Real-Time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques
Abstract
In this study, real-time displacement measurement of bridges was carried out by means of digital image processing techniques. This is innovative, highly cost-effective and easy to implement, and yet maintains the advantages of dynamic measurement and high resolution. First, the measurement point is marked with a target panel of known geometry. A commercial digital video camera with a telescopic lens is installed on a fixed point away from the bridge (e.g., on the coast) or on a pier (abutment), which can be regarded as a fixed point. Then, the video camera takes a motion picture of the target. Meanwhile, the motion of the target is calculated using image processing techniques, which require a texture recognition algorithm, projection of the captured image, and calculation of the actual displacement using target geometry and the number of pixels moved. Field tests were carried out for the verification of the present method. The test results gave sufficient dynamic resolution in amplitude as well as the frequency. Use of this technology for a large suspension bridge is discussed considering the characteristics of such bridges having low natural frequencies within 3 Hz and the maximum displacement of several centimeters.
Keywords
Displacement measurement .Digital image processing . Real-time . Bridge structures
Introduction
Bridge structures are exposed to various external loads such as traffic, earthquakes, gusts, and wave loads during their lifetime. The structures may get deteriorated along with time in unexpected ways, which may lead to structural damage causing costly repair and/or heavy loss of human lives. Consequently, structural health monitoring has become an important research topic for continuous assessment and evaluation of structural safety. In this respect, monitoring the structural responses can give valuable information to assess the structural integrity. Displacement under a certain loading condition is fundamental and crucial information to be obtained. However, measuring the displacement of flexible bridges is very difficult, since most bridges overpass the sea or the river. Installation of the conventional devices for displacement measurement is almost impossible, or extremely costly, if not impossible.
Traditional structural displacement sensors, such as linear variable differential transformers (LVDTs) and dial gauges, perform measurement at a certain point of a structure. They are flexible for measuring displacement in any direction and meeting the resolution requirement for structural testing. However, these sensors require stationary platform as the measurement reference and to which the sensors are to be fastened. The platform usually has to be close to the structure because the sensor size is relatively small compared to the size of the structure in which case wire-connection devices must be used at a possible loss of accuracy. Indeed, this has been a typical problem for field testing when access to the structure is costly, and establishment of the required platform is difficult.
There have been numerous studies related to the technical feasibility of using Global Positioning System (GPS) technology to measure displacement of bridge structures. The dynamic characteristics of the Humen Bridge in China were identified using the windinduced vibration responses measured by a real-time kinematic (RTK) global position system (GPS) [1]. The RTK-GPS system has a resolution of T5 mm horizontally and T10 mm in height. Meo et al. (2005) employed RTK-GPS system to measure the lowfrequency vibration of the Nottingham Wilford suspension footbridge [2]. The GPS receivers and antennas were capable of acquiring the real-time absolute threedimensional positions at 2 mm positioning accuracy at a rate of 10 Hz. Use of GPS system to measure displacement of flexible civil infra-structures has advantages in many ways such as positioning accuracy of millimeter-level, dynamic measurement up to 10 Hz, real-time monitoring, and remote measurement without access to the bridge site. However, there remain problems to be resolved such as high electro-magnetic noise, usage limitation due to weather and limitation to the measurement period and duration due to satellite cycling, since GPS system requires communications between the GPS receivers and a satellite. And the cost of high-accuracy and high sampling rate GPS-based tracking is significantly more than the proposed visionbased approach.
Nassif et al. [3] compared the results from dynamic live load tests using the non-contact laser Doppler vibrometer (LDV) system with those from contact sensors [3]. The use of the laser Doppler vibrometer system as a non-contact, non-destructive means of measuring bridge vibration and deflection provided accurate displacement results compared with LVDTcable system that is directly mounted onto the bridge girder. The LDV system also provided accurate girder velocity measurements when compared with the mounted geophone sensor. A microwave interferometer with imaging capability was utilized to measure the displacement of a real-scale building [4]. The images were obtained by a synthetic-aperture interferometric radar, and the phase information of the synthesized microwave images was exploited for detecting displacements of the illuminated structure. However, these devices are very expensive and difficult to be implemented.
