專利名稱：擺動(dòng)物體周期測(cè)量的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種涉及周期測(cè)量的裝置及方法，尤其是一種測(cè)量擺動(dòng)物體周期的裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，公知的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其擺動(dòng)檢測(cè)裝置是由光源和光電轉(zhuǎn)換器件組成，當(dāng)擺動(dòng)物體在光源和光電轉(zhuǎn)換器件之間通過時(shí)，光電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，是一種間斷和離散測(cè)量方式，電脈沖通過數(shù)據(jù)線傳到數(shù)據(jù)處理裝置，經(jīng)計(jì)算后得到擺動(dòng)周期。但是，有時(shí)待測(cè)的擺動(dòng)物體不方便或不能在其前后分別放置光源和光電轉(zhuǎn)換器件，如大型的擺動(dòng)物體和后方?jīng)]有放置光源或光電轉(zhuǎn)換器件支架的空間位置。公知的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置是以脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)算周期的，其測(cè)量只是對(duì)擺動(dòng)特定位置的檢測(cè)，不能連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)擺動(dòng)的各個(gè)位置，因此檢測(cè)不到外界對(duì)擺動(dòng)的擾動(dòng)影響，無法探知擺動(dòng)物體是否做正常擺動(dòng)，也無法給出擺動(dòng)曲線，如果擺動(dòng)出現(xiàn)異常，無法在檢測(cè)結(jié)束后離線分析被檢測(cè)物體的擺動(dòng)情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種不僅能測(cè)量公知方法能測(cè)量的擺動(dòng)物體的擺動(dòng)周期，而且能測(cè)量出復(fù)雜環(huán)境擺動(dòng)物體的擺動(dòng)周期，給出實(shí)時(shí)擺動(dòng)曲線，并保存擺動(dòng)情況數(shù)據(jù)，供對(duì)擺動(dòng)情況的離線分析使用。
為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案擺動(dòng)檢測(cè)裝置采用二維攝像裝置，它能連續(xù)實(shí)時(shí)探測(cè)到二維平面內(nèi)物體擺動(dòng)的位置，數(shù)據(jù)處理裝置采用數(shù)字處理器，它能將擺動(dòng)檢測(cè)裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的加工處理，擺動(dòng)檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置由數(shù)據(jù)傳輸線相連。
所述的擺動(dòng)檢測(cè)裝置使用CMOS攝像頭，所述的數(shù)據(jù)處理裝置使用個(gè)人計(jì)算機(jī)，所述的數(shù)據(jù)傳輸線使用USB接口的數(shù)據(jù)傳輸線。
擺動(dòng)檢測(cè)方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，首先將擺動(dòng)物體從靜止背景中檢測(cè)出來，消除背景；其次搜索定位擺動(dòng)物體，計(jì)算出擺動(dòng)物體的坐標(biāo)值，繪制擺動(dòng)曲線；然后判斷擺動(dòng)物體擺動(dòng)的位移極大值位置，并計(jì)算周期；最后保存擺動(dòng)情況的數(shù)據(jù)，供離線分析擺動(dòng)情況使用。
所述的將擺動(dòng)物體從靜止背景中檢測(cè)出來使用三幅圖像消除背景方法，所述的物體搜索定位使用向量匹配算法，所述的判斷擺動(dòng)位移極大值位置的方法采用相鄰三點(diǎn)極大值判斷方法。
本發(fā)明擺動(dòng)物體的周期測(cè)量裝置及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比教有如下有益效果1.使用二維數(shù)字?jǐn)z像裝置，接收物體反射或發(fā)出的光，因此不需要公知檢測(cè)裝置中的測(cè)量光源部分，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，能測(cè)量光源不易放置的擺動(dòng)物體的擺動(dòng)；2.二維數(shù)字?jǐn)z像裝置可以采集擺動(dòng)物體的二維實(shí)時(shí)信息，為數(shù)據(jù)加工處理裝置提供更多的信息，過去的間斷和離散測(cè)量方式，要在累計(jì)3至30次擺動(dòng)周期結(jié)束后，才給出一個(gè)累積的時(shí)間和平均擺動(dòng)周期，要對(duì)于多個(gè)測(cè)量累積的時(shí)間和平均擺動(dòng)周期的相差數(shù)值比較來衡量擺動(dòng)物體的周期波動(dòng)性，進(jìn)而估計(jì)出擺動(dòng)物體的機(jī)械加工精度和現(xiàn)在的磨損狀況，而本發(fā)明能實(shí)時(shí)連續(xù)觀察到擺動(dòng)的不均勻性，對(duì)于單個(gè)和相鄰的以及整體的擺動(dòng)的幅度和周期的波動(dòng)，都能立即從顯示的振動(dòng)曲線上觀察到，尤其是振動(dòng)曲線上的每個(gè)振幅最大值變化十分鮮明；3.數(shù)據(jù)加工處理裝置使用數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取物體擺動(dòng)曲線，計(jì)算擺動(dòng)周期，并方便將結(jié)果數(shù)據(jù)保存起來供離線分析使用。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是實(shí)施例中待測(cè)擺動(dòng)物體；圖3是搜索定位擺動(dòng)物體所用匹配矩陣；圖4是使用本方法的軟件界面。
