Оцифровка колебания индикатора прибора ГНУ-КВ. Использование алгоритма распознавания видео

Аннотация

Для более точного изучения низкочастотных колебаний грунтов с помощью гравиметра ГНУ-КВ проведена доработка прибора, заменен обычный окуляр на электронный окуляр – видеокамеру. Это позволяет цифровизировать показания прибора и получить более точные данные для последующего математического анализа. Таким образом, доработка прибора с помощью видеокамеры позволяет улучшить качество и количество изучаемых низкочастотных колебаний грунтов.

Преобразование колебаний индикатора гравиметра ГНУ-КВ в видео включает в себя высокочастотную съёмку изображения индикатора с частотой 18гц и перенос этого изображения в видеоформат. Частота съемки заведомо выше частот рабочих колебаний индикатора. Эти измерения передаются на ПК с помощью перехватчика данных в цифровом формате и могут быть использованы для дальнейшего анализа. Процесс преобразования видео в цифровой вид подразумевает использование алгоритма, позволяющего отследить и анализировать изменения в изображении индикатора на каждом кадре.

Анализ движения индикатора является процессом, в котором на основе изображения видеокадра определяется точное местонахождение и направление движения индикатора. Более точные движения индикатора могут определяются с помощью таких технологий и автоматических алгоритмов:

• цветовое усреднение,
• динамическая контрастность изображения,
• сглаживание шумов,
• нахождение центра индикатора,
• определение направления движения индикатора.

После этого данные анализируются, в результате создаётся цифровая карта колебаний индикатора, позволяющая идентифицировать различные частоты, амплитуды, а также интенсивность колебаний индикатора.

Данная техника базируется на нескольких методах анализа для обработки и определения формы колебания индикатора. Основные методы состоят в анализе движения потока, анализе временного ряда, анализе спектра и анализе визуальной последовательности.

Полученная информация используется для создания моделей и для измерения физических величин.

Для создания модели колебаний используется цифровое разложение Фурье. В результате частотного анализа выявляется набор функций – называемых простыми гармониками. Эти функции имеют в виду, что сигнал может быть разложен на отдельные части, каждая из которых представляет собой синусоиду с фиксированной частотой. Исходя из этого, сигнал преобразуется в сумму синусоидальных компонентов.

Ключевые слова

Гравиметр, индикатор, видео, цифровизация, разложение Фурье, редукция, автономность.

Источники финансирования

На данном этапе финансирование отсутствует.

Теория

Преобразование в цифровой вид можно описать в виде процессов:

1. Процесс передачи/получения исходных данных (получение видео потока на ПК по средствам цифрового канала)
2. Процесс декомпрессии (получение покадровых данных, привязка полученных данных к шкале времени)
3. Процесс улучшения качества данных
4. Процесс декодирования – преобразования в цифровой вид

Задачи фундаментальных исследований:

1. Преобразование исходных данных в доступный для дальнейшей обработки и накопления вид.
2. Устранение шумов в исходных данных

Прикладные задачи:

1. Улучшение эксплуатационных характеристик гравиметра
2. Уменьшение человеческого фактора при использовании гравиметра

Полевые исследования:

1. Определение стабильности работы гравиметра при стандартных условиях эксплуатации.
2. Определение качества работы алгоритмов устранения шумов.
3. Определение качества цифровизации
4. Определение пригодности данных к дальнейшем исследованиям.

Достоинства и преимущества:

1. Дешевизна использования данной технологии.
2. Автономность.
3. Удобство, сокращение затрат времени на исследования.

• Проведение видеозаписи колебаний индикатора прибора ГНУ-КВ с помощи видеокамеры.
• Оцифровка колебания индикатора прибора ГНУ-КВ. Используется алгоритм распознавания видео. (рис. 2)
• Нормализация сигнала с помощью фильтрации шума и приведение к единой шкале. Редукция шумов и высокочастотной составляющей.
• Спектральный анализ временного ряда колебаний в прикладном ПО «Матлаб». (рис. 1)
• Определение особенностей спектра однородных блоков, зон дробления и поглощения.
• Определение мест нарушения стационарности спектра отдельных блоков для определения вертикально-плотностных контактов.

Рисунок 1. Шаги преобразования кадра исходных данных (кадр положения индикатора из видео) в цифровой вид. С каждым шагом происходит улучшение качества данных и пригодность для дальнейшей обработки, а именно методы сглаживания, шумоснижения, фильтрации и другие методы статистической обработки данных, в итоге определяется точное положение индикатора для каждого кадра.

Рисунок 2. Полученные оцифрованные данные

Выводы

• Цифровизация показаний гравиметра уменьшает трудозатраты на снятие показаний.
• Разрешение видео и частота съемки достаточна для точного определения показаний без потери информации.
• При цифровизации улучшается качество и точность показаний прибора.
• Данные пригодны для разложения Фурье и дальнейших исследований.