基于自標(biāo)定數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的榫卯構(gòu)件大面積全場(chǎng)變形測(cè)量

Mohammed Mokhtar Eisa　邵新星　錢帥宇　王文波　邱洪興　何小元

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展,工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,為了滿足土木工程中越來(lái)越多大型構(gòu)件、結(jié)構(gòu)和橋梁的變形測(cè)量需求,土木工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展[1].應(yīng)變片、位移計(jì)和百分表等傳統(tǒng)的測(cè)量方法受到測(cè)量條件的限制,往往只能獲得單點(diǎn)單方向的近似變形測(cè)量.數(shù)字圖像相關(guān)方法[2-3]作為一種全場(chǎng)、非接觸的光學(xué)測(cè)量方法,可以全面反映被測(cè)物在加載條件下的變形信息,已成為土木領(lǐng)域中最受關(guān)注的光學(xué)測(cè)量方法[4-7].然而,對(duì)于土木構(gòu)件的大面積全場(chǎng)變形測(cè)量仍然存在包括大視場(chǎng)條件下相機(jī)位姿標(biāo)定等問題.

大視場(chǎng)條件下相機(jī)位姿標(biāo)定存在的主要問題包括：① 如果使用傳統(tǒng)的平面標(biāo)定方法,需要加工的相機(jī)標(biāo)定板尺寸太大,成本太高；② 大尺寸標(biāo)定板的平面標(biāo)定方法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過程中難以實(shí)施；③ 對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)量(如橋梁等),難以到達(dá)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定.

本文采用基于散斑的自標(biāo)定方法[8],建立了一套自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了土木構(gòu)件大面積全場(chǎng)變形測(cè)量,精確測(cè)量出木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)在拔出過程中的全場(chǎng)變形.該方法直接使用試件上的散斑特征進(jìn)行相機(jī)姿態(tài)標(biāo)定,無(wú)需使用額外的標(biāo)定板,相機(jī)內(nèi)參的標(biāo)定則可以在實(shí)驗(yàn)室中提前進(jìn)行.

1　自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)

自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)是一套針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng).該系統(tǒng)由便攜式攝像機(jī)、遠(yuǎn)焦鏡頭、三腳架等設(shè)備組成,以三維數(shù)字圖像相關(guān)方法為基礎(chǔ),采用基于散斑的自標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)外部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,進(jìn)而得到物體的三維全場(chǎng)變形信息.

1.1　圖像采集系統(tǒng)

考慮到工程測(cè)量一般要求攜帶設(shè)備去現(xiàn)場(chǎng),實(shí)驗(yàn)中選用便攜式Blackmagic Cinema Camera相機(jī)(廠商為Blackmagic Design),如圖1所示.其機(jī)身小巧堅(jiān)固,配備2 400×1 350像素分辨率感應(yīng)器和鋰電池,通過相機(jī)的觸摸顯示屏即可進(jìn)行拍攝參數(shù)設(shè)置,能夠拍攝無(wú)損格式圖像,并直接存儲(chǔ)于相機(jī)的固態(tài)硬盤,故該相機(jī)使用于缺少計(jì)算機(jī)和電源情況下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量.拍攝的無(wú)損格式圖像記錄信息完整,便于后期的圖像處理和變形計(jì)算.針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試件尺度大、距離遠(yuǎn)的情況,配套使用佳能200 mm長(zhǎng)焦鏡頭和三維云臺(tái),以有效克服數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(特別是大視場(chǎng)、遠(yuǎn)距離測(cè)量)的局限性,在保證了圖像精度的同時(shí),擴(kuò)大了測(cè)量范圍,提高了數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的適用性.

圖1　相機(jī)及遠(yuǎn)焦鏡頭

1.2　散斑自標(biāo)定方法

使用三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),大部分情況下采用棋盤格或圓點(diǎn)標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定[9].然而,標(biāo)定板標(biāo)定具有自身的局限性,例如在大視場(chǎng)測(cè)量中標(biāo)定板無(wú)法與視場(chǎng)匹配,遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)被測(cè)物不可接近等,這些缺點(diǎn)都限制了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在大型工程實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用.為了解決大視場(chǎng)和遠(yuǎn)距離測(cè)量的相機(jī)標(biāo)定問題,本文采用基于散斑的自標(biāo)定方法.雙目視覺測(cè)量原理見圖2.圖中,點(diǎn)o1和點(diǎn)o2分別為相機(jī)1和相機(jī)2的光心；點(diǎn)P為世界坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)；P1和P2分別為點(diǎn)P在相機(jī)1和相機(jī)2中的成像點(diǎn).由于點(diǎn)o1、點(diǎn)o2和點(diǎn)P是共面的,故可得到共面方程為

(1)

圖2　雙目視覺測(cè)量原理

通過圖2中至少5對(duì)匹配散斑點(diǎn)和共面方程(1)即可求得相機(jī)之間的相對(duì)外參,求解過程參見文獻(xiàn)[8].

1.3　精度驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的可行性,首先通過平移實(shí)驗(yàn)對(duì)自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的精度進(jìn)行驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)裝置見圖3.將固定好的散斑圖案進(jìn)行平移,每次平移1 mm,共平移10次.同時(shí),采用普通的三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)和本文提出的自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量試樣表面變形,2套系統(tǒng)的測(cè)量視場(chǎng)和相機(jī)夾角基本保持一致.

