CN112150382B - 高时空分辨率周期运动三维测量方法、装置 - Google Patents

高时空分辨率周期运动三维测量方法、装置 Download PDF

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Abstract

一种高时空分辨率周期运动三维测量方法，包括：在相机采样率的限制下，每隔若干个高频运动结构的运动周期，且当高频运动结构的运动相位为触发相位时，产生脉冲光给高频运动结构照明，使用双目相机采集高频运动结构的运动图像，分析运动图像，得到高频运动结构的三维模态信息，其中，触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增。本公开提供的方法可通过控制脉冲光，使双目相机获得的图像完全同步，可获得曝光时间几十甚至几纳秒的高频运动结构的图像，减少了运动模糊，可采集高频运动结构运动过程中运动相位按固定相位差连续变化的图片，使低速相机也采集到高速周期运动的运动细节。

Description

高时空分辨率周期运动三维测量方法、装置
技术领域
本公开涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种高时空分辨率周期运动三维测量方法、装置。
背景技术
在实际的工程和实验中，经常需要对高频振动或者高速转动结构的变形和模态进行测量。已有的高速测量装置大都是激光多普勒测量装置，或者由加速度传感器构成，可以进行兆赫兹频率、纳米级振幅的点振动测量。但是，所述高速测量装置只能在同一时刻实现单点测量，进行多点测量需要部署多套设备才能实现，且无法对高频运动结构全场进行高时间和高空间分辨率测量，因此无法获得空间分布的结构振型模态。其次，常规的摄影检测技术或者依赖相机的形貌检测技术，受到相机时空采样率的限制，即使使用价值高昂的高速相机，将相机的分辨率设置成百万像素，也只能以每秒数千帧以内的速度对运动的结构进行采样，对高分辨率高速运动(如千赫兹运动频率以上的运动)的测量无能为力。此外，在进行高速双目检测时，由于相机内部实际曝光时刻有微小的差别，即使使用同步硬件触发，双目相机之间采集的图像并非同时发生，这导致双目采集的高速运动物体图像处于不同的空间位置，会引起三维重建带来较大的误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种高时空分辨率周期运动三维测量方法、装置，以解决上述技术问题。
本公开的一个方面提供了一种高时空分辨率周期运动三维测量方法，包括：在相机采样率的限制下，每隔若干个高频运动结构的运动周期，且当高频运动结构的运动相位为触发相位时，产生脉冲光给所述高频运动结构照明；使用双目相机采集所述高频运动结构的运动图像；分析所述运动图像，得到所述高频运动结构的三维模态信息。
可选地，所述触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增。
可选地，所述高频运动结构的运动方式为高频振动或高速旋转。
可选地，所述脉冲光在所述双目相机中包含的两个相机同时曝光的时间段内产生。
可选地，所述双目相机及所述高频运动结构设置在环境光亮度小于脉冲光的环境中。
可选地，所述方法还包括：测量高频运动结构的运动频率，并根据所述运动频率计算所述运动周期。
可选地，所述脉冲光在所述双目相机中包含的两个相机同时曝光的时间段内产生包括：根据所述双目相机中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置所述脉冲光的产生起始时间、产生周期；根据所述产生起始时间、产生周期控制驱动电路驱动发光光源产生脉冲光。
可选地，所述方法还包括：控制所述脉冲光的发光时长，以缩短所述双目相机的曝光时间。
本公开另一方面提供了一种高时空分辨率周期运动三维测量装置，应用于如第一方面所述的方法，包括：双目相机，用于采集高频运动结构的运动图像；频闪光源，用于产生脉冲光给所述高频运动结构照明；锁相同步器，与所述双目相机和频闪光源分别连接，用于每隔若干个所述高频运动结构的运动周期，且当所述高频运动结构的运动相位为触发相位时，控制所述频闪光源产生脉冲光，并使所述双目相机同步采集所述高频运动结构的运动图像，其中，所述触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增；计算机，与所述锁相同步器连接，用于分析所述运动图像，得到所述高频运动结构的三维模态信息。
可选地，所述装置还包括：测量装置，与所述锁相同步器连接，用于测量高频运动结构的运动频率，使所述锁相同步器根据所述运动频率计算所述高频运动结构的运动周期。
