖像位移測試系統(tǒng)

為了實(shí)時(shí)記錄結(jié)構(gòu)的振動(dòng),本文采用了最高采集速度為300幀/s的高速攝像頭,分辨率為200萬像素。由于地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)一般只考慮50Hz以下的振動(dòng),為保證圖像采集效果,最終試驗(yàn)時(shí)未采用最高采樣幀數(shù),而是降為100幀/s。但遺憾的是靶標(biāo)2未能采集到有效圖像。

圖10 振動(dòng)臺位移測試中的測點(diǎn)布置

本次地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)共進(jìn)行了3組地震波試驗(yàn):ElCentro地震波、Taft地震波以及上海地震波,每個(gè)地震波考慮了7度小震、7度中震、7度大震、8度大震以及各種掃頻,共計(jì)29個(gè)試驗(yàn)工況。

圖11為本次試驗(yàn)部分試驗(yàn)結(jié)果比較。本文截取了典型的ElCentro地震波和上海波在7度震和8度大震時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖中對比數(shù)據(jù)可以看到，采用數(shù)字圖像位移采集技術(shù)采集到的位移數(shù)據(jù)與拉線式位移計(jì)基本上沒有差異。通過簡單積分,總體誤差可以控制在5%范圍內(nèi),能夠滿足一般土木結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測試要求。

5 結(jié)束語

基于本文的研究內(nèi)容,主要可以得到以下結(jié)論:

(1) 通過對被測物進(jìn)行連續(xù)圖像觀測可以實(shí)現(xiàn)對被測物位移的精確測量,可以有效對被測物的動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測,本文所確立的系統(tǒng)基本架構(gòu)適用于一般性的位移測試系統(tǒng)。

(2) 因?yàn)槲灰平馕鲋苯尤Q于服務(wù)器對于圖像的計(jì)算分析能力,受限于硬件性能,本文未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位移解析。實(shí)時(shí)解析是未來圖像位移測試系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,從理論上講本文所述的算法和結(jié)構(gòu)應(yīng)該適用,但在多核分布式運(yùn)算方面還應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

(3) 圖像位移測試精度與數(shù)據(jù)量的關(guān)系而言,位移跟蹤的主要精度取決于數(shù)字圖像的分辨率,圖像分辨率越高,其數(shù)據(jù)量越大,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量更大,未來在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)應(yīng)針對不同應(yīng)用要求,在本框架基礎(chǔ)上做針對性的開發(fā),以便平衡不同精度、不同采集頻率的要求,對系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行綜合評估,對系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果比較

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Design and development of digital graphic displacement test system

Wen He1 2, Wan Li2, Chen Su2, Xu Xun2

(1. Chengdu Neusoft Institute,Chengdu 611844, China; 2. Key Laboratory of Civil Engineering and Disaster Prevention & Mitigation,Nanjing Technology University, Nanjing 211816, China)

The requirement of displacement and position locating in structure test has been discussed.As an ideal displacement test system,the framework of the digital graphic displacement test system has been proposed.A simple verification prototype has been developed,in which continuous video was dispersed to images and marks in these images were fitted by multi circles.Then the displacements are accurately located by the least square method.Compared with the laser displacement gauge,it is proved that the system is applicable.After successful application in seismic simulation test,this method is considered to be available in structural dynamic test.

structure test; displacement test; dynamic test; digital image

2015- 03- 17 修改日期：2015- 05- 15

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208251)

溫荷(1982—)，女，四川成都，碩士研究生，講師，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)副主任，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件技術(shù).

E-mail：kathyhhh@163.com

TP274

A

1002-4956(2015)8- 0100- 05