ES2525517A1 - Method and system for measuring vibrations - Google Patents
Method and system for measuring vibrations Download PDFInfo
- Publication number
- ES2525517A1 ES2525517A1 ES201300498A ES201300498A ES2525517A1 ES 2525517 A1 ES2525517 A1 ES 2525517A1 ES 201300498 A ES201300498 A ES 201300498A ES 201300498 A ES201300498 A ES 201300498A ES 2525517 A1 ES2525517 A1 ES 2525517A1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- scene
- camera
- pixels
- sequence
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Image Analysis (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Studio Devices (AREA)
Abstract
Description
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
El objeto de la presente invención es un método no invasivo para medir vibraciones, es decir, un método donde no se emplee ningún tipo de contacto para medir vibraciones The object of the present invention is a non-invasive method to measure vibrations, that is, a method where no type of contact is used to measure vibrations.
5 imperceptibles para el ojo humano. Este método emplea una cámara de vídeo, de tal forma que mediante el procesado de la secuencia grabada sea posible detectar movimientos que, aparentemente, no provocan un cambio en la imagen, así como detectar su frecuencia de movimiento. 5 imperceptible to the human eye. This method uses a video camera, in such a way that by processing the recorded sequence it is possible to detect movements that, apparently, do not cause a change in the image, as well as to detect its frequency of movement.
La detección de movimientos y vibraciones es un tema de interés en diferentes campos científicos. Así, por ejemplo, en ingeniería y arquitectura, el estudio de las vibraciones se utiliza para diagnosticar el estado de salud de las estructuras y fuerzas a las que son The detection of movements and vibrations is a topic of interest in different scientific fields. Thus, for example, in engineering and architecture, the study of vibrations is used to diagnose the state of health of the structures and forces to which they are
15 sometidas. 15 submitted.
La medida de las vibraciones es posible mediante métodos acústicos. Así, en ciertas situaciones las vibraciones producen efectos audibles y con un micrófono es posible su detección. No obstante, en la mayoría de los casos esto no es posible y es necesario acudir The measurement of vibrations is possible by acoustic methods. Thus, in certain situations the vibrations produce audible effects and with a microphone it is possible to detect them. However, in most cases this is not possible and it is necessary to go
20 a técnicas más sofisticadas. 20 to more sophisticated techniques.
Otra técnica conocida en el estado de la técnica es el empleo de acelerómetros. Estos sistemas están conectados a la superficie o estructura objeto de estudio y registran la aceleración sufrida por la misma debido a fuerzas dinámicas o impactos. Pese a lo Another technique known in the state of the art is the use of accelerometers. These systems are connected to the surface or structure under study and record the acceleration suffered by it due to dynamic forces or impacts. Despite what
25 extendido de su uso, presenta varios inconvenientes, ya que es un sistema invasivo que requiere una instalación propia y un cableado, así como un coste económico a tener en cuenta [Nassif HN, Gindy M, Davis J. Comparison of laser Doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration. NDT & E Int. 2005; 38(3): 213-128]. 25 widespread use, has several drawbacks, since it is an invasive system that requires its own installation and wiring, as well as an economic cost to take into account [Nassif HN, Gindy M, Davis J. Comparison of laser Doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration. NDT & E Int. 2005; 38 (3): 213-128].
30 Por otro lado, en muchos casos el uso de acelerómetros no está indicado ya que, por razones de seguridad, inaccesibilidad o integridad del objeto a medir, no es posible fijar el sistema y el cableado. En estas ocasiones se requiere el uso de métodos no invasivos de medición a distancia, como la interferometría Doppler. 30 On the other hand, in many cases the use of accelerometers is not indicated since, for reasons of safety, inaccessibility or integrity of the object to be measured, it is not possible to fix the system and the wiring. On these occasions, the use of non-invasive distance measurement methods is required, such as Doppler interferometry.
35 Los métodos basados en la interferometría Doppler utilizan la interferencia entre un haz de 35 Methods based on Doppler interferometry use the interference between a beam of
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
referencia y uno reflejado en la superficie a estudiar para medir la velocidad del desplazamiento. Aunque es un método muy preciso, requiere del uso de un haz láser y una distancia muy corta de trabajo. Adicionalmente, el coste de este método lo hacen prohibitivo para la mayoría de aplicaciones [Castellini P, Martarelli M, Tomasini EP. Lasser Doppler reference and one reflected on the surface to be studied to measure the speed of the displacement. Although it is a very precise method, it requires the use of a laser beam and a very short working distance. Additionally, the cost of this method makes it prohibitive for most applications [Castellini P, Martarelli M, Tomasini EP. Lasser Doppler
5 Vibrometry: Development of advanced solutions answering to technology’s needs. Mechanical systems and signal processing. 2006; 20: 1265-1285]. 5 Vibrometry: Development of advanced solutions answering to technology’s needs. Mechanical systems and signal processing. 2006; 20: 1265-1285].
En los últimos años han aparecido técnicas de detección de movimiento y vibraciones basadas en la detección de patrones de Speckle [Valero, E., V. Micó, Z. Zalevsky, and J. In recent years, motion and vibration detection techniques based on the detection of Speckle patterns have appeared [Valero, E., V. Micó, Z. Zalevsky, and J.
10 García. “Depth sensing using coherence mapping.” Opt. Commun. 283 no. 16 (2010): 3122– 3128]. 10 Garcia. "Depth sensing using coherence mapping." Opt. Commun. 283 no. 16 (2010): 3122-3128].
Estos sistemas han dado lugar a sistemas de detección 3D, como Kinect® [http://es.wikipedia.org/wiki/Kinect] y a métodos de captura de audio mediante técnicas These systems have given rise to 3D detection systems, such as Kinect® [http://es.wikipedia.org/wiki/Kinect] and methods for capturing audio using techniques.
