CN112683382A - 基于单目视觉的结构三维振动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统及方法，该测量系统包括待测结构、单目视觉传感器、光学镜头、可调支架和具有图像处理模块的计算机，所述待测结构表面附有圆形条纹图案，所述单目视觉传感器安装于可调支架上，所述光学镜头安装于单目视觉传感器前端，以通过调节光学镜头得到结构表面清晰的圆形条纹图像，所述单目视觉传感器通过数据连接线与计算机连接，以上传采集到的图像信息，所述计算机通过图像处理模块对采集到的图像信息进行处理分析，进而计算得到待测结构的三维振动信息。该系统及方法有利于提高三维振动的测量精度和效率，且结构简单，实现成本低。

Description

基于单目视觉的结构三维振动测量系统及方法

技术领域

本发明属于振动测量技术领域，具体涉及一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统及方法。

背景技术

机械振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。振动具有有害的一面，比如破坏机器的正常工作、缩短机器的使用寿命、产生噪声等；振动也有可利用的一面，如可以进行振动输送、振动夯实、振动破碎、振动时效和振动加工等。为了兴利除弊，必须对振动现象进行测量和研究。机械振动测试技术已经是现代机械振动学科的重要研究内容之一，它为研究和解决工程技术中许多动力学问题提供了可靠有效的检测手段。

振动测量方法可分接触式和非接触式测量两大类。其中，接触式振动测量主要通过接触式传感器来获得振动数据，比如加速度传感器需要附于结构的表面进行加速度测量。但是这类接触式传感器本身具有一定的质量，测量时往往会引入额外的附加质量，影响结构本身的振动特性。因此采用非接触式测量方法对结构进行测量能够更加准确地获得待测结构的振动参数。常见非接触式测量方法有电涡流传感器测量法，但是电涡流传感器只能测量金属导体，对于非金属材料并不适用。又如激光多普勒测振仪，是一种非接触式光学振动测量技术，测量精度高，动态范围大，但是价格昂贵，不适合应用在实际的工程项目当中。且目前常见的非接触测振方法一般只能测量单一维度的振动信息，如果需要测量多个方向的振动信息，只能通过增加传感器的数目，放置在结构的不同方向进行测量，增大了系统的复杂性，同时增加了测量系统的硬件成本。因此设计出一种简单、精确、低硬件成本、同时实现单点三维振动信息同步测量的装置和方法的意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统及方法，该系统及方法有利于提高三维振动的测量精度和效率，且结构简单，实现成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统，包括待测结构、单目视觉传感器、光学镜头、可调支架和具有图像处理模块的计算机，所述待测结构表面附有圆形条纹图案，所述单目视觉传感器安装于可调支架上，所述光学镜头安装于单目视觉传感器前端，以通过调节光学镜头得到结构表面清晰的圆形条纹图像，所述单目视觉传感器通过数据连接线与计算机连接，以上传采集到的图像信息，所述计算机通过图像处理模块对采集到的图像信息进行处理分析，进而计算得到待测结构的三维振动信息。

进一步地，所述圆形条纹图案主要由外围的圆形图案和中心的单密度正弦条纹图案组成，整个图案打印在纸张上得到具有圆形条纹图案的图片，再将图片贴附于待测结构表面，或者整个图案不打印在纸张上而直接喷涂在待测结构表面。

进一步地，所述圆形条纹图案是在半径为r的黑色圆形图案中心添加密度为f的单密度正弦条纹，且正弦条纹的中心与黑色圆形图案的圆心重合，整个图案上下左右都对称，正弦条纹在长度方向的强度分布为：

其中x是正弦条纹的水平像素点，B是环境背景系数，

是初始相位，f是正弦条纹的初始密度，可根据实际测量需要更改条纹初始密度。

本发明还提供了一种基于单目视觉的结构三维振动测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据待测结构的尺寸设计圆形条纹图案的大小，将圆形条纹图案贴附或喷涂在待测结构表面；

