CN112697258A - 一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于单帧编码照明的视觉振动测试方法。通过在一次相机曝光时间中空间光调制器多次偏转嵌入时间信息，实现低速相机记录高频振动。在被测物体振动的过程中，DLP投影仪中的数字微镜器件以高于相机的帧率多次偏转状态，向被测物体在不同时刻分别投影多组不同大小的同心图形，2个低速相机以其本身所能达到的帧率拍摄一段视频。视频中的每一帧图片，都可以将投影的同心图形逐个分离出来，拟合同心图形，其形心作为特征点，根据双相机的标定结果，计算该特征点的空间三维信息。计算特征点与空间原点的距离，进行傅里叶变换进而分析振动物体的动态特性。

Description

一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法

技术领域

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种基于单帧编码照明的视觉机械振动测量方法。

背景技术

机械振动是一种生活中常见的现象。接触式测量和非接触式测量是实现振动监测的两种方法。接触式传感器被固定在物体上时，附加质量会改变系统的动态特性，特别是对于柔性系统。此外，在某些特殊场合，如高温、高压、放射性和腐蚀性环境下，接触式测量是不适合的。并且，接触式传感器置于结构表面，只能进行单点测量，有时为求数据完备需要布满整个结构表面，需要消耗大量人力。非接触式测量包括多普勒干涉法、光流法和双目立体视觉法等。多普勒干涉法只能达到单点或小视场，不能用于大而积表面的多点同步测量，然而对被测物的模态分析一般需要多点或全场的振动信息。光流法容易受到光照和环境的干扰。在使用双目立体视觉进行振动测量时，特征点是必不可少的。将被测物体的一部分作为特征点，或者人为设置特征点。在实际应用中，被测物体上可能没有合适的跟踪区域作为被测部分，也不能手动设置标记。并且，振动模式需要高速传感器进行记录，而高速相机往往价格昂贵。

为了实现非接触、低成本、多点同步测量，提出了一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法。

发明内容

为实现非接触、低成本、多点同步测量，本发明的目的在于提供一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，通过在一次相机曝光时间中空间光调制器多次偏转嵌入时间信息，实现低速相机记录高频振动。

本发明所采取的技术方案如下：

一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，包括2个平行放置的低速相机和位于两相机中间的DLP投影仪；其中DLP投影仪中的LED光源通过数字微镜阵列可以调制出不同图案，垂直投向被测物，来编码振动的被测物体；包括如下步骤：

步骤1、设计一组同心编码图形；

步骤2、用DLP投影仪向被测振动物体投影同心编码图形，并用低速相机拍摄；

步骤3、从采集得到的视频中，分离出不同时刻的图像，拟合特征点，计算特征点空间三维坐标；

步骤4、计算特征点与空间原点的距离，进行傅里叶变换，分析振动物体的动态特性。

进一步地，步骤1中，所述的编码图形的设计包括：设计M组不同大小的同心图形，作为DMD掩模，每一组同心图形分布在掩模图案的不同位置，每一组包含同心图形的数目为N；将DMD掩模上载到DLP投影仪中。

进一步地，步骤2中，所述的DLP投影仪用于编码被测振动物体，并用低速相机记录：在被测物体振动的过程中，DLP投影仪中的数字微镜器件以高于相机的帧率f_p多次偏转状态，向被测物体在不同时刻分别投影M组不同大小动同心图形，在一次相机曝光时间内，DMD掩模改变的次数为N，2个低速相机以其本身所能达到的帧率f_c拍摄一段视频；其中f_p＝N×f_c。

进一步地，步骤3中，所述从拍摄视频中分离出不同时刻图像、拟合特征点并计算空间三维坐标：视频中的每一帧图片，都可以将投影的同心图形逐个分离出来；拟合同心图形，其形心作为特征点；根据双相机的标定结果，计算该特征点的空间三维信息，即为振动物体的运动情况。

进一步地，步骤4中，所述计算特征点与空间原点的距离，进行傅里叶变换进而分析振动物体的动态特性：计算特征点的空间三维坐标(x，y，z)与坐标原点(0，0，0)之间的距离

用距离|D|减去距离的平均值D_mean，再经过傅里叶变换得到振动物体的频谱信息。

本发明所取得的有益效果为：

本发明通过基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，实现非接触式振动测量，根据设置的掩模组数，可以同时得到多点的振动信息；无需人为选取被测物体的某部分作为特征点，也无需粘贴或喷涂特征点；使用普通的工业低速相机可以记录高频的振动现象，有效降低了成本。

