基于高速摄像技术的声屏障现场监测系统和监测方法与流程

本发明涉及视觉测量领域，尤其涉及基于高速摄像技术的声屏障现场监测系统和监测方法。

背景技术：

声屏障是铁路两旁树立的具有消声降噪作用的防护设施，它能够吸收和降低列车高速行驶产生的冲击噪声和振动能量，已成为铁路沿线控制噪声污染、改善交通环境的有效措施。

随着列车速度的不断提升，列车经过声屏障时的速度可达250km/h以上，如此高的运行速度将使列车与声屏障之间产生强烈的气流相互作用，空气的剧烈压缩和膨胀产生严重的气流脉动力，在此脉动力作用下声屏障被反复推拉，使得声屏障产生材质疲劳、连接松动等问题，最终造成结构的破坏。声屏障一旦发生破损倾覆，将会造成严重的交通事故，同时对高架桥下车辆及行人安全造成巨大威胁。

声屏障不仅需要保证具有良好的消声降噪性能，还必须具备足够的结构安全和动力学性能。传统的声屏障监测方法通常是人工巡视线路，该方法精度高，但效率低下、工作量大、维护成本很高，且无法监测列车经过时声屏障的振动响应曲线，进而无法对声屏障的额疲劳破损状态进行预判。

本发明采用高速摄像技术对声屏障进行现场监测，测量和识别声屏障的振动响应曲线和疲劳破损状态，不仅能够节省人力、财力，还具有组装快速、非接触式和远距离测量的优点，适于户外作业。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于高速摄像技术的声屏障现场监测系统和监测方法，以实现声屏障振动响应曲线的测量和疲劳、破损状态的判断。

基于高速摄像技术的声屏障现场监测系统，包括：

触发控制单元，检测到列车到达或驶离时，发出触发信号；

高速相机，列车经过时，对声屏障进行拍摄；

数据存储、处理单元，

接收触发控制单元的信号并发出命令，

将高速相机拍摄的视频图像存储，

对存储的视频图像进行处理，提取振动位移，绘制出声屏障的振动响应曲线，

曲线异常时发出警报，

输出振动响应曲线及判断结果。

进一步，所述的触发控制单元与数据存储、处理单元之间通过有线或者无线方式连接。

进一步，所述的数据存储、处理单元为pc。

进一步，所述的数据存储、处理单元内置触发控制系统、数据传输存储系统、图像处理系统、报警系统，以及后台数据分析管理系统。

一种基于高速摄像技术的声屏障现场监测方法，包括以下步骤：

步骤一，当触发控制单元检测到列车到达的信号时，反馈给数据存储、处理单元，数据存储、处理单元内的触发控制系统发出命令，触发高速相机工作，开始拍摄；当触发控制单元检测到列车驶离的信号时，反馈给数据存储、处理单元，数据存储、处理单元内的触发控制系统发出命令，高速相机结束拍摄，得到列车经过的整个过程中声屏障视频图像；

步骤二，录制视频图像的同时，得到的视频快速传输给数据存储、处理单元储存，同时调用图像处理系统进行视频图像的振动位移提取，最终绘制出声屏障的振动响应曲线；

步骤三，分析声屏障的振动响应曲线，若振动响应曲线异常，说明声屏障出现疲劳、破损现象，报警系统发出警报；

步骤四，数据存储、处理单元内的后台数据分析管理系统分析并输出振动响应曲线及破损判断结果，系统处于休眠状态，等待下次触发。

所述图像处理系统的核心为基于taylor展开理论的刚性目标视觉跟踪算法，该算法对声屏障刚性振动视频做了如下假定：

(1)亮度恒定。声屏障受列车脉动载荷影响的持续时间较短，通常只有几秒钟，在此短暂时间内，环境光照可认为保持不变，故相邻视频帧的亮度保持恒定；

(2)小位移量。摄像系统高速录制使得相邻帧之间抓取间隔很小，一般只有几毫秒，故运动物体在两帧间只发生微小位移；

(3)空间一致性。声屏障主要发生刚性运动，变形可忽略，故视频各帧之间保持空间一致性，即临近子图像保持相同的运动。

所述基于taylor展开理论的刚性目标视觉跟踪算法是基于模板的跟踪算法，具有如下特点：算法以跟踪目标上可识别的纹理或边界作为模板完成跟踪，不需要事先安装具有预设特征的标靶；无需特征提取操作，减少了人工阈值的选择，算法更加自动化，可调参数少；具有亚像素精度，无需额外精度优化算法。

本发明的有效益处是：具有精度高、非接触式和远距离测量的优点，无需人爬到高处进行检视，节省了人力资源并提高了操作安全性，此外，还具有组装快速、方面携带的特点，提高了检测效率，适于户外作业。

附图说明

图1为基于高速摄像技术的声屏障现场监测硬件结构示意图。

图2为基于高速摄像技术的声屏障现场监测软件控制系统组成示意图。

图3为基于高速摄像技术的单个声屏障振动响应曲线及破损与否的测量流程图。

图4为基于taylor展开理论的刚性目标视觉跟踪算法分析建模示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方案，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

基于高速摄像技术的声屏障现场监测硬件结构示意图如图1所示，包括：声屏障、触发控制单元3、高速相机4、三脚架5、数据传输线6和计算机7。声屏障为道路既有声屏障，包括吸声板1和立柱2，且立柱通过螺栓8固定在道路上。

