一种基于视觉的离线振动测量分析方法及系统与流程

本发明涉及一种基于视觉的离线振动测量分析方法及系统，属于振动测量领域。

背景技术：

设备在工作过程中不可避免会产生振动。通过对振动进行测量分析，可以监测设备的工作状况，确定设备系统参数，并对设备的健康检测提供参考。因此，振动测量分析是工程领域的一个研究热点。振动测量主要包括接触式测量和非接触测量两种测量方式。接触式测量需要在被测对象表面贴上接触式传感器，如加速度传感器、lvdt位移传感器等，是传统的振动测量方式。接触式测量存在单点测量、低空间分辨率等弊端，且会改变结构的动力学特性。非接触式测量以电磁、光电等技术为基础，不需要接触被测对象表面，就可以得到表面振动信息。通常需要借助激光测振仪、数字相机等光学仪器。随着计算机硬件技术以及图像处理技术的日益成熟，基于视觉图像的振动测量方法也得到迅速的发展，并取得一定的研究成果。传统视觉测量方法包括数字图像相关法、图像特征检测以及基于图像强度的光流法。但上述方法都不能精确的测量亚像素级的微小运动，且要求采集图像时光照强度不改变。

基于视觉测量方法，可以设计视觉振动测量分析系统。视觉振动测量分析系统在医学、工业、导航等领域已经得到了广泛的应用。如mems激光频闪测试系统，测量mems器件的位移与形变，但光路系统复杂且需要激光频闪系统，适用性不高。基于数字图像相关法的结构振动测量系统，大范围测量物体的三维全场振动信息。但需要在结构表面布置散斑图，且通常需要两个ccd相机，成本较高。因此，设计出一种通用的、使用方便、成本低且使用性高的视觉测量系统有着重要的研究意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在通用pc机上运行使用的基于视觉的离线振动测量分析方法及系统，可以对预先采集的运动视频序列进行分析，同时保存振动测量分析结果。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于视觉的离线振动测量分析方法，包括以下步骤：

步骤1，通过相机采集被测目标的运动视频序列。

步骤2，对采集到运动视频序列设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点。

步骤3，使用正交对基滤波器，根据设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点将运动视频序列的图像空间信息分解成局部幅值和局部相位信息：

其中，aθ(x,y,t0)代表局部幅值信息，φθ(x,y,t0)代表局部相位信息，gθ+ihθ为θ方向的正交对基滤波器，f(x,y,t0)表示视频在第t0时刻的图像，图像分辨率为m×n，x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标，x∈[0,m-1],y∈[0,n-1]，表示卷积运算。

步骤4，使用局部幅值对相位信号进行空间局部加权平均：

其中，φθ′代表加权平均后的局部相位，aθ和φθ分别表示局部振幅和局部相位信号简写，表示卷积运算，g(x,y)是二维高斯函数。

步骤5，将加权平均后的局部相位转换成像素光流：

在任意时刻t，局部相位是个常数值c：

φθ(x,y,t)＝c

将公式两边同时对时间t求导：

其中，分别为像素在水平方向、竖直方向运动的瞬时速度，即光流。

若仅考虑水平方向运动，则有：

其中，所以公式转换为：

同理，仅考虑竖直方向运动，可推得：

由此，计算出像素在水平方向、垂直方向运动的光流v(t)：

步骤6，将步骤5得到的光流v(t)分别进行微分转换成位移信号x(t)、积分转换成加速度信号a(t)。最后再对加速度信号a(t)进行快速傅里叶变换得到频谱信号，完成整个振动测量过程。

优选的：二维高斯函数g(x,y)表示为：

其中，σ表示高斯滤波的标准差，x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标。

优选的：步骤3中方向θ∈[0°,360°]，θ＝0°代表水平方向，θ＝90°代表垂直方向。

一种基于视觉的离线振动测量分析系统，包括视频采集模块、振动参数设置模块、图像空间信息分解模块、加权平均模块、光流生成模块、位移加速度频谱三信号生成模块，其中：

所述视频采集模块用于通过相机采集被测目标的运动视频序列。

所述振动参数设置模块用于在采集到运动视频序列中设置降采样因子、振动测量方向及选择测量点。

所述图像空间信息分解模块用于根据设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点通过正交对基滤波器将运动视频序列的图像空间信息分解成局部幅值和局部相位信息。

所述加权平均模块用于使用局部幅值对相位信号进行空间局部加权平均。

所述光流生成模块用于将加权平均后的局部相位转换成像素光流。

所述位移加速度频谱三信号生成模块用于根据得到的光流v(t)分别进行微分转换成位移信号x(t)、积分转换成加速度信号a(t)。最后再对加速度信号a(t)进行快速傅里叶变换得到频谱信号。

优选的：还包括视频预览模块，所述视频预览模块用于对采集到的被测目标的运动视频序列进行预览。

优选的：降采样因子设置为2-4。

优选的：振动测量方向包括：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、325°。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明可以实时显示视频信息、提取不同方向的振动信号、将振动测量结果保存到本地。同时采用基于相位的光流法获取像平面上像素点的运动大小，应用范围广，对低频、高频或大幅、小幅信号都能适用，对视频采集光照条件无要求

