采用普通攝像機的斜拉索振動位移非接觸測量方法

楊益倫，吳慶雄，許永吉，黃宛昆

(1.福州大學土木工程學院，福建 福州 350108； 2.福建省土木工程多災害防治重點實驗室，福建 福州 350108;3.福建省智能養護工程有限公司，福建 福州 350008； 4.工程結構福建省高校重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

作為斜拉橋的主要承力構件，斜拉索振動是影響結構安全的重要因素[1].事實表明，過大的斜拉索振動會對人們的出行帶來不便并嚴重影響橋梁的正常使用，造成拉索錨固區域的疲勞損壞并對交通安全造成嚴重威脅[2].因此，為了對斜拉橋的安全狀況進行評估和監測，對斜拉索的振動特別是振動位移進行測試是斜拉橋測試的重要內容.

常用的斜拉索振動位移測量方法包括間接測量和直接測量兩種.間接測量是指利用固定在斜拉索上的加速度傳感器將加速度信號轉化為電信號進行測量[3-4]，并對加速度測量結果進行數值積分得到位移測量結果.加速度的測量結果需要進行兩次積分運算才能得到動位移測量結果，但是由于積分初值的不確定，因此難以得到準確的振動位移測量結果[5-6].直接測量是指利用儀器直接測量拉索的振動位移，常用的有激光位移計測量[7]和GPS測量[8]等.激光位移計測量是在橋梁上面尋找一個相對不動的基準點，安裝激光頭并對準待測目標，就可獲得拉索的動位移測量結果[9].但由于固定困難且測距有限，只能實現單目標測量，該方法在斜拉索的動位移測量上尚未得到普遍運用.GPS測量是利用固定在拉索上的GPS信號接收器測量拉索的振動位移，但是由于GPS測試結果的精度不足，無法得到準確的拉索動位移測量結果，因此在拉索的振動測試中并不常用[10].

針對現有拉索振動位移測試方法的不足，工程師們又提出攝影測量的方法測試拉索動位移.目前的研究重點主要集中在振動位移計算方法研究[11]和測試系統開發[12]，振動位移監測[13]和基于振動位移監測的結構健康狀態評估[14-15]等方面.Olaszek[16]利用計算機視覺技術研究橋梁的振動特性，通過與既有測量方式的比較，認為攝影測量運用于橋梁振動測試可以得到具有良好精度的測量結果.Fujita等[17]通過多臺工業相機監控位于振動臺上的實體建筑的位移，得出在不同地震波響應下的結構位移.Zhou等[18]在斜拉索上面黏貼標志點, 利用普通攝像機拍攝斜拉索的振動，將標志點二值化得到特征點的位移來處理計算斜拉索的動位移，結果和加速度傳感器對比，發現計算所得到的索力結果相似.Chang等[19]利用兩臺攝像機測量了在地震波激勵下三層建筑模型的運動，同時通過風洞模型實驗，結果表明視頻測量技術能很好地彌補傳統傳感器的不足，特別是在測量結構二維或三維振動響應的時候.黃宛昆等[12]利用高速相機組建一套多測點的斜拉索動位移實時測試系統，通過室內模型試驗和實橋測試結果驗證測試方法的正確性和測試結果的可靠性.

斜拉索大幅振動的出現存在偶然性.對于不易預測的斜拉索大幅振動，采用專業儀器進行現場測量往往不夠適用，因此手機、 DV等普通攝像設備往往更加方便實用[21].為及時準確地測量斜拉索振動，本文將相片采集和數據分析分開，利用普通攝像機進行斜拉索非接觸式測試方法的研究和測試系統的開發，并通過室內模型試驗和實橋測試對測試方法的正確性和可靠性進行驗證.

1 測試方法

1.1 測試原理

利用普通攝像設備對偶發的斜拉索大幅振動進行測試，其具體測試原理(見圖1)是利用攝像機或者手機等普通攝像設備對固定在拉索上的目標測點進行拍攝，得到一段時間軸連續的模擬影像.再將室外拍攝的視頻影像帶回實驗室，并根據一定的采樣頻率對模擬影像進行離散化處理，將時間軸連續的模擬影像轉換為時間軸離散的數字圖像.通過對比不同時刻的數字圖像，對包含目標測點信息的數字圖像進行特征匹配和參數識別，計算得到目標測點空間位置的測量結果，并保存為數字文件.

使用普通攝像設備對斜拉索進行非接觸測量，應以固定采樣頻率(即幀速率)將連續的視頻離散成一系列的圖像測量結果.本研究使用通用視頻處理軟件KMplayer將視頻轉成圖像，具體做法為： 首先打開需要轉成圖像的視頻，并且將視頻暫停在開始的位置； 然后進入高級捕獲對話框中進行參數設置，選擇相片文件的采樣幀速率； 最后點擊開始按鈕進行視頻離散化.待視頻離散化完成后，將離散得到的圖片進行整理，便得到所需要的圖片文件.

1.2 圖像預處理

因成像設備、 外部環境、 人為因素的影響，特別是采用普通攝像設備拍攝的圖像, 其質量會降低.此時，圖像往往伴隨著噪聲，使被測物體邊緣模糊，并會對后續圖像處理的精度造成影響.因此，對圖像進行預處理，消除圖像噪聲、 去除不必要的信息、 識別圖像中有效信息是數字圖像處理中一個重要過程.

