Kỹ thuật đo chuyển vị kết cấu bê tông sử dụng camera

Bài viết Kỹ thuật đo chuyển vị kết cấu bê tông sử dụng camera giới thiệu kĩ thuật phân tích ảnh dùng để đo biến dạng kết cấu bằng chương trình MATLAB và sử dụng để đo chuyển vị của thí nghiệm dầm cao bê tông cốt thép có khoét lỗ. Kết quả được kiểm tra với chuyển vị thu được trên đồng hồ đo.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 13 KỸ THUẬT ĐO CHUYỂN VỊ KẾT CẤU BÊ TÔNG SỬ DỤNG CAMERA DISPLACEMENT MEASUREMENT TECHNIQUE FOR CONCRETE STRUCTURES USING CAMERA Trương Hoài Chính, Đào Ngọc Thế Lực Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; thchinh@dut.udn.vn, dntluc@dut.udn.vn Tóm tắt - Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ xử lý ảnh, việc phân tích ảnh để xác định biến dạng, chuyển vị thay cho việc sử dụng loại cảm biến đo biến dạng LVDT, strain gauge Hiện nay, thị trường có nhiều loại máy ảnh kĩ thuật số có độ phân giải cao với cơng nghệ xử lý ảnh ngày hồn thiện việc kết hợp thiết bị thu ảnh cơng cụ phân tích ảnh để tạo thiết bị đo biến dạng chuyển vị biến dạng cần thiết thiết bị cho phép quan trắc chuyển vị diện tích rộng, trích xuất kết vùng miền đo đạc, đồng thời thiết bị dễ dàng lắp đặt, sử dụng giá thành thấp Bài viết giới thiệu kĩ thuật phân tích ảnh dùng để đo biến dạng kết cấu chương trình MATLAB sử dụng để đo chuyển vị thí nghiệm dầm cao bê tơng cốt thép có khoét lỗ Kết kiểm tra với chuyển vị thu đồng hồ đo Abstract - Today, with the rapid development of image processing technology, image analysis to identify deformation and displacement will replace the use of LVDT, strain gauges There are currently many types of high resolution digital cameras and improved image processing technology The combination of image capture equipment and image analysis tools to create equipment for measurement of displacement and deformation is necessary for the below reasons: (1) allowing the observation of deformation on the structural surface over a wide area, (2) allowing the extraction of the results of any region of the measuring domain simultaneously, (3) being easy for installation, use and low cost This article introduces the image analysis technique used to measure structural displacement by MATLAB program The device is used to measure the displacements of reinforced concrete deep beam with openings Từ khóa - phân tích ảnh; DIC; đo đạc chuyển vị; MATLAB; hiệu chỉnh ảnh Key words - image analysis; DIC; displacement measurement; MATLAB; calibration Đặt vấn đề Hiện nay, việc quan trắc đo chuyển vị, biến dạng bề mặt kết cấu bê tông chủ yếu dựa vào thiết bị cảm biến đo chuyển vị LVDT hay cảm biến strain gauge Thiết bị dùng để đo chuyển vị, biến dạng cục vị trí lắp đặt Khi vùng đo biến dạng lớn số vị trí cần lấy chuyển vị nhiều cần phải sử dụng số lượng lớn strain gauge, LVDT Sự phân bố nhiều strain gauge dây dẫn bề mặt kết cấu gây trở ngại lớn cho việc quan sát ứng xử bề mặt bê tông Hơn nữa, strain gauge đo chuyển vị theo phương mà điểm bề mặt chuyển vị xảy theo nhiều phương, nên kết đo đạc dùng strain gauge không phản ánh hết trạng thái biến dạng điểm bề mặt bê tông