CN111623942B - 一种单向振动台试验结构模型位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向振动台试验结构模型位移测量方法，包括：标记点安装、图像采集、图像处理、标记点坐标求解、位移解算。本发明利用工业相机进行图像的采集，采用基于python语言编写的程序进行数字图像的处理，利用图像处理技术进行目标点的提取与定位，通过亚像素识别精确定位标记点坐标，根据图像‑物理坐标系换算关系最终得到标记点的位移，即是所测结构上标记点所处位置的位移，解决了大型振动台实验中，由于假定零位移刚性支架震动影响测量精度的问题，该方法，精度高，非接触测量，效率高。

Description

一种单向振动台试验结构模型位移测量方法

技术领域

本发明涉及位移测量方法，特别涉及一种单向振动台试验结构模型位移测量方法。

背景技术

结构振动台试验是评估结构抗震性能的重要手段，而单向振动台由于其成本较低、易于控制等优点被广泛采用。振动台试验主要是将实际结构按照一定缩放比例设计成结构模型安装在振动台上，利用振动台模拟各种地震波形对结构模型施加外部激励，最终通过事先安装在结构模型上的各种测量仪器得到结构的地震响应，从而分析结构的抗震性能。

目前，结构振动台试验中所采用的测量仪器主要分为接触式和非接触式两类，常见的接触式测量仪器主要为：LVDT型位移计、拉线式位移计等，具有精度高，成本低等特点；而非接触式测量仪器主要为：激光传感器等，具有安装灵活、非接触的特点。在振动台试验中，这些传统测量仪器往往需要安装在振动台周围的刚性支架上。当结构模型很大时，振动台所施加的外部激励也会很大，刚性支架由于离振动台较近也会受到振动台的激励，从而产生不可忽略的振动，影响测量仪器的采集结果。同时，传统仪器存在：1.前期准备工作繁琐，仪器的架设、安装和理线等工作量巨大；2.无法采集结构模型失效时的试验数据；3.同时多方向测量的实现较为繁琐等不足。

虽然基于机器视觉的三维动态变形测量方法能够解决上述问题，但由于需要双目甚至多目相机而存在一些不足：1.多相机的同步不稳定，若任意一相机出现丢帧问题，就无法得到试验结果；2.多相机的标定和三维重建在大型结构模型振动台试验中往往很难实现。3.多相机的匹配技术过于复杂，门槛较高需要一定的培训，一般试验人员无法掌握。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种单向振动台试验结构模型位移测量方法。

技术方案：本发明提供一种单向振动台试验结构模型位移测量方法，包括如下步骤：

S1：将事先准备好的标记点粘贴在结构模型每层中需要测量的部位，保证标记点在相机中的成像位置位于图片中央，以减弱镜头畸变对测量精度的影响，同时使相机能捕捉到更多标记点；

S2：搭建好工业相机图像采集系统，并将相机镜头正向对准标记点；

S3：在试验开始的同时进行图片的采集，试验结束时完成图片的采集；

S4：对所采集到的每一帧图片进行图像处理工作，去除图像中无关的背景信息，识别、提取出仅含标记点的图像，从而定位得到标记点在图像坐标系中的坐标；

S5：对经过图像处理的每帧图像，进行标记点中心坐标亚像素识别，得到标记点在每帧图像中的位置坐标，两个坐标相减得到标记点在图像平面的位移；

S6：根据单相机模型、单相机物理坐标系和图形坐标系的关系，如下式所示，计算得到标记点的实际位移，

其中，X_c、Y_c、Z_c为图像坐标系下点的坐标，X_w、Y_w、Z_w为世界坐标系下点的坐标，M为转换系数，由于该系统采用的是单相机模型，且仅考虑成像平面内位移，并且人为设定图像平面X_cY_c与世界平面X_wY_w平行，不考虑Z方向点的位移，

转换系数的确定如下式所示，

其中，D_mm是世界坐标系的位移，D_pixel是图像坐标系位移。

S7：将计算得到的实际位移进行绘图和数据处理。

进一步地，所述步骤S1中标记点的准备：在矢量图绘图软件中绘制正方形方格标记点，打印在正方形哑粉纸上，做成边长为a的标记点，长度a使得标记点满足：在采集图像中至少占有40个像素点。

进一步地，所述步骤S3中采集图片的总数为i，每帧图片之间的时间间隔为t＝1/f，f为相机帧率f。

进一步地，所述步骤S4中图像处理包含下列步骤：

(1)采用双边滤波方法对图像进行滤波降噪；

(2)对图像进行二值化处理；

(3)对步骤(2)所得图像，应用图像形态学腐蚀操作和膨胀操作得到标记点的大致图像轮廓；

(4)对步骤(3)所得图像运用canny边缘检测方法得到包含相关和元素和标记点轮廓的图像；

(5)对步骤(4)经过canny边缘检测出的边缘进行轮廓检测；

(6)对步骤(5)所检测出的轮廓进行轮廓近似处理，去除多余轮廓；

(7)通过编程的python程序求出步骤(6)中近似轮廓的外接矩形，得到矩形左上顶点坐标和长宽，根据标记点处外接矩形的顶点坐标和长宽设置过滤条件过滤掉干扰信息，得到仅包括标记点的外接矩形顶点和长宽，并根据顶点纵坐标进行排序，以此得到各层的标记点外接矩形并进行编号；

