To overcome the drawbacks of the traditional contact-type sensor for structural displacement measurement, the vision-based technology with the aid of the digital image processing algorithm has received increasing concerns from the community of structural health monitoring (SHM). The advanced vision-based system has been widely used to measure the structural displacement of civil engineering structures due to its overwhelming merits of non-contact, long-distance, and high-resolution. However, seldom currently-available vision-based systems are capable of realizing the synchronous structural displacement measurement for multiple points on the investigated structure. In this paper, the method for vision-based multi-point structural displacement measurement is presented. A series of moving loading experiments on a scale arch bridge model are carried out to validate the accuracy and reliability of the vision-based system for multi-point structural displacement measurement. The structural displacements of five points on the bridge deck are measured by the vision-based system and compared with those obtained by the linear variable differential transformer (LVDT). The comparative study demonstrates that the vision-based system is deemed to be an effective and reliable means for multi-point structural displacement measurement.
In recent years, vision-based monitoring has received great attention. However, structural identification using vision-based displacement measurements is far less established. Especially, simultaneous identification of structural systems and unknown excitation using vision-based displacement measurements is still a challenging task since the unknown excitations do not appear directly in the observation equations. Moreover, measurement accuracy deteriorates over a wider field of view by vision-based monitoring, so, only a portion of the structure is measured instead of targeting a whole structure when using monocular vision. In this paper, the identification of structural system and excitations using vision-based displacement measurements is investigated. It is based on substructure identification approach to treat of problem of limited field of view of vision-based monitoring. For the identification of a target substructure, substructure interaction forces are treated as unknown inputs. A smoothing extended Kalman filter with unknown inputs without direct feedthrough is proposed for the simultaneous identification of substructure and unknown inputs using vision-based displacement measurements. The smoothing makes the identification robust to measurement noises. The proposed algorithm is first validated by the identification of a three-span continuous beam bridge under an impact load. Then, it is investigated by the more difficult identification of a frame and unknown wind excitation. Both examples validate the good performances of the proposed method.
With the help of advanced image acquisition and processing technology, the vision-based measurement methods have been broadly applied to implement the structural monitoring and condition identification of civil engineering structures. Many noncontact approaches enabled by different digital image processing algorithms are developed to overcome the problems in conventional structural dynamic displacement measurement. This paper presents three kinds of image processing algorithms for structural dynamic displacement measurement, i.e., the grayscale pattern matching (GPM) algorithm, the color pattern matching (CPM) algorithm, and the mean shift tracking (MST) algorithm. A vision-based system programmed with the three image processing algorithms is developed for multi-point structural dynamic displacement measurement. The dynamic displacement time histories of multiple vision points are simultaneously measured by the vision-based system and the magnetostrictive displacement sensor (MDS) during the laboratory shaking table tests of a three-story steel frame model. The comparative analysis results indicate that the developed vision-based system exhibits excellent performance in structural dynamic displacement measurement by use of the three different image processing algorithms. The field application experiments are also carried out on an arch bridge for the measurement of displacement influence lines during the loading tests to validate the effectiveness of the vision-based system.
Structural displacement is an important indicator for assessing structural safety. For structural displacement monitoring, vision-based displacement measurement systems have been widely developed; however, most systems estimate only 1 or 2-DOF translational displacement. To monitor the 6-DOF structural displacement with high accuracy, a vision-based displacement measurement system with a uniquely designed marker is proposed in this paper. The system is composed of a uniquely designed marker and a camera with a zooming capability, and relative translational and rotational displacement between the marker and the camera is estimated by finding a homography transformation. The novel marker is designed to make the system robust to measurement noise based on a sensitivity analysis of the conventional marker and it has been verified through Monte Carlo simulation results. The performance of the displacement estimation has been verified through two kinds of experimental tests; using a shaking table and a motorized stage. The results show that the system estimates the structural 6-DOF displacement, especially the translational displacement in Z-axis, with high accuracy in real time and is robust to measurement noise.
