關(guān)于振動(dòng)試驗(yàn)視頻圖像測(cè)試技術(shù)探討

戴鑫

摘 要：如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻技術(shù)的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛。一套用于設(shè)計(jì)視頻圖像的測(cè)振系統(tǒng)是以普通USB數(shù)碼攝像頭和PC終端作為主要硬件設(shè)備。采用這種測(cè)振系統(tǒng)可以輕松識(shí)別出懸掛集中質(zhì)量的簡(jiǎn)支梁模型并且得出相應(yīng)的一階模態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)利用一款編輯軟件，對(duì)振動(dòng)視頻的采集以及圖像邊緣進(jìn)行編制監(jiān)測(cè)，獲取梁振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生位移的時(shí)程曲線(xiàn)，并對(duì)這些曲線(xiàn)進(jìn)行模態(tài)分析，得出簡(jiǎn)支梁模型的固有頻率、阻尼比以及振型，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，利用這種測(cè)振方法進(jìn)行低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試是正確的。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；數(shù)字視頻；振動(dòng)測(cè)試

前言

目前為了解決結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問(wèn)題，必須要進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。以往都是采取加速度、應(yīng)變測(cè)試元件等一些常規(guī)的點(diǎn)式監(jiān)測(cè)方法來(lái)獲取所需要的振動(dòng)信息。對(duì)于這些常規(guī)檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，不僅監(jiān)測(cè)獲取的信息不全，而且還都是接觸式的測(cè)量，在這些監(jiān)測(cè)過(guò)程中因?yàn)樾枰紤]到負(fù)載效應(yīng)等因素的影響，因此很難準(zhǔn)確的了解到全面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。而對(duì)于一些振動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法就顯得不夠完美。為了獲取復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息，全面掌握振動(dòng)狀態(tài)如果還是采取常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法的話(huà)，就需要在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多個(gè)地方設(shè)置傳感器，即使這樣，在最后的數(shù)據(jù)傳輸也難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程不僅工作量大，測(cè)事時(shí)間較長(zhǎng)，而且還會(huì)增加整個(gè)項(xiàng)目的預(yù)算。為了更好的解決這類(lèi)問(wèn)題，采用圖像測(cè)量技術(shù)就更好的表現(xiàn)出與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不同，例如，不用和測(cè)量對(duì)象進(jìn)行接觸，也能完成表面全尺寸、無(wú)負(fù)載效應(yīng)的監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)圖像測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)也有著很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力、無(wú)設(shè)備損耗以及重復(fù)可比性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于這種監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是靜態(tài)測(cè)量還是動(dòng)態(tài)測(cè)量，都能夠完成結(jié)構(gòu)空間的高密度監(jiān)測(cè)工作，并且也能獲取全面精確的監(jiān)測(cè)信息。正是因?yàn)橐曨l圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，才使得視頻圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)從剛剛問(wèn)世之初就受到高度關(guān)注，近年來(lái)也得到了迅速發(fā)展，被越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)工作投入使用。例如，李敏提出的結(jié)構(gòu)一維大變形識(shí)別的數(shù)字圖像邊緣監(jiān)測(cè)法，員向榮提出的結(jié)構(gòu)邊緣變形監(jiān)測(cè)法等。本篇文章講述的是在數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，然后利用數(shù)碼攝像頭以及PC終端作為主要硬件設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后利用相關(guān)的編輯軟件完成視頻圖像測(cè)振的工作。對(duì)于這種監(jiān)測(cè)技術(shù)，也在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了掛集中質(zhì)量的簡(jiǎn)支梁模型的振動(dòng)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，采用這種視頻圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠更好的完成低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量的工作。

一、 視頻圖像測(cè)振系統(tǒng)

對(duì)于監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)我們能夠看作為一組準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)域序列。而利用視頻圖想監(jiān)測(cè)技術(shù)完成工作的原理就是，利用CCD或者CMOS圖像傳感器對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝同時(shí)記錄下拍攝對(duì)象的在振動(dòng)狀態(tài)下的一系列實(shí)時(shí)圖像。利用視頻圖像技術(shù)能更好的識(shí)別出準(zhǔn)靜態(tài)的變形序列的振動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果模擬出監(jiān)測(cè)對(duì)象的振動(dòng)軌跡。這種視頻圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同組成的。

