基于数字图像相关理论的非接触式结构位移测量方法研究

摘要

位移作为结构状态评估和性能评价的一个关键参数，在结构健康监测、检测及荷载试验中具有重要意义。传统的位移测量手段在实际工程应用中易受到环境因素的限制，视觉测量方法具备非接触、低成本和便于实施远距离测量等优势因而受到了广泛关注。为了满足土木工程结构位移的非接触测量需求，本文开展了基于数字图像相关的亚像素位移测量研究。提出了应用固定相机和无人机测量结构位移的方法，并对该方法进行了理论分析和实验验证。本文的主要研究内容如下：　　(1)首先阐述了二维数字图像相关方法的基本原理，并基于Harris角点检测算法完成相机标定。在相关函数的选择方面，根据不同相关函数的相关系数分布图，采用单峰性、稳定性以及抗噪性能均较好的ZNCC函数和ZNSSD函数进行相关运算。在相机标定过程中，建立了相机成像的几何模型，同时考虑了镜头畸变的影响，利用基于棋盘格的相机标定方法，得到了相机的内部参数和相机结构位置参数以及畸变系数，并获得了待测结构上某测点的3D世界坐标与图像坐标之间的映射关系。　　(2)研究了数字图像相关技术中两种常用的亚像素位移算法(高斯曲面拟合法和梯度法)，并提出了一种改进初值的反向组合高斯牛顿算法。使用计算机生成一组变形前后的模拟散斑图，用来验证本文提出的位移测量方法的抗噪性能，并从计算精度和计算稳定性两方面对比分析了三种亚像素算法的性能。结果表明，改进初值的反向组合高斯牛顿算法在结构位移计算中具有测量精度高、计算结果稳定等优势。　　(3)提出一种使用固定相机测量结构位移的方法，并将其应用在实验室框架结构位移测量试验和某消防通道桥梁的挠度变形测量试验中。采用SUSAN滤波算法处理采集到的视频图像序列，结果表明SUSAN算法不仅能够去除图像噪声，还能得到更清晰的图像。实验室框架结构位移测量试验中，视觉测量系统与激光位移计得到的位移曲线趋势一致，均方根误差为0.129mm；并通过系统零飘试验得到在95%的统计概率下视觉测量系统在不同测距下的测量精度。实桥试验中，现场实测桥梁挠度曲线图表明了本文提出的位移测量方法具有较好的的准确性和实用性，可以满足工程中桥梁挠度测量的需求。　　(4)实际测量过程中，固定相机可能不便于架设。针对该问题，本文将无人机应用到大型结构的位移测量中。通过以下三个阶段从无人机采集到的视频中提取出结构的绝对位移：计算结构测点处的相对位移；摄像机6个自由度的运动(自我运动)估计；还原结构测点处的绝对位移。并通过相关试验验证了该方法进行结构位移和挠度测量的可行性。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1机器视觉技术在土木工程应用中的分类

1.2.2 基于机器视觉技术的结构位移测量方法

1.3本文研究目的及主要内容

第 2 章 数字图像相关算法的基本原理

2.1 前言

2.2 二维 DIC 变形测量的基本原理

2.3 相关函数的选择

2.4 相机标定

2.4.1 相机成像的几何模型

2.4.2 相机标定方法

2.5 相机标定试验

2.6 本章小结

第 3 章 亚像素精度数字图像相关算法的研究

3.1 前言

3.2 计算机模拟散斑图像

3.3 高斯曲面拟合法

3.3.1. 基本原理

3.3.2 匹配区域尺寸的确定

3.3.3 高斯曲面拟合法的数值计算

3.4 基于图像灰度的梯度算法

3.4.1 基本原理

3.4.2 基于图像灰度的梯度算法的数值计算

3.5 改进的反向组合高斯牛顿算法

3.5.1 整像素相关计算

3.5.2 改进的反向组合高斯牛顿算法

3.5.3 抗噪性能分析

3.5.4 数值仿真试验

3.6 本章小结

第 4 章 基于 DIC 方法的结构位移测量试验研究

4.1 前言

4.2 Susan 滤波算法处理图像

4.2.1 SUSAN 滤波方法的基本原理

4.2.2 试验验证

4.3 框架结构位移测量试验

4.3.1试验装置

4.3.2视觉测量系统与激光位移计的对比试验研究

4.3.3测量距离对视觉测量系统的影响的试验研究

4.4某消防通道桥梁挠度测量试验

4.4.1 工程背景

4.4.2 桥梁挠度测量方案

4.5 本章小结

第 5 章 基于无人机测试的结构位移测量方法研究

5.1 前言

5.2 结构绝对位移的计算

5.2.1特征点的提取与匹配

5.2.2 图像特征匹配

5.2.3 无人机运动估计

5.2.4 还原结构绝对位移

5.3 试验研究

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B 改进初值的 IC-GN 算法程序

致谢