Estimation of bridge displacement using measured acceleration has been carried out by several researchers [5, 6]. While in principle, one can determine the time history of the displacement by double-integrating the corresponding accelerations which can be conveniently measured by conventional accelerometers, there are some major pitfalls in various digital
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基于数字图像处理技术实现柔性桥梁的实时位移测量
摘要
在这项研究中，桥梁的实时位移测量是通过数字图像处理技术实现的。它具有创新性、高效性且易于实现，保持了动态测量和高分辨率的优势。首先，测量点用已知几何形状的目标面板标记，将具有伸缩式镜头的商业数码摄像机安装在远离桥的固定点上（例如在海岸上）或在可被视为固定点的桥墩（桥台）上。然后，用摄像机拍摄目标的动态图像。同时，用图像处理技术来计算目标的运动，所述图像处理技术需要纹理识别算法，所捕捉图像的投影以及使用目标几何结构和移动像素的数量来计算实际位移。现场测试是为了验证本方法而进行的，测试结果给出了足够的振幅和频率的动态分辨率。由于考虑到这种桥在3Hz以内具有低固有频率和几厘米的最大位移的特性，本文讨论了将该技术用于大型悬索桥。
关键词：位移测量；数字图像处理；即时性；桥梁结构
介绍
桥梁结构暴露于各种外部载荷中，如交通、地震、阵风和波浪载荷。随着时间的推移，结构可能会以意想不到的方式恶化，这可能导致结构损坏，造成昂贵的维修和严重的人员伤亡。因此，结构健康监测已成为持续评估结构安全的重要研究课题。在这一方面，监测结构响应可以为评估结构完整性提供有价值的信息。在一定负载条件下，位移是要获得基本的和关键的信息。然而，测量柔性桥梁的位移是非常困难的，因为大多数桥梁跨越大海和河流，传统的位移测量装置的安装几乎是不可能的，甚至是非常昂贵的。
传统的结构位移传感器，如线性可变差动变压器（LVDT）和千分表，在结构的某一点进行测量。他们可灵活地测量任何方向的位移，并且能够满足结构测试的分辨率要求。但是，这些传感器需要以固定平台作为测量参考，并被固定到该平台上。通常平台必须要靠近结构，因为传感器尺寸与结构的尺寸相比较小，在这种情况下必须以可能的精度损失来使用导线连接装置。实际上，当访问该结构的成本很高时，现场测试就是一个典型的问题，且难以建立所需的平台。
目前，已经有许多研究涉及使用全球定位系统（GPS）技术来测量桥梁结构位移的可行性技术。中国虎门大桥的动力特性是采用实时动力学（RTK）和全球定位系统（GPS）测量的风诱导振动响应来确定的。RTK-GPS系统的水平分辨率为T5 mm，高度为T10 mm。Meo等人采用RTK-GPS系统测量诺丁汉威尔福德悬索桥的低频振动。GPS接收机和天线能够以10Hz的速率和2mm的定位精度获取实时绝对三维位置。使用GPS系统测量柔性民用基础设施的位移在许多方面具有优势，例如毫米级的定位精度，它高达10 Hz的动态测量、实时监测以及无需进入桥位的远程测量。然而，由于GPS系统需要GPS接收机和卫星之间的通信，所以仍然存在需要解决的问题，诸如高电磁噪声，由于天气而导致的使用限制以及卫星循环而导致的测量周期和持续时间的限制。而基于GPS的高精度和高采样率跟踪的成本明显高于基于视觉的方法。