(8)根据步骤(7)所得编有序号的外接矩形制作图像掩码，将掩码与步骤(1)所的图像进行求交集操作，得到仅含有该序号标记点的图像。

进一步地，所述步骤S5中：对步骤S4的到的标记点图像，先进行像素级别的角点检测，然后以所需角点为中心，进行亚像素角点检测，得到精确的标记点中心坐标，进而得到时间序列图像中标记点的图像坐标，将第i帧图像中所得到的标记点坐标与从第i-1帧图像中d所得的标记点坐标相减，即可得到(i-1)·t时刻标记点的图像位移x_i(i>0,i∈z)。

进一步地，所述步骤S6中，对标记点图像进行亚像素角点检测，得到正方形标记点任意两个顶点的坐标，将坐标相减得到标记点在图像平面中的像素边长b，则图像坐标系到物理坐标系的转换系数为SF＝Dmm/D_pixel＝a/b，可以得到第i时刻标记点的实际物理位移X_i＝SF·x_i，速度为V_i＝X_i/t。

进一步地，所述步骤S7中，通过编写好的python程序，将标记点每时刻的实际位移值绘制成位移-时间折线图，即可得到结构位移的层间位移时程图(层间位移曲线图)。

有益效果：本发明的相机可以设在距离振动台较远的稳定结构上，如：试验观测大楼、剪力墙，从而避免因振动台附近刚性支架的振动而导致采集数据不准确的问题；本发明有非接触的特点，只需要在建筑物表面粘贴标记点，可以实现同时多点测量，建筑物振动至倒塌的全过程试验中；本发明所设计的试验仪器安装方面，工作量少，且后期的试验数据由相应软件程序完成，自动化程度高；本发明操作简单、原理通俗易懂，对试验人员的要求低，培训简单，且很容易根据特定需要进行调整。

附图说明

图1为标记点安装示意图；

图2为相机安装示意图，其中(a)图为正视图，(b)为俯视图；

图3为图像处理流程图；

图4为标记点的提取过程图，其中(a)图为外接矩形检测示意图，(b)图为掩码生成示意图，(c)图为通过掩码提取到仅含标记点的图像示意图；

图5为标记点图像位移计算示意图；

图6为转换系数计算示意图；

图7为试验数据处理示意图；

图8为层间位移时程曲线示意图。

具体实施方式

本实施例单向振动台试验结构模型位移测量方法，包括如下步骤：

S1：如图1所示，事先通过矢量图绘图软件绘制的高精确度方格形图案标记点1被打印在哑粉纸上制作成变成25cm的正方形标记点1，然后将标记点1固定到安装在振动台3上的结构模型2需要测量层间位移的横梁中间。使用哑粉纸可以避免标记点1镜面反射导致图案清晰，同时降低成本、打印精确度高，硬度满足安装需求，便于粘贴。标记点1所粘贴的部位需要事先打磨、清理，使得表面平整便于标记点1的粘贴；

S2：如图2所示((a)图为正视图，(b)为俯视图)，将合适焦距的镜头安装在工业相机4上，将相机通过光纤和控制盒、主机相连。在合适、稳定性好的位置安装相机，尽量远离结构物，根据画面的透视关系，调整相机姿态使得相机尽可能垂直于标记点1平面。同时保证显示器中实时查看到的标记点1至少占有50个像素点，标记点1尽可能位于画面中央。试验开始的同时进行图片的采集；

S3：如图3所示，对采集到的图片进行图像处理工工作，提取出仅含有标记点1的图像，包括以下步骤：

1)选取合适阈值，对图片进行双边滤波，使得图像在保留明显边缘信息的同时，去除掉噪声；

2)选择标记点1区域白色区域的像素值为阈值，对图像进行二值化处理，将低于阈值的部分像素值设为0，高于阈值的部分像素值设为255；

3)多次重复形态学腐蚀、膨胀操作，使得图像中标记点1处出现与标记点1区域大小相近的白色区域，区域外围为黑色；

4)运用Canny算子进行边缘检测，检测出图像边缘；

5)对4)中得到的图像边缘进行轮廓检测，提取出图像中的所有轮廓；

6)对5)中得到的轮廓进行近似处理，去除掉标记点1区域轮廓小的，不规则局部杂乱轮廓；

7)求6)中所得轮廓的外接矩形5，如图4的(a)图所示，返回得到矩形的左上顶点坐标和长宽，根据标记点1外接矩形5的顶点坐标范围和长宽范围设置过滤条件，得到仅包含标记点1的外接矩形5，返回其左上顶点坐标和长宽，并根据坐标排序将区域与各层标记点1一一对应；

8)根据7)中所得到的外接矩形5，制作图像掩码，如图4的(b)图所示，并与1)中得到的图像进行求交集操作，得到仅含有该标记点1的图像，如图4的(c)图所示。上述(a)图为掩码生成示意图，(b)图为通过掩码提取得到仅含标记点的图像，(c)图为通过掩码提取得到仅含标记点的图像。

