黨育，賀一哲

（蘭州理工大學(xué)土木學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

引言

隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座既作為豎向承重構(gòu)件，又要消耗結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，是最容易發(fā)生破壞的關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位。一旦隔震支座發(fā)生損傷未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)累積到一定程度，可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，因此，對(duì)隔震支座進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)，以有效跟蹤和評(píng)價(jià)其性能狀態(tài)，可為地震災(zāi)害及復(fù)雜環(huán)境作用下隔震結(jié)構(gòu)及隔震支座的安全運(yùn)營和科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供參考。目前我國已建成的近萬棟隔震建筑中［1］，僅有個(gè)別建筑對(duì)隔震支座進(jìn)行了地震監(jiān)測(cè)，原因是目前所采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本由加速度傳感器和位移傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成［2－5］，導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)價(jià)格昂貴且維護(hù)復(fù)雜，作為一筆額外的工程支出，絕大多數(shù)業(yè)主都難以接受。因此，開發(fā)一種低成本、高精度的隔震支座地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)已建隔震結(jié)構(gòu)和隔震支座的性能評(píng)價(jià)、隔震技術(shù)和隔震支座產(chǎn)品的改進(jìn)，都具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和圖像采集設(shè)備的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法已用于橋梁變形監(jiān)測(cè)［6］、結(jié)構(gòu)位移測(cè)量［7－8］、斜拉索振動(dòng)［9］、風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)［10］等方面。該方法具有多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、低成本、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，可嘗試采用基于計(jì)算機(jī)視覺的方法對(duì)隔震支座進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。但已有的基于計(jì)算機(jī)視覺的位移測(cè)量方法，多數(shù)要求相機(jī)位置固定，以相機(jī)位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移。但要測(cè)量隔震支座在地震作用下的位移，相機(jī)也會(huì)隨地震而運(yùn)動(dòng)，無法將相機(jī)位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)來測(cè)量支座位移。針對(duì)這種情況，通常也可用GPS或慣性導(dǎo)航（INS）系統(tǒng)［11］實(shí)時(shí)跟蹤相機(jī)位姿，再以各時(shí)刻相機(jī)位姿及相機(jī)與結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，推算出結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移。但隔震支座設(shè)置在室內(nèi)，GPS信號(hào)較弱，若采用INS系統(tǒng)且需滿足隔震結(jié)構(gòu)位移測(cè)量的精度要求，則整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比并無優(yōu)勢(shì)。Yoon等［12］和Tung等［13］也提出了一種無需采用GPS或INS等設(shè)備來實(shí)時(shí)追蹤相機(jī)位姿的方法，用運(yùn)動(dòng)的相機(jī)拍攝被測(cè)物附近的一個(gè)固定物，利用相機(jī)與固定物的相對(duì)位置推算相機(jī)位姿，此方法雖然不需要GPS或INS，但仍需要在被測(cè)物附近有一個(gè)固定物，而對(duì)于地震時(shí)的隔震支座，整個(gè)結(jié)構(gòu)及地面都會(huì)運(yùn)動(dòng)，附近不存在固定物。因此已有的基于視覺的結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法，并不能直接用于隔震支座在地震下的變形監(jiān)測(cè)。

據(jù)此，針對(duì)隔震支座地震時(shí)的位移測(cè)量要求和特點(diǎn)，文中提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺的隔震支座動(dòng)態(tài)位移測(cè)量方法，該方法無需跟蹤相機(jī)位姿，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔震支座的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量，并通過一個(gè)隔震支座的力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了文中提出的隔震支座變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

1 隔震支座動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)方法

采用計(jì)算機(jī)視覺方法進(jìn)行隔震支座動(dòng)態(tài)位移測(cè)量時(shí)，相機(jī)需設(shè)置于隔震層，具體設(shè)置方式如圖1所示。即相機(jī)或固定于上部結(jié)構(gòu)，或固定于地面。

圖1 隔震支座動(dòng)態(tài)位移測(cè)量的相機(jī)布置示意Fig.1 Camera layout for dynamic displacement measurement of isolated bearings

