中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

電腦視覺用於鋼筋混凝土梁中間點垂直位移之研究

系 所 別：土木工程學系碩士班 學號姓名：M09004004 李金榮 指導教授：楊 國 湘 博 士

中華民國 九十三 年 七 月

中文摘要

近年來電腦視覺系統的發展，已經能夠精確的量測物體表面的面 內位移與應變，並廣泛的被運用於材料力學研究，如果能夠運用電腦 視覺從事橋樑位移監測的工作，則電腦視覺監測系統只需在遠端擷取 被監測橋樑的影像，並直接依據影像計算結構位移，讓監測系統毋須 架設於被監視結構物上，不但可解決量測結構位移參考原點的問題，

亦可避免結構監測系統架設於結構物上配線與裝設的困擾，此外電腦 視覺監測系統具有極佳的可攜性，可作為具高度危險性的災害現場結 構物安全監測，因此讓電腦視覺系統作為橋樑垂直位移監測的絕佳選 擇。

本研究的主要目的是充分利用現代數位影像擷取的能力，運用本 研究所提出的畫素重心位移的影像處理方法，發展出具有量測橋樑結 構變形位移能力的電腦視覺監測系統，並以鋼筋混凝土樑的三點彎矩 實驗模擬橋樑結構的變形位移。實驗過程中以LVDT位移計量測試體 中間點的垂直位移，並與電腦視覺位移監測系統量測結果相互比較，

本研究發現，電腦視覺位移監測系統的精確度可達0.01mm，已達到 次畫素精確度。

關鍵詞：畫素重心位移法、影像處理、電腦視覺、橋梁變位量測

ABSTRACT

Recently, computer vision techniques were developed to determine the in-plane displacement and strain of an object surface accurately; therefore, these techniques have been used by many researchers for their studies.

If those techniques can be used to monitor the vertical displacement of bridge, it will gain many advantages. First, due to the characteristic of computer vision system, it can monitor a bridge behavior from a distance and calculate the displacement of bridge basing on the variation of digital images of the bridge. Since it dose not need to install any sensor on a bridge, it can solve the difficulty of wiring on a bridge and to find a stationary reference platform for sensors. Secondly, the system setup is easy and portable compared with other monitoring systems. It can be used for monitoring the safety of structure on disaster area under danger situations. Due to those reasons, computer vision system is a good candidate for monitoring the displacement of bridges.

The main purpose of the study is to use computer vision techniques to develop structure-monitoring system for bridges by using the pixels’

center displacement method. Three points bending test for reinforced concrete beam was used to verify the developed system. By comparing the displacement results measured by LVDT and computer vision method, the computer vision-monitoring system can measure the center

displacement of a reinforced concrete beam with sub-pixel accuracy.

Key Words： Pixels’ Center Displacement Method, Bridge Displacement Measurement, Computer Vision, Image Processing

誌 謝

本論文承蒙恩師 楊國湘博士，於學生研究期間給予悉心指導，

使學生在專業知識與觀念啟發上獲益匪淺，於論文撰寫期間批閱斧 正，使論文得以順利完成，僅在此致上最高的敬意，師恩浩瀚學生將 永銘於心。

論文發表審查期間承蒙台灣高速鐵路 陳永毅博士、 國立交通 大學 陳誠直博士及本校 張奇偉博士與 徐增興博士於百忙之中 撥冗指正，給予諸多寶貴意見，使論文更臻完善，在此深表謝意。同 時亦感謝 茍昌煥老師及 廖述濤老師，求學期間給予的教誨及協 助，學生至感銘謝。

感謝學長姐逸君、富順、齊彥等人經驗傳承。感謝同儕富閔、維 彬、忠和、進國、齊蔚、芳政、耀賢、振華、芳如等人於課業上相互 支持與鼓勵。學弟妹小強、誌銘、玉炫、炯宏、銘雄、俊龍、名遠、

瑜萱、憲俞、國森、晏誌、佳琪、國棠、銘祥、聖彥、羿安、雪蘭、

芃逸、安琪、士弘、銘鋒的熱心幫忙及關心，再此一併致謝。

最後感謝我摯愛的家人與女友一琪，感謝您們對我無微不至的照 顧，讓我無後顧之憂順利完成學業，您們的關心與支持是我最大的精 神支柱。僅將論文成果獻給我最愛的親人與朋友，感謝您們！

金榮謹識 中華民國九十三年七月于中華大學

目錄

中 文 摘 要 . . . .

i

英 文 摘 要 . . . .

i i

致 謝 . . . .

i i i

目 錄 . . . .

i v

表 目 錄 . . . .

v i

圖 目 錄 . . . .

v i i

第一章 緒論

1 . 1 背 景 . . . .

1

1 . 2 研 究 目 的 與 目 標 . . . .

2

1 . 3 研 究 貢 獻 . . . .

2

第二章 文獻回顧

2 . 1 前 言 . . . .

4

2 . 2 文 獻 回 顧 . . . .

4

2 . 3 文 獻 結 論 . . . .

7

第三章 研究方法

3 . 1 前 言 . . . .

8

3 . 2 電 腦 視 覺 監 測 系 統 配 置 . . . .

8 3 . 2 . 1 硬 體 配 置

. . . .

8

3 . 2 . 2 軟 體 配 置

. . . .

9

3 . 3 影 像 處 理 程 序 . . . .

9

3 . 4 實 驗 設 置 . . . .

1 1

第四章 研究結果

4 . 1 前 言 . . . .

1 3

4 . 2 電 腦 視 覺 程 式 介 面 設 計 . . . .

1 3

4 . 3 程 式 發 展 步 驟 . . . .

1 4

4 . 4 操 作 步 驟 . . . .

1 8

第五章 研究結果分析與討論

5 . 1 前 言 . . . .

1 9

5 . 2 簡 易 驗 證 實 驗 . . . .

1 9

5 . 3 鋼 筋 混 凝 土 梁 三 點 彎 矩 實 驗 結 果 . . . .

2 0

5 . 4 實 驗 討 論 . . . .

2 3

第六章 結論

6 . 1 結 論 . . . .

2 5

6 . 2 建 議 與 未 來 展 望 . . . .

2 6

參 考 文 獻 . . . .

2 8

表目錄

表一 電腦視覺位移監測與 LVDT 位移計比較表

………21

表二 無空調電腦視覺與 LVDT 位移計比較表

………22

表三 不同參考原點實驗比較表

………23

圖目錄

圖 3.1 DVC-1312 數位相機(CCD)………

31

圖 3.2 Meteor-Ⅱ/Digital 影像擷取卡………...

31

圖 3.3 個人電腦………

32

圖 3.4 電腦視覺監測系統配置與操作………..

32

圖 3.5 數位相機成像原理………..

33

圖 3.6 特徵圖形………

33

圖 3.7 無限解析度之特徵圖形……….

34

圖 3.8 電腦數位影像由畫素所組成之特徵圖形………

34

圖 3.9 混凝土梁上架設 LVDT 以及貼上特徵圖形…………

35

圖 3.10 數位相機拍攝特徵圖形之情形………

35

圖 3.11 手動式加載載重架………..

36

圖 3.12 三點彎矩實驗固定座………..

36

圖 3.13 LVDT 位移計………

37

圖 3.14 資料擷取系統………..

37

圖 3.15 資料擷取系統操作介面………..

38

圖 3.16 電腦視覺位移監測系統………..

38

圖 3.17 電腦視覺位移監測系統操作介面………

39

圖 4.1 建立 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈….

39

圖 4.2 運用精靈建立視窗應用程式的各種設定………

40

圖 4.3 設定使用者介面功能………

40

圖 4.4 設定專案功能………

41

圖 4.5 產生的類別設定………

41

圖 4.6 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式專案的建立….

42

圖 4.7 設定 Visual C++ 6.0 獲得 ActiveMIL 控制的方法….

42

圖 4.8 Visual C++ 6.0 開發環境中的資源檢視………

43

圖 4.9 Dialog 資料夾選擇 IDD_專案名稱_DIALOG……….

43

圖 4.10 將控制項工具列顯示於設計區……….

44

圖 4.11 按鍵控制項設定……….