步骤S2：将单目视觉传感器安装于可调支架上，调整好条纹成像位置，并调整光学镜头，使圆形条纹图案清晰地呈现在单目视觉传感器的中心；

步骤S3：待测结构发生振动时，单目视觉传感器实时采集待测结构振动时的圆形条纹图像，并上传到计算机；

步骤S4：计算机通过图像处理模块对采集到的圆形条纹图像进行处理分析，通过能量重心法及能量重心频谱校正法，计算得到待测结构XYZ三个方向的振动信息。

进一步地，所述步骤S4中，X方向和Y方向振动信息的获取方法为：

步骤A1：读取每帧圆形条纹图像，记为圆形条纹图像A；为了减少噪声对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像计算阈值，进行二值处理，得到二值的圆形条纹图像B；

步骤A2：为了减少正弦条纹对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像B进行连通区域的标定，令圆形条纹图像内部的连通区域的数值都等于0，成为一个标准的圆形图像，得到圆形条纹图像C；

步骤A3：采用能量重心法计算圆形条纹图像C的能量重心坐标(x,y)，所述圆形条纹图像的能量重心即是圆形条纹图案的圆心；

步骤A4：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，通过重心坐标的位置变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像X方向和Y方向的振动信息。

进一步地，所述步骤A3中，能量重心法是对图像计算重心，并输出重心的X坐标和Y坐标，其计算方法如下所示：

E_x＝P_xi/i

E_y＝P_yi/i

其中E_x、E_y分别表示能量重心法计算得到的圆形条纹图像重心的X坐标和Y坐标，i表示图像中数值为0的像素点个数，P_xi和P_yi分别表示数值为0的像素点的X坐标和Y坐标的坐标数值总和。

进一步地，所述步骤S4中，Z方向振动信息的获取方法为：

步骤B1：通过步骤A3得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，以(x’,y’)为中心提取单密度正弦条纹所在的单行像素点；

步骤B2：采用能量重心频谱校正法对步骤B1中的正弦条纹进行处理，得到条纹密度d；

步骤B3：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到各帧正弦条纹的密度d(t)，然后将结构静止时的正弦条纹密度作为参考密度d₀；通过条纹的密度变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像Z方向的振动信息Δz(t)。

进一步地，所述步骤B3中，待测结构Z方向的时域位移振动信号Δz(t)的计算方法为：

其中Δz(t)为待测结构在t时刻的Z方向位移，D为成像系统的初始物距，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度；初始物距D通过光学成像原理求得，其计算公式为：

其中f为光学镜头组的焦距，A为待测结构表面的单密度正弦条纹实际长度，p为单目视觉传感器的像素点物理尺寸，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数。

进一步地，X方向和Y方向振动信息的获取方法相同，其位置变化以及光学成像原理的具体换算公式为：

其中Δx(t)、Δy(t)分别为待测结构在t时刻的X方向、Y方向位移，m_x、m_y分别为t时刻图像重心与参考帧图像重心在X方向、Y方向偏移的像素点个数，P＝A/n为成像分辨率，即每个像素点对应的实际物体长度，A为待测结构表面的单密度正弦条纹实际长度，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明是一种非接触式测量方法，圆形条纹图案质量几乎可以忽略，贴附或者喷涂到待测结构表面，对结构的动态特性干扰极小，可以极大的减少传统接触式传感器引入的额外质量误差；