Đồng thời với lượng lớn cảm biến cần hệ thiết bị thu thập số liệu gây cồng kềnh phức tạp Bên cạnh đó, trường hợp cần đo ứng xử bê tông giai đoạn chưa đông kết co ngót ban đầu, khơng thể sử dụng thiết bị Như vậy, có nhiều hạn chế sử dụng phương pháp đo truyền thống cho việc đo biến dạng, chuyển vị kết cấu Một phương thức phát triển áp dụng để đo biến dạng, chuyển vị khác, phổ biến phịng thí nghiệm giới sử dụng kĩ thuật quan học công nghệ xử lý ảnh (kĩ thuật giao thoa ảnh kĩ thuật tương quan ảnh số) Phương thức đo đạc giao thoa yêu cầu nguồn sáng kết hợp, phương thức đo đạc thực dựa tảng vật lý quang học Phương thức đo đạc biến dạng cách ghi lại khác biệt pha sóng ánh sáng phân tán từ bề mặt vật thể thử nghiệm trước sau biến dạng Các kết đo thường trình bày dạng vân giao thoa; đó, cần có thêm kỹ thuật phân tích vân giao thoa pha ánh sáng để nhận diện kết đo biến dạng, chuyển vị Trong đó, kỹ thuật khơng giao thoa xác định biến dạng bề mặt cách so sánh thay đổi cường độ xám bề mặt vật thể trước sau biến dạng, thường có u cầu nghiêm ngặt điều kiện thí nghiệm, đại diện cho kĩ thuật phương pháp DIC (digital image correlation – tương quan hình ảnh số) chấp nhận rộng rãi thường sử dụng công cụ mạnh mẽ linh hoạt cho phép đo biến dạng bề mặt thí nghiệm học vật rắn Phương thức đo đạc biến dạng chuyển vị toàn vùng cần quan sát, cách so sánh hình ảnh số bề mặt mẫu trạng thái không bị biến dạng trạng thái bị biến dạng Về nguyên tắc, DIC hệ thống đo lường quang học dựa kỹ thuật số xử lý hình ảnh tính tốn số Phương thức phát triển nhóm nghiên cứu trường Đại học Nam Carolina vào năm 1980, kĩ thuật xử lý ảnh số tính tốn số cịn thời kì sơ khai Tuy nhiên, thời gian qua, phương pháp DIC nghiên cứu cải tiến đáng kể, nhằm giảm tính phức tạp tính tốn, đạt độ xác cao mở rộng phạm vi áp dụng Phương pháp 2D DIC cách sử dụng máy ảnh cố định giới hạn phép đo biến dạng phẳng bề mặt phẳng đối tượng Để đạt độ tin cậy phương pháp đo, số yêu cầu hệ thống đo đạc phải đáp ứng Nếu đối tượng thử nghiệm có mặt cong, biến dạng ba chiều (3D) xảy sau đặt tải phương pháp 2D DIC khơng cịn áp dụng Phương thức đo biến dạng sử dụng camera sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Raffard (2001) [5] ước lượng vùng chuyển vị biến dạng bề mặt đá vữa sử dụng xử lý hình ảnh số Kuo (2003) [4] thực phân tích ảnh để tính tốn biến dạng tinh thể nhôm Shih (2006) [6] quan sát vết nứt kết cấu sử dụng phương pháp hiệu chỉnh hình ảnh số áp dụng cho kết cấu khối xây gạch Capéran (2007a), Capéran (2007b) [1] [2] tính vị trí chuyển vị trường ứng suất sàn bê tơng cốt thép thí nghiệm chịu động đất đưa thuật toán để theo dõi vết nứt Capéran (2007c) [3] áp dụng phép đo Trương Hồi Chính, Đào Ngọc Thế Lực 14 chuyển vị 3D dựa hình ảnh để đo biến dạng uốn cột hình trụ Yang (2011) [7] đề xuất phương thức đo biến dạng bề mặt kết cấu bê tơng cốt thép, dựa vào hình ảnh chụp bề mặt kết cấu trước suốt q trình thí nghiệm, cơng cụ xử lý ảnh Trong báo cáo, nhóm tác giả đề xuất phương thức thực đo biến dạng dựa vào hình ảnh gồm có bước Nhóm xây dựng thuật toán kết hợp sử dụng để xác định chuyển vị biến dạng ảnh