臺灣博碩士論文加值系統

隨著數位攝影科技的進步與普及，利用數位影像於結構實驗量測的可行性隨之大幅提升。特別是對於大範圍與大變形的實尺寸結構實驗，傳統的應變計與位移計常受到一些限制，而無法完整得到所要的數據，此時可透過影像量測協助提供所需的實驗數據。所謂的數位影像量測係根據物體在變化前、後兩張影像間的相對位置分析物體表面的空間資訊，進而推算出位移場、應變場、裂縫位置等工程上相關的資訊。
本研究之目的即在於自行開發雙相機影像量測與分析系統所需的軟體分析程式與組合硬體設備。此系統的特色在於可提供即時量測，利用雙數位相機即時拍攝實驗影像之後，再進行後續數據的處理與分析。其次，由於具備影像重建的功能，故雙相機之視角不需相同，且適用於不同型號之相機或相機與待測物不等距離拍攝之量測。最後，本系統亦可適用於曲面待測物的量測，不侷限於平面量測。
本文利用零應變實驗與混凝土圓柱試體抗壓實驗進行驗證，實例顯示本文之雙相機系統在位移量測是具有足夠的精確度。最後將此系統實際應用於三維空間之大型結構實驗的即時量測，影像分析可顯示出鋼筋混凝土牆在循環載重作用下的裂縫生成，以及同心斜撐在側力作用下的面外運動。

In the past few years, the rapid improvement and popularization of digital camera technology have greatly facilitated the applications of digital image measurement. For the measurements of the large deformation in full-scale structural experiments, which conventional strain gages and displacement sensors have performance limitations, advanced digital image technology especially can help to obtain complete set of information. Through the spatial information analysis on the surface image of an object taken in two different angles, related data such as displacement fields, strain fields, and crack positions et al. can be derived.
The aim of this research is to develop an in-house analyzing software and its corresponding equipment for dual-camera digital image measurement system. The first feature of this system is its capability of providing simultaneous shots for real time measurement. In addition, the image reconstruction method in the developed system can overcome the problem of pattern recognition for dual-camera with different view angles. Different types of cameras and unequal distances between cameras and the object can be treated successfully. Finally, the developed system works well not only for objects with plane surfaces but also graphic surfaces,.
The developed system is verified by the experiments of zero-strain and the compression test of a concrete cylinder. Experimental results demonstrate that the measurement of displacement of this system is accurate enough. Finally, the system is applied in three-dimensional large-scale structural experiments. Experimental images can show the initiation and propagation of the crack of a post-tensioned RC-wall under cyclic loadings and also the out-of-plane motion of an concentric steel braced frame under lateral loadings.

目 錄

摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目 錄 VII
表 目 錄 IX
圖 目 錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻回顧 2
1.4 研究內容 4
第二章 影像相關理論 7
2.1 座標系統 7
2.2 相機校正 13
2.3 影像識別 16
2.4 三角定位 22
2.5重建影像 23
第三章 影像量測實驗與分析流程 31
3.1影像量測之方法與流程 31
3.2影像分析流程 34
3.3應變計算 36
3.4變形呈現 47
第四章 系統測試 51
4.1零應變實驗 51
4.2 不同維度分析之比較 60
4.3 不同視角分析 63
4.4混凝土圓柱試體壓縮實驗 68
第五章 影像量測於結構實驗之應用 77
5.1 預力鋼筋混凝土牆實驗 77
5.2 兩層樓同心斜撐構架實驗 87
第六章 結論與展望 97
6.1 結論 97
6.2 展望 98
參考文獻 101