可选地，所述频闪光源包括：发光光源；驱动电路，与所述发光光源连接；控制器，与所述驱动电路和所述计算机分别连接，用于受所述计算机控制，根据所述双目相机中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置所述脉冲光的产生起始时间、产生周期、发光时长，以及，根据所述产生起始时间、产生周期、发光时长控制所述驱动电路驱动所述发光光源产生脉冲光。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量方法及装置，使用频闪光源使双目相机的两个相机同时曝光，获得的图片完全同步；通过控制频闪光源产生的脉冲光持续时间，获得曝光时间几十甚至几纳秒的高频运动结构图像，极大程度减少了运动模糊；在每隔若干个高频运动结构的运动周期、且当高频运动结构的运动相位为触发相位时采集高频运动结构图像，由于触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增，使得采集到的运动图像为该高频运动结构连续运动的图像，对相机本身的采样率要求不高，但可以测量高达1Mhz运动频率的物体。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量方法的流程图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量装置的结构图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量装置的应用场景图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种双目相机的曝光周期和脉冲光产生周期的示意图；
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种高频运动结构的运动图像采样的时间示意图；
图6示意性示出了本公开实施例提供的另一种高频运动结构的运动图像采样的时间示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行装置使用或者结合指令执行装置使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体装置、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量方法的流程图。
如图1所示，本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量方法，包括：S110～S130，该方法通过如图2、3所示的高时空分辨率周期运动三维测量装置实现。
S110，在相机采样率的限制下，每隔若干个高频运动结构301的运动周期，且当高频运动结构301的运动相位为触发相位时，产生脉冲光给高频运动结构301照明。
在本公开实施例中，高频运动结构的运动方式为高频振动或高速旋转。高频运动结构在进行高频振动或高速旋转运动时，均可以看作在做周期性运动，其运动轨迹按照一定的相位差进行周期性变化。
在本公开实施例中，方法还包括：
测量高频运动结构301的运动频率，并根据运动频率计算运动周期。
在本公开实施例中，双目相机302及高频运动结构301设置在环境光亮度小于脉冲光的环境中。在需要对高频运动结构301进行测量时，通过测量装置获得高频运动结构301的频率，利用锁相同步器304将双目相机302的拍照频率和频闪光源303的拍摄频率相对于高频运动结构301的运动频率锁相，使高时空分辨率周期运动三维测量装置每隔若干个高频运动结构301的运动周期，且当高频运动结构301的运动相位为触发相位时，控制频闪光源303产生脉冲光，使双目相机302采集高频运动结构301的图像。触发相位随着采集运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增，因此，虽然双目相机302采集到的连续图像的采集时间不连续，但采集图像表现的高频运动结构301的运动轨迹是连续的。
参阅图5、图6，图5示意性示出了常规状态下采集相机连续采集高频运动结构301的图像的时间点t1～t4，表示了在高频运动结构301振动时，按固定的时间间隔采集高频运动结构301的连续的运动图像，然而，在实际应用中，普通相机的帧率远远达不到高频运动结构301的运动频率，无法连续采集高频运动结构301的运动图像，超高速相机只能以百万像素拍摄数千帧每秒以内帧率的图像，且采集时长有限(多在几十秒以内)。图6示意性示出了本实施例中使用双目相机302拍摄高频运动结构301的时间点，每隔若干个周期，且高频运动结构301相对于上一次图像采集时的相位增加固定相位时，双目相机302拍摄高频运动结构301的图像，这种间隔采样的方式采集到的运动图像表示的同样是高频运动结构301连续的运动状态，但采集难度大大降低，即使使用30fps的相机也能对1Mhz的连续重复振动物体进行拍摄采样。
参阅图4，脉冲光在双目相机302中包含的两个相机同时曝光的时间段内产生，包括：