15 ópticas (como en WO/2007/043036, US2009/096783 o US 2010/226543), así como aplicaciones en biomedicina [A. Shenhav, Z. Brodie, Y. Beiderman, J. Garcia, V. Micó, and 15 optics (as in WO / 2007/043036, US2009 / 096783 or US 2010/226543), as well as applications in biomedicine [A. Shenhav, Z. Brodie, Y. Beiderman, J. Garcia, V. Micó, and
Z. Zalevsky “Optical Sensor for remote estimation of alcohol concentration in blood stream” Opt. Commun. 289, 15, 149-157 (2013)]. Z. Zalevsky “Optical Sensor for remote estimation of alcohol concentration in blood stream” Opt. Commun. 289, 15, 149-157 (2013)].
20 Pese a las ventajas de estos sistemas, estos métodos cuentan con el inconveniente de requerir la proyección de un patrón de luz mediante láseres de baja potencia, lo que limita su alcance, precisión y uso. Despite the advantages of these systems, these methods have the disadvantage of requiring the projection of a light pattern using low-power lasers, which limits their scope, precision and use.
Las técnicas de visión artificial permiten detectar y medir el movimiento a distancia sin Artificial vision techniques make it possible to detect and measure movement from a distance without
25 necesidad de usar láseres o sondas de contacto. En general, estos métodos utilizan un reconocimiento de patrones por convolución, lo que hace que la técnica sea muy sensible al ruido y poco precisa. Además de estos inconvenientes, la detección de movimientos rápidos 25 need to use lasers or contact probes. In general, these methods use convolutional pattern recognition, which makes the technique very sensitive to noise and inaccurate. In addition to these drawbacks, the detection of rapid movements
o frecuencias elevadas requiere de sistemas de vídeo de alta velocidad y gran resolución, lo que incrementa notablemente el coste final de la técnica. or high frequencies requires high-speed and high-resolution video systems, which significantly increases the final cost of the technique.
30 No obstante, existen técnicas para, a partir de la detección y el reconocimiento de patrones determinados en un objeto, determinar con gran precisión su posición, incluso a resoluciones subpíxel. However, there are techniques for, from the detection and recognition of patterns determined in an object, to determine its position with great precision, even at sub-pixel resolutions.
35 Aunque la resolución de la imagen esté limitada por la calidad del sensor óptico, en ciertas 35 Although the image resolution is limited by the quality of the optical sensor, in certain cases
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
condiciones es posible obtener información por encima del límite de resolución espacial. Estas técnicas se conocen con el nombre de técnicas subpíxel y aprovechan información sobre el objeto que se conoce a priori con el fin de aumentar las capacidades del sistema en la detección de objetos. conditions it is possible to obtain information above the limit of spatial resolution. These techniques are known as sub-pixel techniques and take advantage of information about the object that is known a priori in order to increase the capabilities of the system in detecting objects.
5 5
La técnica más habitual de obtener resolución subpíxel consiste en introducir en la escena una diana de geometría conocida. Mediante el reconocimiento de formas y el ajuste de la geometría detectada a la real es posible localizar el objeto con precisión de hasta 0,02 píxeles [D. Mas, J. Espinosa, A. B. Roig, B. Ferrer, J. Pérez, C. Illueca “Measurement of The most common technique for obtaining sub-pixel resolution is to introduce a target of known geometry into the scene. By recognizing shapes and adjusting the detected geometry to the real one, it is possible to locate the object with precision of up to 0.02 pixels [D. Mas, J. Espinosa, A. B. Roig, B. Ferrer, J. Pérez, C. Illueca “Measurement of
10 wide frequency range structural microvibrations with a pocket digital camera and sub-pixel techniques” Applied Optics, 51, 14, 2664-2671 (2011)]. 10 wide frequency range structural microvibrations with a pocket digital camera and sub-pixel techniques ”Applied Optics, 51, 14, 2664-2671 (2011)].
No obstante, para aplicar esta técnica es indispensable adherir al objeto vibrante una diana ajena a la escena, lo que en ocasiones puede ser complicado o incluso inviable. However, to apply this technique it is essential to adhere to the vibrating object a target foreign to the scene, which can sometimes be complicated or even unfeasible.
15 El problema principal que presentan las cámaras de vídeo estándar es que la resolución temporal (fotogramas por segundo -fps) suele estar limitada a 30-50 fps, lo que, según el criterio de Nyquist, no permite su uso para medir frecuencias por encima de 15-25 Hz. Un sistema de registro de vibraciones debería tener una capacidad de adquisición por encima 15 The main problem with standard video cameras is that the temporal resolution (frames per second -fps) is usually limited to 30-50 fps, which, according to Nyquist's criteria, does not allow its use to measure frequencies above 15-25 Hz. A vibration recording system should have an acquisition capacity above
20 500 fps con el fin de optar a un gran rango de aplicaciones (las estructuras civiles suelen vibrar por debajo de los 200 Hz y la frecuencia fundamental de la voz humana está en torno a los 250 Hz). 20,500 fps in order to accommodate a wide range of applications (civil structures tend to vibrate below 200 Hz and the fundamental frequency of the human voice is around 250 Hz).
En este punto se han de tener en cuenta las limitaciones de la electrónica. El flujo de datos At this point, the limitations of electronics must be taken into account. Data flow
25 por segundo que puede procesar y almacenar una cámara de vídeo depende tanto del tamaño del fotograma (píxeles) como del número de fotogramas por segundo que es capaz de capturar la cámara. Para un flujo constante de datos, incrementar la velocidad de adquisición implica disminuir el tamaño del fotograma y viceversa. The 25 per second that a video camera can process and store depends on both the size of the frame (pixels) and the number of frames per second that the camera is capable of capturing. For a constant stream of data, increasing the acquisition speed means decreasing the frame size and vice versa.
