论文总字数：37275字

摘 要

桥梁公路等基础设施在服役期间，由于桥梁长时间受到外载荷的作用，导致桥梁出现路基沉降的情况。目前传统的静态接触式桥梁位移检测已经无法满足大量且要求精度较高的桥梁位移检测任务。因此测量方法需要向着动态非接触式的测量方向发展。

针对测量的需求，本文结合计算机视觉和摄影测量技术，研制了一种非接触式高精度位移检测装置。该装置是由标志点和嵌入式图像处理系统两个部分组成，其中标志点为两个圆心距已知的图形，并使用嵌入式图像处理系统采集标志点图像。根据已知圆心距离求取图像像素距离与实际距离的比例系数，通过检测图像中标志点的位移变化，得出待测物实际的位移变化。

装置的硬件部分是基于树莓派为核心的嵌入式图像处理系统。其软件部分使用IDS函数库中的函数进行软件触发拍摄；采用基于OpenCV开源库的高斯滤波、Canny边缘检测、椭圆特征筛选、亚像素定位进行图像处理；通过Matlab对于数据进行分析处理。

该装置在实验室进行仿真实验，利用升降台的可控升降模拟桥梁的位移变化。经过图像分析处理，计算升降过程中标志点图像的位移变化，从而求出升降台的实际位移变化。最后，经过整体的数据统计和分析，表明装置检测能高精度且稳定地识别出升降台移动的位移变化。

关键词：位移检测，圆形发光标志点，图像亚像素定位

ABSTRACT

During the service period of Bridges, highways and other infrastructure, the settlement of roadbed occurs because the bridge is subjected to external load for a long time. At present, the traditional static contact bridge displacement detection has been unable to meet a large number of high precision bridge displacement detection tasks. Therefore, the measurement method needs to develop towards the direction of dynamic non-contact measurement.

In order to meet the demand of measurement, this paper develops a kind of high precision displacement detection device by combining computer vision and photogrammetry technology. The device is composed of two parts: a marking point and an embedded image processing system, in which the marking point is a graph with known distance between two centers, and an embedded image processing system is used to collect images of the marking point. The scale coefficient between the image pixel distance and the actual distance was obtained according to the known center distance, and the actual displacement was obtained by monitoring the displacement change of the marking points in the image.

The hardware part of the device is an embedded image processing system based on raspberry PI. Its software part using IDS functions in the library software trigger camera, and the Gaussian filtering algorithm, Canny edge detection algorithm, elliptical feature selection algorithm, subpixel localization algorithm which are all based on OpenCV open-source library for image processing, and using Matlab for data analysis.

The device carries on the simulation experiment in the laboratory, uses the controllable lift of the lifting table to simulate the displacement change of the bridge. Through image analysis and processing, the displacement change of the marker image in the lifting process is calculated, and the actual displacement change of the lifting table is obtained. Finally, through the overall data statistics and analysis, it is shown that the device detection can accurately and stably identify the displacement change of the lifting platform movement.

KEY WORDS: displacement detection, circular marker point, image sub-pixel positioning

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………….I

ABSTRACT……………………………………………………………………………………..II

第一章 绪论……………………………………………………………………………………...1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2 论文的研究内容和现状 1

1.2.1 位移测量方法 2

1.2.2 国内外研究现状 5

1.3主要研究内容与创新 7

1.3.1 研究内容 7

1.3.2 项目创新 8

1.4 论文章节安排 8

第二章 装置整体设计………………………………………………………………………….10

2.1整体设计方案 10

2.2 硬件设计 11

2.3 软件设计 11

2.4 本章小结 12

第三章 硬件部分…………………………………………………………………………….....13

3.1处理器的选择 14

3.2相机的选择 14

3.3 发光标志点设计 15

3.3.1 标志点形状选择 15

3.3.2 标志点光源设计 16

3.4 本章小结 16

第四章 软件部分……………………………………………………………………………….17

4.1 图形采集设计 17

4.1.1初始化相机 17

4.1.2获取图像信息 18

4.1.3打开相机 18

4.1.4拍摄照片 19

4.2图像处理设计 19

4.2.1 软件开发环境 19

4.2.2 图像处理整体说明 20

4.3图像处理原理及程序设计 20

4.3.1 图像预处理 21

4.3.2 图像边缘提取 22

4.3.3 圆形标志点的特征筛选 24

4.3.4 亚像素坐标提取 25

4.3.5 图像处理程序设计 26

4.4 程序执行展示 28

4.5数据处理设计 30

4.6本章小结 31

第五章 位移检测试验及数据处理…………………………………………………………….33

5.1 实验设置 33

5.2 实验数据展示 34

5.3 数据处理 36

5.4 误差分析 38

5.4.1 水平位移误差分析 38

5.4.2 操作过程误差分析 39

5.5 本章小结 39

结论 ……………………………………………………………………………………………...40

6.1 全文总结 40

6.2 发展方向 41

参考文献(References) ………………………………………………………………………......42

致 谢………………………………………………………………………………………….. 44

第一章 绪论

1.1课题研究目的及意义

道路桥梁是我国交通建设的重要枢纽，深刻影响人们的道路出行安全。在当前社会经济的发展带动下，道路桥梁工程得到了进一步的发展，国家对待道路桥梁的建设和维护的关注程度日益加深。截止到2017年底，全国公路总里程是477.35万公里，桥梁共83.25万座，共计5225.62万米，高速公路13.65万公里，公路的平均密度为49.72公里/百平方公里。与此同时需要养护的公路就有467.46万公里，占公路总里程的97.9%^[1]。

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