2020-05-23 14:29:28 0
機器視覺測量方法
介紹
通過相關的結(jié)構響應措施為結(jié)構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)構條件和性能評估的重要指標。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建的隨時間變化的變形模式可提供有關結(jié)構狀況的大量信息。
基于視覺的系統(tǒng)提供用于結(jié)構狀態(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，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)中所需的人工指標均在最近的一些應用在特定的照相機的配置。在計算機視覺領域有效目標跟蹤技術已經(jīng)被證實在結(jié)構變形監(jiān)測和描述結(jié)構的位移的測量結(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)構位移監(jiān)測系統(tǒng)領域的主要工作，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，方法和應用的概況在現(xiàn)場監(jiān)控。
本文的組織結(jié)構如下：介紹了基于視覺的位移監(jiān)控系統(tǒng)的組件，然后對Sect中應用范圍內(nèi)的幾種成熟的基于視覺的系統(tǒng)進行了比較。基于視覺的系統(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，目標跟蹤和結(jié)構位移計算）分別從原理，應用，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用，然后討論了現(xiàn)場應用中的測量挑戰(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)應用于結(jié)構位移監(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)構中包含的“目標”并通過目標跟蹤得出結(jié)構位移。在這里，“目標”可以是人造的（例如，預先安裝的標記，LED燈或具有特殊圖案的平板）或現(xiàn)有的結(jié)構特征（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）。視頻處理軟件至關重要：其作用是獲取覆蓋目標區(qū)域的視頻幀，跟蹤圖像序列中的目標位置，最后將圖像中的目標位置轉(zhuǎn)換為結(jié)構位移的時間歷史。
圖1
全尺寸圖片
用于從圖像或視頻中提取的度量信息系統(tǒng)在幾個領域存在如表所示 1，例如數(shù)字圖像相關（DIC），攝影測量技術和運動捕捉系統(tǒng)（MCS）。DIC是一種測量工具以提取全視場的位移或構件表面的菌株在實驗固體力學。攝影測量學最初是在地形圖的制作中，后來擴展到包括橋梁結(jié)構的撓度監(jiān)測。運動捕捉系統(tǒng)（MCS）通常用于捕捉具有多個關節(jié)（例如人體）的高自由度骨架結(jié)構的運動。
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)構應用的系統(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，但是坐標變換可能是必要的以對準圖像運動方向與結(jié)構軸。
接下來，將分別回顧文獻中用于相機校準，目標跟蹤和結(jié)構位移計算的方法。
相機校準
相機校準涉及在結(jié)構坐標系中的3D結(jié)構點與圖像平面中相應的2D點之間建立投影關系。給定圖像中的目標位置，確定的投影變換可用于恢復結(jié)構中目標的實際位置。
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，而當攝像機配備大焦距鏡頭時，可以簡化為仿射攝像機模型。
