視頻圖像測振技術(shù)對斜拉索索力的應(yīng)用

徐旻杰， 袁向榮， 劉 輝， 陳澤賢， 任張晨

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣州 510006)

視頻圖像測振技術(shù)對斜拉索索力的應(yīng)用

徐旻杰， 袁向榮， 劉 輝， 陳澤賢， 任張晨

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣州 510006)

以數(shù)碼攝像頭與PC機作為硬件設(shè)備,結(jié)合Matlab軟件設(shè)計視頻圖像測振系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)識別了斜拉索模型的1～4階模態(tài)參數(shù)。采集索振動視頻，將其分解為圖像序列，經(jīng)圖像處理，得索邊緣序列，取邊緣各點的振動時程，經(jīng)振動模態(tài)分析，得到索的頻率、阻尼和振型，由頻率識別索力。以力傳感器所得索力數(shù)據(jù)作為參考，同通過視頻圖像測振技術(shù)得到的結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，視頻圖像測振技術(shù)檢測索振動可行且具有一些優(yōu)勢。隨著光學(xué)硬件的進一步發(fā)展和測振軟件系統(tǒng)的日益成熟，視頻圖像測振技術(shù)的工程應(yīng)用前景光明。

斜拉索； 邊緣識別； 多項式擬合； 高階模態(tài)； 索力測量

0 引 言

在斜拉橋的施工過程中，監(jiān)控斜拉索的索力對滿足施工過程中施工控制[1]的要求以及成橋后橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布起著至關(guān)重要的作用。在斜拉橋的使用過程中拉索由于振動、疲勞衰減和腐蝕等原因造成索力松弛[2]，拉索的損害會造成結(jié)構(gòu)不可挽回的后果。索力的變化會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)線型[3]，因此斜拉索的索力可以作為斜拉橋的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估的重要指標。目前可供現(xiàn)場檢測索力的方法主要有：① 壓力表測定法；② 壓力傳感器測定法；③ 頻率法；④ 磁通量法；⑤ 光纖光柵振動測試法。本文探索索力檢測的視頻方法。

圖像測量技術(shù)具有表面全尺度、非接觸式、無負載效應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性強、重復(fù)可比性好、無設(shè)備耗損等優(yōu)點，不僅適用于靜態(tài)測量，也適用于動態(tài)測量，還可進行全域高密度檢測。隨著數(shù)碼影像產(chǎn)品的快速進步和普及化、以及實際工程對圖像測量技術(shù)的應(yīng)用與需求，數(shù)字測量技術(shù)迅速發(fā)展。例如有劉敏[4]提出的結(jié)構(gòu)一維大變形識別的數(shù)字圖像邊緣檢測；袁向榮[ 5]提出的結(jié)構(gòu)邊緣變形檢測一維DIC法，其邊緣識別精度可達到0.05像素；胡朝輝[6]提出的視頻圖像技術(shù)的結(jié)構(gòu)振動測試；袁向榮[7]邊緣識別的正交多項式擬合及梁變形檢測。

本文基于數(shù)字視頻技術(shù)，以數(shù)碼攝像頭與PC機作為硬件設(shè)備結(jié)合Matlab軟件設(shè)計視頻圖像測振系統(tǒng)[8]，采用視頻圖像測振系統(tǒng)檢測索的振動，由圖像處理及模態(tài)分析方法識別索的頻率、阻尼及振型，由頻率識別索力。

1 視頻圖像檢測系統(tǒng)

視頻圖像檢測系統(tǒng)是基于圖像檢測技術(shù)的一種新的振動測試方法。其原理是通過拍攝設(shè)備的感光元件現(xiàn)場記錄被測對象的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，后期通過已編程序?qū)討B(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的提取和處理，得出所需要的物理信息。相較于傳統(tǒng)的振動測試，視頻圖像檢測法有著非接觸式的優(yōu)點，因此免去了很多現(xiàn)場布線、傳感器布置的問題，能夠大大地減少現(xiàn)場的工作量，加快檢測速度，節(jié)省人力，對現(xiàn)場的測量人員的安全也有一定的提高。

1.1 硬件系統(tǒng)

