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基于图像处理的建筑物振动位移测量算法

陈昌川 李奎 乔飞 姜宏伟 赵曼淇 公茂盛 王海宁 张天骐

引用本文: 陈昌川, 李奎, 乔飞, 姜宏伟, 赵曼淇, 公茂盛, 王海宁, 张天骐. 基于图像处理的建筑物振动位移测量算法[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190805 shu
Citation:  Changchuan CHEN, Kui LI, Fei QIAO, Hongwei JIANG, Manqi ZHAO, Maosheng GONG, Haining WANG, Tianqi ZHANG. Measurement Algorithm of Building Vibration Displacement Based on Image Signal Processing[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190805 shu

基于图像处理的建筑物振动位移测量算法

    作者简介: 陈昌川: 男,1978年生,副教授,研究方向为智能信息处理、图像处理、移动通信;
    李奎: 男,1990年生,硕士生,研究方向为图像与信号处理、目标检测与识别;
    乔飞: 男,1977年生,研究员,博士,研究方向为集成智能、信号处理;
    姜宏伟: 男,1996年生,硕士生,研究方向为图像处理;
    赵曼淇: 男,1997年生,博士生,研究方向为无人机目标检测追踪;
    公茂盛: 男,1976年生,研究员,博士,研究方向为地震工程研究;
    王海宁: 男,1994年生,硕士生,研究方向为模式识别、图像处理;
    张天骐: 男,1971年生,教授,博士,研究方向为语言信号处理、图像处理、通信信号的调制解调、盲处理、神经网络实现以及FPGA、VLSI实现
    通讯作者: 乔飞,qiaofei@tsinghua.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC1500601),国家自然科学基金(61701067, 61771085, 61671095, 61702065);重庆市研究生教育教学改革研究重点项目(yjg192019)

摘要: 针对地震后高层建筑物结构损伤监测问题,该文提出一种基于方向码匹配(OCM)和边缘增强匹配(EEM)算法的微小位移测量算法。该算法先将原始图像梯度信息与像素强度融合,增强图像信息;采用相位相关法进行匹配运算,匹配速度比归一化互相关法提升了96.1%;最后使用亚像素插值法,使测量结果达到亚像素精度。实验结果表明,该文算法避免了OCM和EEM算法量化过程中图像梯度信息的损失,大大提高了模板匹配精度,匹配速度比OCM提升了43.3%,比EEM提升了19.6%。

English

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  • 图 1  算法系统框图

    图 2  实验平台

    图 3  黑白格标靶

    图 4  各算法在不同振幅下的测试结果

    图 5  各算法在不同频率下的测试结果

    图 6  各算法在EI Centro地震波上的测试结果

    表 1  位移测量误差对比(1.0 Hz-0.1 mm)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.156919.1537
    EEM0.081113.7379
    本文算法0.041912.9371
    ORB0.186110.2422
    L_SURB0.045511.5654
    FRIF0.063513.9175
    AKAZE+BRIEF0.048614.0518
    下载: 导出CSV

    表 4  位移测量误差对比(1.0 Hz-5.0 mm)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.17651.7105
    EEM0.13601.3456
    本文算法0.08100.8077
    ORB3.649624.3930
    L_SURB0.33193.2540
    FRIF1.392112.2768
    AKAZE+BRIEF2.903417.7774
    下载: 导出CSV

    表 2  位移测量误差对比(1.0 Hz-0.5 mm)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.14588.6670
    EEM0.07625.5342
    本文算法0.02082.0162
    ORB0.481312.9148
    L_SURB0.06455.2588
    FRIF0.267815.0890
    AKAZE+BRIEF0.03463.3131
    下载: 导出CSV

    表 3  位移测量误差对比(1.0 Hz-2.0 mm)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.12992.8043
    EEM0.06941.5857
    本文算法0.02540.6234
    ORB0.50698.4445
    L_SURB0.09132.2266
    FRIF0.11482.7637
    AKAZE+BRIEF0.08161.9882
    下载: 导出CSV

    表 5  位移测量误差对比(2.0 mm-0.5 Hz)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.14043.0762
    EEM0.09512.2242
    本文算法0.04071.0115
    ORB0.601611.2924
    L_SURB0.14603.5440
    FRIF0.48379.8989
    AKAZE+BRIEF0.09842.4386
    下载: 导出CSV

    表 8  位移测量误差对比(2.0 mm-5.0 Hz)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.18984.3983
    EEM0.12532.9423
    本文算法0.09832.4761
    ORB0.745814.4986
    L_SURB0.512711.6999
    FRIF0.531311.4219
    AKAZE+BRIEF0.406710.1836
    下载: 导出CSV

    表 6  位移测量误差对比(2.0 mm-1.0 Hz)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.12992.8043
    EEM0.06941.5857
    本文算法0.02540.6234
    ORB0.50698.4445
    L_SURB0.09132.2266
    FRIF0.11482.7637
    AKAZE+BRIEF0.08161.9882
    下载: 导出CSV

    表 7  位移测量误差对比(2.0 mm-2.0 Hz)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.14923.4415
    EEM0.09742.2766
    本文算法0.05711.4305
    ORB0.753312.7011
    L_SURB0.11022.7085
    FRIF0.29115.2361
    AKAZE+BRIEF0.37279.2922
    下载: 导出CSV

    表 9  位移测量误差对比(EI Centro)

    算法RMSE (mm)NRMSE (%)
    OCM0.14882.2487
    EEM0.10721.6262
    本文算法0.07001.0812
    ORB0.811810.5354
    L_SURB0.13792.1263
    FRIF0.24203.7104
    AKAZE+BRIEF0.13202.0248
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    表 11  归一化互相关法与相位相关法帧间平均匹配时间对比

    算法平均匹配时间(ms)
    归一化互相关法127.3326
    相位相关法4.9565
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    表 10  帧间运算平均时间对比(EI Centro)

    算法平均运算时间(ms)
    OCM693.5835
    EEM476.2980
    本文算法378.3580
    ORB80.6894
    L-SURB62.1746
    FRIF199.6995
    AKAZE+BRIEF45.2793
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  • 通讯作者:  乔飞, qiaofei@tsinghua.edu.cn
  • 收稿日期:  2019-10-16
  • 录用日期:  2020-04-12
  • 网络出版日期:  2020-04-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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