撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法。该方法：首先，分别建立整体空间直角坐标系xyz、相机直角坐标系XYZ以及在相机拍摄平面上的直角坐标系x1y1z1；其次，建立各直角坐标系之间的关系，并计算相机在平面上的拍摄范围ABCD的A、B、C、D点坐标以及任意一点P的坐标；然后，在区域ABCD中选取特征点，并在图像中识别出各个特征点在图像中的像素位置，建立及求解线性方程组，即可得图像与真实空间的映射关系；最后，通过对船体上的特征点进行识别，并根据上述映射关系，即可确定船体在平面内的位移。本发明测量方法采用非接触式，测量精度高，特别在大型试验测量中作用更加明显。
【专利说明】撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种运动状态测试方法，特别涉及一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法。
【背景技术】
[0002]随着城市建设的高速发展，大型高架桥梁的建设也逐年增多，由桥梁引发的船撞桥事故也屡次发生，桥梁的防撞问题已经变得极为迫切，大桥抵抗船舶撞击的问题逐渐成为困扰桥梁工程师的一个难题。防船撞问题的核心是通航安全，因为船撞桥导致的后果不仅是桥梁的损毁和交通的中断，同时也伴随船舶的损坏、环境污染以及人员伤亡，后果十
分严重。
[0003]国内外的学者们对船撞桥进行了大量的理论、试验研究，也设计出了许多的防撞装置，并且有部分也应用于实际桥梁工程中。然而在防撞试验研究过程中，对于船的撞击方向，撞击速度，以及船撞击后运行轨迹，运行速度，转动角速度，角加速度等参量的变化的研究是极其重要的，但是在试验中，特别是在1:1模型试验中，由于试验用的船体尺寸较大，难以精确测量其运行轨迹和速度等物理量的变化，这使得撞桥试验精度难以保证。
[0004]数字图像测量学是近十几年来国际上迅速发展起来的新兴交叉学科。它主要是由传统的摄影测量学、光学测量与现代时尚的计算机视觉和数字图像处理分析等学科交叉、融合，取各个学科的优势和长处而形成的。它的主要处理对象以数字(视频)序列图像为主。
[0005]数字图像测量学是研究利用摄像机、照相机等对动态、静态景物或物体的运动进行拍摄得到的序列或单帧数字图像，再应用数字图像处理分析等技术结合各种目标信息的求解和分析算法，对目标结构参数或运动参数进行测量和估计的理论和技术。国内外许多人也把数字图形测量的技术方法称为光线测量或简称光侧。
[0006]数字图像测量通过分析目标图像实现测量的目的，属于非接触测量，因而不会对目标的结构特性和运动特性带来任何干扰，测量结果客观、可视、可信。数字图像分析中各种亚像素方法也使得目标的图形定位精度能够达到十分之一甚至百分之一像素的量级，有效的保证了测量结果的精度。由于时间序列图像提供了一维时间轴信息，因此通过对序列图像处理可以实现对测量对象的动态测量，同时还可以做到对被测对象的实时测量、监测、监控等。加之数字图形测量具有实施简易、适用面广等特点，因此这在各种飞行器、车辆、船舶等运动测量中有着非常大的实用价值，并将迎来更大的发展。
[0007]本发明专利提供一种数字图像测量方法测量撞桥试验中船体的运动轨迹。该测量方法采用非接触式，测量精度高，特别在大型试验测量中作用更加明显。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种采用非接触式，测量精度高的测量撞桥试验中船体运动轨迹的撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法。
[0009]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法，包括如下步骤，
步骤SOl:以空间中的水平面为#平面，竖向为Z轴方向建立整体空间直角坐标系;以相机镜头所在平面为平面，相机光轴方向为Z轴方向建立相机直角坐标系Z7Z，该相机直角坐标系的原点与整体空间直角坐标系的原点重合；
步骤S02:设相机拍摄平面为相机在平面-上的拍摄范围为区域AB⑶，区域AB⑶在相机中的成像平面为A’ B’ C’ D’ ；在平面#任意选择一点O1建立直角坐标系平面平行于平面F，轴垂直于平面^ ;并设点O1在整体空间直角坐标系^^中的坐标为
【权利要求】
1.一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法，其特征在于:包括如下步骤， 步骤SOl:以空间中的水平面为#平面，竖向为Z轴方向建立整体空间直角坐标系 ;以相机镜头所在平面为平面，相机光轴方向为Z轴方向建立相机直角坐标系Z7Z，该相机直角坐标系的原点与整体空间直角坐标系的原点重合； 步骤S02:设相机拍摄平面为相机在平面,上的拍摄范围为区域AB⑶，区域AB⑶在相机中的成像平面为A’ B’ C’ D’ ；在平面F任意选择一点O1建立直角坐标系平面平行于平面#，Z1轴垂直于平面f ;并设点O1在整体空间直角坐标系^^中的坐标为 步骤S03:设相机直角坐标系中，相机X方向的视场角为20, Y方向的视场角为2θ2’相机X方向的分辨率为Λτ￥, Y方向的分辨率为^);在相机直角坐标系zrz中，分别计算直线OA、OB、OC、OD的方向向量及直线方程；相机直角坐标系绕X轴、Y轴、Z轴旋转角度后与整体空间直角坐标系^^重合;则可得在整体空间直角坐标系中，直线0A、0B、0C、0D的方向向量，并进一步求得A、B、C、D四个端点的坐标，得到区域AB⑶的大小和形状； 步骤S04:区域AB⑶中任意一点产在成像平面A’B’C’D’中的成像位置为Z ;设点Z像素坐标为(X/),其中，f表示水平方向像素点个数，j表示竖直方向像素点个数；在整体空间直角坐标系中，可求得直线OP的方向向量、直线方程以及P点坐标； 步骤S05:在区域ABCD中选取特征点，并通过测量工具测量出各个特征点在直角坐标系中的坐标位置，即,為),為)》…,(ilgjK),其中^为特征点个数；在图像中识别出各个特征点在图像中的像素位置，并建立及求解线性方程组，即可得图像与真实空间的映射关系； 步骤S06:通过对船体上的特征点进行识别，即可得各个特征点的像素坐标然后带入步骤S05的映射关系就可求解出该特征点在整体空间直角坐标系中的空间坐标位
?)’通过前后两次坐标即可确定船体在平面#内的位移。
2.根据权利要求1所述的撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法，其特征在于:所述步骤S03具体计算过程如下， 在相机直角坐标系中，分别计算直线OA、OB、OC、OD的方向向量及直线方程为: 直线OA的方向向量为ftan4-tail^,其直线方程为:
3.根据权利要求1所述的撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法，其特征在于:所述步骤S04具体计算过程如下，设直线￡)/^在X方向以及Y方向的夹角分别为沒|和^，则有以下关系式:
【文档编号】G01B11/03GK103954220SQ201410187913
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】蒋国平, 肖三霞, 杜永峰 申请人:福建江夏学院