44

圖 4.12 標籤文字控制項設定……….

45

圖 4.13 編輯控制項設定……….

45

圖 4.14 增加影像處理元件以及 Blob 分析元件………

46

圖 4.15 設定特徵區塊高度尺寸以及二值化門檻分界值…..

46

圖 4.16 位移顯示視窗………..

47

圖 5.1 連續拍攝的功能標示重心位置………

47

圖 5.2 特徵圖形往下位移 5mm 拍攝情形………

48

圖 5.3 特徵圖形往下位移 10mm 拍攝情形………..

48

圖 5.4 特徵圖形位移向上 5mm 拍攝情形………

49

圖 5.5 特徵圖形位移向上 10mm 拍攝情形………

49

圖 5.6 LVDT 位移計所測得垂直位移為 0.8mm………

50

圖 5.7 特徵圖形位移 0.8mm 拍攝情形………

50

圖 5.8 LVDT 位移計所測得垂直位移為 1.6mm………..

51

圖 5.9 LVDT 位移計所測得垂直位移為 2.4mm………

51

圖 5.10 LVDT 位移計所測得垂直位移為 3.2mm………

52

圖 5.11 LVDT 位移計所測得垂直位移為 4.0mm………

52

圖 5.12 LVDT 位移計所測得垂直位移為 4.8mm………

53

圖 5.13 特徵圖形位移 1.6mm 拍攝情形………...

53

圖 5.14 特徵圖形位移 2.4mm 拍攝情形………

54

圖 5.15 特徵圖形位移 3.2mm 拍攝情形………

54

圖 5.16 特徵圖形位移 4.0mm 拍攝情形………

55

圖 5.17 特徵圖形位移 4.8mm 拍攝情形………

55

圖 5.18 LVDT 位移計與電腦視覺位移監測系統所得資訊…

56

圖 5.19 有空調下的測試穩定拍攝情形………

56

圖 5.20 無空調下的測試穩定拍攝情形………

57

圖 5.21 無空調下的測試穩定拍攝情形………

57

圖 5.22 電腦視覺監測系統所擷取的數位影像位移資料…..

58

第一章緒論

1.1 背景

近年來，由於基礎施工災害發生頻繁，不僅危害周邊鄰房結構安 全，甚至造成人員傷亡。基於目前防災意識抬頭，施工單位逐漸重視 利用結構變位監測系統來防止災害的發生，期望能將基礎施工災害造 成之破壞與影響降至最低。由於結構監測系統主要用來監測結構中比 較敏感與危險的元件，運用量測這些結構元件的變形、位移、傾斜以 及受力狀況，可讓工程師能夠詳細評估結構目前狀況及結構堪用程 度，由於結構監測系統是結構安全的護衛者，因此結構監測在土木工 程上逐漸扮演著重要角色。

隨著資訊化時代來臨，結構監測和診斷技術已普遍應用建築土木 工程上，如橋樑、隧道、水壩、高層建築和歷史古蹟等。因此，完備 的智慧型建築應有如人體骨骼，肌肉與神經所組合的結構系統，可主 動顯示其健康狀態，甚至可主動發出預警訊號，讓管理人員能夠迅速 獲得監測資料並對特殊監測狀況做出適當的反應措施，以確保建築物 的安全。因此，建立一套簡單、可靠的建築物結構監測系統，是解決 上述的問題最有效的工具。

過去在量測物件所需的影像檢測機器相當昂貴，且易受天氣變化 影響，而降低量測的準確度。近年來，影像處理的技術日新月異，可 將實物真實的呈現於螢幕上，若配合望遠鏡，更可以把微小尺寸之物 件予與放大，提供了量測微小物件尺寸的量測方式，此外電腦處理影 像的能力非常快速，導致動態影像之遲滯現象降低，因此可以降低影 像量測的誤差。若能使用適當的望遠鏡、數位照相機、影像擷取卡及 電腦設備組合，可提高影像量測的準確度與適用性。

統，讓電腦能夠依據擷取的影像判別物體的形狀、尺寸及位置，如能 利用電腦視覺進行結構位移監測工作，只需要在遠端擷取被監測物的 影像，即可直接依據影像計算結構位移，而儀器無需架設在待測物 上，亦可避免待測物上配線與裝設困擾，讓電腦視覺監測系統能夠全 天候監測待測物，並評估待測物的健康狀況，了解其堪用程度，確保 結構物的使用安全性。

1.2 研究目的與目標

本研究最主要的目的，在於發展與應用電腦視覺系統，並運用此 系統量測結構位移；以期能夠取代傳統運用位移計量測位移方式，避 免位移計裝設與佈線的困難，使量測更為方便，並利用最新科技提高 位移監測的精確度。為了達成此一目的必須完成下列目標：

1. 電腦視覺能夠具有自我校正功能，能將所擷取到的影像，由其平 面座標轉換成實際結構物的空間座標。

2. 電腦能夠依據所擷取影像利用位移前以及位移後所拍攝數位影 像之間的差異來分析結構位移與變形。

3. 運用彎矩試驗中簡支樑的垂直位移與電腦視覺系統分析後的位 移相互比較，以驗證其正確性。

4. 所發展的電腦視覺系統能夠運用數值方式即時顯示結構位移，以 利工程師監測結構物位移資訊。

1.3 研究貢獻

電腦視覺雖然被普遍地運用於醫學、電子、電機、機械等工程，

然而土木工程界尚未能運用這一個逐漸發展成熟的工具於結構位移 監測應用之中，若能成功的完成此一研究，將對從事土木工程結構監

測的從業人員與業界具有以下貢獻：

1. 監測系統無需昂貴與繁雜的訊號處理器與訊號線配線裝設費 用，可以節省監測系統的構建成本。

2. 電腦視覺系統可攜帶性非常的高，能夠快速架設以應付許多緊急 狀況，如不需要使用時可隨時撤離，因此可以增加監測系統的使 用效率。

3. 結構監測系統在量測結構變形與位移時無需架設於結構本體之 上，因此可以用來監測危險結構物，此外由於監測系統架設於結 構本體之外，因此沒有尋找結構位移參考原點的問題。

近年來由於國內受到地震災害影響，導致結構破壞，進而造成人 命及財產的損失，而這些損失並非不可避免，如高屏大橋的斷橋事 件，假設現場有一配置良好結構監測系統，並即時發佈警訊，則人命 及財產損失可降至最低。本研究所專注於電腦視覺，因此可廣泛應用 於其他監測，如擋土牆、橋墩、房屋…變形的長期監測，而電腦視覺 設備簡易，具有可攜帶性，也無需架設於待測物上，因此適合做為具 高度危險的結構物之安全監測系統。此外土木工程施工過程，如地下 室開挖臨時擋土牆支撐工程，地上鷹架，模板假設工程，都是臨時工 程，因此並未埋設監測系統，而往往都被施工單位所忽略而造成損 傷。因此如果能夠成功的發展出可靠而準確的電腦視覺結構監測系 統，將可廣泛的運用於各種結構安全監測，在發生災害前，即時發佈 警訊，讓工人及早疏散，減少不必要的傷亡。

第二章文獻回顧

2.1 前言

古人有云：『目之所及，理之所在。』眼睛所看到的事物即是事實，

雖然不一定正確，卻反映了人們相當程度的依賴視覺。正因為人們對 於視覺影像有較直觀的理解，所以影像處理普遍應用於各領域中。近 年來隨者科技的進步，電腦運算速度快速的提升，使得大量繁雜的數 學計算，可由電腦亦可輕鬆處理，大大的增加了數位影像實務運用效 率，進而發展成為電腦視覺，而電腦視覺（Computer Vision）技術現 今廣泛應用在我們生活週遭，代替許多耗時及不必要之人力，避免人 因長時間工作的疲倦，所帶來的人為疏失。在時效性上，即時性回報 突發的狀況，快速反應解決問題，以達到減少資源成本浪費的目的。

