CN109870279A - 基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统和检测方法，其用于对桥梁的挠度进行非接触式测量。所述的挠度检测系统包括：合作靶标、滤光片、光学镜头、摄像机、环境扰动监测装置、图像处理系统、显示及操控装置。本发明的挠度检测系统采用合作靶标固定在桥梁需要测试挠度的位置；通过光学镜头和摄像机捕获合作靶标上高亮LED的图像；利用图像处理系统对靶标的图像进行处理；并结合环境扰动监测装置提供的信息对桥梁的挠度进行计算；利用显示及操控装置指导测量操作并显示挠度数据。本发明的桥梁挠度检测系统采用的数字图像处理技术，具有非接触式测量、操作简单、场地适应范围广、测量精度高、抗环境干扰能力强、多点同时测量等特点。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁挠度检测领域，具体而言，本发明涉及利用数字图像处理技术的非接触式桥梁挠度检测系统。
背景技术
挠度作为桥梁安全状况的一项重要指标，在桥梁的建设、验收及使用阶段都需要进行精准的测量。随着测量技术的不断进步，各种不同的方法已经应用到桥梁挠度测试技术中，目前已经应用到实际应用中的测量方法有百分表法、水准仪法、连通管法、倾角仪法、激光图像法、GPS法等。以上测量方法可以归结为两种：一种为接触式挠度测量法，另一种为非接触式测量方法。其中的百分表法、水准仪法、连通管法属于接触式测量方法，倾角仪法、激光图像法、GPS法属于非接触测量方法。接触法测量应用较早，但操作复杂、场地受限，目前应用的非接触测量法如GPS法存在成本高，信号不够稳定等问题。
随着视觉成像技术的快速发展，近几年数字图像处理技术在桥梁挠度测中得到广泛的应用，光学非接触式的挠度测量在实际中有了大量的应用，很多研究利用图像技术对桥梁的动态特性、结构位移进行了大量的研究，并研究了消除摄像机振动对测量误差影响的方法。
目前多数研究是基于计算机平台开发，在测量现场应用中受到操作方式及供电条件等限制，无论是台式计算机还是笔记本都给操作带来诸多不便，目前很少有基于光电成像技术的专业仪器用于桥梁挠度测量，大多数研究仅限于理论及功能性测试阶段。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述缺点，本发明提出了一种可以同时对5个测试点进行挠度测量的便携式系统，其测量精度高，操作简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，包括：合作靶标、滤光片、工业摄像机、环境扰动监测装置、图像处理系统；所述工业摄像机的镜头前依次设有光学镜头和滤光片，摄像机、环境扰动监测装置均与图像处理系统连接。
所述合作靶标，用于固定在桥梁需要测量挠度点并以设定的光谱发射可见光；
所述摄像机用于通过光学镜头捕获合作靶标中LED的图像，并将图像实时以电信号的形式传输至图像处理系统；
所述图像处理系统用于接收从摄像机传送的图像信息及环境扰动监测装置发送的环境扰动参数，对图像信息进行处理，利用处理结果得到桥梁的实时挠度值，实现非接触式挠度测量。
所述合作靶标设有两个LED，LED的发光频率与滤光片的通过频率相同。
所述两个LED的中心连线与大地水平线垂直。
还包括显示及操控装置，用于实现人机交互，通过触摸屏及按键对靶标值进行设定、锁定靶标，通过显示屏显示实时挠度数据信息。
对桥梁的挠度进行非接触式测量，包括以下步骤：
摄像机通过光学镜头捕获合作靶标中LED的图像，并将图像实时以电信号的形式传输至图像处理系统；
环境扰动监测装置测量摄像机所处环境扰动的幅值，并将测量的扰动幅值发送到图像处理系统；
图像处理系统根据标靶的两个LED中心的实际间距与图像中两个LED中心点的像素值计算靶标所在平面与摄像机CCD平面之间的物象比，并锁定顶端LED所在的像素点坐标值；利用顶端LED坐标在测试过程中的移动距离与物象比的乘积，计算得到标靶移动的实际距离，即桥梁上靶标所在点的实时挠度值；
图像处理系统将实时挠度值减去环境扰动监测装置测量的扰动幅值，即得到最终的挠度值。