S4：如图5所示，对标记点1的图像像素精度级别的位移进行求解，运用图像插值的方法，进行亚像素角点检测。得到标记点1中心的坐标和任意一标记点1的两个顶点坐标，进而得到时间序列图像中标记点1中心点的的图像坐标，将第i帧图像中所得到的标记点1中心点坐标与从第i-1帧图像中d所得的标记点1中心点坐标相减，即可得到(i-1)·t时刻标记点1的图像位移x_i(i>0,i∈z)。再将标记点1的两顶点坐标相减得到标记点1在图像平面中的像素边长b，则图像坐标系到物理坐标系的转换系数为

如图6所示。可以得到第i时刻标记点1的实际物理位移X_i＝SF·x_i，速度为V_i＝X_i/t；

S5：如图7所示，将每个标记点1通过计算得到的实际位移作为横坐标，按标记点1位置作为纵坐标，绘制成折线图，得到整个结构振动图像。取其中每个标记点1，将起振动位移X_i与对应时间t绘制成折线图，即可得到标记点1所在位置结构的水平位移时程曲线6，即Xi_i-t曲线图，如图8所示。如此处理得到所有标记点1的时程曲线6，即可得到整个结构的振动位移时程图，进而通过计算程序得到结构物的振型等结构参数。

Claims (4)

1.一种单向振动台试验结构模型位移测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将事先准备好的标记点粘贴在结构模型每层中需要测量的部位，保证标记点在相机中的成像位置位于图片中央；

S2：搭建工业相机图片采集系统，并将相机镜头正向对准标记点；

S3：在试验开始的同时进行图片的采集，试验结束时完成图片的采集；

S4：对所采集到的每一帧图片进行图片处理工作，去除图片中无关的背景信息，识别、提取出仅含标记点的图片，从而定位得到标记点在图片坐标系中的坐标；

S5：对经过图片处理的每帧图片，进行标记点整像素和亚像素精度级别的中心坐标识别，提取标记点在每帧图片中的位置坐标，将对应坐标相减得到标记点在图片平面的位移；

S6：根据单相机模型、单相机图片坐标系和世界坐标系的转换关系，计算得到标记点的实际位移，转换系数的确定如下式所示，

其中，D_mm是世界坐标系的位移，D_pixel是图片坐标系位移；

S7：将计算得到的实际位移进行绘图和数据处理；

所述步骤S1中标记点的准备：在矢量图绘图软件中绘制正方形方格的标记点，打印在正方形哑粉纸上，做成边长为a的标记点，长度a使得标记点满足：在采集图片中至少占有40个像素点；

所述步骤S3中采集图片的总数为i，相机帧率为f，每帧图片之间的时间间隔为t＝1/f，

所述步骤S4中图片处理包含下列步骤：

(1)采用双边滤波方法对图片进行滤波降噪；

(2)对图片进行二值化处理；

(3)对步骤(2)所得图片，应用图片形态学腐蚀操作和膨胀操作得到标记点的大致图片轮廓；

(4)对步骤(3)所得图片运用canny边缘检测方法得到包含相关元素和标记点轮廓的图片；

(5)对步骤(4)经过canny边缘检测出的边缘进行轮廓检测；

(6)对步骤(5)所检测出的轮廓进行轮廓近似处理，去除多余轮廓；

(7)求出步骤(6)中近似轮廓的外接矩形，得到矩形左上顶点坐标和长宽，根据标记点处外接矩形的顶点坐标和长宽设置过滤条件过滤掉干扰信息，得到仅包括标记点的外接矩形顶点和长宽，并根据顶点纵坐标进行排序，以此得到各层的标记点外接矩形并进行编号；

(8)根据步骤(7)所得编有序号的外接矩形制作图片掩码，将掩码与步骤(1)的图片进行求交集操作，得到仅含有该序号标记点的图片。

2.根据权利要求1所述的单向振动台试验结构模型位移测量方法，其特征在于：所述步骤S5中：对步骤S4得到的标记点图片，先进行像素级别的角点检测，然后以所需角点为中心，进行亚像素角点检测，得到精确的标记点中心坐标，进而得到时间序列图片中标记点的图片坐标，将第i帧图片中所得到的标记点坐标与从第i-1帧图片中所得的标记点坐标相减，即得到(i-1)·t时刻标记点的图片位移x_i(i＞0，i∈z)。

3.根据权利要求2所述的单向振动台试验结构模型位移测量方法，其特征在于：所述步骤S6中，对标记点图片进行亚像素角点检测，得到正方形标记点任意两个顶点的坐标，将坐标相减得到标记点在图片平面中的像素边长b，则图片坐标系到物理坐标系的转换系数为SF＝D_mm/D_pixel＝a/b，得到第i时刻标记点的实际物理位移X_i＝SF·x_i，速度为V_i＝X_i/t。

4.根据权利要求3所述的单向振动台试验结构模型位移测量方法，其特征在于：所述步骤S7中，通过编写好的python程序，将标记点每时刻的实际位移值绘制成位移-时间折线图，即得到结构位移的层间位移时程图。

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