本申请提供了一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法及系统，该结构位移测量方法基于计算机视觉通过视频插帧技术采集结构振动视频数据，并在视频插帧算法中引入注意力机制，获得改进后的视频插帧算法，通过拍摄悬臂梁模型振动视频作为数据集，评估改进后的视频插帧算法在结构振动测试中的性能，最后基于插帧后的结构振动视频，通过基于局部面积效应的边缘检测技术和边缘跟踪技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据，监测实验室模型振动响应以及进行模态参数识别。该结构位移测量方法通过改进的视频插帧算法对帧间关系处理以及权重分配更全面精确，提高了生成中间帧的质量以及结构振动位移监测精度。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及结构位移测量，具体涉及一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法及系统。
技术介绍
1、结构振动测试和模态参数识别是基于结构动态特性进行结构健康监测的基本方法，传统的接触式测试方法存在着多项不便之处，包括繁琐的安装、给被测结构增加附加质量以及高昂的费用，相比之下，非接触式测试方法能够有效地克服这些问题，其中基于计算机视觉的振动测试方法备受关注，传统的振动测试中，为了保持信号的准确性，需要足够高的采样频率来记录振动信号，同样，基于计算机视觉的非接触式方法也需要满足信号分析需求的高帧率视频，然而，高帧率摄像机昂贵且不便于使用，而普通消费级摄像机的帧率又有限，这限制了此类技术在工程实践中的应用，而视频插帧技术能够在原生视频的帧与帧之间插入合成帧，提高视频帧率，从而解决原生视频帧率偏低的问题。
2、目前对结构位移测量时采用的视频插帧算法在考虑帧间关系和权重分配时存在不足，对生成中间帧的质量以及结构位移测量精度产生影响，存在改进之处。
技术实现思路
1、本申请实施例的目的在于提供一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法及系统，以改善相关技术中对结构位移测量时采用的视频插帧算法在考虑帧间关系和权重分配时存在不足，对生成中间帧的质量以及结构位移测量精度产生影响的问题。
2、本专利技术的第一方面，提供一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，所述方法包括：
3、基于计算机视觉通过非接触式测量的视频插帧技术采集结构振动视频数据；
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p>4、在视频插帧算法中引入注意力机制，获得改进后的视频插帧算法；5、拍摄悬臂梁模型振动视频作为数据集，评估改进后的视频插帧算法在结构振动测试中的性能；
6、基于插帧后的结构振动视频，通过基于局部面积效应的边缘检测技术和边缘跟踪技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据；
7、监测实验室模型振动响应以及进行模态参数识别。
8、优选的，所述在视频插帧算法中引入注意力机制，获得改进后的视频插帧算法，包括：
9、基于增强二次视频插帧以及tsa模块在光流网络上设计注意力机制，为每一组光流分配聚合权重，获得改进后的注意力模块；
10、通过定义改进后的注意力模块的参数，以及调整输入的尺寸以适应工程振动测试任务下的数据集，即输入时进行张量堆叠，输出时进行张量拆分，获得改进后的视频插帧算法。
11、优选的，所述获得改进后的注意力模块包括：所述改进后的注意力模块用于在嵌入空间中计算一定时间范围内不同帧的相似度，并以此为依据给不同帧分配合适的权重，针对基于视觉的工程振动测试任务中的输入图像序列，采取与参考帧更相似的相邻帧，每组结构振动图像序列的相似距离可计算为：
12、
13、其中和分别为对比帧图像和参考帧图像的图像嵌入向量，该图像嵌入向量通过简单的卷积网络即可得到，sigmoid激活函数用于将输入结果限定在[0,1]范围之内，对于每一个特定的空间位置都有其特定的空间注意力值，相似距离的空间尺寸大小与的尺寸是一致的。
14、在经过每组结构振动图像序列的相似距离计算之后，将距离特征图以像素点积的方式与原始输入图像相乘，使用一个额外的卷积层来聚合这些注意力调制的特征
15、
16、优选的，所述基于插帧后的结构振动视频，通过基于局部面积效应的边缘检测技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据，包括：
17、所述基于局部面积效应的边缘检测技术，通过计算图像在x轴和y轴上的偏导数来生成梯度图像，并手动选择阈值来检测边缘像素，若检测到边缘像素，则拟合一条直线以确定每个边缘的亚像素级位置，并计算图像每一帧中边缘两侧的强度比，提升边缘检测的精度。
18、优选的，所述基于插帧后的结构振动视频，通过边缘跟踪技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据中的边缘跟踪技术，包括：
19、所述边缘跟踪技术采用基于边缘检测方法的特征点跟踪算法；
20、特征点跟踪算法通过在当前帧内选取包含可能出现在整个振动过程中的边缘区域，并通过最小二乘法拟合亚像素点，重构两条近似直线边缘，计算这两条直线的交点作为特征点，用于后续位移计算，特征点位于传感器主要振动方向，以减小误差，整个特征点追踪过程中，第一帧作为参考帧，每帧与参考帧对比以计算位移，获得各个时刻的特征点亚像素位置序列。
21、优选的，所述在获得各个时刻的特征点亚像素位置序列之后，包括：在matlab中利用矩阵拼接技术将全部特征点亚像素信息合并为一个矩阵，矩阵的各列元素表示单个像素点的位移时域信号，计算矩阵中所有向量对之间的距离并返回给距离矩阵，根据距离矩阵计算特征点的时间历程。