30 Así pues, cuanto mayor sea la velocidad de adquisición de la cámara menor será su resolución espacial y por tanto proporcionará una menor calidad de imagen. Como consecuencia de esto, aumentar el flujo de datos implica aumentar el precio del dispositivo de manera importante, lo que puede hacer que la solución final no sea rentable para la mayoría de aplicaciones. 30 Thus, the higher the acquisition speed of the camera, the lower its spatial resolution will be and therefore it will provide a lower image quality. As a consequence, increasing the data flow means increasing the price of the device significantly, which can make the final solution unprofitable for most applications.
35 35
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
La presente invención tiene por objeto un método de medida de vibraciones no invasivo, que no necesite elementos externos, como láseres o patrones de Speckle y con un coste The object of the present invention is a non-invasive vibration measurement method, which does not require external elements, such as lasers or Speckle patterns and at a cost
5 reducido. Para ello, la presente invención se basa en un análisis de los cambios de iluminación producidos por un objeto móvil, a partir del cual se determina si éste vibra y, en consecuencia, su frecuencia de vibración. 5 reduced. For this, the present invention is based on an analysis of the lighting changes produced by a moving object, from which it is determined whether it vibrates and, consequently, its vibration frequency.
Preferentemente, el método de la invención comprende: Preferably, the method of the invention comprises:
10 capturar una sucesión de imágenes de dicho objeto con una cámara, donde dicha cámara tiene una frecuencia de adquisición de al menos el doble de la frecuencia de las vibraciones a medir; 10 capturing a succession of images of said object with a camera, where said camera has an acquisition frequency of at least twice the frequency of the vibrations to be measured;
seleccionar una región de interés dentro de la sucesión de imágenes capturadas definiendo una escena; 15 identificar una pluralidad de píxeles cuya luminancia varía en la escena; selecting a region of interest within the succession of images captured defining a scene; 15 identifying a plurality of pixels whose luminance varies in the scene;
realizar una umbralización multinivel de la secuencia dentro de la región de interés, definiéndose dicha umbralización según un nivel de luminancia predeterminado, de modo que se obtenga una secuencia de imágenes binarias; performing a multilevel thresholding of the sequence within the region of interest, said thresholding being defined according to a predetermined luminance level, so that a sequence of binary images is obtained;
sumar los píxeles activos en cada imagen y representar la variación del número de 20 píxeles en función del tiempo; realizar una transformada de Fourier sobre la representación obtenida para cada nivel de luminancia binario; componer las transformadas de Fourier obtenidas para cada nivel como una señal de caracterización de la escena; 25 obtener la frecuencia de vibración del objeto como aquella que tiene mayor amplitud en la señal de caracterización de la escena. sum the active pixels in each image and represent the variation of the number of 20 pixels as a function of time; performing a Fourier transform on the representation obtained for each binary luminance level; compose the Fourier transforms obtained for each level as a scene characterization signal; Obtain the frequency of vibration of the object as the one with the greatest amplitude in the scene characterization signal.
El método objeto de la invención permite la medida de vibraciones en objetos de un amplio intervalo de frecuencias mediante la captura y posterior procesado de una secuencia de The method object of the invention allows the measurement of vibrations in objects of a wide range of frequencies by capturing and subsequent processing of a sequence of
30 vídeo. La invención permite realizar las medidas a partir de secuencias con muy baja calidad de imagen y sin necesidad de sistemas de iluminación adicionales o de dianas. 30 video. The invention allows measurements to be made from sequences with very low image quality and without the need for additional lighting systems or targets.
Así, respecto de los sistemas ya existentes, la invención se aplica sin contacto y, lógicamente, sin alterar la estructura o superficie objeto de estudio. Además, no es Thus, with respect to existing systems, the invention is applied without contact and, logically, without altering the structure or surface under study. Also, it is not
35 necesaria una distancia próxima al objeto bajo estudio, ya que la distancia a dicho objeto es 35 necessary a distance close to the object under study, since the distance to said object is
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
función del sistema de vídeo empleado, permitiendo el estudio de estructuras inaccesibles o inseguras. Otro problema técnico que se soluciona, derivado del uso del análisis de la imagen, frente a otros sistemas, es que evita el problema de la atenuación de la señal en función de la distancia. function of the video system used, allowing the study of inaccessible or unsafe structures. Another technical problem that is solved, derived from the use of image analysis, compared to other systems, is that it avoids the problem of signal attenuation as a function of distance.
5 5
Por otro lado, la invención no requiere iluminación especial y/o instrumentación específica, lo que posibilita también su implementación en cámaras de bajo coste. On the other hand, the invention does not require special lighting and / or specific instrumentation, which also enables its implementation in low-cost cameras.
Aparte de la medida, la invención permite la visualización directa del objeto y análisis más Apart from measurement, the invention allows direct visualization of the object and more analysis
10 sofisticados basados en unos algoritmos que pueden ser implementados en la propia cámara. 10 sophisticated algorithms that can be implemented in the camera itself.
Por último, cabe destacar que, al estar basado en imágenes su uso es posible tanto para objetos macroscópicos como microscópicos. Finally, it should be noted that, as it is based on images, its use is possible for both macroscopic and microscopic objects.
15 A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los Throughout the description and claims the word "comprise" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge in part from the description and in part from the practice of the invention. The
20 siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas. The following examples and drawings are provided by way of illustration, and are not intended to restrict the present invention. Furthermore, the present invention covers all the possible combinations of particular and preferred embodiments indicated herein.