對(duì)于硬件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)對(duì)象的視頻監(jiān)測(cè)不僅可以使用視頻采集卡，還可以使用USB接口的普通的數(shù)碼攝像機(jī)。對(duì)于數(shù)碼采集卡來(lái)說(shuō)，一般會(huì)提供相應(yīng)品牌和型號(hào)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接庫(kù)以及開(kāi)發(fā)工具包，因此，使用數(shù)碼采集卡來(lái)說(shuō)，其價(jià)格也相對(duì)比較昂貴。而對(duì)于USB接口的普通數(shù)碼攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，其價(jià)格便宜，性能也能完成相應(yīng)工作，并且也不需要使用配圖采集卡就可以直接進(jìn)行視頻圖像的處理。另一方面，對(duì)軟件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是在相應(yīng)的編制程序基礎(chǔ)上，進(jìn)行包括視頻采集、視頻分解、圖像處理以及信號(hào)分析等四個(gè)模塊。

二、動(dòng)態(tài)位移的識(shí)別方法

動(dòng)態(tài)位移的圖像邊緣有階躍型和屋脊型兩種灰度變化趨勢(shì)。對(duì)于常規(guī)的邊緣監(jiān)測(cè)方法來(lái)說(shuō)，只能夠檢測(cè)出整像素的邊緣，如果需要監(jiān)測(cè)出更精確的位置信息，就需要采用亞像素邊緣定位方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前最常用的亞像素邊緣定位方法有矩算子法、高斯曲線(xiàn)擬合法以及多項(xiàng)式擬合法。其中矩算子法的工作原理是以理想的二級(jí)階躍邊緣來(lái)計(jì)算實(shí)際的邊緣，這種計(jì)算方式固然會(huì)存在一些計(jì)算誤差。對(duì)于高斯曲線(xiàn)擬合法來(lái)說(shuō)，采用這種方法的計(jì)算則更能接近實(shí)際邊緣尺寸，因?yàn)楦咚箶M合法也具有高精確定位的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于一些不規(guī)則的邊緣來(lái)說(shuō)，也可以精確的計(jì)算出實(shí)際邊緣尺寸，但是采用高斯擬合法的測(cè)量雖然結(jié)果精確，但需要比較大的計(jì)算量，過(guò)程比較繁瑣，計(jì)算機(jī)也很難實(shí)現(xiàn)。而多項(xiàng)式擬合法則剛好能滿(mǎn)足前兩項(xiàng)方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅定位信息精確，而且過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因此，相比之下，就體現(xiàn)出多項(xiàng)式擬合法是一種更好的邊緣定位方法。多項(xiàng)式擬合法的基本思路就是采取多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)擬合邊緣灰度的變化趨勢(shì)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)邊緣的過(guò)程中，對(duì)于一些灰度變化比較明顯的邊緣，可以采用獲取垂直邊緣附近的像素來(lái)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)位置邊緣對(duì)應(yīng)的也是多項(xiàng)式函數(shù)曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

三、模型試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)信息，進(jìn)行一次采用槽形梁同時(shí)在三分點(diǎn)處懸掛質(zhì)量為1KG的質(zhì)量塊，整個(gè)梁長(zhǎng)度為1.2m，同時(shí)相同長(zhǎng)度的材質(zhì)相同，質(zhì)量忽略不計(jì)。整個(gè)梁的表面均勻光滑，呈純黑色，在光照良好的時(shí)間段進(jìn)行拍攝，拍攝背景顏色選擇純白色，這樣有利于邊緣的確定。同時(shí)采用普通的數(shù)字?jǐn)z像頭進(jìn)行視頻的采集工作。采用施加集中外力進(jìn)行激振，使其產(chǎn)生初始位移，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所開(kāi)始進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。等到簡(jiǎn)支梁振動(dòng)穩(wěn)定后在進(jìn)行視頻的采集工作。然后利用相關(guān)的軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，選用多項(xiàng)式擬合邊緣灰度曲線(xiàn)，來(lái)得到各個(gè)像素點(diǎn)所發(fā)生的位移時(shí)間序列，然后選出相應(yīng)的位移時(shí)程繪制出曲線(xiàn)和頻譜圖。

四、結(jié)語(yǔ)

正式因?yàn)椴捎闷胀〝?shù)碼攝像頭以及PC終端機(jī)作為主要設(shè)備的視頻圖像振測(cè)系統(tǒng)價(jià)格低廉以及性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)此振測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試原理也相對(duì)比較簡(jiǎn)單、整個(gè)測(cè)試過(guò)程都可采用非接觸的方式。也沒(méi)有其它的負(fù)載效應(yīng)，因此采用視頻圖像振測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的方式在目前也是被廣泛接受，隨著如今硬件設(shè)施價(jià)格的不斷降低以及視頻圖像處理技術(shù)的不斷提高，更是推動(dòng)了視頻圖像振測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展。本篇文章在數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，又采用相關(guān)處理軟件來(lái)完成非接觸式振動(dòng)的檢測(cè)工作，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模型進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)支梁模型振動(dòng)的測(cè)量工作，其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為視頻圖像測(cè)振技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)工作提供了有力的參考價(jià)值。

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