根据双目相机302中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置脉冲光的产生起始时间、产生周期；
根据产生起始时间、产生周期控制驱动电路驱动发光光源产生脉冲光。
在本实施例中，由于双目相机302及高频运动结构301设置在环境光亮度小于脉冲光的环境中，当脉冲光照亮高频运动结构301时，双目相机302中的两个相机可同时获取此时高频运动结构301的图像，这就解决了传动双目相机302在进行高速运动测量时由于两相机间的快门启动时间误差导致图像采集时间不同步的问题。
在本公开其中一个实施例中，该方法还包括：
控制所述脉冲光的发光时长，以缩短双目相机302的曝光时间。
在本实施例中，缩短控制脉冲光的发光时长，照明时间为几十到几百纳秒的量级，可减少双目相机302曝光的时间，使双目相机302捕捉高频运动结构301的运动时间极短，通常高频运动结构301的位移可以控制在1微米以内，减少了运动图像中的运动模糊。
S120，使用双目相机302采集高频运动结构301的运动图像。
在本公开实施例中，双目相机302受锁相同步器304的控制对高频运动结构301拍照，每次间隔若干个高频运动结构301的运动周期，且高频运动结构301的运动相位相对于上一次拍照时增加了一个预设相位差，使得采集到的运动图像中表示的高频运动结构301的振幅为连续周期性变化的。在实际应用中，超高速相机只能以百万像素拍摄数千帧每秒以内帧率的图像，且采集时长有限(多在几十秒以内)，而普通相机曝光时间不够短，帧率达不到要求，达不到采样率。本公开提供的采集方法解决了此类的问题。
可选地，双目相机302可直接将采集到的运动图像传输各计算机305处理，也可通过锁相同步器304转发给计算机305处理。
S130，分析运动图像，得到高频运动结构301的三维模态信息。
可选地，对运动图像解算的算法为数字图像相关或者电子散斑干涉等形貌解算方法。
图2、3分别示意性示出了本公开实施例提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量装置的结构图和应用场景图。
如图2所示，本公开提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量装置，包括：双目相机302，频闪光源303，锁相同步器304，计算机305。
双目相机302，用于采集高频运动结构301的运动图像。
频闪光源303，用于产生脉冲光给高频运动结构301照明。
锁相同步器304，与双目相机302和频闪光源303分别连接，用于每隔若干个高频运动结构301的运动周期，且当高频运动结构301的运动相位为触发相位时，控制频闪光源303产生脉冲光，并使双目相机302同步采集高频运动结构301的运动图像，其中，触发相位随着采集运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增。
计算机305，与锁相同步器304连接，用于分析运动图像，得到高频运动结构301的三维模态信息。
如图3所示，装置还包括：测量装置306。
测量装置306，与锁相同步器304连接，用于测量高频运动结构301的运动频率，使锁相同步器304根据运动频率计算高频运动结构301的运动周期。
可选地，测量装置306可以为激光多普勒测振仪、加速度计等，还可以为运动激励设备，其中，当测量装置306为运动激励设备时，高频运动结构301的运动频率与该运动激励设备的频率相同。
可选地，双目相机302可以为普通相机，帧率要求不高。
频闪光源303可以包括：发光光源，驱动电路，控制器。
可选地，发光光源可以为高速LED、特定波长的LED、大功率红光或者近红外LED、激光器等照明器件。
驱动电路，与发光光源连接。在本实施例中，通过上位计算机305或者锁相同步器304发送同步触发信号，控制驱动电路驱使发光光源产生脉冲光，该脉冲光的产生周期、起始产生时间和发光时长根据高频运动结构301的频率和双目相机302包括的两相机的曝光时间差决定。
控制器，与驱动电路和计算机305分别连接，用于受计算机305控制，根据双目相机302中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置脉冲光的产生起始时间、产生周期、发光时长，以及，根据产生起始时间、产生周期、发光时长控制驱动电路驱动发光光源产生脉冲光。
在本实施例中，控制器核心由嵌入式微处理器和FPGA(可编辑逻辑阵列)芯片组成，控制器外围包含计算机305输入接口和TTL电平触发输入接口，TTL电平触发输出接口。控制器的微处理器用于接收和处理计算机305输入的指令，包括曝光时间的时长(即脉冲光发光的时长)，曝光的触发延时，输出同步延时、曝光工作模式。曝光工作模式主要指是触发后单次曝光还是自主以一定频率曝光。控制器的FPGA芯片用于精密延时控制。主控系统以FPGA配合温度补偿晶体振荡器(TCXO)或者恒温晶振(OCXO)，时间准确度可以控制在0.001％以内，时间分辨率达到4纳秒。
