动态位移识别程序-应用基础与工程科学学报

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于Hough变换的非接触性位移测试软件研发与振动台试验的应用验证陈苏1，2，陈国兴1，2，韩晓健1，2，戚承志3，阮滨1，2（1. 南京工业大学岩土工程研究所 南京 ;2. 江苏省土木工程防震技术研究中心 南京 ；3. 北京建筑工程学院土木与交通工程学院 北京 ）摘 要：利用Matlab软件平台，研发了基于Hough变换圆检测原理的非接触性位移测试软件，并采用大型振动台试验的结果进行了应用验证。结果表明：研发的非接触性位移测试软件具有良好的圆检测效果，位移测试精度满足试验要求；采用该非接触性位移测试软件分析给出的模型土箱的水平位移时程与加速度积分给出的位移时程的整体

2、分布形态一致性较高，峰值位移及峰值位移出现时刻基本一致；振动台台面输入峰值加速度0.1g近场什邡地震动时，两种测试方法给出的位移时程在015s时段的差异性较大，非接触性位移测试软件分析给出的位移时程较加速度积分给出的位移时程的随机性更强；采用非接触性位移测试软件可以同时捕捉多个测点的位移及有效解决测试量程受限的问题，并可避免由于接触对被测体产生的干扰。关 键 词：Hough变换圆检测；非接触性位移测试软件；Matlab软件平台；振动台模型试验中图分类号：TU 317+.1 文献标识码：A Program Development for Non-contact Displacement Test

3、 Based on Hough transform and Application in Large-scale Shaking Table TestCHEN Su 1,2, CHEN Guo-xing1,2, HAN Xiao-jian1,2, QI Cheng-zhi3, RUAN Bin1,2(1. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing ,China;2.Civil Engineering&Earthquake Disaster Prevention Center

4、of Jiangsu Province，Nanjing ，China,;3.School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering andArchitecture，Beinjing ,China)Abstract: Based on the principle of Hough transform circle detection, non-contact displacement test program was developed with Matlab platform.

5、 The program was verified based on the large-scale shaking table test. The result shows that the independently-developed non-contact displacement program has good performance in circle detection, and the precision meets the test requirements. The horizontal displacement of laminar shear soil contain

6、er measured by non-contact displacement method was compared with what obtained by acceleration integration method. The result shows that there exists high consistency of displacement distribution patterns between the above two methods. The peak displacement and its occurrence moments of the peak dis

7、placements were basically identical. However, under 0.1g ShiFang ground motion, the displacements tested by the two methods have large difference between 0 to 15 seconds. The horizontal displacement tested by non-contact displacement test method is more stochastic than that tested by the acceleratio

8、n integration method. Non-contact displacement test program can capture the displacement of several gauge points at the same time and effectively solve the problem of limited test range, and also may avoid the interference to the measured objects.Key words: Hough transform circle detection,Non-conta

9、ct displacement test program,Matlab software platform,Shaking table model test0 前言收稿日期： 基金项目，国家自然科学基金重大研究计划项目()， 北京市自然科学基金项目(KZ7)， 江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（CXZZ12_0426）作者简介：陈苏(1986-), 男, 江苏淮安人, 博士研究生, 从事城市地下结构抗震研究。E-mail:chensuchina通信作者: 陈国兴(1963-),男，浙江新昌人，博士，教授，主要从事土动力学与岩土地震工程研究。E-mail:gxchen随着经济建设的高速发展，

10、城市交通空间的发展逐渐呈现出多维化趋势。从传统的地面交通逐渐发展成为航空、地面及地下空间相互协调的多维空间发展模式。轨道交通地下空间形成“枢纽为点、隧道为线、网络为面”相结合的地下空间体系，地下车站成为联系和发展周边地下空间的核心，大型的枢纽站成为地下空间发展的热点区域；同时，地铁兼顾有民防工程的功能。通常认为：地下结构由于受到周边土体的约束，具有良好的抗震性能。但是，1995年日本阪神Ms7.2级地震导致神户市的地铁区间隧道和地铁地下车站结构发生了严重的震害。近年来，相继发生了2008年中国汶川Ms8.0级特大地震及2011年东日本Mw9.0级巨大地震，地下结构的地震安全问题引起了工程抗震研

