CN112432693B - 一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法及装置，溯源方法中，利用计算机生成具有标准正弦振动激励的运动目标，通过高刷新率输出设备以视频播放的形式输出；采集与成像设备采集目标的运动序列图像，并利用机器视觉方法测量不同采集时刻的目标位移；然后基于精确的显示器输出位置取整误差模型对机器视觉方法测量的目标位移进行修正；最后通过对机器视觉方法测量不确定源引入不确定度分量的评定，实现机器视觉低频振动位移峰值与特定位置相位测量的量值溯源。本方法有效避免了机械加工、运动控制等因素引起的非理想正弦振动的影响，解决了现有溯源方法量值溯源误差链长，需多次量值传递的不足。

Description

一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法及装置
技术领域
本发明属于振动测量与校准领域，更为具体地讲，尤其涉及一种机器视觉低频振动测量的溯源方法。
背景技术
基于机器视觉的低频振动测量广泛用于风力发电、地震、形变、桥梁及建筑结构安全等领域的振动监测。为更好地满足实际工程应用的需求，需要对机器视觉测量方法进行量值溯源，在给定测量值时应给出对应的测量不确定度。溯源是振动测量的核心环节，对于实现国际量值等效与国内量值传递，提高振动测量精度具有重大意义。因此，研究一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法对于提高机器视觉测量精度变得尤为重要。
目前，常用的低频振动测量方法包括接触式传感器测量方法与非接触式光学测量方法，后者进一步分为激光干涉法与机器视觉法。传感器测量方法需通过多次量值传递将其量值溯源至激光干涉法。激光干涉法通常以激光干涉测量、环境噪声、采集设备等因素为主要的测量不确定度源，通过评估方法评定各不确定度分量实现量值溯源。激光干涉法的测量量值溯源至长度量(激光波长)，需要进行二次量值传递，很难满足现场振动测量量值溯源的需求。随着机器视觉方法在低频振动测量中的广泛使用，对其量值溯源变得至关重要。通常，考虑采集与成像设备的分辨率与帧率、采集与成像设备标定、运动特征提取、外部光照特性等不确定度源，建立机器视觉方法的溯源误差链，实现量值溯源。传统溯源方法不得不将被测低频振动作为测量不确定度源，然后受到机械加工、运动控制等因素的影响，被测低频振动将增长溯源误差链。本发明方法提出基于标准正弦振动激励的机器视觉低频振动测量量值溯源，能够缩短机器视觉低频振动测量的溯源误差链，实现机器视觉方法的量值扁平化传递。
因此，针对目前溯源方法的溯源误差链较长，不得不进行多次量值传递等不足，本发明提出一种高效、灵活、低成本的机器视觉低频振动测量溯源方法，有利于机器视觉方法的现场振动测量量值溯源。
发明内容
针对目前对于机器视觉低频振动测量的量值溯源误差链长、难以用于现场振动测量量值溯源等不足，本发明提供了一种有效、灵活的机器视觉低频振动测量溯源方法，包括：
标准正弦振动激励运动目标的生成：利用计算机生成0.01～10Hz频率范围内不同运动位移的标准正弦振动激励，并通过高刷新率输出设备以视频播放的形式输出运动目标；
基于机器视觉的运动目标位移测量及修正：采集与成像设备采集目标的运动序列图像，然后通过机器视觉方法从运动序列图像中解算不同采集时刻的运动目标位移，并通过精确的显示器取整位置误差模型实现运动目标位移的修正；
机器视觉低频振动测量主要不确定度源引入的不确定度分量评定：以外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合等影响量作为主要的测量不确定源，依据各不确定源的概率分布实现不确定度分量的评定，并考虑重复测量引入的不确定度；
机器视觉低频振动测量的量值溯源结果：通过计算的各不确定度分量获得机器视觉低频振动测量的合成与扩展测量不确定度，建立机器视觉方法的溯源误差链，保存与显示溯源结果。
进一步地，所述溯源方法包括以下步骤，
S1：利用计算机生成低频范围内不同频率与位移峰值的标准正弦振动激励运动目标，并通过高刷新率输出设备的显示器以视频播放的形式输出，摄像机采集目标的运动序列图像；
S2：通过机器视觉方法从序列图像中解算目标在不同采集时刻的位移，基于显示器输出目标位置取整误差模型进行位移修正，然后通过正弦逼近法拟合修正后的位移获得目标位移峰值与特定位置的相位；
