基于计算机视觉的无标靶结构振动信号提取方法研究
发布时间：2021-10-07 05:22
结构振动监测是结构健康监测领域的重要组成部分,是进行结构动态性能评估和健康状况分析的主要手段。传统的接触式测量方法需要现场布置传感器,存在操作繁杂、测点单一、产生附加荷载、高耸结构安装困难等缺点。近年来基于视频图像的结构振动监测方法已成为结构健康监测研究的一个热点,其相对于传统的传感器测量方法具有非接触、无损、操作简便、可实现远距离大范围多点监测等优点,但普遍需要在结构上设置标靶、不属于真正的“非接触测量”,此外该类方法还存在设备要求高、易受环境背景和光线影响等缺陷,限制了其在实际工程中的推广使用。本文针对现有方法存在的问题展开了相关研究,提供一种新的有效的结构振动监测方法。本文首先介绍了OpenCV开发工具并完成开发环境的搭建。针对摄像机和工业相机存在的价格昂贵、携带不便等问题,选择使用智能手机作为观测设备,采用FFmpeg编程获得视频时间戳的方法解决了手机视频可变帧率造成的时间域难以求解的问题。对张正友相机标定方法进行了深入研究,详细介绍了标定流程及要点,提出一种新的标定板摆放方法,有效解决了结构距离较远时标定板在相机视野比例过小的问题。利用LK光流法实现点的运动跟踪,引入图像金字...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统接触式传
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-高温、辐射环境，传感器安装困难，传统接触式测量方法无法进行[2]。对于一些轻质柔性结构，在其表面安装传感器后会产生附加荷载、改变结构刚度进而影响待测对象动力特性[3]。全站仪法、激光干涉仪法和GPS监测法等其它接触式测振方法也均存在和接触式传感器相似的问题[4]。目前结构振动监测常用的非接触测量方法主要分为两大类：激光测振和基于视频图像的视觉测振方法。激光测振方法主要基于光的干涉原理，具有精度和灵敏度极高、测量距离远（最长可达300m以上）、环境适应性好、无附加质量、测量频率高等优点[5]。当前激光测振相关设备的售价均非常昂贵，如图1-2所示的用于桥梁测振的proldvRSV-150型激光测振仪市场价约25万人民币，此外对操作人员专业性的要求也较高，极大制约了其在土木工程中的大范围推广和应用，目前常用于航空航天和机械制造领域。图1-2proldvRSV-150远距离激光测振仪视频图像监测是利用视频图像得到结构信息的一类监测方法的总称，是一种既能进行位移应变等静态测量、也适用于动态特性测量的非接触式监测方法，在土木工程中运用广泛，如滑坡形变监测、桥梁挠度观测、混凝土裂缝检测、隧道衬砌变形监测、路面破损识别及大型风力发电机的动态位移观测等[6-8]。视频图像振动监测方法相较于传统的接触式传感器测量方法有以下优势：（1）操作简便，外业工作量小，劳动强度低。（2）非接触，无损，不产生附加质量，不干扰被测物自然状态，不需寻找固定位移参照物。（3）可实现远距离、大范围多点监测，特别适合测点众多的结构。（4）耗材少，测量成本相对较低，同时具有相对高的精度和可靠性。（5）视频图像保存便利，方便日后检查和进行新的分析。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-现有的视频图像振动监测方法在实际应用中也还存在诸多缺陷和不足，包括需要设置标靶、监测设备要求高、对环境光线和背景要求高等。目前绝大部分基于视频图像的监测方法都需要提前在观测对象上选好目标点并设置标靶。标靶也称靶点、标志点或标识点，布置在结构上相当于一个特征点，作为后续识别、跟踪和匹配的目标，也是最终测试数据的来源点。标靶一般为单色或者黑白相间的高对比度标志，常用的标靶类型见图1-3，包括黑底白圆、二维码、黑白格和十字架等。设置标靶主要有两个目的和作用：（1）可以提高观测对象的可视度，便于计算机进行识别、捕捉和跟踪，避免对整个结构整体进行运动跟踪；（2）部分标靶可用来进行相机标定，通过测量标靶实际尺寸和像素尺寸求解得到像素坐标到物理坐标的转换系数/比例因子。a)黑白相间同心圆[9]34b)二维码[10]c)黑白条格[11]d)黑底白方格[12]图1-3视频图像监测常用标靶类型由于标靶存在与传统传感器类似的安装过程，严格来说并不是完全意义上的非接触监测，无法体现非接触测量的优势，对于大桥、高层结构等一些特殊的被测对象和现场环境，标靶安装难度大。除了需要设置标靶外，目前大部分视频图像监测方法都要求使用工业
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工智能时代的土木工程[J]. 鲍跃全,李惠. 土木工程学报. 2019(05)
[2]基于计算机视觉的结构系统识别[J]. 周颖,张立迅,刘彤,龚顺明. 土木工程学报. 2018(11)
[3]MediaInfo工具在视频文件管理中的应用[J]. 姜文,刘立康. 计算机技术与发展. 2018(04)
[4]计算机视觉的发展之路[J]. 王生进. 人工智能. 2017 (06)
[5]非接触式测振技术最新进展及应用——2016非接触式激光测振国际会议评述[J]. 茹宁,张力. 计测技术. 2016(06)
[6]基于局部不变特征与Camshift复杂环境跟踪技术研究[J]. 厉丹,鲍蓉,党向盈,程德强. 现代电子技术. 2016(19)
[7]边缘识别的二维正交多项式拟合及结构变形检测[J]. 袁向荣. 图学学报. 2014(01)
[8]结构动位移测试的计算机视觉方法实现[J]. 季云峰. 同济大学学报(自然科学版). 2013(11)
[9]无目标计算机视觉技术在斜拉索振动测试中的应用研究[J]. 季云峰. 振动与冲击. 2013(20)
[10]基于FFMPEG解码的音视频同步实现[J]. 刘丽霞,边金松,张琍,穆森. 计算机工程与设计. 2013(06)
硕士论文