表 目 錄

表3.1 不同εxx之下，兩種差分計算方式所得之εxx 40
表3.2 不同εyy之下，兩種差分計算方式所得之εyy 40
表3.3 不同εxy之下，兩種差分計算方式所得之εxy 40
表3.4 平板受均佈載重作用之下之應變場 44
表3.5 平板受集中載重作用之下之應變場 46
表4.1 相機主要規格 53
表4.2 相機感光元件規格 54
表4.3定時快門遙控線（Phottix電子定時快門線） 54
表4.4 零應變實驗位移量測結果 56
表4.5 零應變實驗x向位移利用規則點位差分所得之應變 57
表4.6 零應變實驗x向位移利用不規則點位差分所得之應變 57
表4.7 零應變實驗y向位移利用規則點位差分所得之應變 58
表4.8 零應變實驗y向位移利用不規則點位差分所得之應變 58
表4.9 不同維度分析中x向零應變實驗雙相機位移量測結果 61
表4.10不同維度分析中x向零應變實驗單相機位移量測結果 62
表4.11 z向零應變實驗雙相機位移量測結果 63
表4.12 不同夾角位移量測比較 66
表4.13不同角度x向位移應變計算（規則點差分） 67
表4.14不同角度y向位移應變計算（規則點差分） 68
表4.15 混凝土圓柱壓縮實驗 72
表5.1 相機主要規格 79
表5.2 同心斜撐構架頂層位移歷時 91