圖3　平移臺(tái)平移實(shí)驗(yàn)裝置

普通的三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)使用平面棋盤標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定,自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)則使用被測(cè)物表面的散斑場(chǎng)進(jìn)行相對(duì)位姿標(biāo)定.圖4為面內(nèi)平移和離面平移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由圖可知,2套測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值與位移臺(tái)的加載值差距很小,基本呈線性關(guān)系.對(duì)于面內(nèi)位移測(cè)量,普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對(duì)誤差約為0.2%,而自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對(duì)誤差約為0.3%,且絕對(duì)偏差值均在0.02 mm以內(nèi).對(duì)于離面位移測(cè)量,普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對(duì)誤差約為0.5%,而自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)的相對(duì)誤差約為0.6%,且絕對(duì)偏差值均在0.05 mm以內(nèi).平移精度驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)證明了所提自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的精度和可行性.

(a) 離面平移

(b) 面內(nèi)平移

2　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布加固木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗拉性能試驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

節(jié)點(diǎn)是建筑承載的重要部分,在進(jìn)行古建筑現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)時(shí),必須考慮其榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能.文獻(xiàn)[10]指出,現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較多的破壞形式為脫榫破壞.榫卯節(jié)點(diǎn)是古建木結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),也是需要加固的重要部位,如何保證加固后節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能滿足要求、同時(shí)又不過分降低其減震耗能的效果,對(duì)于提高木結(jié)構(gòu)耐久性、延長(zhǎng)建筑使用壽命具有重要意義[11].本文對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)加固前后的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖5,相機(jī)與試樣之間的距離為30 m,測(cè)量視場(chǎng)長(zhǎng)1 m,寬0.56 m.

圖5　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)布加固的木結(jié)構(gòu)榫卯構(gòu)件如圖6所示.使用油壓千斤頂施加豎向載荷,研究木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)在拔出過程中的力學(xué)性能,為木結(jié)構(gòu)選擇合適的加固方法、提高耐久性提供數(shù)據(jù)支持.由于構(gòu)件尺寸較大,采用自標(biāo)定的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,獲得全場(chǎng)變形數(shù)據(jù),并在關(guān)鍵點(diǎn)位置上與位移計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,提高該方法在工程實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用范圍,并為古建筑木結(jié)構(gòu)的鑒定和加固提供科學(xué)依據(jù).

圖6　FRP加固試樣

2.2　加固方式

FRP具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì),適用于古建筑結(jié)構(gòu)的加固,加固后可以在外側(cè)涂刷防腐、防火涂料,從而達(dá)到恢復(fù)承載又不破壞建筑外觀的目的.本實(shí)驗(yàn)中選用的FRP布來(lái)自南京玻璃纖維研究院,其抗拉強(qiáng)度為3.954 GPa,延伸率為1.4%.根據(jù)榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性,利用FRP的抗拉性能為節(jié)點(diǎn)提供更大的抵抗力矩.為了防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生錨固破壞,在節(jié)點(diǎn)處環(huán)箍2層FRP布,FRP在梁端錨固長(zhǎng)度為350 mm.為減小榫卯連接處黏結(jié)膠脫離對(duì)FRP加固作用的影響,在榫卯連接處粘貼寬50 mm 的雙層FRP作為套箍.

2.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中采用散斑自標(biāo)定方法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,利用三維數(shù)字圖像相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,觀察其全場(chǎng)變形情況.圖7給出了采用FRP加固的榫卯試件在加載到最終時(shí)刻的豎直方向全場(chǎng)位移圖.由圖可知,在水平方向,榫卯節(jié)點(diǎn)處的位移為正,說(shuō)明榫頭在加載過程中逐漸被拔出.豎直方向全場(chǎng)位移從左到右基本呈現(xiàn)線性狀態(tài),靠近榫卯節(jié)點(diǎn)處的位移最小,試樣遠(yuǎn)端隨著離節(jié)點(diǎn)的距離增加,位移逐漸增大,在最遠(yuǎn)端加載點(diǎn)處位移達(dá)到最大值.由此說(shuō)明試樣在加載過程中呈近似剛體轉(zhuǎn)動(dòng),彎曲變形較小.其他榫卯試件的最終變形結(jié)果與上述變形情況相似.

(a) 水平方向位移場(chǎng)

(b) 豎直方向位移場(chǎng)

圖8為FRP布加固榫卯節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線.由圖可知,曲線呈上升—突變下降—上升—平緩—下降的趨勢(shì).加載位移較小時(shí),2種方法測(cè)得的曲線走勢(shì)一致,數(shù)值接近；加載位移較大時(shí),則出現(xiàn)較大偏差.其原因在于,加載位移較大時(shí),位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的位置發(fā)生移動(dòng),從而導(dǎo)致位移計(jì)測(cè)量出現(xiàn)誤差.自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)則始終保持在相同的測(cè)點(diǎn)位置,不會(huì)因?yàn)槲灰聘淖兌a(chǎn)生誤差.由此證明了自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的有效性,且位移大時(shí)自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)于位移計(jì)測(cè)量.

圖8　節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

3　結(jié)論

1) 根據(jù)土木工程領(lǐng)域的實(shí)際需求,基于散斑自標(biāo)定方法,搭建了一套自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了土木構(gòu)件大面積全場(chǎng)變形測(cè)量.

2) 普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)與自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的面內(nèi)位移測(cè)量相對(duì)誤差分別為0.2%和0.3%,離面位移測(cè)量相對(duì)誤差分別為0.5%和0.6%,兩者精度基本一致.

3) 將自標(biāo)定三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布加固木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗拉性能測(cè)量,測(cè)量結(jié)果與位移計(jì)基本一致.

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