基于计算机视觉的隔震支座动态位移测量

党育，贺一哲

（兰州理工大学土木学院，甘肃 兰州 730050）

引言

隔震结构中的隔震支座既作为竖向承重构件，又要消耗结构振动能量，是最容易发生破坏的关键构件和薄弱部位。一旦隔震支座发生损伤未能及时发现而继续累积到一定程度，可能导致整个结构的突发性失效，因此，对隔震支座进行地震监测，以有效跟踪和评价其性能状态，可为地震灾害及复杂环境作用下隔震结构及隔震支座的安全运营和科学养护提供参考。目前我国已建成的近万栋隔震建筑中［1］，仅有个别建筑对隔震支座进行了地震监测，原因是目前所采用的监测系统基本由加速度传感器和位移传感器及相应的数据采集设备组成［2－5］，导致整个监测系统价格昂贵且维护复杂，作为一笔额外的工程支出，绝大多数业主都难以接受。因此，开发一种低成本、高精度的隔震支座地震监测系统，对已建隔震结构和隔震支座的性能评价、隔震技术和隔震支座产品的改进，都具有重要的科学和应用价值。

近年来，随着计算机视觉技术和图像采集设备的不断发展，基于计算机视觉的结构监测方法已用于桥梁变形监测［6］、结构位移测量［7－8］、斜拉索振动［9］、风机叶片振动［10］等方面。该方法具有多点监测、低成本、高精度等诸多优点，因此，可尝试采用基于计算机视觉的方法对隔震支座进行地震监测。但已有的基于计算机视觉的位移测量方法，多数要求相机位置固定，以相机位置作为基准点，测量结构的振动位移。但要测量隔震支座在地震作用下的位移，相机也会随地震而运动，无法将相机位置作为基准点来测量支座位移。针对这种情况，通常也可用GPS或惯性导航（INS）系统［11］实时跟踪相机位姿，再以各时刻相机位姿及相机与结构的相对位移，推算出结构的绝对位移。但隔震支座设置在室内，GPS信号较弱，若采用INS系统且需满足隔震结构位移测量的精度要求，则整个监测系统的造价与传统监测系统相比并无优势。Yoon等［12］和Tung等［13］也提出了一种无需采用GPS或INS等设备来实时追踪相机位姿的方法，用运动的相机拍摄被测物附近的一个固定物，利用相机与固定物的相对位置推算相机位姿，此方法虽然不需要GPS或INS，但仍需要在被测物附近有一个固定物，而对于地震时的隔震支座，整个结构及地面都会运动，附近不存在固定物。因此已有的基于视觉的结构位移测量方法，并不能直接用于隔震支座在地震下的变形监测。

据此，针对隔震支座地震时的位移测量要求和特点，文中提出一种基于计算机视觉的隔震支座动态位移测量方法，该方法无需跟踪相机位姿，实现对隔震支座的动态位移测量，并通过一个隔震支座的力学性能试验，验证了文中提出的隔震支座变形监测系统的可行性和准确性。

1 隔震支座动态位移监测方法

采用计算机视觉方法进行隔震支座动态位移测量时，相机需设置于隔震层，具体设置方式如图1所示。即相机或固定于上部结构，或固定于地面。

图1 隔震支座动态位移测量的相机布置示意Fig.1 Camera layout for dynamic displacement measurement of isolated bearings

地震发生时，相机会随地面或上部结构运动，即相机拍摄得到的图像与物体的投影关系是随时变化且未知的。但注意到隔震支座的位移为上部结构与地面的相对位移，可以使用隔震支座上、下连接钢板的相对变形进行表示，因此，分别沿建筑轴线两个正交方向x,y向在隔震支座上下连接板处设置标靶，并沿x,y向分别放置相机，为了保证标靶在图像中的投影具有相同的景深，准确得到图像中的物象关系，相机光轴与标靶平面相互垂直［14］，如图2所示。

