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实验力学(2006)46:105-114 DOI 10.1007/s11340-006-6124-
利用数字图像处理技术对柔性桥梁进行实时位移测量
J. J. Lee amp; M. Shinozuka
投稿日期:2005年9月1日/录用日期:2005年11月9日
摘要：采用数字图像处理技术对桥梁进行实时位移测量。这是创新性的，高成本效益和易于实施，并且保持了动态测量和高分辨率的优势。首先，测量点用已知几何形状的目标板标记。一种带伸缩镜头的商用数码摄像机，安装在远离桥面的固定点(如海岸)或桥墩(桥台)上，可视为固定点。然后，摄像机拍摄目标的运动图像。同时，利用图像处理技术计算目标的运动，这需要纹理识别算法，捕获图像的投影，以及使用目标几何和移动像素数计算实际位移。现场试验验证了该方法的有效性。试验结果在振幅和频率上都给出了足够的动态分辨率。针对某大型悬索桥固有频率在3hz以内、最大位移为几厘米的特点，讨论了该技术在大型悬索桥中的应用。
关键词：位移测量，数字图像处理，实时，桥梁结构
介绍
桥梁结构在使用过程中会受到各种外部荷载的作用，如交通、地震、阵风和波浪荷载等。结构可能随时间以意想不到的方式恶化，这可能导致结构损坏，造成昂贵的维修费用或重大的人命损失。因此，结构健康监测已成为结构安全连续评估和评价的重要研究课题。在这方面，监测结构响应可以为评估结构完整性提供有价值的信息。在一定的加载条件下，位移是需要获得的基础和关键信息。然而，测量柔性桥梁的位移是非常困难的，因为大多数桥梁跨越海洋或河流。安装传统的位移测量装置几乎是不可能的，即使不是不可能，也要付出极高的代价。
传统的结构位移传感器，如线性变差动变压器(LVDTs)和千分表，在结构的某一点进行测量。可灵活测量任意方向的位移，满足结构测试的分辨率要求。然而，这些传感器需要固定的平台作为测量基准，并将传感器固定在平台上。平台通常必须靠近结构，因为与结构尺寸相比，传感器尺寸相对较小，在这种情况下，必须使用线连接设备，可能会造成精度损失。实际上，这是实地测试的一个典型问题，因为访问结构的成本很高，而且很难建立所需的平台。
关于利用全球定位系统(GPS)技术测量桥梁结构位移的技术可行性，已有大量研究。利用实时运动(RTK)全球定位系统(GPS)[1]测得的风振响应，确定了虎门大桥的动力特性。RTK-GPS系统水平分辨率为T5毫米，高度分辨率为T10毫米。Meo等(2005)采用RTK-GPS系统对诺丁汉威尔福德悬索桥[2]的低频振动进行了测量。GPS接收机和天线能够以10赫兹的速度，以2毫米的定位精度获取实时的绝对三维位置。利用GPS系统对柔性民用基础设施位移进行测量，具有毫米级定位精度高、动态测量频率可达10hz、实时监测、无需进入桥址即可进行远程测量等优点。但是，由于GPS系统要求GPS接收机与卫星通信，存在电磁噪声高、天气限制使用、卫星周期限制测量周期和持续时间等问题。与基于视觉的跟踪方法相比，基于gps的跟踪方法具有更高的跟踪精度和采样率。
Nassif等人将非接触式激光多普勒振动计(LDV)系统的动态活载试验结果与接触式传感器[3]的结果进行了比较。采用激光多普勒测振系统作为非接触式、非破坏性的桥梁振动和挠度测量手段，与直接安装在梁上的lvdt -缆索系统相比，提供了准确的位移结果。与安装的检波器传感器相比，LDV系统还提供了精确的梁速度测量。利用具有成像能力的微波干涉仪对某实际建筑[4]的位移进行了测量。利用合成孔径干涉雷达获取图像，利用合成微波图像的相位信息对被照结构进行位移检测。然而，这些设备非常昂贵且难以实现。
利用实测加速度估算桥梁位移已经有几位研究人员进行了研究[5,6]。而在原理上，可以通过对相应的加速度进行二次积分来确定位移的时程，而传统的加速度计可以方便地测量加速度，
在各种数字信号处理方法中都存在一些主要的缺陷，这些缺陷会在提取的估计位移时程中造成较大的失真。Kim和Cho[7]开发了一种利用光纤布拉格光栅应变传感器[7]估算桥梁挠度的方法。应用经典梁理论，利用直接从几个点测得的应变，重新构造了一个计算连续挠曲剖面的公式。对实测应变数据进行回归分析，得到应变函数，并将应变函数应用于公式中估计挠度曲线。然而，这种方法有一些局限性;它应适用于梁式结构。应变数据对噪声非常敏感，需要在多个测点进行测量，才能准确估计桥梁的挠度剖面。
