Регистрация колебаний зданий и мостов на видео с помощью алгоритмов

Ранее было продемонстрировано, что с помощью обработки результатов записи видеороликов можно усилить микродвижения и, к примеру, восстановить пульс человека ^[1], даже если он носит маску ^[2], или даже воссоздать звук по крошечным вибрациям предметов на записи ^[3]. Новая техника предлагает удешевить мониторинг колебаний от ветра больших и жёстких структур — зданий, мостов, трубопроводов — до такой степени, чтобы это стало повседневностью.

Внешне неподвижные здания всегда испытывают крошечные, невидимые невооружённому глазу вибрации. Чтобы их засечь, инженеры обычно используют акселерометры — приборы для определения ускорения, что позволяет вычислить скорость и движение. Это точные, но дорогие датчики, и каждый может фиксировать данные только об одной точке. На практике это может означать, что в здании нужно разместить множество акселерометров стоимостью более тысячи долларов каждый — долгий и затратный процесс. И даже с большим количеством таких приборов точность измерений не всегда достигает нужных значений, поскольку они могут влиять на структуру собственным весом. Альтернативой являются лазерные виброметры, процесс измерения с которыми является бесконтактным. Структура размещается в направлении лазерного луча и подвергается воздействию акустической волны, отражённые данные света обрабатываются цифровой составляющей прибора. Этот метод точен, но тоже требует много времени и за один раз может обрабатывать данные только в одной точке.

^[4]
Нил Вадхва, Джастин Чен, профессор гражданского и экологического строительства Орал Буюкозтюрк, профессора CSAIL ^[5] Фредо Дюранд и Билл Фриман, Jose-Luis Olivares/MIT

Предложенная исследователем Массачусетского технологического института Оралом Буюкозтюрком альтернативная техника может обрабатывать данные по всей структуре и предполагает ^[6] наличие лишь специальной высокоскоростной камеры. Для проверки своей теории исследователь сначала работал с Дюрандом и Фриманом, которые в 2012 году продемонстрировали возможность эффективного восстановления некоторых частот в кадрах видеозаписи, что позволяло получать, к примеру, пульс человека из съёмки участка его кожи. Так был создан код для устройства мониторинга, которое выделяет на видеозаписи определённую частоту и на основе амплитуды и фазовых сигналов формирует видеоролик, на котором микродвижения становятся очевидными человеческому глазу.

^[7]

Эксперимент выполнялся на высокоскоростной камере Phantom v10 ^[8]. Как гасятся её собственные вибрации, не сообщается. Исследователи выполнили проверку с традиционными методами измерения колебаний — акселерометрами и лазерными виброметрами. Сначала был проведён опыт с консольной балкой и трубкой из ПВХ, эти предметы ударяли молотком, затем записанные данные сравнивали. Относительно обычных приборов измерения техника увеличения движения на видеозаписи показала себя хорошо. До обработки трубка и балка на видео казались неподвижными, но после применения алгоритмов проявлялось целое множество различных деформаций.

^[9]

Исследователи считают, что эта техника может быть использована для удалённого мониторинга зданий и мостов, особенно важной она может быть в проверке трубопроводов, где из-за симметричности окружности дефекты могут проявляться на вибрациях всей структуры. Группа планирует провести мониторинг одного из зданий института (здание 54 или «Зелёное здание»), моста имени Леонарда Закима, а также самых высоких зданий Бостона — Башни Джона Хэнкока и небоскрёба Prudential Tower. Выделение у каждой из этих структур вибрации не означает, что она может разрушиться, у каждого строения есть так называемая собственная частота. Её определение может позволить лучше понимать, как здание будет отвечать на такие внешние воздействия, как ветер или землетрясения.

^[10]
Исследователи Джастин Чен и Нил Вадхва направили камеру на «Зелёное здание» МТИ, Jose-Luis Olivares/MIT

Команда заявляет, что за последние 30—40 лет специалисты наблюдали за строениями, но комплексной системы мониторинга различных структур так и не было создано. Своей задачей исследователи считают несколько шагов в этом направлении.

Статья в Journal of Sound and Vibration ^[11]

Автор: FakeFactFelis

Источник ^[12]