[1]基于计算机视觉的结构振动测试与模态参数识别[D]. Kabirov Vadim.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于双坐标系的立体视觉三维位移测量方法[D]. 薛志林.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于立体视觉的结构变形全过程测量方法[D]. 袁文厅.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于数字图像与特征点的结构位移与应变监测方法[D]. 崔燕.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3421435
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统接触式传
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-高温、辐射环境，传感器安装困难，传统接触式测量方法无法进行[2]。对于一些轻质柔性结构，在其表面安装传感器后会产生附加荷载、改变结构刚度进而影响待测对象动力特性[3]。全站仪法、激光干涉仪法和GPS监测法等其它接触式测振方法也均存在和接触式传感器相似的问题[4]。目前结构振动监测常用的非接触测量方法主要分为两大类：激光测振和基于视频图像的视觉测振方法。激光测振方法主要基于光的干涉原理，具有精度和灵敏度极高、测量距离远（最长可达300m以上）、环境适应性好、无附加质量、测量频率高等优点[5]。当前激光测振相关设备的售价均非常昂贵，如图1-2所示的用于桥梁测振的proldvRSV-150型激光测振仪市场价约25万人民币，此外对操作人员专业性的要求也较高，极大制约了其在土木工程中的大范围推广和应用，目前常用于航空航天和机械制造领域。图1-2proldvRSV-150远距离激光测振仪视频图像监测是利用视频图像得到结构信息的一类监测方法的总称，是一种既能进行位移应变等静态测量、也适用于动态特性测量的非接触式监测方法，在土木工程中运用广泛，如滑坡形变监测、桥梁挠度观测、混凝土裂缝检测、隧道衬砌变形监测、路面破损识别及大型风力发电机的动态位移观测等[6-8]。视频图像振动监测方法相较于传统的接触式传感器测量方法有以下优势：（1）操作简便，外业工作量小，劳动强度低。（2）非接触，无损，不产生附加质量，不干扰被测物自然状态，不需寻找固定位移参照物。（3）可实现远距离、大范围多点监测，特别适合测点众多的结构。（4）耗材少，测量成本相对较低，同时具有相对高的精度和可靠性。（5）视频图像保存便利，方便日后检查和进行新的分析。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-现有的视频图像振动监测方法在实际应用中也还存在诸多缺陷和不足，包括需要设置标靶、监测设备要求高、对环境光线和背景要求高等。目前绝大部分基于视频图像的监测方法都需要提前在观测对象上选好目标点并设置标靶。标靶也称靶点、标志点或标识点，布置在结构上相当于一个特征点，作为后续识别、跟踪和匹配的目标，也是最终测试数据的来源点。标靶一般为单色或者黑白相间的高对比度标志，常用的标靶类型见图1-3，包括黑底白圆、二维码、黑白格和十字架等。设置标靶主要有两个目的和作用：（1）可以提高观测对象的可视度，便于计算机进行识别、捕捉和跟踪，避免对整个结构整体进行运动跟踪；（2）部分标靶可用来进行相机标定，通过测量标靶实际尺寸和像素尺寸求解得到像素坐标到物理坐标的转换系数/比例因子。a)黑白相间同心圆[9]34b)二维码[10]c)黑白条格[11]d)黑底白方格[12]图1-3视频图像监测常用标靶类型由于标靶存在与传统传感器类似的安装过程，严格来说并不是完全意义上的非接触监测，无法体现非接触测量的优势，对于大桥、高层结构等一些特殊的被测对象和现场环境，标靶安装难度大。除了需要设置标靶外，目前大部分视频图像监测方法都要求使用工业
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工智能时代的土木工程[J]. 鲍跃全,李惠. 土木工程学报. 2019(05)
[2]基于计算机视觉的结构系统识别[J]. 周颖,张立迅,刘彤,龚顺明. 土木工程学报. 2018(11)
[3]MediaInfo工具在视频文件管理中的应用[J]. 姜文,刘立康. 计算机技术与发展. 2018(04)
[4]计算机视觉的发展之路[J]. 王生进. 人工智能. 2017 (06)
[5]非接触式测振技术最新进展及应用——2016非接触式激光测振国际会议评述[J]. 茹宁,张力. 计测技术. 2016(06)
[6]基于局部不变特征与Camshift复杂环境跟踪技术研究[J]. 厉丹,鲍蓉,党向盈,程德强. 现代电子技术. 2016(19)
[7]边缘识别的二维正交多项式拟合及结构变形检测[J]. 袁向荣. 图学学报. 2014(01)
[8]结构动位移测试的计算机视觉方法实现[J]. 季云峰. 同济大学学报(自然科学版). 2013(11)
[9]无目标计算机视觉技术在斜拉索振动测试中的应用研究[J]. 季云峰. 振动与冲击. 2013(20)
[10]基于FFMPEG解码的音视频同步实现[J]. 刘丽霞,边金松,张琍,穆森. 计算机工程与设计. 2013(06)
硕士论文
[1]基于计算机视觉的结构振动测试与模态参数识别[D]. Kabirov Vadim.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于双坐标系的立体视觉三维位移测量方法[D]. 薛志林.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于立体视觉的结构变形全过程测量方法[D]. 袁文厅.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于数字图像与特征点的结构位移与应变监测方法[D]. 崔燕.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3421435
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