一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法及系统

技术领域

本发明属于结构振动视频测量技术领域，涉及一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法及系统。

背景技术

振动测试分析在科学研究和工程应用领域具有很重要的意义。传统的振动测试分析多采用接触式方法，存在布线繁杂、安装困难、空间分辨率低、有负载效应等缺陷。随着技术发展，激光多普勒测振法、视频测量法等非接触式方法被广泛应用到了振动测量领域，有效克服了上述缺陷。但是激光多普勒测振仪存在测量速度慢、结构庞大且价格昂贵等问题。而基于视频的振动测量方法因其非接触、高精度、高空间分辨率、全视场测量、操作便捷和结构简洁等优点逐渐成为振动测量技术领域的重要组成部分。

为了应对传统振动测量所带来的诸多弊端，数字图像相关(DIC)技术在振动测量领域的应用得到广泛开发，基于数字视频的运动测量有着低成本、高便携性以及提供全局测量等优点，为运动测量技术提供了一个全新的视角。现在视频测量技术还包括光流法，此方法结合图像像素值以及边缘检测等图像检测方法，实现视频方法的振动响应测量。公开号为CN106989812的专利提出了基于摄影测量技术的大型风机叶片的模态测量方法，采集过程需要采用双相机，通过DIC的立体匹配技术来对叶片模态进行分析。虽然DIC技术可以得到高精度的数据，但整体需要超高的运算量，对于实时监测处理数据在现有技术条件下是无法实现的。同时还需要对被测物预涂散斑等特征。公开号为CN114187330的专利提出一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法，该发明以光流法得到的结构轮廓点为主要特征，以轮廓点的位移变化反映真实的变化。但这些方法对采集条件要求高，需要严格保证振动区域场景中没有其他运动干扰，同时抗噪性能差、计算量大、计算速度慢，对相机采集帧率也有着一定的要求。公开号为CN108122248A的专利提出一种基于相位的运动估计方法对大坝的自振频率进行测量，利用Gabor变换提取大坝边缘的相位信息，计算大坝的自振位移。但通用的基于Gabor变换的相位运动估计方法，需要先验知识来指导人工设置波长，自动化性能差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法及系统，解决现有技术中高消耗的问题。

为解决上述问题，本发明的一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法，包括以下步骤：

步骤1、利用相机对被测结构的振动过程以满足奈奎斯特采样率的帧率进行视频采集，获取富含振动信息的时序变化图像序列，同时作为实部序列；

步骤2、利用二维一阶导数算子逐帧与每一图像序列做二维卷积，获取解析信号的虚部序列；

步骤3、利用复数结合算子将实部序列与虚部序列一一对应结合，获取富含相位信息的解析序列；

步骤4、利用四象限反正切运算操作所述解析序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；

步骤5、利用幅值滤波去噪方法处理得到去噪后的相位变化序列；

步骤6、计算被测结构在实际空间平面运动的实际位移与实物在实际测量距离下的相机平面中运动尺寸的转换比例因子，将幅值滤波后的相位变化序列乘以转换比例因子，得到时序上的结构振动的实际幅值，通过快速傅里叶变换得到被测结构振动频率。

进一步的，步骤二所述获取解析信号的虚部序列包括：

(1)将采集到的图像转换为灰度特征图像，动态选取相邻时序两帧灰度图像特征I(x,y,t)以及I(x,y,t+Δt)，其中t代表当前时刻，Δt表示时间步长，(x,y)是空域坐标，x方向上的位移为δ

(2)选择对应x方向的二维一阶导数算子，在空域中利用选择的二维一阶导数算子与所述灰度特征图像进行卷积，得到空域中图像的一阶导数同时也作为虚部I

进一步的，所述二维一阶导数算子为Sobel算子、Roberts算子或者Scharr算子。

进一步的，步骤3所述获取富含相位信息的解析序列包括：

所述富含相位信息的解析信号I

进一步的，步骤4所述利用四象限反正切运算操作所述解析序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化包括：

从而获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化

进一步的，所述去噪后的相位变化序列为：

其中abs[·]表示求取幅值。

本发明还包括一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量系统，包括采集模块、转换模块、结合模块、反正切模块、结果计算模块；

所述采集模块利用相机对被测结构的振动过程以满足奈奎斯特采样率的帧率进行视频采集，获取富含振动信息的时序变化图像序列，并作为实部序列；

所述转换模块利用二维一阶导数算子与采集到的时序变化图像序列逐帧做二维卷积运算，获取解析信号的虚部序列；

所述结合模块利用复数结合算子将实部序列与虚部序列整合，生成富含相邻帧相位变化的解析序列；

所述反正切模块利用四象限反正切运算操作解析序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；

所述结果计算模块计算被测结构在实际空间平面运动的实际位移与实物在实际测量距离下的相机平面中运动尺寸的转换比例因子，将幅值滤波后的相位变化序列乘以转换比例因子，得到时序上的结构振动的实际幅值，通过快速傅里叶变换得到被测结构振动频率。