S3：考虑外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合等测量不确定源引入的不确定度分量，依据各分量的概率分布选择不同的评估方法实现各分量的不确定度评定；
S4：通过各不确定度源的不确定度分量建立溯源误差链，获得机器视觉低频振动测量的合成与扩展测量不确定度，保存与显示溯源结果。
进一步地，所述标准正弦振动激励运动目标为基于Matlab生成的具有特定频率与位移峰值的视频，单周期内的图像数目TNum、振动频率fv及视频帧率Fr满足：
TNum＝Fr/fv (1)
每帧图像的刷新时间为1/Fr。fv范围为0.01～10Hz、对应的位移峰值设定为40～400显示器像素。
进一步地，所述基于机器视觉的标准正弦振动运动目标位移测量，具体包括：
(1)目标运动序列图像的采集
采集与成像设备采集一定帧数与周期的目标运动序列图像Fj(x,y)，j＝1,2,...,N，采集时间内的图像数目N能够充分反映目标的运动特性，采集与成像设备的视场包含整个周期内的运动目标；
(2)不同采集时刻的运动目标位移测量
采用亚像素边缘检测方法提取目标运动序列图像的运动特征边缘，选取特定位置的目标图像运动特征边缘作为零位移参考边缘，通过计算序列图像运动特征边缘与参考边缘的距离获得采集时刻tj的运动目标位移s(tj)。
进一步地，显示器只能在整像素位置输出运动目标，除零位及最大与最小位置外，其余位置的运动目标均存在取整误差，为修正由显示器输出位置取整引入的误差，定义单周期内的取整误差序列为：
Δs(tj)＝int[sp-psin(ωv(TNumtj)-π/2)]-sp-psin(ωv(TNumtj)-π/2) (2)
其中，int为取整运算，sp-p为机器视觉方法测量的运动目标最大位移，ωv为振动角频率。则修正后的机器视觉方法测量位移为：
s'(tj)＝s(tj)+Δs(tj) (3)
式中：s'(tj)为修正后的tj时刻运动目标位移。利用正弦逼近法拟合s'(tj)获得运动目标的位移峰值与特定位置的相位。
进一步地，选择外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合等影响量作为机器视觉低频振动测量的主要测量不确定源，并依据概率分布评定相应的不确定度，建立机器视觉低频振动测量的溯源误差链，解算机器视觉方法的标准正弦振动激励位移峰值与特定位置相位的测量不确定度，实现机器视觉方法的量值溯源。
进一步地，利用所述方法实现的用于机器视觉低频振动测量的溯源装置，包括：采集与成像设备固定装置(1)、采集与成像设备(2)、标准正弦振动激励运动目标(3)、高刷新率输出设备(4)、图像传输设备(5)、处理与显示单元(6)。
采集与成像设备固定装置(1)用于固定采集与成像设备(2)，使其光轴垂直于高刷新率输出设备(4)的显示器；标准正弦振动激励运动目标(3)由高刷新率输出设备(4)的显示器输出；采集与成像设备(6)用于采集标准正弦振动激励运动目标(3)的运动序列图像；图像传输设备(5)传输采集的运动序列图像；处理与显示单元(6)处理采集的运动序列图像，保存与显示溯源结果。
本发明机器视觉低频振动测量的溯源方法具有如下优势：
⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可适用于不同型号与参数的采集与成像设备的低频振动测量量值溯源。
⑵本发明方法通过精确的误差模型修正机器视觉方法测量的标准正弦振动激励位移，极大地提高了测量精度。
⑶本发明方法溯源过程简单、灵活、***成本低，通过标准正弦振动激励减少了测量不确定源，缩短了溯源误差链，无需二次量值传递。
⑷本发明方法属于低频振动测量的溯源方法，有利于机器视觉方法现场振动测量的量值溯源。
附图说明
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
附图2为一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法流程图；
附图3为机器视觉低频振动测量的测量不确定度评定流程图；
附图4为机器视觉方法测量的标准正弦振动激励位移峰值结果图；
附图5为机器视觉方法测量的标准正弦振动激励特定位置相位结果图。
具体实施方式
