CN113701644B - 基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统及位移测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统及位移测量方法，属于风洞试验技术领域。该位移测量系统包括：设置于风洞内的反光条、高速摄像机、补光灯、背景布以及外接的计算机控制系统、数据采集和处理系统；所述反光条设置于待监测物的采样处，所述高速摄像机设置于风洞顶端，通过传输线分别与计算机控制系统、数据采集和处理系统连接，所述补光灯设置于风洞顶端，且位于高速摄像机旁；所述背景布设置于待监测物的下方，且覆盖高速摄像机的全视角。本发明位移测量系统的位移测量方法具有测量精度高、非接触式和测量方法简便的特点。

Description

基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统及位移测量方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统及位移测量方法。
背景技术
随着科技发展，建筑、结构、工程等日益朝着大型化发展，为保证其性能安全，需对其特性进行分析，而风洞试验作为研究结构性能的最有效手段之一，备受学者及工程类人员关注和使用。而测量手段在风洞试验中处于至关重要的地位，直接影响试验结果。
目前在风洞试验中，最直接的测量方法是位移测量，而传统位移测量法一般选用激光位移计和位移传感器，测量时需在测量物一侧搭设辅助支架，或在测量物上连接传输线，其影响试验风场和结构特性。同时，传统的测量方法测量细长柔结构时，因柔性结构位移较大且风洞试验缩尺模型截面较小，其测点布置和捕捉难；风洞的驱动系统运行时电磁干扰性强造成测量精度低，对试验结果真实性有着严峻的考验。后期，亦发明了摄像测距设备，但其设备价格高昂且在风洞中也需要支架支撑，仅极少重要风洞中配备。因其风洞使用和租用费用高昂，对于一般工程性价比极低，故很少使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统及位移测量方法，该风洞试验高速摄像技术位移测量系统的位移测量方法简便且精准，尤其是对于细长柔性结构测点位移的测量，补充了风洞试验测量方法的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统，包括：设置于风洞内的反光条、高速摄像机、补光灯、背景布以及外接的计算机控制系统、数据采集和处理系统；所述反光条设置于待监测物的采样处，所述高速摄像机设置于风洞顶端，通过传输线分别与计算机控制系统、数据采集和处理系统连接，所述补光灯设置于风洞顶端，且位于高速摄像机旁；所述背景布设置于待监测物的下方，且位于高速摄像机的视角内。
本发明还提供了一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的位移测量方法，具体包括如下步骤：
(1)将待监测物固定在风洞中，在待监测物的采样点处设置反光条，根据测量需求调节高速摄像机的位置，开启补光灯，通过计算机控制系统调整高速摄像机的亮度、帧率以及摄像的视角；
(2)待监测物振动，计算机控制系统调节高速摄像机的焦距，对待监测物进行清晰摄像；
(3)数据采集和处理系统将高速摄像机摄像的视频进行采集，通过识别视频中待监测物的采样点，计算待监测物的振动位移，绘制初始振动响应曲线，经滤波处理后，得到位移振动响应曲线。
进一步地，步骤(3)中待监测物的采样点的识别方法具体为：将视频进行帧数分解，获得图像集，将图像集中的任一帧图像的RGB色彩空间转化至HSV色彩空间，创建一个白色图像，将每帧图像中的绿色像素复制到新建的白色图像中，将待监测物上采样点的反光条的颜色进行提取，并将此颜色转化至RGB色彩空间，提取出待监测物的位置，包括位移矢量和转角。
进一步地，步骤(3)中待监测物的振动位移Li的计算过程为：
Li＝Di×δ×ξ
其中，Di表示第i帧图像的总位移，δ表示像素比，ξ表示高度比。
进一步地，像素比δ＝a/b，其中，a为摄像背景布范围内一侧像素值，b为摄像背景布范围内一侧像素其对应实际长度。
进一步地，高度比ξ＝d/c，其中，c为高速摄像机距背景布的距离，d为采样点高度距背景布发热距离。
进一步地，步骤(3)中滤波处理采用的是FFT滤波处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明风洞试验高速摄像技术位移测量系统及测量方法在风洞实验过程中通过计算机控制系统调节高速摄像机，不需安装激光位移计和位移传感器等影响风场和结构特性的试验测量装置，在待监测物上设置反光条，避免了待监测点布置及捕捉难的难题，保证试验的精准度，此外还具有组装简便、便于拆卸，提高了风洞试验效率，节省风洞试验时间。本发明风洞实验高速摄像技术位移测量系统为非接触式测量系统，不受风洞驱动系统运行时带来的电磁干扰而影响测量系统的精度，且由于高速摄像机的体积较小，不会影响风洞结构周围的风场质量，测量方法更加简便。