圖中待測(cè)物體機(jī)械節(jié)拍器1 攝像頭2 USB傳輸線3 個(gè)人計(jì)算機(jī)4 節(jié)拍器固定支架及靜止背景5 節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6節(jié)拍器擺動(dòng)桿7 搜索定位匹配矩陣8 擺動(dòng)監(jiān)視原始窗口9擺動(dòng)檢測(cè)顯示窗口10 參數(shù)設(shè)定窗口11 周期和擺動(dòng)曲線顯示窗口12
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
在圖1中，攝像頭2將拍攝到的機(jī)械節(jié)拍器1的正面圖像信息數(shù)字化后，經(jīng)過USB傳輸線3送到個(gè)人計(jì)算機(jī)4中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。個(gè)人計(jì)算機(jī)使用軟件來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中的算法。
軟件的設(shè)計(jì)和工作原理如下圖4是Windows操作系統(tǒng)下的軟件界面，界面分成4部分9是擺動(dòng)監(jiān)視原始窗口，用來顯示攝像頭實(shí)時(shí)拍攝的節(jié)拍器圖像；10是擺動(dòng)檢測(cè)顯示窗口，用來顯示對(duì)節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的跟蹤檢測(cè)結(jié)果圖像，圖中與圖像其他區(qū)域顏色有區(qū)別的區(qū)域塊12是實(shí)時(shí)顯示的檢測(cè)到的節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的位置；11是參數(shù)設(shè)定窗口，用于設(shè)置和控制測(cè)量過程中的參數(shù)；12是周期和擺動(dòng)曲線顯示窗口。
本實(shí)施例中擺動(dòng)檢測(cè)過程如下(1)靜止背景的消除及擺動(dòng)部分的圖像信息提取采集兩幅時(shí)間上相鄰且靠近左位移極大值位置的圖像，再采集一幅靠近右位移極大值位置的圖像，將前兩幅圖像對(duì)應(yīng)象素進(jìn)行相減得到新的圖像1，此圖像除前兩幅圖像有差異的象素外，其余象素為零，即兩幅圖像的運(yùn)動(dòng)區(qū)象素值不為零；將圖像1不為零的象素用第三幅圖相應(yīng)位置的象素替換，得到背景圖像信息。將背景圖像信息保存起來，對(duì)以后每幅由攝像頭實(shí)時(shí)采集回的圖像進(jìn)行減背景處理，再對(duì)所得的圖像象素進(jìn)行二值化處理，即絕對(duì)值大于50的象素置為255(白色)，小于等于50的象素置為0(黑色)，這樣就得到了擺動(dòng)過程圖像中運(yùn)動(dòng)部分的瞬時(shí)圖像信息，如圖4的10。
(2)對(duì)單幅圖像中擺的位置進(jìn)行搜索定位本實(shí)施例以節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6為搜索定位對(duì)象。圖2中的周期調(diào)節(jié)塊具有近似正方形的形狀，并且經(jīng)二值化后象素值大部分為255，因此設(shè)置卷積用矩陣核為圖3中的8。矩陣的寬度和高度與節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的寬度和高度相近，比擺動(dòng)桿的寬度寬，這樣避免錯(cuò)誤的檢測(cè)到擺桿，準(zhǔn)確檢測(cè)出節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的位置。使用矩陣核8對(duì)整幅圖像做卷積處理，在卷積計(jì)算過程中同時(shí)對(duì)卷積最大值的位置進(jìn)行記錄，并在卷積完畢后將最大值附近9×9大小區(qū)域的象素置為黃色。卷積過程是以卷積核的中心元素作為卷積中心，所以該黃色區(qū)域即近似為節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的位置。同時(shí)用位置信息在周期和擺動(dòng)曲線顯示窗口12中繪制擺動(dòng)曲線。
(3)連續(xù)擺動(dòng)過程中位移極大值位置的確定和周期的計(jì)算在上一處理過程中，節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的位置已經(jīng)被探測(cè)并記錄下來。本發(fā)明利用三幅圖像來進(jìn)行節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的位移最大值的檢測(cè)和判斷，其原理和過程如下設(shè)X1、X2、X3分別為本幀、前一幀、前兩幀圖像中節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6的水平坐標(biāo)位置，如果滿足X2＞X3并且X2＞X1，則可以判定X2是擺動(dòng)過程中右端位移極大值的水平坐標(biāo)。同理，如果滿足X2＜X3并且X2＜X1，則可以判定X2是擺動(dòng)過程中左端位移極大值的水平坐標(biāo)。
