CN107462741B - 一种运动物体速度及加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动物体速度及加速度测量装置，属于速度测量领域。所述装置包括：沿运动物体轨道间隔布置在运动物体轨道两侧的多台高速摄像机，沿运动物体轨道间隔布置在运动物体轨道旁的多个固定标识，设置在运动物体的表面的运动标识；同步控制模块，用于控制所述多台高速摄像机进行同步画面拍摄，获得多路视频图像，所述多台高速摄像机以相同的拍摄参数进行拍摄；数据采集模块，用于同步采集所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像；数据处理模块，用于根据所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像中运动标识在不同时刻和各个固定标识之间的距离，计算所述运动物体的速度及加速度，并生成所述运动物体的速度及加速度曲线。

Description

一种运动物体速度及加速度测量装置

技术领域

本发明涉及速度测量领域，特别涉及一种运动物体速度及加速度测量装置。

背景技术

现有技术中，高速运动物体的速度及加速度测量方法有静态磁栅检测、惯性测量、多普勒雷达检测和多普勒激光检测等。

其中，静态磁栅检测通过安装静磁栅尺和静磁栅源的方式实现，静磁栅尺安装在高速运动物体上，多个静磁栅源沿运动物体轨道的轴线方向一字排列且固定安装，高速运动物体运动时，由静磁栅尺输出位移信号，通过该位移信号解算出高速运动物体的速度和加速度。惯性测量通过在高速运动物体上安装惯性测量装置，通过惯性测量装置完成高速运动物体的加速度信息采集和速度信息解算。多普勒雷达检测通过在高速运动物体上安装多普勒雷达，始终向轨面发射电磁波，由于高速运动物体和轨面之间有相对运动，在发射波和反射波之间产生频移，通过测量频移解算出高速运动物体的速度和加速度。多普勒激光检测通过激光束照射高速运动物体，检测并记录反射、透射、散射的光与参考光调频后的信号，从而获得高速运动物体的速度和加速度。

在上述四种高速运动物体速度及加速度测量方法中，前三种高速运动物体速度及加速度测量方法均属于接触式测量，需要运动物体提供检测仪器的安装空间；最后一种多普勒激光检测方法虽然属于非接触式测量方法，但是要求被测运动物体本身具有形状规则的激光反射面，否则需要在被测运动物体上安装反光板，速度及加速度测量精度受被测运动物体形状和材质的影响。

发明内容

为了解决现有技术中静态磁栅检测、惯性测量、多普勒雷达检测方法均属于接触式测量，需要运动物体提供检测仪器的安装空间；多普勒激光检测方法虽然属于非接触式测量方法，但是要求被测运动物体本身具有形状规则的激光反射面，否则需要在被测运动物体上安装反光板，速度及加速度测量精度受被测运动物体形状和材质的影响的问题，本发明实施例提供了一种运动物体速度及加速度测量装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种运动物体速度及加速度测量装置，所述装置包括：

沿运动物体轨道长度方向间隔布置在运动物体轨道侧边的多台高速摄像机，沿所述运动物体轨道长度方向间隔布置在运动物体轨道上的多个固定标识，设置在运动物体的表面的运动标识，所述运动物体沿所述运动物体轨道长度方向在所述运动物体轨道上运动；

所述多台高速摄像机，用于拍摄所述运动物体轨道以及在所述运动物体轨道上运动的所述运动物体，且所述多台高速摄像机拍摄的范围覆盖整个所述运动物体轨道；

同步控制模块，用于控制所述多台高速摄像机进行同步画面拍摄，获得多路视频图像，所述多台高速摄像机以相同的拍摄参数进行拍摄；

数据采集模块，用于同步采集所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像；

数据处理模块，用于根据所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像中运动标识在不同时刻和各个固定标识之间的距离，计算所述运动物体的速度及加速度，并生成所述运动物体的速度及加速度曲线。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述数据处理模块，用于确定所述多台高速摄像机拍摄的视频图像中第N帧图像和第N+M帧图像中运动标识相对固定标识的位置变化量d，N和M均为正整数；根据所述高速摄像机的拍摄速度f及第N帧图像和第N+M帧图像之间的帧数差M，确定第N帧图像和第N+M帧图像之间的时间差t，t＝M/f；根据所述位置变化量d和所述时间差t确定所述运动物体的瞬时速度；按照上述方式逐帧计算所述运动物体的瞬时速度；将所述运动物体各瞬时速度拟合成所述运动物体的速度曲线；根据所述运动物体的速度曲线计算出所述运动物体的加速度，并拟合出成所述运动物体的加速度曲线。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述数据采集模块包括多个数据采集单元，所述多个数据采集单元与所述多台高速摄像机一一对应设置；