Nassif等人比较了非接触式激光多普勒测振仪（LDV）系统和接触传感器动态活载测试的结果，结果表明，与直接安装在桥梁上的LVDT电缆系统相比，激光多普勒测振仪系统作为测量桥梁振动和挠度的非接触式、非破坏性手段提供了精确的位移结果；与安装的地震检波器传感器相比，LDV系统还提供了精确的梁体速度测量。利用具有成像能力的微波干涉仪来测量实际建筑物的位移，图像由合成孔径干涉雷达获得，合成微波图像的相位信息被用于检测照明结构的位移。 但是，这些设备非常昂贵且难以实施。
几位研究人员用实测加速度估算桥梁位移。虽然原则上可以通过传统加速度计便可方便测量的相应加速度进行二次积分来确定位移的时间历程，但是在各种数字信号处理方法中存在一些主要缺陷，这些缺陷会在提取的时间历史中导致估计位移的失真。Kim和Cho 开发了一种使用光纤布拉格应变传感器来估算桥梁挠度的方法。通过应用经典梁理论，公式被重新排列，并通过使用从几个点直接测量出的应变来估计连续偏转的轮廓，然后进行回归分析，从测量的应变数据获得应变函数，并且通过将应变函数应用于公式来估计挠曲曲线。但是，这种方法有一些局限性，它应该应用于梁型结构。应变数据对噪声非常敏感，应该在多个点进行测量，从而精确估计桥梁的挠度分布。
另一方面，光学器件为位移测量提供了有效的替代方案。随着电子和计算机技术的迅速发展，这些光学设备可以投入使用，而且预计未来它们的应用更广。斯蒂芬等人提出了一种视觉跟踪系统来测量英国亨伯桥的甲板位移，对于实时处理，采用基于计算机的并行处理技术来跟踪视频帧速率下多个独立对象的运动；对于对象跟踪，从初始帧提取用户选择的对象特征的模板，并且重复使用最小平方差错方案的模板来匹配操作。该系统成功地用于测量亨伯桥的极低频率运动。Olaszek开发了一种基于摄影测量原理研究桥梁动力特性的方法，用目标点同时测量参考点，排除摄像机平移运动的影响。但是，这种通过参考校正的方案不适用于旋转运动的情况。此外，应该使用专门的光学装置，用一个图像捕获装置同时捕获两个远点（参考点和目标点）。 Whabeh等人部署了高分辨率520线，450数字变焦的高保真视频摄像机，目标包括28英寸高32英寸宽的黑色钢板，其安装了两个高分辨率红色灯（LED ），以测量位于加利福尼亚州圣佩德罗的文森特托马斯大桥的位移。由于计算时间，先进的信号处理技术（包括光学数据缩减和确定高强度红点中心的非线性高斯回归曲线）以离线方式应用于整个30分钟的光学记录数据。
本文着重使用数字图像处理技术来测量柔性桥梁的动态位移。这种技术成本低、易于实施且保持着测量动态位移和分辨率良好的优势。以下部分描述了图像处理技术实时位移测量的基本技术背景，为了验证所提出的方法，对带钢板梁的桥梁和带有开箱梁的桥梁进行了两次现场试验，最后，简要讨论这种技术在大型悬索桥中的应用。
基于图像处理技术的实时位移测量
图1显示了基于数字图像处理技术的实时位移测量系统的原理图。首先，测量点用已知几何形状的目标面板标记，将具有伸缩式镜头的商业数码摄像机安装在桥梁（例如海岸）或码头（桥台）之外的固定点上，其可被视作固定点。然后，用摄像机拍摄放置在测量点的目标的运动图像。同时，使用图像处理技术来计算目标的位移，所述图像处理技术需要纹理识别算法，所采集图像的投影以及使用目标几何形状和移动像素的数量来计算实际位移。图像处理软件是使用MATLAB 7.0中的图像采集工具箱开发的。
