基于计算机视觉技术的结构动位移测试方法研究

近二十年来，结构健康监测技术作为评估既有土木结构安全性和整体性的有效手段，越来越受到从业人员的重视。工程实践证明，基于结构动力响应测试的整体式结构健康监测和诊断方法是及时判别结构是否存在异常的可靠途径。但在动力响应测试的实践中，由于受测试方法的限制，作为直观反映结构性能的一个重要参数，动位移响应的测量一直以来都存在着困难和挑战，比如加速度积分混入低频噪声、无条件搭设位移计支撑平台、无法进行接触式测试、多维及多点位移测量、精度、测试成本等。为解决动位移的实际测试困难，本课题拟利用摄像机本身具有的实物测量特性，以计算机视觉为理论基础，结合结构动力学知识，开发可靠的结构动位移测试方法，作为工程实践的补充。相比传统的动位移测试方法，拟开发的测试方法具备以下几个特点：（a）非接触式测量；（b）多维位移测量；（c）灵活方便地增加测量目标数；（c）现场使用便捷且价格相对低廉。

随着工程结构柔度的不断增大和复杂结构模型试验研究的发展，如大跨度桥梁、高层建筑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。目前，结构动位移的传统测试方法（加速度计、线性位移计、GPS等）存在的局限性主要包括测量设备支撑平台的现场安装、仪器的固定、多点及三维测量的困难、测试成本等。本项目以计算机视觉的基本原理为理论基础，采用商用消费级相机作为测试工具，避免了复杂的相机参数标定过程和测试成本，开发了能灵活地进行多点、多维、非接触式动位移测试的新方法。项目的研究成果可以归纳为以下三种不同类型的动位移测试技术，包括：基于立体视觉的非接触式一般三维动位移测试、基于仿射相机技术的无目标线位移测试和基于单孔视觉的平面位移测试。本项目开发的基于计算机视觉的结构位移测试方法主要包括以下关键技术环节：相机参数标定、图像点跟踪、三维点重构等。本项目采用了大量的实验验证了上述测试技术进行结构动位移测试的准确性。