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Les vibrations rendues visibles grâce au « grossissement de mouvement »

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Au Massachusetts Institute of Technology (MIT), une équipe propose une technique de surveillance des infrastructures basée sur une analyse vidéo à très haute vitesse qui permet de visualiser les infimes vibrations que peut subir un bâtiment sous l'effet du vent ou d'autres contraintes. Cette technologie serait aussi efficace que les mesures par des accéléromètres ou la vibrométrie laser.

Des chercheurs du MIT ont mis au point une technique d’analyse vidéo qui permet de rendre visibles les vibrations infimes auxquelles sont soumis les bâtiments ou d’autres installations, à l’instar de cette grue. À gauche, l’image extraite d’une vidéo classique montre l’engin en apparence immobile. À droite, la vidéo traitée par l’algorithme de séquençage du MIT révèle les vibrations que la grue subit en permanence. © Massachusetts Institute of Technology

À l'œil nu, de grands bâtiments tels qu'un pont ou un immeuble semblent immobiles, insensibles aux effets du vent ou autres facteurs externes. Ils subissent pourtant d'infimes vibrations invisibles dont l'ampleur peut témoigner d'une faiblesse structurelle. Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a inventé une technique qui permet de visualiser ces vibrations. Baptisée « motion magnification », que l'on peut traduire par « grossissement de mouvement », elle associe une caméra vidéo à haute vitesse avec une technique de vision par ordinateur qui parvient à capter ce phénomène.

À partir d'une vitesse d'affichage très élevée qui peut atteindre 20.000 images par seconde, le système est capable de séquencer les images à différentes fréquences (480, 1200, 2400 hertz...) et amplifier d'infimes mouvements de sous-pixels. Les algorithmes d'agrandissement de mouvement utilisés ici ont été mis au point en 2012 par des chercheurs du MIT qui s'en servaient initialement pour visualiser le rythme cardiaque d'une personne à partir d'une simple vidéo. Le système fonctionne de façon similaire à un égaliseur stéréo qui amplifie certaines fréquences et en occulte d'autres. Les algorithmes détectaient la fréquence des changements de couleur dans une séquence vidéo. Ils permettaient de définir une plage de fréquence et le degré d'amplification. Les scientifiques qui ont développé ces algorithmes ont travaillé avec leurs homologues afin de les adapter à la surveillance d'infrastructures.

Pour éprouver l’efficacité de leur technique, les chercheurs du MIT ont réalisé plusieurs expérimentations. L’une d’elle consistait à filmer un tuyau en PVC pendant qu’il était frappé avec un marteau. Les deux images du haut, extraites de la vidéo, montrent le tuyau dans un état « normal ». Mais les trois images suivantes révèlent la déformation structurelle qu’il subit à chaque coup de marteau. Plus la fréquence de traitement des images, exprimée en hertz (Hz), est élevée, plus le rendu visuel de la vibration est prononcé. © Massachusetts Institute of Technology

Une technologie de capteurs sans contact

Dans les expériences réalisées en laboratoire, les chercheurs ont pu détecter de très faibles vibrations dans une poutre d'acier et un tuyau en PVC sur lequel on frappait avec marteau. Comme on peut l'observer dans la vidéo publiée sur YouTube, le traitement de la vidéo par cet algorithme montre la déformation de la circonférence du tube en PVC et les ondulations de la poutre acier.

Selon le MIT, cette technique donne des résultats équivalents à des mesures effectuées avec des accéléromètres et la vibrométrie laser qui sont les méthodes couramment employées pour surveiller les infrastructures. Or, ces deux techniques sont onéreuses et ne produisent des relevés que sur un point précis de la structure. Les chercheurs argumentent que leur procédé vidéo fournirait une alternative moins invasive et plus abordable tout en permettant de surveiller l'intégralité d'un bâtiment.

« Cela pourrait offrir une technologie de capteurs sans contact utilisable pour des applications économiques et rapides », estime l'un des membres de l'équipe qui pense que le système serait en particulier utile à la surveillance de ponts et de pipelines pour mesurer leur résistance aux vents et aux secousses sismiques. Ces travaux de recherche vont être complétés par une série de tests en conditions réelles sur différents bâtiments du MIT et dans la ville de Boston, aux États-Unis.

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