2.2 文獻回顧

運用電腦視覺作為位移量測之工具，並試將量測位移解析度提高 至小於單一畫素，是由 University of South Carolina 的機械工程學系研 究小組於 1980 年代中期開始，Peters and Ranson[2]在實驗試體上運用 油漆噴灑出任意排列的黑白斑點，再用數位相機分別拍攝實驗試體在 變 形 前 與 變 形 後 的 影 像 ， 運 用 數 位 影 像 關 聯 法 （ Digital Image Correlation Method）對比並判別出實驗試體的影像在變形前後各個斑 點的位移量，進一步計算出實驗試體表面所承受的應變。

數位影像關聯法在發展初期受制於數位影像的解析度，因此位移 量 測 的 精 確 率 並 不 是 非 常 的 高 ， 因 此 Chu, Randon, Sutton, and Peters[3]為了提高量測的精確度，在影像相鄰畫素之間，依據相鄰畫 素的感光度，運用多項式線性內插法插入許多新的畫素以增加影像的 解析度，因此在他們的實驗中可以量測到小於一個畫素的位移量。

Sutton, McNeill, Jang, and Babai[4]更進一步研究影響數位影像關 聯法計算位移產生錯誤的原因，在他們的研究中發現：每一畫素所能 夠表現黑白層次的數量、影像訊號擷的頻率比、畫素之間所使用的線 性內插法方程式，皆是影響位移量測精確度的原因，而且誤差大小以 畫素的長度為週期重複出現。

Bruck, McNell, Sutton, and Pedter[5] 則 進 一 步 運 用 牛 頓 法

（Newton-Raphson Method）來修正位移，在垂直與水平方向的偏微 分，以及與運用從粗糙到精細對比搜尋法，成功的量測出物體表面的 位移與應變，雖然他們在畫素之間僅使用三次方的線性內插法，位移 量測的精確度可達到 0.05 個畫素的距離，而應變的準確度也可達到 0.007。

為了量測三度空間的位移 Kahn-Jetter and Chu[6]運用兩個照相機 同時拍攝實驗試體，再運用立體視覺理論（Stereoscopic Principle）以 及數位影像關聯法，成功的量測出懸臂樑試體與橢圓試體的受力變 形，在他們的實驗中發現，如果能夠運用望遠鏡頭放大試體影像，更 能夠有效的增加量測的精確度，而數位相機鏡頭的傾斜度對量測的精 確度並無太大影響。

Sutton, Turner, Bruch, and Chaed[7]運用 Spline function、最小平方 數、以及有限元素分析來消除影像中的雜訊，能夠更精確的量測出試 體表面的應變場與位移。在他們量測旋轉、平均應變以及裂紋尖端位 移場三個實驗中，發現運用這個方法，其量測位移誤差小於 0.01 個 畫素，應變誤差則小於 0.00015，而平均應變誤差更小於 0.00003。

由於數位影像關聯方法量測位移的精確度會受到影像雜訊以及試 體上黑白斑點大小的影響，因此許多研究學者所宣稱的量測精確度並 不一致。Zhou and Goodso[8]在 2001 年，為了確認數位影聯法用於量

測位移變形的能力與準確度，從事數位影像關聯法的驗証實驗，在他 們的試驗中發現，數位影像關聯方法能夠精確的量測到 0.01 個畫素 的位移，並且具有潛力達到 0.005 個畫素，在實驗試體上所繪製的黑 白斑點尺寸，則以二個到五個畫素大小為最佳。

由於數位影像關聯方法能夠精確的量測試體表面全域的位移與變 形，因此被許多的研究學者用於研究各種材料變形行為的工具，其中 絕大部分覺著運用這種方法描繪出裂紋尖端的應變分佈[9-12]，從他 們的研究中可以很清楚的看到，在裂紋尖端的試體表面之應變隨著應 力增加及其變化的情形。

至於具有土木工程背景的研究學者運用電腦視覺技術做為位移變 形量測工具，肇始於 1997 年 Choi and Shah[13,14]運用數位影像關聯 法於研究混凝土承受均佈壓力時，應變會集中於骨材與砂漿之間的介 面，而混凝土破壞裂紋係從骨材與砂漿間的介面產生。

Raffard, Ienny and Henry[15]為了尋找石磚與砂漿介面應力分佈情 形，以作為未來維修具有歷史價值的老舊建築物之參考，在他們的研 究結果顯示出，數位影像關聯能夠有效的量測出石磚與砂漿介面承受 力應變情形，其準確度可達到微觀的層次。

Vendroux and Knauss[16]則運用數位影像關聯法量測圓柱試體表 面的應變，在他們的實驗中發現這方法能夠量測直徑 22.23mm 的圓 柱試體 0.05％的軸向應變與 0.08％的圓週應變。為了研究張力實驗時 應 力 分 佈 的 情 形 ， Wattrisse, Chrysochoos, Muracciole, and Nemoz-Gaillard[17]讓薄鋼片試體承受逐漸增加的均佈張力，從他們的 實驗中發現數位影像關聯法能夠精確的量測出應力分佈，以及在缺陷 處所造成應力集中的情形。

最新的研究結果是在 2002 年，Fu and Moosa[18]同時運用傳統的

位移計與電腦視覺技術量測簡支鋼樑在受力前後的變形位移，在他們 的實驗中，於工字型鋼樑中段 86 分公處的底緣，每間隔 0.5 公分繪 製一個監測點，運用電腦視覺技術量測 173 個監測點的變形位移，電 腦視覺量測結果與解析度為 0.00254mm 的機械式位移計相比較，兩 者之間最大的差異小於百分之五，他們並認為電腦視覺量測解析度近 似於機械式位移計。而電腦視覺技術能夠同時監測鋼樑 173 個點的變 形位移，提供鋼樑變形位移曲線作為鋼樑損壞監測之用，則為機械式 位移計所無法做到的。

2.3 文獻結論

從上面的文獻回顧中可以發現，運用數位影像量測位移具有一定 的可靠度，因此不斷的被不同的研究學者作為他們的研究工具。然而 一直到現在，運用數位影像量測位移的學者，大多專注於材料力學行 為之研究，因此在實驗室裡大多是量測較小尺寸試體的變形位移。至 於土木結構這種大尺寸的結構位移，筆者至今尚未蒐尋到相關的研究 報告。由於電腦視覺技術在變形位移量測的精確度最高可達 0.01 個 畫素[8]，運用電腦視覺作為結構位移量測的工具，是一個相當值得 發展與研究的題目。

第三章研究方法

3.1 前言

本研究是利用影像技術發展一套電腦視覺監測系統，其包含影像 處理程序、系統硬體部分，以及軟體開發部分，而為了完成此一研究，

本研究運用中國國家標準 CNS1234 規範進行三點彎矩載重試驗，在 實驗過程中，本研究運用 LVDT 位移計以及所發展的電腦視覺監測 系統同時量測混凝土梁中間點的垂直位移，以 LVDT 來驗證電腦視 覺監測系統的可靠性及準確性。

3.2 電腦視覺監測系統配置

3.2.1 硬體配置

電腦視覺系統的硬體部份包括：望遠鏡頭、數位相機、傳輸線、

影像擷取卡、個人電腦與電腦螢幕。這些設備詳細規格可說明如下：

1. 望 遠 鏡 頭 為 OPTEM 望 遠 鏡 頭 ， 其 焦 距 範 圍 為 18mm~108mm，以及可變光圈用於調整影像明暗。

2. 數位相機為 DVC-1312 型的 CCD 照相機，如圖 3.1 所示，有 效 畫 素 為 1300(H)*1030(V) ， 感 光 陣 列 尺 寸 為 10.0mm*8.7mm，每一畫素的尺寸為 0.0067mm*0.0067mm。

3. 影像擷取卡為 Meteor-II/Digital 影像擷取卡，如圖 3.2 所示，

擁有 4MB SGRAM，使用電腦 PCI 插槽，用於擷取數位影像。

4. 個人電腦，如圖 3.3 所示，擁有 AMD2.4G 中央處理器、512MB 記憶體、60GB 硬碟、GeForce 3 顯示卡以及 CRT 17 吋電腦螢 幕。