Dynamic displacement response of civil structures is an important index for in-construction and in-service structural condition assessment. However, accurately measuring the displacement of large-scale civil structures such as high-rise buildings still remains as a challenging task. In order to cope with this problem, a vision-based system with the use of industrial digital camera and image processing has been developed for long-distance, remote, and real-time monitoring of dynamic displacement of supertall structures. Instead of acquiring image signals, the proposed system traces only the coordinates of the target points, therefore enabling real-time monitoring and display of displacement responses in a relatively high sampling rate. This study addresses the in-situ experimental verification of the developed vision-based system on the Canton Tower of 600 m high. To facilitate the verification, a GPS system is used to calibrate/verify the structural displacement responses measured by the vision-based system. Meanwhile, an accelerometer deployed in the vicinity of the target point also provides frequency-domain information for comparison. Special attention has been given on understanding the influence of the surrounding light on the monitoring results. For this purpose, the experimental tests are conducted in daytime and nighttime through placing the vision-based system outside the tower (in a brilliant environment) and inside the tower (in a dark environment), respectively. The results indicate that the displacement response time histories monitored by the vision-based system not only match well with those acquired by the GPS receiver, but also have higher fidelity and are less noise-corrupted. In addition, the low-order modal frequencies of the building identified with use of the data obtained from the vision-based system are all in good agreement with those obtained from the accelerometer, the GPS receiver and an elaborate finite element model. Especially, the vision-based system placed at the bottom of the enclosed elevator shaft offers better monitoring data compared with the system placed outside the tower. Based on a wavelet filtering technique, the displacement response time histories obtained by the vision-based system are easily decomposed into two parts: a quasi-static ingredient primarily resulting from temperature variation and a dynamic component mainly caused by fluctuating wind load.
Lee, Jong Jae;Fukuda, Yoshio;Shinozuka, Masanobu;Cho, Soojin;Yun, Chung-Bang
Smart Structures and Systems
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제3권3호
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pp.373-384
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2007
For structural health monitoring (SHM) of civil infrastructures, displacement is a good descriptor of the structural behavior under all the potential disturbances. However, it is not easy to measure displacement of civil infrastructures, since the conventional sensors need a reference point, and inaccessibility to the reference point is sometimes caused by the geographic conditions, such as a highway or river under a bridge, which makes installation of measuring devices time-consuming and costly, if not impossible. To resolve this issue, a visionbased real-time displacement measurement system using digital image processing techniques is developed. The effectiveness of the proposed system was verified by comparing the load carrying capacities of a steel-plate girder bridge obtained from the conventional sensor and the present system. Further, to simultaneously measure multiple points, a synchronized vision-based system is developed using master/slave system with wireless data communication. For the purpose of verification, the measured displacement by a synchronized vision-based system was compared with the data measured by conventional contact-type sensors, linear variable differential transformers (LVDT) from a laboratory test.
본 연구에서는 마커없이 구조물의 변위를 측정할 수 있는 영상기반 변위계측 시스템(NVDMS)을 제안한다. 기존의 방식과 제안하는 NVDMS는 크게 두 가지의 차이점이 있다. 첫째, NVDMS는 마커를 사용하지 않고 구조물의 특징점의 픽셀좌표 변화를 추출한다. 둘째, 특징점의 픽셀좌표를 물리좌표로 변환하는 scaling factor는 기존 방식에선 마커의 크기로부터 계산되는 반면, NVDMS에서는 카메라와 구조물사이의 거리, 각도, 초점거리로 계산된다. 3층 축소모형의 자유진동 실험에서 제안한 NVDMS로부터 얻은 변위데이터의 신뢰도를 분석하기 위해 LDS로부터 얻은 변위데이터의 비교를 하였으며, 얻어진 변위데이터를 이용하여 동특성을 분석하였다. 분석결과 NVDMS는 마커없이 구조물의 동적변위를 정밀하게 측정가능할 뿐만 아니라 얻어진 변위데이터로부터 추출한 동특성의 신뢰도 또한 높았다.
