一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，該方法將RGB-D攝像機(jī)應(yīng)用到機(jī)械振動測量中，在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或者傳統(tǒng)接觸式傳感器的條件下，采集物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)定采樣間隔，以時間軸作為第四維坐標(biāo)，實(shí)時獲取振動物體表面所有點(diǎn)的四維振動信息，并可根據(jù)分析處理需要任意提取振動表面上單點(diǎn)、多點(diǎn)、線段或者局部面積的振動信息，分析其振動特性。該方法不僅測量效率高，實(shí)時性好，而且易于實(shí)現(xiàn)，測量成本低，使用效果好。
【專利說明】一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及振動測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種利用RGB-D攝像機(jī)實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]振動工程作為一門新興的工程學(xué)科，它與工業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)緊密相關(guān)。合理運(yùn)用這一學(xué)科的理論、技術(shù)與方法，可以創(chuàng)造出高效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。有害的振動會給機(jī)械工業(yè)和其他工業(yè)部門招致巨大的損失。因此利用振動工程的理論、技術(shù)和方法來研究振動特性，制定相應(yīng)的解決方案，對提高工業(yè)生產(chǎn)的效益和安全性具有重要的實(shí)際意義。
[0003]現(xiàn)代振動研究的基本內(nèi)容包括:振動設(shè)計、系統(tǒng)識別和環(huán)境預(yù)測三個方面:1、振動設(shè)計:在已知激勵的情況下，設(shè)計系統(tǒng)的振動特性，使它的響應(yīng)滿足所需要求；2、系統(tǒng)識別:在已知系統(tǒng)的激勵和響應(yīng)的條件下研究系統(tǒng)的特性，即用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的方法確定振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。若已知機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程的一般形式，系統(tǒng)識別則簡化為參數(shù)識別，參數(shù)識別可以在頻域內(nèi)進(jìn)行，也可以在時域內(nèi)進(jìn)行，有的則需要在頻域和時域內(nèi)同時進(jìn)行；3、環(huán)境預(yù)測:在已知系統(tǒng)的特性和響應(yīng)的條件下研究激勵。在機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)，為確保機(jī)械設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)控和診斷也引起了人們的重視。
[0004]現(xiàn)代振動研究的研究方法:振動測試是與理論分析計算結(jié)合采用的，在已知機(jī)械設(shè)備的動力學(xué)模型、外部激勵和工作條件的基礎(chǔ)上采集數(shù)據(jù)，借助振動理論知識，分析研究測量對象的動態(tài)特性、力學(xué)特性等。
[0005]振動測量的方法有多種，依據(jù)測振傳感器與被測物接觸與否，振動的測量可以分為接觸測量和非接觸測量。依據(jù)振動傳感器原理的不同，又可以分為加速度型、速度型和位移變化檢測型三種。其中加速度型和速度型屬于接觸測量型，使用時需將其固定在被測物體上，位移變化檢測型既可屬于接觸測量型也可屬于非接觸測量型。
[0006]1、接觸式測量:接觸式測量方法將傳感器安裝在選定的測量位置上，利用傳感器的測量原理(如:壓電式，電阻式，電動式等測量傳感器)完成信號量的轉(zhuǎn)換，獲取傳感器粘貼位置的振動數(shù)據(jù)。按照檢測頻率，加速度型測振傳感器主要用于中頻到高頻范圍，速度型測振傳感器主要用于中頻范圍，而位移檢測型主要用于直流到低頻范圍。接觸式測量存在以下幾點(diǎn)不足:(I)振動測量數(shù)據(jù)的維度低；(2)無法直接測量無傳感器位置振動信息，其他無傳感器位置只能借助數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測；(3)針對多點(diǎn)測量情況，只能依靠增加放置傳感器數(shù)量，或者進(jìn)行多次測量完成，增加了測量成本，降低了測量效率；(4)位移傳感器不適合測量大幅度振動，加速度與速度傳感器在低頻振動測量中誤差較大。
[0007]2、非接觸式測量:非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。典型的非接觸測量方法如激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機(jī)器視覺測量等等?，F(xiàn)有的機(jī)器視覺測量方法具體包括單目視覺、雙目立體視覺等測量方法。非接觸式測量存在以下幾點(diǎn)不足:(1)激光三角測量法、超聲測量法等設(shè)備復(fù)雜、昂貴，測量成本高；(2)利用可見光圖像的單目視覺測量方法受光照變化、陰影物體遮擋以及環(huán)境變化等因素的干擾較大；(3)雙目立體視覺測量方法需要通過識別標(biāo)記點(diǎn)才可以獲取標(biāo)記點(diǎn)處的三維振動信息，振動表面上無標(biāo)記點(diǎn)位置信息將無法直接進(jìn)行測量。
[0008]利用深度相機(jī)進(jìn)行場景深度信息測量是近年來興起的技術(shù)，這主要得益于深度圖攝像機(jī)的成本降低，特別是微軟推出的一款RGB-D攝像機(jī):Kinect，極大地激發(fā)了研究者將RGB-D攝像機(jī)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、娛樂、機(jī)械等各研究領(lǐng)域。
[0009]Kinect包含3個攝像頭，中間的鏡頭為RGB彩色攝像機(jī)，左右兩邊鏡頭分別為紅外線發(fā)射器和紅外線COMS攝像機(jī)，傳感器可以同時獲取RGB和深度圖像數(shù)據(jù)。Kinect深度成像的原理是利用光編碼(Light Coding)技術(shù)，其中，紅外線發(fā)射器與紅外線COMS攝像機(jī)成一定角度對準(zhǔn)目標(biāo)場景，而不均勻透明介質(zhì)放置于激光發(fā)射器鏡頭前，紅外線發(fā)射器發(fā)射一束紅外線透過不均勻介質(zhì)后在場景中形成激光散斑，CMOS紅外接收器獲取散斑圖像，并根據(jù)Kinect內(nèi)部參數(shù)運(yùn)用數(shù)學(xué)三角關(guān)系換算成深度值。傳感器以每秒30幀的速度生成深度圖像流，結(jié)合深度圖圖像坐標(biāo)和小孔成像原理，實(shí)時獲取測量視場內(nèi)的物體表面的二維信息。
[0010]與其它傳統(tǒng)的接觸式傳感器、非接觸式傳感器相比，Kinect深度相機(jī)的優(yōu)勢在于:(1)一次性獲取場景中所有點(diǎn)的四維信息；(2)無需借助識別其它標(biāo)記點(diǎn)即可獲取場景點(diǎn)的三維信息；(3)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性好；(4) Kinect拍攝獲取的深度圖分辨率較高；(5)獲取深度信息時受光照影響??；(6) Kinect價格低廉，使用成本低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，該方法不僅測量效率高，實(shí)時性好，而且易于實(shí)現(xiàn)，測量成本低，使用效果好。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，包括以下步驟:
(1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機(jī)散斑測距原理對振動物體表面進(jìn)行測量，獲取振動物體表面所有點(diǎn)的深度信息，每個點(diǎn)的深度信息與深度圖上對應(yīng)的X、y圖像坐標(biāo)通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機(jī)坐標(biāo)空間中，即在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息(X，Y, Z)；
(2)獲取四維信息:根據(jù)所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，實(shí)時記錄各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息，即得到振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)；
(3)提取目標(biāo)測量點(diǎn):根據(jù)實(shí)際需要提取振動表面上任意位置的點(diǎn)、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(2)包括以下步驟:
(2.1)根據(jù)攝像機(jī)幀率/與采樣時間間隔Λ ?成反比例的關(guān)系，由所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λ ? ;
(2.2)利用所述RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，每隔時間Λ t采集一次振動數(shù)據(jù)，實(shí)時記錄下各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息；(2.3)根據(jù)四維時空坐標(biāo)的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標(biāo)軸組成四維時空坐標(biāo)系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標(biāo)系表達(dá)，獲得振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟(3)包括如下步驟:
(3.1)根據(jù)分析需要選取分析數(shù)據(jù)的時間間隔tU，，tU，> tU'
(3.2)根據(jù)分析需要確定振動表面上的點(diǎn)、線或者局部面積在振動表面上的位置；
(3.3)根據(jù)步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標(biāo)位置處的四維信息，分析目標(biāo)位置在時域、頻域的振動變化規(guī)律；
(3.4)構(gòu)造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點(diǎn)云垂直相交，振動表面上目標(biāo)位置的點(diǎn)或線位于該截面與點(diǎn)云相交位置處，將虛擬截面一側(cè)的點(diǎn)云去除，即可直觀地觀察目標(biāo)位置的點(diǎn)或線的振動變化。
[0015]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是將RGB-D攝像機(jī)應(yīng)用于振動測量中，在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或者傳統(tǒng)接觸式傳感器的條件下，即可采集到物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再加上時間坐標(biāo)，即可實(shí)時獲得振動物體表面的四維振動信息，并可根據(jù)分析處理需要提取振動表面任意位置的單點(diǎn)、多點(diǎn)、線段或者局部面積的振動信息，分析其振動特性，克服了傳統(tǒng)接觸式傳感器振動測量和雙目立體視覺測量中測量維度低、無法直接測量無傳感器或無標(biāo)記點(diǎn)處振動信息、測量成本高、測量效率低等不足，不僅測量效率高，易于實(shí)現(xiàn)，測量成本低，而且振動信息的采集受光照影響很小，測量低頻信號穩(wěn)定性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中RGB-D攝像機(jī)測量振動信號模型圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中各個時刻下的點(diǎn)云以及目標(biāo)點(diǎn)Λ四維振動信息的提取原理圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中目標(biāo)點(diǎn)弋提取結(jié)果的直觀表現(xiàn)形式示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中目標(biāo)點(diǎn)Λ的X、Y、Z坐標(biāo)隨時間變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，包括以下步驟:
