CN112504156A - 一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法，其中系统包括：前景网格，包括多个等距的网格，所述前景网格设置在土木工程试验对象的前方，所述土木工程试验对象上设置有多个试验测点；图像采集装置，用于采集所述土木工程试验对象的图像，且图像内包含有所述前景网格和所述试验测点；数据处理装置，用于对采集到的图像进行处理，获得所述前景网格和所述试验测点的坐标值，根据所述坐标值获取所述土木工程试验对象的应变值。本发明通过在土木工程试验对象前面布置一个大小均匀的前景网格，该前景网格起到尺子的作用，对被测物的位移进行精确定位及测量，可广泛应用于土木工程结构应变测量领域。

Description

一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构应变测量领域，尤其涉及一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法。

背景技术

在试验室开展土木工程结构静载试验，是验证土木工程理论以及检验工程结构力学性能的重要手段。而实验对象的表面应变是试验中必不可少的测量指标。现有的测量方法可分为接触式测量方法和非接触式测量方法两类。

目前主流的接触式表面应变测量是在结构表面粘贴电阻应变片的方式。这种方法具有性能较稳定，传输数据快，数据分析速度快以及价格便宜等优势。但这种方法也有以下的不足之处：(1)结果与数据线长度等材料参数和温度等试验环境等参数有关，且需要专门的读数仪器。(2)电阻应变片测量法的测量量程相对有限，尤其是在混凝土材料开裂后应变片基本失效，导致无法得到混凝土材料的塑性应变以及大应变结果。(3)测点数量有限。由于应变片本身尺寸限制，在结构物表面仅能粘贴有限数量的测点。无法根据这些测点得到结构表面的应变云图。(4)每一个电阻应变片仅能测量一个方向的应变，数据利用效率低。

目前非接触式的表面应变测量方法主要有激光扫描法和图像识别法。其中激光扫描法是利用激光发射器定向发射指定波长的激光，通过测量激光返回时间来确定测点位置变化的方法。这种方法可以有效测量不规则形状的结构表面，速度快、精度高。但这种方法的设备成本较高，不利于应用推广。图像识别方法是利用相机拍摄一系列图像或者视频，通过识别图像之间的像素变化来测量结构变形或应变的方法。这种方法不用接触被测物体，具有测量范围广，测点数量多，各测点数量同步性强等优点。但是和激光扫描法和应变片方法对比，图像识别方法的测量精度相对较低。这种方法精度低的主要原因有：(1)由于采用环境光源进行测量，往往需要对相机进行补光才能得到分辨率高的图像。(2)由于相机拍摄角度等问题，导致照片像素坐标和真实被测结构物的表面坐标存在差异，需要进行坐标变换才能得到真实坐标。而这一变换规则与相机成像原理有关，相对较复杂。(3)为获得被测物的变形，图像识别方法需要准确定位相机与被测物的距离，此时必须辅助激光测距仪或者其它测距方法。(4)为了得到被测物的空间位置，往往需要两台以上相机同时拍摄才能获得被测物的真实位移或应变。(5)因为传统的基于图像识别的应变测量方法需要对比前后多张照片的图像，这就要求整个试验过程中拍摄用的相机不能收到干扰而产生移动。这就需要对相机进行强化固定或者在图像识别过程中增加较复杂的相机位置修订算法。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，应用于土木工程结构静载试验，包括：

前景网格，包括多个等距的网格，所述前景网格设置在土木工程试验对象的前方，所述土木工程试验对象上设置有多个试验测点；

图像采集装置，用于采集所述土木工程试验对象的图像，且图像内包含有所述前景网格和所述试验测点；

数据处理装置，用于对采集到的图像进行处理，获得所述前景网格和所述试验测点的坐标值，根据所述坐标值获取所述土木工程试验对象的应变值。

进一步，所述前景网格由可透视材料制成，所述前景网格设置在所述土木工程试验对象和所述图像采集装置之间。

进一步，所述图像内包含所有所述试验测点，所述图像采集装置的光线通过所述前景网格拍摄到所述试验测点。

进一步，各所述试验测点设置有编号。

进一步，所述结构表面应变测量系统还包括补光灯。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，应用于如上所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，包括以下步骤：