所述同步控制模块，用于控制所述多个数据采集单元同时进行图像采集。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述数据处理模块，还用于在计算所述运动物体的速度及加速度之前，对所述多台高速摄像机拍摄的视频图像进行预处理。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述装置还包括显示模块，所述显示模块用于显示所述运动物体的速度及加速度曲线。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述装置还包括参数调节模块，用于获取用户输入的参数设置指令，根据所述用户输入的参数设置指令对所述多台高速摄像机进行参数设置。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述装置还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述多台高速摄像机拍摄的视频图像。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述装置还包括第一光电转换模块、第二光电转换模块和光纤，所述第一光电转换模块用于将所述多台高速摄像机拍摄的视频图像转换为光信号，并输入到光纤；所述第二光电转换模块接收所述光纤传输的光信号，并转换为电信号，然后输出给所述存储模块。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述多台高速摄像机分为多组，每组包括2台高速摄像机，每组中的2台高速摄像机对称布置在所述运动物体轨道的两侧。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述多台高速摄像机供电。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在运动物体轨道两侧的间隔布置多台高速摄像机，同时通过同步控制模块控制所述多台高速摄像机进行同步画面拍摄，获得多路视频图像，由于多台高速摄像机以相同的拍摄参数进行拍摄，从而能够保证多台高速摄像机拍摄的视频图像是同时拍摄的，从而能够结合这多台高速摄像机拍摄的视频图像分析运动物体的速度和加速度，而由于本装置还包括设置在轨道旁的多个固定标识，以及设置在运动物体上的运动标识，使得进行运动物体的速度和加速度分析时，可以结合这些标识，准确性更好；该测量方法只需要在运动物体上设置运动标识，不属于接触式测量，无需运动物体提供检测仪器的安装空间；同时，由于分析运动物体的速度和加速度时，采用的是运动物体上的运动标识，无需运动物体具有反光性，使得速度及加速度测量精度不受被测运动物体形状和材质的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种运动物体速度及加速度测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的高速摄像机布置示意图；

图3是本发明实施例提供的该装置的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种运动物体速度及加速度测量装置的结构示意图，参见图1，该装置包括：多台高速摄像机100、同步控制模块101、数据采集模块102和数据处理模块103。

图2是本发明实施例提供的高速摄像机布置示意图，参见图2，多台高速摄像机100沿运动物体轨道200长度方向间隔布置在运动物体轨道200侧边，沿运动物体轨道200长度方向在运动物体轨道200上间隔布置有多个固定标识201，在运动物体300表面上设置有运动标识，运动物体300沿运动物体轨道200长度方向在运动物体轨道200上运动。

其中，多台高速摄像机100，用于拍摄所述运动物体轨道200以及在所述运动物体轨道200上运动的所述运动物体300，且所述多台高速摄像机100拍摄的范围覆盖整个所述运动物体轨道200；同步控制模块101，用于控制所述多台高速摄像机100进行同步画面拍摄，获得多路视频图像；数据采集模块102，用于同步采集所述多台高速摄像机100拍摄的多路视频图像；数据处理模块103，用于根据所述多台高速摄像机100拍摄的多路视频图像中运动标识在不同时刻和各个固定标识201之间的距离，计算所述运动物体300的速度及加速度，并生成所述运动物体300的速度及加速度曲线。

其中，高速摄像机就是能够以很高的频率拍摄，一般可以达到每秒1000～10000帧的速度。多台高速摄像机100进行同步画面拍摄是指，多台高速摄像机100开始拍摄的时间相同，且多台高速摄像机100的视频图像中相同序号的帧拍摄的时间相同，例如多台高速摄像机100拍摄的第n帧画面的时间相同，多台高速摄像机100拍摄的第n+1帧画面的时间相同，n为正整数。

需要说明的是，该装置采用高速摄像机搭配固定标识和运动标识，能够对高速运动物体的速度和加速度进行测量。

其中，运动物体轨道200为试验场地运动物体划定的直线运动区域。在运动物体轨道200上粘贴若干固定标识201，如图2所示，运动物体轨道200上沿着运动物体轨道200的轴线布置有两列固定标识201，每列固定标识201包括多个，每列固定标识201类似于标尺。在运动物体的表面粘贴可识别的符号作为运动标识，固定标识和运动标识采用的图案不同，从而便于在数据处理时进行区分。

