數字圖像位移測試系統設計與開發

溫 荷, 萬 里, 陳 蘇, 徐 汛

(1. 成都東軟學院, 四川 成都 611844； 2. 南京工業大學 土木工程與防災減災重點實驗室, 江蘇 南京 211816)

數字圖像位移測試系統設計與開發

溫 荷1 2, 萬 里2, 陳 蘇2, 徐 汛2

(1. 成都東軟學院, 四川 成都 611844； 2. 南京工業大學 土木工程與防災減災重點實驗室, 江蘇 南京 211816)

對目前土木結構試驗中的位移采集、空間定位問題進行了討論,分析了數字圖像位移測試系統的一般構成、位移記錄算法,構建了數字圖像位移測試系統的原型。為驗證構架的可行性,開發了簡易的測試軟件,采用視頻記錄了物體的運動軌跡,并通過最小二乘法進行多圓擬合對目標點進行精確定位,分析得到對應標靶的位移變化情況。通過與激光位移計的數據對比,驗證了算法的正確性。最后,通過地震模擬振動臺試驗,驗證了其在土木結構動態測試中的適用性。

結構試驗； 位移測試； 動態測試； 數字圖像

近年來計算機視覺研究已成為熱點,特別是在交叉學科中得到了長足的發展,例如:生物特征識別[1]、醫學影像處理、工業制造、智能交通目標識別[2]、安全防護等。在土木工程結構動態試驗中,為了精確測量結構的運動狀態,測試數據包括加速度、速度、位移[3]。加速度和速度是目前常用數據,可以通過傳感器直接獲取,而受限于測試技術限制,位移測試目前多采用電阻式或感應式位移傳感器[4-5],屬于接觸式位移測試技術。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[6-7]。激光位移計通過激光反射的方式測量位移,但仍然只能測試沿位移計方向上的位移,且由于被測點在空間上是移動的,不能完全反映被測點的真實位移。

本文在被測試件上設置靶標點,記錄了被測試件隨時間變化時整體數字圖像,通過對圖像進行逐幀解析,采用一定的算法計算出靶標點的精確位移。基于以上要求,構建了簡易的位移測試系統,并基于基本的硬件、軟件分析系統,驗證了位移測試系統的可行性,為結構測試系統提供一種新方法。

1 數字圖像位移測試系統的組成

如圖1所示,根據數字圖像位移測試系統一般分為硬件系統和軟件系統兩部分,其硬件組成應包括高清攝像機、視頻數據傳輸線路和板卡,以及用于數據存儲和分析的服務器；軟件部分則包括視頻采集控制模塊、圖像處理模塊、標定模塊、圖像解析模塊和數據后處理模塊。

圖1 數字圖像位移測試系統框圖

受軟硬件限制,本文未采用實時方式進行視頻傳輸并處理,而是用攝像機預先拍攝好視頻,而后用數據線傳輸給服務器再進行處理的方式。因此用于數據處理的軟件是本文的核心。由于不需要實時接收視頻數據,本文省略了硬件接口的開發工作,而將主要精力用于系統框架的搭建與核心算法的開發上。

圖2為本文規劃的軟件架構。視頻采集控制模塊主要用于實時對高速攝像機進行控制,包括連接攝像機、視頻采集開始、暫停以及視頻數據存儲等；存儲于服務器的視頻隨后導入圖像處理模塊,首先對視頻進行分幀處理,將視頻分解為逐幀的單張靜態圖像,然后將圖像轉化為灰度圖,進行兩值化處理。標定模塊,由于攝像機與被測物的位置可能會發生變化,在正式對圖像進行解析之前,需要以標準的靶標對攝像機與被測物之間的位置進行標定,這里包含了兩種修正,標準靶標的直徑校正與靶標相對位置的位移校正。圖像解析模塊是生成的關鍵模塊,首先需劃定位移檢測的邊界,對標靶位置進行定位,然后與標定數據進行修正,形成最終位移數據。數據后處理模塊主要是對生成的位移數據進行二次處理,具體包括頻譜特性分析,對位移數據進行微分運算,計算速度、加速度,極值點捕捉,以及可以進行數據還原等。

圖2 圖像位移測試軟件功能框圖

圖3為本文所開發的軟件系統界面,該軟件已初步具備基本的攝像機接口、視頻導入功能,通過攝像機、標靶信息的處理,得到其位移信息,并可對位移數據進行簡單的數據處理,包括FFT變換、頻譜分析,以及數據微分功能等。

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)項包括文件、工具、幫助3個一級選單。文件選單下包括視頻文件讀入和退出2個二級選單；工具選單下包括曲線局部放大、曲線局部縮小、設置3個二級選單。