2)本发明只需一台单目视觉传感器即可实现结构三维振动的高精度测量，降低三维振动系统的复杂性，减少系统硬件成本；

3)本发明设计合理，计算简单高效，极大节省内存和计算时间，可以实现结构三维振动的实时采集测量，具有较高的测量效率。

附图说明

图1是本发明实施例的测量系统示意图。

图2是本发明实施例中圆形条纹图案示意图。

图3是本发明实施例的测量方法的处理流程图。

图4是本发明实施例中单密度正弦条纹的测量示意图。

图5是本发明实施例中X方向和Y方向的位移信息测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例的测量系统示意图。如图1所示，本发明提供了一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统，包括待测结构2、单目视觉传感器4、光学镜头3、可调支架5和具有图像处理模块的计算机6。所述待测结构2表面附有设计好的圆形条纹图案1，所述单目视觉传感器4安装于可调支架5上，所述光学镜头3安装于单目视觉传感器4前端，以通过调节光学镜头得到结构表面清晰的圆形条纹图像。所述单目视觉传感器4通过数据连接线与计算机6连接。结构受到激励产生振动时，结构表面的圆形条纹图案也会随之发生振动。单目视觉传感器4实时采集振动时的圆形条纹图像，并上传采集到的图像信息，计算机6通过图像处理模块对采集到的图像信息进行处理分析，进而计算得到待测结构的三维振动信息。

图2为本实施例中圆形条纹图案的示意图。在本实施例中，圆形条纹图案主要由两部分组成，包括外围的圆形图案和中心的正弦条纹图案。整个图案打印在纸张上得到具有圆形条纹图案的图片，再将图片贴附于待测结构表面，或者整个图案不打印在纸张上而直接喷涂在待测结构表面。所述圆形条纹图案是在半径为r的黑色圆形图案中心添加密度为f的单密度正弦条纹，且正弦条纹的中心与黑色圆形图案的圆心重合，整个图案上下左右都对称，正弦条纹在长度方向的强度分布为：

其中x是正弦条纹的水平像素点，B是环境背景系数，

是初始相位，f是正弦条纹的初始密度(频率)，可根据实际测量需要更改条纹初始密度。

本发明还提供了基于上述测量系统的结构三维振动测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据待测结构的尺寸设计圆形条纹图案的大小，将圆形条纹图案贴附或喷涂在待测结构表面。

步骤S2：将单目视觉传感器安装于可调支架上，调整好条纹成像位置，并调整光学镜头，使圆形条纹图案清晰地呈现在单目视觉传感器的中心。

步骤S3：待测结构发生振动时，单目视觉传感器实时采集待测结构振动时的圆形条纹图像，并上传到计算机。

步骤S4：计算机通过图像处理模块对采集到的圆形条纹图像进行处理分析，通过能量重心法及能量重心频谱校正法，计算得到待测结构XYZ三个方向的振动信息。

图3是本发明实施例的测量方法的处理流程图。如图3所示，首先输入视觉传感器拍摄到的圆形条纹图像，分为X方向(Y方向)和Z方向两个过程进行处理。X方向(Y方向)振动信息的获取方法，即X方向(Y方向)的处理步骤为：

步骤A1：读取每帧圆形条纹图像，记为圆形条纹图像A；为了减少噪声对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像计算阈值，进行二值处理(大于阈值为1，其余为0)，得到二值的圆形条纹图像B。

步骤A2：为了减少正弦条纹对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像B进行连通区域的标定，令圆形条纹图像内部的连通区域的数值都等于0，成为一个标准的圆形图像，得到圆形条纹图像C。

步骤A3：采用能量重心法计算圆形条纹图像C的能量重心坐标(x,y)，所述圆形条纹图像的能量重心即是圆形条纹图案的圆心。

能量重心法是对图像计算重心，并输出重心的X坐标和Y坐标，其计算方法如下所示：

E_x＝P_xi/i

E_y＝P_yi/i

其中E_x、E_y分别表示能量重心法计算得到的圆形条纹图像重心的X坐标和Y坐标，i表示图像中数值为0的像素点个数，P_xi和P_yi分别表示数值为0的像素点的X坐标和Y坐标的坐标数值总和。

步骤A4：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，通过重心坐标的位置变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像X方向和Y方向的振动信息。

Z方向振动信息的获取方法，即Z方向的处理步骤为：

步骤B1：直接读取图像且不做任何预处理，保留条纹图像最原始的信息；通过步骤A3得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，可以精确地定位到正弦条纹所在的行和列，以(x’,y’)为中心提取单密度正弦条纹所在的单行像素点。

