一种基于建筑幕墙表面的数字图像监测其面内变形的方法技术领域
本发明涉及的一种建筑幕墙面内变形的监测方法，特别关于一种基于建筑幕墙表面的数字图像监测其面内变形的方法。
背景技术
建筑幕墙经过30多年的发展，因其优美的外观、较轻的体量以及保温节能等特点，广泛应用于大型建筑结构设计之中。同时也注意到建筑幕墙在服役期间因地震、风荷载、建筑物牵连沉降等因素导致的幕墙变形是影响整体性能的主要因素。当这些荷载组合作用在建筑幕墙的表面上而引起超过幕墙承载能力极限的形变时就会导致幕墙单元的破裂从而导致安全事故。根据以上原因，通过对建筑幕墙在荷载组合作用下检测其面内变形来评估其服役期间的安全性能，是工程项目质检以及建筑力学性能监测中重要的环节。
对建筑幕墙面内变形的监测和评价的主流方法是，使用拟静力加载测试装置通过试验来还原荷载组合效果。具体方法为，在幕墙试件与拟静力加载装置活动梁的连接角码处靠幕墙构件侧布置位移计，然后启动加载装置，使活动梁沿X向、Z向或两者组合进行周期往返移动进而牵连建筑幕墙发生变形，进行周期加载的同时获取布置了位移计的相应位置的位移信息，进而计算周期荷载作用下的幕墙表面的层间位移角以及平面内变形，以此来评价建筑幕墙在地震荷载作用下所产生变形的分级指标。该方法较为简单的重现了荷载施加效果，也直观测量到了建筑幕墙面内变形的情况，但存在一定局限性：1)在角码处使用传统的位移计测量，虽能直观获取准确的数据，但其仅通过几个有限测量关键点位置的位移信息来描述整块幕墙的面内变形，对于幕墙单元其变形导致破坏位置的最薄弱位置点随使用材料、装卸结构特性的而不同。原有方法对试验中选取的关键点进行测量并不一定能够完全捕捉到这部分信息；2)该方法除去使用传统位移计测量外，由渐进式增加每个周期的位移幅度直到产生破坏，仅用肉眼观察裂纹等破坏情况来评判幕墙等级，这显然是不够精确的；3)由于幕墙形式的多样化，传统的位移计布置关键点测量对于较为对称的简易结构是可取的，但对复杂结构或狭小空间等特殊情况很难直接布置位移计直接测量；4)随着建筑幕墙飞速发展，已经从简易单个面板扩展为大型结构、连续多跨工程应用，这都提升了变形监测要研究的空间跨度和空间分辨率的要求。幕墙的面内变形监测范围要求越来越大而精度也要求越来越高。如果采用传统基于位移计测量的方式，无疑需要在拟静力加载装置上布置大量的位移计，无论是财力还是技术上都很难实现，对于大型结构物而言，这种测量方式无疑等同于局部变形测量而非整体全场测量。
发明内容
针对目前主流测量方法存在的缺陷与问题，本发明的目的是提供一种基于建筑幕墙表面的数字图像监测其面内变形的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于建筑幕墙表面的数字图像监测其面内变形的方法，其步骤包括：1)根据测试单个轴向或组合效应的要求将待测建筑幕墙固定于拟静力加载装置相应的活动梁上；2)保证整个待测幕墙测试表面置于相机视角范围中，架设一台工业数码相机，需保证相机光轴与待测幕墙表面垂直，并将工业数码相机与计算机连接，启动数字图像采集软件；3)开启整套数字成像系统并启动拟静力加载装置，对幕墙施加单轴或组合周期往复位移作用并逐级施加位移大小，同时利用相机连续拍摄一序列照片记录对应位移等级作用下幕墙表面的数字散斑图像；4)在计算机上利用二维数字图像相关匹配算法，对实验中采集到的一系列对应位移等级作用的数字图像进行相关匹配计算，得出建筑幕墙面内变形的全场位移信息。本发明克服了使用传统位移计测量方法对测量的局限性以及目视观察幕墙破坏的不可靠性，该发明通过对测量时期相机成像序列比对计算可以在不需要接触测量的情况下定量获取幕墙表面的全场面内变形信息，使得幕墙变形监测试验精度与稳定性在提高的同时简化了试验过程，成本更低廉。
所述步骤1)中，如果待测建筑幕墙的表面没有拥有足够随机特性的自然纹理，需要在实验前在幕墙待测表面人为添加散斑标记：为保证对比度与图像识别精确度最大化可以使用黑底白点的手法制斑，首先用黑色的哑光油漆喷涂幕墙表面作为背景，再使用白色哑光油漆呈颗粒随机分布状态喷洒于幕墙表面，需要保证单个颗粒点大小不占用相机采集照片的多个像素点以降低成像精度。
所述步骤2)中，相机的光轴需正对幕墙中心以保证整个幕墙测试表面都能在相机视界范围内捕捉到画面，同时实验前还需通过调整相机的光圈和焦距确保待测平面上的散斑图案成像清晰，为使精度最大化要尽可能使待测物体在视界范围内最大化。
所述步骤3)中，在拟静力荷载装置进行位移施加过程应作相对往复的三个周期，每个周期约为3s-10s，且逐级增大位移大小。在每个位移等级施加完成后对可开启幕墙结构进行开关测试检测。在实验开始前先进行一个周期位移施加作为预加载步骤，以检查幕墙连接角码与活动梁的相对位移情况并作出修正。之后进行位移周期施加并开始照片序列拍摄存储于计算机中。
所述步骤4)中，二维数字图像相关算法的匹配流程步骤如下所示：
a)实验前拍摄未产生位移形变的幕墙散斑图像作为参考图像。选择每一组不同位移幅度作用下，当前周期内最后一幅数字散斑图像，作为研究最大位移情况下的目标图像；
b)在选定的参考图像中确定要监测区域；
c)在监测区域中选择采样点；
d)确定相关计算子区，同时在目标图像中对应的位置确定搜索区域；