25 A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. A series of drawings that help to better understand the invention and that are expressly related to an embodiment of said invention that is presented as a non-limiting example thereof, will now be described very briefly.
30 La FIG.1 muestra un esquema del montaje requerido para la captura de una escena. FIG. 1 shows a diagram of the setup required to capture a scene.
La FIG.2 muestra tres imágenes donde la Fig.2a muestra una escena capturada y adaptación a la cuadrícula de sensores en la cámara. En la Fig.2b se muestra la imagen detectada por el sensor digital. Finalmente, en la Fig.2c se muestra la imagen detectada por FIG.2 shows three images where Fig.2a shows a captured scene and adaptation to the sensor grid in the camera. In Fig.2b the image detected by the digital sensor is shown. Finally, Fig. 2c shows the image detected by
35 el sensor digital tras un desplazamiento de la imagen original de 0,25 píxeles. 35 the digital sensor after an original image shift of 0.25 pixels.
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
La FIG.3 muestra cuatro imágenes donde en la Fig.3a se muestra un objeto capturado con cuatro niveles de gris (0-3) sobre un fondo uniforme. En la Fig.3b se muestra una imagen con valores mayores que 0. En la Fig.3c se muestra una imagen con valores mayores que 1 FIG. 3 shows four images where Fig. 3a shows an object captured with four levels of gray (0-3) on a uniform background. In Fig.3b an image with values greater than 0 is shown. In Fig.3c an image with values greater than 1 is shown
5 y, finalmente, en la Fig.3d se muestra una imagen con valores mayores que 2. 5 and, finally, in Fig. 3d an image with values greater than 2 is shown.
La FIG.4 muestra un ejemplo de una región de interés en escala de grises dentro de una imagen capturada en un ejemplo práctico para determinar la vibración de un diapasón de 440 Hz. FIG. 4 shows an example of a gray scale region of interest within an image captured in a practical example to determine the vibration of a 440 Hz tuning fork.
10 La FIG.5 muestra una secuencia de umbralizaciones desde el nivel 32 al 255 cada 32 niveles de la imagen de la figura 4. FIG. 5 shows a sequence of thresholds from level 32 to 255 every 32 levels of the image in figure 4.
La FIG.6 muestra el producto de las transformadas de Fourier obtenidas a partir de la 15 variación de píxeles en cada secuencia umbralizada de la figura 5. FIG. 6 shows the product of the Fourier transforms obtained from the variation of pixels in each threshold sequence of figure 5.
La FIG.7 muestra el producto de las transformadas de Fourier obtenidas a partir de la variación de píxeles en cada secuencia umbralizada para un ejemplo de un altavoz vibrando a 290 Hz. FIG. 7 shows the product of the Fourier transforms obtained from the variation of pixels in each threshold sequence for an example of a loudspeaker vibrating at 290 Hz.
20 twenty
La presente invención se basa en técnicas sub-píxel donde es posible la detección de movimientos con elevada precisión. Para una mejor comprensión de la invención se The present invention is based on sub-pixel techniques where high precision motion detection is possible. For a better understanding of the invention,
25 considera un objeto puntual y se detecta que este objeto se ha desplazado cuando su detección sobre la matriz detectora de la cámara pase de un píxel a otro píxel. Así, en plano imagen, la resolución nominal de la cámara será de 1 píxel. 25 considers a point object and it is detected that this object has moved when its detection on the detector matrix of the camera passes from one pixel to another pixel. Thus, in the image plane, the nominal resolution of the camera will be 1 pixel.
Se considera a continuación que el objeto a detectar es más pequeño que un píxel. En ese The object to be detected is considered below to be smaller than one pixel. In that
30 caso, la cámara no será capaz de resolverlo y todo el píxel proporciona una respuesta independientemente del punto concreto en que se encuentre el objeto dentro de ese píxel. Si se consigue que el objeto por debajo del tamaño del píxel (objeto sub-píxel) se encuentre en un lateral de la zona útil del sensor óptico de la cámara, bastará un pequeño desplazamiento para pasar a otra área. Así, la detección del movimiento no requiere del In this case, the camera will not be able to solve it and the entire pixel provides a response regardless of where the object is within that pixel. If the object below the pixel size (sub-pixel object) can be found to one side of the useful area of the camera's optical sensor, a small displacement will suffice to move to another area. Thus, motion detection does not require the
35 desplazamiento de un píxel completo. 35 a full pixel shift.
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
El punto desplazado se mueve dentro del nuevo píxel sin que el movimiento sea detectado y sólo cuando cambie nuevamente de píxel, se detecta un nuevo movimiento. Esto provoca que la detección de movimiento no sea continua, sino que se producen saltos. The displaced point moves within the new pixel without the movement being detected and only when it changes pixel again, a new movement is detected. This causes that the detection of movement is not continuous, but jumps take place.
5 5
Para evitar dicho problema, se debe asegurar que un segundo punto realice la detección una vez que el primero está amortizado. Con dos puntos en píxeles diferentes, el primero de ellos localizado en la mitad derecha del sensor y el segundo en la mitad izquierda, se podrán detectar saltos de medio píxel. En general, se necesitan tantos puntos adicionales como To avoid this problem, it must be ensured that a second point performs the detection once the first is amortized. With two points in different pixels, the first of them located in the right half of the sensor and the second in the left half, jumps of half a pixel can be detected. In general, you need as many additional points as
10 fracciones de píxel se quieran detectar. 10 pixel fractions are to be detected.