22、优选的，所述监测实验室模型振动响应以及进行模态参数识别包括：在结构上设置测点或视觉目标，通过传感系统和信号采集系统获取结构的振动时程信息，对振动时程信号进行模态分析即可识别结构模态参数，为降低由时域到频域变换引起的泄漏，采用加权函数对位移时程进行处理。
23、优选的，所述为降低由时域到频域变换引起的泄漏，采用加权函数(加窗)对位移时程进行处理，包括：
24、通过快速傅里叶变换(fft)得到傅里叶谱yi(f)，并进行数学分解，得到振幅谱|yi(f)|、相位谱以及虚部谱im[yi(f)]；
25、振幅谱的峰值对应于结构的模态阶数，每个峰代表一阶模态，峰值的横坐标表示模态的频率，峰值的纵坐标表示模态形状的振幅，测点的幅值符号由相位谱和虚部谱决定，对于n阶模态振型，可以根据虚部谱确定第i个测点si(fn)的模态位移：
26、
27、则第i个测点的n阶模态坐标为(xi,si(fn))，其中xi为第i个测点的位置，此外，在支撑点处，模态振型的纵坐标为零，通过整合所有测点和支撑点的第n个模态坐标，得到第n个模态振型。
28、本专利技术的第二方面，提供了一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量系统，包括动态位移测量系统，所述动态位移测量系统包括普通智能手机、摄影用三脚架、yhd-100型位移计、计算机和dhdas测试系统，所述动态位移测量系统结合细长铝合金悬臂梁模型对视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法进行验证实验。
29、综上所述，本专利技术的有益效果是：该基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法及系统通过视频插帧技术有效地提升了基于计算机视觉的非接触式测量中所采集的视频的采样频率，从而获取更贴合真实值的振动响应数据，在视频插帧算法中，引入了注意力机制改进了生成中间帧的质量，在利用视频提取结构振动位移时程时，采用基于亚像素的边缘检测和改进的边缘跟踪技术提高了结构振动位移监测精度；另外，为了评估改进后的视频插帧算法，采集了一组悬臂梁振动视频作为数据集，并与线性插值算法和二次插值算法进行了比较，结果显示，改进后的算法在输出图片质量上有显著提升，通过使用同一个实验室悬臂梁模型作为被测对本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述在视频插帧算法中引入注意力机制，获得改进后的视频插帧算法，包括：
3.根据权利要求2所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述获得改进后的注意力模块包括：
4.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述基于插帧后的结构振动视频，通过基于局部面积效应的边缘检测技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据，包括：
5.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述基于插帧后的结构振动视频，通过边缘跟踪技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据中的边缘跟踪技术，包括：
6.根据权利要求5所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述在获得各个时刻的特征点亚像素位置序列之后，包括：
7.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述监测实验室模型振动响应以及进行模态参数识别包括：
8.根据权利要求7所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述为降低由时域到频域变换引起的泄漏，采用加权函数(加窗)对位移时程进行处理，包括：
9.一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量系统，其特征在于，包括动态位移测量系统，所述动态位移测量系统包括普通智能手机、摄影用三脚架、YHD-100型位移计、计算机和DHDAS测试系统，所述动态位移测量系统结合细长铝合金悬臂梁模型对视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法进行验证实验。
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【技术特征摘要】
1.一种基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述在视频插帧算法中引入注意力机制，获得改进后的视频插帧算法，包括：
3.根据权利要求2所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述获得改进后的注意力模块包括：
4.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述基于插帧后的结构振动视频，通过基于局部面积效应的边缘检测技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据，包括：
5.根据权利要求1所述的基于视频插帧与计算机视觉的结构位移测量方法，其特征在于，所述基于插帧后的结构振动视频，通过边缘跟踪技术在测量区域进行检测获取测点位移时程数据中的边缘跟踪技术，包括：...
【专利技术属性】
技术研发人员：骆勇鹏，杨克超，李林，李行，潘爽，
申请(专利权)人：福建农林大学，
类型：发明
国别省市：
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