所述物象比r＝a/n；a为两个LED中心间的实际距离；n为图像中两个LED之间的像素。
所述图像处理系统通过FPGA和/或DSP实现。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用光学原理远距离测量挠度位移，减少传统接触式测量过程中中由于人为操作导致的测量误差；并通过开发便携式低功率直流供电系统，摆脱测量时传统设备在野外操作时对供电需求的依赖。
2.本发明方法可以同时对5个测试点进行挠度测量，减少多点测量时对设备的数量需求，节约人力及测试成本。
3.本发明的桥梁挠度检测系统采用的数字图像处理技术，具有非接触式测量、操作简单、场地适应范围广、测量精度高、抗环境干扰能力强、多点同时测量等特点。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的非接触式桥梁挠度检测系统的示意图；
其中，1合作靶标、2滤光片、3光学镜头、4摄像机、5环境扰动监测装置、6图像处理系统、7显示及操控装置；
图2为图像处理系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，其用于对桥梁的挠度进行非接触式测量。所述的挠度检测系统包括：合作靶标、滤光片、光学镜头、摄像机、环境扰动监测装置、图像处理系统、显示及操控装置。本发明的挠度检测系统采用合作靶标固定在桥梁需要测试挠度的位置；通过光学镜头和摄像机捕获合作靶标上高亮LED的图像；利用图像处理系统对靶标的图像进行处理；并结合环境扰动监测装置提供的信息对桥梁的挠度进行计算；利用显示及操控装置指导测量操作并显示挠度数据。
合作靶标采用两个高亮LED制作，用于固定在桥梁需要测量挠度点附近以一定的光谱发射可见光。靶标采用锂电池供电、无线遥控装置控制其工作，在非测量时间段可以远距离关闭靶标，节约电池电量。靶标上采用的大角度发光LED可以使相机在俯仰角和倾斜角较大时仍能够接收到足够能量的光，保证多靶标测量及大角度测量时系统的精度。靶标中两个LED之间的实际距离采用光学标定板在实验室隔振平台下利用与本专利实施方案中同样的滤光片、光学镜头、摄像机进行标定。
滤光片通过频率与靶标上LED的发光频率集中的的频率段相对应。保证除合作靶标中的LED发出的光无其它杂散光进入光学镜头。目标靶中两个LED灯珠中心位置的实际距离采用光学标定板进行标定。
所述的光学镜头(光学镜头为现有技术)及摄像机捕获合作靶标中高亮LED的图像，并将图像的实时信息以电信号的形式向图像处理系统进行传输。
所述的环境扰动监测装置用于测量摄像机所处环境周围风扰及大地扰动的具体幅值，并将测量的扰动幅值发送到图像处理系统。
所述的图像处理系统接收从摄像机传送的光学图像信息及环境扰动监测装置发送的环境扰动参数，通过对图像信息进行处理，通过靶标两个LED的距离与图像中两个LED中心点的像素值计算靶标所在平面与摄像机CCD平面之间的物象比，并锁定顶端LED所在的像素点坐标值，利用顶端LED坐标的移动距离与物象比的乘积，计算得到目标靶移动的实际距离，最终得到桥梁上靶标所在点的实时挠度值。图像处理系统在计算LED坐标的移动距离时通过识别上述环境扰动监测装置发送的扰动信号，将环境对摄像机扰动导致LED坐标值的变动进行消除。从而更真实、准确的得到桥梁的实时挠度值。
图像处理系统采用FPGA&DSP软硬件协同架构，充分利用FPGA的高速并行处理能力与DSP的高速运算能力。
所述的显示及操控装置通过触摸屏及按键对每个靶标两个LED之间的距离进行设定、锁定靶标，通过显示屏显示实时挠度数据等信息。
如图1所示，依据本实施例的桥梁挠度检测系统包括：合作靶标1、滤光片2、光学镜头3、摄像机4、环境扰动监测装置5、图像处理系统6、显示及操控装置7。
在实际工作中利用工程设备将最多5个不同标定值的目标靶固定在桥梁需要检测挠度的位置，由于靶标与桥梁所在的地面无接触，因此不受河流、铁路线、峡谷等自然条件的限制。
为了实现非接触测量，本发明所涉及的靶标的两个LED之间的实际距离a采用光学标定板在实验室隔振平台下利用与本专利实施方案中同样的滤光片、光学镜头、摄像机进行标定。