基于数字图像处理技术的位移测量系统是由（1）包括目标物体、伸缩透镜、数字摄像机、IEEE1394端口和膝上型计算机的硬件和（2）包括连续图像捕获、目标识别算法、从预捕获的图像计算三角变换矩阵以及来自在线图像数据的实际位移计算。在这项研究中，我们部署了一款具有30倍光学变焦能力的商业数码摄像机，分辨率为720times;480像素，帧速率为每秒30帧。在摄像机上安装了具有8倍光学变焦能力的伸缩式镜头，这样可以使摄像机追踪目标的距离更远。Pentium M 1.6 GHz处理器和512 MB RAM的笔记本电脑用于处理实时数据，系统的总成本低于2000美元，因此在追求桥梁的实时位移测量的同时非常经济实惠。
图2显示了一个目标物体，它有四个已知几何形状和黑色背景的白色斑点。 水平方向长度（Lx）和垂直方向长度（Ly）应根据待测量的最大位移和包括数字视频摄像机和望远镜头在内的硬件性能来确定。光源可以用来照亮目标上的白色斑点，为了识别目标上的白点，基于背景和目标区域的亮度计算黑白图像的阈值。其中，mB和sB是背景区域亮度的平均值和标准偏差，mT和sT是目标区域亮度的平均值和标准偏差。
四个白点的中心位于黑白图像中，在像素坐标（x，y）中确定对应于实际水平方向和垂直方向的方向矢量（[x1y1] T，[x2y2] T），将用于图像帧（x，y）的方向转换为桥中实际方向的三角变换矩阵（T）以及缩放因子（SFx，SFy）以关联图像帧中的像素数量以实际目标长度计算，实际位移（[dxdy] T）是根据目标移动的像素数（[xy] T）计算出来的。
目前，系统的精度取决于硬件性能和目标距离。使用30倍光学变焦的商业数码摄像机和8倍光学变焦的伸缩式镜头，便可以在10米距离范围内拍摄1厘米长的图像。垂直方向上的像素数为480，因此，分辨率约为0.021毫米/像素。 当目标距离变成两倍时，分辨率也变成了两倍。考虑到一个普通桥梁的预期最大位移应是几毫米，相机可以放置在几十米的距离。对于像悬索桥这样的大跨度桥梁，摄像机应远离目标，甚至可能要远离几百米。但是，预期的最大位移是几厘米。
由于大多数商业摄像机支持30帧/秒的帧速率，并且要实现实时测量，图像处理应在1/30秒内进行。在捕获图像帧时，使用图像处理技术来计算目标的位移，其中图像处理技术包括目标识别、计算像素移动次数、使用变换矩阵和缩放因子计算实际位移以及显示和存储计算的位移。信息量取决于每帧的像素数量和每秒帧数，用于预先计算变换矩阵和缩放因子的区域（ROI）应该覆盖四个白点区域，使用几帧甚至30帧进行预计算，并利用计算结果的平均值在结构的振动条件下更稳健地构建变换矩阵和比例因子。然而，在测量阶段用于目标识别的ROI不需要覆盖四个白点。如图2所示，只需要追踪一个点以减少实时处理信息的数量。
通过现场测试进行验证
韩国高速公路公司（KHC）根据实际交通和环境条件的测量数据建立了一条测试道路，作为验证和改进路面设计指南，其余公路是一条长约7.7千米的普通双车道高速公路，它是沿韩国中部内陆高速公路建成的，其中沿测试道路有3座测试桥梁。本方法的应用是在采用卡车载荷试验的预制桥面的钢板梁桥和钢箱梁桥上进行的。
应用于钢板梁桥
在三星大桥上进行了一次简单的跨度和五个钢板梁的现场测试，跨度长度为40米。车辆运行测试使用三辆自卸车，负载量分别为15，30和40吨，以50千米/小时的速度运行的车辆振动通过三个不同的传感器在跨度中心测量：采样率为1000 Hz（OU位移传感器，Tokyo Sokki Kenkyujo有限公司）的基于导线连接的接触式位移传感器，采样率为100 Hz的激光测振仪（OFV-505标准光学传感器头和OFV5000模块化控制器，Polytec公司）以及30帧/秒的数码摄像机。将传统的位移传感器和激光振动器安装在测量点下面的地面上，摄像机放置在靠近基台的地面上，在跑道速度为3千米/小时的情况下，15,30和40吨的最大位移分别为1,2和2.5毫米。