DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2026.114102
تاريخ النشر: 2026-03-04
المؤلف: Sofia Baldini وآخرون
الموضوع الرئيسي: التفاعلات اللمسية والحسية
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة منهجية جديدة لقياس الاهتزازات في الهياكل المرنة باستخدام مستشعرات الرؤية العصبية، وبالتحديد كاميرات الحدث. على عكس المستشعرات التقليدية المعتمدة على الإطارات، تلتقط كاميرات الحدث التغيرات في السطوع بشكل غير متزامن، مما يسمح بدقة زمنية عالية وتقليل تكرار البيانات. طور المؤلفون إطار عمل لتتبع العلامات والتثليث ثلاثي الأبعاد من تسجيلات الأحداث، باستخدام أربع كاميرات حدث متزامنة لمراقبة شعاع متكئ مع شبكة من العلامات. تم تحفيز الشعاع عند أول ترددين رنينيين له، وتم إعادة بناء المسارات ثلاثية الأبعاد للعلامات بدقة دون بكسل. تم التحقق من النتائج مقابل قياسات مقياس الاهتزاز بالليزر، مما يؤكد دقة النهج المقترح.
كشفت التحقق التجريبي عن خطأ جذري متوسط مربع متبقي (RMS) قدره 0.17 مم لشكل الانحراف المرن الأول و0.09 مم للثاني. بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق تعديل الحزمة إلى تحسين كبير في خطأ إعادة الإسقاط RMS، مما يوضح فعالية هذا التحسين في تعزيز دقة إعادة البناء ثلاثي الأبعاد. تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما استخدمت التجارب كاميرات حدث بدقة مكانية منخفضة، يمكن أن تحسن الكاميرات ذات الدقة الأعلى النتائج بشكل أكبر. علاوة على ذلك، فإن المنهجية قادرة على التقاط الاستجابات عند ترددات أعلى، على الرغم من أن الدقة المكانية تظل عاملاً مقيدًا. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات كاميرات الحدث المدمجة مع تقنيات التصوير الفوتوغرافي كأداة قوية لقياس الاهتزازات عالية السرعة في ديناميات الهياكل والقياسات البصرية، مع الفائدة الإضافية للأدوات مفتوحة المصدر التي تعزز القابلية للتكرار والابتكار في هذا المجال.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على أهمية قياسات الاهتزاز في مجالات الهندسة المختلفة، لا سيما في مراقبة صحة الهياكل (SHM) والصيانة التنبؤية. المستشعرات التقليدية المعتمدة على الاتصال، مثل مقياس التسارع، رغم دقتها، لديها قيود تشمل الحاجة إلى التثبيت الفيزيائي، والحساسية للعوامل البيئية، والأسلاك المعقدة. في المقابل، اكتسبت التقنيات البصرية غير التلامسية زخمًا على مدار الثلاثين عامًا الماضية، حيث تقدم تصويرًا عالي الدقة دون التأثير على سلوك الهيكل، وهو ما يكون مفيدًا بشكل خاص للهياكل الخفيفة. تم تطوير طرق مختلفة للرؤية الحاسوبية، بما في ذلك تتبع النقاط ثنائية وثلاثية الأبعاد وارتباط الصور الرقمية (DIC)، لتقدير الإزاحات الهيكلية من تسلسلات الصور. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه هذه الطرق تحديات تتعلق بالتزامن والمحاذاة الهندسية في إعدادات الكاميرات المتعددة.
قدمت التطورات الحديثة تثليث المجال الترددي واستخدام الكاميرات العصبية (كاميرات الحدث) لقياس الاهتزازات البصرية عالية السرعة. توفر كاميرات الحدث، التي تكتشف التغيرات في سطوع البكسل بشكل غير متزامن، بديلاً واعدًا نظرًا لقدرتها على التقاط الاهتزازات عالية التردد مع الحد الأدنى من تكرار البيانات. تسلط الورقة الضوء على التحديات المتعلقة بتطبيق تقنيات الرؤية الحاسوبية التقليدية على بيانات كاميرات الحدث وتقترح إطار عمل جديد يدمج الاستشعار القائم على الأحداث مع التصوير الفوتوغرافي الاستريو. يهدف هذا النهج إلى إعادة بناء مجال الاهتزاز المرن لشعاع متكئ والتحقق من النتائج مقابل مقياس الاهتزاز بالليزر، مما يظهر دقة عالية وقابلية للتطبيق في تحليل الديناميات الهيكلية. توضح الورقة هيكلها، مع تفاصيل نظام القياس القائم على الأحداث، وخط أنابيب المعالجة، والنتائج التجريبية، والملاحظات الختامية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة لقياس الاهتزازات المرنة لشعاع متكئ باستخدام تقنية استشعار جديدة قائمة على الأحداث. تستخدم الدراسة أربع كاميرات حدث متزامنة لالتقاط التغيرات الديناميكية عالية التردد في أشكال انحراف الشعاع، لا سيما عند أول وثاني ترددات رنين له. يتضمن الإعداد التجريبي جهاز اهتزاز يحفز الشعاع، مع سطح محدد بشبكة من العلامات الدائرية الفضية لتسهيل الكشف القوي ضد خلفية الشعاع. تم وضع الكاميرات بشكل استراتيجي لضمان تغطية مكانية شاملة ودقة تثليث، بينما يعمل مقياس الاهتزاز بالليزر كمرجع للتحقق من القياسات.
