Page 72 - 《振动工程学报》2025年第9期
P. 72

第 38 卷第 9 期                       振 动 工 程 学 报                                       Vol. 38 No. 9
               2025 年  9 月                     Journal of Vibration Engineering                       Sept. 2025



                      结   构    三   维   形   变    的   双   目   立   体    视   觉   鲁   棒   监    测   研   究



                                  朱前坤 ， 王婷婷 ， 王军营 ， 张 琼 ， 杜永峰                            1,2
                                                                             1,2
                                                       1
                                                                  1
                                          1,2
                                          （1. 兰州理工大学防震减灾研究所，甘肃 兰州 730050；
                               2. 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050）

              摘要：传统计算机视觉方法通常聚焦于结构平面内的动力响应，因此本文提出基于图像相位立体匹配时序分析测量方法实现
              对结构三维形变的无靶标鲁棒监测。该方法利用                  2D-Gabor 滤波器和高斯金字塔梯度算法对图像进行预处理，运用基于相位
              的稠密光流追踪算法与改进的半全局块匹配                (SGBM) 算法，实现对结构感兴趣区域位移的全场测量，进一步提出一种直观的
              位移-应变转换方法，实现结构三维应变的测量。通过基于物理的图形模型                          (PBGM) 的虚拟现实试验，验证了本文方法与            3D-
              DIC  和有限元分析形变对比误差均小于           2%；在实验室户外桥梁的振动试验中，与传统测试方法对比形变误差可控制在                          8%  以
              内，符合工程应用精度。本方法在确保精度的前提下实现了结构三维形变无靶标鲁棒监测，更好地解决了传统结构形变监测
              中受环境影响程度大、成本高等问题。

              关键词： 计算机视觉；立体匹配算法；相位；PBGM；结构三维形变
              中图分类号：TU312.1        文献标志码：A        DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202308044





                   Robust monitoring of structural 3D deformations using binocular stereo vision

                                       1,2
                                                                                  1,2
                                                                     1
                                                      1
                           ZHU Qiankun ，WANG Tingting ，WANG Junying ，ZHANG Qiong ，DU Yongfeng   1,2
                （1.Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Western
               Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）
              Abstract：Traditional computer vision methods usually focus on the in-plane dynamic response of structures. Therefore，this paper proposes
              an  image  phase-based  stereo  matching  temporal  analysis  method  to  achieve  targetless  robust  monitoring  of  three-dimensional  structural
              deformation. This method uses 2D-Gabor filters and Gaussian pyramid gradient algorithms for image preprocessing，applies a phase-based
              dense optical flow tracking algorithm and an improved semi-global block matching (SGBM) algorithm to realize full-field measurement of
              structural displacement in the region of interest，and further proposes an intuitive displacement-strain conversion method to measure three-
              dimensional strain of structures. Through virtual reality experiments based on physics-based graphics models (PBGM)，it is verified that the
              error of this method compared with 3D-DIC and finite element analysis deformation is less than 2%；in vibration tests of outdoor bridge
              structures  in  the  laboratory， the  deformation  error  compared  with  traditional  testing  methods  can  be  controlled  within  8%， meeting
              engineering application accuracy. Without compromising accuracy，this method achieves targetless robust monitoring of three-dimensional
              structural deformation，and better solves the problems of large environmental impact and high cost in traditional structural deformation monitoring.

              Keywords：computer vision；stereo matching algorithms；phase；physics-based graphics models；three-dimensional deformation of structure

                  结构形变监测可以获取结构在外载荷作用下的                          机视觉技术因其高精度、远距离、多点监测及低成
              结构响应，通过对结构形变过程的定量分析，可以为                           本的优点变得越来越普及 。
                                                                                       [3]
              结构的科学设计提供参考。同时，结构形变分析还                                传统计算机视觉技术通过单摄像机实现结构动
              可以预判结构潜在的损伤发展，实现对结构安全性                            力响应测量。但通过单目视觉进行结构振动测量
              的预防管理，降低工程事故发生的风险 。传统结构                           时，受制于投影几何特性，仅能获得结构在相机成像
                                                [1]
              振动形变监测中存在一定的局限性，如监测位置有                            平面内的振动信息，很难直接、快速获得结构三维
                                                                    [4]
              限、受环境影响因素大、成本高等问题 。随着光学                           位移 。但在实际工程中，为了准确评估结构的健康
                                                [2]
              硬件设备的不断升级和图像算法的不断创新，计算                            状态 ，计算三维动力响应尤其重要，特别是复杂结
                                                                    [5]


                  收稿日期：2023-08-22；修订日期：2023-11-14
                  基金项目：国家自然科学基金资助项目（52168041，51868046）；甘肃省工业类重点研发计划资助项目（22YF11GA301）
   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77