e)基于如下相关匹配准则，在变形后的图像中进行相关匹配计算：
其中，C为两个子区之间的相关系数，该系数越小，说明两个子区越接近；f(xi,yj)和g(x′i,y′j)分别为变形前后幕墙表面对应位置的灰度值函数；
f)进行全场搜索后相关系数最小的位置即为该采样点变形后最可能的位置，计算该位置与初始位置之间的坐标差便可得到该点经过幕墙面内变形后的位移向量；
g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；
h)基于所有采样点的位移信息重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1)本发明基于二维数字图像相关算法计算建筑幕墙全场面内变形检测，其能够定量评估幕墙表面任意位置的变形信息，而传统位移计测量方法中只能对布置测点的有限位置进行位移测量；2)本发明是一种非接触式的测量方法：由于使用图像捕捉计算技术而不需要直接接触测量幕墙的本体就能进行待测表面的变形监测；3)本发明可以通过改进相机性能与位置进行数字成像来完成大型超高层建筑幕墙等不便于人为添加传统测量仪器的研究。因此该方法具有分辨率高精准度强、便于操作与成本低廉、稳定性强等优点，具有实际推广价值。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为性能定级检测加载顺序步骤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
结合图1～2，本发明包括以下几个步骤：
步骤一：根据测试单个轴向或组合效应的要求将待测建筑幕墙固定于拟静力加载装置相应的活动梁上如图1；
步骤二：保证整个待测幕墙测试表面置于相机视角范围中，架设一台工业数码相机，需保证相机光轴与待测幕墙表面垂直，并将工业数码相机与计算机连接，启动数字图像采集软件；
步骤三：开启整套数字成像系统并启动拟静力加载装置，对幕墙施加单轴或组合周期往复位移作用并逐级施加位移大小，同时利用相机连续拍摄一序列照片记录对应位移等级作用下幕墙表面的数字散斑图像；
步骤四：在计算机上利用二维数字图像相关匹配算法，对实验中采集到的一系列对应位移等级作用的数字图像进行相关匹配计算，得出建筑幕墙面内变形的全场位移信息。
所述步骤一中，如果待测建筑幕墙的表面没有拥有足够随机特性的自然纹理，需要在实验前在幕墙待测表面人为添加散斑标记：为保证对比度与图像识别精确度最大化可以使用黑底白点的手法制斑，首先用黑色的哑光油漆喷涂幕墙表面作为背景，再使用白色哑光油漆呈颗粒随机分布状态喷洒于幕墙表面，需要保证单个颗粒点大小不占用相机采集照片的多个像素点以降低成像精度。
所述步骤二中，相机的光轴需正对幕墙中心以保证整个幕墙测试表面都能在相机视界范围内捕捉到画面，同时实验前还需通过调整相机的光圈和焦距确保待测平面上的散斑图案成像清晰，为使精度最大化要尽可能使待测物体在视界范围内最大化。
所述步骤三中，在拟静力荷载装置进行位移施加过程应按照如图所示作相对往复三个周期，每个周期约为3s-10s，且逐级增大位移大小。图中时间轴黑点处表示对可开启等特性的幕墙结构进行活动测试，图中最初的一个周期位移施加为实验前的预加载步骤，以检查幕墙连接角码与活动梁的相对位移情况并作出修正。之后进行位移周期施加并开始照片序列拍摄存储于计算机中。
所述步骤四中，二维数字图像相关算法的匹配流程步骤如下所示：
a)实验前拍摄未产生位移形变的幕墙散斑图像作为参考图像。选择每一组不同位移幅度作用下，当前周期内最后一幅数字散斑图像，作为研究最大位移情况下的目标图像；
b)在选定的参考图像中确定要监测区域；
c)在监测区域中以30像素为采样间隔选择采样点；
d)确定相关计算子区大小选择，选区以采样点为中心、15个像素点为半径的矩形区域，同时在目标图像中对应的位置确定搜索区域；
e)基于如下相关匹配准则，在变形后的图像中进行相关匹配计算：
其中，C为两个子区之间的相关系数，该系数越小，说明两个子区越接近；f(xi,yj)和g(x′i,y′j)分别为变形前后幕墙表面对应位置的灰度值函数；
f)进行全场搜索后相关系数最小的位置即为该采样点变形后最可能的位置，计算该位置与初始位置之间的坐标差便可得到该点经过幕墙面内变形后的位移向量；
g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；
h)基于所有采样点的位移信息重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。
图1说明了本发明的试验装置图。为保证相机拍摄散斑质量最优，首先将建筑幕墙待测表面均匀喷涂黑色哑光油漆作为底漆，然后在保证拥有足够随机特性的情况下标记白色哑光油漆斑点，形成图1中右下角所示的随机散斑图案。将待测幕墙固定于拟静力装置相应的活动梁上。在建筑幕墙的正前方布置一台工业相机，要求相机光轴正对幕墙形心且垂直于待测表面，将相机连接计算机以控制图像采集程序。
图2说明了试验过程中拟静力加载装置施加位移的方式。如图所示，共进行了一次为期一个周期的预应力加载，四次逐级增大位移幅度的、为期三个周期的位移。预应力加载为确认连接角码构建与幕墙没有相对位移。对于可活动的幕墙单元，在时间轴黑点处进行开启关闭等活动操作。