電腦視覺監測系統配置與運作如圖 3.4 所示，欲量測的目標影 像，可經由調整望遠鏡頭的焦距與光圈，利用成像原理如圖 3.5 所示，

將目標影像投射至數位相機內的感光陣列，感光陣列依據影像光線強 弱，將影像轉換為畫素值(如 8-bit 即為 0-255 的畫素值)，而後將數位 影像經由傳輸線傳輸至個人電腦中的影像擷取卡，並儲存於具有 4MB 容量的 SGRAM 中，個人電腦則可接收由影像擷取卡傳來的數 位影像，以及從事影像處理與分析的任務。

3.2.2 軟體配置

電腦視覺的影像處理與分析在軟體部分，本研究分別使用美國微 軟公司所開發的 Visual C++ 6.0 以及美國 Matrox Imaging 公司所發展 出來的 Matrox Imaging Library 7.0。其中 Visual C++ 6.0 主要用於發展 以 Microsoft Foundation Classes 為基礎的視窗程式介面，而 Matrox Imaging Library 7.0 則用於控制數位相機、擷取數位影像以及處理與 分析由數位相機傳遞至電腦的影像。

3.3 影像處理程序

本研究主要目的是發展電腦視覺橋樑變形監測系統，希望運用電 腦視覺監測橋樑的垂直變位，以快速計算出監測點的垂直位移，並提 升橋樑位移監測解析度高於數位影像的畫素。本研究將使用畫素重心 位移法作為計算橋樑垂直位移的電腦計算程序，在結構上位移監測點 繪製如圖 3.6 所示之圖案，即為特徵圖形，黑色矩形外框，而黑色矩 形之中放置一白色菱形圖案，其中白色菱形主要是用來校正與計算監 測點的位移量，而黑-白雙色則用於增加數位影像強烈對比。

白色菱形圖案能夠被用於計算監測點位移量的主要理論可敘述如 下：

數位相機感光陣列中的感光子，基本上會依據接收到的光線強度

決定所處畫素的灰階值，監測點上白色菱形圖案如被無限高解析度的 數位影像擷取後，數位影像的成像將如圖 3.7 所示，菱形圖案的邊界 定義會非常的清楚，數位影像的位移可直接向由位移前後兩數位影像 中菱形圖案的頂點位置差異量測監測點位移，然而受限於數位影像有 限的解析度，因此在圖案邊界的部份的灰階值將介於黑白之間，因此 圖案的成像將如圖 3.8 所示，圖案邊界的定義並非十分清楚，如要找 出圖案照邊界，需要經過非常複雜的計算。

如果數位影像擁有 8-bit 解析度的灰階值，黑色的數值為 0，白色 的數值為 255，1 至 254 代表不同的灰階值，如果圖中的菱形圖案包 含著足夠數量的數位影像畫素，經由二值化處理得到前景為 255 的白 色菱形，以及為 0 的黑色矩形，計算白色菱形的重心，經由分析位移 前後所拍攝的數位影像的白色菱形重心變化，再加上測得最大直徑畫 素量，並且知道實際尺寸，即可計算出被監測點的位移量。而白色菱 形重心計算方式如下:

1. 首先拍攝一張數位影像，獲得清晰灰白數位影像。

2. 將灰白數位影像利用二值化處理，獲得黑色矩形中包含白色 菱形，其中黑色矩形所代表的數值為 0，而白色菱形所代表的 數值為 255。

3. 在解析度為 640*480 中其代表 X 軸方向擁有 640 個畫素，Y 軸方向擁有 480 個畫素，而畫素皆有所對應的座標，如(320，

240)即是在 X 軸方向往右數第 320 個以及 Y 方向往下數第 240 個所代表的畫素。

4. 在白色菱形中具有足夠的畫素，而畫素皆有所對應的座標 值，利用白色菱形 Y 方向座標值的總合除於白色菱形中的畫 素量，即可求出白色菱形 Y 方向的重心位置。

因此在數影像處理的過程之中，首先是用數位相機獲得一張經由 光學放大的影像。此外由於天候的變化會導致光線的改變，進而影響 數位相機擷取影像的灰階值以及位移監測的準確度，因此在影像處裡 的步驟中，首先將菱形的特徵圖影像做黑白二值化處理，以便獲白色 菱形區塊在數位影像中的大小與位置。由於鏡頭灰塵所造成之顆粒以 及數位相機的雜訊，往往會造成數位影像中不連續的斑點，進而影響 影像分析的準確度，因此數位影像還必須運用型態處理步驟移除白色 菱形區塊中的斑點。而後再從事影像分割作業，分割數位影像中的前 景與背景，使得白色菱形得以從黑色矩形中分離。此時即可針對白色 菱形區塊進行垂直尺寸的校正，進而求出白色菱形區塊的重心位置，

由白色菱形區塊重心的變化即可求出其位移量。

此外如果白色矩形外框的寬度以及白色菱形圖案頂點距白色外框 的距離大於所欲量測的最大的位移的長度，從事橋樑結構位移監測 時，只需事先設定欲計算畫素重心的範圍，讓電腦專注計算數位以及 影像中所設定的區域，無需處理全部的數位影像，可大量簡化影像處 理的步驟，增加位移計算的速度。

3.4 實驗設置

實驗驗證方面，本研究首先以鋼筋混凝土樑三點彎矩實驗來模擬 一般橋樑結構的變形位移，實驗設置如圖 3.9-3.10 所示。其中包括手 動加載載重架如圖 3.11 所示、三點彎矩實驗固定座如圖 3.12 所示、

LVDT 位移計如圖 3.13 所示、資料擷取系統如圖 3.14-3.15 所示以及 電腦視覺監測系統如圖 3.16-3.17 所示。在實驗的過程中，首先將擁 有繪製於樑中間點監測圖案的鋼筋混凝土試體固定於三點彎矩實驗 固定座上，其次裝設 LVDT 位移計於試體的中間點位置，再應用資料

擷取系統擷取 LVDT 位移資訊以驗証電腦視覺系統量測的位移。為了 避免油壓載重架加載時的振動，影響數位相機拍攝數位影像的清晰 度，本研究特別設計手動加載載重架以提供穩定施加載重的機制。在 加載的過程中，本研究以良好的燈光照射於鋼筋混凝土梁中間點的特 徵圖上，以供數位相機拍攝清晰的影像作為影像圖形位移判別對比的 依據。在不同的載重與位移下運用畫素重心位移法計算樑中間點的垂 直位移，並與 LVDT 位移計量測混凝土中間點的位移相互比較，探討 電腦視覺用於橋樑結構位移監測的精確度與誤差。

第四章電腦視覺位移監測系統的發展

4.1 前言

本研究在發展電腦視覺監測系統的過程中，主要的任務是撰寫電 腦視覺視窗應用軟體，以用於操控數位相機、擷取數位影像以及分析 與計算數位影像的變化，並計算出被監測物體的位移。如上章所述，

這套電腦視覺位移監測軟體所使用的發展工具分別是美國微軟公司 的 Visual C++ 6.0 與 Matrox Imaging 公司的 Matrox Imaging Library 7.0。電腦程式發展的詳細過程在本章將詳細說明。

4.2 電腦視覺程式介面設計

由於電腦視覺結構監測系統在操作的過程中無須複雜的設定，

而顯示視窗僅須展示數位相機所拍攝的影像以及影像中所顯示的位 移，因此本研究採用微軟 Microsoft Foundation Classes(MFC)來發展以 對話框為主的視窗程式介面，以降低程式發展的複雜性並增進程式發 展的效率。

本研究所發展的對話框應用程式中包含影像顯示視窗、位移顯示 視窗與操作按鍵。影像顯示視窗用於顯示數位相機所拍攝及電腦處理 後的數位影像。位移顯示視窗用於顯示經由數位影像分析所獲得的目 標點位移。操作按鍵則包括參數設定、位移設定、開始、停止與結束 五個按鍵，參數設定按鍵用於連結參數設定對話框，其主要的目的在 於設定目標點菱形區塊的高度尺寸，以及影像處理二值化所需要的門 檻分界值。位移設定鍵用於設定變形前菱形區塊的重心位置，作為爾 後計算垂直位移的依據。開始與停止按鍵則分別用於連續拍攝與停止 電腦視覺位移監測狀態。結束按鍵則用於關閉電腦視覺位移監測應用