地震發(fā)生時(shí)，相機(jī)會(huì)隨地面或上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，即相機(jī)拍攝得到的圖像與物體的投影關(guān)系是隨時(shí)變化且未知的。但注意到隔震支座的位移為上部結(jié)構(gòu)與地面的相對(duì)位移，可以使用隔震支座上、下連接鋼板的相對(duì)變形進(jìn)行表示，因此，分別沿建筑軸線兩個(gè)正交方向x,y向在隔震支座上下連接板處設(shè)置標(biāo)靶，并沿x,y向分別放置相機(jī)，為了保證標(biāo)靶在圖像中的投影具有相同的景深，準(zhǔn)確得到圖像中的物象關(guān)系，相機(jī)光軸與標(biāo)靶平面相互垂直［14］，如圖2所示。

圖2 相機(jī)與標(biāo)靶位置關(guān)系示意Fig.2 The position relationship between the camera and targets

兩相機(jī)同時(shí)采集隔震支座的動(dòng)態(tài)視頻：取x向的相機(jī)視頻，分幀生成連續(xù)靜態(tài)圖片，并對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理；識(shí)別出上、下標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)和半徑；對(duì)比標(biāo)靶的像素與物理半徑R，得到圖像像素與物理空間的比例因子求出同幀圖像中上、下標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)之差，再乘以比例因子，得到該時(shí)刻的隔震支座位移值；將該幀與上一幀的隔震支座位移相減，得到第i時(shí)刻隔震支座的相對(duì)位移按各幀圖像的時(shí)間順序，將0時(shí)刻至第i時(shí)刻的隔震支座相對(duì)位移疊加，得到第i時(shí)刻隔震支座x向水平位移和豎向位移Δ；再對(duì)y向的相機(jī)視頻，使用相同方式進(jìn)行處理，得到第i時(shí)刻隔震支座y向水平位移通過對(duì)比兩個(gè)方向的相機(jī)視頻得到的隔震支座豎向位移，校核隔震支座各點(diǎn)位移計(jì)算是否正確。該方法具有以下特點(diǎn)：

（1）考慮到隔震支座的變形測(cè)量精度要求較高，故使用標(biāo)靶進(jìn)行測(cè)量。由于圓形標(biāo)靶具有制作簡(jiǎn)單、精度高、幾何意義清晰等優(yōu)點(diǎn)，使用圓形作為標(biāo)靶。隔震支座連接板在整個(gè)隔震支座運(yùn)動(dòng)過程中，并不發(fā)生變形，標(biāo)靶設(shè)置在隔震支座上下連接板。

（2）圖像中的物象比例關(guān)系是由標(biāo)靶像素與標(biāo)靶物理大小的比值確定，與標(biāo)靶與相機(jī)的相對(duì)距離無關(guān)。由于設(shè)置相機(jī)光軸與標(biāo)靶平面相互垂直，因此，每幀圖像的物象比例關(guān)系可通過比例因子法確定。

（3）隔震支座一個(gè)方向的水平位移和豎直位移，是測(cè)量該方向上下標(biāo)靶的相對(duì)位移得到的。因此，該方法不需要追蹤相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，就可直接確定各時(shí)刻隔震支座的位移。

（4）為消除上下靶點(diǎn)初始的相對(duì)位移誤差，隔震支座位移通過各時(shí)刻的隔震支座相對(duì)位移疊加得到。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于相機(jī)需設(shè)置于隔震層，而隔震層通常在室內(nèi)，相較于室外環(huán)境，隔震層的環(huán)境變化較小且可控。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可依據(jù)具體的環(huán)境情況，如不同空氣濕度、光線亮度，選擇合適的相機(jī)及靶點(diǎn)材料進(jìn)行測(cè)量。例如通常隔震層位于地下，光線較暗，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可使用全彩微光相機(jī)，或LED燈等發(fā)光器材作為靶點(diǎn)，也可通過手動(dòng)調(diào)整HSV色彩空間的參數(shù)閾值，消除環(huán)境對(duì)靶點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)確性的影響。因此，對(duì)于實(shí)際隔震工程，該方法仍適用。和豎向位移

