CN111351436B - 一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法 - Google Patents

一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，属于光学测量和土木工程监测技术领域。首先采用绘图软件根据电子显示屏分辨率，按照任意预设形式模拟生成平面内若干个被测目标在不同时刻所处位置的一系列图像，可根据需要模拟被测目标被部分遮挡不利条件；然后根据需要模拟光照强度变化，对这些图像进行处理；进而将满足条件的图像做成指定帧率的无压缩视频文件，最后输出到电子显示屏上进行全屏播放，同时采用测量***对测量目标进行跟踪测量计算。根据预设的运动参数及电子显示屏相关参数可以非常精确地计算所有被测目标每一时刻的真实位移，因此可对测量***每一帧测量结果进行定量的误差分析。整个验证***经济、简便、高效、实用。

Description

一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法
技术领域
本发明涉及一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，属于光学测量和土木工程监测技术领域。
背景技术
随着计算机视觉技术和图像采集设备的不断发展，基于视觉的土木工程结构动态位移测量方法因其远距离、非接触、高精度等优点，得到越来越广泛的应用。测量***的精度受多种因素影响，在应用于工程实践之前，需要对其精度进行验证。以往一般将线性可变差动变压器或激光位移传感器的测量结果作为精确值或目标值，来待验证测量***的测量精度。以往方法主要存在以下几个问题：(1)线性可变差动变压器或激光位移传感器测量结果虽然精度很高，但也不可避免地存在测量误差；(2)可能由于触发信号不同步或者仪器采样不稳定原因，线性可变差动变压器或激光位移传感器与测量***之间存在相位差，因此难以对测量***每一帧结果误差进行定量分析，而多采用均方根误差或归一化均方根误差来表征测量的整体误差；(3)线性可变差动变压器或激光位移传感器测量一维运动较为方便，如果测量二维运动则需要两个传感器，操作更为复杂，增加了经济成本；(4)对于一些不利测量条件(如光照变化，目标被部分遮挡)的模拟，还需要其他繁琐的步骤(如调节灯光明暗变化或人为遮挡被测目标等)；(5)线性可变差动变压器和激光位移传感器价格昂贵，安装复杂，费工费时。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有视频测量***精度验证技术存在的不足，提供一种经济、简便、高效、实用的新的验证方法。
本发明的技术方案：
一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，步骤如下：
(1)被测目标在二维平面内“动态位移”的模拟：根据电子显示屏(如电脑显示器，电视机，LED板等)的分辨率为m×n，则在合适绘图软件(如AutoCAD，Photoshop等)中绘制尺寸为m×n的矩形框；根据需要，在该矩形框内绘制若干个指定形状和大小的二维图形作为被测目标，将矩形框范围内被测目标按照1:1像素比例输出为一幅图像；按照各被测目标预设的运动参数，分别在矩形框内绘制被测目标新的位置，则可输出一幅新的图像；按此方法可形成多个时刻反映被测目标发生不同位移，即所在不同位置的多幅图像；为了模拟被测目标被遮挡情况，可以切削部分被测目标，如此改变被测目标形状。为了模拟不同光照强度线性或非线性变化，可以采用相关软件方便地对相关图像的相关被测目标按指定需求进行处理。将图像序列制作成指定帧率(不大于电子显示屏的刷新频率)的无压缩视频文件，在电子显示屏上全屏(这样才能保证电子显示屏每与绘图软件中选定的矩形框像素一一对应)播放，即可模拟得到被测目标二维平面内的“动态位移”。需要说明的是，所谓的“动态位移”，是指在相邻两帧图像之间被测目标位移是离散的、跳跃的，并非连续的。如果高频拍摄采集，信号位移是阶梯状的。
(2)真实“动态位移”的确定：电子显示屏上任意两帧图像中被测目标之间的坐标位置差异，即相对位移可由被测目标在绘图软件中的坐标差(绘图前已经确定)及电子显示屏上的像素尺寸来计算。换言之，所有被测目标任何时刻的真实“动态位移”都可以准确确定。
(3)测量***精度验证：“动态位移”播放时，同时采用测量***跟踪测量，进而根据其具体方法计算任意时刻被测目标的“动态位移”，将测量计算结果与步骤(2)中的真实结果进行对比，根据两者偏差验证评估测量***的每一时刻及整体过程的测量精度。
本发明的有益效果：本发明采用普通绘图软件模拟生成平面内若干个被测目标按照任意预设形式的运动轨迹，将其制作成指定帧率的视频文件，输出到电子显示屏上全屏播放。根据预设的运动参数及电子显示屏上相关参数可以非常精确(唯一误差源自于电子显示屏上的像素精度，显然是可以忽略的)地计算所有目标每一时刻的真实位移，因此可以对测量***每一帧测量结果进行定量的误差分析。整个验证***仅需要计算机和电子显示屏，不仅可以非常方便模拟现场光照强度变化条件和被测目标被部分遮挡不利条件，而且可以提供精确的参考结果，因此本发明具有非常重要的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明模拟生成的多个二维被测目标在平面内运动的示意性视频。视频模拟了15个被测目标(实心圆)在光照强度变化及目标被部分遮挡条件下不同时刻的运动位置，图中F1,…F9为视频帧序号。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法：
(1)设电子显示屏的分辨率为m×n，像素尺寸为e，在绘图软件中选定尺寸为m×n的矩形框。在该矩形框内中间等间隔绘制若干(本例为15)个指定直径(本例为50像素)的实心圆作为被测目标，将矩形框范围内被测目标按照1:1像素比例输出第一帧图像。
(2)对于不同时刻，根据指定的各被测目标的相对位移，在矩形框内对应位置绘制该时刻所有被测目标，并按步骤(1)输出一系列新的图像(图中示例有9帧)。为了模拟被测目标被遮挡情况，可以切削被测目标形状。为了模拟光照强度变化条件，可以非常方便地对图像进行相关处理，如采用C++编程并调用OpenCV库中的相应函数。
(3)将图像序列制作(如C++编程并调用OpenCV库中的VideoWriter)为帧率为f(不大于电子显示屏的刷新频率)的无压缩视频文件，并输出到电子显示屏上全屏播放，同时采用测量***跟踪测量。
(4)基于测量结果可以计算任意时刻被测目标的动态位移，将测量结果与真实结果对比，根据偏差评估测量***的精度。