4.3 程式發展步驟

電腦視覺位移監測應用軟體的發展過程中，可區分為兩個主要的 步驟：分別為運用微軟 Microsoft Foundation Classes 與 Visual C++ 6.0 發展以對話框為主的應用程式框架，以及連結 Matrox Imaging 公司的 Matrox Imaging Library 7.0 中的影像處理功能於位移監測應用軟體 中。

基本上由 Microsoft Foundation Classes 所發展的對話框應用程式 包含對話框應用程式類別與對話框類別，對話框應用程式類別基本上 是繼承 CWinAPP 類別(視窗程式應用類別)所產生，其主要的功能用 於啟動與設定應用程式初始值以及結束程式。對話框類別則繼承於 CDialog 類別所產生，主要是用於連結對話框應用程式各部分視窗與 按鍵的功能。

本研究是運用 Visual C++ 6.0 程式語言以及 Matrox Imaging Library 7.0 程式庫共同作為開發程式軟體的程式設計工具，其中 Matrox Imaging Library 7.0 提供在 Visual C++ 6.0 中使用的 AppWizard 應用程式精靈，能夠自動生成應用程式的所需撰寫程式的框架，並定 義應用程式的基本架構。應用程式精靈構建以對話框為主體的視窗應 用程式，其設定的步驟可說明如下：首先選取檔案功能表新增選項，

進入新增專案對話框，選擇 Visual C++專案的 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈，並在輸入專案檔名與儲存位置後，按下 OK 按鈕，便進入 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈，如圖 4.1 所示。在 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈後，將可看到運用 精靈建立視窗應用程式的各種設定，其中包括五個步驟：一、設定應 用程式類型，而本研究沒有處理資料儲存的設定並為了增進程式發展 的效率，因此選擇以對話框為基礎的應用程式類型，而在資源檢視中

選擇語言，由於使用 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式中，因此僅 可選擇英文，如圖 4.2 所示。二、設定使用者介面功能，包括系統功 能表、框架設定、線上說明以及對話框應用程式標題，如圖 4.3 所示。

三、設定專案功能，包括專案顯示的格式以及使用即時線上說明樣 式，如圖 4.4 所示。四、產生的類別設定，包含檢視由精靈建立的專 案內，所完成產生的類別名稱、基礎類別，以及類別程式碼的標頭檔 (.h 檔)與實作檔(.cpp 檔)的名稱，如圖 4.5 所示。當確定這些設定值是 程式開發所需要，便可按下 OK 按鈕，執行 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式專案的建立，如圖 4.6 所示。五、最後如圖 4.7 所示，設定 Visual C++ 6.0 獲得 ActiveMIL 控制的方法。

由 ActiveMIL MFC AppWizard 精靈建立的以對話框為主體的電腦 視覺程式框架，此為本研究所發展的電腦視覺位移監測軟體的基本架 構。這個對話框應用程式可經由不同的控制項提共使用者與應用程式 間的交談途徑。如要增加控制項於電腦視覺視窗應用程式中，必須經 由下列步驟，首先從 Visual C++ 6.0 開發環境中，選取資源檢視，如 圖 4.8 所示，接者展開 Dialog 資料夾選擇 IDD_專案名稱_DIALOG，

如圖 4.9 所示，並且於 MENU 選單中選擇 Tools 中的 Customize 並勾 選 Controls，此時控制項工具列會顯示於視窗應用程式對話框的設計 區，如圖 4.10 所示。而對話框應用程式為了協助使用者與對話框應 用程式之間交談，通常擁有許多控制項。而本研究的電腦視覺對話框 應用程式所用的控制項僅為按鍵控制項、編輯控制項以及標籤文字。

按鍵控制項往往代表執行某一動作，由於按鍵控制項沒有傳遞資 料功能，無需運用資料轉換(DDX/DDV)機制，因此在增加按鈕控制 項，只需給予 ID 以及顯示名稱，如圖 4.11 所示。

標籤文字控制項運用於容納顯示於對話框中的靜態文字，在本研

究中的電腦視覺視窗應用程式對話框並不需要透過資料轉換機制，更 改顯示標籤文字中的資料，因此只需給予 ID 以及顯示名稱，如圖 4.12 所示。

編輯控制項是可輸入資料的控制項，而本研究中電腦視覺視窗對 話框應用程式經由資料轉換機制，將其物件的屬性值，交換至對話框 編輯控制項，而當使用者完成資料輸入，按下 OK 按鈕關閉對話框 時，資料轉換機制亦會將對話框中設定的資料交換至電腦視覺視窗對 話框應用程式，設定時必須給予 ID，以便資料交換，如圖 4.13。

在本研究所發展的電腦視覺視窗應用程式中，參數設定按鈕可以 用於啟動參數設定對話框，用於設定電腦視覺視窗程式所需要的基本 參數。如要連結程式本體與對話框中所擁有的參數設定按鈕，必須使 用 MFC 中鍵擊滑鼠左鍵訊息處理函式。其建立的步驟：首先宣告參 數設定對話框物件，其次設定參數設定對話框中編輯控制項 ID、屬 性以及範圍，並於參數設定函式中建立並連結參數設定對話框的物 件，最後處理參數設定對話框中編輯控制項資料轉換的輸入及輸出，

以達到參數設定的目的。

電腦視覺視窗應用程式中尚擁有位移設定、開始、停止以及結束 四個按鍵，這四個按鍵與程式主體之間連結的方式，當按鍵被按下 時，按鍵會呼叫 MFC 中的鍵擊滑鼠左鍵訊息處理函式連結按鍵與對 應函式。其中位移設定按鈕運用 MFC 中的鍵擊滑鼠左鍵訊息處理函 式連結 Matrox Imaging Library 7.0 所提供的擷取、處理、分析數位影 像等功能，以計算監測點的菱形特徵圖的重心，並以此重心位置設為 參考原點。應用程式對話框中的開始按鈕則是運用 MFC 鍵擊滑鼠左 鍵訊息處理函式呼叫 Matrox Imaging Library 的連續擷取數位影像的 功能，連續拍攝監測點的影像，經由處理以及分析數位影像，獲得即

時目標物白色菱形區塊的垂直位移。停止按鈕則運用 MFC 鍵擊滑鼠 左鍵訊息處理函式，暫停影像擷取卡擷取數位影像以及計算垂直位 移。結束按鍵則運用 MFC 鍵擊滑鼠左鍵訊息處理函式關閉電腦視覺 監測系統電腦視覺監測位移系統對話框應用程式。

ActiveMIL 是以 Matrox Imaging Library 7.0 為基礎，所建構的一 系列 ActiveX 控制元件，可以供本研究 Visual C++ 6.0 程式語言裡，

快速發展電腦視覺監測系統對話框應用程式開發的工具軟體。在本研 究中電腦視覺監測系統對話框應用程式所用到的相關元件包括：應用 控制元件、系統控制元件、影像卡控制元件、影像控制元件、顯示控 制元件、影像處理元件、Blob 分析元件以及圖形/文字控制元件。由 於 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈所建立的對話框應用程 式，已經包含六種元件，因此本研究所發展的電腦視覺監測位移系統 對話框應用程式可由控制項工具列中增加影像處理元件以及 Blob 分 析元件，如圖 4.14 所示。應用控制元件是提供設定與應用程式相關 屬性及功能。系統控制元件是提供建立執行一個應用程式的系統設 定。而任一 ActiveMIL 控制元件放在 MFC 的對話框應用程式設計區，

將自動聯結到應用元件以及系統元件。影像卡控制元件可使用不同功 能的影像擷取卡進行擷取數位影像作業，在本研究中其主要功能為擷 取數位影像並存放至指定位置，且可以使用的函式有連續擷取、擷 取、以及停止擷取數位影像。影像控制元件提共配置數位影像以及存 取數位影像的功能。顯示控制元件在本研究中僅提供顯示影像影像的 功能。影像處理元件為提共選取的數位影像進行二值化處理作業以及 型態處理作業。Blob 分析元件是用來判別影像中相鄰的像素區域，

