基于相关分析法的桥梁位移图像检测技术介绍

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 基于相关分析法的桥梁位移图像检 测技术介绍 摘要；本文研究图像数字散斑相 关分析法在位移检测中的原理介绍，通 过分析图像文件的数据结构，提取图像 点的灰度值、以及对图像进行子域划分， 从而进行搜索法计算得到图像对比的位 移，并介绍通过计算机编译语言成功嵌 入位移分析软件，根据计算结果具有参 考价值。 中国论文网 /2/view-12910139.htm 关键词：数字散斑相关分析法， 位移，像素，搜索法 一、 前言 1.传统测量方法以及优劣性分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 在各类交通工程项目中，桥梁是 重要部分，对桥梁进行挠度变形位移监 测是确保其运营安全的重要手段之一。 传统的桥梁挠度检测大多采用钢 弦百分表测量法 ,在桥下有水或高架桥 的情况下,往往采用标尺经纬仪观测法， 用全站仪进行测量。在实际应用中,这几 种方法还存在许多不尽人意之处： 传统方法一般只能用于桥梁的静 态挠度观测。 钢弦法只能用于测量陆地上的或 北方冬季水面结冰时的桥梁挠度,该法在 高桥或桥下有水的情况下无法使用。 标尺经纬仪法和全站仪观测法均 存在因观测者的观测方式和经验不同而 带来的观测误差，得到的数据也往往离 散性较大。 由于上述的传统测量方法都是采 用人工记录数据,大量的数据没有使用计 算机进行处理,数据分析手段原始。 由于传统的测量方法弊端多，无 法适应时代的发展，因此技术人员都在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 极力研究新的桥梁挠度检测技术，所以 桥梁挠度检测技术得以稳步发展。 2.当今桥梁挠度检测新技术 近年来桥梁挠度检测的新技术都 为非接触式的，主要有两种：传感器测 量法和 CCD 摄像法，两种方法都有其 各自特点。 传感器测量法：主要是重力或惯 量传感器测量法。该法具有较高的分辨 能力,可进行多点测量;缺点是下限频率 只达到 12Hz ,动载速度稍快 (大于 15km/ h) 时,动态挠度曲线失真，不能 进行动态挠度测量。 CCD 摄像法：由激光准直感光 法演变过来的，具有操作简单,成本较低 等优点。 CCD 图像测量的原理是数字散 斑相关分析法，各 CCD 法都采用数字 散斑相关分析法进行相关运算，寻找相 关点得到图像位移。 二、图像测量的相关技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 1.数字图像的文件格式分析 （1）数字图像的基本结构 数字散斑相关分析法研究的是数 字图片，现在数字图片已发展出多种类 型，如 BMP、JPG 、GIF 等等。BMP 文 件是较为基础的格式，被称为位图文件， 是图形文件最基本类型，它具有文件结 构简单明了、易于分析等优点，采用相 关分析法研究 BMP 文件，较为直观。 BMP 位图文件由四部分组成， 分别为：文件头、位图信息头、颜色信 息和图形数据。每部分又细分很多项目， 各项目按固有大小和顺序排列在文件结 构里。 通过这些数据可以初步了解图像 的基本信息，调出位图信息并加以相关 分析中这些基本信息是必不可少的。 （2）位图的类型的划分 BMP 位图文件的类型划分，主 要是根据颜色位数划分，不同的类型决 定了图像的质量等多方面因素。 按颜色位数划分位图，分别用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 1、4、8、16、24 等。当颜色位数=1 时， 表示位图最多有两种颜色，缺省情况下 是黑色和白色；当颜色位数=4 时，表 示位图最多有 24 即 16 种颜色；当颜色 位数=8、24 时，也如此类推，有 256，224 种颜色。这两类型就是平时常 用的 256 色、真彩色等。 （3）像素的提取与灰度值的计 算 图像点的像素是保存在位图信息 里面的,每个点的信息大小一样，根据位 图类型划分，每点像素有特定的大小。 读取图像可以得到像素，但相关 分析法研究的并不是点的像素，而是点 的灰度值。灰度值是指黑和白之间的深 浅的灰色阶调。 图像的 RGB 三原色都换成灰度 值，就是灰度图，此时图象变为黑白的 灰度图。 2.数字散斑相关分析方法 （1）图像的相关运算 数字散斑相关测量法测量的基本 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 原理是由 CCD 摄像机拍摄被测物体变 形前后的两幅图像，并研究当中的数字 灰度场子集，对两个数字灰度场子集的 对应位置做相关运算，找到相关度，即 相关系数，并通过循环等其他方法搜索 一定范围内不同的灰度场子集，通过其 最大的极值点可得到相应的位移或变形。 数字图像是由像素点组成的。每 个点都有着决定该点颜色的像素值。像 素是由三种原色色深组成，但相关分析 法所研究的是灰度值，图像需要转换成 灰度图。 由于图像的散斑分布具有随机性， 散斑场上的的每一个点在其周围的小区 域内其它的点有一定的差异性。通过研 究一定范围内的小区域，即散斑场上以 某一点为中心的子集，比较不同图像同 样大小的子集，寻找相关度最大的并分 析其移动和变化，便可得到该子集的位 移。 例如变形前图像中取某一点 P 为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 待测点，以 P 为中心取子集 A，大小为 mm 个像素。同样地在变形后的图像 中选取同样大小的相同子集 B，大小也 是 mm 个像素，根据相关运算，得到 一个相关度 C。相关运算如下： 分析上面 4 式，为四种相关函数 的具体运算公式，运算符号，W 为灰度 值的子集，m、n 分别是子集的长和宽， 即循环子集内的所有点。 的量纲是灰度和灰度的平方，完 全一致时相关度 C 为 0。