11、究者乃至全社会的高度关注。国内外学者相继开展了针对地下结构抗震性能的试验研究1-8，试验取得的宝贵数据促进了地下结构地震反应分析理论及数值分析方法的进步。准确获取地震过程中地下结构周边土体的位移响应是地下结构抗震研究中十分重要的工作，也是目前开展的大型振动台试验的测试难点。非接触性位移测试技术作为一类新的位移测试方法，与传统的物理或机械式位移测试方法相比，具有测试精度高并可以有效消除由于接触而产生的位移测试误差等优点。激光位移测试技术是现阶段较为成熟的非接触性位移测试技术，也同样存在测试点位置及测试量程受限等缺点。针对目前的接触性、非接触性位移测试技术的缺陷，近年来国内外学者开展了采用光学相机

12、结合后期图像处理的全局化、自动化位移测试技术研究 9-11。基于Hough变换圆检测的基本原理，作者开展了非接触性位移测试方法及其在地下结构大型振动台试验中的应用研究。1 基于Hough变换圆检测的非接触性位移测试方法简介1.1 Hough变换圆检测的基本原理Hough变换12的基本原理：提取图像中直线、圆、椭圆甚至是任意形状的边缘，实现从图像空间到参数空间的映射。本次试验的标靶采用圆，Hough变换圆检测的基本原理为：图像空间中圆心坐标为、半径为的圆，可以采用公式（1）表征： （1）将图像空间中的标靶圆中任意点变换到参数空间，可以用方程组（2）表征： （2）式中：和为实际图像空间中点的坐标，

13、、和为其对应在参数空间中的坐标，为检索角，极坐标参数，可以表征图像空间圆内任意点。通过方程组（2），圆所在的图像空间中的点可以映射到参数空间中,表现为参数空间中的三维锥面。由图1(b)可知：图像空间中圆的圆周边缘点由于被圆心及半径约束，对应在参数空间中的三维锥面必交于一点，共同交点即为图像空间中圆的圆心及半径。 (a) 图像空间 (b) 参数空间图1Hough变换圆检测的基本原理Fig. 1 Basic principle of Hough transform round detection 1.2 基于Hough变换圆检测的非接触性位移测试软件的研发与验证基于Hough变换圆检测基本原理非接

14、触性位移测试软件开发的基本思路为：对采用高速相机采集的动态视频进行分帧，并对分帧后的连续静态图像进行预处理，主要包括：图像降噪与灰度处理、校正RGB(表示红、绿、蓝)三原色的色彩比例等。通过调用Matlab软件自带的边缘检测算法模块对图像进行边缘检测，并存储检测到的边缘点坐标；在此基础上，外挂Hough变换圆检测模块，识别出图像中的标靶圆，进而获取圆心坐标及半径，按连续静态图片的排列顺序依次存储检测到的标靶圆圆心坐标，即可获得图像空间中标靶圆圆心的水平、竖直位移时程曲线；再通过标定图像像素与实际物像坐标的关系，即可得到物象坐标下的真实位移。基于Hough变换圆检测原理的非接触性位移测试软件开发

15、流程如图2所示，其技术难点主要包括：边缘检测算法及Hough变换圆检测参数的选取。笔者采用Matlab软件中4种常用的边缘检测算法模块进行了标靶圆的边缘检测模拟试验。由图3可知：采用4种边缘检测算法模块进行标靶圆边缘检测时，均可以检测到圆边缘；但采用Canny算法模块13检测到的标靶圆圆周的周边噪点数最少，这对于Hough变换圆检测时圆心坐标的准确获取起到了重要的作用。Hough变换圆检测参数主要包括：(1)、标靶圆半径上、下界，(2)、半径()、角度()的检测步长。标靶圆半径上、下界将直接影响到标靶圆检测的准确性；检测步长的取值对图片处理速度起到决定性作用。图2基于Hough变换的非接触性位

16、移测试软件研发流程图Fig. 2 hart of non-contact displacement test method based on Hough transformation (a) Canny边缘检测算法 (b) Log边缘检测算法 (c) Prewitt边缘检测算法 (d) Sobel边缘检测算法 (注:拟采用的边缘检测算法应尽量满足检测所得的圆周周边无噪点)图3 采用不同边缘检测算法模块的圆边缘响应结果Fig.3 Circle edge response by different edge detection algorithm modules 为验证本软件圆检测的准确性及位移测