在土木工程试验对象上设置多个试验测点，对所述试验测点进行编号；

采集所述土木工程试验对象的图像信息，根据所述图像信息计算前景网格的第一坐标数值；

结合所述第一坐标数值和所述图像信息，通过线性插值获得所述试验测点的第二坐标数值；

根据所述第二坐标数值计算所述试验测点的位移值，根据所述位移值获得所述土木工程试验对象的应变值。

进一步，所述根据所述第二坐标数值计算所述试验测点的位移值，包括：

获取初始状态下的所述试验测点的坐标数值，以及不同试验工况下的所述试验测点的坐标数值；

通过比对初始状态下和不同试验工况下的坐标数值，获得所述试验测点的位移值。

进一步，对于同一个试验工况下采集多张图像，对同一个试验工况下的多张图像进行应变运算，对同一个试验工况下的应变结果进行算数平均运算以消除测量误差。

进一步，同一个试验工况下至少采集10张图像。

进一步，所述算数平均运算的表达式为：

其中，ε_i(x,y)代表第i张图像上测点的应变值，n为同一个试验工况下采集的图像数。

本发明的有益效果是：本发明通过在土木工程试验对象前面布置一个大小均匀的前景网格，在采集图像时，同时拍摄到土木工程试验对象和背景网格，该前景网格起到尺子的作用，对被测物的位移进行精确定位及测量，可以完全避免相机拍摄角度导致图像失真的问题，也完全没有必要将照片中的像素坐标通过坐标变换成真实坐标，而且完全不存在相机与被测物距离的测量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于前景网格的结构表面应变测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种基于前景网格的结构表面应变测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，应用于土木工程结构静载试验，包括：

前景网格，包括多个等距的网格，前景网格设置在土木工程试验对象的前方，土木工程试验对象上设置有多个试验测点；

图像采集装置，用于采集土木工程试验对象的图像，且图像内包含有前景网格和试验测点；

数据处理装置，用于对采集到的图像进行处理，获得前景网格和试验测点的坐标值，根据坐标值获取土木工程试验对象的应变值。

在本实施例中，前景网格独立于土木工程试验对象，只需要进行等间距布置，即可用于试验后分析时作为结构变形的对比基准。针对传统图像识别方法精度低的特点进行改进，在被测物(即土木工程试验对象)前面布置一个均匀的可透视的前景网格，这一网格就像尺子一样起到对被测物的位移精确定位的功能。在采用相机(图像采集装置)拍摄时，可以同时拍摄到被测物体和前景网格。此时的前景网格起到的就是尺子的作用。本实施例的做法可以完全避免相机拍摄角度导致图像失真的问题，也完全没有必要将照片中的像素坐标通过坐标变换成真实坐标，而且完全不存在相机与被测物距离的测量问题。即使相机位置发生变动，也不影响结果的分析处理。由于同时拍摄到前景网格和被测物，此时即使光线较弱或者相片质量稍差，也可以得到较好的应变结果。本实施例中通过增设简单的前景网格就可以有效提升测量精度，减少测量要求。

本实施例由于需要在被测物的表面布设前景网格，这就导致本实施例不适用于无法布设前景网格的野外大型桥梁和房屋结构的应变测量。本实施例布设前景网格需要和被测物分离，并保持一段距离，由于这个间隔距离会带来测量误差，这就导致本发明不适用于像金属等精密的材料试验测量。土木工程的结构试验被测物的尺寸在1米至10米之间，尺寸大小正好满足既不过大导致网格无法布置。在土木工程试验中，前景网格距离试验梁距离在10cm左右也可以达到所需精度要求。所以本发明主要适用于土木工程试验室环境。

进一步作为可选的实施方式，前景网格由可透视材料制成，前景网格设置在土木工程试验对象和图像采集装置之间。

在一些实施例中，该前景网格可设置在土木工程试验对象附近(比如前景网格在土木工程试验对象的左侧)，图像采集装置拍照时，将前景网格和土木工程试验对象共同拍下，如此，前景网格可以充电尺子的功能。在一些实施例中，该前景网格布置在土木工程试验对象和图像采集装置之间，具体地，前景网格设置在土木工程试验对象的表面附近，但并没有贴附在土木工程试验对象的表面，且前景网格采用可透视材料，如此，更加方便放置前景网格，同时也更加方便处理后续的图像数据。

进一步作为可选的实施方式，图像内包含所有试验测点，图像采集装置的光线通过前景网格拍摄到试验测点。

在本实施例中，前景网格的面积大于土木工程试验对象的面积，即土木工程试验对象上所有的试验测点都能被前景网格覆盖到。

进一步作为可选的实施方式，各试验测点设置有编号。

进一步作为可选的实施方式，结构表面应变测量系统还包括补光灯。根据实验场景中光线情况，决定是否需要开补光灯。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，包括以下步骤：

S1、在土木工程试验对象上设置多个试验测点，对试验测点进行编号；

S2、采集土木工程试验对象的图像信息，根据图像信息计算前景网格的第一坐标数值；

S3、结合第一坐标数值和图像信息，通过线性插值获得试验测点的第二坐标数值；

S4、根据第二坐标数值计算试验测点的位移值，根据位移值获得土木工程试验对象的应变值。

其中，步骤S4中根据第二坐标数值计算试验测点的位移值的步骤，包括步骤S41-S42：

S41、获取初始状态下的试验测点的坐标数值，以及不同试验工况下的试验测点的坐标数值；

S42、通过比对初始状态下和不同试验工况下的坐标数值，获得试验测点的位移值。

进一步作为可选的实施方式，对于同一个试验工况下采集多张图像，对同一个试验工况下的多张图像进行应变运算，对同一个试验工况下的应变结果进行算数平均运算以消除测量误差。同一个试验工况下至少采集10张图像。