توضح المنهجية خط أنابيب المعالجة لاستخراج بيانات الاهتزاز ثلاثية الأبعاد من المخرجات غير المتزامنة لكاميرات الحدث. يشمل ذلك استخدام أدوات مفتوحة المصدر لإدارة البيانات الخام، وإعادة بناء إطارات الشدة، وأداء معايرة الكاميرا. كما تم وصف تقنيات رئيسية لتحديد العلامات، وتتبع النقاط، والتثليث ثلاثي الأبعاد، مما يمكّن من إعادة بناء المجال الاهتزازي من وجهات نظر كاميرات متعددة. تظهر النتائج التجريبية فعالية تقنية القياس القائمة على الأحداث، حيث تم مقارنة أشكال الانحراف المعاد بناؤها بتلك التي تم الحصول عليها من مقياس الاهتزاز بالليزر لتقييم الدقة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على الإمكانيات التحولية للكاميرات العصبية، وبالتحديد كاميرات الحدث، في تطبيقات الرؤية الحاسوبية. على عكس الكاميرات التقليدية المعتمدة على الإطارات، تستخدم كاميرات الحدث بنية فريدة تسمح لكل بكسل بالعمل بشكل مستقل، مما يكتشف التغيرات في السطوع بشكل غير متزامن. تؤدي هذه التصميمات إلى مزايا مثل الاكتساب البصري فائق السرعة، وكفاءة الطاقة العالية، ونطاق ديناميكي يصل إلى 110 ديسيبل، مما يتفوق بشكل كبير على الكاميرات التقليدية (التي تكون عادة حوالي 60 ديسيبل). استخدمت الدراسة أربع كاميرات حدث DVXplorer متزامنة عبر كابل تحفيز مخصص لضمان المحاذاة الزمنية الدقيقة اللازمة لتطبيقات مثل التثليث ثلاثي الأبعاد.
توضح الورقة أيضًا تنفيذ أدوات مفتوحة المصدر لمعالجة البيانات القائمة على الأحداث، مع التأكيد على المرونة والدعم المجتمعي الذي توفره هذه الموارد. تم استخدام شبكة E2VID العصبية لإعادة بناء صور الشدة من تدفقات الأحداث الخام، وهو أمر حاسم لتتبع العلامات وتحليل الاهتزاز ثلاثي الأبعاد لاحقًا. واجهت عملية إعادة البناء تحديات بسبب الطبيعة النادرة لبيانات الأحداث، مما استلزم خوارزميات متطورة لتوليد إطارات شدة متماسكة. شملت المنهجية معايرة دقيقة للكاميرات، مما يضمن تتبعًا دقيقًا للعلامات المثبتة على شعاع متكئ أثناء تجارب الاهتزاز. أظهرت النتائج فعالية النهج القائم على الأحداث في التقاط بيانات الاهتزاز عالية الدقة مع معدلات بيانات منخفضة مقارنة بالطرق التقليدية، مما يمهد الطريق لمراقبة ديناميكية متقدمة للهياكل.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2026.114102
Publication Date: 2026-03-04
Author(s): Sofia Baldini et al.
Primary Topic: Tactile and Sensory Interactions
Overview
This paper introduces a novel methodology for measuring vibrations in flexible structures using neuromorphic vision sensors, specifically event cameras. Unlike traditional frame-based sensors, event cameras capture changes in brightness asynchronously, allowing for high temporal resolution and reduced data redundancy. The authors developed a framework for marker tracking and 3D triangulation from event recordings, utilizing four synchronized event cameras to observe a cantilever beam with a grid of markers. The beam was excited at its first two flexural resonance frequencies, and the 3D trajectories of the markers were reconstructed with subpixel accuracy. The results were validated against laser vibrometer measurements, confirming the accuracy of the proposed approach.