17、试精度，采用ABAQUS有限元软件建立圆形解析刚体，在刚体参考点RP-1处施加幅值为1mm的水平向正弦位移，圆检测结果见图4(b)，由图可知：程序具有良好的圆检测功能，但也存在局部边缘丢失的情况，这是由于边缘检测Canny算法模块采用高斯滤波对图像进行处理，这将导致高频边缘的过度平滑，使得弱边缘的检测能力降低；采用位移测试软件分析给出的位移时程与有限元模拟给出的位移时程对比见图4(c)，由图可知：与输入的水平向正弦位移相比，位移测试软件测得的水平位移幅值为：1.073mm、有限元模拟得出的水平位移幅值为：0.999mm，位移测试软件的分析精度可以达到0.1毫米级，满足试验的测试精度要求。 (a

18、) 原始图片 (b) 圆检测结果 (c) 位移测试程序与有限元模拟结果对比图4 程序圆检测及位移测试精度Fig.4 The precision of round detection and displacement recognition2 基于Hough变换圆检测的非接触性位移测试方法的应用验证2.1 大型振动台试验简介模型土箱和动态信号采集系统详见文献14-15；根据定理，模型结构选取长度、弹性模量、加速度为基本物理量；模型地基土选取剪切波速、密度、加速度为基本物理量进行相似比设计。模型地基土分为2层：表层为厚15cm的粘土，其下为厚125cm的饱和南京细砂。为使细砂在饱和状态下充分固结，

19、装样完毕后，将模型地基土静置一周；试验前后采用德国SUMIT浅层地震仪分别测定了模型地基土的剪切波速，试验前、后的地基平均剪切波速分别为90.9m/s和113.2m/s。采用镀锌钢丝模拟原型钢筋，采用微粒混凝土模拟原型混凝土，模型结构端头采用10mm厚有机玻璃封口，有机玻璃与模型结构采用环氧树脂胶结；为考虑模型结构与原型结构的惯性力匹配问题，采用不完全配重法、集中质量配重,在模型结构表面粘贴铅块，共配重236kg，占完全配重的40.6%；模型结构及配重布置见图5；振动台试验的输入地震动为：5.12汶川大地震的近场什邡八角波、远场松潘波及中远场Taft波，输入地震动特性详见文献7。 (a) 三拱

20、立柱式地铁地下车站模型结构 （b） 模型结构配重的铅块布置图5 三拱立柱式地铁地下车站模型结构及配重布置Fig.5 Model structure of metro station with and distribution of additional weight2.2 土箱水平位移测试方案 根据已有研究1416，叠层剪切型模型土箱可以有效减少对土体剪切变形的约束；箱体各层方刚管两端的水平位移可以近似认为是完全相同的。试验共布设位移测试标靶圆8个，在设置位移测试标靶圆的方钢管层分别布设水平向加速度传感器，采集的加速度数据可以通过数值积分得到相应的位移数据。模型土箱水平位移测试标靶测点布置见图

21、6(a)，加速度传感器布设见图6(b)。(PltAPltH)代表动态位移测试标靶圆，(A1A7)代表加速度传感器。本次大型振动台试验中采用的光学相机型号为：Nikon D90，采用EN-EL3e型电池，电池容量为1500mAh，续航能力满足时域采集要求；相机拍摄速率为30fm/sec，即采样频率30Hz，根据奈奎斯特采样定理17，Nikon D90相机采样系统的为15Hz，本次试验按振动频率相似比缩放后输入的汶川地震什邡八角波频率峰值为6.9Hz、松潘波频率峰值为4.6Hz、Taft波频率峰值为3.2Hz，输入地震动的频率峰值均小于值。因此，Nikon D90相机在频域可以完整捕捉振动数据。

22、图6 模型土箱水平位移测试标靶测点布置(单位：mm)Fig.6 Arrangement of displacement test target sensors embedded in the model foundation(unit：mm)2.3 加速度积分高、低频阀值选取的探讨 采用频域积分方法将采集的加速度数据积分至位移数据18。由文献7中输入振动台台面的地震动特性可知：输入地震动的频带范围主要集中在0Hz30Hz，因此，本文高频阀值选取30Hz。低频阀值的选取显著影响加速度积分给出的位移结果。以峰值加速度0.1g什邡地震动作用下，选取不同低频阀值滤波时传感器A1采集的加速度积分给出的位