本发明的有益效果：

1.相对于传统方法，本发明始终处于基于空域到空域的相位转换，具有更快的速度以及精确的测量结果，硬件要求更低，成本更低。

2.相对于基本光流方法，具有更加优秀的抗噪声性能以及更加精确的处理结果。

3.相对于现今流行的基于Gabor变换的方法，本发明无需预设参数，减少了人为操作，加快了本领域工业自动化进程。

附图说明

图1为导数相位光流法的流程示意图。

图2为实际拍摄相机平面中的悬臂梁图片。

图3为导数相位光流法实际时域测量结果。

图4为导数相位光流法实际频域测量结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图4，本发明提出一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法，包括：

步骤1、利用相机对被测结构的振动过程以满足奈奎斯特采样率的帧率进行视频采集，获取富含振动信息的时序变化图像序列，同时作为实部序列；

步骤2、利用二维一阶导数算子逐帧与每一图像序列做二维卷积，获取解析信号的虚部序列；

步骤3、利用复数结合算子将实部序列与虚部序列一一对应结合，获取富含相位信息的解析序列；

步骤4、利用四象限反正切运算操作上述解析序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；

步骤5、利用幅值滤波去噪方法处理得到去噪后的相位变化序列；

步骤6、利用计算所得转换比例因子以及快速傅里叶变换，得到被测结构的实际振动位移以及振动频率。

步骤2中所述的二维一阶导数算子包括但不限于Sobel算子，Roberts算子,Scharr算子等。

虚部序列获取过程具体包括：

(1)将采集到的图像转换为灰度特征图像，动态选取相邻时序两帧灰度图像特征I(x,y,t)以及I(x,y,t+Δt)，其中t代表当前时刻，Δt表示时间步长，(x,y)是空域坐标，以x方向上的位移δ

选择对应x方向的二维一阶导数算子，在空域中利用选择的二维一阶导数算子与上述灰度特征图像进行卷积，得到空域中图像的一阶导数同时也作为虚部I

所述步骤3具体为：

通过复数结合算子将上述实部与虚部结合生成富含相位信息的解析信号I

步骤4中所述利用四象限反正切arg[·]运算操作上述解析信号的计算公式具体为：

从而获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化

步骤5中幅值滤波去噪得到去噪后的变化相位Ф(x,y)的计算公式具体为：

其中abs[·]表示求取幅值。

步骤6中对于实际距离与像素距离的转换过程中，其中相机坐标系与世界坐标系的转换因子随着相机的采集距离变化。

步骤6中利用得到的实际位移场计算频域信息的过程中，所述的利用时序实际位移场需要至少保证一个时序实际位移场的周期。

本发明提出一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量系统，系统具体包括：

采集模块：利用相机对被测结构的振动过程以满足奈奎斯特采样率的帧率进行视频采集，获取富含振动信息的时序变化图像序列，并作为实部序列；

转换模块：利用二维一阶导数算子与采集到的时序变化图像序列逐帧做二维卷积运算，获取解析信号的虚部序列；

结合模块：利用复数结合算子将实部序列与虚部序列整合，生成富含相邻帧相位变化的解析序列；

反正切模块：利用四象限反正切运算操作解析序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；

结果计算模块：利用计算所得转换比例因子以及快速傅里叶变换，得到被测结构的实际振动位移以及振动频率。

为了更好的描述本申请所述方法现通过以下实施例具体说明本发明基于导数相位光流法的快速全场结构振动测量方法在实际应用中的完整流程阐述。

在本实施例中，具体提供一种基于导数相位光流法的快速全场结构振动测量方法，其步骤流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)准备一根长度为20cm的悬臂梁，如图2所示，采用力锤对悬臂梁底部进行激励，激发振动模态。

(2)利用智能手机、普通相机或者高速工业相机等拍摄设备对被测物悬臂梁的振动过程进行采集录制，得到包含悬臂梁振动信息的视频，同时使用传统接触式方法(加速度计测量方法)对振动数据进行测量，作为对比参考值。采集过程中，采集帧率设置为180Hz，利用LED光源进行补光。

(3)选择x方向的Sobel图像算子，这在一般情况下都比较通用。将采集到的图像，即实部序列，逐帧利用Sobel算子进行卷积，实现虚部结果的获取得到上述I

(4)采用复数结合算子将实部序列与虚部序列结合生成富含相位信息的解析信号I

(5)采用四象限反正切算子arg[·]对得到包含相位差异的解析序列特征进行处理，得到相邻帧的相位信息

再将两相位做差得到视频中相位变化场。

再利用幅值滤波去噪得到去噪后的相位变化场。

(7)计算被测物在实际空间平面运动的实际位移与实物在实际测量距离下的相机平面中运动尺寸(像素)的转换比例因子为5.2mm/pixel。

(8)将幅值滤波后的时序相对运动位移场乘以转换比例因子，得到实际运动场，时域测量结果如图3所示，经过傅里叶变换得到振动位移信号的频域场，结果如图4所示。

(9)对比实际测量数据与本发明数据的重合度，计算结果为99.1％。

以上对本发明所提出的一种基于导数相位光流法的结构振动视频测量方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。