另一方面，光学器件为位移测量提供了有效的替代方法。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，这些光学设备已经变得可以负担得起，而且预计在未来还会越来越便宜。Stephen等人(1992)提出了一种视觉跟踪系统来测量英国亨伯桥桥面位移。为了实时处理，采用基于转宫的并行处理技术，以视频帧速率跟踪多个独立对象的运动。在目标跟踪中，从初始帧中提取用户选择的目标特征模板，重复使用最小二乘误差方案进行模板匹配操作。该系统成功地应用于亨伯桥[8]的甚低频运动测量。Olaszek[8]开发了一种基于摄影测量原理的附加参考系统[9]研究桥梁动力特性的方法。利用与目标点同时测量的参考点来排除摄像机平移运动的影响。然而，这种参考校正方法不适用于旋转运动的情况。此外，还应使用专门制造的光学装置，利用一种图像捕捉装置同时捕捉两个遥远的点(参考点和目标点)。Whabeh等。[10]部署了高保真摄像机的分辨率520行和450数码变焦功能,和目标由黑色钢板28英寸高32英寸宽,这两个高分辨率红灯(LED)安装,测量位移的文森特·托马斯桥位于圣佩德罗,加州[10]。先进的信号处理技术由于计算时间的关系，对30分钟的全光记录数据采用离线方式进行niques处理，包括光学数据约简和拟合高强度红斑中心的非线性高斯回归曲线。
本文采用数字图像处理技术对柔性桥梁的动态位移进行了测量。该技术具有成本效益高、易于实现等优点，但仍保持了动态位移测量分辨率高的优点。下一节将介绍利用图像处理技术进行实时位移测量的基本技术背景。为验证所提方法的有效性，分别对一座采用钢板梁桥和一座采用开箱梁桥进行了现场试验。最后，对该技术在某大型悬索桥中的应用进行了简要的探讨。
利用图像处理技术进行实时位移测量
图1为采用数字图像处理技术的实时位移测量系统原理图。首先，用已知几何形状的目标板标记测量点。一种带伸缩镜头的商用数码摄像机，安装在桥外的固定点(如海岸)或桥墩(桥台)上，可视为固定点。然后，摄像机拍摄目标在测量点的运动图像。同时，利用图像处理技术计算了目标的位移，这就要求采用纹理识别算法、所捕获图像的投影和目标的运动估计使用目标几何形状和移动像素数的实际位移。MATLAB 7.0中的图像采集工具箱开发了图像处理软件。
位移测量系统使用数字图像处理技术是由(1)硬件包括一个目标对象,一个伸缩镜头,数码摄像机,IEEE1394端口,和一台笔记本电脑和(2)软件包括连续图像采集、目标识别算法,计算三角变换矩阵的pre-captured图像,从在线图像数据与实际位移计算。在这项研究中，我们部署了一个商业数字摄像机与30
光学缩放能力，分辨率为720times;480像素，帧速率为每秒30帧。摄像机上安装了一个具有8倍光学变焦能力的望远镜镜头，以便跟踪距离摄像机更远的目标。采用奔腾m1.6 GHz处理器，512mb内存的笔记本电脑进行实时数据处理。这些系统的总成本不到2000美元，在进行桥梁实时位移测量时非常经济。
图2显示了一个目标对象，它有四个已知几何形状的白点和黑色背景。水平(Lx)和垂直长度(Ly)应确定考虑预期的最大位移要测量和硬件的性能，包括数字视频摄像机和望远镜镜头。光源可以用来照亮目标上的白点。为了识别目标上的白点，根据背景亮度和目标区域为
图1使用数字图像处理技术的实时位移测量系统
式中，micro;B和sigma;B为背景区域亮度的平均值和标准差，micro;T和sigma;T为目标区域亮度的平均值和标准差。
四个白点的中心可以从黑白图像中找到。然后在像素坐标(x, y)中确定与实际水平方向和垂直方向对应的方向向量([x1y1]T， [x2y2]T)。三角变换矩阵(T)将图像帧(x, y)的方向变换为桥梁(x,y)的实际方向,缩放因子(SFx SFy)关联的图像帧的像素数量实际目标长度为
实际位移([dxdy]T)是根据目标运动的像素数([xy]T)，变换矩阵和缩放因子为
当前系统的精度取决于硬件性能和与目标的距离。它使用一台30光学变焦的商用摄像机和一个8光学变焦的望远镜镜头可以在距离10米的帧的整个范围内拍摄长度为1厘米的目标。垂直方向的像素数为480。因此，分辨率约为0.021 mm/pixcel。当到目标的距离加倍时，分辨率也加倍。考虑到普通桥梁的最大预期位移为几毫米，相机可以放置在几十米的距离。对于大跨度桥梁，例如悬索桥，相机应该放置在离目标很远的地方，可能是几百米。但是，预期的最大位移是几厘米(几十厘米)。