为解决现有机器视觉振动测量的量值溯源问题，本发明提供了一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法，本发明方法通过建立宽频率范围内的机器视觉低频振动测量溯源误差链，实现了机器视觉低频振动测量的量值扁平化传递，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：采集与成像设备固定装置(1)、采集与成像设备(2)、标准正弦振动激励运动目标(3)、高刷新率输出设备(4)、图像传输设备(5)、处理与显示单元(6)。其特征在于：采集与成像设备固定装置(1)用于固定采集与成像设备(2)，使其光轴垂直于高刷新率输出设备(4)的显示器；标准正弦振动激励运动目标(3)由高刷新率输出设备(4)的显示器输出；采集与成像设备(6)用于采集标准正弦振动激励运动目标(3)的运动序列图像；图像传输设备(5)传输采集的运动序列图像；处理与显示单元(6)处理采集的运动序列图像，保存与显示溯源结果。
参考图2为一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法流程图。本发明溯源方法主要包括以下步骤：
步骤S10：利用计算机生成0.01～10Hz范围内不同位移峰值的标准正弦振动激励运动目标，并由高刷新率设备的显示器输出，摄像机采集运动目标的运动序列图像；
步骤S20：通过机器视觉方法从序列图像中解算不同采集时刻的运动目标位移，基于显示器输出位置取整误差模型修正不同采集时刻的运动目标位移，然后通过正弦逼近法拟合修正后的位移获得运动目标位移峰值与特定位置相位；
步骤S30：依据概率分布选择不同的评估方法对外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合等引入的不确定度分量进行评定；
步骤S40：通过获得的各不确定度分量求解机器视觉低频振动测量的合成与扩展测量不确定度，保存与显示溯源结果。
参考图3为机器视觉低频振动测量的测量不确定度评定流程图。本发明测量不确定度评定包括如下步骤：
步骤S51：求解机器视觉方法多次测量的运动目标位移峰值均值与特定位置相位的均值；
步骤S52：分析运动目标位移峰值与特定位置相位的测量模型；
步骤S53：引入机器视觉低频振动测量的测量不确定度源；
步骤S54：各测量不确定源引入不确定度分量的概率分布是否已知；
步骤S55：若不确定度分量的概率分布未知，则采用基于多次实验的蒙特卡罗方法评定其不确定度，否则跳转至步骤S56；
步骤S56：根据概率分布类型的不同，选择A类或B类评估方法评定其不确定度；
步骤S57：依据运动目标的测量模型求解相应的灵敏度系数；
步骤S58：计算各不确定分量之间的相关系数，若独立，相关系数为0；
步骤S59：利用灵敏度系数与相关系数解算机器视觉方法的不确定度；
步骤S60：计算多次运动目标位移峰值与特定位置相位重复测量的标准差；
步骤S61：利用重复测量的标准差与各不确定度分量求解机器视觉方法的合成测量不确定度；
步骤S62：计算包含因子k＝2时的扩展测量不确定度。
本实施实例装置的具体参数为：频率范围为0.01～10Hz、最大单峰值位移为400DP的标准正弦振动激励运动目标，选用具有G-SYN技术与最高刷新率为200帧的显示设备输出标准正弦振动激励运动目标，工业摄像机选用最大分辨率为9百万像素、最大帧率为1000fps的IDT OS10-V3-4K，镜头焦距为25mm。
为验证本发明机器视觉低频振动测量的溯源方法有效性，利用本发明方法实现了0.01～10Hz频率范围内机器视觉方法的量值溯源。参考图4-5分别为机器视觉方法测量的运动目标位移峰值与特定位置相位结果图，对每个选择频率进行十次测量，图4(a)与4(b)所示分别为测量的位移峰值均值与相对标准差，图5(a)与5(b)所示分别为测量的0°位置相位均值与标准差。整个频率范围内，机器视觉方法测量的位移峰值相对标准差均不超过0.3％。测量的0°位置相位与真实的0°相位差小于0.04°，测量的0°位置相位最大标准差小于0.06°。
表1为机器视觉方法对标准正弦振动位移峰值与特定位置相位的测量不确定度源及对应的不确定度分量。各不确定度分量均不相关，则计算得到位移峰值与特定位置相位的扩展测量不确定度分别为0.38％与0.09°。
表1机器视觉方法低频振动测量的不确定度源及不确定度分量