2 測試系統的部分算法

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

在進行標靶中心定位前,首先需要進行圖像邊緣檢測,本系統采用了Canny算法,準確獲取了標靶的邊界[10]。Canny邊緣檢測算法流程見圖4。

圖4 Canny邊緣檢測算法流程

在完成標靶邊緣檢測后,通過Hough變換提取目標圖像中的圓、橢圓甚至是任意形狀的邊緣,從而實現從圖像空間到參數空間的映射。

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

由圖像空間[X,Y]T可以解得對應的參數空間[a,b,r]T,以此為圓心，再采用最小二乘法進行多圓擬合。其基本原理:采用標靶圓邊緣點擬合所得的圓逼近標靶圓的輪廓,使采用標靶圓邊緣點擬合所得的圓與標靶圓邊緣點組成的圓之間的殘差最小。得到此時的標靶圓心坐標及半徑。算法可以實現在圖片中多個圓的識別工作,多圓識別算法是在已有的最小二乘法基礎上,添加了圖像自動區域分割技術,使得對圓局部可以準確獲取識別區域。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 數字圖像位移測試系統驗證

對標靶的識別僅僅只是系統驗證的第一步,為了充分驗證系統的可行性,在南京工業大學土木工程與防災減災重點實驗室開展了系統驗證。

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

圖6 振動測試臺面

圖7 試驗驗證體系

驗證結果見圖8(激振頻率為1Hz和3Hz),由圖8可知，采用數字圖像位移測試系統測得的位移與激光位移傳感器測試的位移形態一致,幅值相同。說明在本實驗條件下,數字圖像位移測試系統可以替代激光位移傳感器完成測試任務。

圖8 數字圖像位移測試系統與位移傳感器測試結果對比

4 數字圖像位移測試系統應用

目前開展的大型振動臺試驗中,高聳結構位移測試的技術難點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,在數據處理時二次積分加速度的方法[11-12],但是數值積分過程涉及到積分算法選取及截斷頻帶選取等人為主觀因素,數值積分也并非最優解決方案,為此筆者嘗試將數字圖像位移測試系統應用于大型振動臺試驗中。

如圖9所示為正在準備進行試驗的試驗模型,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層為徹體結構,頂部1層為鋼結構。為提高結構的抗震性能,在結構周圍構筑鋼筋混凝土結構。本次試驗的目的是為驗證結構整體的抗震性能。在該試驗中,結構沿地震方向的位移測試采用的是拉線式位移計。本文為驗證數字圖像位移測試系統在振動測試中應用的可能性,在振動方向上增加了2個圖像靶標。靶標1與拉線式位移計1測點相同,靶標2與拉線式位移計2相同,測點布置見圖10。用于對比的拉線式位移計為德國ASM公司所生產的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 在地震模擬振動臺試驗應用圖像位移測試系統

為了實時記錄結構的振動,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。由于地震模擬振動臺試驗一般只考慮50Hz以下的振動,為保證圖像采集效果,最終試驗時未采用最高采樣幀數,而是降為100幀/s。但遺憾的是靶標2未能采集到有效圖像。

圖10 振動臺位移測試中的測點布置

本次地震模擬振動臺試驗共進行了3組地震波試驗:ElCentro地震波、Taft地震波以及上海地震波,每個地震波考慮了7度小震、7度中震、7度大震、8度大震以及各種掃頻,共計29個試驗工況。

圖11為本次試驗部分試驗結果比較。本文截取了典型的ElCentro地震波和上海波在7度震和8度大震時的試驗結果。由圖中對比數據可以看到，采用數字圖像位移采集技術采集到的位移數據與拉線式位移計基本上沒有差異。通過簡單積分,總體誤差可以控制在5%范圍內,能夠滿足一般土木結構的動態測試要求。

5 結束語

基于本文的研究內容,主要可以得到以下結論:

(1) 通過對被測物進行連續圖像觀測可以實現對被測物位移的精確測量,可以有效對被測物的動態情況進行觀測,本文所確立的系統基本架構適用于一般性的位移測試系統。

(2) 因為位移解析直接取決于服務器對于圖像的計算分析能力,受限于硬件性能,本文未能實現實時位移解析。實時解析是未來圖像位移測試系統發展的趨勢,從理論上講本文所述的算法和結構應該適用,但在多核分布式運算方面還應進行適當優化。

(3) 圖像位移測試精度與數據量的關系而言,位移跟蹤的主要精度取決于數字圖像的分辨率,圖像分辨率越高,其數據量越大,實時數據量更大,未來在系統開發時應針對不同應用要求,在本框架基礎上做針對性的開發,以便平衡不同精度、不同采集頻率的要求,對系統的硬件、軟件進行綜合評估,對系統整體進行優化。

圖11 試驗結果比較

)

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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

國家自然科學基金青年基金項目(51208251)

溫荷(1982—)，女，四川成都，碩士研究生，講師，計算機科學與技術教學團隊副主任，主要研究方向為計算機軟件技術.

E-mail：kathyhhh@163.com

TP274

A

1002-4956(2015)8- 0100- 05