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使用数字图像处理技术实时测量一个灵活的桥的位移

J.J.Lee. M . Shinozuka

收到:2005年9月1日/接受:2005年11月9日2006 #实验力学学会

摘要

在这项研究中,实时位移指的是桥梁进行的数字图像处理技术。这是创新的,高性价比和容易实现,但保持动态测量的优点和高分辨率。首先,测量点标有一个目标已知几何的面板。一个商业与伸缩镜头数码摄像机安装在一个固定的点离桥(例如,在海岸)或在一个码头(桥台),可以视为一个固定的点。然后,摄像机电影的目标。与此同时,运动的目标是计算过程——形象荷兰国际集团的技术,它需要一个纹理识别捕捉的图像投影算法,实际位移的计算使用的目标几何和像素的数量。实地测试进行了验证的礼物吗方法。测试结果给了足够的动力在振幅和频率分辨率。使用这种技术的大吊桥讨论了考虑这样的特点桥梁在低固有频率在3赫兹和几厘米的最大位移。

关键字 位移测量

数字图像处理实时的桥梁结构

介绍

桥梁结构暴露于各种外部负载如交通、地震、阵风和波加载在他们的一生中，。随着时间的推移，可能会以意想不到的方式结构恶化,这可能导致结构损伤导致昂贵的修理和/或人类生活的重大损失。因此,结构健康监测已成为一个重要的研究话题持续评估和评价结构安全。在这方面,监控结构反应可以提供有价值的信息来评估结构的完整性。在一定加载条件下的位移基本和重要的信息.然而,测量取代-表示“状态”的灵活的桥梁是非常困难的,因为大多数桥梁天桥大海或河流。安装传统的设备对位移测量表示“状态”几乎是不可能的,或者非常昂贵,如果没有不可能的。

传统的结构位移传感器,如线性可变差动变压器(线性)和千分表,执行测量在某一点的一个结构。他们为测量取代——是灵活的在任何方向,会议决议结构性测试要求。然而,这些sen -测量传感器适用需要固定平台参考和传感器的固定。平台通常接近结构因为传感器大小相比相对较小在这种情况下,电线接头结构的大小设备必须使用精度的可能损失。的确,这是一个典型的问题进行实地测试当访问结构是昂贵的,并建立-所需的平台是很困难的。

已经有大量研究相关的技术可行性,使用全球定位系统(GPS)技术测量桥梁结构的位移。虎门的动态特性桥在中国使用风——被确定实时诱导振动响应测量运动(RTK)全球定位系统(GPS)[1]。RTK-GPS系统的分辨率T5毫米水平和T10毫米高度。Meo等l(2005)采用RTK-GPS系统测量低收入频率振动的诺丁汉Wilford奥-锡安人行桥[2]。GPS接收器和天线能够获取实时绝对3 -维在2毫米的定位精度的速度10赫兹。使用GPS系统措施灵活的民用基础设施的位移等优点标签在许多方面,如定位精度millimeter-level、动态测量10赫兹,实时监控和远程测量访问网站的桥梁。然而,仍然存在问题问题需要解决,如高电磁噪音,由于天气和限制使用限制由于卫星测量周期和持续时间骑自行车,由于GPS系统需要GPS接收机和卫星之间的通信。和高精度和高采样率以gps跟踪成本远远超过拟议中的应用方法。

约瑟夫[3]的结果相比动态使用非接触式激光多普勒住负载测试振动计(LDV)系统与接触传感器[3]。使用激光多普勒振动计系统作为一种非接触、非破坏性的手段测量电桥振动和偏转准确的位移结果与线性-有线电视系统直接安装到桥上梁。LDV系统还提供了准确的梁当与速度测量检波器安装传感器。微波干涉仪成像能力是用来测量位移的实际规模[4]。这些图片得到了合成孔径干涉雷达,合成的相位信息是利用检测说——微波图像配售的发光结构。然而,这些设备非常昂贵和困难实现的。

估计使用测量桥梁的位移加速度进行了一些研究人队(5、6)。虽然原则上,人可以通过双积分确定位移的历史的时间相应的加速度,可以方便地用传统的加速度计,主要有一些缺陷在各种数字信号处理方法,可能导致重大失真提取的时间估计位移的历史。金姆和曹[7]开发了一种方法估计使用光纤布拉格-桥梁挠度光栅应变传感器[7]。通过应用经典梁理论,一个公式重新估计不断偏转概要文件是通过使用直接从几个点压力测量。回归分析获得应变函数执行的吗测量应变数据,挠度曲线应用应变函数来估计的穆勒。然而,这种方法有一定的局限性,它应该应用于要结构。应变数据对噪声非常敏感,并且应该被衡量的吗在许多指向准确估计偏差的一座桥。