图2 相机与标靶位置关系示意Fig.2 The position relationship between the camera and targets

两相机同时采集隔震支座的动态视频：取x向的相机视频，分帧生成连续静态图片，并对图片进行预处理；识别出上、下标靶的圆心坐标和半径；对比标靶的像素与物理半径R，得到图像像素与物理空间的比例因子求出同帧图像中上、下标靶的圆心坐标之差，再乘以比例因子，得到该时刻的隔震支座位移值；将该帧与上一帧的隔震支座位移相减，得到第i时刻隔震支座的相对位移按各帧图像的时间顺序，将0时刻至第i时刻的隔震支座相对位移叠加，得到第i时刻隔震支座x向水平位移和竖向位移Δ；再对y向的相机视频，使用相同方式进行处理，得到第i时刻隔震支座y向水平位移通过对比两个方向的相机视频得到的隔震支座竖向位移，校核隔震支座各点位移计算是否正确。该方法具有以下特点：

（1）考虑到隔震支座的变形测量精度要求较高，故使用标靶进行测量。由于圆形标靶具有制作简单、精度高、几何意义清晰等优点，使用圆形作为标靶。隔震支座连接板在整个隔震支座运动过程中，并不发生变形，标靶设置在隔震支座上下连接板。

（2）图像中的物象比例关系是由标靶像素与标靶物理大小的比值确定，与标靶与相机的相对距离无关。由于设置相机光轴与标靶平面相互垂直，因此，每帧图像的物象比例关系可通过比例因子法确定。

（3）隔震支座一个方向的水平位移和竖直位移，是测量该方向上下标靶的相对位移得到的。因此，该方法不需要追踪相机的运动，就可直接确定各时刻隔震支座的位移。

（4）为消除上下靶点初始的相对位移误差，隔震支座位移通过各时刻的隔震支座相对位移叠加得到。

在实际应用中，由于相机需设置于隔震层，而隔震层通常在室内，相较于室外环境，隔震层的环境变化较小且可控。实际测量时，可依据具体的环境情况，如不同空气湿度、光线亮度，选择合适的相机及靶点材料进行测量。例如通常隔震层位于地下，光线较暗，实际应用时可使用全彩微光相机，或LED灯等发光器材作为靶点，也可通过手动调整HSV色彩空间的参数阈值，消除环境对靶点识别准确性的影响。因此，对于实际隔震工程，该方法仍适用。和竖向位移

2 标靶圆心及半径检测方法

文中所提出方法的关键是如何准确识别标靶的圆心坐标和半径。根据测量环境的特点，结合HSV色彩空间、Canny边缘检测和Hough变换圆检测，对标靶的圆心坐标和半径进行识别，实现隔震支座的动态位移测量。具体流程如图3所示。

图3 隔震支座动态位移检测流程Fig.3 Flowchart of dynamic displacement of isolated bearing

2.1 HSV色彩空间

由于隔震层通常为室内且仅作为设备检修空间，因此，整个空间亮度较低，光暗分布不均匀，且包含的颜色数量较少，尤其是绿色干扰物较少，由此，将标靶颜色选定为绿色。HSV色彩空间是根据图像中颜色的直观特性，对图像色彩用色相、饱和度和明度3个分量表示［15］。对每一帧隔震支座图像进行HSV色彩变换，提取标靶的颜色绿色，就可有效去除干扰信息，准确识别出图像中的标靶。

2.2 Canny边缘检测

当识别出图像中的标靶，还需要检测出标靶边缘。Canny边缘检测是一种基于零穿越的多级检测算法，具有不易受噪声干扰、低错误率、无伪边缘等优点。首先使用高斯滤波器对图像进行滤波，平滑图像，去除噪声，再计算图像中每个像素点的梯度和方向，并使用非极大值抑制，降低边缘检测造成的杂散响应，应用双阈值检测确定真实边缘，最后通过抑制孤立的弱边缘完成检测［16］。

