一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法及系统。涉及结构振动视频测量技术领域，包括利用相机采集获取结构振动的时序变化图像序列；利用空频转换法处理时序变化图像序列，获取第一频域空间复数特征序列；利用空间时向除法处理第一频域空间复数特征序列相邻帧，获取第二频域空间复数特征序列；利用四象限反正切运算操作第二频域空间复数特征序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；计算被测物转换比例因子；计算时序上的结构振动的实际幅值；计算被测结构振动的频率。本发明专利技术无需预处理操作，避免了空频域转换过程复杂耗时的解包裹操作，同时准确的去除背景噪声，从而鲁棒性高，抗噪声性能强，运行速率快。速率快。速率快。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法及系统


[0001]本专利技术属于结构振动视频测量
，特别是涉及一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法及系统。

技术介绍

[0002]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
的重要组成部分。
[0003]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，该专利技术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，同时计算量大、计算速度慢，对相机采集帧率也有着一定的要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法及系统。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法，所述方法具体包括：
[0006]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；
[0007]步骤2、利用空频转换法将采集到的时序变化图像序列逐帧转换到频域，获取富含运动轮廓振动信息的相位特征及幅值特征的第一频域空间复数特征序列；
[0008]步骤3、利用空间时向除法在频域直接处理第一频域空间复数特征序列相邻帧，获取富含相邻帧相位变化的第二频域空间复数特征序列；
[0009]步骤4、利用四象限反正切运算操作上述第二频域空间复数特征序列，获取富含相
对位移变化场信息的相邻帧相位变化；
[0010]步骤5、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的转换比例因子；
[0011]步骤6、利用时序相对位移变化场与所述转换比例因子计算时序上的结构振动的实际幅值；
[0012]步骤7、根据时序实际位移场通过快速傅里叶变换得到被测结构振动的频率。
[0013]进一步地，所述的空频转换法包括Gabor波变换，希尔伯特变换和log
‑
Gabor变换。
[0014]进一步地，Gabor波的图像空间特征转换过程具体包括：
[0015](1)将采集到的图像转换为灰度特征图像，并根据被测结构振动信息选取Gabor适合的波长以及方向；
[0016](2)在空域中利用上述Gabor波与上述灰度特征图像进行卷积，得到频域中图像的第一频域空间复数特征序列，定义相邻帧空间复数特征分别为I
g
(u,v,t)以及I
g
(u,v,t+Δt)，其中t代表当前时刻，Δt表示时间步长，(u,v)是频域坐标；
[0017](3)利用abs(
·
)算子求上述图像复数特征的幅值，得到各个像素点位置的幅值特征：
[0018][0019]其中||
·
||2表示求取绝对值。
[0020]进一步地，所述步骤3具体为：
[0021](1)动态选取相邻时序两张帧图像频域空间复数特征，则
[0022][0023][0024]其中，A(u,v,t)和A(u,v,t+Δt)分别对应不同帧的频域幅值，f0为频率，Δy为y方向的相对位移变化；
[0025](2)对上述选定的相邻帧图像的相位特征利用除法算子进行处理，通过复数积分运算推导，得到第二频域空间复数特征，即
[0026][0027](3)将第一频域空间复数特征序列沿着时序方向不断重复上述时向除法步骤，得到第二频域空间复数特征序列。
[0028]进一步地，步骤4中所述利用四象限反正切运算操作上述第二频域空间复数特征序列的计算公式具体为：
[0029][0030]从而获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化
[0031]进一步地，步骤5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。
[0032]进一步地，步骤7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。
[0033]本专利技术提出一种基于空间时向除法的结构振动视频测量系统，所述系统具体包括：
[0034]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；
[0035]转换模块：利用空频转换法将采集到的时序变化图像序列逐帧转换到频域，获取富含运动轮廓振动信息的相位特征及幅值特征的第一频域空间复数特征序列；
[0036]除法模块：利用空间时向除法在频域直接处理第一频域空间复数特征序列相邻帧，获取富含相邻帧相位变化的第二频域空间复数特征序列；
[0037]反正切模块：利用四象限反正切运算操作上述第二频域空间复数特征序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；
[0038]转换比例因子计算模块：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的转换比例因子；
[0039]幅值计算模块：利用时序相对位移变化场与所述转换比例因子计算时序上的结构振动的实际幅值；
[0040]频率计算模块：根据时序实际位移场通过快速傅里叶变换得到被测结构振动的频率。
[0041]本专利技术的有益效果为：
[0042]1、相对于DIC方法，本专利技术所述方法无需对被测物预涂散斑等预处理操作，实现更为便捷简易的测量过程；在满足基本采样率的情况下即可得到高精度数据，硬件要求更低，成本更低。
[0043]2、相对于光流法等方法，本专利技术所述方法利用空间时向除法在频域直接提取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化，有效地避免了空频域转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间时向除法的结构振动视频测量方法，其特征在于，所述方法具体包括：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；步骤2、利用空频转换法将采集到的时序变化图像序列逐帧转换到频域，获取富含运动轮廓振动信息的相位特征及幅值特征的第一频域空间复数特征序列；步骤3、利用空间时向除法在频域直接处理第一频域空间复数特征序列相邻帧，获取富含相邻帧相位变化的第二频域空间复数特征序列；步骤4、利用四象限反正切运算操作上述第二频域空间复数特征序列，获取富含相对位移变化场信息的相邻帧相位变化；步骤5、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的转换比例因子；步骤6、利用时序相对位移变化场与所述转换比例因子计算时序上的结构振动的实际幅值；步骤7、根据时序实际位移场通过快速傅里叶变换得到被测结构振动的频率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空频转换法包括Gabor波变换，希尔伯特变换和log
‑
Gabor变换。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，Gabor波的图像空间特征转换过程具体包括：(1)将采集到的图像转换为灰度特征图像，并根据被测结构振动信息选取Gabor适合的波长以及方向；(2)在空域中利用上述Gabor波与上述灰度特征图像进行卷积，得到频域中图像的第一频域空间复数特征序列，定义相邻帧空间复数特征分别为I
g
(u,v,t)以及I
g
(u,v,t+Δt)，其中t代表当前时刻，Δt表示时间步长，(u,v)是频域坐标；(3)利用abs(
·
)算子求上述图像复数特征的幅值，得到各个像素点位置的幅值特征：其中||
·
||2表示求取绝对值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：(1)动态选取相邻时序两张帧图像频域空间复数特征，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：单明广，柳守一，顾芳宁，钟志，于蕾，刘彬，刘磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：