基于計算機視覺的隔震支座動態(tài)位移測量

黨育，賀一哲

（蘭州理工大學土木學院，甘肅 蘭州 730050）

引言

隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座既作為豎向承重構(gòu)件，又要消耗結(jié)構(gòu)振動能量，是最容易發(fā)生破壞的關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位。一旦隔震支座發(fā)生損傷未能及時發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)累積到一定程度，可能導致整個結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，因此，對隔震支座進行地震監(jiān)測，以有效跟蹤和評價其性能狀態(tài)，可為地震災害及復雜環(huán)境作用下隔震結(jié)構(gòu)及隔震支座的安全運營和科學養(yǎng)護提供參考。目前我國已建成的近萬棟隔震建筑中［1］，僅有個別建筑對隔震支座進行了地震監(jiān)測，原因是目前所采用的監(jiān)測系統(tǒng)基本由加速度傳感器和位移傳感器及相應的數(shù)據(jù)采集設備組成［2－5］，導致整個監(jiān)測系統(tǒng)價格昂貴且維護復雜，作為一筆額外的工程支出，絕大多數(shù)業(yè)主都難以接受。因此，開發(fā)一種低成本、高精度的隔震支座地震監(jiān)測系統(tǒng)，對已建隔震結(jié)構(gòu)和隔震支座的性能評價、隔震技術(shù)和隔震支座產(chǎn)品的改進，都具有重要的科學和應用價值。

近年來，隨著計算機視覺技術(shù)和圖像采集設備的不斷發(fā)展，基于計算機視覺的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法已用于橋梁變形監(jiān)測［6］、結(jié)構(gòu)位移測量［7－8］、斜拉索振動［9］、風機葉片振動［10］等方面。該方法具有多點監(jiān)測、低成本、高精度等諸多優(yōu)點，因此，可嘗試采用基于計算機視覺的方法對隔震支座進行地震監(jiān)測。但已有的基于計算機視覺的位移測量方法，多數(shù)要求相機位置固定，以相機位置作為基準點，測量結(jié)構(gòu)的振動位移。但要測量隔震支座在地震作用下的位移，相機也會隨地震而運動，無法將相機位置作為基準點來測量支座位移。針對這種情況，通常也可用GPS或慣性導航（INS）系統(tǒng)［11］實時跟蹤相機位姿，再以各時刻相機位姿及相機與結(jié)構(gòu)的相對位移，推算出結(jié)構(gòu)的絕對位移。但隔震支座設置在室內(nèi)，GPS信號較弱，若采用INS系統(tǒng)且需滿足隔震結(jié)構(gòu)位移測量的精度要求，則整個監(jiān)測系統(tǒng)的造價與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比并無優(yōu)勢。Yoon等［12］和Tung等［13］也提出了一種無需采用GPS或INS等設備來實時追蹤相機位姿的方法，用運動的相機拍攝被測物附近的一個固定物，利用相機與固定物的相對位置推算相機位姿，此方法雖然不需要GPS或INS，但仍需要在被測物附近有一個固定物，而對于地震時的隔震支座，整個結(jié)構(gòu)及地面都會運動，附近不存在固定物。因此已有的基于視覺的結(jié)構(gòu)位移測量方法，并不能直接用于隔震支座在地震下的變形監(jiān)測。

據(jù)此，針對隔震支座地震時的位移測量要求和特點，文中提出一種基于計算機視覺的隔震支座動態(tài)位移測量方法，該方法無需跟蹤相機位姿，實現(xiàn)對隔震支座的動態(tài)位移測量，并通過一個隔震支座的力學性能試驗，驗證了文中提出的隔震支座變形監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和準確性。

1 隔震支座動態(tài)位移監(jiān)測方法

采用計算機視覺方法進行隔震支座動態(tài)位移測量時，相機需設置于隔震層，具體設置方式如圖1所示。即相機或固定于上部結(jié)構(gòu)，或固定于地面。

圖1 隔震支座動態(tài)位移測量的相機布置示意Fig.1 Camera layout for dynamic displacement measurement of isolated bearings

地震發(fā)生時，相機會隨地面或上部結(jié)構(gòu)運動，即相機拍攝得到的圖像與物體的投影關(guān)系是隨時變化且未知的。但注意到隔震支座的位移為上部結(jié)構(gòu)與地面的相對位移，可以使用隔震支座上、下連接鋼板的相對變形進行表示，因此，分別沿建筑軸線兩個正交方向x,y向在隔震支座上下連接板處設置標靶，并沿x,y向分別放置相機，為了保證標靶在圖像中的投影具有相同的景深，準確得到圖像中的物象關(guān)系，相機光軸與標靶平面相互垂直［14］，如圖2所示。