在本发明实施例中，高速摄像机的数量可以为4-8台，数量太多会使成本过高，数量太少会影响测试精度，而具体数量则可以根据测量精度的需求进行选择。例如，测量精度要求为0.01米，当选用2000×1000像素以上的高速摄像机时，需要保证每台高速摄像机视场20米，根据轨道的长度和这里的高速摄像机视场即可确定出高速摄像机的数量，例如轨道的长度70米，则可以轨道的每侧设置4台，共8台。

例如图2所示，在运动物体轨道两侧布置有C1-C8 8台高速摄像机。每台高速摄像机引出的两条斜线表示其视角范围(这8台高速摄像机的视角范围覆盖运动物体轨道200)，该视角范围和NS连线的形成的线段为高速摄像机的视场。

在运动物体轨道两侧的间隔布置多台高速摄像机，同时通过同步控制模块控制所述多台高速摄像机进行同步画面拍摄，获得多路视频图像，获得多路视频图像，从而能够结合这多台高速摄像机拍摄的视频图像分析运动物体的速度和加速度，而由于本装置还包括设置在轨道旁的多个固定标识，以及设置在运动物体上的运动标识，使得进行运动物体的速度和加速度分析时，可以结合这些标识，准确性更好；该测量方法只需要在运动物体上设置运动标识，不属于接触式测量，无需运动物体提供检测仪器的安装空间；同时，由于分析运动物体的速度和加速度时，采用的是运动物体上的运动标识，无需运动物体具有反光性，使得速度及加速度测量精度不受被测运动物体形状和材质的影响，对运动物体形状和体积无特殊要求。

另外，在本发明实施例中，高速摄像机对称布置在运动物体轨道的两侧，两侧布置相比一侧布置精度更高，因为，两侧布置高速摄像机时，运动物体在经过某一区域时，同时有两台高速摄像机进行拍摄记录，能更准确记录运动物体在该区域的运动图像。

为了保证多台高速摄像机100进行同步画面拍摄，除了通过同步控制模块101控制多台高速摄像机100同时开始拍摄外，还需要保证多台高速摄像机100以相同的拍摄参数进行拍摄，例如采集频率，曝光时间等参数等等。

在一种实现方式中，在拍摄开始前，通过手动调节这多台高速摄像机的参数，使得这多台高速摄像机100能够进行同步拍摄，并且拍摄出的画面的尺寸、质量均相同，从而也能够便于后续图像处理。

在另一种实现方式中，在拍摄开始前，高速摄像机参数初步设置可在高速摄像机本体面板上操作；在拍摄过程中，根据试验需求，高速摄像机参数设置应可在控制室内远程操作，该远程操作通过参数调节模块执行。

为了方便进行多台高速摄像机的参数调节，该装置还可以包括参数调节模块，该模块用于获取用户输入的参数设置指令，然后根据用户输入的参数设置指令对所述多台高速摄像机进行参数设置，使得多台高速摄像机的参数一致。具体地，该参数调节模块可以提供一人机交互界面，使得用户可以通过该人机交互界面输入参数设置指令，从而对高速摄像机的参数进行设置。具体地，试验中，用户在控制室操作面板的人机交互界面上输入参数设置信息，参数调节模块接收到参数设置信息后通过光/电缆传输给对应的高速摄像机，从而完成参数设置。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述数据处理模块103，用于确定所述多台高速摄像机100拍摄的视频图像中第N帧图像和第N+M帧图像中运动标识相对固定标识201的位置变化量d，N和M均为正整数；根据所述高速摄像机100的拍摄速度f及第N帧图像和第N+M帧图像之间的帧数差M，确定第N帧图像和第N+M帧图像之间的时间差t，t＝M/f；根据所述位置变化量d和所述时间差t确定所述运动物体300的瞬时速度；按照上述方式逐帧计算所述运动物体300的瞬时速度；将所述运动物体300各瞬时速度拟合成所述运动物体300的速度曲线；根据所述运动物体300的速度曲线计算出所述运动物体300的加速度，并拟合出成所述运动物体300的加速度曲线。其中，位置变化量d、时间差t、拍摄速度f等均为正数。

具体地，数据处理模块103通过速度曲线微分计算得到运动物体300的加速度曲线。

具体地，运动标识相对固定标识201的位置变化量d，是指运动标识相对同一个固定标识201的位置变化量。例如，运动标识在视频图像的第一帧和第二帧中相对第一个固定标识201的位置变化量d。

