论文中文题名: | 基于计算机视觉的桥梁伸缩缝健康监测方法研究 |
姓名: | |
学号: | 22208223062 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085400 |
学科名称: | 工学 - 电子信息 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2025 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 计算机视觉 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2025-06-13 |
论文答辩日期: | 2025-05-29 |
论文外文题名: | Research on Bridge Expansion Joint Health Monitoring Methods Based on Computer Vision |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Object Detection ; Crack Detection ; Binocular Vision ; Disparity Optimization |
论文中文摘要: |
桥梁伸缩缝作为桥梁结构的关键组件,其健康状态直接关系到桥梁的安全性。桥梁伸缩缝损伤可分为表面损伤以及结构损伤两类:表面损伤主要表现为伸缩缝锚固带裂缝,结构损伤主要表现为伸缩缝位移控制弹簧老化以及约束带松动。与传感器监测方法相比,计算机视觉监测方法具有维护成本低的优势,展现了良好的应用潜力。然而,由于桥梁伸缩缝表面损伤具有裂缝尺寸微小、背景噪声干扰显著的特点,使得目标检测算法检测精度较低。同时,桥梁伸缩缝结构损伤中的异型钢存在边缘模糊、纹理信息弱的特点,使得双目视觉算法测距误差较大。因此,针对以上问题,本文主要研究了基于计算机视觉的桥梁伸缩缝健康监测方法,具体研究内容如下: 针对桥梁伸缩缝表面损伤存在的裂缝尺寸微小、背景噪声干扰显著的特点,提出了一种基于YOLOv5-DAMF的目标检测模型。该模型构建Dense Unit密集连接模块替代原Res Unit模块,每次卷积运算都将先前所有层输出的特征作为该阶段所需的输入,使网络能够更有效地学习裂缝特征。在CBS模块后添加CBAM注意力机制,通过在通道和空间两个维度上对特征图进行加权,减少背景噪声的干扰。提出多尺度特征融合策略并增设小目标检测层,通过整合不同尺度的特征信息,结合低层级细节与高层级语义,增强了模型对微小裂缝特征的捕捉能力。实验表明,相较于原模型,YOLOv5-DAMF的mAP@0.5指标提升了4%达到了86.2%,可以有效地监测桥梁伸缩缝表面损伤。 针对桥梁伸缩缝结构损伤中异型钢存在的边缘模糊以及纹理信息弱的特点,提出了一种基于LAP-SGBM-WLS的双目测距算法。该算法构建拉普拉斯二阶微分卷积核,计算图像中每个像素点的二阶导数来突出像素变化较大的区域,有效提高视差图中异型钢边缘的区分度。结合加权最小二乘滤波,通过最小化加权残差平方和来估算图像中的真实像素值,提升弱纹理区域像素匹配的精准度。实验表明,相较于原算法,LAP-SGBM-WLS算法将测距相对误差从11.32%降低至7.54%,为伸缩缝位移控制弹簧老化、约束带松动等结构损伤的量化评估提供了数据支持。 为了全方位监测桥梁伸缩缝的健康状态,本文开发了一套桥梁伸缩缝健康监测系统。该系统针对表面损伤,集成了基于YOLOv5-DAMF的目标检测算法,用于锚固带裂缝的检测;针对结构损伤,集成了基于LAP-SGBM-WLS的立体匹配算法,用于异型钢伸缩值的测量。系统采用多线程架构和SQLite数据库,支持批量图像处理与实时监测,并通过可视化界面实现参数动态调整与结果交互。 |
论文外文摘要: |
Bridge expansion joints, critical to bridge safety and durability, are prone to surface and structural damage. Surface damage involves anchor belt cracks, while structural damage includes displacement control spring aging and restraint belt loosening. Computer vision-based monitoring, with lower maintenance costs than sensor-based methods, shows potential but faces challenges: tiny cracks with significant background noise lower detection algorithm accuracy, and weak texture details in deformed steel make stereo vision distance measurement error-prone. This study explores computer vision-based health monitoring methods for bridge expansion joints, with three main focuses: A YOLOv5-DAMF object detection model is proposed for surface damage. Dense Unit replaces the original Res Unit module, allowing the network to learn crack features more effectively. CBAM attention mechanism is added after the CBS module to reduce background noise. A multi-scale feature fusion strategy and a small target detection layer are proposed to enhance the model's ability to capture tiny crack features. Experiments show that compared to YOLOv5, the mAP@0.5 of YOLOv5-DAMF improves by 4% to 86.2%, effectively detecting surface damage. A LAP-SGBM-WLS stereo matching algorithm is introduced for structural damage. A Laplacian second-order differential convolution kernel highlights areas of significant pixel change, improving the distinction of deformed steel edges in disparity maps.Weighted least squares filtering estimates true pixel values, enhancing matching accuracy in weak texture regions. Experiments indicate that compared to SGBM, LAP-SGBM-WLS reduces relative distance error from 11.32% to 7.54%,providing precise data for structural damage assessment. A comprehensive bridge expansion joint health monitoring system is developed. It integrates the YOLOv5-DAMF algorithm for crack detection and the LAP-SGBM-WLS algorithm for deformable steel displacement measurement. With a multi-threaded architecture and SQLite database, the system supports batch image processing and real-time monitoring, and a visual interface enables dynamic parameter adjustment and result interaction. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP391.41 |
开放日期: | 2025-06-17 |