采用普通攝像機的斜拉索振動位移非接觸測量方法

楊益?zhèn)悾瑓菓c雄，許永吉，黃宛昆

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福建省土木工程多災(zāi)害防治重點實驗室，福建 福州 350108;3.福建省智能養(yǎng)護工程有限公司，福建 福州 350008； 4.工程結(jié)構(gòu)福建省高校重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

作為斜拉橋的主要承力構(gòu)件，斜拉索振動是影響結(jié)構(gòu)安全的重要因素[1].事實表明，過大的斜拉索振動會對人們的出行帶來不便并嚴重影響橋梁的正常使用，造成拉索錨固區(qū)域的疲勞損壞并對交通安全造成嚴重威脅[2].因此，為了對斜拉橋的安全狀況進行評估和監(jiān)測，對斜拉索的振動特別是振動位移進行測試是斜拉橋測試的重要內(nèi)容.

常用的斜拉索振動位移測量方法包括間接測量和直接測量兩種.間接測量是指利用固定在斜拉索上的加速度傳感器將加速度信號轉(zhuǎn)化為電信號進行測量[3-4]，并對加速度測量結(jié)果進行數(shù)值積分得到位移測量結(jié)果.加速度的測量結(jié)果需要進行兩次積分運算才能得到動位移測量結(jié)果，但是由于積分初值的不確定，因此難以得到準確的振動位移測量結(jié)果[5-6].直接測量是指利用儀器直接測量拉索的振動位移，常用的有激光位移計測量[7]和GPS測量[8]等.激光位移計測量是在橋梁上面尋找一個相對不動的基準點，安裝激光頭并對準待測目標，就可獲得拉索的動位移測量結(jié)果[9].但由于固定困難且測距有限，只能實現(xiàn)單目標測量，該方法在斜拉索的動位移測量上尚未得到普遍運用.GPS測量是利用固定在拉索上的GPS信號接收器測量拉索的振動位移，但是由于GPS測試結(jié)果的精度不足，無法得到準確的拉索動位移測量結(jié)果，因此在拉索的振動測試中并不常用[10].

針對現(xiàn)有拉索振動位移測試方法的不足，工程師們又提出攝影測量的方法測試拉索動位移.目前的研究重點主要集中在振動位移計算方法研究[11]和測試系統(tǒng)開發(fā)[12]，振動位移監(jiān)測[13]和基于振動位移監(jiān)測的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估[14-15]等方面.Olaszek[16]利用計算機視覺技術(shù)研究橋梁的振動特性，通過與既有測量方式的比較，認為攝影測量運用于橋梁振動測試可以得到具有良好精度的測量結(jié)果.Fujita等[17]通過多臺工業(yè)相機監(jiān)控位于振動臺上的實體建筑的位移，得出在不同地震波響應(yīng)下的結(jié)構(gòu)位移.Zhou等[18]在斜拉索上面黏貼標志點, 利用普通攝像機拍攝斜拉索的振動，將標志點二值化得到特征點的位移來處理計算斜拉索的動位移，結(jié)果和加速度傳感器對比，發(fā)現(xiàn)計算所得到的索力結(jié)果相似.Chang等[19]利用兩臺攝像機測量了在地震波激勵下三層建筑模型的運動，同時通過風洞模型實驗，結(jié)果表明視頻測量技術(shù)能很好地彌補傳統(tǒng)傳感器的不足，特別是在測量結(jié)構(gòu)二維或三維振動響應(yīng)的時候.黃宛昆等[12]利用高速相機組建一套多測點的斜拉索動位移實時測試系統(tǒng)，通過室內(nèi)模型試驗和實橋測試結(jié)果驗證測試方法的正確性和測試結(jié)果的可靠性.

斜拉索大幅振動的出現(xiàn)存在偶然性.對于不易預(yù)測的斜拉索大幅振動，采用專業(yè)儀器進行現(xiàn)場測量往往不夠適用，因此手機、 DV等普通攝像設(shè)備往往更加方便實用[21].為及時準確地測量斜拉索振動，本文將相片采集和數(shù)據(jù)分析分開，利用普通攝像機進行斜拉索非接觸式測試方法的研究和測試系統(tǒng)的開發(fā)，并通過室內(nèi)模型試驗和實橋測試對測試方法的正確性和可靠性進行驗證.