在本发明实施例的一种实现方式中，数据处理模块103根据多路视频图像的第一帧和第二帧画面确定出运动标识相对第一个固定标识201在图像中的位置变化D后，根据拍摄参数(如高速摄像机的视场以及拍摄的视频图像的分辨率等)和位置变化D计算出位置变化量d。例如，高速摄像机视场20米，当选用2000×1000像素以上的高速摄像机，一个像素约对应0.01米，而多路视频图像的第一帧和第二帧画面确定出运动标识相对第一个固定标识201在图像中的位置变化D为200个像素，则实际中运动标识的位置变化量d为2米。

在本发明实施例的另一种实现方式中，数据处理模块103还可以根据多路视频图像的第一帧和第二帧画面确定出运动标识相对第一个固定标识201在图像中的位置变化D，然后根据画面中第一个固定标识和第二个固定标识的距离以及第一个固定标识和第二个固定标识实际距离，确定出位置变化量d。其中，画面中第一个固定标识和第二个固定标识的距离与第一个固定标识和第二个固定标识实际距离的比值，等于位置变化D和位置变化量d的比值。

具体地，在确定运动标识相对第一个固定标识201在图像中的位置变化D时，数据处理模块103先在图像中识别出固定标识201和运动标识，具体识别过程可以通过对象提取、分类的方式实现，由于从图像中识别对象属于现有成熟技术，故本发明对此不做赘述。

进一步地，数据处理模块103在确定位置变化D时，可以结合轨道两侧的高速摄像机拍摄的视频图像完成，例如，采用轨道左侧的高速摄像机确定出的位置变化为DA，采用轨道右侧的高速摄像机确定出的位置变化为DB，则D可以为DA+DB除以2。

为了保证在图像中识别出固定标识201和运动标识的准确性，所述数据处理模块103，还用于在计算所述运动物体300的速度及加速度之前，对所述多台高速摄像机100拍摄的视频图像进行预处理。

在本发明实施例中，对所述多台高速摄像机100拍摄的视频图像进行预处理包括但不限于平滑去噪、线性增强、伪彩色增强等。其中，预处理的效果如下：原始图像在其获取和传输过程中，会受到各种噪声的干扰，使图像恶化，质量下降，图像模糊，特征淹没，对图像分析不利；为了抑制噪声改善图像质量所进行的处理称为图像平滑去噪。通过线性增强可以使原始图像更加清晰，改善原图效果，以更适应计算机的处理。通过伪彩色增强可以改善图像的可分辨性，使原图像细节更易辨认。

在本发明实施例中，M优选为1，从而使得计算出的速度和加速度实时性更高，使得拟合出的速度曲线和加速度曲线的精度高。

另外，由于高速摄像机记录出了运动物体运动时的视频图像，所以数据处理模块还可以确定出运动物体运动过程中的瞬时位置。

在本发明实施例中，所述数据采集模块102包括多个数据采集单元，所述多个数据采集单元与所述多台高速摄像机100一一对应设置。

所述同步控制模块101，用于控制所述多个数据采集单元同时进行图像采集，这样使得最终数据处理模块获取到的多路视频图像中相同序号的帧拍摄的时间相同。

可选地，该装置还可以包括显示模块104，所述显示模块104用于显示所述运动物体300的速度及加速度曲线。具体地，该显示模块可以显示前述人机交互界面，该人机交互界面除了前述参数设置部分外，还包括视频图像显示窗口以及运动物体300的速度及加速度曲线显示窗口，速度及加速度曲线在速度及加速度曲线显示窗口中显示。

进一步地，该显示模块104还可以用于显示多路视频图像，多路视频图像在视频图像显示窗口中显示。

可选地，该装置还可以包括存储模块105，所述存储模块105用于存储所述多台高速摄像机100拍摄的视频图像。通过存储模块和显示模块，可实现高速运动过程实时显示、慢放、回放等功能。

进一步地，该存储模块105还可以用于存储数据处理模块103处理得到的数据，例如运动物体300的速度曲线及加速度曲线。

在本发明实施例中，数据采集模块完成多路视频图像的采集后，可以传输给存储模块，数据处理模块进行处理时，可以从存储模块内获取得到。

具体地，数据采集模块可以通过光纤将多路视频图像传输给存储模块。为了实现光纤传输视频图像，该装置还可以包括第一光电转换模块、第二光电转换模块和光纤，所述第一光电转换模块用于将所述多台高速摄像机100拍摄的视频图像转换为光信号，并输入到光纤，由光纤进行传输；所述第二光电转换模块接收所述光纤传输的光信号，并转换为电信号，然后输出给所述存储模块105。

