基于SIFT图像匹配算法的桥梁变形室内试验研究.pdf

第2 3卷 第2期江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报V o l.2 3.22 0 2 3年6月J O U R N A LO FJ I A N G S UV O C A T I O N A LI N S T I T U T EO FA R C H I T E C T U R A LT E C H N O L O G YJ u n.2 0 2 3基于S I F T图像匹配算法的桥梁变形室内试验研究杨声1,靳云鹏2,单海涛1,罗涛3,王静1,余均发1,吴秀秀3(1.宿迁市公路事业发展中心,江苏 宿迁2 2 3 8 9 9;2.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州2 2 1 1 1 6;3.宿迁市洋河新区旅游交通建设局,江苏 宿迁2 2 3 8 3 9)摘 要:全景拍摄图像处理在桥梁变形监测中受透视效应影响较大,故提出了旋转拍摄拼接方法。为研究其精度,制备了钢筋混凝土梁模型,通过四点弯曲试验模拟桥梁变形状态。数据采集方式包括百分表测量、全景拍摄和旋转拍摄。通过S I F T算法实现相邻图像匹配拼接工作,对两种方法测量结果进行对比分析。室内试验研究结果表明,旋转拍摄在变形测量上具有更高的精度,利用S I F T函数进行特征点提取及匹配,可以得到连续图像的高精度拼接效果图。本研究为旋转图像拍摄方法实时监测桥梁变形提供了实验依据。关键词:S I F T算法;变形;全景拍摄;旋转拍摄;图像处理中图分类号:U4 4 6;T P 3 9 1.4 1文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 3 5 5 0(2 0 2 3)0 2 0 0 0 1 0 4L a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a l s t u d yo nb r i d g ed e f o r m a t i o nb a s e do nS I F Ti m a g em a t c h i n ga l g o r i t h mY ANGS h e n g1,J I NY u n p e n g2,SHAN H a i t a o1,L U OT a o3,WANGJ i n g1,Y UJ u n f a1,WUX i u x i u3(1.S uqi a nH igh w ayD e v e l opm e n tC e n t e r,S uqi a n,J i a ngs u2 2 3 8 9 9,C h i n a;2.S c h o o l o fM e c h a n i c s a n dC i v i lE ngi n e e r i ng,C h i n aU n i v e r s i tyo fM i n i nga n dT e c h n o l og y,X u z h o u,J i a ngs u 2 2 1 1 1 6,C h i n a;3.To u r i s mT r a f f i cC o n s t r u c t i o nB u r e a uo fY a ngh eN e wD i s t r i c t,S uqi a n,J i a ngs u2 2 3 8 3 9,C h i n a)A b s t r a c t:P a n o r a m i cs h o o t i n g i m a g ep r o c e s s i n g i sg r e a t l ya f f e c t e db yp e r s p e c t i v ee f f e c t i nb r i d g ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g,s oar o t a t i o n a l s h o o t i n gs t i t c h i n gm e t h o d i sp r o p o s e d.I no r d e r t os t u d yi t sa c c u r a c y,ar e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m m o d e lw a sp r e p a r e d,a n dt h ed e f o r m a t i o ns t a t eo ft h eb r i d g ew a ss i m u l a t e db yaf o u r-p o i n tb e n d i n gt e s t.D a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d si n c l u d ed i a lg a u g em e a s u r e m e n t,p a n o r a m i c s h o o t i n ga n dr o t a t i o ns h o o t i n g.T h ea d j a