Несмотря на то, что нам кажется, что такие большие структуры, как мосты и здания, остаются абсолютно неподвижными во время любых природных условий, таких как, например, дождь и ветер, правда заключается в том, что все эти конструкции постоянно испытывают очень легкие вибрации. Эти вибрации настолько малы, что обнаружить их невооруженным глазом невозможно. Однако именно такие вибрации рано или поздно могут стать индикатором нестабильности и конструктивного повреждения объектов.

Проблема заключается в том, что современные методы обнаружения этих вибраций очень непрактичны и весьма затратные. Однако новая технология, разрабатываемая учеными из Массачусетского технологического института, призвана упростить метод обнаружения этих важных сигналов за счет использования высокоскоростных камер и метода машинного зрения.

Современные методики мониторинга стабильности больших сооружений включает установку и использование многочисленных и дорогостоящих акселерометров, а также лазерных лучей или акустических волн, благодаря которым высчитывают скорость движения объекта. И хотя данные методы являются достаточно точными, для того чтобы вовремя принять нужные меры, они весьма дороги и трудоемки, а также позволяют за один подход производить расчеты только с одной определенной точкой структуры объекта.

Метод, предложенный исследователями Массачусетского технологического института, в свою очередь, требует использования всего одной высокоскоростной камеры, способной зафиксировать едва заметные колебания всей структуры, и при этом не требуя никаких физических контактов со строением.

Простое наблюдение с помощью высокоскоростных камер вряд ли позволит заметить такие едва уловимые вибрации, однако дальнейший анализ видеозаписи с помощью специального метода машинного зрения, получившего название «анализ динамики движения» позволяет усилить уровень определенных частот и отобразить колебания более выраженно. Технология, которую инженеры MIT создали еще в 2012 году, работает по методу фильтрации фаз и амплитуд видеоизображения и их дальнейшей рекомбинации таким образом, при котором определенные частоты усиливаются и делают малозаметные колебания более заметными.

Для испытания нового метода мониторинга команда исследователей использовала высокоскоростную камеру Phantom v10, которая записывала со скоростью 20 тысяч кадров в секунду колебания поливинилхлоридной трубки, один конец которой подвергался ударам. Для частоты эксперимента наблюдение за трубкой велось также с помощью лазерных лучей и акселерометров.

При обычном просмотре записанного видео колебаний трубки замечено не было. Однако после того, как видео пропустили через специальное компьютерное программное обеспечение, на полученных кадрах ясно и четко фиксировались колебания, которые заставляли трубку изменять свою форму. Эти данные были сверены с информацией, полученной благодаря более традиционным методам мониторинга колебаний, и в результате стало ясно, что они не отличаются.

Учитывая положительный опыт эксперимента, команда исследователей считает, что предложенный ими метод наблюдения колебаний может оказаться очень полезным при мониторинге целостности мостов и зданий, а также при наблюдении за целостностью трубопроводов, где дефекты структуры могут отличаться в зависимости от того, какое именно колебание эти структуры испытывают. Кроме того, специалисты отмечают, что успешность такого метода мониторинга по-прежнему сохраняется даже при использовании менее продвинутых камер, так как специфика технологии предполагает дальнейший анализ данных с помощью специального ПО.

«Эта бесконтактная сенсорная технология очень выгодна с экономической и трудозатратной точек зрения», — говорит профессор Массачусетского технологического института Орал Бойкозчерк.

«В зависимости от поставленной задачи, для создания нужного видеоизображения можно даже использовать камеры телефонов, а при обнаружении чего-то подозрительного применить уже более высокоскоростные камеры. Здесь возможны разные уровни инспекции: необязательно сразу использовать самое высокотехнологичное оборудование».

Magnifying motion

MIT researchers have now developed a technique to «see» vibrations that would otherwise be invisible to the naked eye, combining high-speed video with computer vision techniques. (Learn more about the technique: http://bit.ly/1K8t4en)

Video produced and edited: Melanie Gonick/MIT
Crane footage: Wadhwa, Rubinstein, Durand, and Freeman
Pipe and column footage: Justin Chen

Music sampled from «Zero» by Steve Combs
http://freemusicarchive.org/music/Steve_Combs/Steve_Combs_1437/20_Zero
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/