CN1776358A

CN1776358A - 一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法

Info

Publication number: CN1776358A
Application number: CN 200510096411
Authority: CN
Inventors: 宁铎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2006-05-24

Abstract

本发明涉及广泛应用的非接触式位移和形变测量方法的改进，特别是关于一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法。其特征是：它利用计算机通过软件对处于被测物体周围空间一定位置的摄像头连续采集的被测物体轮廓线的图像信号进行分析处理，从而获得物体位移或形变的有关数据，进而根据需要绘制出任意方向的位移或形变随时间变化的曲线，并根据需要可重现整个测量期间任意方向物体位移或形变过程的真实图像记录。它测量准确、信息量大、成本低廉、操作使用方便。

Description

一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法

技术领域

本发明涉及广泛应用的非接触式位移和形变测量方法的改进，特别是关于一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法。

背景技术

在生产过程的自动控制系统及测量仪器中，目标物体位移或形变的信号采集是对其实施控制或测量的首要任务。而目前主要检测的形式有接触式和非接触式传感器两种，虽然非接触式比接触式有着更优越的性能而被广泛应用，如目前常用的磁滞收缩位移传感器、光纤位移传感器及激光型位移传感器等，但均因其成本太高(几千到几万元)而使应用受到限制。当采用霍尔线性传感器虽然成本低，但又因其测量范围太小(约15mm)及对工作环境的一些特定要求也未能被推广应用。而且目前位移或形变的测量方法，一般的也仅能测量一维的位移或形变的数据。随着科学技术的发展，许多情况下更需要知道物体二维、三维甚至任意方向的位移或形变数据随着时间变化的曲线(时域分析)、包括整个测量物体位移或形变过程的真实图像记录等。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式测量物体在三维空间位移或形变的新方法，它测量准确、信息量大、成本低廉、操作使用方便。

本发明的技术方案是：提供一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：

本发明的特点是：它利用计算机通过软件对1-3台处于不同空间位置的摄像头连续采集的代表物体轮廓(如各条棱线)的图像信号(不管是通过USB口、VIDEO口或是其他计算机接口输入的图象信号)进行分析处理，从而获得物体位移或形变的有关数据，进而根据需要绘制出任意方向的位移或形变随时间变化的曲线。还可根据需要重现整个测量过程任意方向物体位移或形变过程的真实图像记录，而这一点对于科学研究中对照数据分析进而找出事物的内在规律尤为重要。因为本方法充分利用了目前飞速发展的摄像技术与计算机对图像信号处理技术的成果，所以整个系统包括PC机也仅几千元，仅是一个非接触式光纤传感器的1/2价格。摄像头输出的信号直接进入计算机进行数据处理，免去了目前对传感器采集到的信号进行放大及A/D转换等复杂过程，整个系统仅由计算机和一个或几个安置在被测空间的几只摄像头所组成，成本低廉，操作使用方便，它比接触式测量，测量准确、信息量大，对检测环境无特殊要求，适用范围广、提供信息量丰富。目前该技术主要受限之处是对于高速运动的物体(如高频震动器的加速度的检测)以及非平动物体的位移或形变等这些理论上同样可以测量的情况还不能进行有效测量，其主要原因是受到现有摄像及信号传输速度等因素的限制。但随着科学技术的发展和这些问题的逐步解决，这种方法将在物体位移或形变的测量中发挥主导的作用，在今后相当一个时期内，它将会成为物体位移或形变测量的一个主要的、最佳的的方法之一。