圖2 相機與標靶位置關(guān)系示意Fig.2 The position relationship between the camera and targets

兩相機同時采集隔震支座的動態(tài)視頻：取x向的相機視頻，分幀生成連續(xù)靜態(tài)圖片，并對圖片進行預處理；識別出上、下標靶的圓心坐標和半徑；對比標靶的像素與物理半徑R，得到圖像像素與物理空間的比例因子求出同幀圖像中上、下標靶的圓心坐標之差，再乘以比例因子，得到該時刻的隔震支座位移值；將該幀與上一幀的隔震支座位移相減，得到第i時刻隔震支座的相對位移按各幀圖像的時間順序，將0時刻至第i時刻的隔震支座相對位移疊加，得到第i時刻隔震支座x向水平位移和豎向位移Δ；再對y向的相機視頻，使用相同方式進行處理，得到第i時刻隔震支座y向水平位移通過對比兩個方向的相機視頻得到的隔震支座豎向位移，校核隔震支座各點位移計算是否正確。該方法具有以下特點：

（1）考慮到隔震支座的變形測量精度要求較高，故使用標靶進行測量。由于圓形標靶具有制作簡單、精度高、幾何意義清晰等優(yōu)點，使用圓形作為標靶。隔震支座連接板在整個隔震支座運動過程中，并不發(fā)生變形，標靶設置在隔震支座上下連接板。

（2）圖像中的物象比例關(guān)系是由標靶像素與標靶物理大小的比值確定，與標靶與相機的相對距離無關(guān)。由于設置相機光軸與標靶平面相互垂直，因此，每幀圖像的物象比例關(guān)系可通過比例因子法確定。

（3）隔震支座一個方向的水平位移和豎直位移，是測量該方向上下標靶的相對位移得到的。因此，該方法不需要追蹤相機的運動，就可直接確定各時刻隔震支座的位移。

（4）為消除上下靶點初始的相對位移誤差，隔震支座位移通過各時刻的隔震支座相對位移疊加得到。

在實際應用中，由于相機需設置于隔震層，而隔震層通常在室內(nèi)，相較于室外環(huán)境，隔震層的環(huán)境變化較小且可控。實際測量時，可依據(jù)具體的環(huán)境情況，如不同空氣濕度、光線亮度，選擇合適的相機及靶點材料進行測量。例如通常隔震層位于地下，光線較暗，實際應用時可使用全彩微光相機，或LED燈等發(fā)光器材作為靶點，也可通過手動調(diào)整HSV色彩空間的參數(shù)閾值，消除環(huán)境對靶點識別準確性的影響。因此，對于實際隔震工程，該方法仍適用。和豎向位移

2 標靶圓心及半徑檢測方法

文中所提出方法的關(guān)鍵是如何準確識別標靶的圓心坐標和半徑。根據(jù)測量環(huán)境的特點，結(jié)合HSV色彩空間、Canny邊緣檢測和Hough變換圓檢測，對標靶的圓心坐標和半徑進行識別，實現(xiàn)隔震支座的動態(tài)位移測量。具體流程如圖3所示。

圖3 隔震支座動態(tài)位移檢測流程Fig.3 Flowchart of dynamic displacement of isolated bearing

2.1 HSV色彩空間

由于隔震層通常為室內(nèi)且僅作為設備檢修空間，因此，整個空間亮度較低，光暗分布不均勻，且包含的顏色數(shù)量較少，尤其是綠色干擾物較少，由此，將標靶顏色選定為綠色。HSV色彩空間是根據(jù)圖像中顏色的直觀特性，對圖像色彩用色相、飽和度和明度3個分量表示［15］。對每一幀隔震支座圖像進行HSV色彩變換，提取標靶的顏色綠色，就可有效去除干擾信息，準確識別出圖像中的標靶。

2.2 Canny邊緣檢測

當識別出圖像中的標靶，還需要檢測出標靶邊緣。Canny邊緣檢測是一種基于零穿越的多級檢測算法，具有不易受噪聲干擾、低錯誤率、無偽邊緣等優(yōu)點。首先使用高斯濾波器對圖像進行濾波，平滑圖像，去除噪聲，再計算圖像中每個像素點的梯度和方向，并使用非極大值抑制，降低邊緣檢測造成的雜散響應，應用雙閾值檢測確定真實邊緣，最后通過抑制孤立的弱邊緣完成檢測［16］。