視頻的拍攝可以采用單反相機、卡片相機，以及手機攝像頭。單反相機的優(yōu)點是其感光元件大，精度高，適應(yīng)相對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，提高工作范圍，但單反相機需要一定的學(xué)習(xí)成本，其便攜性也不佳；卡片相機的優(yōu)點是可以拍攝更高幀數(shù)的視頻，目前民用卡片相機已經(jīng)可以拍攝1 000幀的視頻，學(xué)習(xí)成本也較低；手機攝像頭的優(yōu)點是便攜，操作方便，不需要學(xué)習(xí)成本，其精度也可以滿足大多數(shù)工程檢測。

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是基于Matlab編制的程序，包括視頻采集、視頻分解、信號分析4個模塊，如圖1所示。

2 動態(tài)邊緣的識別方法

經(jīng)典邊緣檢測算子[10]只能識別整像素邊緣，要提高數(shù)據(jù)精度則需要采用亞像素邊緣定位方法。目前常用的亞像素邊緣識別方法有高斯曲線擬合法[11]、矩算子法[12]和多項式擬合法[13]。高斯曲線擬合法具有更高的定位精度，能更貼合實際的邊緣模型，但該方法過程繁瑣，計算量大，不易快速得出結(jié)果;矩算子法以理想的二級階躍型邊緣計算實際邊緣，因而存在原理上的誤差;多項式擬合法則集合了計算精度高，計算過程簡便的優(yōu)點，易于理解，易于操作，易于得出結(jié)果。其基本思路是運用多項式函數(shù)擬合邊緣灰度的變化趨勢，根據(jù)情況提取多項式函數(shù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)特征視作邊緣點。多項式函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式如下：

圖1 Matlab軟件流程圖

I(z)=c0+c1z+c2z2+…+cnzn

其中:z為邊緣振動方向上的像素點的位置；I為z點處的灰度值；c0,c1,…,cn為擬合多項式中的系數(shù)，通過最小二乘法來確定。

圖像邊緣[14]的灰度變化有階躍型、脈沖型[15]和屋脊型，如圖2所示。

(a) 階躍型 (b) 脈沖型 (c) 屋脊型

圖2 常見的3種邊緣類型

本實驗的對象是索的邊緣，是典型的脈沖型邊緣，因而采用6階多項式函數(shù)擬合邊緣[16]振動方向上的若干點的灰度，選取擬合曲線的最大值[17]視作為邊緣實際位置。

3 模型試驗及結(jié)果分析

本實驗采用一個斜拉橋模型，選取它的第3根斜拉索進行試驗。索的表面光滑完整，兩端固定，采用直徑為1 mm，長2 m的單根不銹鋼絲，剛度未知，均布質(zhì)量為6.228 kg/m。拍攝機器使用蘋果6手機，用三腳架固定，機身角度與索的角度一致，拍攝240幀/s1 280×720像素的視頻。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

在實驗開始前先對視頻設(shè)備的拍攝幀數(shù)進行標定。使用本次視頻設(shè)備拍攝一段電子秒表計時。電子秒表以0.044 s為單位跳動，由24.571 s開始25.627 s結(jié)束，時長1.056 s，共分解得254張圖像。經(jīng)計算得該視頻幀數(shù)約為240幀/s。

視頻拍攝從激振前開始，一直拍攝至索基本穩(wěn)定，采集激振前作為初始圖像，采集振動穩(wěn)定后作為振動圖像，拍攝時長為30 s。視頻采集后利用程序?qū)⒁曨l分解為圖像序列。經(jīng)剪輯的視頻時長21 s，錄制幀數(shù)為240幀/s，一共可以分解得5 040幅圖像，運用圖片剪切程序?qū)D片裁剪成合適的尺寸，留作分析用。

圖3 模型試驗場景圖

(a)第1張截圖

(b)第2張截圖

(c)第254張截圖

現(xiàn)選圖像序列101 079～101 083作為索振動圖像序列演示，如圖5所示。

(a) 101 079

(b) 101 080

(c) 101 081

(d) 101 082

(e) 101 083

圖5 索振動序列圖像

選取101 070～101 110亞像素索邊緣圖像序列作為演示，如圖6所示。

利用Matlab程序處理圖像序列，取6階多項式擬合邊緣灰度曲線，選取索1/2點、索1/4點的位移時程曲線與頻譜圖作為演示，如圖7～10所示。索的前4階模態(tài)的振型圖如圖11所示。 對索各點的振動信號進行模態(tài)分析得斜拉索的前4階振動頻率，數(shù)據(jù)如表1所示。從表1得出，該索的前4階模態(tài)的頻率，根據(jù)索力公式[18]N=4wL2(fk/k)2計算得出。其中：w是斜拉索的單位長度的質(zhì)量；L是索的長度；k是階數(shù)。可以根據(jù)各階模態(tài)的頻率算出索力F1，再與力傳感器所測得數(shù)據(jù)F2作出對比，如表2所示。