在本发明实施例中，所述多台高速摄像机100分为多组，每组包括2台高速摄像机100，每组中的2台高速摄像机100对称布置在轨道200的两侧。以图2为例，图2示出的高速摄像机100分别为C1-C8，其中C1、C2为一组，C3、C4为一组，C5、C6为一组，C7、C8为一组，每一组的两台高速摄像机对称布置在轨道两侧，保证高速摄像机的拍摄视角能够覆盖运动物体整个轨道。

在本发明实施例中，如果运动物体轨道是室外试验场地，轨道两侧地面有足够宽广的安装空间，可以如前所述在轨道两侧安装高速摄像机。而在其他实施例中，如果运动物体轨道是安装在室内试验场地，在轨道两侧地面安装空间受限的情况下，可以在轨道上方安装高速摄像机。

在本发明实施例中，该装置还可以包括电源模块，所述电源模块用于为多台高速摄像机100供电。具体地，电源模块通过供电电缆为高速摄像机供电。

图3是本发明实施例提供的该装置的工作流程图，下面结合图3对本发明实施例提供的装置的工作流程进行说明：

步骤S1、整个装置初始化；步骤S2、设置高速摄像机的工作参数；步骤S3、同步控制模块控制多台高速摄像机同时进行拍摄；S4、多台高速摄像机逐帧记录运动物体的运动过程，得到多路视频图像；S5、数据采集模块进行数据采集；S6、显示模块实时显示多路视频图像；S7、多路视频图像传输到服务器中进行存储；S8、数据处理模块读取服务器中存储的多路视频图像；S9、数据处理模块对多路视频图像进行预处理；S10、数据处理模块对多路经过预处理的视频图像进行处理，得到运动物体的速度曲线和加速度曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种运动物体速度及加速度测量装置，其特征在于，所述装置包括：

沿运动物体轨道长度方向间隔布置在运动物体轨道侧边的多台高速摄像机，沿所述运动物体轨道长度方向间隔布置在运动物体轨道上的多个固定标识，设置在运动物体的表面的运动标识，所述运动物体沿所述运动物体轨道长度方向在所述运动物体轨道上运动；

所述多台高速摄像机，用于拍摄所述运动物体轨道以及在所述运动物体轨道上运动的所述运动物体，且所述多台高速摄像机拍摄的范围覆盖整个所述运动物体轨道；

同步控制模块，用于控制所述多台高速摄像机进行同步画面拍摄，获得多路视频图像；

数据采集模块，用于同步采集所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像；

数据处理模块，用于根据所述多台高速摄像机拍摄的多路视频图像中运动标识在不同时刻和各个固定标识之间的距离，计算所述运动物体的速度及加速度，并生成所述运动物体的速度及加速度曲线；

所述多台高速摄像机分为多组，每组包括2台高速摄像机，每组中的2台高速摄像机对称布置在所述运动物体轨道的两侧；

所述数据处理模块用于采用所述运动物体轨道左侧的所述高速摄像机拍摄的视频图像，和所述运动物体轨道右侧的所述高速摄像机拍摄的视频图像共同确定所述运动物体的速度及加速度曲线。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，用于确定所述多台高速摄像机拍摄的视频图像中第N帧图像和第N+M帧图像中运动标识相对固定标识的位置变化量d，N和M均为正整数；根据所述高速摄像机的拍摄速度f及第N帧图像和第N+M帧图像之间的帧数差M，确定第N帧图像和第N+M帧图像之间的时间差t，t＝M/f；根据所述位置变化量d和所述时间差t确定所述运动物体的瞬时速度；按照上述方式逐帧计算所述运动物体的瞬时速度；将所述运动物体各瞬时速度拟合成所述运动物体的速度曲线；根据所述运动物体的速度曲线计算出所述运动物体的加速度，并拟合出成所述运动物体的加速度曲线。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块包括多个数据采集单元，所述多个数据采集单元与所述多台高速摄像机一一对应设置；

所述同步控制模块，用于控制所述多个数据采集单元同时进行图像采集。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，还用于在计算所述运动物体的速度及加速度之前，对所述多台高速摄像机拍摄的视频图像进行预处理。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块，所述显示模块用于显示所述运动物体的速度及加速度曲线。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括参数调节模块，用于获取用户输入的参数设置指令，根据所述用户输入的参数设置指令对所述多台高速摄像机进行参数设置。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述多台高速摄像机拍摄的视频图像。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一光电转换模块、第二光电转换模块和光纤，所述第一光电转换模块用于将所述多台高速摄像机拍摄的视频图像转换为光信号，并输入到光纤；所述第二光电转换模块接收所述光纤传输的光信号，并转换为电信号，然后输出给所述存储模块。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述多台高速摄像机供电。