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基于导数除法的振动视频相位运动估计技术

摘要

相位运动估计技术是一种高性能的视频振动参数测量方法，因其抗噪声性能好、

流程简便、测量系统易搭建等多种优势而受到学者的广泛关注，并被广泛应用于桥梁

检测、管道检测、风机叶片检测等领域。但现有相位运动估计技术采用复杂计算获取

视频帧相位，造成相位解包裹且引入相位噪声，这对算法的运行效率带来了较大挑战。

因此，如何解决算法运行低效问题对该领域具有重要的研究价值。

本课题“基于导数除法的振动视频相位运动估计技术”将导数和除法算子引入算

法结构，研究一种算法结构紧凑、运行高效、高精度恢复的视频相位运动估计技术；

在提高相位运动估计测量准确性的同时极大减小运算负担，为高精度、高效率、简单

易行的振动视频测量技术研究奠定坚实的理论和技术基础。

本文的研究内容可以概括如下：

（1）针对相位运动估计中相位解包裹步骤耗时且引入误差的问题，提出基于时向

除法相位运动估计算法。以除法的形式处理相邻帧之间的相位特征，达到消除相位之

间不连续性的目的，最后再将除法处理后的一系列相位变化转化为振动信号。本算法

将有效避免了相位解包裹带来的影响，规避了对静态相位噪声取正切算子。

（2）针对传统相位运动估计中相位构建步骤冗余的问题，提出了基于导数增强的

相位运动估计算法。创新性地引入导数算子作为相位复数合成的关键环节，将原始灰

度图像作为复数的实部，导数运算后的结果作为复数的虚部，实施复数结合进而得到

所需的解析信号。极大简化了相位恢复过程，可以在保证高精度测量的同时，显著提

升运算速率，方便实际应用中的实时性处理。

（3）针对当前研究没有高效合理的实时测量系统的问题，提出一种基于导数除法

的高速相位运动估计系统，将除法与导数结合到同一算法中，一方面解决后端相位解

包裹问题，另一方面解决前端相位构建冗余问题。利用嵌入式开发板平台，集成化算

法，使得算法能够搭建为一个便携式平台，对实际物体进行测量。

关键词：视觉测振；运动估计；相位变化；导数增强；时向除法

基于导数除法的振动视频相位运动估计技术

Abstract

Phase-basedmotionestimationtechnologyisahigh-performancevideovibration

parametermeasurementmethod,whichhasattractedwidespreadattentionfromscholarsdueto

itsadvantagessuchasgoodnoiseresistance,simpleprocess,andeasyconstructionof

measurementsystems.Ithasbeenwidelyappliedinfieldssuchasbridgedetection,pipeline

detection,andfanbladedetection.However,existingphasemotionestimationtechniquesuse

complexcalculationstoobtainthephaseofvideoframes,resultinginphaseunwrappingand

introducingphasenoise,whichposessignificantchallengestotheefficiencyofthealgorithm.

Therefore,howtosolvetheproblemofinefficiencyhasimportantresearchvalueinthisfield.

ThisprojectPhase-basedMotionEstimationTechnologyforVibrationVideosbasedon

DerivativeandDivisionintroducesderivativeanddivisionop