另一方面,光学设备提供有效的替代位移测量。电子产品的快速发展和计算机技术,这些光学设备已经成为负担可以,他们预计将在的未来。斯蒂芬等人(1992)提出了一个视觉跟踪甲板系统来测量位移的亨伯河桥在英国。对于实时处理,基于晶片机并行处理技术用来跟踪多个运动的,独立的对象在视频帧率。对象跟踪,模板的用户选择的对象特性从最初的框架和模板使用最小最小二乘匹配操作错误方案反复应用。这个系统是成功地用来测量频率很低运动的亨伯桥[8]。Olaszek[8]开发动态特性的方法调查桥梁基于photo-gram-metric原则使用额外的参考系统[9]。同时参考点测量与目标点是用来排除的影响平移运动在图像捕捉相机。然而,这不是“通过参考改正“方案适用于旋转运动的情况。此外,特别制造的光学设备应采用同时捕获两个遥远的点(参考和目标点)使用一个图像捕获设备。Whabeh等[10]部署高保真摄像机分辨率为520线和450数码变焦的功能,目标由黑色钢板28英寸高32英寸宽,两个高分辨率的红色灯(LED)安装,测量位移文森特·托马斯桥位于加州的圣佩德罗[10]。减少复杂的信号处理技术,包括光学数据和非线性高斯回归曲线拟合来确定的中心高强度红斑,是应用于整个光学记录数据的30分钟以离线方式计算时间。

本文关注的是测量的动态使用数字图像位移灵活的桥梁处理技术。这一技术是高成本有效且易于实现,但仍然保持动态位移测量的优点良好的分辨率。在真正的基本技术背景通过图像处理时间位移测量下一节中描述的技术。为的验证方法,两场测试进行了与钢板梁的一座桥上与敞开箱形主梁和桥。最后,使用这种技术对于大型悬索桥是短暂的进行了讨论。

实时位移测量利用图像处理技术

图1显示了实时取代的图表使用数字图像测量系统过程荷兰国际集团技术。首先,测量角度标有一个目标已知几何的面板。一个商业与伸缩镜头数码摄像机安装在一个固定的点(如超出了桥。,在海岸)或在一个码头(桥台),可以重新将作为一个固定的点。然后,摄像机需要电影的目标放在测量-点。与此同时,目标的位移计算使用图像处理技术,这需要纹理识别算法,赞成吗注射捕捉的图像,并计算实际位移使用目标几何和数量像素移动。图像处理软件使用图像采集开发工具箱垫-7.0实验室。

一个使用数字位移测量系统图像处理技术是由(1)硬件包括一个目标对象,伸缩镜头,数码摄像机、IEEE1394端口和一台笔记本电脑软件包括计算机和(2)连续的图像捕获、目标识别算法计算从预处理的三角变换矩阵捕获的图像,它与实际位移-从在线图像数据。在这项研究中,我们部署商业数字摄像机30 *光学放大能力,分辨率为720times;480像素,30帧每秒的帧速率。具有8 *光放大功能的伸缩镜头安装在摄像机跟踪目标更远离摄像机。一个笔记本电脑奔腾M 1.6 GHz处理器和512 MB RAM用于处理实时数据。这些系统的总成本不到2000美元,这是非常经济而追求实时位移测量桥梁。

图2显示了一个有四个白色的目标对象点与已知几何和黑色背景。水平(L x)和垂直长度(L y)考虑预期的最大表示不确定位置来衡量和表现的硬件包括数字视频摄像机和伸缩镜头。一个光源可以利用明亮,在白色斑点的目标。认识到目标上的白色斑点,黑白图像的阈值计算基于——地面的亮度和目标区域，公式为：theta;=median[ ]，其中和是平均和标准偏差背景区域的亮度,和是亮度在目标地区的平均值和标准偏差。

四个白色斑点的中心可以从黑白图像。然后方向向量对应像素坐标的实际水平和垂直方向决定。三角变换矩阵(T)变换方向的图像帧的实际方向(x,y)在一个桥(x,y)和缩放因子()关联的图像帧的像素数量实际目标长度计算-数量的像素在图像坐标系到实际的目标长度计算,公式如下：

,其中，和的实际位移()计算基于目标运动的像素的数量(),变换矩阵和扩展因素公式如下：

当前系统的准确性取决于硬件性能和目标的距离。使用一个商业视频摄像机30 *光学变焦和伸缩与8 *光学变焦透镜,可以拍照目标1厘米的长度在整个范围的一个框架在一个10米的距离。在垂直方向像素的数量是480。因此,分辨率约为0.021毫米/ 像素。距离目标变得两倍时,res -解决也变得加倍。考虑到前要最大位移的一种常见的桥,这应该是几个毫米,相机可以吗放置在几十米的距离。为大跨度桥梁的情况下,如悬挂桥,相机应该远离目标,可能几个数百米。但是,预期最大位移是数(万)厘米。

