視頻圖像振動測試技術(shù)應(yīng)用研究*

黃 文，袁向榮，劉 超，胡朝輝

（廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

在工程實際使用過程中，拉索往往由于腐蝕和振動等原因?qū)е滤髁λ沙冢鞯膿p害將會給結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果。索力的變化會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)線型，因此索力可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估的重要指標(biāo)。目前可供現(xiàn)場測定索力的方法主要有：(1)壓力表測定法；(2)壓力傳感器測定法；(3)頻率法；(4)磁通量法；(5)光纖光柵振動測試法。其中頻率法是目前索力測試的最佳選擇[1]。

圖像測量技術(shù)[2]具有表面全尺度、非接觸式、無負(fù)載效應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、重復(fù)可比性好、無設(shè)備損耗等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于靜態(tài)測量，也適用于動態(tài)測量，還可進(jìn)行全域高密度檢測。近年來數(shù)字圖像測量技術(shù)迅速發(fā)展，例如有劉敏[3]提出的結(jié)構(gòu)一維大變形識別的數(shù)字圖像邊緣檢測法；袁向榮[4]提出的結(jié)構(gòu)邊緣變形檢測一維DIC法，其邊緣識別精度可達(dá)到 0.05像素；胡朝輝[5]提出的視頻圖像技術(shù)的結(jié)構(gòu)振動測試。

本文基于數(shù)字圖像測量技術(shù)，用普通數(shù)碼攝像頭、PC機(jī)作為硬件設(shè)備，結(jié)合Matlab軟件完成了視頻圖像振動測試的系統(tǒng)設(shè)計，并且采用該測試系統(tǒng)在實驗室實現(xiàn)了索模型的振動測量。試驗結(jié)果表明，采用該測振系統(tǒng)對低頻結(jié)構(gòu)的振動測量是可行的，并且在適當(dāng)?shù)陌才畔驴梢詼y得結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)參數(shù)。

1 視頻圖像振動測試系統(tǒng)簡介

視頻圖像振動測試是基于圖像測量技術(shù)的一種新的振動測試方法，相比常規(guī)振動測試方法，利用視頻圖像傳感器進(jìn)行振動測試[6]是通過圖像傳感器實時拍攝并記錄被測對象振動狀態(tài)下的一系列瞬時圖像，然后對圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，最后獲得被測對象的一系列振動信息，并以此獲得被測對象的振動軌跡。具體測試流程如圖1所示。

提高圖像測量精度的關(guān)鍵技術(shù)是邊緣的定位方法，早期流行的經(jīng)典邊緣檢測算子[7]提取的邊緣精度為整像素，因此只能判斷邊緣在某個像素點(diǎn)處，但是對更準(zhǔn)確的位置便不能夠判斷了。隨著所需測量精度的提高，整像素級精度已經(jīng)不能滿足實際測量的要求。因此高精度的亞像素邊緣定位算法便被應(yīng)用于其中，較為常用的如矩算子法[8]、二次曲線擬合法[9-10]、高斯曲線擬合法[11]和多項式擬合法[3]。其中多項式擬合法定位精度高、計算簡單且易于實現(xiàn)，其基本思想是采用多項式函數(shù)擬合邊緣灰度的變化趨勢，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖1 測試流程圖

式中，z為邊緣附近像素點(diǎn)的位置，I為z點(diǎn)處的灰度值，c0，…，cn為擬和多項式中的系數(shù)，可通過最小二乘法來確定。

相比常規(guī)測試方法，多項式擬合法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）屬于非接觸式測量，無需在被測對象上安裝傳感器，沒有任何負(fù)載效應(yīng)，省去了傳感器的安裝和傳輸線布局等大量工作。

（2）只需配置多個攝像頭而無需進(jìn)行現(xiàn)場傳感器的配線即可實現(xiàn)多點(diǎn)測試和線測試。

（3）傳感器與測試系統(tǒng)可集中放置，圖像信息可直接數(shù)字化，因此可方便地構(gòu)成全自動全數(shù)字化振動測試處理、記錄系統(tǒng)，信息量比傳統(tǒng)方法大得多。