Claims (3)

1.一种验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)被测目标在二维平面内“动态位移”的模拟：根据电子显示屏的分辨率为m×n，绘制尺寸为m×n的矩形框；在该矩形框内绘制若干个指定形状和大小的二维图形作为被测目标，将矩形框范围内被测目标按照1:1像素比例输出为一幅图像；按照各被测目标预设的运动参数，分别在矩形框内绘制被测目标新的位置，则输出一幅新的图像；按此方法形成多个时刻反映被测目标发生不同位移，即所在不同位置的多幅图像；将图像序列制作成指定帧率的无压缩视频文件，在电子显示屏上全屏播放，即可模拟得到被测目标二维平面内的“动态位移”；所述的“动态位移”，是指在相邻两帧图像之间被测目标位移是离散的、跳跃的，并非连续的；如果高频拍摄采集，信号位移是阶梯状的；
(2)真实“动态位移”的确定：电子显示屏上任意两帧图像中被测目标之间的坐标位置差异，即相对位移可由被测目标坐标差及电子显示屏上的像素尺寸来准确计算；
(3)测量***精度验证：“动态位移”播放时，同时采用测量***跟踪测量，进而计算任意时刻被测目标的“动态位移”，将测量计算结果与步骤(2)中的真实结果进行对比，根据两者偏差验证评估测量***的每一时刻及整体过程的测量精度。
2.根据权利要求1所述的验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，其特征在于，模拟被测目标被遮挡情况，通过切削部分被测目标来改变被测目标形状；模拟被测目标光线强度变化情况，通过处理图像亮度来实现。
3.根据权利要求1或2所述的验证结构平面位移视觉测量***精度的方法，其特征在于，所述的被测目标的形状、大小、数量可随意选择；其动态位移形式也可随意设置；输出的动态位移不存在误差，无需其他设备采集该位移作为验证测量***精度的参考。
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