再計算這些 Blob 的特徵個數、重心、Y 方向最大直徑畫素量。圖形/

文字控制元件提供在影像上進行文字註解以及基本的繪圖處理。

4.4 操作方式

本研究所發展的電腦視覺監測系統對話框應用程式在操作時，分 成兩個步驟：首先是數位相機擷取數位影像時的設定焦距、光圈與聚 焦；其次是設定與啟動電腦視覺位移監測機制，讓電腦視覺系統能夠 監測目標物的位移。因此在第一個步驟中，程式開啟時，程式對話框 會顯示連續擷取的數位影像，此時操作者可以調整照相機的方向，使 其對準被監測的標的物。其次是調整望遠鏡頭的焦距，使目標物的特 徵圖能夠在數位影像上顯示適當的大小，再調整鏡頭的聚焦使影像能 夠清晰的顯示於觀測窗內，最後運用光圈調整光線進入照相機的數 量，讓影像擁有鮮明的對比。當數位影像觀測窗擁有清楚的目標影像 後，這時可以運用參數設定按鈕呼叫參數設定對話框，設定目標點白 色菱形區塊的高度尺寸，以及影像處理二值化所需要的門檻分界值，

如圖 4.15 所示。然後使用設定按鈕設定監測點菱形目標區的初始重 心位置。接者運用開始按鈕連續拍攝數位影像，從數位影像的變化計 算菱形目標區重心的變化，並依據重心變化計算目標點的位移，如圖 4.16 所示。停止按鈕則用於暫停影像拍攝與位移計算。結束按鈕則用 於結束電腦視覺位移量測系統並離開程式。

第五章研究結果分析與討論

5.1 前言

本章主要是探討電腦視覺位移監測系統在實驗中位移監測的結 果，其中分為兩個實驗，分別為簡易驗證實驗與模擬橋梁的鋼筋混凝 土梁中間點垂直位移試驗。其中簡易驗證實驗主要的目的在於確認影 像處理技術能夠用於量測目標物體的位移，以及在程式發展過程中用 於程式除錯之用，因此並未著重準確度與精確度。鋼筋混凝土梁中間 點垂直位移試驗中，本研究將使用手動式載重架緩慢施加載重與垂直 位移量於樑中間點的位置，同時用 LVDT 位移計的結果與電腦視覺位 移監測結果相互比照，以判定電腦視覺監測系統的準確度與相對誤 差。

5.2 簡易驗證實驗

本研究在電腦視覺位移監測簡易驗證實驗的主要目的是用於程式 發展中除錯與驗證之用，因此並不專注於位移監測的準確性，只是要 證明電腦視覺可用於位移監測。本實驗分為前置作業、實驗執行以及 位移結果討論三步驟。

在前置作業中，首先利用兩個三角板於牆上繪製三條平行直線，

其平行直線間隔為 5mm，作為位移量測的依據。其次將菱形特徵圖 案貼在厚紙板上，如圖 3.6 所示，而利用電腦視覺位移監測系統拍攝 厚紙版上的特徵圖案，並以十字座標標示菱形圖案的重心位置，如圖 5.1 所示，利用連續標示重心位置調整數位相機的位置，使得數位影 像位移方向與待測物體垂直位移方向一致。接者運用參數設定鍵呼叫 參數設定對話框，在對話框中輸入菱形區塊的實際高度尺寸以及二值

在從事簡易位移實驗時，本研究以厚紙版上緣分別貼齊繪製於牆 上的三條平行線，並分別拍攝三張數位影像，而拍攝方法如下：第一 張使用位移設定按鈕拍攝目標物，並依據拍攝的影像求取特徵圖形的 重心當成參考原點，第二、三張則分別將厚紙版移至其餘兩平行線，

並且使用停止按鈕拍攝單張數位影像，經過數學計算分別獲得兩張影 像的垂直位移，並顯示於程式中右上角的位移顯示框。

在簡易實驗驗證過程中，本研究設定兩個不同的參考原點，分別 為三條平行直線中最上方的直線以及最下方的直線。在實驗中以最上 方直線為參考原點，經由拍攝數位影像、分析數位影像，以及繁雜的 數學計算，最後獲得目標物的垂直位移，如圖 5.2、5.3 所示。而以實 驗中最下方直線為參考原點，所獲得目標物垂直位移，如圖 5.4、5.5 所示。由此簡易實驗實驗結果來做比較，可以獲得下列結果：

1. 驗證電腦視覺位移監測系統具有量測數位影像中特徵圖形位移的 能力。

2. 驗證電腦視覺位移監測系統具有判別位移方向，其位移顯示區顯 示數字，負數為向上移動，正數為向下移動。

3. 本簡易驗證實驗不做準確度與精確度，其原因為人為誤差過大，

但由簡易實驗之中，可以發現其誤差最大為 0.13 相對誤差為 2.6%，因此在人為操作產生的誤差中算是可接受的。

5.3 鋼筋混凝土梁三點彎矩實驗結果

在鋼筋混凝土梁三點彎矩實驗以驗證電腦視覺監測位移系統量測 梁中間點垂直位移中，本研究分為前置作業以及實驗結果。在前置作 業部分，將 LVDT 位移計經由資料擷取系統監測位移情形，調整 LVDT 位移計量測參考原點，使得 LVDT 位移計歸零，並使用電腦視覺監測

位移系統校正特徵圖案、設定參數以及設定位移。

其後使用手動式加載載重架開始加載，並使用電腦視覺監測位移 系統連續拍攝數位影像，當 LVDT 位移計於資料擷取系統中顯示為 0.8mm，表示載重架加載重量使得鋼筋混凝土梁中間點垂直位移為 0.8mm 如圖 5.6 所示。電腦視覺位移監測系統同時分析計算重心變 化，並計算菱形特徵圖的位移，其結果如圖 5.7 所示。接著分別紀錄 鋼筋混凝土梁中間點垂直位移為 1.6、2.4、3.2、4.0 與 4.8mm 量測值，

如圖 5.8-5.12 所示。而電腦視覺監測位移系統也同時量測鋼筋混凝土 梁中間點垂直位移，其量測結果如圖 5.13-5.17 所示，並可表示於下 表一之中：

表一 電腦視覺位移監測與 LVDT 位移計比較表(有空調) 設計紀錄點

(mm)

LVDT 位移計 (mm)

電腦視覺位移監測 (mm)

誤差 (mm)

相對誤差 (%)

0.8 0.802 0.818 0.016 2.13 1.6 1.630 1.616 -0.014 -0.86 2.4 2.413 2.426 0.013 0.53 3.2 3.203 3.216 0.013 0.39 4 4.002 4.028 0.025 0.63 4.8 4.804 4.816 0.011 0.24

運用試算表將 LVDT 位移計以及電腦視覺位移監測系統所得位移 資訊繪置成圖形，如圖 5.18 所示。由以上的實驗得知，其實驗誤差 最大為 0.025mm，而最大相對誤差為 2.13%，其結果是令人滿意的。

為了電腦視覺監測位移系統量測鋼筋混凝土梁中間點垂直位移的 實驗誤差降低，因此本研究嘗試用手動式加載載重架中加載重量至鋼 筋混凝土梁中間點垂直位移為 2.0mm，以電腦視覺位移監測系統連續

拍攝擷取數位影像並分析其重心變化，於不同的環境下，目標物在電 腦視覺監測位移系統下是否穩定，其中不同的環境分別為燈光明暗、

空調系統開關、手動式加載載重速度以及是否有行人路過，其中發覺 以空調系統開關與否差別甚大，其測試穩定結果如圖 5.19-5.21 所示，

而至於其他環境影響所測試的穩定結果並不明顯，而本研究於關閉空 調系統重做鋼筋混凝土梁三點彎矩實驗，其垂直位移實驗結果如下表 二所示：

表二 無空調電腦視覺與 LVDT 位移計比較表 設計紀錄點

(mm)

LVDT 位移計 (mm)

電腦視覺位移監測 (mm)

誤差 (mm)

相對誤差 (%)

0.1 0.104 0.107 0.003 2.33 0.2 0.200 0.207 0.007 3.36 0.4 0.400 0.404 0.004 0.92 0.8 0.805 0.809 0.004 0.48 1.2 1.203 1.204 0.001 0.02 1.6 1.605 1.604 -0.001 -0.06 2.4 2.404 2.395 -0.009 -0.40 3.2 3.206 3.203 -0.003 -0.09 4.0 4.004 3.991 -0.013 -0.30 4.8 4.805 4.791 -0.014 -0.29

