CN108225537A - 一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法 - Google Patents

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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

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Abstract

本发明涉及一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，通过内窥镜与CMOS高速相机结合，将内窥镜伸进待测微小物体机械结构内部，拍摄采集其内部振动的视频，并把拍摄到的视频上传至电脑，采用TEMA软件进行分析，从而测量到待测微小物体振动的各项数据。本发明无需将目标物体完全拆卸，而是拆开部分简易零件，即可将内窥镜伸入待测微小物体内部进行测量，简化了测量操作，提高了测量精度；而且，环境适应性强，可在有毒有害、高温、放射性及危险环境下对待测微小物体进行非接触式的振动测量；还具有测量对硬件条件要求低、操作简单等优点。

Description

一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法
技术领域
本发明涉及振动测量与分析的技术领域，尤其涉及到一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法。
背景技术
从广义上说振动是指描述***状态的参量(如位移、电压)在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学***中的振动，指物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的往复运动。
振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。现有的振动测量技术中，主要利用各种应变片和加速度传感器的接触式测量方法以及利用激光干涉技术和多普勒雷达的非接触式测量方法。其中又以加速的传感器等接触式测量方法为主，现实应用中存在效率低下，布线麻烦，负载效应影响测量结果准确性等一系列无法满足多种试验条件的问题。
随着高速摄影技术和数据传输存储技术逐步发展，数字相机的拍摄速度越来越快，得到的图像越来越精细相机成本也逐步下降，同时计算机的图像处理分析技术也发展迅速，非接触式基于高速摄影的振动测量方法得到越来越广泛的应用，能够适应多种试验环境，例如高温、高压、捕捉微小振动量等。
现有技术中已有非接触式基于影像的振动测量方法，如专利申请号：CN201611119112.4，申请日：2016年12月8日，专利名称：一种非接触式高铁路基振动测量***，该申请案公开一种非接触式高铁路基振动测量***，该装置包括条码尺、光学成像***、嵌入式位移传感器，计算机终端显示模块以及通讯模块。条码尺上设置交替相间的黑白条码，黑条码宽度各不相同，且相邻两黑条码的中间距相等；光学成像***按照预先设定的周期获取条码尺实时图像；嵌入式成像***按照预先设定的周期获取条码尺实时图像；嵌入式位移传感器包括条码图像采集与传输模块、信息接收与处理模块,条码图像采集与传输模块与光学成像***连接对黑条码信息进行采集,信息接收与处理模块对采集的信息进行A/D转换并处理获取黑条码所对应的实际位置，以此可以获得高铁路基的振动数据。该申请在一定程度上具有非接触、测量范围宽，不改变被测物体振动特性等优点，但是该申请中测量元件繁多，安装复杂，适合测量较大的物体，难以满足狭小空间微小元件的振动测量要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可环境适应性强、无需将目标物体完全拆卸、对硬件条件要求低、操作简单、非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
内窥镜与CMOS高速相机结合，将内窥镜伸进待测微小物体机械结构内部，拍摄采集其内部振动的视频，并把拍摄到的视频上传至电脑，采用TEMA软件进行分析，从而测量到待测微小物体振动的各项数据。
其具体步骤如下：
S1、拍摄前在用镊子为待测微小物体粘贴不发光、不发热以及无辐射的标记点；
S2、固定待测的微小物体，连接电脑与CMOS高速相机，打开电脑上高速相机专用成像软件，调整相机方向，使待测微小物体在电脑上清晰成像；
S3、将内窥镜伸入待测微小物体机械结构内部，采用CMOS高速相机对待测微小物体机械结构内部的振动情况进行拍摄，得到振动视频；
S4、截取视频的第一帧图像，选取平面标记点所在的图像区域，依据标记点识别算法，识别出平面标记的范围区域；