以下结合具体实施例对上述一种基于前景网格的结构表面应变测量方法进行详细说明，该方法具有成本低、测量效果好的优点，具体实施步骤如下：

1.在土木工程试验结构前布设前景网格。参见图1，该土木工程试验结构为一长柱形的桥梁，可通过支架，将前景网格布设在土木工程试验结构的前方。

2.对土木工程试验对象喷涂试验测点。

3.对试验测点进行编号。

4.架设相机并连接计算机等设备，调整相机镜头使得桥梁主体均出现在相机视野当中。

5.试验过程中，利用相机进行拍照。期间根据光线情况，决定是否需要开补光灯。

6.因为前景网格是等间距的，可以准确得到前景网格的坐标数值。

7.通过照片的像素分析得到前景网格的像素坐标和试验测点的像素坐标。

8.通过线性插值得到试验测点的真实坐标数值。

9.对比第i张照片的试验测点坐标与初始状态的测点坐标得到试验测点的位移u_i(x,y)。

通过更换不同的加载装置来切换不同试验工况，采集不同试验工况下的图像。

10.计算第i张照片上测点的应变值ε_i(x,y)，由位移计算应变的具体公式计算应变值。

对同一个试验工况下的n张照片的应变结果ε_i(x,y)进行算数平均运算

得到结构的最终应变ε(x,y)。

综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)、基于图像识别技术的应变测量方法解决了目前主流的应变片测量方法的测点数量有限、测量量程有限、数据采集方法影响因素较多等缺点。是一种无接触测量方法。

(2)、本实施例方法和传统的基于图像识别的应变测量方法相比具有光线不敏感、测量精度高。

(3)、本实施例方法由于引入了作为测量标尺的前景网格，彻底解决了由于光线变化、相机的测量角度和距离导致复杂的坐标修正问题。

(4)、因为传统的基于图像识别的应变测量方法需要对比前后多张照片的图像，这就要求整个试验过程中拍摄用的相机不能收到干扰而产生移动。本实施例方法由于布置了前景网格，彻底解决了基于图像识别的应变测量方法具有的相机固定问题。

(5)、相较于其他测量方法，本实施例测量方法的成本低，操作简单、携带方便精度可控。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，其特征在于，应用于土木工程结构静载试验，包括：

前景网格，包括多个等距的网格，所述前景网格设置在土木工程试验对象的前方，所述土木工程试验对象上设置有多个试验测点；

图像采集装置，用于采集所述土木工程试验对象的图像，且图像内包含有所述前景网格和所述试验测点；

数据处理装置，用于对采集到的图像进行处理，获得所述前景网格和所述试验测点的坐标值，根据所述坐标值获取所述土木工程试验对象的应变值。

2.根据权利要求1所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，其特征在于，所述前景网格由可透视材料制成，所述前景网格设置在所述土木工程试验对象和所述图像采集装置之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，其特征在于，所述图像内包含所有所述试验测点，所述图像采集装置的光线通过所述前景网格拍摄到所述试验测点。

4.根据权利要求1所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，其特征在于，各所述试验测点设置有编号。

5.根据权利要求1所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，其特征在于，所述结构表面应变测量系统还包括补光灯。

6.一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，应用于如权利要求1-5任一项所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量系统，包括以下步骤：

在土木工程试验对象上设置多个试验测点，对所述试验测点进行编号；

采集所述土木工程试验对象的图像信息，根据所述图像信息计算前景网格的第一坐标数值；

结合所述第一坐标数值和所述图像信息，通过线性插值获得所述试验测点的第二坐标数值；

根据所述第二坐标数值计算所述试验测点的位移值，根据所述位移值获得所述土木工程试验对象的应变值。

7.根据权利要求6所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，其特征在于，所述根据所述第二坐标数值计算所述试验测点的位移值，包括：

获取初始状态下的所述试验测点的坐标数值，以及不同试验工况下的所述试验测点的坐标数值；

通过比对初始状态下和不同试验工况下的坐标数值，获得所述试验测点的位移值。

8.根据权利要求6所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，其特征在于，对于同一个试验工况下采集多张图像，对同一个试验工况下的多张图像进行应变运算，对同一个试验工况下的应变结果进行算数平均运算以消除测量误差。

9.根据权利要求8所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，其特征在于，同一个试验工况下至少采集10张图像。

10.根据权利要求8所述的一种基于前景网格的结构表面应变测量方法，其特征在于，所述算数平均运算的表达式为：

其中，ε_i(x,y)代表第i张图像上测点的应变值，n为同一个试验工况下采集的图像数。

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