En [D. Mas, B. Ferrer, J. T. Sheridan, J. Espinosa “Resolution limits to object tracking in subpixel accuracies” Opt. Letters, 53, 23 4877-4879 (2012)] se demuestra de modo teórico que la capacidad de detección de este sistema es del orden de la inversa del número de In [D. Mas, B. Ferrer, J. T. Sheridan, J. Espinosa “Resolution limits to object tracking in subpixel accuracy” Opt. Letters, 53, 23 4877-4879 (2012)] it is theoretically demonstrated that the detection capacity of this system is of the order of the inverse of the number of
15 pixeles totales en el detector, pudiéndose llegar a resoluciones de micro-píxeles. 15 total pixels in the detector, being able to reach micro-pixel resolutions.
La invención que se presenta trata sobre el uso de la teoría expuesta para la medida de vibraciones. Tal y como se ha expuesto, los objetos que permiten una resolución subpíxel presentan unas propiedades específicas y no son objetos naturales. Por tanto, el uso de 20 esta técnica en todo su potencial requiere del diseño de dianas especiales que deberían adherirse al sujeto objeto de estudio. Sin embargo, la invención usa objetos cotidianos, a costa de perder resolución respecto al límite teórico, tal y como se muestra en las figuras 1 y The invention that is presented deals with the use of the exposed theory for the measurement of vibrations. As has been explained, objects that allow sub-pixel resolution have specific properties and are not natural objects. Therefore, the use of this technique to its full potential requires the design of special targets that should adhere to the subject under study. However, the invention uses everyday objects, at the cost of losing resolution with respect to the theoretical limit, as shown in Figures 1 and
2. 2.
25 Más concretamente, la invención comprende una primera captura de una imagen del objeto More specifically, the invention comprises a first capture of an image of the object
(4) mediante una cámara (1) cuya frecuencia de adquisición debe ser, al menos, del doble de la frecuencia de vibración a registrar. (4) by means of a camera (1) whose acquisition frequency must be at least twice the vibration frequency to be recorded.
En la presente invención por escena (2) se entiende la imagen de una región de interés de 30 un determinado objeto (4) capturada mediante la cámara (1). In the present invention, scene (2) is understood to be the image of a region of interest of a certain object (4) captured by the camera (1).
El objetivo (3) es variable, en función de la distancia del objeto (4) respecto de la cámara (1), todo ello con el fin de maximizar el tamaño del objeto (4) o de la zona de interés sobre el sensor de la cámara (1). The objective (3) is variable, depending on the distance of the object (4) with respect to the camera (1), all in order to maximize the size of the object (4) or the area of interest on the sensor. the chamber (1).
35 35
5 5
10 10
15 fifteen
20 twenty
25 25
30 30
35 35
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
Los objetos reales (4), en general, tienen formas complejas, que no se ajustan a la estructura cuadriculada (5) del sensor de las cámaras digitales (generalmente CCD y/o CMOS). Así, es posible encontrar píxeles completamente ocupados por el objeto y píxeles en los que el área está compartida por el objeto y el fondo (6). Real objects (4), in general, have complex shapes, which do not conform to the grid structure (5) of the digital camera sensor (generally CCD and / or CMOS). Thus, it is possible to find pixels completely occupied by the object and pixels in which the area is shared by the object and the background (6).
Si, simplificando, admitimos que el sensor sólo dará respuesta blanca o negra, el píxel del contorno se asignará a uno de esos valores en función de que la zona dominante sobre el píxel pertenezca al objeto o al fondo y la imagen final ya no tendrá un perfil suave sino recortado (7). Si el objeto se mueve ligeramente, aunque sea una cantidad menor que un pixel, la proporción de áreas en algunos de los píxeles del contorno cambiará, lo que producirá un ligero cambio en el perfil (8). Este pequeño cambio sólo afectará a pocos píxeles pero será suficiente para ser detectado. Desplazamientos mayores de un píxel pueden ser detectados con facilidad y no son objeto de esta patente. If, simplifying, we admit that the sensor will only give a white or black response, the contour pixel will be assigned to one of those values depending on whether the dominant area on the pixel belongs to the object or the background and the final image will no longer have a smooth but trimmed profile (7). If the object moves slightly, even by an amount less than one pixel, the proportion of areas in some of the contour pixels will change, resulting in a slight change in profile (8). This small change will only affect a few pixels but it will be enough to be detected. Displacements greater than one pixel can be easily detected and are not the subject of this patent.
En función de la complejidad del objeto, un pequeño movimiento supondrá un cambio en el estado de diferentes píxeles. Aunque el movimiento simple es fácil de detectar, en una escena completa resulta difícil controlar qué píxeles han cambiado y qué dirección, con lo que el método propuesto no puede realizar un seguimiento completo del objeto. Depending on the complexity of the object, a small movement will cause a change in the state of different pixels. Although simple movement is easy to detect, in a complete scene it is difficult to control which pixels have changed and which direction, so the proposed method cannot fully track the object.
No obstante, si el objeto vibra, se producirá un cambio de píxeles con un patrón definido, de modo que se activarán y desactivarán determinados píxeles a intervalos regulares. Simplemente contando el número de píxeles que cambian y realizando un análisis de Fourier de la imagen capturada es posible detectar la existencia de dicho patrón de vibración y determinar la frecuencia de la misma. However, if the object vibrates, it will cause a pixel shift in a definite pattern, turning certain pixels on and off at regular intervals. Simply by counting the number of pixels that change and performing a Fourier analysis of the captured image, it is possible to detect the existence of said vibration pattern and determine its frequency.