2 標(biāo)靶圓心及半徑檢測(cè)方法

文中所提出方法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)和半徑。根據(jù)測(cè)量環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合HSV色彩空間、Canny邊緣檢測(cè)和Hough變換圓檢測(cè)，對(duì)標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)和半徑進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)隔震支座的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量。具體流程如圖3所示。

圖3 隔震支座動(dòng)態(tài)位移檢測(cè)流程Fig.3 Flowchart of dynamic displacement of isolated bearing

2.1 HSV色彩空間

由于隔震層通常為室內(nèi)且僅作為設(shè)備檢修空間，因此，整個(gè)空間亮度較低，光暗分布不均勻，且包含的顏色數(shù)量較少，尤其是綠色干擾物較少，由此，將標(biāo)靶顏色選定為綠色。HSV色彩空間是根據(jù)圖像中顏色的直觀特性，對(duì)圖像色彩用色相、飽和度和明度3個(gè)分量表示［15］。對(duì)每一幀隔震支座圖像進(jìn)行HSV色彩變換，提取標(biāo)靶的顏色綠色，就可有效去除干擾信息，準(zhǔn)確識(shí)別出圖像中的標(biāo)靶。

2.2 Canny邊緣檢測(cè)

當(dāng)識(shí)別出圖像中的標(biāo)靶，還需要檢測(cè)出標(biāo)靶邊緣。Canny邊緣檢測(cè)是一種基于零穿越的多級(jí)檢測(cè)算法，具有不易受噪聲干擾、低錯(cuò)誤率、無偽邊緣等優(yōu)點(diǎn)。首先使用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波，平滑圖像，去除噪聲，再計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的梯度和方向，并使用非極大值抑制，降低邊緣檢測(cè)造成的雜散響應(yīng)，應(yīng)用雙閾值檢測(cè)確定真實(shí)邊緣，最后通過抑制孤立的弱邊緣完成檢測(cè)［16］。

2.3 Hough變換圓檢測(cè)

由于標(biāo)靶為圓形，用已得到的標(biāo)靶邊緣，采用Hough變換圓檢測(cè)方法，就可得到標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)和半徑［17］。Hough變換圓檢測(cè)的基本原理為：設(shè)標(biāo)靶的圓心坐標(biāo)為(a,b)，半徑為r0，則標(biāo)靶邊緣各點(diǎn)坐標(biāo)可表示為：

將標(biāo)靶邊緣任意點(diǎn)[X,Y]T中映射至參數(shù)空間[a,b,r]T，則：

若以參數(shù)空間[a,b,r]T表示標(biāo)靶邊緣任意點(diǎn)，可看出，標(biāo)靶邊緣點(diǎn)由于被圓心及半徑約束，在參數(shù)空間[a,b,r]T的各圓錐會(huì)交于一點(diǎn)，如圖4所示，該點(diǎn)即為標(biāo)靶的圓心點(diǎn)，而半徑則為檢測(cè)到的所有圓中最大的半徑。

圖4 Hough變換圓檢測(cè)的基本原理Fig.4 Basic principle of Hough transform circle detection

2.4 標(biāo)靶圓檢測(cè)效果

為驗(yàn)證以上方法檢測(cè)標(biāo)靶圓心及半徑的準(zhǔn)確性，建立了由多個(gè)顏色的圓形標(biāo)靶組成的圖像，并識(shí)別出綠色圓形標(biāo)靶，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

圖5 算法檢測(cè)效果Fig.5 Algorithm detection effect

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)一個(gè)LRB500鉛芯橡膠支座進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，并拍攝整個(gè)試驗(yàn)過程，驗(yàn)證以上提出方法的可行性和準(zhǔn)確性。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

隔震支座力學(xué)性能試驗(yàn)的加載設(shè)備采用電液伺服壓剪機(jī)，正弦波加載，豎向最大加載15 000 kN，水平最大加載1 000 kN，水平向最大位移±500 mm，單向最大位移650 mm。具有位移傳感器和力傳感器，位移記錄頻率為10 Hz，精度為0.01 mm。