hiệu chỉnh Kết chuyển vị, biến dạng thu có độ xác thấp nhiều so với việc sử dụng cảm biến strain gauge Với lưới đo đạc thô cho độ xác cao so với lưới mịn hơn, kết biến dạng đảm bảo độ xác cần thiết cho kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Yang (2013) [6] đề xuất phương thức quan sát vết nứt kết cấu trụ bê tông cốt thép việc phân tích ảnh từ hình ảnh chụp từ bề mặt mẫu Tác giả mô tả phương pháp luận mơ hình tốn học cho việc nhận diện tính tốn bề rộng vết nứt Theo đó, quy trình thực phân tích vết nứt ảnh cho kết cấu dạng trụ BTCT đề xuất gồm bước Điều ý thực phân tích ảnh cho bề mặt cong số điểm điều khiển phải đủ để xác định vùng đo đạc Tác giả phân tích bề mặt cong với kết bề rộng vết nứt thu chênh lệch 0,03 mm so với đo tay, chương trình nhận diện vết nứt phát triển mà mắt thường không quan sát Phương pháp 2D DIC gặp phải nhược điểm camera phải đặt song song với bề mặt mẫu, bề mặt phẳng mẫu thí nghiệm phải có phân bố cường độ màu xám ngẫu nhiên Vấn đề khắc phục cách sử dụng nhiều camera không cần thiết phải đạt song song với bề mặt mẫu, nhờ công nghệ xử lý ảnh điều chỉnh để xây dựng lại không gian điểm cần đo, thực đo xác vị trí cần đo Bài viết đề xuất quy trình đo chuyển vị sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh để phân tích hình ảnh chụp mẫu kết cấu bê tông cốt thép camera Q trình phân tích ảnh thực phần mềm Matlab Bài báo tiến hành đo chuyển vị thí nghiệm dầm cao có lỗ mở, xác minh độ tin cậy với kết đo chuyển vị phương thức khác (đo đồng hồ chuyển vị) Quy trình kĩ thuật đo chuyển vị sử dụng camera Phương thức đo đạc dựa sử dụng camera thực dựa giả thiết vùng đo đạc phẳng trước sau thí nghiệm, theo quy trình tính thực theo trình tự sau: Quy trình thực sau: Bước 1: Chuẩn bị mẫu thử - Thực vẽ lưới lên bề mặt mẫu, việc tạo đặc trưng cho bề mặt kết cấu để dễ dàng theo dõi chuyển vị khu vực đo; - Dán điểm mốc lên bề mặt mẫu, cần đánh dấu góc vùng đo; - Lắp đặt cặp camera có giá đỡ an tồn để chụp hình vùng thí nghiệm Với phương thức camera khơng cần thiết phải đặt song song với vùng đo đạc Một camera dùng để quan sát toàn vùng đo suốt trình thí nghiệm Nếu khơng gian lắp đặt hạn chế, camera khơng cần phải lắp đặt song song với vùng đo cho phép có chướng ngại vật nằm vùng đo đạc camera Những chướng ngại vật không di chuyển; - Lắp đặt thiết bị điều khiển từ xa để thực việc chụp ảnh tự động từ xa, tránh chạm vào camera gây nhiễu ảnh hưởng đến kết phân tích Bước 2: Chụp hình bàn cờ - Đặt bàn cờ gần vùng đo đạc; - Chụp cặp ảnh camera thời điểm; - Di chuyển ô bàn cờ chút; - Thực chụp bàn cờ vị trí Sau lặp lại bước thực chụp nhiều cặp ảnh, tối thiểu 10 cặp ảnh; - Đo đạc kích thước nhỏ bàn cờ, xác định kích thước dx, dy Như vậy, liệu thu bước cặp ảnh chụp bàn cờ kích thước (dx,dy) Bước 3: Chụp hình mẫu trước trình thí nghiệm - Chụp cặp ảnh trước bắt đầu thí nghiệm với giả thiết vùng đo đạc không biến dạng Trong phương thức này, biến dạng chuyển vị đo cách so sánh ảnh trạng thái ban đầu ảnh trạng thái bị biến dạng Như vậy, ảnh ban đầu xem trạng thái tham khảo mẫu; - Thực chụp cặp ảnh vùng đo biến dạng ứng với cấp tải trọng; - Ghi