附图说明

图1是系统的软件流程图。

图2是本发明离线振动测量分析系统的配置界面。

图3是本发明离线振动测量分析系统的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于视觉的离线振动测量分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，通过相机采集被测目标的运动视频序列。

步骤2，对采集到运动视频序列设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点。

步骤3，使用正交对基滤波器，根据设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点将运动视频序列的图像空间信息分解成局部幅值和局部相位信息：

其中，aθ(x,y,t0)代表局部幅值信息，φθ(x,y,t0)代表局部相位信息，gθ+ihθ为θ方向的正交对基滤波器，θ∈[0°,360°]，θ＝0°代表水平方向，θ＝90°代表垂直方向，f(x,y,t0)表示视频在第t0时刻的图像，图像分辨率为m×n，x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标，x∈[0,m-1],y∈[0,n-1]，表示。

步骤4，使用局部幅值对相位信号进行空间局部加权平均：

其中，φθ′代表加权平均后的局部相位，aθ和φθ分别表示局部振幅和局部相位信号简写，表示，g(x,y)是二维高斯函数。二维高斯函数g(x,y)表示为：

其中，σ表示高斯滤波的标准差，x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标。

步骤5，将加权平均后的局部相位转换成像素光流：

在任意时刻t，局部相位是个常数值c：

φθ(x,y,t)＝c

将公式两边同时对时间t求导：

其中，分别为像素在水平方向、竖直方向运动的瞬时速度，即光流。

若仅考虑水平方向运动，则有：

其中，所以公式转换为：

同理，仅考虑竖直方向运动，可推得：

由此，计算出像素在水平方向、垂直方向运动的光流v(t)：

步骤6，将步骤5得到的光流v(t)分别进行微分转换成位移信号x(t)、积分转换成加速度信号a(t)。最后再对加速度信号a(t)进行快速傅里叶变换得到频谱信号，完成整个振动测量过程。

一种基于视觉的离线振动测量分析系统，包括视频采集模块、视频预览模块、振动参数设置模块、图像空间信息分解模块、加权平均模块、光流生成模块、位移加速度频谱三信号生成模块，其中：

所述视频采集模块用于通过相机采集被测目标的运动视频序列。

所述视频预览模块用于对采集到的被测目标的运动视频序列进行预览。

所述振动参数设置模块用于在采集到运动视频序列中设置降采样因子、振动测量方向及选择测量点。

所述图像空间信息分解模块用于根据设置的降采样因子、振动测量方向及选择测量点通过正交对基滤波器将运动视频序列的图像空间信息分解成局部幅值和局部相位信息。

所述加权平均模块用于使用局部幅值对相位信号进行空间局部加权平均。

所述光流生成模块用于将加权平均后的局部相位转换成像素光流。

所述位移加速度频谱三信号生成模块用于根据得到的光流v(t)分别进行微分转换成位移信号x(t)、积分转换成加速度信号a(t)。最后再对加速度信号a(t)进行快速傅里叶变换得到频谱信号。

本发明基于视觉的离线振动测量分析系统的使用步骤如下：

s1.相机采集被测目标的运动视频序列，并以视频格式存储到pc端。

s2.在pc端运行基于视觉的离线振动测量分析系统。

s3.在本地磁盘中找到目标的运动视频序列并打开。在视频显示框中单击测量的目标像

素点，并确定振动测量方向及视频降采样因子。

s4.提取出该像素点的位移、加速度信号以及加速度的频谱信号。

s5.保存位移信号、加速度信号以及频谱信号测量结果，测量结果以图片格式存储。

所述的基于视觉的离线振动测量分析系统主要分为任务栏及工具栏、视频预览模块、振动参数设置模块以及振动测量分析单元(图像空间信息分解模块、加权平均模块、光流生成模块、位移加速度频谱三信号生成模块)。任务栏及工具栏主要进行一些快捷操作以及实现对测量数据的保存。视频预览模块主要实现对硬盘文件夹视频的预览。可通过控制视频进度条，查看视频每一帧的图片。振动参数设置模块主要完成振动测量点的选取、图像降采样因子的设置以及测量信号方向的选择。振动测量分析模块采用基于相位的光流法，获取像平面上像素点的位移，再通过转换，分别显示位移信号、加速度信号以及频谱信号。

下面对基于视觉的离线振动测量分析系统的功能进行说明。如图2所示：

(1)任务栏及工具栏

图2中1是任务栏，2是工具栏，3是视频显示区域，4是参数显示区域，5是降采样因子调节区域，6是位移信号显示区域，7是加速度信号显示区域，8是频谱图显示区域。

任务栏中包括：

1)文件(f)：文件选择任务，快捷键“ctrl+f”。子选项包括：打开视频(o)，快捷键“ctrl+o”，在本地磁盘中找到自己保存的视频文件，逐级打开。打开以后，视频显示在视频显示控件；关闭视频(c)，快捷键“ctrl+c”，直接关闭打开的视频；返回(q)，返回上一级。

