从肉眼看来，建筑物和桥梁似乎固定不动，不受风雨等力量影响。但事实上，这些大型结构确实会发生微乎其微、难以察觉的振动；根据其频率，这些振动可能表明存在不稳定性或结构损伤。
麻省理工学院（MIT）的研究人员现已开发出一种技术，结合高速视频与计算机视觉技术，让人们能够“看见”肉眼原本无法察觉的振动。
通常，高速视频无法捕捉建筑物如此细微的振动。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，将高速视频帧分解为特定频率，实质上夸大微小的亚像素运动。
在实验室实验中，研究人员成功检测到钢梁和PVC管中的微小振动。该技术测得的振动与加速度计和激光测振仪测得的结果相符；后两者是基础设施监测中常用的精密但昂贵的技术。
麻省理工学院土木与环境工程教授Oral Buyukozturk表示，运动放大为现有监测技术提供了一种更快捷、更便宜且无创的替代方案。
Buyukozturk说：“这可以成为一种非接触式传感技术，用于经济、快速的应用。根据你的目标，也许可以用手机摄像头进行筛查；如果发现异常，再用高性能摄像机对其进行重点检查。检查有不同层级，你不必总是从最高质量的摄像机开始。”
Buyukozturk与第一作者、研究生Justin Chen共同撰写了一篇论文，该论文发表于 《声学与振动杂志》。 论文的其他合著者包括研究生Neal Wadhwa和博士后Young-Jin Cha，以及计算机科学与工程学教授Fredo Durand和William Freeman。
了解麻省理工学院研究人员如何结合高速视频与计算机视觉技术，“看见”肉眼原本无法察觉的振动。
视频由Melanie Gonick/MIT制作并剪辑（另有部分镜头由研究人员提供）
放大脉冲
如今，工程师通常使用多个加速度计监测基础设施。加速度计是测量加速度的传感器，加速度可用于计算速度，进而计算运动。加速度计非常精确，但价格昂贵，每个成本超过1,000美元，而且单个加速度计只能测量结构上的一个点。Buyukozturk指出，即使使用一组传感器，加速度计“也无法实现高密度的空间测量”。此外，由于加速度计安装在所监测的结构上，它们可能会影响结构的整体运动，尤其是在结构相对较轻时。
作为替代方案，激光测振是一种非接触式技术，它用激光束和声波照射结构，再将其速度转换为数据，以计算结构的位移或运动。这种方法也极为精确，但和加速度计一样，激光测振耗时较长，每次只能测量一个点。
研究人员则推测，高速摄像机或许能够快速、轻松地追踪整个结构的振动，而且无需与结构发生物理接触。
为了验证这一理论，Buyukozturk与运动放大算法的最初开发者Durand和Freeman合作。2012年，两人 展示了相关软件 ，该软件能够有效增强视频帧中的特定频率，从而让人们“看见”微小运动，例如人的脉搏或振动的小提琴弦。
Durand和Freeman与Buyukozturk、Chen、Wadhwa和Cha合作，调整代码以用于基础设施监测。代码实质上会将视频图像滤分为振幅和相位信号，再将两者结合，重建视频图像，并在特定频率下放大某些物体的表观运动。
确定基频
研究团队使用Phantom v10高速摄像机开展了实验。他们设计了一项实验，将这种技术与标准加速度计和激光测振仪进行比较。研究人员分别使用这些技术测量悬臂梁和PVC管在受到锤击后的振动。
运动放大技术随后得出的测量结果与其他传感器的结果吻合良好。研究人员发现，如果不运行这些算法，高速视频中梁和管看起来都静止不动。然而，对视频数据运行算法后，他们观察到两种结构在振动时都出现了一系列形状变形。例如，梁看起来会来回摇摆，而管子的横截面则会从圆形变成椭圆形，再变回圆形。
Buyukozturk表示，这项技术可能适用于远程监测建筑物和桥梁，也可能特别适合检查管道；管道的横截面天然呈对称形状。如果一侧存在缺陷，其振动方式可能会与完好管道不同。由此产生的振动就可能成为潜在损伤的信号。
研究团队计划对麻省理工学院的Green Building（54号楼）以及波士顿的John Hancock Tower、Prudential Tower和Zakim Bridge开展视频监测实验。Buyukozturk指出，在建筑物或桥梁中检测到振动，并不一定意味着存在问题；每种结构都有其振动的“基频”。他说，了解这一频率或许能让工程师判断结构可能如何响应风力乃至地震等作用力。
Buyukozturk说：“过去30到40年来，人们一直在研究结构监测，但我们仍然没有一个可随时用于结构监测的集成系统，比如监测桥梁或管道系统。我们的目标是通过新的创新方法，在朝这个方向前进的过程中取得若干进展。”
这项研究部分由荷兰皇家壳牌公司和麻省理工学院能源计划资助。
本文由 麻省理工学院新闻办公室 合作发布。文章的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
关注论坛：议程 订阅我们的每周简报。
作者：Jennifer Chu是麻省理工学院新闻办公室的特约撰稿人。
图片：建筑师Oscar Niemeyer设计的普拉纳尔托宫。路透社/Ueslei Marcelino。
