采用普通摄像机的斜拉索振动位移非接触测量方法

杨益伦，吴庆雄，许永吉，黄宛昆

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108； 2.福建省土木工程多灾害防治重点实验室，福建 福州 350108;3.福建省智能养护工程有限公司，福建 福州 350008； 4.工程结构福建省高校重点实验室，福建 福州 350108)

0 引言

作为斜拉桥的主要承力构件，斜拉索振动是影响结构安全的重要因素[1].事实表明，过大的斜拉索振动会对人们的出行带来不便并严重影响桥梁的正常使用，造成拉索锚固区域的疲劳损坏并对交通安全造成严重威胁[2].因此，为了对斜拉桥的安全状况进行评估和监测，对斜拉索的振动特别是振动位移进行测试是斜拉桥测试的重要内容.

常用的斜拉索振动位移测量方法包括间接测量和直接测量两种.间接测量是指利用固定在斜拉索上的加速度传感器将加速度信号转化为电信号进行测量[3-4]，并对加速度测量结果进行数值积分得到位移测量结果.加速度的测量结果需要进行两次积分运算才能得到动位移测量结果，但是由于积分初值的不确定，因此难以得到准确的振动位移测量结果[5-6].直接测量是指利用仪器直接测量拉索的振动位移，常用的有激光位移计测量[7]和GPS测量[8]等.激光位移计测量是在桥梁上面寻找一个相对不动的基准点，安装激光头并对准待测目标，就可获得拉索的动位移测量结果[9].但由于固定困难且测距有限，只能实现单目标测量，该方法在斜拉索的动位移测量上尚未得到普遍运用.GPS测量是利用固定在拉索上的GPS信号接收器测量拉索的振动位移，但是由于GPS测试结果的精度不足，无法得到准确的拉索动位移测量结果，因此在拉索的振动测试中并不常用[10].

针对现有拉索振动位移测试方法的不足，工程师们又提出摄影测量的方法测试拉索动位移.目前的研究重点主要集中在振动位移计算方法研究[11]和测试系统开发[12]，振动位移监测[13]和基于振动位移监测的结构健康状态评估[14-15]等方面.Olaszek[16]利用计算机视觉技术研究桥梁的振动特性，通过与既有测量方式的比较，认为摄影测量运用于桥梁振动测试可以得到具有良好精度的测量结果.Fujita等[17]通过多台工业相机监控位于振动台上的实体建筑的位移，得出在不同地震波响应下的结构位移.Zhou等[18]在斜拉索上面黏贴标志点, 利用普通摄像机拍摄斜拉索的振动，将标志点二值化得到特征点的位移来处理计算斜拉索的动位移，结果和加速度传感器对比，发现计算所得到的索力结果相似.Chang等[19]利用两台摄像机测量了在地震波激励下三层建筑模型的运动，同时通过风洞模型实验，结果表明视频测量技术能很好地弥补传统传感器的不足，特别是在测量结构二维或三维振动响应的时候.黄宛昆等[12]利用高速相机组建一套多测点的斜拉索动位移实时测试系统，通过室内模型试验和实桥测试结果验证测试方法的正确性和测试结果的可靠性.

斜拉索大幅振动的出现存在偶然性.对于不易预测的斜拉索大幅振动，采用专业仪器进行现场测量往往不够适用，因此手机、 DV等普通摄像设备往往更加方便实用[21].为及时准确地测量斜拉索振动，本文将相片采集和数据分析分开，利用普通摄像机进行斜拉索非接触式测试方法的研究和测试系统的开发，并通过室内模型试验和实桥测试对测试方法的正确性和可靠性进行验证.

1 测试方法

1.1 测试原理

利用普通摄像设备对偶发的斜拉索大幅振动进行测试，其具体测试原理(见图1)是利用摄像机或者手机等普通摄像设备对固定在拉索上的目标测点进行拍摄，得到一段时间轴连续的模拟影像.再将室外拍摄的视频影像带回实验室，并根据一定的采样频率对模拟影像进行离散化处理，将时间轴连续的模拟影像转换为时间轴离散的数字图像.通过对比不同时刻的数字图像，对包含目标测点信息的数字图像进行特征匹配和参数识别，计算得到目标测点空间位置的测量结果，并保存为数字文件.

使用普通摄像设备对斜拉索进行非接触测量，应以固定采样频率(即帧速率)将连续的视频离散成一系列的图像测量结果.本研究使用通用视频处理软件KMplayer将视频转成图像，具体做法为： 首先打开需要转成图像的视频，并且将视频暂停在开始的位置； 然后进入高级捕获对话框中进行参数设置，选择相片文件的采样帧速率； 最后点击开始按钮进行视频离散化.待视频离散化完成后，将离散得到的图片进行整理，便得到所需要的图片文件.

1.2 图像预处理

因成像设备、 外部环境、 人为因素的影响，特别是采用普通摄像设备拍摄的图像, 其质量会降低.此时，图像往往伴随着噪声，使被测物体边缘模糊，并会对后续图像处理的精度造成影响.因此，对图像进行预处理，消除图像噪声、 去除不必要的信息、 识别图像中有效信息是数字图像处理中一个重要过程.

