[發明專利]一種基于特征點追蹤的橋梁非接觸式變形測量方法

有效

• 申請號: 201811452458.5
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109559348B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張建;于姍姍;朱程鵬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06T7/33
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 藍霞

本發明公開了一種基于特征點追蹤的橋梁非接觸式變形測量方法。本發明方法，通過架設于橋梁測點上的相機聚焦于遠處變形可忽略的不動結構，在橋梁加載前后采集不動結構的一系列圖像，利用改進的特征點匹配算法SURF?BRISK追蹤特征點在圖像中的亞像素坐標，進而得到橋梁測點處的亞像素位移，然后，通過標定的縮放系數，將像素位移轉化成實際的物理位移。本發明克服了諸如位移計傾角儀等傳統位移測量手段的接觸時安裝的復雜工序，還克服了傳統圖像測量方法需要在結構表面粘貼預先設計的特殊目標靶面，再者對已有的特征點匹配的篩選策略改進，提高匹配準確性和工作效率。該方法具有非接觸、準備工序少、方便測點定位特點，有廣泛應用前景。

技術領域

本發明屬于結構健康監測技術領域，具體涉及一種基于特征點追蹤的橋梁非接觸式變形測量方法。

背景技術

位移是橋梁結構設計和性能評估中最關鍵的基本參數之一，它能直觀反映結構的基本性能與狀態，因此橋梁結構的位移一直是工程師和科研人員關注的重點。現有位移測量設備主要分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式位移測量設備包括位移計傾角儀、水準儀、長標距應變傳感器等， 但是，現有接觸式測量設備存在各種各樣的問題，在實際工程應用中不夠快速便捷。比如：位移計需要固定支架，實際應用困難；非接觸式測量有GPS、雷達 激光測距以及基于光學測量等。GPS 測量撓度精度不高，且受到諸如采樣頻率、衛星覆蓋范圍、氣候條件、多次反射效應和GPS數據處理方法等的影響；雷達使用時對測量角度有要求，需要安裝角反射器專業人員操作；激光測距具有非接觸式測量的優點，但激光測距受激光穿透距離近的限制。

圖像測量方法最早基于模板匹配技術，目前被廣泛使用的有數字圖像相關（DIC）,光流法（optical flow）, 邊緣檢測（edge detection）,方向編碼匹配（orientation-codematching ，OCM)。基于模板匹配的光測方法，在土木工程領域被廣泛應用。模板匹配技術在實際結構應用中存在局限性：模板匹配要求圖像只能進行平行移動，若原圖像中的匹配目標發生旋轉或尺度變化，該算法無效，而且實際工程結構本身特征不夠豐富，往往在精度上達不到理想效果。于是針對不同的模板匹配算法，人們決定預先在結構表面噴制特征或者人為設計具有對比強烈的目標靶面以此提高匹配精度，但這實際上違背了光測非接觸式測量的初衷。

不同于模板匹配，特征點追蹤則只需要圖像中有可檢測并有效匹配的穩定興趣點。特征點追蹤包括三個步驟：檢測、描述和匹配。近十幾年來，出現了一系列特征點檢測器SIFT, SURF, FAST,和描述器SIFT， SURF，Harris 角點檢測、BRIEF,ORB, BRISK、FREAK。其中，SIFT算法檢測的特征在空間和尺度上定位更加精確， 但SIFT因為其巨大的特征計算量而使得特征點提取的過程異常花費時間；SURF算法在檢測同樣豐富的特征點的執行時間是SIFT的三分之一，同時，SURF 也具有較好的旋轉不變性和尺度不變性。優先考慮速度的時候FAST、BRIEF、ORB是最好的選擇；ORB采用FAST檢測算子，速度快，但不具有尺度不變性 ;Bekele 等就 BRIEF、ORB、BRISK、FREAK 和 SIFT 這 5種局部特征描述符的性能進行了比較，認為 BRISK 特征描述符在這五種二進制特征描述符中擁有最高的精確度以及最大的最佳匹配點數目。