2 模型試驗及結(jié)果分析

測量環(huán)境：光照良好，模型索表面光滑平整，索的兩端固定，采用直徑為2.2 mm、長3.5 m的單根不繡鋼絲，剛度未知，均布質(zhì)量為0.102 kg/m，攝像頭測量距離1.1 m。由于無法改變攝像頭焦距，測距太近拍攝的索過短，太遠(yuǎn)則會降低像素精度，綜合考慮，本次試驗只拍攝索的中間一段。試驗簡圖如圖2所示。

圖2 試驗簡圖

開始振動試驗，待索振動穩(wěn)定后進(jìn)行視頻采集，采樣時間為5 s，幀數(shù)為150幀。利用Matlab程序處理圖像序列[5]，測試結(jié)果列于表1中。獲取各像素點(diǎn)的位移時程曲線和頻譜圖，其中部分如圖3所示，x軸對應(yīng)時間間隔，y軸對應(yīng)像素點(diǎn)在該時刻的位移（單位：像素）。

表1 實測頻率與阻尼比列表

圖3 部分像素點(diǎn)的位移時程曲線及頻譜圖

從表 1可知，實測頻率 f1=3.515 6 Hz，f2=7.031 3 Hz，二者的比值f2/f1=2.0。因為攝像頭的限制，大約只能拍攝到索的一半，根據(jù)振幅擬合識別出振型并不完整，但還是可以反映其基本趨勢的。圖4給出了擬合所有像素點(diǎn)得出的振型以及理論振型對比，其中實線所示為本次試驗擬合振型，虛線為理論振型。從中可知其基本趨勢還是一致的。故索力：

通過對索的模型動載試驗，經(jīng)結(jié)果分析得出了以下結(jié)論：

（1）對于動態(tài)位移的測量，由本文方法測得的試驗數(shù)據(jù)均較合理，試驗均測出了對應(yīng)索模型的一階、二階模態(tài)參數(shù)，一階頻率和二階頻率的測量值比值與理論值的比值誤差較小，因此認(rèn)為在適當(dāng)?shù)陌才畔拢谄胀〝?shù)碼攝像頭與PC機(jī)的測振技術(shù)可用于低頻振動系統(tǒng)的測試，且可以通過測量得到二階模態(tài)參數(shù)；

圖4 實測振型與理論振型對比圖

（2）基于數(shù)字圖像處理技術(shù)在振動測試中測試數(shù)據(jù)應(yīng)用于索力測量是可行的，但還需進(jìn)一步研究得到更精確的結(jié)果；

（3）基于數(shù)字圖像處理技術(shù)在振動測試中測試數(shù)據(jù)在空間密度方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法；對于結(jié)構(gòu)高頻、高階的振動測試，可借助高速、高清圖像采集設(shè)備，其測試分辨率有望得到提高。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]張紅娜，王祁.圖像測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].電測與儀表，2003，451(40)：19-22.

[3]劉敏.數(shù)字圖像處理技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2009.

[4]袁向榮.梁變形檢測的一維數(shù)字圖像相關(guān)法[J].廣州大學(xué)學(xué)報，2010，9(1)：54-56.

[5]胡朝輝.數(shù)字圖像處理技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)振動測試中的應(yīng)用研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2010.

[6]廖立平.視頻圖像位移測試實驗系統(tǒng)[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2004，2(26)：88-91.

[7]孫即祥.圖像分析[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[8]TABATABAI A J，MITCHELL O R.Edge location to subpixel values in digital imagery[J].IEEE-PAMI，1984，6(2)：188-201.

[9]蘇翼雄，賀忠海，徐可欣，等.利用二次曲線擬合的 CCD圖像亞像素提取算法[J].計量技術(shù)，2003(7)：3-7.

[10]趙愛明.基于二次曲線擬合的圖像亞像素邊緣定位算法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2006，11(3)：68-70.

[11]Fu G K，MOOSA A G.An optical approach to structural displacement measurement and its application[J].Engineering Mechanics，2002，128(5)：511-520.