1 測試方法

1.1 測試原理

利用普通攝像設(shè)備對偶發(fā)的斜拉索大幅振動進行測試，其具體測試原理(見圖1)是利用攝像機或者手機等普通攝像設(shè)備對固定在拉索上的目標測點進行拍攝，得到一段時間軸連續(xù)的模擬影像.再將室外拍攝的視頻影像帶回實驗室，并根據(jù)一定的采樣頻率對模擬影像進行離散化處理，將時間軸連續(xù)的模擬影像轉(zhuǎn)換為時間軸離散的數(shù)字圖像.通過對比不同時刻的數(shù)字圖像，對包含目標測點信息的數(shù)字圖像進行特征匹配和參數(shù)識別，計算得到目標測點空間位置的測量結(jié)果，并保存為數(shù)字文件.

使用普通攝像設(shè)備對斜拉索進行非接觸測量，應(yīng)以固定采樣頻率(即幀速率)將連續(xù)的視頻離散成一系列的圖像測量結(jié)果.本研究使用通用視頻處理軟件KMplayer將視頻轉(zhuǎn)成圖像，具體做法為： 首先打開需要轉(zhuǎn)成圖像的視頻，并且將視頻暫停在開始的位置； 然后進入高級捕獲對話框中進行參數(shù)設(shè)置，選擇相片文件的采樣幀速率； 最后點擊開始按鈕進行視頻離散化.待視頻離散化完成后，將離散得到的圖片進行整理，便得到所需要的圖片文件.

1.2 圖像預(yù)處理

因成像設(shè)備、 外部環(huán)境、 人為因素的影響，特別是采用普通攝像設(shè)備拍攝的圖像, 其質(zhì)量會降低.此時，圖像往往伴隨著噪聲，使被測物體邊緣模糊，并會對后續(xù)圖像處理的精度造成影響.因此，對圖像進行預(yù)處理，消除圖像噪聲、 去除不必要的信息、 識別圖像中有效信息是數(shù)字圖像處理中一個重要過程.

圖像預(yù)處理技術(shù)包括灰度拉伸、 中值濾波、 高斯濾波等[17].圖2(a)是普通攝像機拍攝運動物體所得到的圖像，圖中圓形標識點即為被測物體.由于成像設(shè)備的原因，標識點很模糊.因此，需要對圖像進行預(yù)處理.對圖像灰度進行拉伸(如圖2(b)所示)，增強對比度，再進行中值濾波(如圖2(c)所示).可以看出，通過對圖像進行灰度拉伸和中值濾波等處理后，目標圖像的清晰度和對比度得到了明顯改善，同時圓形標識點邊緣信息保存完好.

1.3 測試系統(tǒng)開發(fā)

為檢驗普通攝像機進行振動位移測量的結(jié)果精度，采用家用級索尼數(shù)碼攝像機HDR-CX180E進行拍攝，幀速率為25～50 F·s-1，并與激光位移計[12]的測量結(jié)果進行比較.所組成的硬件系統(tǒng)如圖3所示.

基于LabVIEW程序開發(fā)平臺，進行振動位移測試程序的開發(fā).首先利用LabVIEW平臺提供程序語句的“創(chuàng)建文件”和“讀取文件”讀取分割好的單幀照片； 后利用程序語句“簡單標定”對照片進行標定，將圖像像素尺寸轉(zhuǎn)換成實際單位尺寸； 再利用程序語句“低通濾波”和“灰度拉伸”對照片進行增強處理； 再利用程序語句“設(shè)置模板匹配”和“模板匹配”進行圓形標志點的特征匹配； 最后顯示測量結(jié)果，并利用程序語句“寫入電子表格”進行數(shù)據(jù)存儲.所開發(fā)的程序如圖4所示.

2 室內(nèi)模型試驗驗證與討論

2.1 單標識點擺錘試驗

以固定在擺錘上的標識點為測量目標，對擺錘的振動位移進行測量.攝像機拍攝方向與目標點振動平面垂直，距離被測目標1.5 m，采樣頻率設(shè)為25 Hz.激光位移計采樣頻率也設(shè)為25 Hz.對擺錘施加一個初始位移，使其發(fā)生正弦擺動，并對擺錘振動進行拍攝和采樣.