23、移为例，论述低频阀值选取的重要性。由图7可知：采用30Hz低通滤波时，位移存在显著的低频振荡和峰值误差的现象；采用加速度传感器生产厂家提供的最低测试频率0.35Hz作为低频阀值，高频阀值选取30Hz时，可以有效降低误差，但仍然存在位移漂移的情况；根据经验适当调高低频阀值可以有效地解决位移漂移问题，当低频阀值取0.5Hz时，可以获取较准确的位移时程曲线。 (a) 30Hz低通滤波 (b) 0.35Hz30Hz带通滤波 (c) 0.5Hz30Hz带通滤波图7 不同低频阀值滤波时加速度积分给出的位移结果Fig.7 The result of displacement obtained by acce

24、leration integral method under different Low frequency threshold filtering2.4 非接触性位移测试软件测得的位移与加速度积分给出的位移的比较振动台台面输入不同地震动时，采用基于Hough变换原理的非接触性位移测试软件给出的水平位移时程与0.5Hz30Hz带通滤波条件下加速度积分给出的位移时程对比曲线，以及采用两种位移测试方法得到的位移时程中15s35s的局部放大图，如图8图9所示。由图可知：两种位移测试方法得到的位移时程整体分布形态一致性较高，位移峰值及位移峰值出现时刻基本一致。0.1g什邡地震动作用下，两种位移测试方法

25、在015s时段测试结果的差异性较大，其局部放大如图10所示。可以看出：采用非接触性位移测试软件测得的位移时程较加速度积分得到的位移时程的随机性更强，这是由于非接触性位移测试方法是在不干扰被测体的条件下直接测试位移数据，保留了地震动的随机振动原始形态；而在对加速度传感器采集的数据后期处理过程中，为消除振动台系统误差及加速度传感器自身测试误差并保证通频带内数据幅值的准确性，选用了Butterworth滤波器对加速度数据进行了滤波处理，此类型滤波器的特点是：在通频带内频响曲线较为平滑，可以充分保证在通频带内数据的完整性，而在阻频带会对数据进行较强抑制，这将造成局部数据的丢失。图8 振动台台面输入0.

26、1g什邡地震波时两种位移测试方法一致性对比图Fig. 8 Consistency contrast figure of two displacement test methods under 0.1g ShiFang ground motion图9 振动台台面输入0.5g什邡地震波时两种位移测试方法一致性对比图Fig. 9 Consistency contrast figure of two displacement test methods under 0.5g ShiFang ground motion图10 振动台台面输入0.1g什邡地震波时位移时程曲线015s的局部放大图Fig. 10

27、 Partial enlargement of displacement time-history curve (0 15 seconds) under 0.1g ShiFang ground motion3 结论采用Matlab平台，研发了基于Hough变换圆检测原理的非接触性位移测试软件，并采用大型振动台试验的结果进行了应用验证，可以得到如下结论：研发的软件具有较良好的圆检测效果，识别精度满足试验的精度要求。从实用性角度而言，采用非接触性位移测试软件进行位移测试可以同时捕捉多个测点，有效解决了位移测试传感器数量不足及测试量程受限的问题，并且可以避免接触对被测体带来的干扰。参 考 文 献1

28、Hamada M, Isoyama R, Wakamatsu K. Liquefaction induced ground displacement and its related damage to lifeline facilitiesJ. Soils and Foundations, 1996, 36(1): 81-97.2 Tateishi A. A study on seismic analysis methods in the cross section of underground structures using static finite element methodJ. S

29、tructural Engineering Earthquake Engineering. 2005, 22(1): 41-53.3 Iwatate T, Kobayashi Y, Kusu H, et al. Investigationand shaking table tests of subway structures of the Hyogoken-Nanbu earthquakeJ. Proc. of the 12WCEE, 20004 杨林德, 季倩倩, 郑永来, 等. 软土地铁车站结构的振动台试验J.现代隧道技术, 2003, 40(1): 7-11. (Yang Lin-de,

30、 Ji Qian-qian, Zheng Yong-lai, et al. Shaking table test on metro station structures in soft soilJ. Modern TunnellingTechnolog, 2003, 40(1): 7-11)5 陈国兴, 庄海洋, 杜修力, 等. 土地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验试验结果分析J.地震工程与工程振动, 2007, 27(1): 164-170.(CHEN Guoxing, ZHUANG Haiyang, DU Xiuli, et al. A Large-size Shaking Table