Figure BDA0002737918480000061
Figure BDA0002737918480000071
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法，其特征在于：所述溯源方法包括以下步骤，
S1：利用计算机生成低频范围内不同频率与位移峰值的标准正弦振动激励运动目标，并通过高刷新率输出设备的显示器以视频播放的形式输出，摄像机采集目标的运动序列图像；
S2：通过机器视觉方法从序列图像中解算目标在不同采集时刻的位移，基于显示器输出目标位置取整误差模型进行位移修正，然后通过正弦逼近法拟合修正后的位移获得目标位移峰值与特定位置的相位；
S3：考虑外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合测量不确定源引入的不确定度分量，依据各分量的概率分布选择不同的评估方法实现各分量的不确定度评定；
S4：通过各不确定度源的不确定度分量建立溯源误差链，获得机器视觉低频振动测量的合成与扩展测量不确定度，保存与显示溯源结果；
显示器只能在整像素位置输出运动目标，除零位及最大与最小位置外，其余位置的运动目标均存在取整误差，为修正由显示器输出位置取整引入的误差，定义单周期内的取整误差序列为：
Δs(tj)＝int[sp-psin(ωv(TNumtj)-π/2)]-sp-psin(ωv(TNumtj)-π/2) (2)
其中，int为取整运算，sp-p为机器视觉方法测量的运动目标最大位移，ωv为振动角频率；则修正后的机器视觉方法测量位移为：
s'(tj)＝s(tj)+Δs(tj) (3)
式中：s'(tj)为修正后的tj时刻运动目标位移；利用正弦逼近法拟合s'(tj)获得运动目标的位移峰值与特定位置的相位。
2.根据权利要求1所述的一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法，其特征在于：
所述标准正弦振动激励运动目标为基于Matlab生成的具有特定频率与位移峰值的视频，单周期内的图像数目TNum、振动频率fv及视频帧率Fr满足：
TNum＝Fr/fv (1)
每帧图像的刷新时间为1/Fr；fv范围为0.01～10Hz、对应的位移峰值设定为40～400显示器像素。
3.根据权利要求1所述的一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法，其特征在于：
所述基于机器视觉的标准正弦振动运动目标位移测量，具体包括：
(1)目标运动序列图像的采集
采集与成像设备采集一定帧数与周期的目标运动序列图像Fj(x,y)，j＝1,2,…,N，采集时间内的图像数目N能够充分反映目标的运动特性，采集与成像设备的视场包含整个周期内的运动目标；
(2)不同采集时刻的运动目标位移测量
采用亚像素边缘检测方法提取目标运动序列图像的运动特征边缘，选取特定位置的目标图像运动特征边缘作为零位移参考边缘，通过计算序列图像运动特征边缘与参考边缘的距离获得采集时刻tj的运动目标位移s(tj)。
4.根据权利要求1所述的一种用于机器视觉低频振动测量的溯源方法，其特征在于：
选择外部光学特性、采集与成像设备参数及标定、环境噪声、边缘提取、直线拟合影响量作为机器视觉低频振动测量的测量不确定源，并依据概率分布评定相应的不确定度，建立机器视觉低频振动测量的溯源误差链，解算机器视觉方法的标准正弦振动激励位移峰值与特定位置相位的测量不确定度，实现机器视觉方法的量值溯源。
5.利用权利要求1所述方法实现的用于机器视觉低频振动测量的溯源装置，其特征在于：
包括：采集与成像设备固定装置(1)、采集与成像设备(2)、标准正弦振动激励运动目标(3)、高刷新率输出设备(4)、图像传输设备(5)、处理与显示单元(6)；
采集与成像设备固定装置(1)用于固定采集与成像设备(2)，使其光轴垂直于高刷新率输出设备(4)的显示器；标准正弦振动激励运动目标(3)由高刷新率输出设备(4)的显示器输出；采集与成像设备(2 )用于采集标准正弦振动激励运动目标(3)的运动序列图像；图像传输设备(5)传输采集的运动序列图像；处理与显示单元(6)处理采集的运动序列图像，保存与显示溯源结果。
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