圖 目 錄

圖2.1 針孔成像模型圖 7
圖2.2 透視投影法特性示意圖（謝宜昇 2005） 8
圖2.3 針孔相機座標系統示意圖（謝宜昇 2005） 9
圖2.4 不同座標系統示意圖 10
圖2.5 像素座標系統與影像座標系統示意圖 12
圖2.6 規則的棋盤校正板 16
圖2.7物體變形前後相關位置示意圖 19
圖2.7變形向量中各參數對於物體變形之示意圖（李國誌 2002） 20
圖2.8 影像識別示意圖（楊元森等 2008） 21
圖2.9 座標系統重合圖 23
圖2.10 視角造成的影像差異示意圖 24
圖2.11 實際拍攝之影像 25
圖2.13 投影至像素座標面上定出重建影像所需要的範圍 26
圖2.14 重建後之影像 28
圖2.15 重建影像流程 29
圖3.1 相機架設 33
圖3.2 目標區噴漆 33
圖3.3 影像分析流程 35
圖3.4 範圍取點 35
圖3.5 應變差分計算示意圖 38
圖3.7 單位面積平板於平面應變下之變形圖 39
圖3.8 平板受均勻載重示意圖 42
圖3.9 平板受均勻載重作用下之應變場分佈圖 44
圖3.9 平板受集中載重示意圖 45
圖3.10 平板受集中載重作用下之應變場分佈圖 46
圖3.11 左右相機所拍攝待測物在變形前、後之照片 48
圖3.12待測物變形前、後比較圖 49
圖4.1 三軸精密定位儀 52
圖4.2 雙軸精密定位儀 52
圖4.3 不同尺寸大小之待測物 52
圖4.4 零應變校正板示意圖 52
圖4.5 相機校正結果 55
圖4.6 雙相機與待測物之相對位置（單位：m） 55
圖4.7 零應變實驗相機拍攝影像 55
圖4.8 x向位移0.02 mm應變計算方法比較 58
圖4.9 x向位移0.08 mm應變計算方法比較 59
圖4.10 x向位移0.32 mm應變計算方法比較 59
圖4.11 x向位移1.28 mm應變計算方法比較 59
圖4.12 x向位移2.56 mm應變計算方法比較 60
圖4.13 x向位移5.12 mm應變計算方法比較 60
圖4.14 雙相機量測示意圖 61
圖4.15 ImPro軟體介面 62
圖4.16 不同視角之零應變實驗示意圖 64
圖4.17(a) 小角度左側影像 65
2892×948（影像大小4272×2848） 65
圖4.17(b) 小角度右側影像 65
2916×744（影像大小4272×2848） 65
圖4.18(a) 大角度左側影像 65
2892×930（影像大小4272×2848） 65
圖4.18(b) 大角度右側影像 65
3060×906（影像大小4272×2848） 65
圖4.19 混凝土圓柱試體噴上顆粒漆 69
圖4.20 架設雙相機對準混凝土圓柱 69
圖4.21 雙相機具相同視角 70
圖4.22 黑白相間之棋盤格 70
圖4.23 相機參數校正 70
圖4.24 雙相機拍攝所得之影像 70
圖4.25 雙相機校正所得之空間座標 71
圖4.26 萬能實驗機資料擷取系統 73
圖4.27 目標區域網格示意圖 73
圖4.28 編號1（軸向力-0.1670 kN）之應變場 73
圖4.29 編號5（軸向力-67.3339 kN）之應變場 73
圖4.30 編號10（軸向力-325.7250 kN）之應變場 74
圖4.31 編號15（軸向力-541.5153 kN）之應變場 74
圖4.32 編號16（軸向力-489.7498 kN）之應變場 74
圖4.33 編號17（軸向力-203.7974 kN）之應變場 75
圖4.34 編號18（軸向力-191.9135 kN）之應變場 75
圖4.35 混凝土圓柱試體應力應變曲線 75
圖5.1 後拉式預力鋼筋混凝土牆 78
圖5.2 頂層位移歷時圖 78
圖5.3(a) 左相機校正圖 78
圖5.3(b) 右相機校正圖 78
圖5.4 南邊左相機觀測區域 80
圖5.4 南邊右相機觀測區域 80
圖5.5 頂層位移91mm 80
圖5.6 頂層位移-91mm（頂層受力-477kN） 80
圖5.7 頂層位移91mm（頂層受力464kN） 81
圖5.8 頂層位移-91mm（頂層受力-472kN） 81
圖5.9 頂層位移121mm（頂層受力485kN） 81
圖5.10 頂層位移121mm（頂層受力470kN） 82
圖5.11 頂層位移-121mm（頂層受力-492kN） 82
圖5.12 頂層位移-121mm（頂層受力-492kN） 82
圖5.13 頂層位移23mm（頂層受力48kN） 83
圖5.14 頂層位移-121mm（頂層受力-480kN） 83
圖5.15 頂層位移121mm（頂層受力470kN） 83
圖5.16 頂層位移121mm（頂層受力464kN） 84
圖5.17 頂層位移-121mm（頂層受力-485kN） 84
圖5.18 頂層位移-152.4mm（頂層受力-508kN） 84
圖5.19 頂層位移114.2mm（頂層受力270kN） 85
圖5.20 頂層位移-152.3mm（頂層受力503kN） 85
圖5.21 頂層位移182.8mm（頂層受力500kN） 85
圖5.22 頂層位移-182.8mm（頂層受力-508kN） 86
圖5.23 頂層位移183mm（頂層受力479kN） 86
圖5.24(a) 同心斜撐鋼構架（側視） 88
圖5.24(b) 同心斜撐鋼構架（正視） 88
圖5.25 位移時間圖 88
圖5.26 試體噴上顆粒漆 89
圖5.27 架設雙相機對準目標 89
圖5.28 雙相機具相同視角 89
圖5.29 黑白相間之棋盤格 89
圖5.30（a） 左相機參數校正 89
圖5.30（b） 右相機參數校正 89
圖5.31 左相機所得影像之空間座標 90
圖5.31 右相機所得影像之空間座標 90
圖5.32（a） 左相機所得之影像 90
圖5.32（b） 右相機所得之影像 90
圖5.33 影像分析 90
圖5.34 三維形狀位置0 92
圖5.35 三維形狀位置1 92
圖5.36 三維形狀位置2 92
圖5.37 三維形狀位置3 92
圖5.38 三維形狀位置4 92
圖5.39 三維形狀位置5 92
圖5.40 三維形狀位置6 93
圖5.41 三維形狀位置7 93
圖5.42 三維形狀位置1 94
圖5.43 三維形狀位置4 94
圖5.44 三維形狀位置6 95
圖5.45 三維形狀位置7 95

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