一种基于视频的旋转转子系统振动测量与可视化方法

本发明属于数字化机械设计，具体涉及一种基于视频的旋转转子系统振动测量与可视化方法。

背景技术：

1、转子系统的振动信息提供了关于系统健康状态和潜在故障的信息，异常的振动可能导致系统的不稳定性、机械破坏或材料疲劳。通过监测和分析振动信号，可以检测到异常振动模式、不平衡、轴偏、轴承磨损、螺栓松动等问题，有助于及早发现和诊断潜在故障。进行振动测量可以帮助优化转子系统的性能，通过分析振动数据，可以确定系统的共振频率、固有模态和振动幅值等参数，以优化系统的设计和操作。对转子系统进行振动测量是十分必要且有意义的，然而目前转子系统的振动测量仍使用传统的振动测量技术逐位置单点测量，无法实现强适应性、高自动化和高精准确的振动测量。

2、转子系统的振动测量面临一些挑战和难题，轴承转子系统因多种耦合作用导致其振动信号振动频率高、振动幅值小，需要使用高频响应的传感器和测量设备来准确测量转子系统的振动。再者，使用传统的传感器测量方式局限于单点逐点测振，并不能提供全场空间分辨率，整体振动情况难以预测，效率极低，增加测量点数伴随着传感器的需要增大，大大增大了测量成本。

3、综上，使用传统振动测量技术进行转子系统的振动监测，还无法有效解决准确转子振动的测量问题，其应用在转子系统上需要克服一系列难题，因此亟待转子系统振动的高效测量方案。

4、近年来视频微小运动放大技术取得了快速发展，其相较于传统测振技术来说，打破需要较大振幅的振动才能被准确测量的局限，可以有效地放大微小振动，且其具有高灵敏度和分辨率，能够通过非接触测量的方式而无需直接接触被测物体检测到并可视化极小的振动变化，使测量更为准确。现有的欧拉视频放大技术用于视频中微小运动的放大同时取得不错的放大效果，然而在转子系统振动测量方面并没有得到广泛应用，存在的主要问题有：

5、1.算法中需要事先给定频率范围、放大倍数和使用的金字塔的层数等值作为输入，参数经验依赖性很强。

6、2.放大参数选取不当时，会造成放大结果不明显或者产生伪影。

7、3.放大时所需的频率范围需要预先知晓运动频率，主观给定时难以捕捉到真实的运动。

8、4.通过放大可视化振动分布，需要人眼判断不同位置的相对振动大小，没有定量计算振动的幅值大小。

9、5.转子系统的运动为旋转运动，通常有垂直于相机拍摄平面的运动，此部分运动对转子的振动测量存在干扰。

10、为了在旋转转子振动测量中利用微小运动放大技术的优势，亟待提出一种基于视频的转子系统振动测量与可视化方法，避免了使用传统振动测量检测转子振动的缺陷，并且改进现有基于相位的欧拉视频放大技术需要用户选择合适的输入参数的不便性，实现在无需用户选择输入参数的情况下对旋转转子的振动进行放大，且保证运动放大效果。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明提出了一种基于视频的旋转转子系统振动测量与可视化方法，可以较好测量到任意位置处的振幅大小，并可视化转子系统的全局振动，实现对转子系统振动的高效精确测量。

2、进一步，本发明提供了一种基于自适应欧拉视频放大方法，改进传统的基于相位的欧拉视频放大方法需要手工输入多个参数的缺陷。采用基于相位的光流法预先分析视频中的频率分布，选取幅值最高的频率作为频带的中心频率，由中心频率确定频带范围。根据放大因子和金字塔层数的上限定义，通过计算上限自适应确定合适的取值，改进后的自适应视频放大算法能够在无需用户参与的情况下取得较好的放大效果。