En todo caso, los objetos no son en blanco y negro puros, ni presentan contornos bien definidos, sino que las transiciones son suaves. Suponiendo una imagen en tonos de grises, un movimiento se apreciará como un ligero cambio en la luminancia de algunos píxeles debido a un cambio en la región dominante en el área del detector. Esos cambios suelen ser sutiles y difíciles de apreciar, lo que dificulta la aplicación directa del método explicado anteriormente. Además, el movimiento de la imagen puede ser sutil y no afectar al contorno del objeto sino a las sombras o a la luz difundida por el objeto, produciendo pequeñas alteraciones. In any case, the objects are not pure black and white, nor do they present well-defined contours, but the transitions are smooth. Assuming a gray-toned image, a movement will be seen as a slight change in the luminance of some pixels due to a change in the dominant region in the detector area. These changes are often subtle and difficult to appreciate, making it difficult to directly apply the method explained above. In addition, the movement of the image can be subtle and not affect the outline of the object but the shadows or light diffused by the object, producing small alterations.
En cualquier caso, un movimiento se traducirá como cambios en la distribución de In any case, a movement will translate as changes in the distribution of
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
luminancias en el objeto que habrá que cuantificar. Podemos, no obstante transformar el objeto en un objeto binario mediante umbralizaciones multinivel. luminances in the object to be quantified. We can, however, transform the object into a binary object through multilevel thresholds.
En la figura 3 se considera un objeto sencillo (9). Este objeto se ha considerado que sólo In figure 3 a simple object is considered (9). This object has been considered to only
5 tiene 4 niveles de gris. A partir del objeto podemos obtener los diferentes umbrales determinando los píxeles cuyo valor es mayor que cero (10), mayor que uno (11) y mayor que dos (12). Estos perfiles son imágenes binarias a los que se aplica el método explicado anteriormente. 5 has 4 levels of gray. From the object we can obtain the different thresholds by determining the pixels whose value is greater than zero (10), greater than one (11) and greater than two (12). These profiles are binary images to which the method explained above is applied.
10 La idea es fácilmente generalizable a una escena con N niveles, de la que se obtienen N-1 secuencias binarias para analizar. Admitiendo que el objeto bajo estudio se moverá de forma homogénea, todos los niveles cambiarán de forma parecida, con lo que, en general no será necesario estudiar todos los niveles. 10 The idea is easily generalizable to a scene with N levels, from which N-1 binary sequences are obtained to analyze. Assuming that the object under study will move homogeneously, all levels will change in a similar way, so that, in general, it will not be necessary to study all levels.
15 Una posible limitación del método es que cualquier variación en la escena debida a movimiento, sombras o cambio en la iluminación va a producir un cambio en los diferentes niveles de gris detectados y, por tanto, no será sencillo discriminar qué cambios se deben a movimientos y cuales se deben a otras causas. 15 A possible limitation of the method is that any variation in the scene due to movement, shadows or change in lighting will produce a change in the different levels of gray detected and, therefore, it will not be easy to discriminate which changes are due to movements and which are due to other causes.
20 Como se ha indicado, un objeto en vibración producirá alteraciones periódicas en su luminancia. Esas alteraciones periódicas se verán reflejadas en cada secuencia binarizada y podrá ser identificada sobre el ruido mediante un análisis de Fourier. Además, el hecho de contar con múltiples secuencias binarias proporciona información redundante que puede ser utilizada para reforzar la detección. La media o el producto de las transformadas obtenidas 20 As indicated, a vibrating object will periodically alter its luminance. These periodic alterations will be reflected in each binarized sequence and can be identified on the noise by means of a Fourier analysis. Additionally, having multiple binary sequences provides redundant information that can be used to enhance detection. The mean or the product of the transforms obtained
25 en cada nivel reforzará los picos de detección y cancelará el ruido de la imagen. 25 at each level will reinforce detection peaks and cancel image noise.
Ejemplo de medida en un diapasón a 440 Hz Example of measurement on a tuning fork at 440 Hz
El método explicado se ha utilizado para determinar la vibración de un diapasón de 440 Hz. The method explained has been used to determine the vibration of a 440 Hz tuning fork.
30 La cámara utilizada ha sido una Casio EXFH100 grabando a 1000 fps con una resolución de 224x64 píxeles (ancho por alto) situada a 75 cm del diapasón. En la figura 3 se muestra el diapasón, es decir, el objeto (9), sobre un fondo uniforme. Para iluminar se utiliza la luz ambiente del laboratorio y una lámpara halógena de 50 W conectada a un transformador de corriente continua para evitar las oscilaciones de luz debidas a la corriente alterna (100 Hz). 30 The camera used was a Casio EXFH100 recording at 1000 fps with a resolution of 224x64 pixels (width by height) located 75 cm from the fretboard. Figure 3 shows the tuning fork, that is, the object (9), on a uniform background. To illuminate the laboratory ambient light and a 50 W halogen lamp connected to a direct current transformer are used to avoid light oscillations due to alternating current (100 Hz).
35 La distancia entre la lámpara y el diapasón es de 50 cm con un ángulo de iluminación de 45º 35 The distance between the lamp and the tuning fork is 50 cm with an illumination angle of 45º
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
respecto al eje cámara-objeto. with respect to the camera-object axis.
Tras golpear el diapasón con un martillo de goma se filmó la escena. Los primeros tres segundos de la filmación son desechados para minimizar el efecto de la vibración de la 5 cámara producida al pulsar el disparo. Se ha tomado una secuencia de 1 segundo (1000 fotogramas) para su análisis. After hitting the tuning fork with a rubber hammer, the scene was filmed. The first three seconds of filming are discarded to minimize the effect of camera shake produced when the shot is pressed. A sequence of 1 second (1000 frames) has been taken for analysis.
De la secuencia, el estudio de la vibración se ha centrado en la parte superior de una varilla. Se ha seleccionado un rectángulo de 15 x 12 píxeles al que se ha aplicado el método From the sequence, the study of vibration has focused on the upper part of a rod. A 15 x 12 pixel rectangle has been selected to which the method has been applied
10 descrito. 10 described.