数字图像处理技术测得的位移与低噪声水平的激光测振仪显示出的结果接近，但传统的接线式位移传感器采用接线方式，测量噪音较大。由于数码摄像机的采样速率为30Hz，因此测量误差是激光振动计测量的位移与图像处理技术之间的差异，在运行速度为50千米/小时的情况下略有增加不足以跟踪测试桥的更高频率的动态运动，其中第一固有频率被发现为4.2Hz。但是，它被发现仍然是合理的。当然，这个系统的精确度受监测结构的动态特性和施加载荷的频率成分的限制。然而，预计所提出的系统可以成功地用于测量桥梁的振动，可能存在小于10％的误差，这是因为公共桥的第一固有频率在2至5Hz之间，并且低于15的较低模式赫兹将贡献超过90％的总排水量的桥梁。
应用于钢箱梁桥
在Yeondae桥上进行了另一次现场测试，测试了四个连续跨度和两个开箱式钢梁。车辆运行测试使用两辆自卸车，负载分别为30和40吨，运行速度分别为20和40千米/小时。动态位移在第一跨度的中心由采样率为1 kHz的激光测振仪（LB-1000，KEYENCE公司）和数字图像处理技术进行测量。图6显示了测试电桥，图7显示了分别在时间和频率范围内的比较结果。数字图像处理技术测得的位移对激光测振仪和小测量噪声结果相似。目前，测量响应的频率小于3 Hz，因此基于视觉的系统能够很好地追踪桥梁的动态响应。
对大型悬索桥的适用性
由于大多数大跨度桥梁跨越大海或河流，并用于位移测量的传统装置的安装几乎是不可能的，因此基于视野的实时位移测量，如长悬索桥这样的大跨度桥梁引起了很多兴趣。Whabeh等人报告了一项分析和实验研究的结果，开发、校准、实施和评估位于加利福尼亚州圣佩德罗的文森特托马斯桥的位移的基于视觉的方法的可行性。但是，仍然还有一些缺陷需要改进：（1）可以用光学变焦来代替数字变焦;（2）用于确定目标中心的精密信号处理应该由实时实现的简单算法代替;（3）关于目标相机的角度方向应该通过坐标变换来考虑。
为了检测本方法对悬索桥的适用性，对带有加劲钢梁的行人悬索桥进行了可行性试验。该桥的总长度约为120米，将目标放置在中跨的中心点，将摄像机放置在靠近基台的地面上，摄像机与目标的距离约为70米，加速度也在相同位置采样率为500 Hz的情况下测量。图9显示了加速度计和数字图像处理技术测量的响应。基于图像处理技术，测得的第一固有频率是基于加速度的1.83Hz和基于图像处理技术的1.82Hz。振动主要是由于行人和风荷载。行人过路处会产生大约60秒的大振幅振动。考虑到中心点位移的影响线，假设行人步行速度为3-4公里/小时，穿过桥大约需要108-144秒。周期接近60秒的振动对应于影响线的1 / 2-3 / 4。原则上，可以通过相应加速度的双重积分来确定位移的时间历程。然而，这种双积分方案并不适用于该现场测试，这是因为设计高通滤波器并不容易，因此桥接响应的低频分量可以精确构建。事实上，高通滤波器的截止频率导致了估计位移的不稳定性。
系统的准确性取决于硬件性能和与目标的距离。在使用具有30倍光学变焦的商业数码摄像机和具有8倍光学变焦的伸缩式镜头的系统中，可以在10米距离的整个画面范围内拍摄1厘米长的目标照片。垂直方向上的像素数为480。因此，分辨率为0.021毫米/像素。至于人行天桥，从相机到目标的距离约为70米，分辨率达到0.147毫米/像素。在人行天桥测得的数据显示了几毫米的位移（达1厘米）。亨伯桥的横向和竖向挠度达到几十厘米，文森特托马斯桥在环境振动条件下的位移变化显示为5厘米。考虑到当前系统的跨度和性能，预计本方法可以成功地用于监测悬索桥的动态运动。
结束语
在这项研究中，开发了基于数字图像处理技术的动态位移测量
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