(a) 101 070～101 079

(b) 101 080～101 089

(c) 101 090～101 090

(d) 101 091～101 100

圖7 1/2索處點位移時程圖

圖8 1/2索處點頻譜圖

圖9 1/4索處點位移時程圖

圖10 1/4索處點頻譜圖

(a) 1階振型圖

(b) 2階振型圖

(c) 3階振型圖

(d) 4階振型圖

本次實驗?zāi)軠y出斜拉索的前4階模態(tài)的頻率，由表1可知，斜拉索的前4階模態(tài)的實測頻率為：f1=14.656 Hz、f2=29.061 Hz、f3=44.531 Hz、f4=58.360 Hz。

表2 圖像法索力值與力傳感器檢測索力值比

前4階模態(tài)的頻率基本滿足線性關(guān)系。由前4階模態(tài)的頻率計算出的索力與力傳感器所采集的數(shù)據(jù)最大相差2.6%，誤差在合理可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)字圖像測量技術(shù)，用相關(guān)硬件與Matlab軟件完成了非接觸式圖像測振方法的系統(tǒng)設(shè)計，并通過實驗室模型實現(xiàn)了斜拉索模型的振動測試，為其進一步應(yīng)用于實際結(jié)構(gòu)提供了參考，現(xiàn)將試驗的主要結(jié)論及建議總結(jié)如下:

(1) 對于動態(tài)位移的測量，由本文方法測得的試驗數(shù)據(jù)均較合理，試驗測出對應(yīng)索模型的1～4階模態(tài)的頻率。由該4階模態(tài)的頻率所計算出的索力與力傳感器所得的數(shù)據(jù)比值誤差較小。因此基于普通數(shù)碼攝像頭與PC機的測振技術(shù)可用于高頻振動系統(tǒng)的測試，且可以通過測量得到四階模態(tài)參數(shù)。

(2) 基于數(shù)字圖像測量技術(shù)在振動測試中測試數(shù)據(jù)應(yīng)用于索力測量是可行的。

(3) 數(shù)字圖像測量技術(shù)有著非接觸式，無負載反應(yīng)的先天優(yōu)點。其測試數(shù)據(jù)在空間密度方面遠勝與傳統(tǒng)方法。

基于無人機技術(shù)的運用、高像素視頻設(shè)備的普及、計算機硬件設(shè)備的進步，以及工程上對數(shù)字圖像測量技術(shù)的應(yīng)用與反饋，數(shù)字圖像測量技術(shù)的立體化、精準度、實用性和適用范圍將進一步發(fā)展。

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ApplicationofVideoImageVibrationMeasurementTechniqueinAnalysisofCableForceofStayCables

XUMinjie,YUANXiangrong,LIUHui,CHENZexian,RENZhangchen

(School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

the paper introduces a new technology for vibration which uses digital camera and PC as the hardware, and Matlab as software. The system is used to identify the first-order, second-order, third-order and fourth-order modal parameters for stay cables. The cable vibration video is collected, and is decomposed into the image sequence.Through image processing, cable edge sequence can be obtained;the edge vibration at each point in time history and vibration mode are then analyzed.Then cable frequency, damping and vibration type can be gotten, thecable forcecan be analyzed by frequency identification. Comparing with the data obtained byforce sensor, the video image vibration technology is feasible to detect cable vibration and has some advantages.With the further development of optical hardware and software, video image vibration technology has a brightprospect inengineering application.

stay cable； edge recognition； polynomial fitting； higher-order modes； cable force measurement

U 441.3

A

1006-7167(2017)11-0007-04

2017-03-02

國家自然科學(xué)基金項目(51078093,51278137)；廣州市科技計劃項目(12C42011564)

徐旻杰(1993-)，男，廣東珠海人，碩士生，研究方向為橋梁工程、數(shù)字圖像處理。Tel.:15521376900；E-mail: 1326195334@qq.com

袁向榮(1957-)，男，河北故城人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為橋梁工程分析計算檢測、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析與測試，數(shù)字圖像處理。E-mail: rongxyuan@163.com