附图说明
图1为本发明基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的结构示意图；
图2为本发明基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的位移测量方法的流程图；
图3为本发明中待监测物的采样点识别方法示意图；
图4为本发明中待监测物振动位移计算方法示意图；
图5为本发明初始振动响应曲线与滤波后的位移振动响应曲线的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式，只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1为本发明基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的结构示意图，该基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统包括：设置于风洞内的反光条、高速摄像机、补光灯、背景布以及外接的计算机控制系统、数据采集和处理系统；反光条设置于待监测物的采样处，本领域技术人员可根据待监测物的采样点需求设计反光条的形状，将反光条贴合于采样点处，避免对测量结果产生不必要影响，同时方便采样点的捕捉；高速摄像机设置于风洞顶端，通过传输线分别与计算机控制系统、数据采集和处理系统连接，计算机控制系统用于调整高速摄像机与采样点的距离和方位，以获得最佳摄像视角，同时根据不同的待监测物，调节分辨率Resolution(宽度值×高度值)来控制拍摄视图的长度和宽度，选择合适的帧率，本发明中高速摄像机的帧率在30-6000帧/秒范围内可调，摄像范围广，可以精确捕捉柔性结构高速运动状态下位移轨迹；数据采集和处理系统用于采集高速摄像机拍摄的视频，并根据视频获取位移振动响应曲线；同时传输线贴合风洞内侧分别连至风洞外侧计算机控制系统、数据采集和处理系统，避免传输线对风洞风场产生干扰。补光灯设置于风洞顶端，且位于高速摄像机旁，通过设置补光灯，以便增加摄像场地的亮度，同时，预先将计算机摄像控制系统中曝光时间设置到较高值，以便获取的图像有足够的亮度。背景布设置于待监测物的下方，且覆盖高速摄像机的全视角，从而提高像素点法计算速度时的精度以及观察时的清晰度。本发明风洞试验高速摄像技术位移测量系统在风洞实验过程中通过计算机控制系统调节高速摄像机，不需安装激光位移计和位移传感器等影响风场和结构特性的试验测量装置，在待监测物上设置反光条，避免了待监测点布置及捕捉难、干扰性强且测量精度低的难题，保证试验的精准度，此外还具有组装简便、便于拆卸，提高了风洞试验效率，节省风洞试验时间。
如图2为发明基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的位移测量方法的流程图，该位移测量方法具体包括如下步骤：
(1)将待监测物固定在风洞中，在待监测物的采样点处设置反光条，根据测量需求调节高速摄像机的位置，开启补光灯，通过计算机控制系统调整高速摄像机的亮度、帧率以及摄像的视角，高速摄像机的在帧率30-6000帧/秒可调，可根据测量需求调节精度。
(2)待监测物振动，计算机控制系统调节高速摄像机的焦距，对待监测物进行清晰摄像，且无需关注周边物体清晰度；
(3)数据采集和处理系统将高速摄像机摄像的视频进行采集，通过识别视频中待监测物的采样点，计算待监测物的振动位移，绘制初始振动响应曲线，经滤波处理后，得到位移振动响应曲线；具体包括如下子步骤：
(3.1)如图3为本发明中待监测物的采样点识别方法示意图，对采集的视频进行帧数分解，获得图像集，将图像集中的任一帧图像的RGB色彩空间转化至HSV色彩空间，其中，RGB的第三个维度为每个像素分别定义红色、绿色和蓝色强度，HSV的第三个维度为每个像素分别定义色调、饱和度和明度。创建一个白色图像，将每帧图像中的绿色像素复制到新建的白色图像中，将待监测物上采样点的反光条的颜色进行提取，并将此颜色转化至RGB色彩空间，提取出待监测物的位置，包括位移矢量和转角：
第i帧图像的位移矢量TLi＝Ti-T0＝T(xi-x0，yi-y0)，
第i帧图像的转角
Figure BDA0003263553040000041
其中，(x0，y0)为原点坐标，(xa，y0)为水平参考点坐标，(xi，yi)为待监测物坐标。