下面结合实施例附图对本实用新型做进一步说明。

附图说明：

图1是实施例1皮革收缩温度仪中测量皮革样品在未收缩时采集电压信号示意图。

图2是实施例1皮革样品在水中受热时收缩形变后采集的电压信号示意图。

图3是实施例2摄像头提供的被测物体初始位置图形电压信号示意图。

图4是实施例2摄像头提供的被测物体位移后图形电压信号示意图。

具体实施方式

实施例1是皮革收缩温度测试过程中最简单的皮革的一维收缩形变为例进行说明。按国家标准，将3×50mm的皮革等样品在5g砝码恒拉力下置于水中按要求升温曲线加热，在试验中样品山羊皮为白色，所以背景为电饭锅的黑色。将一个摄像头正对着样品，其位置保证样品的整体轮廓全部被摄入，摄像头不断的给计算机提供采集到的样品的轮廓线信号；系统启动后计算机如果获得如图1所示的皮革样品尺寸，当样品样品加热到一定温度时，其化学键发生断裂，从而引起样品变形收缩，计算机根据摄象头连续提供的图象信号中一行信号波形如图2所示进行处理后，从而得到皮革样品收缩的对应具体数据；一旦得到图中所示的ΔL值按国家规定收缩变化3％即大于1..5mm时所对应的温度即为收缩温度，此时计算机做出判断并发出指令，将此刻温度锁定并显示即可完成被测皮革样品的收缩温度的检测目标，并储存被测物体图象，以被随时调取查看编辑。又利用软件实现对被测物体形变数据的求导，从而获得在被测物体该形变方向皮革收缩的加速度数据。

另外，如果需要不但检测皮革样品的长度变化、而且还需要检测皮革样品的宽度变化，即二维检测时，仍然用一个摄像头可取得两维信号，即用一帧图像的其中一行图像信号获得被测物体的宽，用此帧图象中具有被测物体信号的行的个数获得被测物体的长。

如果需要不但检测皮革样品的长度变化、宽度变化，而且还需要检测皮革样品的厚度变化，即三维检测时，这时既可用二个摄像头可取得物体形变的三维信号，也可用三个摄像头取得物体形变的三维信号。当用两个摄像头实现三维信号采集时，新增加的一个摄像头应安装在同一个平面内和前一个摄像头垂直的位置，这时从新增加的摄像头提供的图象信号中可获得被测物体的厚度；当用三个摄像头实现三维信号采集时，再增加的第三个摄像头应安装在和原来两个摄像头都垂直的位置，这时就可以只从三个摄像头分别输出的其中一行信号的图像中获得被测物体的长、宽、厚三维空间的各自数据，不需要再用第一个摄像头提供的一帧图象中具有被测物体信号的行的个数表示被测物体的长。从而减小软件对数据处理的工作量。

图1和图2是皮革收缩温度仪中测量皮革样品在水中受热时收缩形变电压信号示意图。其检测原理如下：如果第N祯图象中某行信号波形如图1所示，根据图象的采集及显示原理，可以算出该物体现在的宽度L1，在第N+1祯图像中该行信号波形如图2所示，同样可以算出该物体现在的宽度L2，则根据图像的采集及显示的工作原理可以算出该物体的宽度在此时间段内变化为ΔL＝L1--L2，依次类推即可知道该物体一维形变随着时间的变化曲线和数据。

图3和图4是实施例2摄像头提供的位移图形电压信号示意图。它的被测物体是刚体在一维位移时用一个摄像头正对着被测物体，不断的给计算机提供采集到的样品的轮廓线信号；系统启动后计算机如果获得如图2所示的波形，计算机根据摄像头连续提供的图像信号中一行信号波形进行处理后，其检测原理如下：

如果第N祯图像中某行信号波形如图3所示，根据图像的采集及显示原理，可以算出该物体现在的位置坐标，在第N+1祯图像中该行信号波形如图4所示，则根据图像显示的工作原理可以算出该物体的位移ΔL，依次类推即可知道该物体一维位移随着时间的变化曲线和数据。