2.3 Hough變換圓檢測

由于標靶為圓形，用已得到的標靶邊緣，采用Hough變換圓檢測方法，就可得到標靶的圓心坐標和半徑［17］。Hough變換圓檢測的基本原理為：設標靶的圓心坐標為(a,b)，半徑為r0，則標靶邊緣各點坐標可表示為：

將標靶邊緣任意點[X,Y]T中映射至參數(shù)空間[a,b,r]T，則：

若以參數(shù)空間[a,b,r]T表示標靶邊緣任意點，可看出，標靶邊緣點由于被圓心及半徑約束，在參數(shù)空間[a,b,r]T的各圓錐會交于一點，如圖4所示，該點即為標靶的圓心點，而半徑則為檢測到的所有圓中最大的半徑。

圖4 Hough變換圓檢測的基本原理Fig.4 Basic principle of Hough transform circle detection

2.4 標靶圓檢測效果

為驗證以上方法檢測標靶圓心及半徑的準確性，建立了由多個顏色的圓形標靶組成的圖像，并識別出綠色圓形標靶，驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5 算法檢測效果Fig.5 Algorithm detection effect

3 試驗驗證

對一個LRB500鉛芯橡膠支座進行力學性能試驗，并拍攝整個試驗過程，驗證以上提出方法的可行性和準確性。

3.1 試驗設備

隔震支座力學性能試驗的加載設備采用電液伺服壓剪機，正弦波加載，豎向最大加載15 000 kN，水平最大加載1 000 kN，水平向最大位移±500 mm，單向最大位移650 mm。具有位移傳感器和力傳感器，位移記錄頻率為10 Hz，精度為0.01 mm。

視頻采集設備有2種：當相機固定拍攝時，采用相機為Sony－DSC－RX100－50i，分辨率為1 920×1 080，拍攝幀頻為50 fps，即采樣頻率為50 Hz，奈奎斯特頻率為25 Hz；當相機運動拍攝時，使用手機魅族17后置攝像頭，分辨率為1 920×1 080，拍攝幀頻為60 fps，即采樣頻率為60 Hz，奈奎斯特頻率為30 Hz。2種相機的奈奎斯特頻率均大于位移傳感器的記錄頻率。

模擬相機運動的設備為小型振動臺WS－Z30－50，臺體自重11.4 kg，臺面尺寸516 mm×380 mm，僅水平一個方向可發(fā)生振動，臺面最大承重35 kg，水平最大位移±8 mm，可加載地震動、正弦波等多種波形，最大加速度2 g。

3.2 試件及試驗工況

試件選用鉛芯橡膠支座LRB500，支座主要參數(shù)如表1所示。

表1 LRB500隔震支座參數(shù)Table 1 LRB500 isolated bearing parameters

隔震支座分別進行水平剪切性能γ=100%、γ=250%和豎向壓縮性能共3個工況的試驗，試驗加載依據(jù)《橡膠支座第三部分：建筑隔震橡膠支座》GB 20668.3，具體如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

由于隔震支座的水平力學性能僅為單向加載，故試驗時僅在一個方向設置相機與靶點。采用綠色圓形標靶，半徑為5.0 mm，由于隔震支座的位置在壓剪機中心，光照有遮擋，為了拍攝清晰，試驗時將標靶貼于電液伺服壓剪機的上、下連接板處，如圖6所示。

圖6 隔震支座標靶布置Fig.6 The layout of targets in the isolated bearing

用2種相機同時拍攝隔震支座各工況加載開始直至結(jié)束的視頻。其中手機固定于振動臺，從拍攝開始直至結(jié)束，振動臺持續(xù)反復加載同一地震動。地震動峰值調(diào)整為振動臺振動的最大容許位移值。為模擬相機的運動方向為任意方向，設置振動臺的振動方向與隔震支座的水平位移方向不平行，試驗現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場布置圖Fig.7 Experiment site layout

3.3 試驗結(jié)果及分析

利用上述的視覺方法得到隔震支座各工況的位移時程，并與位移計的測量結(jié)果進行對比。圖8為隔震支座剪切變形為100%的水平位移時程，圖9為隔震支座剪切變形為250%的水平位移時程。