图像预处理技术包括灰度拉伸、 中值滤波、 高斯滤波等[17].图2(a)是普通摄像机拍摄运动物体所得到的图像，图中圆形标识点即为被测物体.由于成像设备的原因，标识点很模糊.因此，需要对图像进行预处理.对图像灰度进行拉伸(如图2(b)所示)，增强对比度，再进行中值滤波(如图2(c)所示).可以看出，通过对图像进行灰度拉伸和中值滤波等处理后，目标图像的清晰度和对比度得到了明显改善，同时圆形标识点边缘信息保存完好.

1.3 测试系统开发

为检验普通摄像机进行振动位移测量的结果精度，采用家用级索尼数码摄像机HDR-CX180E进行拍摄，帧速率为25～50 F·s-1，并与激光位移计[12]的测量结果进行比较.所组成的硬件系统如图3所示.

基于LabVIEW程序开发平台，进行振动位移测试程序的开发.首先利用LabVIEW平台提供程序语句的“创建文件”和“读取文件”读取分割好的单帧照片； 后利用程序语句“简单标定”对照片进行标定，将图像像素尺寸转换成实际单位尺寸； 再利用程序语句“低通滤波”和“灰度拉伸”对照片进行增强处理； 再利用程序语句“设置模板匹配”和“模板匹配”进行圆形标志点的特征匹配； 最后显示测量结果，并利用程序语句“写入电子表格”进行数据存储.所开发的程序如图4所示.

2 室内模型试验验证与讨论

2.1 单标识点摆锤试验

以固定在摆锤上的标识点为测量目标，对摆锤的振动位移进行测量.摄像机拍摄方向与目标点振动平面垂直，距离被测目标1.5 m，采样频率设为25 Hz.激光位移计采样频率也设为25 Hz.对摆锤施加一个初始位移，使其发生正弦摆动，并对摆锤振动进行拍摄和采样.

普通摄像机和激光位移计测量的摆锤位移时程曲线见图5.比较结果表明，普通摄像机的测量结果与激光位移计的测量结果完全一致，相位一致且同时达到振动幅值，满足测量精度要求.证明了采用普通摄像机进行非接触式位移测试方法的可行性，且精确高.

2.2 无标识点摆锤试验

为了验证在没有明确标识点情况下普通摄像机测量结果的精度，因此进行无标识点的摆锤试验.将试验过程中的圆形标识点去除，将绿色矩形框选定的试验对象(摆锤)直接作为模板，采用匹配的方式对摆锤的振动位移进行计算，测量结果见图6.从图6可发现，普通摄像机测量结果与激光位移计测量结果几乎完全一致，相位一致且同时达到振动幅值.普通摄像机与激光位移计测量结果的比较表明，二者最大偏差为9.8%，满足测量精度的要求.因此，在实际测试的过程中，可以采取无标识点的方式进行斜拉索的振动位移测量.

2.3 多标识点摆锤试验

为验证多标识点情况下普通摄像机测量结果的精度，进行多标识点的摆锤试验.选取两个标识点，其中标识点A固定在摆锤上作正弦振动，标识点B固定不动.测试结果见图7.

图7中可看出，运动点的测试结果和激光位移计测试结果很好地吻合，而不动点的位移很小，在0.4 mm之内.测量结果表明，开发的动位移测量系统可以实现多标识点的位移测试，测试结果可以满足精度的要求.

3 实桥测试结果

采用本文所述的斜拉索振动位移测试方法和测试系统，针对一座独塔单索面预应力混凝土斜拉桥(见图8)的斜拉索振动位移进行测试.所测量的斜拉桥主桥长419 m，采用梁塔固结体系.主塔高118 m呈倒Y字形.全桥共设58对斜拉索，共116根.

利用普通摄像机，对斜拉索的动位移进行测量，如图9所示.标志点固定在斜拉索上，受现场安装条件的限制，将标志点安装在距离主梁高约2 m的位置.同时在标志点的相同位置布置加速度传感器，对斜拉索的振动加速度进行测试.对振动位移测量结果进行频谱分析，并将得到斜拉索频率与加速度测试结果进行对比，验证方法可行性和结果精确性.图10是利用普通摄像机得到的斜拉索的位移时程曲线和频谱图.

与加速度测试得到的频率进行比较，结果见表1.其中fi表示第i阶频率，Δi表示第i阶频率的测量误差。从表1可看出，两种方法得到的频率基本一致，最大误差不超过0.9%.得到动位移测量系统可满足实桥斜拉索动位移测量要求，验证了基于普通摄像机的动位移测试方法进行实桥测试方法的可靠性.

表1 位移和加速度测试结果比较

4 结语

本研究采用普通摄像设备对斜拉索的振动位移进行测量，并基于LabVIEW程序开发平台，对普通摄像设备的斜拉索振动位移测试系统进行开发.通过室内摆锤模型试验，验证采用普通摄像机进行斜拉索振动位移测试方法的正确性及测试结果的精确性.开发的斜拉索振动位移测试系统既可以实现单标识点的位移测试，也可以实现多标识点和无标识点的振动位移测试，测试结果可以满足精度的要求.实桥测试结果验证采用普通摄像机进行实桥测试方法的可靠性，测试结果满足实桥斜拉索动位移测量要求.