視頻采集設(shè)備有2種：當(dāng)相機(jī)固定拍攝時(shí)，采用相機(jī)為Sony－DSC－RX100－50i，分辨率為1 920×1 080，拍攝幀頻為50 fps，即采樣頻率為50 Hz，奈奎斯特頻率為25 Hz；當(dāng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)拍攝時(shí)，使用手機(jī)魅族17后置攝像頭，分辨率為1 920×1 080，拍攝幀頻為60 fps，即采樣頻率為60 Hz，奈奎斯特頻率為30 Hz。2種相機(jī)的奈奎斯特頻率均大于位移傳感器的記錄頻率。

模擬相機(jī)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備為小型振動(dòng)臺(tái)WS－Z30－50，臺(tái)體自重11.4 kg，臺(tái)面尺寸516 mm×380 mm，僅水平一個(gè)方向可發(fā)生振動(dòng)，臺(tái)面最大承重35 kg，水平最大位移±8 mm，可加載地震動(dòng)、正弦波等多種波形，最大加速度2 g。

3.2 試件及試驗(yàn)工況

試件選用鉛芯橡膠支座LRB500，支座主要參數(shù)如表1所示。

表1 LRB500隔震支座參數(shù)Table 1 LRB500 isolated bearing parameters

隔震支座分別進(jìn)行水平剪切性能γ=100%、γ=250%和豎向壓縮性能共3個(gè)工況的試驗(yàn)，試驗(yàn)加載依據(jù)《橡膠支座第三部分：建筑隔震橡膠支座》GB 20668.3，具體如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

由于隔震支座的水平力學(xué)性能僅為單向加載，故試驗(yàn)時(shí)僅在一個(gè)方向設(shè)置相機(jī)與靶點(diǎn)。采用綠色圓形標(biāo)靶，半徑為5.0 mm，由于隔震支座的位置在壓剪機(jī)中心，光照有遮擋，為了拍攝清晰，試驗(yàn)時(shí)將標(biāo)靶貼于電液伺服壓剪機(jī)的上、下連接板處，如圖6所示。

圖6 隔震支座標(biāo)靶布置Fig.6 The layout of targets in the isolated bearing

用2種相機(jī)同時(shí)拍攝隔震支座各工況加載開始直至結(jié)束的視頻。其中手機(jī)固定于振動(dòng)臺(tái)，從拍攝開始直至結(jié)束，振動(dòng)臺(tái)持續(xù)反復(fù)加載同一地震動(dòng)。地震動(dòng)峰值調(diào)整為振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)的最大容許位移值。為模擬相機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槿我夥较?，設(shè)置振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)方向與隔震支座的水平位移方向不平行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.7 Experiment site layout

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述的視覺方法得到隔震支座各工況的位移時(shí)程，并與位移計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖8為隔震支座剪切變形為100%的水平位移時(shí)程，圖9為隔震支座剪切變形為250%的水平位移時(shí)程。

由圖8、圖9可知，無論隔震支座水平發(fā)生大變形還是小變形，也無論相機(jī)固定還是相機(jī)運(yùn)動(dòng)，采用視覺方法得到的水平位移時(shí)程與位移計(jì)得到的結(jié)果基本完全一致，水平位移峰值的誤差見表3。

圖8 不同測(cè)量方式得到的支座剪切變形100%的位移時(shí)程Fig.8 The displacement time history of 100%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

圖9 不同測(cè)量方式得到的支座剪切變形250%的位移時(shí)程Fig.9 The displacement time history of 250%shear deformation of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表3 不同測(cè)量方式得到的隔震支座水平位移峰值對(duì)比Table 3 The horizontal peak displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

由表3可知，與位移計(jì)測(cè)量的水平位移峰值相比，采用視覺方法的測(cè)量誤差均小于2.0%，且相機(jī)運(yùn)動(dòng)比相機(jī)固定，測(cè)量誤差要大。這些誤差是由視覺測(cè)量方法造成，比如HSV色彩提取后，對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹與腐蝕運(yùn)算，造成圖片邊緣的不一致，而且Hough圓檢測(cè)并不檢測(cè)最優(yōu)圓，測(cè)量的半徑與圓心點(diǎn)的坐標(biāo)會(huì)有誤差，另外，相機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圖像模糊化，也會(huì)引起一定的誤差。但水平位移峰值絕對(duì)誤差最大也不超過1 mm，完全滿足隔震支座水平位移測(cè)量的精度要求，說明提出的視覺方法可在各種情況下完成隔震支座的水平變形檢測(cè)。