2)视频(v)：快捷操作视频序列，快捷键“ctrl+v”。子选项包括：播放(p),快捷键“ctrl+p”，逐帧播放视频序列；暂停，暂时停止播放中的视频；停止(s)，停止播放视频。

3)数据(d)：处理测量的结果图，快捷键“ctrl+d”。子选项包括：保存，直接保存测量结果在软件所在文件夹；另存为，保存视频在选定的文件夹目录中。

工具栏是快捷键，从左到右依次为：打开视频、关闭视频、播放、暂停、保存和另存为。可一键进行对应的操作。

(2)视频预览模块

视频预览模块可以显示视频序列，并通过下方的进度条控制视频播放的进度，查看每一帧的视频信息。同时，所选视频序列的参数在4中显示，包括：视频帧率、总帧数、视频帧的长度和宽度。

(3)振动参数设置模块

振动参数设置模块包括：

1)降采样因子：设置图像的降采样因子，可以调整处理图像的大小。1代表图像保持原来的大小，n(n为整数，0<n<5)代表图像的长度和宽度缩小为原来的n倍。经验证，在信号提取前，将图像降采样可以提高算法效率，并提高测量信号的信噪比，降低信号的底噪。但降采样过多可能会导致测量结果误差较大。实验论证，降采样因子n设置为2-4，测量效果最佳。

2)像素坐标(x坐标代表图像横坐标，y坐标代表图像纵坐标)：选择测量点。按住鼠标左键，在视频显示框中滑动，可以显示鼠标所在位置的像素坐标。单击鼠标，即可选取被测的像素点。后续即测量选取像素点的位移信号以及加速度信号。

3)运动方向：选取测量的运动方向。测量方向包括：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、325°。通过旋钮调整测量方向，即可测量对应方向的运动信息。

(4)振动测量分析模块

采用基于相位的光流法对视频序列进行振动测量分析，测量出指定像素点指定方向的位移信号x(t)和加速度信号a(t)，最后对加速度信号进行频谱分析。6、7、8分别显示位移信号提取结果、加速度信号提取结果、加速度的频谱图。可以通过任务栏或工具栏中的“保存”或“另存为”，将测量结果保存在本地磁盘中。

所述基于相位的光流法采用频域滤波方法进行数字图像处理，提取出图像各个像素的局部频域信息(局部幅值和局部相位)，再将局部频域信息转换成像素的光流，光流即像素在某一时刻的瞬时速度，最后将速度分别进行微分、积分转换成位移信号和加速度信号。具体步骤如下：

(1)令f(x,y,t0)表示视频在第t0时刻的图像，图像分辨率为m×n，x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标，x∈[0,m-1],y∈[0,n-1]。使用正交对基滤波器，将图像空间信息分解成局部幅值和局部相位信息：

其中gθ+ihθ为θ方向的正交对基滤波器，θ∈[0°,360°]，θ＝0°代表水平方向，θ＝90°代表垂直方向；φθ(x,y,t0)代表局部相位信息；aθ(x,y,t0)代表局部幅值信息。

(2)使用局部幅值可以对相位信号进行空间局部加权平均，以提高信号的信噪比：

其中，aθ和φθ分别表示局部振幅和局部相位信号，φθ′代表加权平均后的局部相位。g(x,y)是二维高斯函数，可表示为：

σ表示高斯滤波的标准差，标准差越大，二维高斯图像越宽，滤波效果越好；x,y分别为图像的横向和纵向像素坐标。

(3)将加权平均后的局部相位转换成像素光流。

在任意时刻t，局部相位是个常数值c：

φθ(x,y,t)＝c

将公式两边同时对时间t求导：

其中，分别为像素在水平方向、竖直方向运动的瞬时速度，即光流。

若仅考虑水平方向运动，则有：

其中，所以公式可以转换为：

同理，仅考虑竖直方向运动，可推得：

由此，计算出像素在水平方向、垂直方向运动的光流v:

光流即像素在某一时刻的瞬时速度，将速度信号v(t)分别进行微分转换成位移信号x(t)，积分转换成加速度信号a(t)。最后再对加速度信号进行快速傅里叶变换得到频谱信号，完成整个振动测量过程。

以钢尺振动序列为例，做验证实验。图3是钢尺振动序列的测量结果。可以看到视频的帧率为200fps(帧/秒)，总帧数为201帧，视频分辨率为768×800。降采样因子选取为4，测量钢尺上方边缘的一个像素点(513，34)的位移信号，测量运动方向为水平方向(0°)，开始信号提取，会显示信号提取进度条，提取结束后，在振动测量分析模块分别显示了位移信号提取结果、加速度信号提取结果、加速度的频谱图。可以看出钢尺拨动以后在做衰减的正弦运动，振动频率为20hz。

本发明只需用相机拍摄被测对象的运动视频序列，即可对被测对象上任意一点进行振动测量分析，大大降低了成本以及操作复杂度，人机交互功能良好，适用广泛。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。