在测量开始前通过调节相机焦距使所有的靶标都在视场中，并使靶标图像的像素值最大。
在开始测量后图像处理系统首先利用FPGA将图像数据流进行滤波、裁剪等预处理；去除相机噪声干扰，裁剪边界区域，得到真实稳定可靠的图像数据以便后续处理。
后级处理器DSP通过测量每个靶标的两个LED之间的像素n，并计算每个靶标的像素大小与实际尺寸的比例r＝a/n，在桥梁开始加载前标记所有靶标在图像中位置坐标的值(x0,y0)，并作为桥梁挠度测量的零点，在测试过程中图像处理系统实时获取目标点LED的坐标值(xi,yi)并进行记录，实时计算目标点的坐标差(xi-x0,yi-y0)，并实时计算靶标位置桥梁的挠度值L＝r×(xi-x0,yi-y0)。如图2所示。
在本实施例中，为消除杂散自然光对靶标图像造成的干扰，在开始测量前应通过调节相机的曝光时间使图像中除了靶标LED外无其它反光物体出现。本实施例中采用的滤光片、光学镜头、摄像机、环境扰动检测装置为现有技术中存在的常规设备。
Claims (7)
1.基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，其特征在于包括：合作靶标(1)、滤光片(2)、工业摄像机(4)、环境扰动监测装置(5)、图像处理系统(6)；所述工业摄像机(4)的镜头前依次设有光学镜头(3)和滤光片(2)，摄像机(4)、环境扰动监测装置(5)均与图像处理系统(6)连接。
所述合作靶标(1)，用于固定在桥梁需要测量挠度点并以设定的光谱发射可见光；
所述摄像机(4)用于通过光学镜头(3)捕获合作靶标(1)中LED的图像，并将图像实时以电信号的形式传输至图像处理系统(6)；
所述图像处理系统(6)用于接收从摄像机(4)传送的图像信息及环境扰动监测装置(5)发送的环境扰动参数，对图像信息进行处理，利用处理结果得到桥梁的实时挠度值，实现非接触式挠度测量。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，其特征在于所述合作靶标(1)设有两个LED，LED的发光频率与滤光片(2)的通过频率相同。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，其特征在于所述两个LED的中心连线与大地水平线垂直。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测系统，其特征在于还包括显示及操控装置(7)，用于实现人机交互，通过触摸屏及按键对靶标值进行设定、锁定靶标，通过显示屏显示实时挠度数据信息。
5.基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测方法，其特征在于，对桥梁的挠度进行非接触式测量，包括以下步骤：
摄像机(4)通过光学镜头(3)捕获合作靶标(1)中LED的图像，并将图像实时以电信号的形式传输至图像处理系统(6)；
环境扰动监测装置测量摄像机所处环境扰动的幅值，并将测量的扰动幅值发送到图像处理系统；
图像处理系统根据标靶的两个LED中心的实际间距与图像中两个LED中心点的像素值计算靶标所在平面与摄像机CCD平面之间的物象比，并锁定顶端LED所在的像素点坐标值；利用顶端LED坐标在测试过程中的移动距离与物象比的乘积，计算得到标靶移动的实际距离，即桥梁上靶标所在点的实时挠度值；
图像处理系统将实时挠度值减去环境扰动监测装置测量的扰动幅值，即得到最终的挠度值。
6.根据权利要求5所述的基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测方法，其特征在于所述物象比r＝a/n；a为两个LED中心间的实际距离；n为图像中两个LED之间的像素。
7.根据权利要求5所述的基于数字图像处理技术的桥梁挠度检测方法，其特征在于所述图像处理系统通过FPGA和/或DSP实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190611 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |