[发明专利]一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法。先获取相机和镜头的出厂参数；根据实验现场要求，在三个以上视角下采集标定图像；确定相机测量位置，采集参考图像和变形图像；对所采集的图像进行特征检测与匹配；以特征匹配结果为初值进行模板匹配；根据相机和镜头的出厂信息与模板匹配的结果，优化计算相机内参、各相机位置之间的外参和匹配点的三维空间坐标；建立桥梁世界坐标系，并根据待测平面内已知距离的两点或者激光测距仪的测量结果，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参；根据相机平面与被测平面的投影矩阵，计算待测平面的桥梁挠度。本发明具有操作简单、实用性强等优点，可实现桥梁挠度的非接触全场测量。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法。

背景技术

在新建桥梁的验收和在役桥梁的健康监测中，桥梁挠度与桥梁的承载能力密切相关，因此通常被认为是必须测量的基本参数。而传统的接触式测量方法几乎只能应用于静挠度测量，难以实现动挠度测量并满足实时测量和长期监测的工程需求。其中倾角仪虽然可以测量桥梁动挠度，但是对仪器的性能提出了较高要求。此外，加速度计虽然也可以测量桥梁动挠度，但其通过两次积分获得位移的方式误差较大。

对于一些非接触式测量方法，如激光多普勒测振、GPS和雷达干涉测量等，虽然可以实现实时测量，其系统的总成本往往很高，GPS的测量精度更是无法满足桥梁挠度的测量需求。

为了突破现有桥梁挠度测量方法的局限性，基于计算机视觉和摄影测量原理的摄像测量方法，被逐步应用于桥梁挠度测量中，通过对变形前后的两幅图像上的点进行识别和追踪，实现对桥梁挠度的测量。

目前常使用的单相机测量手段，主要是基于单目摄影测量的挠度准静态测量和单相机二维测量。基于单目摄影测量的挠度准静态测量面临的关键问题一是需要人工设置标志物，二是难以实现桥梁的动挠度测量，无法进行实时测量和长期监测。单相机二维测量面临的关键难题之一是比例因子的求解问题，目前主要有两种方法：一种是采用激光测距仪，测量相机光心到被测点的距离，通过简化的针孔相机成像模型与相机系统的内部参数，计算测量点对应的比例因子，并将其视为全场各点的比例因子。第二种方法是在待测区域内寻找已知距离的两点，通过已知距离在所获图像中的像素距离计算比例因子。但是需要注意的是，在大视场测量中，各位置的比例因子存在较大差异，而这两种方法所获得的比例因子对于单相机二维测量而言只在测点附近的是相对准确的。这也就意味着其只能处理有限个测量点，无法获取全场挠度信息。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，该方法利用桥梁表面自然纹理即可完成单相机外参标定，并且操作简单、易于实施。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，包括以下步骤：

1)获取相机和镜头的出厂参数；

2)根据实验现场要求，在三个以上成像视角下采集标定图像；

3)固定最后一个标定图像的成像位置作为相机测量位置，采集参考图像和变形图像；

4)对步骤2)和步骤3)中相机采集的图像进行特征点检测与匹配，剔除异常匹配点；

5)以步骤4)特征点的匹配结果为初值进行模板匹配；

6)根据步骤1)中相机和镜头的出厂参数与步骤5)的模板匹配结果，以测量位置相机的光心为世界坐标系的原点，采用摄影测量方法，优化计算相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参以及匹配点的三维空间坐标；