關于振動試驗視頻圖像測試技術探討

戴鑫

摘 要：如今，隨著科學技術的發展，數字視頻技術的應用也是越來越廣泛。一套用于設計視頻圖像的測振系統是以普通USB數碼攝像頭和PC終端作為主要硬件設備。采用這種測振系統可以輕松識別出懸掛集中質量的簡支梁模型并且得出相應的一階模態數據。同時利用一款編輯軟件，對振動視頻的采集以及圖像邊緣進行編制監測，獲取梁振動過程中發生位移的時程曲線，并對這些曲線進行模態分析，得出簡支梁模型的固有頻率、阻尼比以及振型，通過相關試驗驗證表明，利用這種測振方法進行低頻結構的振動測試是正確的。

關鍵詞：振動與波；數字視頻；振動測試

前言

目前為了解決結構振動的問題，必須要進行動載試驗。以往都是采取加速度、應變測試元件等一些常規的點式監測方法來獲取所需要的振動信息。對于這些常規檢測方法來說，不僅監測獲取的信息不全，而且還都是接觸式的測量，在這些監測過程中因為需要考慮到負載效應等因素的影響，因此很難準確的了解到全面的結構狀態。而對于一些振動狀態比較復雜的結構來說，常規的監測方法就顯得不夠完美。為了獲取復雜結構的振動信息，全面掌握振動狀態如果還是采取常規的監測方法的話，就需要在復雜結構的多個地方設置傳感器，即使這樣，在最后的數據傳輸也難以實現數據同步，整個監測過程不僅工作量大，測事時間較長，而且還會增加整個項目的預算。為了更好的解決這類問題，采用圖像測量技術就更好的表現出與傳統測量技術的不同，例如，不用和測量對象進行接觸，也能完成表面全尺寸、無負載效應的監測工作，同時圖像測量監測技術也有著很強的環境適應能力、無設備損耗以及重復可比性等優點。對于這種監測技術來說，無論是靜態測量還是動態測量，都能夠完成結構空間的高密度監測工作，并且也能獲取全面精確的監測信息。正是因為視頻圖像監測技術的這些優點，才使得視頻圖像監測技術從剛剛問世之初就受到高度關注，近年來也得到了迅速發展，被越來越多的監測工作投入使用。例如，李敏提出的結構一維大變形識別的數字圖像邊緣監測法，員向榮提出的結構邊緣變形監測法等。本篇文章講述的是在數字圖像監測技術的基礎上，然后利用數碼攝像頭以及PC終端作為主要硬件設備的監測系統，最后利用相關的編輯軟件完成視頻圖像測振的工作。對于這種監測技術，也在實驗室進行了掛集中質量的簡支梁模型的振動監測的試驗，試驗結構表明，采用這種視頻圖像監測技術，能夠更好的完成低頻結構的振動測量的工作。

一、 視頻圖像測振系統

對于監測的結構振動的動態響應數據我們能夠看作為一組準靜態數據的時域序列。而利用視頻圖想監測技術完成工作的原理就是，利用CCD或者CMOS圖像傳感器對目標對象進行實時拍攝同時記錄下拍攝對象的在振動狀態下的一系列實時圖像。利用視頻圖像技術能更好的識別出準靜態的變形序列的振動狀態。同時對所獲取的數據進行處理，根據數據處理結果模擬出監測對象的振動軌跡。這種視頻圖像監測系統一般是由硬件系統和軟件系統共同組成的。

對于硬件系統來說，監測對象的視頻監測不僅可以使用視頻采集卡，還可以使用USB接口的普通的數碼攝像機。對于數碼采集卡來說，一般會提供相應品牌和型號的動態數據連接庫以及開發工具包，因此，使用數碼采集卡來說，其價格也相對比較昂貴。而對于USB接口的普通數碼攝像機來說，其價格便宜，性能也能完成相應工作，并且也不需要使用配圖采集卡就可以直接進行視頻圖像的處理。另一方面，對軟件系統來說，是在相應的編制程序基礎上，進行包括視頻采集、視頻分解、圖像處理以及信號分析等四個模塊。

二、動態位移的識別方法

動態位移的圖像邊緣有階躍型和屋脊型兩種灰度變化趨勢。對于常規的邊緣監測方法來說，只能夠檢測出整像素的邊緣，如果需要監測出更精確的位置信息，就需要采用亞像素邊緣定位方法來實現。目前最常用的亞像素邊緣定位方法有矩算子法、高斯曲線擬合法以及多項式擬合法。其中矩算子法的工作原理是以理想的二級階躍邊緣來計算實際的邊緣，這種計算方式固然會存在一些計算誤差。對于高斯曲線擬合法來說，采用這種方法的計算則更能接近實際邊緣尺寸，因為高斯擬合法也具有高精確定位的特點。同時，對于一些不規則的邊緣來說，也可以精確的計算出實際邊緣尺寸，但是采用高斯擬合法的測量雖然結果精確，但需要比較大的計算量，過程比較繁瑣，計算機也很難實現。而多項式擬合法則剛好能滿足前兩項方法的優點，不僅定位信息精確，而且過程相對比較簡單，容易實現，因此，相比之下，就體現出多項式擬合法是一種更好的邊緣定位方法。多項式擬合法的基本思路就是采取多項式函數來擬合邊緣灰度的變化趨勢。在實際監測邊緣的過程中，對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進行識別，同時位置邊緣對應的也是多項式函數曲線的轉折點。

三、模型試驗

根據相關信息，進行一次采用槽形梁同時在三分點處懸掛質量為1KG的質量塊，整個梁長度為1.2m，同時相同長度的材質相同，質量忽略不計。整個梁的表面均勻光滑，呈純黑色，在光照良好的時間段進行拍攝，拍攝背景顏色選擇純白色，這樣有利于邊緣的確定。同時采用普通的數字攝像頭進行視頻的采集工作。采用施加集中外力進行激振，使其產生初始位移，在實驗場所開始進行振動試驗。等到簡支梁振動穩定后在進行視頻的采集工作。然后利用相關的軟件對采集到的數據信息進行處理，選用多項式擬合邊緣灰度曲線，來得到各個像素點所發生的位移時間序列，然后選出相應的位移時程繪制出曲線和頻譜圖。

四、結語

正式因為采用普通數碼攝像頭以及PC終端機作為主要設備的視頻圖像振測系統價格低廉以及性能穩定的優點，同時此振測系統的測試原理也相對比較簡單、整個測試過程都可采用非接觸的方式。也沒有其它的負載效應，因此采用視頻圖像振測技術進行檢測的方式在目前也是被廣泛接受，隨著如今硬件設施價格的不斷降低以及視頻圖像處理技術的不斷提高，更是推動了視頻圖像振測技術的快速發展。本篇文章在數字圖像測量技術的基礎上，又采用相關處理軟件來完成非接觸式振動的檢測工作，同時通過實驗室模型進行相關實驗，實現了簡支梁模型振動的測量工作，其相關的實驗數據為視頻圖像測振技術進一步應用到實際結構的振動檢測工作提供了有力的參考價值。

參考文獻：

[1]董湘婉.基于三維數字圖像檢測技術的鋼桁梁振動分析研究[D].廣州大學，2018.

[2]徐旻杰.基于視頻圖像邊緣檢測技術的斜拉橋振動研究[D].廣州大學，2018.

[3]張盼.基于視頻圖像邊緣檢測技術的兩跨連續梁振動研究[D].廣州大學，2016.