本发明所涉及的软件控制系统组成示意图如图2所示，包括：触发控制系统、数据传输存储系统、图像处理系统、报警系统和后台数据分析管理系统。

对单个声屏障振动响应曲线及破损与否的测量步骤如图3所示，包括：

步骤一，当触发控制单元检测到列车到达的信号时，将到达信号传送给触发控制系统，触发控制系统发出命令，触发高速相机工作，开始拍摄；当触发控制单元检测到列车驶离的信号时，将驶离信号传送给触发控制系统，触发控制系统发出命令，高速相机结束拍摄，得到列车经过的整个过程中声屏障视频图像；

步骤二，录制视频图像的同时，得到的视频通过数据传输线快速传输给计算机储存，同时还调用图像处理系统进行视频图像的振动位移提取，最终绘制出声屏障的振动响应曲线；

步骤三，分析声屏障的振动响应曲线，若振动响应曲线异常，说明声屏障出现疲劳、破损现象，报警系统发出警报；

步骤四，输出振动响应曲线及破损判断结果，系统处于休眠状态，等待下次触发。

基于上述四个步骤，具体的实施过程主要包括以下几个部分：

(一)视频图像的录制

拍摄地点选取受列车风压冲击影响较大的入口位置，用三脚架将高速相机固定支撑在高架桥下方的地面上。拍摄时采用长焦镜头，并以一定仰角拍摄。虽然录制视频中的振动是真实振动的投影，对提取位移的幅值尺度有影响，但波形、频谱是一致的。

(二)视频图像的处理

图像处理系统的核心为基于taylor展开理论的刚性目标视觉跟踪算法。

声屏障的刚性振动投影在相机成像面上表现为目标的整体偏移，故目标的振动响应提取本质上就是计算每两帧图像间的相对位移，进而做累加操作得到整个过程的位移响应曲线。对声屏障刚性振动视频做如下假定：

(1)亮度恒定。声屏障受列车脉动载荷影响的持续时间较短，通常只有几秒钟，在此短暂时间内，环境光照可认为保持不变，故相邻视频帧的亮度保持恒定；

(2)小位移量。摄像系统高速录制使得相邻帧之间抓取间隔很小，一般只有几毫秒，故运动物体在两帧间只发生微小位移；

(3)空间一致性。声屏障主要发生刚性运动，变形可忽略，故视频各帧之间保持空间一致性，即临近子图像保持相同的运动。

基于以上假定，对图像进行分析建模，建模示意图如图4所示。在第k帧图像中截取发生整体偏移的子图像t(x,y)作为参照图像。根据空间一致性假设，t(x,y)中所有像素点在下一帧图像中保持相同的位移p＝(u,v)^t偏移到t’(x,y)，于是提取位移向量p的问题转化为图像对齐问题：在第k+1帧图像中找到向量p，使参照图像t与当前帧的t’对齐。

记第k+1帧中与原始t(x,y)相同位置的图像为i(x,y)。根据亮度恒定和小位移量假设，有

i(x,y)＝t(x-u,y-v)(1)

由于位移u、v为微小量，对t(x-u,y-v)做一阶taylor级数展开，略去高阶项得到

i(x,y)＝t(x-u,y-v)

≈t(x,y)-utx-vty(2)

整理得

其中tx、ty分别为图像t(x,y)对x、y的偏导数。

由于子图像t(x,y)的所有像素发生相同的位移(u,v)，所以式(3)对所有(xi,yi)∈t，i∈[1,n](n为子图像t的像素数)成立，故有

若记

则根据广义最小二乘原理，当可逆时，有

从而计算得到位移向量p的估计。

在实际计算中，p1只是向正确的方向移动了一小步，要求得精确的向量p，求解过程变成一个迭代过程：根据最新计算的向量p1，更新参照图像t的位置为t(x-round(u1)，y-round(v1))，其中round()表示四舍五入取整；然后重复上述过程，直到最新的ui和vi的绝对值都小于0.5为止，此时t的位置不再更新。最后把计算得到的所有位移ui、vi加起来即得到准确的位移量u和v。

算法流程总结如下：

1)在前一帧中截取发生整体偏移的区域t(x,y)作为参照子图，在下一帧中截取相同位置的图像为i(x,y)；

2)利用中心差分计算t(x,y)对x、y的偏导数；

3)据式(5)计算差分矩阵δt与梯度矩阵

4)据式(6)计算偏移量pi；

5)根据上步计算得到的pi更新t(x,y)为t(x-round(u1)，y-round(v1))，重复1)～4)的步骤，直到最新得的偏移ui和vi的绝对值都小于0.5为止。

重复以上流程对整个视频做处理，即可得到刚性振动物体的位移响应曲线。

基于taylor展开理论的刚性目标视觉跟踪算法是基于模板的跟踪算法，具有如下特点：算法以跟踪目标上可识别的纹理或边界作为模板完成跟踪，不需要事先安装具有预设特征的标靶；无需特征提取操作，减少了人工阈值的选择，算法更加自动化，可调参数少；具有亚像素精度，无需额外精度优化算法。

(三)结果判断和输出

得到声屏障的振动响应曲线之后，分析该曲线，若振动响应曲线正常，说明声屏障状态良好。若振动响应曲线异常，说明声屏障出现疲劳、破损现象，报警系统发出警报，提醒检修人员采取相应解决方法。最后，输出振动响应曲线及破损判断结果，并将结果存储，以备后续查阅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。