[發(fā)明專利]一種基于導(dǎo)數(shù)相位光流法的結(jié)構(gòu)振動視頻測量方法及系統(tǒng)

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• 申請日: 2022-12-06
• 公開（公告）號: CN115841504A
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 單明廣;柳守一;劉磊;于蕾;鐘志;劉彬
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246;G06T5/00;G06F17/15
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本發(fā)明公開了一種基于導(dǎo)數(shù)相位光流法的結(jié)構(gòu)振動視頻測量方法及系統(tǒng)，利用相機對被測結(jié)構(gòu)的振動過程以滿足奈奎斯特采樣率的幀率進行視頻采集，獲取富含振動信息的時序變化圖像序列，同時作為實部序列；利用二維一階導(dǎo)數(shù)算子逐幀與每一圖像序列做二維卷積，獲取解析信號的虛部序列；利用復(fù)數(shù)結(jié)合算子將實部序列與虛部序列一一對應(yīng)結(jié)合，獲取富含相位信息的解析序列；利用四象限反正切運算操作上述解析序列，獲取富含相對位移變化場信息的相鄰幀相位變化；利用幅值濾波去噪方法處理得到去噪后的相位變化序列；利用計算所得轉(zhuǎn)換比例因子以及快速傅里葉變換，得到被測結(jié)構(gòu)的實際振動位移以及振動頻率。本發(fā)明具有更快的速度、更高的精度和抗噪性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)振動視頻測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于導(dǎo)數(shù)相位光流法的結(jié)構(gòu)振動視頻測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

振動測試分析在科學研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域具有很重要的意義。傳統(tǒng)的振動測試分析多采用接觸式方法，存在布線繁雜、安裝困難、空間分辨率低、有負載效應(yīng)等缺陷。隨著技術(shù)發(fā)展，激光多普勒測振法、視頻測量法等非接觸式方法被廣泛應(yīng)用到了振動測量領(lǐng)域，有效克服了上述缺陷。但是激光多普勒測振儀存在測量速度慢、結(jié)構(gòu)龐大且價格昂貴等問題。而基于視頻的振動測量方法因其非接觸、高精度、高空間分辨率、全視場測量、操作便捷和結(jié)構(gòu)簡潔等優(yōu)點逐漸成為振動測量技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。

為了應(yīng)對傳統(tǒng)振動測量所帶來的諸多弊端，數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)在振動測量領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛開發(fā)，基于數(shù)字視頻的運動測量有著低成本、高便攜性以及提供全局測量等優(yōu)點，為運動測量技術(shù)提供了一個全新的視角。現(xiàn)在視頻測量技術(shù)還包括光流法，此方法結(jié)合圖像像素值以及邊緣檢測等圖像檢測方法，實現(xiàn)視頻方法的振動響應(yīng)測量。公開號為CN106989812的專利提出了基于攝影測量技術(shù)的大型風機葉片的模態(tài)測量方法，采集過程需要采用雙相機，通過DIC的立體匹配技術(shù)來對葉片模態(tài)進行分析。雖然DIC技術(shù)可以得到高精度的數(shù)據(jù)，但整體需要超高的運算量，對于實時監(jiān)測處理數(shù)據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)條件下是無法實現(xiàn)的。同時還需要對被測物預(yù)涂散斑等特征。公開號為CN114187330的專利提出一種基于光流法的結(jié)構(gòu)微幅振動工作模態(tài)分析方法，該發(fā)明以光流法得到的結(jié)構(gòu)輪廓點為主要特征，以輪廓點的位移變化反映真實的變化。但這些方法對采集條件要求高，需要嚴格保證振動區(qū)域場景中沒有其他運動干擾，同時抗噪性能差、計算量大、計算速度慢，對相機采集幀率也有著一定的要求。公開號為CN108122248A的專利提出一種基于相位的運動估計方法對大壩的自振頻率進行測量，利用Gabor變換提取大壩邊緣的相位信息，計算大壩的自振位移。但通用的基于Gabor變換的相位運動估計方法，需要先驗知識來指導(dǎo)人工設(shè)置波長，自動化性能差。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于導(dǎo)數(shù)相位光流法的結(jié)構(gòu)振動視頻測量方法及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中高消耗的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明的一種基于導(dǎo)數(shù)相位光流法的結(jié)構(gòu)振動視頻測量方法，包括以下步驟：

步驟1、利用相機對被測結(jié)構(gòu)的振動過程以滿足奈奎斯特采樣率的幀率進行視頻采集，獲取富含振動信息的時序變化圖像序列，同時作為實部序列；

步驟2、利用二維一階導(dǎo)數(shù)算子逐幀與每一圖像序列做二維卷積，獲取解析信號的虛部序列；

步驟3、利用復(fù)數(shù)結(jié)合算子將實部序列與虛部序列一一對應(yīng)結(jié)合，獲取富含相位信息的解析序列；

步驟4、利用四象限反正切運算操作所述解析序列，獲取富含相對位移變化場信息的相鄰幀相位變化；

步驟5、利用幅值濾波去噪方法處理得到去噪后的相位變化序列；

步驟6、計算被測結(jié)構(gòu)在實際空間平面運動的實際位移與實物在實際測量距離下的相機平面中運動尺寸的轉(zhuǎn)換比例因子，將幅值濾波后的相位變化序列乘以轉(zhuǎn)換比例因子，得到時序上的結(jié)構(gòu)振動的實際幅值，通過快速傅里葉變換得到被測結(jié)構(gòu)振動頻率。

進一步的，步驟二所述獲取解析信號的虛部序列包括：