附图说明

图1为振动测量系统结构图。

图2为振动测量方法流程图。

具体实施方法

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为振动测量系统结构图。本发明采用一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，通过在一次相机曝光时间中空间光调制器多次偏转嵌入时间信息，实现低速相机记录高频振动。系统包括DLP投影仪和2个低速相机。其中DLP投影仪内包含一个数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)，其由数百万个可以独立控制位置状态的高速数字式微小平面镜组成，LED光源通过数字微镜阵列调制可以投影出不同图案来编码振动的被测物体。

所述的DLP投影仪需要提前设计其掩模。设计M组不同大小的同心图形，作为DMD掩模，每一组同心图形分布在掩模图案的不同位置，每一组包含同心图形的数目为N；将DMD掩模上载到DLP投影仪中。

所述的DLP投影仪用于编码被测振动物体，并用低速相机记录。在被测物体振动的过程中，DLP投影仪中的数字微镜器件以高于相机的帧率f_p多次偏转状态，向被测物体在不同时刻分别投影M组不同大小的同心图形，在一次相机曝光时间内，DMD掩模改变的次数为N，2个低速相机以其本身所能达到的帧率f_c拍摄一段视频；其中f_p＝N×f_c。

所述从拍摄视频中分离出不同时刻图像、拟合特征点并计算空间三维坐标。视频中的每一帧图片，都可以将投影的同心图形逐个分离出来；拟合同心图形，其形心作为特征点；根据双相机的标定结果，计算该特征点的空间三维信息，即为振动物体的运动情况。

所述计算特征点与空间原点的距离，进行傅里叶变换进而分析振动物体的动态特性。计算特征点的空间三维坐标(x，yz)与坐标原点(0，0，0)之间的距离

用距离|D|减去距离的平均值D_mean，再经过傅里叶变换得到振动物体的频谱信息。

图2为振动测量方法流程图。本发明采用一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，首先需要对两个低速相机进行标定，可以采用MATLAB中的双目立体视觉标定工具箱，得到两相机旋转矩阵、平移向量等标定参数。设计编码图形，上载到DLP投影仪的DMD中，向被测物体投影编码图形，用相机同步采集。从采集得到的视频中每一帧分离出不同时刻的图形，拟合形心作为特征点，利用两相机的像素坐标结合标定结果计算特征点的空间三维坐标。计算特征点空间三维坐标与空间原点的相对距离，减去平均值，经过傅里叶变换得到物体振动的频谱信息。

附图只是一个优选实例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，包括2个平行放置的低速相机2和3，以及位于两相机中间的DLP投影仪1；

其中DLP投影仪1中的LED光源通过数字微镜阵列可以调制出不同图案，垂直投向被测物体4，来编码振动的被测物体4；

包括如下步骤：

步骤1、设计一组同心编码图形；

步骤2、用DLP投影仪1向被测振动物体投影同心编码图形，并用低速相机2和低速相机3拍摄；

步骤3、从采集得到的视频中，分离出不同时刻的图像，拟合特征点，计算特征点空间三维坐标；

步骤4、计算特征点与空间原点的距离，进行傅里叶变换，分析振动物体的动态特性。

2.根据权利要求1所述的基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，所述步骤1中，设计M组不同大小的同心图形，作为DMD掩模，每一组同心图形分布在掩模图案的不同位置，每一组包含同心图形的数目为N，将DMD掩模上载到DLP投影仪中。

3.根据权利要求1所述的基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，所述步骤2中，在被测物体4振动的过程中，DLP投影仪1中的数字微镜器件以高于相机的帧率f_p多次偏转状态，向被测物体4在不同时刻分别投影M组不同大小的同心图形，在一次相机曝光时间内，DMD掩模改变的次数为N，低速相机2和低速相机3以其本身所能达到的帧率f_c拍摄一段视频，其中f_p＝N×f_c。

4.根据权利要求1所述的基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，所述步骤3中，视频中的每一帧图片，都可以将投影的同心图形逐个分离出来；拟合同心图形，其形心作为特征点；根据双相机的标定结果，计算该特征点的空间三维信息，即为振动物体的运动情况。

5.根据权利要求1所述的基于单帧编码照明的视觉振动测量方法，其特征在于，所述步骤4中，计算特征点的空间三维坐标(x，y，z)与坐标原点(0，0，0)之间的距离：

用距离|D|减去距离的平均值D_mean，再经过傅里叶变换得到振动物体的频谱信息。

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