则进行了归一 化处理，无量纲，相似性以 0 到 1 之间 的数值显示出来，完全相似时为 1。相 比之下比较为简单，而就更先进、形象， 归一化后更加合理可信。之间的比较， 则多考虑了平均光强的影响，得到相关 度之间差值大，分离明显。 （2）搜索法 搜索法所描述的是变形后图像子 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 集的搜索方法。搜索法主要有逐点搜索 法、十字搜索法等。 逐点搜索作为传统方法，至今仍 然广泛应用。逐点搜索法顾名思义就是 逐个点逐个点地搜索。其最小单位是像 素点，子集的变化通过移动基准点并以 像素点为单位，每移动一次则进行一次 相关运算，并得到相关度。移动的方向 可进行 x，y 方向的循环在搜索区域内 逐行或逐列搜索。 十字搜索法是一种新型、快捷、 理想的搜索方法。十字搜索法通过研究 x，y 某一段一维相关度列，得到一维峰 值，当 x，y 的峰值重合到一点时，那 一点就为所求的位移点。但十字搜索法 有其局限性，它只适合在单峰形相关度 场的图像内应用，在多峰图中会产生极 大的误差。 （3）亚像素法的设计 亚像素的搜索是相关法精度确定 的灵魂，亚像素是小于 1 像素的意思， 把得到的位移结果从单位为 1 像素变为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 0.1 甚至 0.01 像素。亚像素法大致分为 三类：插值法、拟合法和梯度法。 插值法是最为传统的方法。它通 过多个点的灰度值插值得到其间的空白 位置的灰度值。 拟合法是拟合出相关度的函数， 根据函数得到极值。拟合的方法是通过 逐点搜索法得到的初步数据，即位移大 概方向，取位移子集和周围附近几个子 集的相关度，通过最小二乘法，得到曲 线的参数进而得到极值。 梯度法是三种方法中最为复杂的 方法。梯度法是将相关函数对 x 和 y 求 偏导进而得到位移场内各点的位移。 3.通过计算机编程实现 通过计算机编程实现，流程图如 下： 三、举例分析数字散斑相关度搜 索算法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 1.区域搜索 相关分析法的具体思路是：对变 形前图像的子域进行划分，每个子域即 一个子集。提取子集内所有点进行研究。 研究对象为图像的像素点，图像 中无论是变形前图像，还是变形后图像， 都已划分子集网格，每个子域网格内都 是固定数目的像素点，例如 22 的像素 点，子集网格是一个挨着一个，并无重 合部分也没有相离部分。搜索范围是以 某一网格为中心，包含着子集，只是在 已变形图像中存在，搜索范围之间存在 着重合部分。 2.整像素搜索法 （1）搜索区域的确定和位移的 设定 搜索区域设定为位移的范围，在 图像中位移的确定是很难用普通长度单 位量度的，取而代之的是设定像素点的 长度为基本值，位移移动的是 n 个像素。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 （2）搜索移动及边界设定 相关分析法是比较变形前后图像 的子集，通过相关计算得到两个网格的 相关度，子集在搜索区域内移动是按像 素为单位纵横移动，得到一个相关度列 阵。相关度计算采用公式：，其中表示 子集内点的循环。 如图 3.3，黑点代表像素点，框 内黑点为子域，搜索区域内，中心的是 变形前子集网格的位置，左下的是变形 后图像在搜索域内子集的选择。通过纵 横方向移动一个像素改变子集位置，进 行子集与子集之间的比较。 当搜索区域在图像边界时，容易 产生溢出错误。应当通过设置边界防止 数据溢出。 3 亚像素插值法 通过逐点搜索法可以得到初步的 位移，但要得到精确的位移就必须要亚 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 像素法，本文所采用的插值法。 如图 3.10 中所示，W1-W9 共九 个点灰度值，假设 W5 是相关度最大的 子集中的某一点，W 就是亚像素点， a 和 b 分别是 W 的坐标，则 W 灰度值为： 四、算法的实现 1.通过嵌入分析软件实现测量位 移 通过计算机语言编译计算方式嵌 入到 VC 程序中，可制作出通过图像变 化检测位移的软件（具体软件编译，本 文不作述说） 。 图 4.1 相关分析法软件，图中已 打开两幅位图，在标题框中的 bmp1 和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 bmp2 分别表示两幅图，并且已经划分 好网格。算法嵌入程序中，图中框图为 算法模块。 算法中具有用户设定自定义数据 功能，用于记录用户自定义数据，把数 据定义到程序的全局变量中，作为计算 参数。用户可分别网格的长和宽，搜索 范围，精度设置，通过改变网格数据， 在已打开图像中网格也会随其变化。 设置完开始计算相关度，点击开 始计算，当算完后有消息框计算完成提 示。计算完可得到位移值，可以在 Table View 里看到。Table View 里分两 个表格，分别表示纵向和横向位移。上 表格表示横向位移，下表格为纵向位移， 位移数据也已编号对应的是 bmp1 在相 同位置的网格移动位移。 计算采用两幅两幅产生位移的散 斑图，图像都是 640480 的 256 色位图， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 计算选用网格长和宽都为 32 像素，位 移搜索范围在 5 个像素以内，精度是 0.1。 计算完成后得到各网格纵向和横 向位移,用三维曲面数据图可看到位移数 是连续的。 分析计算数据，通过一定位移的 两幅图像，得到算法计算的结果可以接 受，数据有一定的连续性。在位移精确 度方面，通过移动像素测试算法，数据 结果比较准确。 2.位移量纲的实现 根据软件得到的结果是量纲为像 素的位移，实际位移需要根据图像尺寸 转换。具体可在参照物上标示单位长度 的标记，然后根据标记与像素的比例， 换算像素为单位的位移。 五、总结 本文介绍