2.3 Hough变换圆检测

由于标靶为圆形，用已得到的标靶边缘，采用Hough变换圆检测方法，就可得到标靶的圆心坐标和半径［17］。Hough变换圆检测的基本原理为：设标靶的圆心坐标为(a,b)，半径为r0，则标靶边缘各点坐标可表示为：

将标靶边缘任意点[X,Y]T中映射至参数空间[a,b,r]T，则：

若以参数空间[a,b,r]T表示标靶边缘任意点，可看出，标靶边缘点由于被圆心及半径约束，在参数空间[a,b,r]T的各圆锥会交于一点，如图4所示，该点即为标靶的圆心点，而半径则为检测到的所有圆中最大的半径。

图4 Hough变换圆检测的基本原理Fig.4 Basic principle of Hough transform circle detection

2.4 标靶圆检测效果

为验证以上方法检测标靶圆心及半径的准确性，建立了由多个颜色的圆形标靶组成的图像，并识别出绿色圆形标靶，验证结果如图5所示。

图5 算法检测效果Fig.5 Algorithm detection effect

3 试验验证

对一个LRB500铅芯橡胶支座进行力学性能试验，并拍摄整个试验过程，验证以上提出方法的可行性和准确性。

3.1 试验设备

隔震支座力学性能试验的加载设备采用电液伺服压剪机，正弦波加载，竖向最大加载15 000 kN，水平最大加载1 000 kN，水平向最大位移±500 mm，单向最大位移650 mm。具有位移传感器和力传感器，位移记录频率为10 Hz，精度为0.01 mm。

视频采集设备有2种：当相机固定拍摄时，采用相机为Sony－DSC－RX100－50i，分辨率为1 920×1 080，拍摄帧频为50 fps，即采样频率为50 Hz，奈奎斯特频率为25 Hz；当相机运动拍摄时，使用手机魅族17后置摄像头，分辨率为1 920×1 080，拍摄帧频为60 fps，即采样频率为60 Hz，奈奎斯特频率为30 Hz。2种相机的奈奎斯特频率均大于位移传感器的记录频率。

模拟相机运动的设备为小型振动台WS－Z30－50，台体自重11.4 kg，台面尺寸516 mm×380 mm，仅水平一个方向可发生振动，台面最大承重35 kg，水平最大位移±8 mm，可加载地震动、正弦波等多种波形，最大加速度2 g。

3.2 试件及试验工况

试件选用铅芯橡胶支座LRB500，支座主要参数如表1所示。

表1 LRB500隔震支座参数Table 1 LRB500 isolated bearing parameters

隔震支座分别进行水平剪切性能γ=100%、γ=250%和竖向压缩性能共3个工况的试验，试验加载依据《橡胶支座第三部分：建筑隔震橡胶支座》GB 20668.3，具体如表2所示。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

由于隔震支座的水平力学性能仅为单向加载，故试验时仅在一个方向设置相机与靶点。采用绿色圆形标靶，半径为5.0 mm，由于隔震支座的位置在压剪机中心，光照有遮挡，为了拍摄清晰，试验时将标靶贴于电液伺服压剪机的上、下连接板处，如图6所示。

图6 隔震支座标靶布置Fig.6 The layout of targets in the isolated bearing

用2种相机同时拍摄隔震支座各工况加载开始直至结束的视频。其中手机固定于振动台，从拍摄开始直至结束，振动台持续反复加载同一地震动。地震动峰值调整为振动台振动的最大容许位移值。为模拟相机的运动方向为任意方向，设置振动台的振动方向与隔震支座的水平位移方向不平行，试验现场布置如图7所示。

图7 试验现场布置图Fig.7 Experiment site layout

3.3 试验结果及分析

利用上述的视觉方法得到隔震支座各工况的位移时程，并与位移计的测量结果进行对比。图8为隔震支座剪切变形为100%的水平位移时程，图9为隔震支座剪切变形为250%的水平位移时程。

由图8、图9可知，无论隔震支座水平发生大变形还是小变形，也无论相机固定还是相机运动，采用视觉方法得到的水平位移时程与位移计得到的结果基本完全一致，水平位移峰值的误差见表3。