S5、以平面标记点的中心为坐标原点分别在物体上和图像中建立两个坐标系oxy和ouv，根据测量的采样点间的实际和识别出的标记点特征范围区域在图像上的尺寸，计算CMOS高速相机标定的投影矩阵M；
S6、由CMOS高速相机配套软件PCC保存所拍摄到振动的视频，同时另存为若干帧数的图像，并编号；
S7、测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1；利用分析软件TEMA对视频进行处理，得到采样点在图像坐标系下2D坐标，通过测量得到采样点在实际坐标系下的2D坐标，根据计算得到的投影矩阵M，计算图像上每一个像素所代表的实际物理坐标；
S8、通过TEMA软件获得每一帧图像特征中心采样点的位置以及采样点随时间改变后的位置；
S9、将所有图像上的采样点的位移信息分解到x、y轴上，得到待测微小物体振动的位移曲线；
S10、对位移信息做一阶微分运算得到速度信息，从而得到待测微小物体振动的速度曲线；对速度信息做一阶微分运算得到加速度信息，从而得到待测微小物体振动的加速度曲线；
S11、据获得的位移、速度、加速度信息，进行快速傅里叶变换运算得到频域信息，得到振动的频谱；再根据时域和频域信息，计算目标物体的振动模态、监控工作状态。
进一步地，步骤S5中CMOS高速相机标定的投影矩阵M的计算公式如下：
其中，s为比例因子，令其为1，则
将采样区域中的三个采样点的坐标值代入上式中得到关于mpq(p＝1、2、3,q＝1、2、4)的一次方程组，利用高斯消元法求解得到M矩阵内部的各个元素系数的值，从而求得CMOS高速相机标定的投影矩阵M。
进一步地，步骤S7中计算图像上每一个像素所代表的实际物理坐标的公式如下：
得，
其中，(u，v)表示任意一帧图像中的任何一点，(x，y)为(u，v)映射到实际场景的物理坐标。
进一步地，步骤S8获取每一帧图像特征中心采样点的位置以及采样点随时间改变后的位置的具体步骤如下：将其余第一帧图像中的对应的采样点的图像特征中心进行比对，得到采样点的图像位移，设第j个采样点在第i帧图像中的图像坐标为(usij，vsij)，则第j个采样点的图像位移记为duv，计算公式为：
进一步地，内窥镜与CMOS高速相机结合拍摄视频时采用氙灯冷光源增加拍摄环境周围的亮度。
与现有技术相比，本方案原理如下：
内窥镜与CMOS高速相机结合，将内窥镜伸进待测微小物体机械结构内部，拍摄采集其内部振动的视频，并把拍摄到的视频上传至电脑，采用TEMA软件进行分析，从而测量到待测微小物体振动的各项数据。
与现有技术相比，本方案的优点如下：
1.无需将目标物体完全拆卸，而是拆开部分简易零件，即可将内窥镜伸入待测微小物体内部进行测量，简化了测量操作，同时提高了测量精度。
2.环境适应性强，可在有毒有害、高温、放射性及危险环境下对待测微小物体进行非接触式的振动测量。
3.测量对硬件条件要求低，操作简单。
4.采用TEMA图像分析软件和高速相机进行辅助测量，大大提高了图像处理的精度。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1所示，本实施例所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，具体步骤如下：
S1、拍摄前在用镊子为待测微小物体粘贴不发光、不发热以及无辐射的标记点；
S2、固定待测的微小物体，连接电脑与CMOS高速相机，打开电脑上高速相机专用成像软件，调整相机方向，使待测微小物体在电脑上清晰成像；
S3、将内窥镜伸入待测微小物体机械结构内部，采用CMOS高速相机对待测微小物体机械结构内部的振动情况进行拍摄，得到振动视频；
S4、截取视频的第一帧图像，选取平面标记点所在的图像区域，依据标记点识别算法，识别出平面标记的范围区域；
S5、以平面标记点的中心为坐标原点分别在物体上和图像中建立两个坐标系oxy和ouv，根据测量的采样点间的实际和识别出的标记点特征范围区域在图像上的尺寸，计算CMOS高速相机标定的投影矩阵M。
计算公式如下：
其中，s为比例因子，令其为1，则
将采样区域中的三个采样点的坐标值代入上式中得到关于mpq(p＝1、2、3,q＝1、2、4)的一次方程组，利用高斯消元法求解得到M矩阵内部的各个元素系数的值，从而求得CMOS高速相机标定的投影矩阵M。
S6、由CMOS高速相机配套软件PCC保存所拍摄到振动的视频，同时另存为若干帧数的图像，并编号；
S7、测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1；利用分析软件TEMA对视频进行处理，得到采样点在图像坐标系下2D坐标，通过测量得到采样点在实际坐标系下的2D坐标，根据计算得到的投影矩阵M，计算图像上每一个像素所代表的实际物理坐标；
计算公式如下:
得，
其中，(u，v)表示任意一帧图像中的任何一点，(x，y)为(u，v)映射到实际场景的物理坐标。
S8、通过TEMA软件获得每一帧图像特征中心采样点的位置以及采样点随时间改变后的位置；