Kim, Byunghyun;Lee, Junhwa;Sim, Sung-Han;Cho, Soojin;Park, Byung Ho
Smart Structures and Systems
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제30권5호
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pp.521-535
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2022
Efficient management of deteriorating civil infrastructure is one of the most important research topics in many developed countries. In particular, the remote displacement measurement of bridges using linear variable differential transformers, global positioning systems, laser Doppler vibrometers, and computer vision technologies has been attempted extensively. This paper proposes a remote displacement measurement system using closed-circuit televisions (CCTVs) and a computer-vision-based method for in-situ bridge bearings having relatively large displacement due to temperature change in long term. The hardware of the system is composed of a reference target for displacement measurement, a CCTV to capture target images, a gateway to transmit images via a mobile network, and a central server to store and process transmitted images. The usage of CCTV capable of night vision capture and wireless data communication enable long-term 24-hour monitoring on wide range of bridge area. The computer vision algorithm to estimate displacement from the images involves image preprocessing for enhancing the circular features of the target, circular Hough transformation for detecting circles on the target in the whole field-of-view (FOV), and homography transformation for converting the movement of the target in the images into an actual expansion displacement. The simple target design and robust circle detection algorithm help to measure displacement using target images where the targets are far apart from each other. The proposed system is installed at the Tancheon Overpass located in Seoul, and field experiments are performed to evaluate the accuracy of circle detection and displacement measurements. The circle detection accuracy is evaluated using 28,542 images captured from 71 CCTVs installed at the testbed, and only 48 images (0.168%) fail to detect the circles on the target because of subpar imaging conditions. The accuracy of displacement measurement is evaluated using images captured for 17 days from three CCTVs; the average and root-mean-square errors are 0.10 and 0.131 mm, respectively, compared with a similar displacement measurement. The long-term operation of the system, as evaluated using 8-month data, shows high accuracy and stability of the proposed system.
The safety of structures is closely associated with the structural out-of-plane behavior. In particular, long and slender beam structures have been increasingly used in the design and construction. Therefore, an evaluation of the lateral and torsional behavior of a structure is important for the safety of the structure during construction as well as under service conditions. The current contact measurement method using displacement meters cannot measure independent movements directly and also requires caution when installing the displacement meters. Therefore, in this study, a vision-based system was used to measure the in-plane and out-of-plane displacements of a structure. The image processing algorithm was based on reference objects, including multiple targets in Lab color space. The captured targets were synchronized using a load indicator connected wirelessly to a data logger system in the server. A laboratory beam test was carried out to compare the displacements and rotation obtained from the proposed vision-based measurement system with those from the current measurement method using string potentiometers. The test results showed that the proposed vision-based measurement system could be applied successfully and easily to evaluating both the in-plane and out-of-plane movements of a beam including twisting rotation.
Currently most of the vision-based structural identification research focus either on structural input (vehicle location) estimation or on structural output (structural displacement and strain responses) estimation. The structural condition assessment at global level just with the vision-based structural output cannot give a normalized response irrespective of the type and/or load configurations of the vehicles. Combining the vision-based structural input and the structural output from non-contact sensors overcomes the disadvantage given above, while reducing cost, time, labor force including cable wiring work. In conventional traffic monitoring, sometimes traffic closure is essential for bridge structures, which may cause other severe problems such as traffic jams and accidents. In this study, a completely non-contact structural identification system is proposed, and the system mainly targets the identification of bridge unit influence line (UIL) under operational traffic. Both the structural input (vehicle location information) and output (displacement responses) are obtained by only using cameras and computer vision techniques. Multiple cameras are synchronized by audio signal pattern recognition. The proposed system is verified with a laboratory experiment on a scaled bridge model under a small moving truck load and a field application on a footbridge on campus under a moving golf cart load. The UILs are successfully identified in both bridge cases. The pedestrian loads are also estimated with the extracted UIL and the predicted weights of pedestrians are observed to be in acceptable ranges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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