lại thông tin thí nghiệm (thời gian, chuyển vị, lực …) thực chụp cặp ảnh; - Lặp lại trình chụp hình ghi chép liệu thí nghiệm kết thúc thí nghiệm Những cặp ảnh chụp q trình thí nghiệm nên thực camera thời gian Nếu không chụp thời gian kết đo đạc khơng đạt độ xác mong đợi Trong tồn q trình thí nghiệm, camera khơng va chạm di chuyển Bước 4: Chạy chương trình hiệu chỉnh camera - Hiệu chỉnh camera trình để tìm kiếm tham số chuyển hệ trục tọa độ (hệ trục tọa độ tổng thể (world coordinate), hệ tọa độ camera (camera coordinate), hệ tọa độ chuẩn (normalized coordinate) hệ tọa độ ảnh ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển (image coordinate)) Những tham số sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng việc hạn chế không gian lắp đặt độ méo mó ảnh Hệ trục tọa độ tổng thể 15 Thực lắp đặt mẫu, lắp đặt camera chuẩn bị bề mặt mẫu Hình Hệ trục tọa độ camera Hình Thiết lập thí nghiệm Hệ trục tọa độ chuẩn Hệ trục tọa độ ảnh Chụp hình ô bàn cờ để sử dụng cho việc hiệu chỉnh camera Thực chụp với 10 cặp hình cho camera trái phải Các cặp hình phải thực lúc từ thiết bị điều khiển bên Hình Các hệ tọa độ phương thức đo biến dạng sử dụng camera - Chạy chương trình hiệu chỉnh camera với liệu đầu vào lấy Bước Việc thực dựa vào công cụ có sẵn Matlab 2009a Các tham số camera bao gồm: + Các tham số bên camera Gồm ma trận góc xoay R vec-tơ chuyển vị T; + Các tham số bên camera: Chiều dài tiêu cự fx fy, hệ số góc xoay α, điểm Cx, Cy, hệ số biến dạng ảnh Bước 5: Tính tốn chuyển vị xuất kết chuyển vị - Chọn điểm khống chế P1, P2, P3 hệ tọa độ tổng thể Chọn hệ trục tọa độ Oxy dùng xác định chuyển vị - Vì camera khơng song song với bề mặt đo, ảnh thu có độ méo mó nên khơng thể sử dụng ảnh chụp trực tiếp để đo biến dạng, mà thông qua tham số camera thu Bước để hiệu chỉnh ảnh, loại bỏ ảnh hưởng quang cảnh độ méo ảnh để đưa ảnh trạng thái phẳng cân bằng, lúc đó, chuyển vị vùng đo đạc đo trực tiếp từ hình ảnh hiệu chỉnh - Tính tốn vùng chuyển vị kĩ thuật khớp nối ảnh biến dạng ảnh trạng thái ban đầu Ảnh hiệu chỉnh đo đạc ban đầu phân chia thành lưới ô nhỏ, ô đơn vị đo Mỗi ảnh ô ảnh mẫu dùng để tham khảo để tìm vị trí ảnh ảnh hiệu chỉnh vùng đo đạc biến dạng Chuyển vị điểm ô ảnh phản ảnh biến dạng bề mặt vùng đo đạc Việc tính chuyển vị thực dựa vào chương trình Matlab Thí nghiệm đo chuyển vị dầm cao camera Phần thực đo chuyển vị dầm cao có khoét lỗ vị trí dầm Kết so sánh với chuyển vị đo đồng hồ vị trí Hình Chụp hình bàn cờ Chụp hình mẫu trạng thái không tải trạng thái chịu lực ứng với cấp tải, máy ảnh chụp đồng thời để hạn chế sai số kết đo Chuyển vị vị trí dầm đọc từ đồng hồ thu sau: Cặp ảnh Cấp tải (kN) 0,0 24,0 58,6 93,2 Chuyển vị (mm) 0,0 1,15 1,8 2,3 Hình Chọn hệ trục đo chuyển vị Với hình ảnh chụp từ cấp gia tải, sử dụng Matlab phân tích ảnh xác định chuyển vị điểm dầm cao (điểm số 8), kết chuyển vị xuất từ chương trình đo pixel Trương Hồi Chính, Đào Ngọc Thế Lực 16 với phát triển mạnh mẽ công nghệ xử lý ảnh, việc phân tích ảnh để xác định chuyển vị thay cho việc sử dụng loại cảm biến đo biến dạng LVDT Bài báo cung cấp nhìn tổng quan phương pháp