从所述实施例原理可以看出，物体位移或形变的检测方式比较相似。

一般为了便于提取物体位移或形变信号，应将被测物体置于一个与其颜色反差大的一种背景颜色前面，然后将三个摄像头置于相互垂直的被测物体周围合适位置(实际上在平面内互相垂直的二台摄像头也能达到同样效果，但是数据处理工作量增大，既要对行信号处理，又要对祯信号处理；权衡利弊，还是在硬件上多花一百余元买一个摄像头更合算，因为这样只对行信号处理即可满足要求)，这时用计算机通过专用软件分别对各个摄像头连续送来的图像信号进行处理和存储。经过分析处理后得到的被测物体外形各条棱线的三维坐标数据就是该时间段内物体位移或形变的一组数据，在需要时域分析时就可很方便的描出任意方向位移或形变随时间的变化曲线(或三维空间时域分析曲线)。而存储的图像则可随时调出来重现整个测量过程中物体任意视角位移或者形变的真实变化情况。从而实现了对于三维空间中的位移或形变在任意方向都可得到其时域分析曲线和对应一组数据及检测过程中物体立体位移或形变的真实重现的目标。在实际测量中，更多的是一维或二维(平面内)的位移或形变的检测，这时实际上如前所述只需要一个摄像头即可实现之。

常用的物体平动的位移检测实际上仅需要一个摄像头采集的图像信号即可实现。而对于三维空间任意方向的位移检测也仅需要二或者三个摄像头分别相互垂直的安置在被测物体周围合适位置即可实现。另外，还可根据需要将真实反映检测过程中物体位移的图像储存起来，以备随后分析测量数据时再对照调看，而这一点在科学研究对于一些数据的解释以及找出事物内在的规律性尤为重要。

经过查寻，截止目前未见采用这种方法代替传感器接触式或非接触式来测量位移或者形变的有关报道，对于采用激光—摄像测量物体位移的方法和本方法有着本质的不同，该方法是主动式，只能对专用激光照射区域中的物体部分采集其信号，而本方法是被动式，在自然光源下即可实现物体全部图像信号的采集，所以其结构要简单得多，但采集的图像数据又丰富得多。

对于物体在一定条件(温度、压力、湿度等)下所产生的二维形变检测仅需要用计算机对一个摄像头提供的图像信号进行分析处理后即可获得时域分析数据，或者画出平面内任意方向的形变随时间变化曲线。同样，对于三维空间任意方向的形变则需要在被测物体周围相互垂直的适当位置安装二个或者三个摄像头，然后用计算机对其采集的图像信号分别进行分析处理即可实现。同时还可将所采集的任意一幅图像根据需要可存储与计算机中，以备检测完后根据需要再重现整个检测过程的形变实况，为分析总结出事物内在的规律性提供有力的依据。对于物体在一定条件(温度、压力、湿度等)下所产生的二维形变检测仅需要用计算机对一个摄像头提供的图像信号进行分析处理后即可获得时域分析数据，或者画出平面内任意方向的形变随时间变化曲线。同样，对于三维空间任意方向的形变则需要在被测物体周围相互垂直的适当位置安装二个或者三个摄像头，然后用计算机对其采集的图像信号分别进行分析处理即可实现。同时还可将所采集的任意一幅图像根据需要可存储与计算机中，以备检测完后根据需要再重现整个检测过程的形变实况，为分析总结出事物内在的规律性提供有力的依据。

Claims

1、一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：它利用计算机通过软件对处于被测物体周围空间一定位置的摄像头连续采集的被测物体轮廓线的图像信号进行分析处理，从而获得物体位移或形变的有关数据，进而根据需要绘制出任意方向的位移或形变随时间变化的曲线，并根据需要可重现整个测量期间任意方向物体位移或形变过程的真实图像记录。

2、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的摄像头是1-3个。

3、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的摄像头是2个时，一个摄像头对着被测物体的正面，另一个摄像头对着被测物体的侧面，两个摄像头位置在同一平面内相互垂直。

4、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的摄像头是3个时，一个摄像头对着被测物体的正面，另一个摄像头对着被测物体的侧面，还有一个摄像头对着被测物体的顶面或底面，三个摄像头位置相互垂直。

5、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的软件实现对被测物体位移或者形变的求导，并可获得在被测物体位移方向的加速度数据。

6、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的被测物体放置在与其颜色反差大的背景前面。

7、根据权利要求1所述的一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法，其特征是：所述的被测物体用一个摄像头取得两维信号，即用一帧图像中行图缘信号获得被测物体的宽，用此帧图像中具有被测物体信号的行的个数获得被测物体长。