El procedimiento seguido una vez establecida la zona de interés ha sido la siguiente: se ha convertido la imagen a niveles de gris y se ha extendido el rango dinámico de la imagen mediante una la redefinición del blanco y el negro y la transformación lineal de las The procedure followed once the area of interest was established has been as follows: the image has been converted to gray levels and the dynamic range of the image has been extended by redefining black and white and linearly transforming the images.
15 luminancias (figura 4). Seguidamente se han establecido 8 niveles de umbralización, cada 32 niveles de gris, (figura 5) y se han analizado la variación del número de píxeles blancos respecto al primer fotograma. 15 luminances (figure 4). Next, 8 threshold levels have been established, every 32 gray levels, (figure 5) and the variation in the number of white pixels with respect to the first frame has been analyzed.
La variación obtenida se ha estudiado mediante el análisis de Fourier. Las transformadas The variation obtained has been studied using Fourier analysis. The transformed
20 obtenidas para cada umbralización se han multiplicado con el fin de reforzar los picos y cancelar el ruido. En la figura 6 se aprecia el producto de las transformadas de Fourier con el pico de frecuencia obtenido, con un error de ±1 Hz. Se puede apreciar claramente que el método detecta con gran precisión la frecuencia de movimiento del diapasón, proporcionando un resultado de 441 Hz. 20 obtained for each thresholding have been multiplied in order to reinforce the peaks and cancel the noise. Figure 6 shows the product of the Fourier transforms with the frequency peak obtained, with an error of ± 1 Hz. It can be clearly seen that the method detects the frequency of movement of the tuning fork with great precision, providing a result of 441 Hz.
25 25
Ejemplo de medida en un altavoz a 290 Hz Example of measurement on a speaker at 290 Hz
Siguiendo el mismo método se ha estudiado la vibración de una membrana de altavoz vibrando a 290 Hz. La distancia entre la cámara y el altavoz es de 75 cm. Para iluminar el Following the same method, the vibration of a loudspeaker membrane vibrating at 290 Hz has been studied. The distance between the chamber and the loudspeaker is 75 cm. To illuminate the
30 objeto se ha utilizado una lámpara halógena de 50 W conectada a un transformador de corriente continua. Dado que la membrana del altavoz es de color negro-mate, la luminaria se colocó a 50 cm frente al objeto, formando un ángulo de 15º respecto de la línea imaginaria que une el objeto y la cámara. 30 object has been used a 50 W halogen lamp connected to a direct current transformer. Since the loudspeaker membrane is matte-black in color, the luminaire was placed 50 cm in front of the object, forming an angle of 15º with respect to the imaginary line that joins the object and the camera.
35 Al igual que anteriormente se tomó una secuencia de varios segundos a 1000 fps y 224x64 35 As before a sequence of several seconds was taken at 1000 fps and 224x64
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
píxeles de resolución. Los primeros tres segundos fueron desechados por la oscilación de la cámara siendo analizados 1000 fotogramas. El volumen del altavoz se estableció por debajo de los 35 dB, de modo que el sonido emitido quedaba por debajo del ruido ambiente. pixel resolution. The first three seconds were discarded by camera shake with 1000 frames being analyzed. The loudspeaker volume was set below 35 dB, so that the emitted sound was below the ambient noise.
5 De la secuencia anterior se ha analizado una región de interés de alto contraste con el fin de maximizar el número de niveles y así asegurar una detección óptima. 5 A high contrast region of interest has been analyzed from the previous sequence in order to maximize the number of levels and thus ensure optimal detection.
Siguiendo exactamente el proceso descrito para el diapasón se ha obtenido la transformada de Fourier del número de píxeles en cada umbral. El producto de las ocho transformadas 10 obtenidas se muestra en la figura 7, donde se aprecia que el método proporciona resultados satisfactorios con un error de ±1 Hz Following exactly the process described for the tuning fork, the Fourier transform of the number of pixels at each threshold has been obtained. The product of the eight transforms 10 obtained is shown in figure 7, where it can be seen that the method provides satisfactory results with an error of ± 1 Hz.
El presente método puede ser implementado de distintas formas, bien en un ordenador personal, bien en un procesador destinado a tal efecto e integrado en la propia cámara. En 15 cualquier caso, el sistema comprende al menos una cámara, uno o más procesadores, una The present method can be implemented in different ways, either on a personal computer or on a processor designed for this purpose and integrated into the camera itself. In any case, the system comprises at least one camera, one or more processors, a
o más memorias y uno o más programas en el que el o los programas están almacenados en la memoria y configurados para ejecutarse mediante, al menos, el o los procesadores, incluyendo los programas instrucciones para ejecutar el método descrito. or more memories and one or more programs in which the program (s) are stored in memory and configured to be executed by, at least, the processor (s), the programs including instructions for executing the described method.