圖像預處理技術包括灰度拉伸、 中值濾波、 高斯濾波等[17].圖2(a)是普通攝像機拍攝運動物體所得到的圖像，圖中圓形標識點即為被測物體.由于成像設備的原因，標識點很模糊.因此，需要對圖像進行預處理.對圖像灰度進行拉伸(如圖2(b)所示)，增強對比度，再進行中值濾波(如圖2(c)所示).可以看出，通過對圖像進行灰度拉伸和中值濾波等處理后，目標圖像的清晰度和對比度得到了明顯改善，同時圓形標識點邊緣信息保存完好.

1.3 測試系統開發

為檢驗普通攝像機進行振動位移測量的結果精度，采用家用級索尼數碼攝像機HDR-CX180E進行拍攝，幀速率為25～50 F·s-1，并與激光位移計[12]的測量結果進行比較.所組成的硬件系統如圖3所示.

基于LabVIEW程序開發平臺，進行振動位移測試程序的開發.首先利用LabVIEW平臺提供程序語句的“創建文件”和“讀取文件”讀取分割好的單幀照片； 后利用程序語句“簡單標定”對照片進行標定，將圖像像素尺寸轉換成實際單位尺寸； 再利用程序語句“低通濾波”和“灰度拉伸”對照片進行增強處理； 再利用程序語句“設置模板匹配”和“模板匹配”進行圓形標志點的特征匹配； 最后顯示測量結果，并利用程序語句“寫入電子表格”進行數據存儲.所開發的程序如圖4所示.

2 室內模型試驗驗證與討論

2.1 單標識點擺錘試驗

以固定在擺錘上的標識點為測量目標，對擺錘的振動位移進行測量.攝像機拍攝方向與目標點振動平面垂直，距離被測目標1.5 m，采樣頻率設為25 Hz.激光位移計采樣頻率也設為25 Hz.對擺錘施加一個初始位移，使其發生正弦擺動，并對擺錘振動進行拍攝和采樣.

普通攝像機和激光位移計測量的擺錘位移時程曲線見圖5.比較結果表明，普通攝像機的測量結果與激光位移計的測量結果完全一致，相位一致且同時達到振動幅值，滿足測量精度要求.證明了采用普通攝像機進行非接觸式位移測試方法的可行性，且精確高.

2.2 無標識點擺錘試驗

為了驗證在沒有明確標識點情況下普通攝像機測量結果的精度，因此進行無標識點的擺錘試驗.將試驗過程中的圓形標識點去除，將綠色矩形框選定的試驗對象(擺錘)直接作為模板，采用匹配的方式對擺錘的振動位移進行計算，測量結果見圖6.從圖6可發現，普通攝像機測量結果與激光位移計測量結果幾乎完全一致，相位一致且同時達到振動幅值.普通攝像機與激光位移計測量結果的比較表明，二者最大偏差為9.8%，滿足測量精度的要求.因此，在實際測試的過程中，可以采取無標識點的方式進行斜拉索的振動位移測量.

2.3 多標識點擺錘試驗

為驗證多標識點情況下普通攝像機測量結果的精度，進行多標識點的擺錘試驗.選取兩個標識點，其中標識點A固定在擺錘上作正弦振動，標識點B固定不動.測試結果見圖7.

圖7中可看出，運動點的測試結果和激光位移計測試結果很好地吻合，而不動點的位移很小，在0.4 mm之內.測量結果表明，開發的動位移測量系統可以實現多標識點的位移測試，測試結果可以滿足精度的要求.

3 實橋測試結果

采用本文所述的斜拉索振動位移測試方法和測試系統，針對一座獨塔單索面預應力混凝土斜拉橋(見圖8)的斜拉索振動位移進行測試.所測量的斜拉橋主橋長419 m，采用梁塔固結體系.主塔高118 m呈倒Y字形.全橋共設58對斜拉索，共116根.

利用普通攝像機，對斜拉索的動位移進行測量，如圖9所示.標志點固定在斜拉索上，受現場安裝條件的限制，將標志點安裝在距離主梁高約2 m的位置.同時在標志點的相同位置布置加速度傳感器，對斜拉索的振動加速度進行測試.對振動位移測量結果進行頻譜分析，并將得到斜拉索頻率與加速度測試結果進行對比，驗證方法可行性和結果精確性.圖10是利用普通攝像機得到的斜拉索的位移時程曲線和頻譜圖.

與加速度測試得到的頻率進行比較，結果見表1.其中fi表示第i階頻率，Δi表示第i階頻率的測量誤差。從表1可看出，兩種方法得到的頻率基本一致，最大誤差不超過0.9%.得到動位移測量系統可滿足實橋斜拉索動位移測量要求，驗證了基于普通攝像機的動位移測試方法進行實橋測試方法的可靠性.

表1 位移和加速度測試結果比較

4 結語

本研究采用普通攝像設備對斜拉索的振動位移進行測量，并基于LabVIEW程序開發平臺，對普通攝像設備的斜拉索振動位移測試系統進行開發.通過室內擺錘模型試驗，驗證采用普通攝像機進行斜拉索振動位移測試方法的正確性及測試結果的精確性.開發的斜拉索振動位移測試系統既可以實現單標識點的位移測試，也可以實現多標識點和無標識點的振動位移測試，測試結果可以滿足精度的要求.實橋測試結果驗證采用普通攝像機進行實橋測試方法的可靠性，測試結果滿足實橋斜拉索動位移測量要求.