图8 不同测量方式得到的支座剪切变形100%的位移时程Fig.8 The displacement time history of 100%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

图9 不同测量方式得到的支座剪切变形250%的位移时程Fig.9 The displacement time history of 250%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表3 不同测量方式得到的隔震支座水平位移峰值对比Table 3 The horizontal peak displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

由表3可知，与位移计测量的水平位移峰值相比，采用视觉方法的测量误差均小于2.0%，且相机运动比相机固定，测量误差要大。这些误差是由视觉测量方法造成，比如HSV色彩提取后，对图像进行形态学膨胀与腐蚀运算，造成图片边缘的不一致，而且Hough圆检测并不检测最优圆，测量的半径与圆心点的坐标会有误差，另外，相机运动导致图像模糊化，也会引起一定的误差。但水平位移峰值绝对误差最大也不超过1 mm，完全满足隔震支座水平位移测量的精度要求，说明提出的视觉方法可在各种情况下完成隔震支座的水平变形检测。

图10为隔震支座的竖向位移时程。由图10可知，采用视觉方法测量的竖向位移时程曲线的波形趋势与位移计的时程曲线基本一致，但采用视觉方法测量的竖向位移时程曲线沿时间点不断波动，尤其是相机运动时。原因是整个加载过程中，隔震支座的竖向位移很小，最大仅为0.854 mm，与竖向位移的绝对值相比，前述的视觉测量方法造成的系统误差就显得比较明显。

图10 不同测量方式得到的隔震支座竖向位移时程Fig.10 The vertical displacement time history of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表4为不同测量方式得到的竖向位移峰值。由表4可知，与位移计测量的竖向位移峰值相比，采用视觉方法的测量误差在20%～80%，相机运动比相机固定，测量误差要大，但注意到竖向位移峰值仅0.854 mm，相机运动时测量的竖向位移峰值的绝对误差为0.691，小于1 mm。对整个竖向位移时程各点的误差进行统计，得到相机固定时的竖向位移绝对误差的最大值为0.488 mm，相机运动时的竖向位移绝对误差的最大值为1.851 mm。正常情况下隔震支座的竖向位移小于3 mm，只有隔震支座有质量缺陷或发生支座破坏时，才会产生较大的竖向位移，因此，即使本方法的测量误差为1 mm左右，也可识别出支座竖向变形的异常情况。

表4 不同测量方式得到的隔震支座竖向位移峰值对比Table 4 The peak vertical displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

4 结论

文中提出一种基于计算机视觉的隔震支座动态位移测量方法，无需额外跟踪测量相机运动，实现对隔震支座的动态位移监测，并通过一个隔震支座的基本力学性能试验，对提出的视觉方法进行验证，主要结论如下：

（1）无论隔震支座水平发生大变形还是小变形，也无论相机固定还是相机运动，采用视觉方法得到的水平位移时程与位移计得到的结果几乎完全一致。相机运动比相机固定，测量误差要大，但与位移计测量的结果相比，水平位移峰值的绝对误差小于1 mm，误差比值小于2%，满足隔震支座水平位移测量的精度要求，说明提出的视觉方法可在各种情况下完成隔震支座的水平变形检测。

（2）采用视觉方法测量的竖向位移时程曲线的波形趋势与位移计的时程曲线基本一致，但沿时间点不断波动。原因是隔震支座的竖向位移不足1 mm，与竖向位移的绝对值相比，视觉测量方法造成的系统误差就显得比较明显，但绝对误差的最大值也仅为1.851 mm。

受实验设备所限，试验中相机位移为±8 mm。在实际地震测量时，相机固定于地面或上部结构，相机与隔震支座之间的相对位移即为隔震支座的水平位移，位移量范围预先可估计，只要设定相机的视野域大于隔震支座的水平位移量，就可以得到准确的测量结果。因此，对于实际隔震工程，该方法仍适用。