đo biến dạng sử dụng camera đề xuất quy trình đo chuyển vị sử dụng camera thông thường, công cụ phân tích ảnh dựa vào Matlab, sử dụng thiết bị quy trình để khảo sát chuyển vị dầm cao có kht lỗ Kết thí nghiệm cho thấy chuyển vị đo dựa vào camera tương đồng so với đo đồng hồ đo biến dạng Ngoài ra, phương thức cho phép người sử dụng xuất chuyển vị điểm bề mặt cần đo, mà việc sử dụng LVDT hay đồng hồ đo chuyển vị khơng thực Hình Ví dụ kết chuyển vị từ chương trình Matlab Kết chuyển vị đo trực tiếp từ đồng hồ đo ảnh số dựa vào camera Hình So sánh kết chuyển vị Qua đồ thị thấy chuyển vị phương pháp đo không chênh lệch nhiều, cho thấy tính xác phương pháp đo chuyển vị dựa vào hình ảnh Ngồi ra, phương pháp cho phép trích xuất chuyển vị điểm bề mặt vùng đo Kết luận Hiện nay, với phổ biến máy ảnh kĩ thuật số TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Capéran (2007a), Personal communication [2] Capéran (2007b), Displacement and strain field photogrammetric measurements of a reinforced concrete slab submitted to an Earthquakes loading, Proceedings of the OPTIMESS 2007 Workshop [3] Capéran (2007c), A new tracking algorithm with application to a Practical measurement case, Proceedings of the 8th conference on Optical 3-D measurement teachniques [4] Kuo J-C, S Zaefferer, Z Zhao, M.Winning and D Raabe (2003), Deformation behaviour of aluminium bicrystals, Advanced Engineering Material 5, pp 563-566 [5] Raffard D., P Ienny and J.-P Henry (2001), "Displacement and strain field at a stone /mortar interface by digital image processing", Journal of Testing and Evaluation, Vol 29, No 2, 2001, pp 115-122 [6] Shih M H., S H Tung, J C Kuo and W P Sung (2006), The Application of a Digital Image Correlation Method for Crack Observation, The Eighth Internation Conference on Computational Structures Technology [7] Yang Y.-S., C.-W Huang and C.-l Wu (2011), A simple imagebased strain measurement method for measuring the strain fields in an RC-wall experiment, Earthquake Engng Struct Dyn, 2012, 2041:2011–2017 [8] Yang Y S., H C Yang, Y C Chen, H J Lu, C C Chang, C L Wu and T T C Hsu (2013), Image Analysis for Crack Observation of a Cylinder RC Structure Cyclic Test, 6th International Conference on Advances in Experimental Structural Engineering, 11th International Workshop on Advanced Smart Materials and Smart Structures Technology August 1-2, 2015, University of Illinois, Urbana-Champaign, United States (BBT nhận bài: 22/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/05/2017) ... tin cậy với kết đo chuyển vị phương thức khác (đo đồng hồ chuyển vị) Quy trình kĩ thuật đo chuyển vị sử dụng camera Phương thức đo đạc dựa sử dụng camera thực dựa giả thiết vùng đo đạc phẳng... người sử dụng xuất chuyển vị điểm bề mặt cần đo, mà việc sử dụng LVDT hay đồng hồ đo chuyển vị khơng thực Hình Ví dụ kết chuyển vị từ chương trình Matlab Kết chuyển vị đo trực tiếp từ đồng hồ đo. .. xác định chuyển vị thay cho việc sử dụng loại cảm biến đo biến dạng LVDT Bài báo cung cấp nhìn tổng quan phương pháp đo biến dạng sử dụng camera đề xuất quy trình đo chuyển vị sử dụng camera thơng