圖10為隔震支座的豎向位移時(shí)程。由圖10可知，采用視覺方法測(cè)量的豎向位移時(shí)程曲線的波形趨勢(shì)與位移計(jì)的時(shí)程曲線基本一致，但采用視覺方法測(cè)量的豎向位移時(shí)程曲線沿時(shí)間點(diǎn)不斷波動(dòng)，尤其是相機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)。原因是整個(gè)加載過程中，隔震支座的豎向位移很小，最大僅為0.854 mm，與豎向位移的絕對(duì)值相比，前述的視覺測(cè)量方法造成的系統(tǒng)誤差就顯得比較明顯。

圖10 不同測(cè)量方式得到的隔震支座豎向位移時(shí)程Fig.10 The vertical displacement time history of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

表4為不同測(cè)量方式得到的豎向位移峰值。由表4可知，與位移計(jì)測(cè)量的豎向位移峰值相比，采用視覺方法的測(cè)量誤差在20%～80%，相機(jī)運(yùn)動(dòng)比相機(jī)固定，測(cè)量誤差要大，但注意到豎向位移峰值僅0.854 mm，相機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)量的豎向位移峰值的絕對(duì)誤差為0.691，小于1 mm。對(duì)整個(gè)豎向位移時(shí)程各點(diǎn)的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到相機(jī)固定時(shí)的豎向位移絕對(duì)誤差的最大值為0.488 mm，相機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的豎向位移絕對(duì)誤差的最大值為1.851 mm。正常情況下隔震支座的豎向位移小于3 mm，只有隔震支座有質(zhì)量缺陷或發(fā)生支座破壞時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生較大的豎向位移，因此，即使本方法的測(cè)量誤差為1 mm左右，也可識(shí)別出支座豎向變形的異常情況。

表4 不同測(cè)量方式得到的隔震支座豎向位移峰值對(duì)比Table 4 The peak vertical displacement of the isolated bearing achieved by the various displacement measurement methods

4 結(jié)論

文中提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺的隔震支座動(dòng)態(tài)位移測(cè)量方法，無需額外跟蹤測(cè)量相機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔震支座的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)，并通過一個(gè)隔震支座的基本力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)提出的視覺方法進(jìn)行驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）無論隔震支座水平發(fā)生大變形還是小變形，也無論相機(jī)固定還是相機(jī)運(yùn)動(dòng)，采用視覺方法得到的水平位移時(shí)程與位移計(jì)得到的結(jié)果幾乎完全一致。相機(jī)運(yùn)動(dòng)比相機(jī)固定，測(cè)量誤差要大，但與位移計(jì)測(cè)量的結(jié)果相比，水平位移峰值的絕對(duì)誤差小于1 mm，誤差比值小于2%，滿足隔震支座水平位移測(cè)量的精度要求，說明提出的視覺方法可在各種情況下完成隔震支座的水平變形檢測(cè)。

（2）采用視覺方法測(cè)量的豎向位移時(shí)程曲線的波形趨勢(shì)與位移計(jì)的時(shí)程曲線基本一致，但沿時(shí)間點(diǎn)不斷波動(dòng)。原因是隔震支座的豎向位移不足1 mm，與豎向位移的絕對(duì)值相比，視覺測(cè)量方法造成的系統(tǒng)誤差就顯得比較明顯，但絕對(duì)誤差的最大值也僅為1.851 mm。

受實(shí)驗(yàn)設(shè)備所限，試驗(yàn)中相機(jī)位移為±8 mm。在實(shí)際地震測(cè)量時(shí)，相機(jī)固定于地面或上部結(jié)構(gòu)，相機(jī)與隔震支座之間的相對(duì)位移即為隔震支座的水平位移，位移量范圍預(yù)先可估計(jì)，只要設(shè)定相機(jī)的視野域大于隔震支座的水平位移量，就可以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì)于實(shí)際隔震工程，該方法仍適用。