c e n t i m a g em a t c h i n ga n ds t i t c-h i n gw o r k i sr e a l i z e db yt h eS I F Ta l g o r i t h m,a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f t h et w om e t h o d sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d.T h er e s u l t so f i n d o o re x p e r i m e n t ss h o wt h a t r o t a t i o n a l s h o o t i n gh a sh i g h e r a c c u r a c y i nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t,a n d t h eS I F Tf u n c t i o n i su s e d t oe x t r a c t a n dm a t c hf e a t u r ep o i n t s,a n dh i g h-p r e c i s i o ns t i t c h i n ge f f e c tm a p so fc o n t i n u o u si m a g e sc a nb eo b t a i n e d.T h i ss t u d yp r o v i d e sa ne x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h er o t a t i o n a l i m a g es h o o t i n gm e t h o dt om o n i t o rt h ed e f o r m a t i o no f t h eb r i d g e i nr e a l t i m e.K e yw o r d s:S I F Ta l g o r i t h m;d e f o r m a t i o n;p a n o r a m i c s h o o t i n g;r o t a t i n gs h o o t i n g;i m a g ep r o c e s s i n g收稿日期:2 0 2 3 0 3 2 1基金项目:宿迁市交通运输科技与成果转化项目:大跨桥梁悬臂施工线形智能化监测及预警技术研究(J S T Y2 0 2 10 0 7);国家自然科学基金:基于显示连通贝叶斯网络的桥梁系统可靠性评估与更新(5 1 7 0 8 5 4 5)作者简介:杨声,男,内蒙古赤峰人,高级工程师,从事公路水运工程建设管理。Em a i l:1 9 0 7 9 7 0 6 9 1q q.c o m 桥梁变形是施工过程中的重要控制指标之一。大跨桥梁在施工过程中的变形多采用水准仪进行测量,该方法具有阶段性、耗时长、受环境制约大等特点,测量间隔期间变形状况未知,增加了桥梁施工风险。相比之下,图像处理变形计算方法能够实现连续多测点、高效测量且受环境影响较小1。全景拍摄测量大跨桥梁变形时受透视效应影响较大,故提出旋转拍摄拼接的图像处理方法。2 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷为研究旋转拍摄方法在桥梁变形监测上的精度,本文通过室内试验模拟桥梁在施工过程中的变形状态。试验流程包括试验梁浇筑、反力架加载、图像采集及后期数据处理分析,百分表测量结果作为试验梁实际变形用以验证图像处理精度。图像采集分为全景拍摄和旋转拍摄两种方式,互为对照。其中旋转拍摄作为主要测量方式,采用S I F T算法23实现相邻图像的匹配拼接工作,以期获得更高分辨率的等效正视图像。1 实验1.1 试件制备混凝土梁模型采用C 3 0商混凝土,浇筑后养护1 4天进行室内试验。梁长2m,弯矩设计值3 0 k Nm,剪力设计值1 0k N。纵筋选用直径1 0mm、1 2mm的HR B 4 0 0钢 筋 各 两 根,箍 筋 选 用 直 径6 mm的H P B 3 0 0钢筋间隔1 5 0mm布置于整个梁段。1.2 现场布置试验设备分加载组及拍摄组。加载组包括钢筋混凝土梁(2 0 0 0mm 1 6 0mm 1 0 0mm)、反力架、千斤顶、压力传感器及显示端、百分表、钢辊轴等。拍摄组包括佳能E O S 7 7 D数码相机、1 82 0 0mm焦段长焦镜头、标 志 点(直 径1 0 mm)以 及 标 定 板(精 度 0.0 0 5mm)。现场布置如图1所示。标志点从支座处开始间隔2 0c m布置,梁中位置加密,间隔为1 5 c m,共计7个标志点。百分表放置在跨中对应标志点下方,两支座位置钢辊轴上各布置一个标志点,并保证其与梁表面的标志点处于同一平面。图1 现场布置图1.3 试验方案试验现场布置完毕后,确定标志点、支座参考点所在的平面为测量平面,固定相机位置,根据全景和旋转拍摄需求调整焦距,试验过程中相机位置与焦距保持不变。相机位置确定后进行标定试验,标定试验采用张正友标定法45。试验加载分七级,03 5k N,逐级增加5k N。