步骤B2：采用能量重心频谱校正法对步骤B1中的正弦条纹进行处理，得到条纹密度d。

步骤B3：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到各帧正弦条纹的密度d(t)，然后将结构静止时的正弦条纹密度作为参考密度d₀；通过条纹的密度变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像Z方向的振动信息Δz(t)。

图4为本实施例中单密度正弦条纹的测量示意图。在本实施例中，圆形条纹图案1贴附或喷涂在待测结构2的表面。通过调节光学镜头3使条纹图案1在单目视觉传感器4上得到清晰的条纹图像。当待测结构发生振动时，其与光学镜头3物距D会发生变化，进而导致视觉传感器4得到的条纹图像发生变化。对所有每帧的正弦条纹进行傅里叶变换(FFT)且运用能量重心频谱校正法(SCCM)可得到精确的条纹密度d(t)，并将结构静止时的条纹密度d₀作为参考帧，通过条纹密度之间的变化来反映待测结构的Z方向的振动信息。待测结构Z方向的时域位移振动信号Δz(t)的计算方法为：

其中Δz(t)为待测结构在t时刻的Z方向位移，D为成像系统的初始物距，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度。

初始物距D可以通过光学成像原理求得，其计算公式为：

其中f为光学镜头组的焦距，A为待测结构表面的单密度正弦条纹实际长度，p为单目视觉传感器的像素点物理尺寸，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数。

图5为本实施例中Y方向(X方向)重心位置变化及光学换算关系图。因为X方向和Y方向上的位移求解步骤都是相同的，故只以Y方向为例加以说明。待测结构2上的条纹图案在Y方向发生了Δy的偏移量，经过相机的成像原理，在视觉传感器上采集到的条纹图案也会产生h_y的偏移量，圆形条纹图像的偏移量、像素点大小以及像素点个数的关系可表示为：

h_y＝p×m

其中h_y是待测结构在图像上Y方向的位移，p为传感器像素点大小，m为h_y所占的像素点个数。

Y方向在有Z方向位移影响下的位置变化与光学成像原理的简图如图5所示。其所对应的光学成像关系为：

其中A为图4中待测结构表面的正弦条纹实际长度，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数，令P＝A/n，P为成像分辨率，即每个像素点对应的实际物体长度。

最后，Y方向振动信息可表示为：

所述的X方向和Y方向振动信息处理步骤相同，故X方向的位置变化以及光学成像原理的具体关系也可表示为：

其中Δx(t)、Δy(t)分别为待测结构在t时刻的X方向、Y方向位移，m_x、m_y分别为t时刻图像重心与参考帧图像重心在X方向、Y方向偏移的像素点个数，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于单目视觉的结构三维振动测量系统，其特征在于，包括待测结构、单目视觉传感器、光学镜头、可调支架和具有图像处理模块的计算机，所述待测结构表面附有圆形条纹图案，所述单目视觉传感器安装于可调支架上，所述光学镜头安装于单目视觉传感器前端，以通过调节光学镜头得到结构表面清晰的圆形条纹图像，所述单目视觉传感器通过数据连接线与计算机连接，以上传采集到的图像信息，所述计算机通过图像处理模块对采集到的图像信息进行处理分析，进而计算得到待测结构的三维振动信息。

2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的结构三维振动测量系统，其特征在于，所述圆形条纹图案主要由外围的圆形图案和中心的单密度正弦条纹图案组成，整个图案打印在纸张上得到具有圆形条纹图案的图片，再将图片贴附于待测结构表面，或者整个图案不打印在纸张上而直接喷涂在待测结构表面。

3.根据权利要求2所述的基于单目视觉的结构三维振动测量系统，其特征在于，所述圆形条纹图案是在半径为r的黑色圆形图案中心添加密度为f的单密度正弦条纹，且正弦条纹的中心与黑色圆形图案的圆心重合，整个图案上下左右都对称，正弦条纹在长度方向的强度分布为：

