在肉眼看来，建筑物和桥梁似乎是固定在原地的，不受风和雨等力量的影响。但事实上，这些大型结构确实会经历难以察觉的微小振动，这取决于它们的频率，可能表明不稳定或结构损坏。
麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种技术，将高速视频与计算机视觉技术相结合，可以“看到”肉眼无法看到的振动。
正常情况下，高速录像不会捕捉到建筑物的如此细微的震动。为此，研究人员采用了一种名为“运动放大”的计算机视觉技术，将高速帧分解成特定的频率，本质上夸大了微小的亚像素运动。
在实验室实验中，研究人员能够检测到钢梁和PVC管的微小振动。该技术测得的振动与加速度计和激光振动测量仪测得的振动相匹配——这两种技术精度高，但价格昂贵，通常用于基础设施监测。
麻省理工学院土木与环境工程教授Oral Buyukozturk说，运动放大技术为现有的监测技术提供了一种更快、更便宜、非侵入性的替代方法。
Buyukozturk说:“这可能是一种非接触传感器技术，可以用于经济和快速的应用。“根据你的目标，也许你可以用手机上的摄像头进行筛查，如果你发现了什么东西，你可以用高倍摄像头集中注意力。有不同级别的检查，你不一定非要从高质量的相机开始。”
Buyukozturk与第一作者、研究生Justin Chen共同撰写了一篇论文，发表在声学与振动学报。这篇论文的其他合著者是研究生尼尔·瓦德瓦(Neal Wadhwa)和博士后永进·查(Young-Jin Cha)，以及计算机科学与工程教授弗雷多·杜兰德(Fredo Durand)和威廉·弗里曼(William Freeman)。
看看麻省理工学院的研究人员是如何将高速视频与计算机视觉技术相结合来“看到”肉眼无法看到的振动的。视频由梅勒妮·戈尼克/麻省理工学院制作和编辑(额外的视频由研究人员提供)
放大一个脉冲
如今，工程师通常使用多个加速度计来监控基础设施。加速度计是测量加速度的传感器，可以用来计算速度，并最终计算运动。加速度计非常精确，但价格昂贵，每个加速度计的成本超过1000美元，而且一个加速度计只能测量结构上的一个点。Buyukozturk指出，即使有一组传感器，加速度计“也无法实现高密度的空间测量。”更重要的是，由于加速度计安装在它们监测的结构上，它们可能会影响整体运动，特别是当一个给定的结构相对较轻时。
作为一种替代方法，激光振动测量是一种非接触技术，它将结构暴露在激光束和声波中，其速度可以被转换为计算结构的位移或运动。这种方法也非常精确——但是，像加速度计一样，激光振动测量法非常耗时，一次只能测量一个点。
相反，研究人员推测，高速摄像机可以快速、轻松地追踪整个结构的振动，而无需进行身体接触。
为了验证他们的理论，Buyukozturk与Durand和Freeman合作，他们是运动放大算法的最初开发者。2012年，这对夫妇提出了软件这有效地提高了视频帧的特定频率，使“看到”微小的动作成为可能，比如一个人的脉搏，或振动的小提琴弦。
杜兰德和弗里曼与Buyukozturk、Chen、Wadhwa和Cha合作，修改他们的代码以监控基础设施。该代码本质上是将视频图像过滤为振幅和相位信号，然后将这些信号组合起来重建视频图像，在视频图像中，某些物体的表观运动以特定频率被放大。
求基频
该团队使用Phantom v10高速摄像机进行了实验。研究人员进行了一项实验，将该技术与标准加速度计和激光振动计进行比较。在每种技术中，研究人员都用锤子击打悬臂梁和PVC管，然后测量它们的振动。
随后用运动放大技术进行的测量结果与其他传感器的测量结果进行了比较。研究人员观察到，在没有实现算法的情况下，高速视频显示光束和管道都明显保持不变。然而，一旦他们在视频数据上运行算法，他们观察到每个结构在振动时的一系列形状变形。例如，当管道的周长从一个圆变成一个椭圆形，然后又变回来时，光束似乎来回摆动。
Buyukozturk说，这项技术在远程监控建筑和桥梁方面可能很有用，在勘测管道方面可能尤其有用;管子的周长自然是对称的。如果有一面有缺陷，它可能不会以完全完整的方式振动。由此产生的振动可能是潜在损害的信号。
该小组计划对麻省理工学院的绿色建筑(54号楼)以及波士顿的约翰汉考克大厦、保诚大厦和扎金桥进行视频监控实验。Buyukozturk指出，检测建筑物或桥梁的振动并不一定意味着有什么问题;每个结构都有一个振动的“基频”。他说，知道这个频率可以让工程师们对结构如何对风甚至地震等力量作出反应有一个概念。
Buyukozturk说:“人们已经从事结构监测工作30到40年了，但我们仍然没有一个集成系统，可以方便地用于桥梁或管道系统的结构监测。”“我们的目标是用新的创新方法在这方面取得一些进展。”
这项研究得到了荷兰皇家壳牌公司和麻省理工学院能源计划的部分支持。
了下:M2M(机器对机器)