(3.2)如图4本发明中待监测物振动位移计算方法示意图，待监测物的振动位移Li的计算过程为：
Li＝Di×δ×ξ
其中，Di表示第i帧图像的总位移，
Figure BDA0003263553040000042
δ表示像素比，δ＝a/b，a为摄像背景布范围内一侧像素值，b为摄像背景布范围内一侧像素其对应实际长度；
ξ表示高度比ξ＝d/c，c为高速摄像机距背景布的距离，d为采样点高度距背景布发热距离。
重复步骤(3.1)-(3.2)，获取每帧图像对应的振动位移，连接的曲线即为初始振动响应曲线；
(3.3)通过FFT滤波处理初始振动响应曲线，得到位移振动响应曲线。通过FFT滤波处理的具体过程为：先将时域转化为频域，
Figure BDA0003263553040000043
Wn＝e(-2πi)/n，设置滤除频率的上下限，将频率落在该频率范围内及其大于奈奎斯特的波滤除，其余频率范围内的信号保持不变，得到滤波后的振幅谱，将滤波后的振幅谱经过傅里叶逆变换再转换为时域：
Figure BDA0003263553040000051
初始振动响应曲线与滤波后的位移振动响应曲线的示意图如图5所示，滤波前，初始振动响应曲线因外部电磁干扰等产生突增的高频非位移信号，经滤波后，因外部干扰产生的突增高频非位移信号被过滤，滤波后曲线反应真实的位移振动响应。
本发明基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统的位移测量方法适用于细长柔性物体，如超长柔性风力机叶片等，由于该位移测量系统为非接触式测量系统，不受风洞驱动系统运行时带来的电磁干扰而影响测量系统的精度；高速摄像机体积较小，因此不会影响结构周围的风场质量；且测量方法更加简便。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统，其特征在于，包括：设置于风洞内的反光条、高速摄像机、补光灯、背景布以及外接的计算机控制系统、数据采集和处理系统；所述反光条设置于待监测物的采样处，所述高速摄像机设置于风洞的顶端，通过传输线分别与计算机控制系统、数据采集和处理系统连接，所述补光灯设置于风洞的顶端，且位于高速摄像机旁；所述背景布设置于待监测物的下方，且位于高速摄像机的视角内；
所述基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统通过以下位移测量方法实现：
(1)将待监测物固定在风洞中，在待监测物的采样点处设置反光条，根据测量需求调节高速摄像机的位置，开启补光灯，通过计算机控制系统调整高速摄像机的亮度、帧率以及摄像的视角；
(2)待监测物振动，计算机控制系统调节高速摄像机的焦距，对待监测物进行清晰摄像；
(3)数据采集和处理系统将高速摄像机摄像的视频进行采集，通过识别视频中待监测物的采样点，计算待监测物的振动位移，绘制初始振动响应曲线，经滤波处理后，得到位移振动响应曲线；具体包括如下子步骤：
(3.1)对采集的视频进行帧数分解，获得图像集，将图像集中的任一帧图像的RGB色彩空间转化至HSV色彩空间，其中，RGB的第三个维度为每个像素分别定义红色、绿色和蓝色强度，HSV的第三个维度为每个像素分别定义色调、饱和度和明度；创建一个白色图像，将每帧图像中的绿色像素复制到新建的白色图像中，将待监测物上采样点的反光条的颜色进行提取，并将此颜色转化至RGB色彩空间，提取出待监测物的位置，包括位移矢量和转角：
第i帧图像的位移矢量TLi＝Ti-T0＝T(xi-x0，yi-y0)，
第i帧图像的转角
Figure FDA0003752531150000011
其中，(x0，y0)为原点坐标，(xa，y0)为水平参考点坐标，(xi，yi)为待监测物坐标；
(3.2)待监测物的振动位移Li的计算过程为：
Li＝Di×δ×ξ
其中，Di表示第i帧图像的总位移，δ表示像素比，ξ表示高度比；
(3.3)重复步骤(3.1)-(3.2)，获取每帧图像对应的振动位移，连接的曲线即为初始振动响应曲线，通过FFT滤波处理初始振动响应曲线，得到位移振动响应曲线。
2.根据权利要求1所述基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统，其特征在于，像素比δ＝a/b，其中，a为摄像背景布范围内一侧像素值，b为摄像背景布范围内一侧像素其对应实际长度。
3.根据权利要求1所述基于风洞试验高速摄像技术位移测量系统，其特征在于，高度比ξ＝d/c，其中，c为高速摄像机距背景布的距离，d为采样点高度距背景布发热距离。
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