加载方式为人工操作千斤顶施压,均匀缓慢加载。每级加载完成后,保持试验装置负载两分钟,待百分表读数稳定后记录读数并采集图像。2 数据采集与处理分析数据采集方式包括百分表测量、全景拍摄和旋转拍摄,百分表测量作为试验梁的实际变形参考,全景拍摄和旋转拍摄互为对照,对比其测量精度。对于旋转拍摄图像,在提取位移之前需要先对图像进行拼接,拼接流程主要包括原始图像的畸变校正、投影变换、特征提取匹配、精确相对定向和图像拼接。2.1 数据采集及畸变校正旋转摄影中,为消除透视效应的影响,选正向拍摄平面为基准平面,将其他角度拍摄的照片向基准平面投影,拼接得到等效正视图像。以正向摄影作为0 拍摄方位,向左右各旋转5、1 0 为旋转图像采集方位。全景和旋转拍摄均采用定焦拍摄,焦距分别为5 0、8 0mm,标定方式为张正友标定法,其标定的平均误差分别为0.4 5、0.4 7 p i x e l s。标定完成后进行图像采集,每个工况拍摄五张图像。内参矩阵K分 别 为37 8 4.0 8 7-1.9 4 730 4 5.4 1 2037 8 4.0 2 9 18 9 2.8 6 3001、99 4 4.9 4 11.5 3 128 9 7.2 7 7099 4 4.9 1 4 16 4 6.4 7 6001,畸 变 系 数 见表1,以此对旋转图像进行畸变校正6。表1 畸变系数标定值校正系数全景拍摄旋转拍摄径向畸变k1-0.1 3 360.1 9 77径向畸变k2-0.0 3 340.6 7 25径向畸变k30.2 1 99-3.9 3 90切向畸变P10.0 0 17-0.0 0 55切向畸变P2-0.0 0 040.0 0 132.2 旋转图像的投影变换、相对定向及拼接投影变换7是根据不同拍摄角度将图像向基准图像映射,其目的是消除透视作用的影响,否则将对后期匹配拼接工作产生较大影响,同名点在旋转图像和基准图像之间的坐标转换关系如式(1)。第2期杨声,等:基于S I F T图像匹配算法的桥梁变形室内试验研究3 x0=-fxc o s+fs i nxs i n-fc o sy0=-fyxs i n-fc o s(1)式中,(x,y)为同名点在旋转图像上的原始像点坐标,(x0,y0)为旋转图像投影变换后在基准图像上的像点坐标,焦距f为定值8 0mm。根据不同旋转角可实现各旋转图像向基准图像的投影变换。图像拼接前,需要对投影变换后的旋转图像进行精确相对定向8。S I F T算法具有良好的尺寸不变性,通过计算极值点的方式确定特征点,在有明显纹理特征的图像匹配上具有良好的适用性9。S I F T算法进一步赋予这些天然纹理的特征点以尺度、位置和方向特征,并构建其特征描述来完成相邻图像的同名点匹配。因此,可以采用S I F T算法获取相邻图像的高精度同名点,并通过随机抽样一致性算法去除误匹配点。利用特征匹配1 0得到重叠区域的同名点具有坐标相等的特点可构建误差方程式,并解算出线元素和角元素偏移量。将结果带入原方程逐渐迭代直到误差值小于1 0-4,可得到两幅图像精确的外方位元素,从而实现旋转图像向基准图像的精确相对定向。以加载0k N时图像为例,将基准图像、左转5、右转5、左转1 0、右转1 0 图像分别定为P 0、P 1、P 2、P 3、P 4。试验采集图像按照加载力不同共采集八组,对所有加载状态的旋转图像进行投影变换及相对定向。相对定向后的旋转图像的投影中心误差已被纠正,可以进行图像的拼接工作。旋转图像的拼接需要考虑拼接序列的问题,采取中间向两边的方向开展拼接工作,以P 0为基准图像,先与P 1、P 2进行拼接得到新的基准图像,再与P 3、P 4拼接形成等效正视拼接图。最终阶段拼接效果如图2所示。图2 最终阶段拼接效果图2.3 测量结果及分析旋转图像拼接过程中,由于特征点数目和匹配点不同,每组图片的拼接规则都有所区别,最终输出的各阶段拼接图像幅也会不同,这会影响后期各测点像素坐标的提取转换。因此,本试验以初始加载状态中左右两支座的标志点形心距离为基准,统一各组拼接图的像幅大小。支座位置在试验过程中固定,作为后期变形计算参考点。以左侧支座标志点形心为像素坐标起点,得到不同加载状态下的标志点像素。已知不同标志点之间的实际距离及其像素横坐标,通过计算多组像素与实际距离的转换关系,取多组结果平均值作为像素 毫米转换系数w,全景拍摄时w取0.3 0 7,旋转拍摄时w为0.1 5 2。根据像素坐标及w值即可计算标定点在各阶段变形。全景拍摄及旋转拍摄处理后累计变形结果分别见表2、表3。表2 全景拍摄处理后累计变形mm加载过程标志点1百分表全景标志点2百分表全景标志点3百分表全景标志点4百分表全景标志点5百分表全景阶段10.3 50.4 40.9 71.0 41.1 71.2 31.0 91.1 30.7 30.8 0阶段20.7 80.8 31.9 91.9 92.3 82.3 62.2 22.2 11.5 71.6 0阶段31.5 01.6 53.2 03.2 83.6 63.7 83.3 93.4 82.5 12.6 1阶段42.6 62.6 35.2 15.1 95.7 35.7 75.4 35.3 43.7 33.6 8阶段53.7 23.8 47.0 57.1 87.6 67.9 37.2 87.3 64.8 64.9 5阶段65.1 05.3 