普通攝像機和激光位移計測量的擺錘位移時程曲線見圖5.比較結(jié)果表明，普通攝像機的測量結(jié)果與激光位移計的測量結(jié)果完全一致，相位一致且同時達到振動幅值，滿足測量精度要求.證明了采用普通攝像機進行非接觸式位移測試方法的可行性，且精確高.

2.2 無標識點擺錘試驗

為了驗證在沒有明確標識點情況下普通攝像機測量結(jié)果的精度，因此進行無標識點的擺錘試驗.將試驗過程中的圓形標識點去除，將綠色矩形框選定的試驗對象(擺錘)直接作為模板，采用匹配的方式對擺錘的振動位移進行計算，測量結(jié)果見圖6.從圖6可發(fā)現(xiàn)，普通攝像機測量結(jié)果與激光位移計測量結(jié)果幾乎完全一致，相位一致且同時達到振動幅值.普通攝像機與激光位移計測量結(jié)果的比較表明，二者最大偏差為9.8%，滿足測量精度的要求.因此，在實際測試的過程中，可以采取無標識點的方式進行斜拉索的振動位移測量.

2.3 多標識點擺錘試驗

為驗證多標識點情況下普通攝像機測量結(jié)果的精度，進行多標識點的擺錘試驗.選取兩個標識點，其中標識點A固定在擺錘上作正弦振動，標識點B固定不動.測試結(jié)果見圖7.

圖7中可看出，運動點的測試結(jié)果和激光位移計測試結(jié)果很好地吻合，而不動點的位移很小，在0.4 mm之內(nèi).測量結(jié)果表明，開發(fā)的動位移測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)多標識點的位移測試，測試結(jié)果可以滿足精度的要求.

3 實橋測試結(jié)果

采用本文所述的斜拉索振動位移測試方法和測試系統(tǒng)，針對一座獨塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋(見圖8)的斜拉索振動位移進行測試.所測量的斜拉橋主橋長419 m，采用梁塔固結(jié)體系.主塔高118 m呈倒Y字形.全橋共設(shè)58對斜拉索，共116根.

利用普通攝像機，對斜拉索的動位移進行測量，如圖9所示.標志點固定在斜拉索上，受現(xiàn)場安裝條件的限制，將標志點安裝在距離主梁高約2 m的位置.同時在標志點的相同位置布置加速度傳感器，對斜拉索的振動加速度進行測試.對振動位移測量結(jié)果進行頻譜分析，并將得到斜拉索頻率與加速度測試結(jié)果進行對比，驗證方法可行性和結(jié)果精確性.圖10是利用普通攝像機得到的斜拉索的位移時程曲線和頻譜圖.

與加速度測試得到的頻率進行比較，結(jié)果見表1.其中fi表示第i階頻率，Δi表示第i階頻率的測量誤差。從表1可看出，兩種方法得到的頻率基本一致，最大誤差不超過0.9%.得到動位移測量系統(tǒng)可滿足實橋斜拉索動位移測量要求，驗證了基于普通攝像機的動位移測試方法進行實橋測試方法的可靠性.

表1 位移和加速度測試結(jié)果比較

4 結(jié)語

本研究采用普通攝像設(shè)備對斜拉索的振動位移進行測量，并基于LabVIEW程序開發(fā)平臺，對普通攝像設(shè)備的斜拉索振動位移測試系統(tǒng)進行開發(fā).通過室內(nèi)擺錘模型試驗，驗證采用普通攝像機進行斜拉索振動位移測試方法的正確性及測試結(jié)果的精確性.開發(fā)的斜拉索振動位移測試系統(tǒng)既可以實現(xiàn)單標識點的位移測試，也可以實現(xiàn)多標識點和無標識點的振動位移測試，測試結(jié)果可以滿足精度的要求.實橋測試結(jié)果驗證采用普通攝像機進行實橋測試方法的可靠性，測試結(jié)果滿足實橋斜拉索動位移測量要求.