由圖8、圖9可知，無論隔震支座水平發(fā)生大變形還是小變形，也無論相機固定還是相機運動，采用視覺方法得到的水平位移時程與位移計得到的結(jié)果基本完全一致，水平位移峰值的誤差見表3。

圖8 不同測量方式得到的支座剪切變形100%的位移時程Fig.8 The displacement time history of 100%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

圖9 不同測量方式得到的支座剪切變形250%的位移時程Fig.9 The displacement time history of 250%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表3 不同測量方式得到的隔震支座水平位移峰值對比Table 3 The horizontal peak displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

由表3可知，與位移計測量的水平位移峰值相比，采用視覺方法的測量誤差均小于2.0%，且相機運動比相機固定，測量誤差要大。這些誤差是由視覺測量方法造成，比如HSV色彩提取后，對圖像進行形態(tài)學膨脹與腐蝕運算，造成圖片邊緣的不一致，而且Hough圓檢測并不檢測最優(yōu)圓，測量的半徑與圓心點的坐標會有誤差，另外，相機運動導致圖像模糊化，也會引起一定的誤差。但水平位移峰值絕對誤差最大也不超過1 mm，完全滿足隔震支座水平位移測量的精度要求，說明提出的視覺方法可在各種情況下完成隔震支座的水平變形檢測。

圖10為隔震支座的豎向位移時程。由圖10可知，采用視覺方法測量的豎向位移時程曲線的波形趨勢與位移計的時程曲線基本一致，但采用視覺方法測量的豎向位移時程曲線沿時間點不斷波動，尤其是相機運動時。原因是整個加載過程中，隔震支座的豎向位移很小，最大僅為0.854 mm，與豎向位移的絕對值相比，前述的視覺測量方法造成的系統(tǒng)誤差就顯得比較明顯。

圖10 不同測量方式得到的隔震支座豎向位移時程Fig.10 The vertical displacement time history of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表4為不同測量方式得到的豎向位移峰值。由表4可知，與位移計測量的豎向位移峰值相比，采用視覺方法的測量誤差在20%～80%，相機運動比相機固定，測量誤差要大，但注意到豎向位移峰值僅0.854 mm，相機運動時測量的豎向位移峰值的絕對誤差為0.691，小于1 mm。對整個豎向位移時程各點的誤差進行統(tǒng)計，得到相機固定時的豎向位移絕對誤差的最大值為0.488 mm，相機運動時的豎向位移絕對誤差的最大值為1.851 mm。正常情況下隔震支座的豎向位移小于3 mm，只有隔震支座有質(zhì)量缺陷或發(fā)生支座破壞時，才會產(chǎn)生較大的豎向位移，因此，即使本方法的測量誤差為1 mm左右，也可識別出支座豎向變形的異常情況。

表4 不同測量方式得到的隔震支座豎向位移峰值對比Table 4 The peak vertical displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

4 結(jié)論

文中提出一種基于計算機視覺的隔震支座動態(tài)位移測量方法，無需額外跟蹤測量相機運動，實現(xiàn)對隔震支座的動態(tài)位移監(jiān)測，并通過一個隔震支座的基本力學性能試驗，對提出的視覺方法進行驗證，主要結(jié)論如下：

（1）無論隔震支座水平發(fā)生大變形還是小變形，也無論相機固定還是相機運動，采用視覺方法得到的水平位移時程與位移計得到的結(jié)果幾乎完全一致。相機運動比相機固定，測量誤差要大，但與位移計測量的結(jié)果相比，水平位移峰值的絕對誤差小于1 mm，誤差比值小于2%，滿足隔震支座水平位移測量的精度要求，說明提出的視覺方法可在各種情況下完成隔震支座的水平變形檢測。

（2）采用視覺方法測量的豎向位移時程曲線的波形趨勢與位移計的時程曲線基本一致，但沿時間點不斷波動。原因是隔震支座的豎向位移不足1 mm，與豎向位移的絕對值相比，視覺測量方法造成的系統(tǒng)誤差就顯得比較明顯，但絕對誤差的最大值也僅為1.851 mm。

受實驗設備所限，試驗中相機位移為±8 mm。在實際地震測量時，相機固定于地面或上部結(jié)構(gòu)，相機與隔震支座之間的相對位移即為隔震支座的水平位移，位移量范圍預先可估計，只要設定相機的視野域大于隔震支座的水平位移量，就可以得到準確的測量結(jié)果。因此，對于實際隔震工程，該方法仍適用。