31、Test for Dynamic Soil-Metro Tunnel InteractionAnalysis on the test resultsJ. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2007, 27(1): 164-170.)6 陈国兴, 左熹, 王志华, 等. 地铁车站结构近远场地震反应特性振动台试验J.浙江大学学报（工学版）. 2010(10): 1955-1961(CHEN Guo-xing, ZUO Xi, WANG Zhi-hua, et al. Shaking Table Model Test of Subwa

32、y Station Structure at Liquefiable Ground under Far Field and Near Field Ground MotionJ. Journal of Zhejiang University: Engineering Science. 2010(10): 1955-1961)7 陈国兴，左熹，王志华， 等. 近远场地震作用下液化地基上地铁车站结构动力损伤特性的振动台试验J.土木工程学报. 2010(12): 120-126.(CHEN Guo-xing, ZUO Xi, WANG Zhi-hua, et al. Large scale shaki

33、ng table test study of the dynamic damage behavior of subway station structure in liquefiable foundation under near-fault and far-field ground motionsJ.China Civil Enginnering Journal，2010(12): 120-126.)8 陈国兴，左熹，王志华， 等. 可液化场地地铁车站结构地震破坏特性振动台试验研究J.建筑结构学报.2012(1): 128-137.(CHEN Guo-xing, ZUO Xi, WANG Z

34、hi-hua, et al. Shaking table test on seismic failure characteristics of subway station structure at liquefiable groundJ. Journal of Building Structures，2012(1): 128-137.)9 孙伟，何小元，郑翔. 基于数字图像相关的三维刚体位移测量方法J.光学学报. 2008(5): 894-901.(Sun Wei,He Xiaoyuan,Quan Chenggen,et al. Three-Dimensional Rigid Body Di

35、splacement Measurement Based on Digital Image CorrelationJ. Chin. J. Lasers. 2008(5): 894-901.)10 杨会臣，贾金生，王海波. 高速摄影测量在振动台动力模型试验中的应用J.水电能源科学.2012(1):153-155.(YANG Huichen,JIA Jinsheng,WANG Haibo.Application of High Speed Photogrammetry to Vibrating Platform Dynamic Model TestJ. Water Resources and Po

36、wer. 2012(1): 153-155.)11 任伟中，寇新建，凌浩美. 数字化近景摄影测量在模型试验变形测量中的应用J.岩石力学与工程学报. 2004(3): 436-440.( Ren Weizhong,Kou Xingjian,Ling Haomei. Application of Digital Close-range Photogrammetry in Deformation Measurement of Model Test J. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2004(3): 436-440.)12 Ho

37、ugh P V C. Methods and means for recognizing complex patterns: US, P. 1962-12-18.13 Rachid Deriche. Using Cannys Criteria to Derive a Recursively Implemented Optimal Edge DetectorJ. International Journal of Computer Vision, 1987, 167-187.14 陈国兴, 王志华, 左熹, 等. 振动台试验叠层剪切型土箱的研制J.岩土工程学报, 2010, 32(1): 89-9

38、7.(CHEN Guo-xing, WANG Zhi-hua, ZUO Xi, et al. Development of laminar shear soil container for shaking table testsJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(1): 89-97.)15 韩晓健, 左熹, 陈国兴. 基于虚拟仪器技术的振动台模型试验98通道动态信号采集系统研制J.防灾减灾工程学报. 2010, 30(5): 503-508(HAN Xiao-jian, ZUO Xi, CHEN Guo-xing.

39、98 Channels Dynamic Signal Acquisition System Development for Shaking Table Test Based on Virtual Instrument TechnologyJ. Journal of Disaster Prevention and Mitgation Engineering. 2010, 30(5): 503-508.)16 黄春霞, 张鸿儒, 隋志龙. 大型叠层剪切变形模型箱的研制J.岩石力学与工程学报. 2006, 25(10): 2128-2134(HUANG Chunxia, ZHANG Hongru, SUI Zhilong. Development of large-scale laminar shear model boxJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering . 2006, 25(10): 2128-2134.)17 H. Nyquist. Certain topics in telegraph transmission theory. Trans. AIEE ,1928,47: 617-644. 18 王济、胡晓MATLAB在振动信号处理中的应用M中国水利水电出版社2006专心-专注-专业