[发明专利]一种基于计算机视觉的户外结构振动位移自动化监测方法

说明书

本发明提供一种基于计算机视觉的户外结构振动位移自动化监测方法，具有以下优点：(1)相比于传统的位移监测方法，克服了差压传感器、液位计、激光位移计等进行结构振动位移测量时可能带来的误差，以及测量距离受限、测点单一、操作复杂等不足；(2)相比于双目及多目计算机视觉系统，具有布置简易、高鲁棒性、高效、便捷、低成本的特点，在户外结构振动位移监测场景具有更强的适用性；(3)监测范围广，监测视角大，能实现相机在户外灵活安置的需求，并适用监测目标发生转动的情况；(4)实现了图像去模糊，解决当前已有监测算法在户外结构振动监测中受图像模糊影响而精度不足的问题，能够实时精确获取户外结构振动位移‑时间关系曲线。

技术领域

本发明涉及一种基于计算机视觉的户外结构振动位移自动化监测方法。

背景技术

结构健康监测是检测各类结构损坏，跟踪运行状态并评估状况的过程，对于结构的适用性与安全性评估具有重要意义。土木工程领域中的结构破坏包括局部破坏和整体破坏，其中整体破坏可以通过结构关键部位的位移响应来描述，因此结构整体层面的健康监测常通过监测位移响应来实现。

对于高层建筑，其竖向运动小而顶部受振动后水平位移响应最为剧烈；对于大跨度桥梁或空间结构，其轴向运动小而跨中竖向振动响应最剧烈；对于输电导线等三自由度结构，其振动响应也基本发生在平面之内，因此结构平面内振动响应为大多数结构健康监测中关注的重点。而对于户外结构监测，由于设备搭设不便与复杂多变的环境因素影响，具有高鲁棒性的自动化监测方法成为研究重点。

传统的户外结构接触式监测方法包括线性可变差压传感器、液位计等，需要一个固定的参考点位，且受距离限制，多点测量较困难；传统的非接触式监测方法有激光位移传感器，其工作范围也较短，且户外监测容易受电磁波干扰。

随着相机的普及与图像处理技术的发展，计算机视觉监测方法越来越普遍，工程领域中，常用的计算机视觉监测方法可分为单目视觉、双目视觉和多目视觉。双目视觉和多目视觉可实现目标三位运动测量，然而需要多台相机，成本高昂；且对于监测系统布置、相机同步性有很高要求。

单目视觉可以实现目标平面运动的监测，布置简易、成本低，在能确定目标仅有平面内运动的情况下，具有更强的适用性。当前常用的计算机视觉算法有：

(1)、比例系数法。此算法根据凸透镜成像原理绘制光路图，由几何关系求得同一目标在实际中的尺寸与图像上的像素尺寸之间的比例k，利用此系数乘以像素位移即可得实际位移。此方法原理简单、操作简便，但要求相机光轴保持与目标运动平面垂直，否则会带来较大测量误差。

(2)、模板匹配法。此算法利用一个与模板尺寸相同的搜寻框在图像上逐像素移动，每一位置建立区域与模板间的归一化相关系数来表示匹配程度，系数值最大的地方即为最佳匹配区域。此算法易于编程且计算效率高，但要求相机光轴垂直于目标平面且不能旋转，否则图像发生透视变换或者旋转将使误差增大。

(3)、角点检测法。角点通常被定义为两边的交点，此算法可以识别角点特征明显的目标点，识别精度不受目标运动范围与幅度影响，但计算效率低，且当识别范围较大时容易误判导致识别错误。

在户外结构振动位移监测中，结构物高大且形态各异，相机安置位置也受周边地形与建筑限制，难以满足相机光轴与振动平面相垂直的要求；其次结构上的目标无法做到绝对平动，会不可避免地发生转动，增加了识别难度；最后，户外环境复杂，相机受风振动影响或者结构物运动频率过大，将导致所拍摄照片模糊，降低识别精度。由此可知以上几种常用单目视觉算法在户外结构振动位移监测中适用性差、鲁棒性低、精度难以保障。

发明内容

本发明的目的在于，解决传统传感器在户外结构位移监测中存在的适用范围有限、成本较高、操作繁琐等问题，以及解决当前传统的单目视觉算法无法用于转动测量及恶劣环境下的测量等问题，提供一种基于计算机视觉的户外结构振动位移自动化监测方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：