为了实时测量，图像处理应该在1/30秒内进行，因为大多数商用视频摄像机支持每秒30帧的帧率。在采集图像帧时，利用图像处理技术计算目标的位移，包括目标识别、像素移动个数的计算、利用变换矩阵和比例因子计算实际位移、计算位移的显示和存储。信息量取决于每帧像素数和每秒帧数。感兴趣区域(ROI)为预计算的变换矩阵和缩放因子，应覆盖四个白点区域。采用多帧(可能30帧)进行预计算，利用计算结果的平均值构造变换矩阵和尺度因子结构在振动状态下的鲁棒性。但是，在测量阶段用于目标识别的ROI不需要覆盖四个白点，可以进一步降低。为了减少实时处理的信息量，只需要跟踪一个点，如图2b所示。
图2图像处理的目标对象
现场试验验证
韩国高速公路公司(KHC)根据实际交通和环境状况的实测数据，建立了一条测试道路，以验证和增强路面设计指南。其余道路为沿韩国中部内陆高速公路修建的一条长7.7公里的普通双车道高速公路，如图3所示。测试道路上有3座测试桥。采用卡车荷载试验方法，对板桥和预制桥面钢箱梁桥进行了现场应用。
图3测试道路
应用于某钢板梁桥
以三成大桥为例，对其进行了现场试验。跨度为40米。车辆行驶测试包括使用三辆自卸车，载重量分别为15吨、30吨和40吨。振动由于车辆运行3和50公里/小时的速度测量的中心跨度由三个不同的传感器:基于线连接的接触式位移传感器的采样率1000赫兹(OU位移传感器、东京Sokki Kenkyujo有限公司)、激光振动计100 Hz的采样率(ofv - 505标准模块化控制器,光学传感器头和ofv - 5000 Polytec, Inc .),和一个数码摄像机30帧每秒。图4显示了实验设置。传统的位移传感器和激光振冲器安装在测量点下方的地面上，摄像机则安装在桥台附近的地面上。图5显示了比较结果。在运行速度为3 km/hr时，15吨、30吨和40吨的最大位移分别为1、2、2.5 mm左右。用数字图像处理技术测量的位移与低噪声激光振动计的测量结果接近。传统的接触式位移传感器采用线连接方式，测量噪声较大。测量误差是激光测得的位移与图像处理技术测量的位移之差，50公里/小时的速度下有一点增加,因为30 Hz的采样率的数字摄像机不足以跟踪更高频率的动态运动试验桥的第一固有频率是4.2赫兹。然而，人们发现它仍然是合理的。当然，该系统的精度受监测结构的动态特性和加载频率的影响。尽管如此,预计该系统可以成功地应用于测量桥梁的振动,可能只有不到10%的误差,自第一固有频率的常见的桥隔2到5赫兹,和较低的模式低于15赫兹将有助于超过90%的总位移的桥。
图4某板梁桥的现场试验
应用于某钢箱梁桥
在延代大桥上进行了另一场现场试验。进行了车辆运行试验
采用两辆自卸车，载重量分别为30吨和40吨，行驶速度分别为20公里和40公里/小时。采用激光振冲仪，以1 kHz的采样速率(LB-1000, KEYENCE Co.)测量第一跨中心的动态位移，并采用数字图像处理技术。图6为试验桥，图7为时域和频域比较结果。数字图像处理技术测量的位移与激光测振仪测量结果接近，测量噪声小。目前基于视觉的系统能够很好地跟踪桥梁的动态响应，因为所测响应的频率含量小于3hz。
适用于大型悬索桥
基于视觉的悬索桥等大跨径桥梁位移实时测量，由于其大跨径的特点，近年来引起了广泛的关注。跨越海洋或河流的桥梁和安装传统的位移测量装置几乎是不可能的，如果不是不可能的话，也是极其昂贵的。Whabeh等人报道了一项分析和实验研究的结果，该研究旨在开发、校准、实施和评估基于视觉的方法测量位于加州圣佩德罗的文森特托马斯桥的位移的可行性。然而，仍有一些缺点有待改进;(1)可以取代了光学变焦数码变焦,(2)复杂的信号处理来确定目标的中心应该取代了简单算法实时实现的方式,和(3)的角定位相机对坐标变换的目标应该考虑。
图6钢箱梁桥的现场试验
图7位移测量对比结果
图8一座行人悬索桥
为了验证本方法在悬索桥上的适用性，对如图8所示的加劲钢梁人行悬索桥进行了可行性试验。这座桥的总长度约为120米。目标被放置在跨中中心点，摄像机被放置在桥台附近的地面上。相机到目标的距离约为70米。在同一位置以500hz的采样率测量加速度。图9显示了加速度计和数字图像处理技术测量的响应。实测的一阶固有频率为基于加速度的1.83 Hz，基于图像处理技术的1.82
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