戴鑫

摘 要：如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻技術(shù)的應(yīng)用也是越來越廣泛。一套用于設(shè)計視頻圖像的測振系統(tǒng)是以普通USB數(shù)碼攝像頭和PC終端作為主要硬件設(shè)備。采用這種測振系統(tǒng)可以輕松識別出懸掛集中質(zhì)量的簡支梁模型并且得出相應(yīng)的一階模態(tài)數(shù)據(jù)。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(jiān)測，獲取梁振動過程中發(fā)生位移的時程曲線，并對這些曲線進行模態(tài)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(guān)試驗驗證表明，利用這種測振方法進行低頻結(jié)構(gòu)的振動測試是正確的。

關(guān)鍵詞：振動與波；數(shù)字視頻；振動測試

前言

目前為了解決結(jié)構(gòu)振動的問題，必須要進行動載試驗。以往都是采取加速度、應(yīng)變測試元件等一些常規(guī)的點式監(jiān)測方法來獲取所需要的振動信息。對于這些常規(guī)檢測方法來說，不僅監(jiān)測獲取的信息不全，而且還都是接觸式的測量，在這些監(jiān)測過程中因為需要考慮到負(fù)載效應(yīng)等因素的影響，因此很難準(zhǔn)確的了解到全面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。而對于一些振動狀態(tài)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來說，常規(guī)的監(jiān)測方法就顯得不夠完美。為了獲取復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動信息，全面掌握振動狀態(tài)如果還是采取常規(guī)的監(jiān)測方法的話，就需要在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多個地方設(shè)置傳感器，即使這樣，在最后的數(shù)據(jù)傳輸也難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，整個監(jiān)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(yù)算。為了更好的解決這類問題，采用圖像測量技術(shù)就更好的表現(xiàn)出與傳統(tǒng)測量技術(shù)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(fù)載效應(yīng)的監(jiān)測工作，同時圖像測量監(jiān)測技術(shù)也有著很強的環(huán)境適應(yīng)能力、無設(shè)備損耗以及重復(fù)可比性等優(yōu)點。對于這種監(jiān)測技術(shù)來說，無論是靜態(tài)測量還是動態(tài)測量，都能夠完成結(jié)構(gòu)空間的高密度監(jiān)測工作，并且也能獲取全面精確的監(jiān)測信息。正是因為視頻圖像監(jiān)測技術(shù)的這些優(yōu)點，才使得視頻圖像監(jiān)測技術(shù)從剛剛問世之初就受到高度關(guān)注，近年來也得到了迅速發(fā)展，被越來越多的監(jiān)測工作投入使用。例如，李敏提出的結(jié)構(gòu)一維大變形識別的數(shù)字圖像邊緣監(jiān)測法，員向榮提出的結(jié)構(gòu)邊緣變形監(jiān)測法等。本篇文章講述的是在數(shù)字圖像監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，然后利用數(shù)碼攝像頭以及PC終端作為主要硬件設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)，最后利用相關(guān)的編輯軟件完成視頻圖像測振的工作。對于這種監(jiān)測技術(shù)，也在實驗室進行了掛集中質(zhì)量的簡支梁模型的振動監(jiān)測的試驗，試驗結(jié)構(gòu)表明，采用這種視頻圖像監(jiān)測技術(shù)，能夠更好的完成低頻結(jié)構(gòu)的振動測量的工作。

一、 視頻圖像測振系統(tǒng)

對于監(jiān)測的結(jié)構(gòu)振動的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)我們能夠看作為一組準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)的時域序列。而利用視頻圖想監(jiān)測技術(shù)完成工作的原理就是，利用CCD或者CMOS圖像傳感器對目標(biāo)對象進行實時拍攝同時記錄下拍攝對象的在振動狀態(tài)下的一系列實時圖像。利用視頻圖像技術(shù)能更好的識別出準(zhǔn)靜態(tài)的變形序列的振動狀態(tài)。同時對所獲取的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果模擬出監(jiān)測對象的振動軌跡。這種視頻圖像監(jiān)測系統(tǒng)一般是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同組成的。

對于硬件系統(tǒng)來說，監(jiān)測對象的視頻監(jiān)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(shù)碼攝像機。對于數(shù)碼采集卡來說，一般會提供相應(yīng)品牌和型號的動態(tài)數(shù)據(jù)連接庫以及開發(fā)工具包，因此，使用數(shù)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(shù)碼攝像機來說，其價格便宜，性能也能完成相應(yīng)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(tǒng)來說，是在相應(yīng)的編制程序基礎(chǔ)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(tài)位移的識別方法

動態(tài)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(guī)的邊緣監(jiān)測方法來說，只能夠檢測出整像素的邊緣，如果需要監(jiān)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(xiàn)。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(guī)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(jié)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(xiàn)。而多項式擬合法則剛好能滿足前兩項方法的優(yōu)點，不僅定位信息精確，而且過程相對比較簡單，容易實現(xiàn)，因此，相比之下，就體現(xiàn)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(shù)來擬合邊緣灰度的變化趨勢。在實際監(jiān)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(yīng)的也是多項式函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點。

三、模型試驗

根據(jù)相關(guān)信息，進行一次采用槽形梁同時在三分點處懸掛質(zhì)量為1KG的質(zhì)量塊，整個梁長度為1.2m，同時相同長度的材質(zhì)相同，質(zhì)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(shù)字?jǐn)z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(chǎn)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(wěn)定后在進行視頻的采集工作。然后利用相關(guān)的軟件對采集到的數(shù)據(jù)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(fā)生的位移時間序列，然后選出相應(yīng)的位移時程繪制出曲線和頻譜圖。

四、結(jié)語

正式因為采用普通數(shù)碼攝像頭以及PC終端機作為主要設(shè)備的視頻圖像振測系統(tǒng)價格低廉以及性能穩(wěn)定的優(yōu)點，同時此振測系統(tǒng)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(fù)載效應(yīng)，因此采用視頻圖像振測技術(shù)進行檢測的方式在目前也是被廣泛接受，隨著如今硬件設(shè)施價格的不斷降低以及視頻圖像處理技術(shù)的不斷提高，更是推動了視頻圖像振測技術(shù)的快速發(fā)展。本篇文章在數(shù)字圖像測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，又采用相關(guān)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(guān)實驗，實現(xiàn)了簡支梁模型振動的測量工作，其相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)為視頻圖像測振技術(shù)進一步應(yīng)用到實際結(jié)構(gòu)的振動檢測工作提供了有力的參考價值。

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