为了实时测量,图像处理应在1/30秒内,因为大多数商业视频摄像机支持30帧每秒的帧速率。而捕捉图像帧,目标的位移利用图像处理技术,计算包括目标识别,计算数字像素的运动,计算实际的取代使用变换矩阵和扩展的因素,和显示和存储计算的位移。信息的数量取决于数量像素每帧,帧每秒的数量。同行区域（RIO）计算前的变换矩阵和扩展的因素应包括四个白色斑点。计算前进行使用多个框架,可能30帧,利用计算结果构造的平均水平变换矩阵和扩展的因素更多图2所示。目标对象图像处理46 108实验装置(2006):105 - 114扫描电镜强劲在振动条件下的结构。然而,ROI测量,为目标识别表示“状态”阶段不需要覆盖四个白色斑点和可以减少更多。它只需要跟踪一个减少的数量信息在实时处理方式如图2 b。

通过实地测试验证

韩国高速公路公司(KHC)建立了试验路验证和提高路面设计指南的基础上,从实际测量数据流量和环境条件。剩下的路是一个普通的两车道高速公路7.7公里长的构造Joongbu内陆高速公路在韩国,如图3所示。有3个测试桥梁测试路上。领域的应用目前的方法了钢板梁桥和钢箱梁桥与预制桥面板使用装车测试。

应用钢板梁桥

Samseung桥上的现场试验进行了一个简单的跨度和五个钢板梁。跨度是40 m。车辆运行测试进行了使用三个自卸卡车的负载15日30和40吨。由于汽车振动运行3和50公里/小时的速度测量跨度的中心由三个不同的传感器:a基于线的接触式位移传感器与采样率为1000 Hz(OU位移传感器、东京Sokki Kenkyujo有限公司),激光振动计与100年的采样率赫兹和一个数字摄像机与30帧每秒。传统的位移传感器和激光是安装在地面上测量角度,摄像机放置在附近的地面支承。在理想的情况下3公里/小时的速度,最大取代-总共是1、2和2.5毫米15、30和40吨。位移测量斜体字图像处理技术显示结果激光振动计的低噪音水平。但是,传统的接触式位移传感器电线接头显示大的测量噪音。测量误差取决于位移测量激光振动计和图像处理技术之间的差异,增加一点在50公里/小时的速度,因为30 Hz的采样率的数字摄像机不足以跟踪频率越高的动态运动试验桥的第一固有频率是4.2赫兹。然而,它被发现仍然是合理的。当然,这个系统的准确性受限于监测结构的动态特性和应用负载的频率内容。尽管如此,预计该系统可以成功完全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。

箱梁桥的应用程序

另一个现场试验进行Yeondae桥四个连续跨越和两个打开的盒子钢梁。车辆运行测试进行了使用两个自卸卡车负载30和40吨,20和40公里/小时的运行速度。动态位移测量的中心首次跨激光振动计1 kHz的采样率,和数字图像处理技术。图6显示了测试桥和图7显示了比较结果在时间和频率域,分别。位移测量的数字图像处理技术显示结果接近激光振动计和小测量噪声。目前应用系统能够跟踪桥的动态响应很好,因为频率响应测量的内容是在不到3赫兹。

适用于大吊桥

应用实时位移测量等大跨度桥梁的悬索桥吸引了大量的利益,因为大多数大跨度桥梁天桥大海或河流和常规设备的安装位移测量几乎是不可能的,或者非常昂贵的,如果不是不可能的。Whabeh等[10]报道的结果分析和实验研究开发、调整、实施和评价的可行性,建立的方法来测量位移的文森特·托马斯桥位于圣佩德罗,加州[9]。然而,仍有一些缺点需要改进,(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。

检查当前方法的适用性吊桥,进行可行性试验与加筋钢梁人行悬索桥如图8所示。桥的总长度约为120米。目标是放置在中跨的中心点,相机是放置在附近的地面支承。从相机到目标的距离约为70米。加速度也测量的采样率500赫兹在同一位置。图9显示了响应测量的加速度计和数字图像处理技术。测量第一固有频率是1.83赫兹基于加速度和基于图像处理技术的1.82赫兹。振动主要是由于行人和风力负载。大的振幅振动一段近60秒将人行横道。考虑到为中心点的位移影响线,假设行人的步行速度是3 - 4公里/小时,大约需要108 - 144秒过桥。近60秒的振动与一段对应的1/2-3/4影响线。原则上,一个可以确定的时间历史double-integration位移的对应的加速度。然而,这种double-integrating方案并不适用于这一领域的测试,因为它是不容易设计高通滤波器,因此桥梁响应的低频分量可以准确地构造。事实上,高通滤波器的截止频率估计位移的不稳定造成的。

系统的准确性

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