2020-05-23 14:29:28 0
機器視覺測量方法
介紹
通過相關(guān)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)措施為結(jié)構(gòu)評估和維護決策支持提供有價值的信息。出于多種原因，變形是結(jié)構(gòu)條件和性能評估的重要指標(biāo)。特別是，正常使用期間的變形會反映出可維修性，因為極限值和范圍表示可能會限制使用的問題，而由離散位移測量構(gòu)建的隨時間變化的變形模式可提供有關(guān)結(jié)構(gòu)狀況的大量信息。
基于視覺的系統(tǒng)提供用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估顯著潛力，特別是用于系統(tǒng)識別。此外，變形信息已用于有限元模型校準(zhǔn)，損傷檢測以及對帶有攝像機輔助功能的橋梁動態(tài)稱重系統(tǒng)的交通監(jiān)控。
已經(jīng)對視頻采集硬件和視頻處理軟件的系統(tǒng)改進進行了調(diào)查?？尚械囊曨l采集裝置被擴展為包括智能手機相機，而在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中所需的人工指標(biāo)均在最近的一些應(yīng)用在特定的照相機的配置。在計算機視覺領(lǐng)域有效目標(biāo)跟蹤技術(shù)已經(jīng)被證實在結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和描述結(jié)構(gòu)的位移的測量結(jié)果已被擴展到三維和六個自由度（DOF）的運動。
本文旨在介紹基于視覺的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域的主要工作，同時重點介紹這些系統(tǒng)的原理，優(yōu)點和缺點。盡管基于視覺的結(jié)構(gòu)監(jiān)測存在[以往評價，這項工作的貢獻是提供系統(tǒng)的分類，方法和應(yīng)用的概況在現(xiàn)場監(jiān)控。
本文的組織結(jié)構(gòu)如下：介紹了基于視覺的位移監(jiān)控系統(tǒng)的組件，然后對Sect中應(yīng)用范圍內(nèi)的幾種成熟的基于視覺的系統(tǒng)進行了比較?；谝曈X的系統(tǒng)基于視頻處理方法進行分類，視頻處理程序中的三個組成部分（即攝像機校準(zhǔn)，目標(biāo)跟蹤和結(jié)構(gòu)位移計算）分別從原理，應(yīng)用，優(yōu)點和缺點方面進行了回顧。在宗派。 4回顧了橋梁變形和電纜振動測量的應(yīng)用，然后討論了現(xiàn)場應(yīng)用中的測量挑戰(zhàn)。最后，提出了需要進一步研究的重要空白，例如魯棒的跟蹤方法，非接觸式感應(yīng)以及現(xiàn)場條件下的測量精度評估。
基于視覺的位移監(jiān)測系統(tǒng)
將基于視覺的系統(tǒng)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測需要在穩(wěn)定的位置安裝一個或多個攝像機，查看結(jié)構(gòu)中包含的“目標(biāo)”并通過目標(biāo)跟蹤得出結(jié)構(gòu)位移。在這里，“目標(biāo)”可以是人造的（例如，預(yù)先安裝的標(biāo)記，LED燈或具有特殊圖案的平板）或現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)特征（例如，螺栓或孔）。如圖1所示
，硬件通常包括照相機，鏡頭，帶有視頻處理包的筆記本電腦/便攜式計算機以及某些配件（例如三腳架）。視頻處理軟件至關(guān)重要：其作用是獲取覆蓋目標(biāo)區(qū)域的視頻幀，跟蹤圖像序列中的目標(biāo)位置，最后將圖像中的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)位移的時間歷史。
圖1
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用于從圖像或視頻中提取的度量信息系統(tǒng)在幾個領(lǐng)域存在如表所示 1，例如數(shù)字圖像相關(guān)（DIC），攝影測量技術(shù)和運動捕捉系統(tǒng)（MCS）。DIC是一種測量工具以提取全視場的位移或構(gòu)件表面的菌株在實驗固體力學(xué)。攝影測量學(xué)最初是在地形圖的制作中，后來擴展到包括橋梁結(jié)構(gòu)的撓度監(jiān)測。運動捕捉系統(tǒng)（MCS）通常用于捕捉具有多個關(guān)節(jié)（例如人體）的高自由度骨架結(jié)構(gòu)的運動。
表1基于視覺的系統(tǒng)摘要
全尺寸表
如表1的最后一行所示，基于視覺的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測系統(tǒng)具有其獨特的功能 。研究人員對針對結(jié)構(gòu)應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)進行了幾次調(diào)查，這些研究將在下一部分中從方法論的角度進行回顧。
基于視覺的結(jié)構(gòu)位移測量的回顧
在這項研究中，基于視頻處理方法對文獻中基于視覺的系統(tǒng)進行了分類。典型的視頻處理軟件包可以放入圖2所示的三部分框架中 。導(dǎo)出的位移數(shù)據(jù)可以解釋為橋梁狀況評估。
圖2
用于結(jié)構(gòu)位移測量的視頻處理程序以及每個步驟中的常用方法
全尺寸圖片
如果監(jiān)測運動僅用于系統(tǒng)識別和詳細的振動值不是必需的，目標(biāo)跟蹤可以是所需要的整個視頻處理過程的一部分，但是坐標(biāo)變換可能是必要的以對準(zhǔn)圖像運動方向與結(jié)構(gòu)軸。
接下來，將分別回顧文獻中用于相機校準(zhǔn)，目標(biāo)跟蹤和結(jié)構(gòu)位移計算的方法。
相機校準(zhǔn)
相機校準(zhǔn)涉及在結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系中的3D結(jié)構(gòu)點與圖像平面中相應(yīng)的2D點之間建立投影關(guān)系。給定圖像中的目標(biāo)位置，確定的投影變換可用于恢復(fù)結(jié)構(gòu)中目標(biāo)的實際位置。
文獻中報道了三類投影變換，包括完整的投影矩陣，平面單應(yīng)性和比例因子，如表 2所示。在大多數(shù)情況下，投影變換遵循全透視模型，而當(dāng)攝像機配備大焦距鏡頭時，可以簡化為仿射攝像機模型。