将其余第一帧图像(未开始振动时)中的对应的采样点的图像特征中心进行比对，得到采样点的图像位移，设第j个采样点在第i帧图像中的图像坐标为(usij，vsij)，则第j个采样点的图像位移记为duv，计算公式为：
S9、将所有图像上的采样点的位移信息分解到x、y轴上，得到待测微小物体振动的位移曲线；
S10、对位移信息做一阶微分运算得到速度信息，从而得到待测微小物体振动的速度曲线；对速度信息做一阶微分运算得到加速度信息，从而得到待测微小物体振动的加速度曲线；
S11、据获得的位移、速度、加速度信息，进行快速傅里叶变换运算得到频域信息，得到振动的频谱；再根据时域和频域信息，计算目标物体的振动模态、监控工作状态。
本实施例一次可对高速相机拍摄视场内的多个采样点的振动视频同时进行采集，分别建立实际目标物体以及相机图像的坐标系，TEMA可以同时至多对五个点进行振动信息的采集，通过少量采样点获得实际物体与图像间的对应关系矩阵，从而将图像上的任意一点的图像坐标、位移映射出实际坐标，修正后的实际坐标再次输入到TEMA软件中可得到实际的位移振动曲线，以及其他振动信息。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：内窥镜与CMOS高速相机结合，将内窥镜伸进待测微小物体机械结构内部，拍摄采集其内部振动的视频，并把拍摄到的视频上传至电脑，采用TEMA软件进行分析，从而测量到待测微小物体振动的各项数据。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：测量待测微小物体振动的具体步骤如下：
S1、拍摄前在用镊子为待测微小物体粘贴不发光、不发热以及无辐射的标记点；
S2、固定待测的微小物体，连接电脑与CMOS高速相机，打开电脑上高速相机专用成像软件，调整相机方向，使待测微小物体在电脑上清晰成像；
S3、将内窥镜伸入待测微小物体机械结构内部，采用CMOS高速相机对待测微小物体机械结构内部的振动情况进行拍摄，得到振动视频；
S4、截取视频的第一帧图像，选取平面标记点所在的图像区域，依据标记点识别算法，识别出平面标记的范围区域；
S5、以平面标记点的中心为坐标原点分别在物体上和图像中建立两个坐标系oxy和ouv，根据测量的采样点间的实际和识别出的标记点特征范围区域在图像上的尺寸，计算CMOS高速相机标定的投影矩阵M；
S6、由CMOS高速相机配套软件PCC保存所拍摄到振动的视频，同时另存为若干帧数的图像，并编号；
S7、测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1；利用分析软件TEMA对视频进行处理，得到采样点在图像坐标系下2D坐标，通过测量得到采样点在实际坐标系下的2D坐标，根据计算得到的投影矩阵M，计算图像上每一个像素所代表的实际物理坐标；
S8、通过TEMA软件获得每一帧图像特征中心采样点的位置以及采样点随时间改变后的位置；
S9、将所有图像上的采样点的位移信息分解到x、y轴上，得到待测微小物体振动的位移曲线；
S10、对位移信息做一阶微分运算得到速度信息，从而得到待测微小物体振动的速度曲线；对速度信息做一阶微分运算得到加速度信息，从而得到待测微小物体振动的加速度曲线；
S11、据获得的位移、速度、加速度信息，进行快速傅里叶变换运算得到频域信息，得到振动的频谱；再根据时域和频域信息，计算目标物体的振动模态、监控工作状态。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：所述步骤S5中CMOS高速相机标定的投影矩阵M的计算公式如下：
其中，s为比例因子，令其为1，则
将采样区域中的三个采样点的坐标值代入上式中得到关于mpq(p＝1、2、3,q＝1、2、4)的一次方程组，利用高斯消元法求解得到M矩阵内部的各个元素系数的值，从而求得CMOS高速相机标定的投影矩阵M。
4.根据权利要求2所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：所述步骤S7中计算图像上每一个像素所代表的实际物理坐标的公式如下：
得，
其中，(u，v)表示任意一帧图像中的任何一点，(x，y)为(u，v)映射到实际场景的物理坐标。
5.根据权利要求2所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：所述步骤S8获取每一帧图像特征中心采样点的位置以及采样点随时间改变后的位置的具体步骤如下：将其余第一帧图像中的对应的采样点的图像特征中心进行比对，得到采样点的图像位移，设第j个采样点在第i帧图像中的图像坐标为(usij，vsij)，则第j个采样点的图像位移记为duv，计算公式为：
6.根据权利要求2所述的一种非接触式的基于高速摄影的微小物体振动测量方法，其特征在于：所述内窥镜与CMOS高速相机结合拍摄视频时采用氙灯冷光源增加拍摄环境周围的亮度。
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