基于室内柔性连接式监控相机的设备地震响应监测方法

本发明涉及地震设备监测，具体为基于室内柔性连接式监控相机的设备地震响应监测方法。

背景技术：

1、地震对全球人类生命和建筑物构成了重大威胁。近年来发生的多次极端地震事件凸显了各类建筑的脆弱性，造成了广泛的破坏、经济损失和长期的功能中断。除建筑主体结构外，建筑内的关键设备的地震损坏也是建筑功能水平下降的重要原因。以医疗建筑为例，其中的医疗设备作为具有诊断、监测和治疗功能的仪器和设备，对维持医疗系统震后功能至关重要。历次震害调查结果表明，关键医疗设备损坏的现象十分常见，部分精密医疗设备的精度降低，需要经过校准和维修后才能够重新投入使用，极大地影响了医疗系统的震后功能。为迅速得知建筑内关键设备的震后破坏情况和功能状态，为建筑的震后功能迅速恢复争取时间，对设备进行地震响应监测十分有必要。

2、传统设备健康监测技术利用布置在设备上的传感器来获得设备的响应，以分析和评估设备性能。但是受昂贵的安装和维护成本的限制，且建筑内设备众多，传感器并不能广泛部署。近年来，随着光学传感器、图像处理方法和计算机视觉技术的发展，基于视觉的传感器被广泛用于结构健康监测领域，这使利用建筑内已安装的监控相机对关键设备的地震响应进行监测成了可能。使用已有的监控相机可以消除传感器的安装成本，具有良好的经济效益。因此，很有必要提出一种方法基于室内柔性连接式监控相机来监测建筑内关键设备的地震响应。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有技术利用布置在设备上的传感器来获得设备的响应，但由于建筑内设备众多，传感器并不能广泛部署的问题，提出基于室内柔性连接式监控相机的设备地震响应监测方法。

2、本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

3、基于室内柔性连接式监控相机的设备地震响应监测方法，包括以下步骤：

4、步骤一：获取室内柔性连接式监控相机，并标定监控相机内参矩阵k；

5、步骤二：分别建立设备坐标系xe-ye-ze和结构坐标系xw-yw-zw，所述设备坐标系xe-ye-ze的xe-ye平面与设备平面e重合，所述结构坐标系xw-yw-zw的xw-yw平面与下层楼板平面w重合；

6、步骤三：获得下层楼板平面w内至少四个结构特征点，并分别获取每个结构特征点在xw-yw平面内的齐次坐标以及每个结构特征点在下层楼板投影平面w0上对应的投影点的齐次坐标，其中，下层楼板投影平面w0为t0时刻下层楼板平面w在成像平面π0上的投影平面；

7、步骤四：基于步骤三中的齐次坐标，通过奇异值分解，得到下层楼板平面w和下层楼板投影平面w0之间的单应性矩阵

8、步骤五：获得设备平面e内至少四个设备特征点，并分别获取每个设备特征点在xe-ye平面内的齐次坐标以及每个设备特征点在设备投影平面e0上对应的投影点的齐次坐标，其中设备投影平面e0为t0时刻设备平面e在成像平面π0上的投影平面；

9、步骤六：基于步骤五中的齐次坐标，通过奇异值分解，得到设备平面e和设备投影平面e0之间的单应性矩阵

10、步骤七：通过平面追踪模型，得到下层楼板投影平面w0和下层楼板投影平面wn之间的单应性矩阵其中下层楼板投影平面wn为tn时刻下层楼板平面w在成像平面πn上的投影平面；

11、步骤八：通过平面追踪模型，得到设备投影平面e0和设备投影平面en之间的单应性矩阵其中设备投影平面en为tn时刻设备平面e在成像平面πn上的投影平面；

12、步骤九：利用相机内参矩阵k、单应性矩阵得到设备相对下层楼板的双向滑移地震响应δx和δy，并根据δx和δy进行设备地震响应监测。

13、进一步的，所述相机内参矩阵k表示为：

14、

15、其中，fx和fy为相机的焦距，cx和cy为图像的主点坐标。

16、进一步的，所述单应性矩阵表示为：

17、

18、其中，(xw,yw,1)t为下层楼板平面w内结构特征点在xw-yw平面内的齐次坐标，(xw0,yw0,1)t为(xw,yw,1)t在下层楼板投影平面w0中的投影点的齐次坐标。

19、进一步的，所述单应性矩阵表示为：

20、

21、其中，(xe,ye,1)t为设备平面e内设备特征点在xe-ye平面内的齐次坐标，(xe0,ye0,1)t为(xe,ye,1)t在设备投影平面e0中的投影点的齐次坐标。

22、进一步的，所述步骤九的具体步骤为：

23、步骤1：基于相机内参矩阵k，并利用单应性矩阵估计tn时刻下层楼板平面w在相机坐标系下的姿态rnw和tnw，rnw为3×3旋转矩阵，tnw为3×1平移向量，rnw＝[r1,nw,r2,nw,r3,nw]，ri,nw为旋转矩阵rnw的第i列向量；

24、步骤2：基于相机内参矩阵k，并利用单应性矩阵估计tn时刻设备平面e在相机坐标系下的姿态rne和tne，rne为3×3旋转矩阵，tne为3×1平移向量，rne＝[r1,ne,r2,ne,r3,ne]，ri,ne为旋转矩阵rne的第i列向量；