記錄下第1次和第11次節(jié)拍器擺速調(diào)節(jié)塊6處于左位移極大值的時(shí)間，計(jì)算出擺動(dòng)周期的平均值，顯示在周期和擺動(dòng)曲線顯示窗口12中。最后將所得的數(shù)據(jù)以文件的形式保存起來。本發(fā)明裝置中的攝像頭采集頻率為20幀/秒，算法采用10個(gè)周期取平均值求平均周期，檢測(cè)精度為0.01秒。如果提高攝像頭的采集頻率和求平均周期用的周期個(gè)數(shù)，可以提高檢測(cè)精度。
權(quán)利要求
1.一種擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，包括擺動(dòng)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和連接兩部分的數(shù)據(jù)傳輸線，其特征是，所述擺動(dòng)檢測(cè)裝置采用二維攝像裝置，它能實(shí)時(shí)探測(cè)到二維平面內(nèi)物體擺動(dòng)的位置，所述數(shù)據(jù)處理裝置采用數(shù)字處理器，它能將擺動(dòng)檢測(cè)裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的加工處理，所述擺動(dòng)檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置由數(shù)據(jù)傳輸線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其特征是，所述的擺動(dòng)檢測(cè)裝置使用CMOS攝像頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其特征是，所述的數(shù)據(jù)處理裝置使用個(gè)人計(jì)算機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其特征是，所述的數(shù)據(jù)處理裝置可以記錄下擺動(dòng)數(shù)據(jù)，提供擺動(dòng)情況的離線分析數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其特征是，所述的數(shù)據(jù)處理裝置可以實(shí)時(shí)顯示擺動(dòng)曲線，監(jiān)視擺動(dòng)情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量裝置，其特征是，所述的數(shù)據(jù)傳輸線使用USB接口的數(shù)據(jù)傳輸線。
7.一種擺動(dòng)物體周期測(cè)量方法，包括對(duì)擺動(dòng)物體擺動(dòng)的探測(cè)和周期的計(jì)算，其特征是，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，首先將擺動(dòng)物體從靜止背景中檢測(cè)出來；然后搜索定位擺動(dòng)物體，計(jì)算出擺動(dòng)物體的坐標(biāo)值，繪制擺動(dòng)曲線；最后判斷擺動(dòng)物體擺動(dòng)的位移極大值位置，并計(jì)算周期。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量方法，其特征是，所述的將擺動(dòng)物體從靜止背景中檢測(cè)出來使用三幅圖像消除背景方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量方法，其特征是，所述的物體搜索定位使用向量匹配算法。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的擺動(dòng)物體周期測(cè)量方法，其特征是，所述的判斷擺動(dòng)位移極大值位置的方法采用相鄰三點(diǎn)極大值判斷方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的擺動(dòng)物體周期測(cè)量的裝置及方法，利用本發(fā)明可以對(duì)大型擺動(dòng)物體和不適合在后面安裝檢測(cè)光源的擺動(dòng)物體進(jìn)行周期測(cè)量，并且在測(cè)量擺動(dòng)周期的同時(shí)給出擺動(dòng)曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)[動(dòng)過程，記錄保存擺動(dòng)過程數(shù)據(jù)，供測(cè)量結(jié)束后離線分析擺動(dòng)情況本發(fā)明通過如下技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)用攝像裝置連續(xù)實(shí)時(shí)的拍攝擺動(dòng)物體，將數(shù)字化圖像信息通過USB數(shù)據(jù)線傳送到個(gè)人計(jì)算機(jī)，個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行消除背景擺動(dòng)檢測(cè)定位判斷擺動(dòng)位移極大值位置等處理，計(jì)算出擺動(dòng)物體的擺動(dòng)周期，在屏幕中繪制出擺動(dòng)曲線，并將數(shù)據(jù)保存，供對(duì)擺動(dòng)情況的離線研究分析用。
文檔編號(hào)G01C11/00GK1801007SQ200510100158
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月10日
發(fā)明者薄利軍, 利莉, 鄭貫天, 鄭衛(wèi)東, 鄭瓊 申請(qǐng)人:鄭貫天