[發(fā)明專利]基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移及應(yīng)變監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410201870.5
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103994724B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 滕軍;盧偉;崔燕;李祚華
• 申請（專利權(quán)）人: 滕軍
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03;G01L1/00
• 代理公司: 重慶強大凱創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50217
• 代理人: 黃書凱

1.一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移和應(yīng)變監(jiān)測方法，其特征是：標(biāo)靶采用圓形圖案，以確保進(jìn)行結(jié)構(gòu)物理量監(jiān)測時標(biāo)靶截面的無方向性；選取圓形的圓心作為標(biāo)靶圖像特征，并運用數(shù)字圖像處理技術(shù)對其進(jìn)行提取；所述特征是指為從拍攝的標(biāo)靶數(shù)字圖像中確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移或應(yīng)變量所選擇的監(jiān)測計算點；采用邊長已知的方形圖案作為標(biāo)定板來進(jìn)行當(dāng)前視覺監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)標(biāo)定；所述系統(tǒng)標(biāo)定是指通過運用數(shù)字圖像處理技術(shù)尋找方形圖案四個頂點，來確定像素邊長值和實際邊長值之間的對應(yīng)關(guān)系；首先，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)二維位移監(jiān)測前，利用數(shù)碼相機對布置在結(jié)構(gòu)待測位置的方形標(biāo)定板進(jìn)行多次拍照；并在結(jié)構(gòu)二維位移監(jiān)測時，在保證結(jié)構(gòu)與相機相對位置不變的情況下，以圓形標(biāo)靶來替換方形標(biāo)定板，通過對其拍照或攝像來得到結(jié)構(gòu)測點在拍攝時間內(nèi)的監(jiān)測信息；然后，對獲取的方形標(biāo)定板圖像主要運用以下數(shù)字圖像處理技術(shù)：數(shù)字圖像讀取、基于迭代法選取閾值的圖像二值化和基于面積跟蹤算法的圖像進(jìn)一步去噪；來獲取方形標(biāo)定板的四頂點像素坐標(biāo)及各邊的像素長度，與已知的物理邊長相結(jié)合進(jìn)而確定出當(dāng)前視覺監(jiān)測系統(tǒng)在x和y方向的雙向分辨率；對獲取的圓形標(biāo)靶圖像主要運用以下數(shù)字圖像處理技術(shù)：數(shù)字圖像讀取、基于迭代法選取閾值的圖像二值化、抗噪性多尺度數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)邊緣檢測、基于面積跟蹤算法的圖像進(jìn)一步去噪、基于最小半徑法的邊緣精定位和非迭代快速圓心擬合法，來提取標(biāo)靶圓圓心二維像素坐標(biāo)；最后，利用系統(tǒng)雙向分辨率和標(biāo)靶圓心幀差法位移計算原理，確定結(jié)構(gòu)測點二維位移；利用標(biāo)靶中相鄰兩圓心的像素坐標(biāo)和平均應(yīng)變計算公式，確定結(jié)構(gòu)相鄰測點間的平均應(yīng)變。

2.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移和應(yīng)變監(jiān)測方法，其特征在于：所述圓形標(biāo)靶的顏色未限定、具體尺寸無需已知，對于淺色結(jié)構(gòu)表面設(shè)置白底黑圖，深色結(jié)構(gòu)表面設(shè)置黑底白圖；當(dāng)為夜晚拍攝條件，設(shè)置熒光或LED燈光源標(biāo)靶來代替人為設(shè)置的圓形標(biāo)靶圖片，從而使標(biāo)靶圓在土木工程中的適用范圍得到擴展；所述邊長已知的方形標(biāo)定板，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提取其四頂點的像素坐標(biāo)，同時設(shè)置標(biāo)定板方形圖案尺寸為10cm×10cm，顏色為白底黑圖；則在方形標(biāo)定板擺正的情況下，可同時得到視覺監(jiān)測系統(tǒng)沿水平向x和豎直向y的雙向分辨率Rx和Ry。

3.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移和應(yīng)變監(jiān)測方法，其特征在于：進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測時，無需進(jìn)行視覺監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定，直接基于標(biāo)靶中排列成一行的、不相互重疊的、且圓心在同一直線上的各標(biāo)靶圓，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)來得到相鄰兩圓形標(biāo)志點間像素距離在結(jié)構(gòu)變形前后的改變量，從而得到結(jié)構(gòu)在該段范圍內(nèi)的平均應(yīng)變值，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)微觀物理量的監(jiān)測。

4.如權(quán)利要求3所述的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移和應(yīng)變監(jiān)測方法，其特征在于：圓心提取過程中采用了如下技術(shù)方案：

對預(yù)處理后的標(biāo)靶圖像運用“基于閾值選取的圖像分割法”進(jìn)行圖像二值化；

對二值圖像運用“抗噪型多尺度數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)邊緣檢測算子”進(jìn)行邊緣檢測；

對邊緣檢測圖像運用“面積跟蹤算法”進(jìn)行進(jìn)一步去噪；

對去噪后的標(biāo)靶圓邊緣圖像運用“最小半徑法”進(jìn)行圓邊緣精定位；

對精定位后的邊緣圖像采用“非迭代快速圓心擬合法”進(jìn)行圓心擬合；

當(dāng)進(jìn)行的是結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變監(jiān)測時，除以上步驟外還需在圓邊緣精定位之前，進(jìn)行各圓形標(biāo)志點所屬區(qū)域分割；

找到每一個圓單獨存在的圖像范圍，并在該范圍內(nèi)完成圓的邊緣精定位和圓心擬合。

5.如權(quán)利要求1或4所述的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)二維位移和應(yīng)變監(jiān)測方法，其特征在于：對方形尺寸已知的標(biāo)定板進(jìn)行多次拍攝以減小系統(tǒng)誤差，對方形標(biāo)定板圖像基于迭代法選取閾值進(jìn)行圖像二值化，并對其進(jìn)行反色處理以及基于面積跟蹤算法的圖像進(jìn)一步去噪，此時，標(biāo)定板圖像矩陣呈現(xiàn)方形區(qū)域灰度值為1，其余區(qū)域灰度值均為0的形式；選取灰度值為1的全部像點中擁有最小行列坐標(biāo)的像點、擁有最小行最大列坐標(biāo)的像點、擁有最大行最小列坐標(biāo)的像點，以及擁有最大行列坐標(biāo)的像點，作為方形標(biāo)定板的四頂點；并基于此計算方形區(qū)域沿水平和豎向的平均像素邊長值Lx和Ly；由于方形實際尺寸已知，可利用水平向的實際邊長值除以Lx得當(dāng)前視覺監(jiān)測系統(tǒng)沿水平向的分辨率Rx；利用豎向的實際邊長值除以Ly得當(dāng)前視覺監(jiān)測系統(tǒng)沿豎向的分辨率Ry。