其中x是正弦条纹的水平像素点，B是环境背景系数，

是初始相位，f是正弦条纹的初始密度，可根据实际测量需要更改条纹初始密度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据待测结构的尺寸设计圆形条纹图案的大小，将圆形条纹图案贴附或喷涂在待测结构表面；

步骤S2：将单目视觉传感器安装于可调支架上，调整好条纹成像位置，并调整光学镜头，使圆形条纹图案清晰地呈现在单目视觉传感器的中心；

步骤S3：待测结构发生振动时，单目视觉传感器实时采集待测结构振动时的圆形条纹图像，并上传到计算机；

步骤S4：计算机通过图像处理模块对采集到的圆形条纹图像进行处理分析，通过能量重心法及能量重心频谱校正法，计算得到待测结构XYZ三个方向的振动信息。

5.根据权利要求4所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，X方向和Y方向振动信息的获取方法为：

步骤A1：读取每帧圆形条纹图像，记为圆形条纹图像A；为了减少噪声对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像计算阈值，进行二值处理，得到二值的圆形条纹图像B；

步骤A2：为了减少正弦条纹对圆形条纹图像能量重心的影响，对圆形条纹图像B进行连通区域的标定，令圆形条纹图像内部的连通区域的数值都等于0，成为一个标准的圆形图像，得到圆形条纹图像C；

步骤A3：采用能量重心法计算圆形条纹图像C的能量重心坐标(x,y)，所述圆形条纹图像的能量重心即是圆形条纹图案的圆心；

步骤A4：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，通过重心坐标的位置变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像X方向和Y方向的振动信息。

6.根据权利要求5所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，所述步骤A3中，能量重心法是对图像计算重心，并输出重心的X坐标和Y坐标，其计算方法如下所示：

E_x＝P_xi/i

E_y＝P_yi/i

其中E_x、E_y分别表示能量重心法计算得到的圆形条纹图像重心的X坐标和Y坐标，i表示图像中数值为0的像素点个数，P_xi和P_yi分别表示数值为0的像素点的X坐标和Y坐标的坐标数值总和。

7.根据权利要求5所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，Z方向振动信息的获取方法为：

步骤B1：通过步骤A3得到每帧圆形条纹图像的能量重心坐标(x’,y’)，以(x’,y’)为中心提取单密度正弦条纹所在的单行像素点；

步骤B2：采用能量重心频谱校正法对步骤B1中的正弦条纹进行处理，得到条纹密度d；

步骤B3：对每帧圆形条纹图像进行相同的处理，得到各帧正弦条纹的密度d(t)，然后将结构静止时的正弦条纹密度作为参考密度d₀；通过条纹的密度变化以及成像关系的换算，计算得到每帧圆形条纹图像Z方向的振动信息Δz(t)。

8.根据权利要求7所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，所述步骤B3中，待测结构Z方向的时域位移振动信号Δz(t)的计算方法为：

其中Δz(t)为待测结构在t时刻的Z方向位移，D为成像系统的初始物距，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度；初始物距D通过光学成像原理求得，其计算公式为：

其中f为光学镜头组的焦距，A为待测结构表面的单密度正弦条纹实际长度，p为单目视觉传感器的像素点物理尺寸，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数。

9.根据权利要求5所述的基于单目视觉的结构三维振动测量方法，其特征在于，X方向和Y方向振动信息的获取方法相同，其位置变化以及光学成像原理的具体换算公式为：

其中Δx(t)、Δy(t)分别为待测结构在t时刻的X方向、Y方向位移，m_x、m_y分别为t时刻图像重心与参考帧图像重心在X方向、Y方向偏移的像素点个数，P＝A/n为成像分辨率，即每个像素点对应的实际物体长度，A为待测结构表面的单密度正弦条纹实际长度，n为参考帧图像中正弦条纹所占的像素点个数，d(t)为t时刻条纹图像中的正弦条纹密度，d₀为参考帧条纹图像中的正弦条纹密度。

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