由以上的實驗得知，實驗誤差最大為 0.0137mm，而最大相對誤差 為 3.36%，由此可見空調足以影響其結果，而最大相對誤差是發生在 位移 0.2mm 時，由於其絕對誤差僅有 0.0071，因此其相對誤差之所 以比原有空調下所作實驗為大，應該為紀錄點的位移太小緣故。由此 觀之電腦視覺監測位移系統為具有高準確度的量測。

在本研究中亦有利用不同參考原點所做之研究，運用手動式加載

至鋼筋混凝土梁中間點垂直位移至 0.4mm，電腦視覺監測系統以此位 移為參考原點量測鋼筋混凝土梁中間點垂直位移，其實驗結果如表三 所示；

表三 不同參考原點實驗比較表

本研究中使用電腦視覺監測系統所擷取的數位影像位移資料，運用試 算表將資料繪置成圖形為圖 5.22 所示。

5.4 實驗討論

由以上實驗可得知其實驗誤差大約為 0.01mm，而其初始值的相 對誤差頗大，其原因應該為 LVDT 放置時有殘留應力，造成 LVDT 於實驗時已有初始值，當實驗加載後，其 LVDT 獲得應力釋放，所量 測的結果為一致的，由表三所示，於加載載重於梁中間點為 0.4mm 後開始設置電腦視覺位移監測系統量測位移，其相對誤差均小於 0.1%因此可以說明電腦視覺監測系統為可行的，其準確度可達 0.01mm。

由實驗二中可得知由於空調開關所造成的誤差頗大，其原因應該 設計紀錄

點(mm)

LVDT 位 移計(mm)

電腦視覺位移監測 (mm)

LVDT+電腦視覺

監測位移(mm) 誤差(mm) 相對誤 差(%) 4 0.405 0 0.405 0 0 8 0.832 0.4344 0.839 0.007 0.91 12 1.210 0.803206 1.208 -0.006 -0.13 16 1.611 1.216769 1.622 0.011 0.66 32 3.200 2.8106 3.216 0.016 0.48 40 4.009 3.6025 4.008 -0.001 -0.02 48 4.800 4.4021 4.807 0.007 0.14

性，而於關掉空調的環境下，其產生的誤差約為 0.01 比之前的實驗 更為精確，如須運用到實際橋梁上，由於車輛通過造成空氣流動甚 鉅，因此在本研究中的角架應換置如測量時所用的腳架，使得數位相 機與腳架成為剛性，如此一來便可大大降低腳架所帶來的影響。

由實驗證明電腦視覺位移監測系統所量測的數位影像垂直位移 與 LVDT 位移計量測出鋼筋混凝土梁中間點垂直位移一致，而電腦視 覺位移監測系統其精確度可達 0.01mm，由於目標物監測特徵圖形高 度尺寸為 46.5mm，從電腦視覺監測系統對話框應用程式得知特徵圖 形高度尺寸為 308 個畫素，因此每一畫素所代表的實際距離為

46.5/308=0.15097，因此本研究所發展的電腦視覺位移監測系統可以 說明已達到次畫素的精確度。

第六章結論

6.1 結論

1. 由電腦視覺監測位移系統量測鋼筋混凝土梁中間點垂直位移實 驗結果得知，利用電腦視覺監測位移系統量測位移與 LVDT 位移 計量測位移相互比較，其結果令人滿意，此證明電腦視覺監測位 移系統量測垂直位移具有準確性。

2. 在電腦視覺監測位移系統用於量測鋼筋混凝土樑之垂直位移 時，經由位移設定按鈕所對應的對照組重心位置以及 Y 方向最大 畫素量，應當於影像處於穩定時，方可開始，否則經由數位影像 放大而量測之數位影像垂直位移亦不準確，其誤差是由於影像卡 控制元件所擷取數位影像，一開始常處於不穩定狀態，因此於電 腦視覺監測位移系統開始擷取數位影後 15 秒後，影像趨於穩定 方可開始分析。

3. 電腦視覺監測位移系統與其他量測工具相比較，發現電腦視覺位 移監測系統架設簡易並無佈線的困難，並且可以隨時設定參考原 點，因此電腦視覺監測位移系統的適用性頗高。

4. 在實驗過程中，本研究發現手動式加載載重架加載前，LVDT 位 移計量測鋼筋混凝土梁中間點垂直位移，與電腦視覺位移監測系 統所得之位移相同，但是卸載後 LVDT 並無法回歸到參考原點，

而隨者實驗次數越多，其誤差也越大，而電腦視覺位移監測系統 無此一疑慮，其原因應該是由於兩者量測方式不同，由 LVDT 位 移計所量測鋼筋混凝土梁中間點垂直位移是採取相對位移，其作 用於鋼筋混凝土梁上，而本研究電腦視覺位移監測系統所獲得位 移為絕對位移，其作用並沒有在鋼筋混凝土梁上，而是作用於地

5.

本研究電腦視覺位移監測系統與 LVDT 所量測鋼筋混凝土梁中間 點垂直位，發現以電腦視覺位移監測系統與 LVDT 位移計相比 較，其初始值比較小，而後越來越大，其原因應該是由於 LVDT 架設時並不是完全作用於垂直變形上，但其產生兩者之間的誤差 皆小於 0.01mm，因此其誤差是可接受。

6.

在本研究中可能發生較大誤差的是人為測量目標物特徵圖形高 度尺寸，由於使用尺來量測高度尺寸，由於尺的解析度為 1mm，

因此本研究的特徵圖形高度實際尺寸為 46.5mm，假設人為量測 誤差為 0.5mm，即量測為 47mm 或 46mm，因此會產生約 1.08%

的相對誤差，比本研究在三點彎矩實驗中量測梁中間點垂直位移 的大部份相對誤差要大，所以量測目標物特徵圖形高度尺寸的正 確性非常重要。

6.2 建議與未來展望

在電腦視覺位移監測系統中所顯示垂直位移準確度，主要取決的 影像是否有污點、光線是否充足、二值化門檻分界值、對照組的設定、

排線的應力釋放、腳架的穩固等。

本研究建議使用較穩定的腳架，降低腳架所產生的誤差，而數位 相機到電腦之間的傳輸線不可加以固定，以利於應力釋放，而光源部 分本研究建議使用左右打燈方式獲得到最清晰的影像，如能夠综合上 述的方法，應該可以在電腦視覺中獲得更高的解析度，最後如需要減 少特徵區塊邊緣的不穩定所造成的誤差，本研究建議使用數位影像灰 階值來計算特徵圖形重心位置，可得較高的解析度。

本研究認為運用影像處理應用於監測系統，發展出電腦視覺位移 監測系統，可以有效的計算出位移，然而影像處理技術已達到可同時

分析多個特徵圖形，在未來研究中可從事分析多個特徵圖形發展，將 其電腦視覺位移監測系統運用於橋樑，拍攝數位影像橋樑下的曲線當 為參考原點曲線，經由一已知載重卡車，於橋樑上行駛，可獲得另一 個橋樑變形曲線，由此分析電腦視覺位移監測系統測得垂直位移比預 期為大，此處極可能為橋樑受損位置，因此本研究認為電腦視覺位移 監測系統將對其公共安全事故有所助益。

參考文獻

1. Aloimonos, Y. and Rosenffld, A. “Computer Vision,” SCIENCE, Vol.

253, pp. 1249-1254, 1991.

2. Peter, W.H. and Ranson, W.F. “Digital imaging techniques in

experimental stress analysis,” Optical Engineering, Vol. 21, No. 3, pp.

427-431, 1982.

3. Chu, T.C. , Ranson, W.F. , Sutton, M.A. and Peters, W.H.,

“Applications of Digital-Image-Correlation Techniques to

Experimental Mechanics,” Experimental Mechanics, Vol. 25, No. 3, pp. 232-244, 1985.