The experimental validation revealed a residual root mean square error (RMS) of 0.17 mm for the first flexural deflection shape and 0.09 mm for the second. Additionally, the application of bundle adjustment significantly improved the RMS reprojection error, demonstrating the effectiveness of this optimization in enhancing 3D reconstruction accuracy. The study highlights that while the experiments utilized event cameras with low spatial resolution, higher-resolution cameras could further improve results. Furthermore, the methodology is capable of capturing responses at higher frequencies, although spatial resolution remains a limiting factor. Overall, the findings underscore the potential of event cameras combined with photogrammetric techniques as a powerful tool for high-speed vibration measurement in structural dynamics and optical metrology, with the added benefit of open-source tools promoting reproducibility and innovation in the field.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the significance of vibration measurements in various engineering domains, particularly in structural health monitoring (SHM) and predictive maintenance. Traditional contact-based sensors, such as accelerometers, while accurate, have limitations including the need for physical attachment, sensitivity to environmental factors, and complex wiring. In contrast, non-contact optical techniques have gained traction over the past three decades, offering high-resolution imaging without influencing structural behavior, especially beneficial for lightweight structures. Various computer vision methods, including 2D and 3D point tracking and Digital Image Correlation (DIC), have been developed to estimate structural displacements from image sequences. However, these methods often face challenges related to synchronization and geometric alignment in multi-camera setups.
Recent advancements have introduced frequency-domain triangulation and the use of neuromorphic cameras (event cameras) for high-speed optical vibration measurement. Event cameras, which detect pixel-level brightness changes asynchronously, provide a promising alternative due to their ability to capture high-frequency vibrations with minimal data redundancy. The paper highlights the challenges of applying classical computer vision techniques to event camera data and proposes a novel framework that integrates event-based sensing with stereo photogrammetry. This approach aims to reconstruct the flexural vibration field of a cantilever beam and validate the results against a laser Doppler vibrometer, demonstrating high accuracy and applicability for structural dynamic analysis. The paper outlines its structure, detailing the event-based measurement system, processing pipeline, experimental results, and concluding remarks.
Methods
In this section, the authors detail the methods employed to measure the flexural vibrations of a cantilever beam using a novel event-based sensing technology. The study utilizes four synchronized event cameras to capture high-frequency dynamic changes in the beam’s deflection shapes, particularly at its first and second resonance frequencies. The experimental setup includes a shaker that excites the beam, with the surface marked by a grid of silver circular markers to facilitate robust detection against the beam’s background. The cameras are strategically positioned to ensure comprehensive spatial coverage and triangulation accuracy, while a scanning laser vibrometer serves as a reference for validating the measurements.
The methodology outlines the processing pipeline for extracting 3D vibration data from the asynchronous outputs of the event cameras. This includes the use of open-source tools for managing raw data, reconstructing intensity frames, and performing camera calibration. Key techniques for marker detection, point tracking, and 3D triangulation are also described, enabling the reconstruction of the vibrational field from multiple camera perspectives. The experimental results demonstrate the effectiveness of the event-based measurement technique, with the reconstructed deflection shapes being compared against those obtained from the laser vibrometer to assess accuracy.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the transformative potential of neuromorphic cameras, specifically event cameras, in computer vision applications. Unlike traditional frame-based cameras, event cameras utilize a unique architecture that allows each pixel to operate independently, detecting changes in brightness asynchronously. This design leads to advantages such as ultra-fast visual acquisition, high energy efficiency, and a dynamic range of up to 110 dB, which significantly outperforms conventional cameras (typically around 60 dB). The study employed four DVXplorer event cameras synchronized via a dedicated trigger cable to ensure precise temporal alignment necessary for applications like 3D triangulation.
The paper also details the implementation of open-source tools for processing event-based data, emphasizing the flexibility and community support these resources provide. The E2VID neural network was utilized for reconstructing intensity images from raw event streams, which is crucial for subsequent marker tracking and 3D vibration analysis. The reconstruction process faced challenges due to the sparse nature of event data, necessitating sophisticated algorithms to generate coherent intensity frames. The methodology included a thorough calibration of the cameras, ensuring accurate tracking of markers affixed to a cantilever beam during vibration experiments. The results demonstrated the effectiveness of the event-based approach in capturing high-fidelity vibration data with reduced data rates compared to traditional methods, thus paving the way for advanced dynamic structural monitoring.