3、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

4、一种基于视频的旋转转子系统振动测量与可视化方法，包括以下步骤：

5、步骤1：拍摄旋转转子的振动视频；

6、步骤2：将振动视频的每帧图像从原视频的rgb颜色空间转换到yiq颜色空间；

7、步骤3：对步骤2转换后视频信号通过相邻两帧作差计算累计帧差图f，划分运动主体和背景；

8、步骤4：计算视频的平均运动前景尺寸和平均运动幅度；

9、步骤5：计算视频可取的金字塔层数上限；

10、步骤6：通过多组视频验证，获得平均运动前景尺寸和平均运动幅度的阈值，由此界定金字塔层数的取值；

11、步骤7：根据步骤4得到平均运动前景值和平均运动幅度值大小，根据步骤6得到的金字塔取值判断条件确定金字塔层数取值；

12、步骤8：以步骤7中获得金字塔层数值逐帧对视频序列进行复可操纵金字塔分解；

13、步骤9：由金字塔中的相位信息计算步骤2中得到转换后视频中包含的运动频率，采用基于相位的光流法，计算视频中每帧每个像素在两个方向的运动速度；

14、步骤10：对步骤9得到两方向上像素的运动速度，在整个视频时长上进行积分，计算每个像素在水平和竖直方向的以像素为单位的运动位移；

15、步骤11：标定视频，得到位移因子，将步骤10中以像素为单位的位移信号转换为实际位移信号；

16、步骤12：对得到的运动位移信号采用快速傅里叶变换，获取视频中运动的频率分布情况；

17、步骤13：寻找频谱中具有最大峰值强度的频率作为滤波器的中心频率f0；

18、步骤14：归一化得到感兴趣频率范围为[0.8f0,1.2f0]；

19、步骤15：对步骤8得到的相位信号以步骤14的频率范围进行带通滤波，获取感兴趣的带通相位bω；

20、步骤16：估计得到的转子视频可取的放大倍数α上限；

21、步骤17：归一化放大倍数，放大倍数α0的取值限制在(0,1]α之间；

22、步骤18：对步骤15得到带通相位bω，乘上步骤17选择的放大倍数α0，便得到放大后的子带相位公式为：

23、

24、步骤19：对金字塔上每个子带相位信号进行放大，将其加到步骤8的原始信号中可得到放大后的信号

25、

26、步骤20：进行复可操纵金字塔重构，生成yiq颜色空间中运动放大后的视频，将其转回rgb空间完成视频运动放大；

27、步骤21：依据步骤11得到的每一帧的像素位移信号的大小，以彩虹色标示各个部位相对的振动大小，红色表示转子系统该位置发生的振动最大，蓝色表示该位置相对振动较小，由此展示转子整体结构的全局振动分布情况。

28、本发明进一步的改进在于，所述步骤1中，使用双目相机在两个视角上拍摄旋转转子的运动，分别正视于和俯视于转子系统，捕捉旋转转子系统全方位运动。

29、本发明进一步的改进在于，所述步骤5中，步骤5：计算视频可取的金字塔层数上限的计算公式如下：

30、

31、其中m,n分别代表视频的帧高度和帧宽度，为向下取整符号。

32、本发明进一步的改进在于，所述步骤6中，为了自动获得金字塔层数取值，具体包括：

33、通过计算相邻两帧的累计帧差图f，计算累计帧差图f中非零像素占全部像素的比例作为视频的运动主体的平均运动前景尺寸，计算累计帧差图f的平均像素值作为平均运动幅度；对所述转子系统视频计算可取的金字塔层数上限，计算公式如下：

34、其中m,n分别代表视频的帧高度和帧宽度，为向下取整符号；

35、通过多组视频验证，取平均运动前景值为0.4，平均运动幅度值为1作为阈值，当同时大于阈值时，则取ht，不满足同时大于阈值则取ht-3，由此界定金字塔层数取值；根据得到平均运动前景值和平均运动幅度值大小，判断满足条件的金字塔层数取值。

36、本发明进一步的改进在于，所述步骤8中，复可操纵金字塔分解的方法如下：

37、

38、其中，gθ和hθ代表金字塔中使用的复可操纵滤波器的实部与虚部，i代表图像帧，<.>代表卷积操作，得到图像帧不同位置的幅值aθ和相位φθ。

39、本发明进一步的改进在于，所述步骤9中，计算视频中每帧每个像素的运动速度，公式如下：

40、

41、

42、其中，u为某一帧不同位置像素在水平方向的运动速度，v为某一帧不同位置像素在竖直方向的运动速度。

43、本发明进一步的改进在于，所述步骤10中，计算每个像素在水平和竖直方向的以像素为单位运动位移，公式如下：

44、

45、

46、其中，dx为在视频某帧时刻像素在水平方向的运动位移，dy为在视频某帧时刻像素在竖直方向的运动位移，以像素为单位。

47、本发明进一步的改进在于，所述步骤13中，为了自动获得滤波器的频率范围，具体包括：

48、使用基于相位的光流法，计算视频中每帧每个像素在水平方向和竖直方向的运动速度；通过在视频的整个时长上积分，得到视频中每个像素随着时间的位移变化；

49、选择一个像素位置得到该位置的位移变化数据，或选择一块局部感兴趣区域得到该位置的平均位于变化数据，对其进行傅里叶变换，得到该处区域的频率分布；在频率分布图中，选取具有最高幅值的频率作为滤波器的中心频率f0，则在f0附近给出滤波器的频带范围为[0.8f0,1.2f0]。

50、本发明进一步的改进在于，所述步骤17中，为了自动获得合适的放大倍数，具体包括：

51、根据基于相位的欧拉视频放大方法中所述的选取放大倍数时满足的条件，估计得到的转子视频可取的放大倍数α上限，公式如下：

52、

53、其中，bω为得到的带通相位信号；得到对于所述视频的放大倍数上限后，归一化放大倍数，放大倍数α0的取值限制在(0,1]α之间，默认放大倍数的取值为0.5α。

54、本发明进一步的改进在于，所述步骤21中，为了无需人眼主观判断振动分布相对大小，具体包括：

55、依据得到的每一帧的像素位移信号的大小，以不同的色彩分布标示各个部位相对的振动大小，红色表示转子系统该位置发生的振动最大，蓝色表示该位置相对振动较小，由此展示转子整体结构的全局振动分布情况。

56、本发明至少具有如下有益的技术效果：

57、1.本发明是基于视频的旋转转子系统振动测量及可视化方法，对转子系统拍摄视频进行视频信号分析，最终从视频中提取转子系统各个部位的振动幅值以及振动频率，并可视化全局振动分布情况，相较传统应用在转子系统上的振动测量方案来说效率极高。

58、2.本发明在放大前选择滤波器频率范围时，无需人工主观估计频率分布，自适应确定视频中的主要频率，给出合适的滤波器频率范围，提高了后续放大运动的准确性，且无需人工参与，效率较高。

59、3.本发明在放大前自适应得到放大因子、金字塔层数，改进基于相位的欧拉放大算法参数需要用户主观输入的缺陷，大大减少用户交互而将运动放大，提高了算法使用的便利性。

60、4.本发明在可视化模块可以展示转子整体结构的全局振动分布情况，无需用户主观判断振动大小的分布情况，提高了用户使用的便利性。