20 Finalmente, el método tiene múltiples posibles usos sin modificación de sus características esenciales como por ejemplo: 20 Finally, the method has multiple possible uses without modifying its essential characteristics, such as:
-Medida de pequeñas vibraciones en pequeños objetos. Si el objeto es de pequeño tamaño y de formas irregulares resulta difícil proyectar un patrón de 25 speckle o usar métodos de contacto. -Medida de vibraciones en estructuras civiles. Es particularmente interesante para medida de estructuras inaccesibles, o cuya cercanía implique peligro. -Interceptación de conversaciones móviles mediante lectura de vibración del terminal. 30 -Medida de variaciones periódicas en imágenes astronómicas o de satélite, tales como seguimiento de objetos, pulsaciones, variaciones en brillo/reflectividad. -Realización de mapa de vibraciones de una escena mediante una secuencia única y análisis zonal. -Medida de constantes vitales (pulso y respiración) mediante cámaras webcam. 35 -Medida de variaciones periódicas en imágenes biológicas. -Measurement of small vibrations in small objects. If the object is small in size and irregular in shape, it is difficult to project a 25 speckle pattern or use contact methods. -Measurement of vibrations in civil structures. It is particularly interesting for measuring inaccessible structures, or whose proximity implies danger. -Interception of mobile conversations by reading the vibration of the terminal. 30 -Measurement of periodic variations in astronomical or satellite images, such as object tracking, pulsations, variations in brightness / reflectivity. -Mapping of vibrations of a scene through a single sequence and zonal analysis. -Measurement of vital signs (pulse and respiration) through webcam cameras. 35 -Measurement of periodic variations in biological images.
P201300498 P201300498
12-09-2014 12-09-2014
- --
- Detección de cambios en imágenes de baja resolución, tales como resonancias, Detection of changes in low resolution images, such as resonances,
- radiografías. X-rays.
- --
- Seguimiento de variaciones periódicas ultra-lentas mediante combinación de la Monitoring of ultra-slow periodic variations by combining the
- técnica explicada y fotografía time-lapse. explained technique and time-lapse photography.
- 5 5
En general, dado que el método se basa en un análisis de imagen es posible aplicarlo a cualquier secuencia o stack de vídeo de cualquier procedencia en la que se sospeche un cambio periódico. La frecuencia límite de detección dependerá de la frecuencia de muestreo temporal, que podrá ser de pocas décimas o centésimas de Hertzio (fotografía time-lapse) o In general, since the method is based on image analysis, it can be applied to any sequence or video stack from any source where periodic change is suspected. The detection limit frequency will depend on the temporal sampling frequency, which may be a few tenths or hundredths of a Hertz (time-lapse photography) or
10 de varios cientos de Hertzios (vídeo alta velocidad). 10 of several hundred Hertz (high speed video).
Claims (1)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201300498A ES2525517B2 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Method and system for measuring vibrations |
PCT/ES2014/070415 WO2014188041A1 (en) | 2013-05-23 | 2014-05-20 | Method and system for measuring vibrations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201300498A ES2525517B2 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Method and system for measuring vibrations |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2525517A1 true ES2525517A1 (en) | 2014-12-23 |
ES2525517B2 ES2525517B2 (en) | 2015-05-22 |
Family
ID=51932998
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES201300498A Active ES2525517B2 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Method and system for measuring vibrations |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2525517B2 (en) |
WO (1) | WO2014188041A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110659583B (en) * | 2019-04-26 | 2023-11-28 | 深圳市豪视智能科技有限公司 | Signal processing method and device and related products |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005083400A1 (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-09 | Tokyo University Of Agriculture And Technology Tlo Co., Ltd. | Inspection equipment, vibratory condition display, inspection method and vibratory condition displaying method |
US7193720B2 (en) * | 2005-05-17 | 2007-03-20 | Lockheed Martin Coherent Technologies, Inc. | Optical vibration imager |
JP4844844B2 (en) * | 2005-10-27 | 2011-12-28 | 東京電力株式会社 | Vibration measurement system and computer program |
-
2013
- 2013-05-23 ES ES201300498A patent/ES2525517B2/en active Active
-
2014
- 2014-05-20 WO PCT/ES2014/070415 patent/WO2014188041A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014188041A1 (en) | 2014-11-27 |
ES2525517B2 (en) | 2015-05-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ES2884700T3 (en) | Motion blur compensation | |
Caetano et al. | A VISION SYSTEM FOR VIBRATION MONITORING OF CIVIL ENGINEERING STRUCTURES. | |
US9196067B1 (en) | Application specific tracking of projection surfaces | |
US8369579B2 (en) | Methods and apparatus for 3D surface imaging using active wave-front sampling | |
US10117576B2 (en) | System, method and computer accessible medium for determining eye motion by imaging retina and providing feedback for acquisition of signals from the retina | |
US10240971B2 (en) | Vibration visualizer, vibration measurement system, and vibration measurement method | |
US20120281087A1 (en) | Three-dimensional scanner for hand-held phones | |
CN102538679B (en) | Image correlation displacement sensor | |
CN104583713B (en) | The method that the body surface of preferably structuring is imaged and the device for imaging | |
Ferrer et al. | Vibration frequency measurement using a local multithreshold technique | |
TWI740237B (en) | Optical phase profilometry system | |
US20160119612A1 (en) | Method of and apparatus for optically determining positions and orientations of mirrors | |
TW201939445A (en) | Phase detect auto-focus three dimensional image capture system | |
GB2515178A (en) | Improvements in and relating to imaging of the eye | |
US6927864B2 (en) | Method and system for determining dimensions of optically recognizable features | |
US10574938B1 (en) | Variable frame rate depth camera assembly | |
ES2525517B2 (en) | Method and system for measuring vibrations | |
Endo et al. | Measurement of shaft orbits with photographic images and sub-sampling technique | |
US10697887B2 (en) | Optical characteristic measuring apparatus | |
TWI553291B (en) | System for measuring transparent object by fringe projection | |
JP3217243U (en) | Non-contact surface contour scanning device | |
Dupont et al. | Binary pattern codification strategies in an active stereoscopic system based on flexible image guides | |
JP2023547699A (en) | 3D scanner with sensors with overlapping fields of view | |
CN103453855A (en) | Decentration detection device and detection method | |
TW201723530A (en) | Three-dimensional profile scanning system for suppressing laser speckle noise and improving stability |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2525517 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20150522 |