25、步骤3：根据相机内参矩阵k、r1,nw、r2,nw、tnw、r1,ne、r2,ne和tne，得到设备相对下层楼板的双向滑移地震响应δx和δy。

26、进一步的，所述步骤九的具体步骤为：

27、步骤九一：基于相机内参矩阵k，并利用单应性矩阵估计tn时刻下层楼板平面w在相机坐标系下的姿态rnw和tnw，rnw为3×3旋转矩阵，tnw为3×1平移向量，估计tn时刻下层楼板平面w在相机坐标系下的姿态rnw和tnw的具体步骤为：

28、(xw,yw,1)t为下层楼板平面w内结构特征点在xw-yw平面内的齐次坐标，(xw0,yw0,1)t为(xw,yw,1)t在下层楼板投影平面w0中的投影点的齐次坐标；

29、(xw,yw,1)t和(xw0,yw0,1)t的关系通过公式(1)表示；

30、(xw,yw,1)t及其在下层楼板投影平面wn上的投影点(xwn,ywn,1)t的关系通过公式(2)表示；

31、(xw,yw,1)t和(xwn,ywn,1)t的关系通过公式(3)表示；

32、

33、联立公式(1)、(2)和(3)，得到公式(4)，根据公式(4)得到r1,nw、r2,nw和tnw；

34、

35、其中，λ为尺度因子，k为相机的3×3内参矩阵，ri,nw为旋转矩阵rnw的第i列向量；

36、步骤九二：基于相机内参矩阵k，并利用单应性矩阵估计tn时刻设备平面e在相机坐标系下的姿态rne和tne，rne为3×3旋转矩阵，tne为3×1平移向量，估计tn时刻设备平面e在相机坐标系下的姿态rne和tne的具体步骤为：

37、(xe,ye,1)t为设备平面e内设备特征点在xe-ye平面内的齐次坐标，(xe0,ye0,1)t为(xe,ye,1)t在设备投影平面e0中的投影点的齐次坐标；

38、(xe,ye,1)t和(xe0,ye0,1)t的关系通过公式(5)表示；

39、(xe,ye,1)t及其在设备投影平面en上的投影点(xen,yen,1)t的关系通过公式(6)表示；

40、(xe,ye,1)t和(xen,yen,1)t的关系通过公式(7)表示；

41、

42、

43、联立公式(5)、(6)和(7)，得到公式(8)，根据公式(8)得到r1,ne、r2,ne和tne；

44、

45、其中，λ为尺度因子，k为相机的3×3内参矩阵，ri,nw为旋转矩阵rnw的第i列向量；

46、步骤九三：根据相机内参矩阵k、r1,nw、r2,nw、tnw、r1,ne、r2,ne和tne，得到设备相对下层楼板的双向滑移地震响应δx和δy。

47、进一步的，所述根据相机内参矩阵k、r1,nw、r2,nw、tnw、r1,ne、r2,ne和tne，得到设备相对下层楼板的双向滑移地震响应δx和δy的具体步骤为：

48、tn时刻设备平面e相对于下层楼板平面w的姿态rwe、twe分别通过公式(9)和(10)表示：

49、

50、

51、rwe和twe还可以分别通过公式(11)和(12)表示：

52、

53、联立公式(9)和公式(11)得到公式(13)，联立公式(10)和公式(12)得到公式(14)：

54、

55、根据公式(13)和公式(14)，通过r1,nw、r2,nw和tnw以及r1,ne、r2,ne和tne计算得到t1、t2、cosθ和sinθ，再代入公式(11)和(12)，得到rwe和twe，在得到rwe和twe后，通过公式(15)计算设备坐标系xe-ye-ze中的设备特征点(xe,ye,ze,1)t在结构坐标系xw-yw-zw中的坐标(xw,yw,zw,1)t：

56、

57、令分别为t0时刻设备特征点在结构坐标系xw-yw-zw中的x向和y向坐标，则x方向、y方向设备相对下层楼板的双向滑移地震响应δx、δy通过公式(16)计算：

58、

59、其中，θ为三维坐标系绕z轴的转角，ti为平移向量twe的第i元。

60、进一步的，所述标定监控相机内参矩阵k通过张正友标定法、光流法或自标定法进行。

61、进一步的，所述方法还包括定量评估步骤，所述定量评估步骤采用决定系数r2和峰值相对误差δ对设备地震响应监测误差进行定量评估，r2和δ表示为：

62、

63、其中，n为地震响应时程的采样点数量，di和di′分别为ti时刻地震响应的真值和视觉测量值，为地震响应的真值的平均值，dmax和d′max分别为地震响应峰值的真值和视觉测量值。

64、进一步的，所述柔性连接式监控相机为吊装支架连接的监控相机。

65、本发明的有益效果是：

66、本技术能够对建筑内关键设备在地震作用下的响应进行监测，无需广泛部署传感器。本技术有助于迅速得知建筑内关键设备的震后破坏情况和功能状态，为建筑的震后功能迅速恢复争取时间，能够提高城市在面对地震时的应急响应能力和韧性。本技术采用广泛安装在建筑内的柔性连接式监控相机，避免了传感器的安装和维护成本，能够产生良好的经济效益。