浅谈结构工程中的动位移测试手段发展方向

摘要：本文研究了基于计算机视觉技术的结构动位移测试手段。基于立体视觉原理，文中采用平面相机标定的手段对相机进行参数标定、利用图像匹配技术进行图像点的跟踪，最终建立以非量测型相机（即普通消费级相机）为测试手段的结构三维动位移测试手段。

关键词：图像处理 计算机视觉 立体视觉

在实际工程实践中，由于受现场条件和测试技术本身的限制，结构动位移的测试往往存在一定的困难和挑战，这也使动位移并未成为结构动力性能评估中一个常见的评估指标。结构动位移响应是直接反映结构在动力荷载作用下安全性和整体性的重要参考指标。随着工程结构或构件建造得越来越柔和复杂结构模型试验研究的发展，如大跨度桥梁、高层建筑、索结构等的现场测试以及结构振动台试验、风洞试验等，结构动位移的测试显得尤为重要。

计算机视觉是研究计算机模拟生物外显或宏观视觉功能的科学与技术，是一个发展十分迅速的研究领域，其研究手段涉及甚广，如图像处理、机器视觉、医学图像分析、模式识别、计算机图形学、人工智能等。当计算机通过视觉传感器（比如相机或摄像机等）试图分析三维空间的物体时通常只能给出二维图像，通过计算机分析和处理图像信息，可以重构实物的三维几何信息，包括其形状、位置、姿态、运动等。因此，通过计算机视觉技术实现结构动位移的测量是可行的。上世纪八十年代中期以来，随着计算机软、硬件技术的不断发展，在土木工程领域，国内外很多学者尝试将计算机视觉技术用于结构的几何测试，包括结构的位移（静、动位移）、裂缝、表观外形等。Aw和Koo采用数码照相机来进行预设目标的坐标测量，经过基于计算机视觉理论的光束法优化后，其测试精度为2.24mm。Nieder？st和Maas利用数码摄像机来测试混凝土梁在脱水收缩过程中的变形情况，其在相机视场为80cm时测试精度可达0.03mm。相类似地将计算机视觉技术用于结构特性的测量例子还有很多，比如混凝土管片变形检测，梁破坏试验中的变形测量，远距离桥梁变形测量，轨道梁破损状况的检测等。相比于结构静态几何特性的测试，结构动态特性的测试应用相对不多。Olaszek利用摄像机来摄录桥梁的振动情况，并以计算机视觉技术进行结构动位移重构分析，得出的动位移测试精度为1mm左右。Yoshida等采用立体视觉技术来测试一块薄板的三维振动特性。

一、单相机标定

二、基于立体视觉的两相机立体标定

三、图像点跟踪

图像点跟踪是基于立体视觉的结构位移测试手段中的重要环节。在图像（或视频）分析过程中，点跟踪的精度会直接影响位移测试的最终结果。在实际测试中，本文采用两个黑方格组成的目标模板粘贴在所测结构的表面，方格尺寸均为30×30mm，两方格的交叉角点作为图像分析的跟踪点。

四、三维点重构

针对本文采用的两相机位移测试手段，在两相机的所有标定参数和所拍摄的图像跟踪点都确定完成后，最后一个重要环节就是三维点重构，即得到实测结构上目标点的三维坐标值。三维点重构可采用计算机视觉中的非线性三角测量法进行。

总的来说，相比结构动位移的传统测试手段，本文提出的立体视觉手段具有能够灵活地进行多点、多维的非接触式测量的最大优点，其在土木工程结构位移测试领域有着较好的应用前景。