59.3 69.6 11 0.0 51 0.3 89.5 79.5 76.2 16.3 9最终阶段6.4 26.5 51 1.7 41 1.9 71 2.4 91 2.7 21 1.9 31 1.7 87.7 47.7 3表3 旋转拍摄处理后累计变形mm加载过程标志点1百分表全景标志点2百分表全景标志点3百分表全景标志点4百分表全景标志点5百分表全景阶段10.9 51.0 01.7 21.6 61.7 71.7 21.7 21.6 51.0 61.0 0阶段21.8 91.8 43.3 73.2 83.5 13.4 53.3 53.2 72.0 51.9 8阶段32.7 42.6 74.8 74.7 85.0 34.9 84.8 54.7 42.9 62.8 9阶段43.5 93.5 6 46.2 66.1 86.5 16.4 46.2 56.1 63.8 03.7 2阶段54.3 34.2 87.5 97.4 87.8 97.7 97.5 87.4 74.5 84.5 1阶段65.1 65.0 89.0 08.9 09.3 69.2 98.9 98.9 25.4 45.4 6最终阶段6.0 25.9 51 0.5 11 0.4 21 0.9 31 0.8 61 0.5 01 0.4 06.3 26.3 04 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷 分别对全景拍摄和旋转拍摄进一步将每个测点在各阶段相对误差进行比较,如图3、图4所示。可以看出,伴随试验的逐级加载,相对误差整体呈现下降趋势,全景拍摄加载最终阶段的相对误差维持在2%左右,旋转拍摄加载最终阶段的相对误差维持在2%左右。全景拍摄跨中测点(测点13)的相对误差明显小于两侧(测点1、5),而旋转拍摄跨中和两侧的相对误差变化基本一致,说明旋转拍摄中透视作用的影响得到了纠正。为进一步对比旋转拍摄与全景拍摄的精度,选取两次试验加载的最终阶段作为分析对象,从四个方面比较两种方法的精确度,见表4。从表中可以看出,旋转拍摄的最大相对误差与全景拍摄基本相同,但其他方面明显优于全景拍摄。对于类似桥梁施工现场这样更大视场的拍摄环境,全景的拍摄方式受到相机分辨率的约束越大,旋转拍摄的优势也会越明显。图3 全景拍摄全阶段相对误差变化曲线图4 旋转拍摄全阶段相对误差变化曲线表4 两种拍摄方式精度对照拍摄方式最大误差值/mm平均误差/mm最大相对误差/%平均相对误差/%全景0.2 30.1 52.1 61.6 4旋转0.1 40.1 02.1 41.2 13 结论制作了钢筋混凝土试验梁,进行四点弯曲试验使其产生不同程度变形,提出了旋转拍摄图像校正拼接的具体流程,给出了全景拍摄和旋转拍摄进行图像测量的精度,并进行了比较。得到结论如下:1)通过全景拍摄和旋转拍摄两种方式采集图像对比,发现全景拍摄最大误差为0.2 3mm,而旋转拍 摄 只 有0.1 4 mm,全 景 拍 摄 平 均 误 差 为0.1 5mm,而旋转拍摄平均误差只有0.1 0。可知,旋转拍摄可以消除透视效应的影响,相较全景拍摄旋在变形测量上具有更高的精度。2)利用S I F T函数进行特征点提取及匹配,获得投影图像和基准图像的高精度同名点,对相邻图像进行精确相对定向,可以得到连续图像的高精度拼接效果图。参考文献:1 柴勇.近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用J.工程建设与设计,2 0 1 8(1 2):1 2 7 1 2 8.2 张文静,刘茵,侯英竹,等.基于S I F T算法的图像拼接优化J.中国高新科技,2 0 2 1(1 8):9 9 1 0 0.3 甘小红,覃志东,蔡勇,等.一种基于S I F T的改进优化特征匹配算法J.智能计算机与应用,2 0 2 1,1 1(1 1):5 9.4 王利华,李亮亮,郭恒林.基于目标的相机标定方法J.北京测绘,2 0 2 1,3 5(0 3):3 7 2 3 7 5.5 单宝华,霍晓洋,刘洋.张正友标定法在D I C位移测量中的应用J.实验室研究与探索,2 0 1 6,3 5(2):8 1 2,2 1.6 张靖,朱大勇,张志勇.摄像机镜头畸变的一种非量测校正方法J.光学学报,2 0 0 8(8):1 5 5 2 1 5 5 7.7 袁艳,叶会,苏丽娟.基于投影变换与S I F T结合的摆扫图像拼接技术J.现代电子技术,2 0 1 5,3 8(9):5 96 4.D O I:1 0.1 6 6 5 2/j.i s s n.1 0 0 4 3 7 3 x.2 0 1 5.0 9.0 4 0.8 赵卧龙,黄婷婷.基于相对定向的图像拼接算法J.河南城建学院学报,2 0 1 7,2 6(5):8 6 9 2.D O I:1 0.1 4 1 4 0/j.c n k i.h n c j x b.2 0 1 7.0 5.0 1 6.9 袁修孝,陈时雨,张勇.利用P C A S I F T进行特殊纹理航摄影像匹配J.武汉大学学报(信息科学版),2 0 1 6,4 1(9):1 1 3 7 1 1 4 4.1 0 谭光兴,张伦.基于改进S I F T的图像特征匹配算法J.广西科技大学学报,2 0 2 2,3 3(2):4 1 4 7.(责任编辑:梁赛平)