在本公开实施例中，通过测量装置获得高频运动结构301的频率，利用锁相同步器304将双目相机302的拍照频率和频闪光源303的拍摄频率相对于高频运动结构301的运动频率锁相，使高时空分辨率周期运动三维测量装置每隔若干个高频运动结构301的运动周期，且当高频运动结构301的运动相位为触发相位时，控制频闪光源303产生脉冲光，并使双目相机302同步采集高频运动结构301的运动图像，其中，触发相位随着采集运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增，使得采集到的运动图像为高频运动结构301的连续运动图像，再通过计算机305对运动图像进行阶段，以获得高频运动结构301的详细运动信息。
本公开提供的一种高时空分辨率周期运动三维测量装置，通过单点震动测量系统或者从物体的激励系统获得待测体的实时震动频率，系统根据这一频率以高频运动结构301跨越多个运动周期的固定相位差控制相机和闪光模块进行的闪光拍照，获得高频运动结构301连续的固定相位差的全场双目画面，通过解算获得详细的震动信息。系统可以在高分辨率下测量高达1Mhz机械震动的物体，获得表面的形貌信息。该装置使用照明光源同步，双目相机302获得的图片完全同步，可以获得曝光时间几十甚至几纳秒的待测物体图像，极大的减少了运动模糊，采用周期间隔采样的方法，使采样率远远高于相机的采样率，可以测量高达1Mhz运动频率的物体。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种高时空分辨率周期运动三维测量方法，包括：
在相机采样率的限制下，每隔若干个高频运动结构的运动周期，且当高频运动结构的运动相位为触发相位时，产生脉冲光给所述高频运动结构照明；
使用双目相机采集所述高频运动结构的运动图像；
分析所述运动图像，得到所述高频运动结构的三维模态信息；
其中，所述触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增；
所述脉冲光在所述双目相机中包含的两个相机同时曝光的时间段内产生，包括：
根据所述双目相机中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置所述脉冲光的产生起始时间、产生周期；
根据所述产生起始时间、产生周期控制驱动电路驱动发光光源产生脉冲光。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频运动结构的运动方式为高频振动或高速旋转。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双目相机及所述高频运动结构设置在环境光亮度小于脉冲光的环境中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
测量高频运动结构的运动频率，并根据所述运动频率计算所述运动周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制所述脉冲光的发光时长，以缩短所述双目相机的曝光时间。
6.一种高时空分辨率周期运动三维测量装置，应用于如权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，包括：
双目相机，用于采集高频运动结构的运动图像；
频闪光源，用于产生脉冲光给所述高频运动结构照明；
锁相同步器，与所述双目相机和频闪光源分别连接，用于每隔若干个所述高频运动结构的运动周期，且当所述高频运动结构的运动相位为触发相位时，控制所述频闪光源产生脉冲光，并使所述双目相机同步采集所述高频运动结构的运动图像，其中，所述触发相位随着采集所述运动图像次数的增加按固定的预设相位差递增；
计算机，与所述锁相同步器连接，用于分析所述运动图像，得到所述高频运动结构的三维模态信息。
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：
测量装置，与所述锁相同步器连接，用于测量高频运动结构的运动频率，使所述锁相同步器根据所述运动频率计算所述高频运动结构的运动周期。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述频闪光源包括：
发光光源；
驱动电路，与所述发光光源连接；
控制器，与所述驱动电路和所述计算机分别连接，用于受所述计算机控制，根据所述双目相机中包含的两个相机的起始曝光时间差，设置所述脉冲光的产生起始时间、产生周期、发光时长，以及，根据所述产生起始时间、产生周期、发光时长控制所述驱动电路驱动所述发光光源产生脉冲光。
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