4. Sutton, M.A. , McNeill, S.R. , Jang, J. and Babai, M., “Effects of subpixel image restoration on digital correlation error estimates, ” Optical Engineering, Vol. 27, No. 10, pp. 870-877, 1988.

5. Bruck, H.A. , McNeill, S.R. , Sutton, M.A. and Peter, W.H., “Digital Image Correlation Using Newton-Raphson Method of Partial

Differential Correction,” Experimentalo Mechanics, Vol. 28, No. 3, pp. 261-267, 1989.

6. Kahn-Jetter, Z.L. and Chu, T.C., “Three-dimensional Displacement Measurements Using Digital Image Correlation and Photogrammic Analysis,” Experimental Mechanics, pp. Vol. 30, No. 1, 10-16, 1990.

7. Sutton, M.A. , Turner, J.L. , Bruck, H.A. and Chae, T.A., “Full-field Representation of Discretely Sampled Surface Deformation for

Displacement and Strain Analysis,” Experimental Mechanics, Vol. 31, No. 2, pp. 168-177, 1991.

8. Zhou, P. and Goodson, K.E., “Subpixel displacement and deformation gradient measurement using digital image/speckle

correlation(DISC),” Optical Engineering, Vol. 40, No. 8, pp.

1613-1620, 2001.

9. Sutton, M.A. , Turner, J.L., Chao, Y.J. , Bruck, H.A. and Chae, T.L.,

“Experimental investigations of three-dimensional effects near a

crack tip using computer vision, ” Int. J. Fract., Vol. 53, pp. 2101-228, 1992.

10. Luo, P.F., Chao Y.J., Sutton , M.A. and Peters, W.H., “Accurate

Measurement of Three-dimensional Deformations in Deformable and Rigid Bodies Using Computer Vision, ” Experimental Mechanics, pp.

Vol. 33, 123-133, 1993.

11. Chao Y.J., Sutton , M.A. and Han, G.., “A Study of Stationary

Crack-tip Deformation Fields in Thin Sheets by Computer Vision, ” Experimental Mechanics, Vol. 34, pp. 125-140, 1994.

12. Chao, Y.J. , Luo, P.F. and Kalthoff, J.F., “An Experimental Study of the Deformation Fields Around a Propagating Crack Tip,”

Experimental Mechanics, Vol. 38, No. 2, pp. 79-85, 1998.

13. Choi, S. and Shah, S. P., “Measurement of Deformations on concrete Subjected to Compression Using Image Correlation, ” Experimental Mechanics, Vol. 37, No. 3, pp. 307-313, 1997.

14. Choi, S. and Shah, S. P., “Propagation of Microcracks in Concrete Studied with Subregion Scanning Computer Vision(SSCV), ” ACI Materials Journal, Vol. 96, pp. 255-260, 1999.

15. Lu, H., Vendroux, G. and Knauss, W.G., “Surface Deformation Measurements of a Cylindrical Specimen by Digital Image

Correlation,” Experimental Mechanics, Vol. 37, No. 4, pp. 433-439,

16. Raffard, D., Ienny, P. and Henry, J.P., “Displacement and Strain Fields at a Stone/Mortar Interface by Digital Image Processing,”

Jounnal of Testing and Evaluation, Vol. 29, Nop. 2, pp. 115-122, 2001.

17. Wattrisse, B. , Chrysochoos, A., Muracciole, J.M., and

Nemoz-Gaillard, M., “Analysis of Strain Localization during Tensile Tests by Digital Image Correlation, ” Experimental Mechanics, Vol.

41, No. 1, pp. 29-39, 2001.

18. Fu, G., and Moosa, A.G., “An Optical Approach to Structural Displacement Measurement and Its Application,” Journal of Engineering Mechanics, Vol. 128, No. 5, pp. 511-520, 2002.

19. Franke, E.A. , Wenzel, D.J. and Davidson D.L., “Measurement of microdisplacements by machine vision

photogrammetry(DISMAP),”Rev. Sci. Instrum., Vol. 62, No. 5, pp.

1270-1279, 1991.

20. Kahn-Jetter, Z.L., Turso J.A. and Pritchard, P.J., “Deformed Surface Curve Measurements Using Photogrammetric Techniques,

Experimental Techniques,” Vol. 16, No. 1, pp. 43-45, 1992.

21. Kahn-Jetter, Z.L., Jha, N.K. and Bhatia, H., “Optimal Image

Correlation in Experimental Mechanics, ” Optical Engineering, Vol.

33, No. 4, pp. 1099-1105, 1994

圖 3.1 DVC-1312 數位相機(CCD)

圖 3.2 Meteor-Ⅱ/Digital 影像擷取卡

圖 3.3 個人電腦

圖 3.4 電腦視覺配置與運作

望遠鏡頭 數位相機 傳輸線

影像擷取卡 個人電腦

電腦螢幕

焦距

圖 3.5 數位相機成像原理

圖 3.6 特徵圖形

圖 3.7 無限解析度之特徵圖形

圖 3.8 電腦數位影像由畫素所組成之特徵圖形

圖 3.9 混凝土梁上架設 LVDT 以及貼上特徵圖形

圖 3.10 數位相機拍攝特徵圖形之情形

圖 3.11 手動式加載載重架

圖 3.12 三點彎矩實驗固定座

圖 3.13 LVDT 位移計

圖 3.15 資料擷取系統操作介面

圖 3.16 電腦視覺位移監測系統

圖 3.17 電腦視覺位移監測系統操作介面

圖 4.1 建立 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式精靈

影像顯示區

圖 4.2 運用精靈建立視窗應用程式的各種設定

圖 4.3 設定使用者介面功能

圖 4.4 設定專案功能

圖 4.5 產生的類別設定

圖 4.6 ActiveMIL MFC AppWizard 應用程式專案的建立

圖 4.7 設定 Visual C++ 6.0 獲得 ActiveMIL 控制的方法

圖 4.8 Visual C++ 6.0 開發環境中的資源檢視

圖 4.9 Dialog 資料夾選擇 IDD_專案名稱_DIALOG

圖 4.10 將控制項工具列顯示於設計區

圖 4.11 按鍵控制項設定

圖 4.12 標籤文字控制項設定

圖 4.13 編輯控制項設定

圖 4.14 增加影像處理元件以及 Blob 分析元件

圖 4.15 設定白色菱形區塊高度尺寸，影像處理二值化門檻分界值

圖 4.16 位移顯示視窗

圖 5.2 特徵圖形往下位移 5mm 拍攝情形

圖 5.3 特徵圖形往下位移 10mm 拍攝情形

圖 5.4 特徵圖形位移向上 5mm 拍攝情形

圖 5.5 特徵圖形位移向上 10mm 拍攝情形

圖 5.6 LVDT 位移計所測得垂直位移為 0.8mm

圖 5.7 特徵圖形位移 0.8mm 拍攝情形

圖 5.8 LVDT 位移計所測得垂直位移為 1.6mm

圖 5.9 LVDT 位移計所測得垂直位移為 2.4mm

圖 5.10 LVDT 位移計所測得垂直位移為 3.2mm

圖 5.11 LVDT 位移計所測得垂直位移為 4.0mm

圖 5.12 LVDT 位移計所測得垂直位移為 4.8mm

圖 5.13 特徵圖形位移 1.6mm 拍攝情形

圖 5.14 特徵圖形位移 2.4mm 拍攝情形

圖 5.15 特徵圖形位移 3.2mm 拍攝情形

圖 5.16 特徵圖形位移 4.0mm 拍攝情形

圖 5.17 特徵圖形位移 4.8mm 拍攝情形

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4

位移

位移 LVDT位移資訊

電腦視覺位移資訊

圖 5.18 LVDT 位移計與電腦視覺位移監測系統所得資訊

圖 5.19 有空調下的測試穩定拍攝情形

圖 5.20 無空調下的測試穩定拍攝情形

圖 5.21 無空調下的測試穩定拍攝情形

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

0 1 2 3 4

位移 位移

設計位移

有空調電腦視覺監測 位移資訊

無空調電腦視覺監測 位移資訊

不同初始值電腦視覺 監測位移資訊

圖 5.22 電腦視覺監測系統所擷取的數位影像位移資料