(1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機(jī)散斑測距原理對振動物體表面進(jìn)行測量，獲取振動物體表面所有點(diǎn)的深度信息，每個點(diǎn)的深度信息與深度圖上對應(yīng)的X、y圖像坐標(biāo)通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機(jī)坐標(biāo)空間中，即在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息(X，Y, Z)；
(2)獲取四維信息:根據(jù)所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，實(shí)時記錄各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息，即得到振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)，具體包括以下步驟:
(2.1)根據(jù)攝像機(jī)幀率/與采樣時間間隔Λ ?成反比例的關(guān)系，由所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λ ? ;
(2.2)利用所述RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，每隔時間Λ t采集一次振動數(shù)據(jù)，實(shí)時記錄下各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息；
(2.3)根據(jù)四維時空坐標(biāo)的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標(biāo)軸組成四維時空坐標(biāo)系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標(biāo)系表達(dá)，獲得振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)。
[0021](3)提取目標(biāo)測量點(diǎn):根據(jù)實(shí)際需要提取振動表面上任意位置的點(diǎn)、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性，具體包括如下步驟:
(3.1)根據(jù)分析需要選取分析數(shù)據(jù)的時間間隔tU，，tU'
(3.2)根據(jù)分析需要確定振動表面上的點(diǎn)、線或者局部面積在振動表面上的位置； (3.3)根據(jù)步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標(biāo)位置處的四維信息，分析目標(biāo)位置在時域、頻域的振動變化規(guī)律；
(3.4)構(gòu)造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點(diǎn)云垂直相交，振動表面上目標(biāo)位置的點(diǎn)或線位于該截面與點(diǎn)云相交位置處，將虛擬截面一側(cè)的點(diǎn)云去除，即可直觀地觀察目標(biāo)位置的點(diǎn)或線的振動變化。
[0022]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]1、如圖1所示，RGB-D攝像機(jī)選用微軟開發(fā)的Kinect型號RGB-D攝像機(jī)，振動物體選用鋼薄板，鋼薄板一端固定，一端施加以頻率從5至15Hz變化的正弦激勵F，使鋼板產(chǎn)生振動。
[0024]2、利用Kinect攝像機(jī)的散斑測距原理獲取攝像機(jī)視野中的振動表面所有點(diǎn)的深度信息(depth value)，各個時刻下所有的深度信息分別用一張深度圖表示，每個深度值在深度圖上都有對應(yīng)的x、y圖像坐標(biāo)(X，y)o
[0025]3、分別標(biāo)定深度攝像機(jī)和彩色攝像機(jī)，獲取它們的內(nèi)部參數(shù):焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)、畸變參數(shù)，利用標(biāo)定所得到的內(nèi)部參數(shù)，通過小孔成像原理將所有的圖像坐標(biāo)(X，y)映射到相機(jī)坐標(biāo)空間中，獲取振動表面點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)(X，Y)，在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或接觸式傳感器的條件下即可獲取振動物體表面上所有點(diǎn)的三維信息(X，Y, Z)(Z坐標(biāo)等于深度值)。
[0026]4、如圖2所示，由RGB-D攝像機(jī)的幀率f設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Δ t,實(shí)時記錄下各個時刻振動表面的三維信息，并用四維時空坐標(biāo)系表達(dá)振動表面信息:(x，Y, Z,
t)o
[0027]4.1根據(jù)攝像機(jī)幀率f與采樣時間間隔Λ t成反比例的關(guān)系，由RGB-D攝像機(jī)的幀率f設(shè)定好振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔ΔΙ。
[0028]4.2利用Kinect攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，每隔時間Λ t采集一次振動數(shù)據(jù)，實(shí)時記錄下各個時刻振動表面的三維信息。
[0029]4.3根據(jù)四維時空坐標(biāo)的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標(biāo)軸組成四維時空坐標(biāo)系，將各個時刻下的三維振動信息用四維時空坐標(biāo)系表達(dá)，即可獲取振動表面上所有的點(diǎn)的四維信息:(X，Y, Z, t)。
[0030]5、獲取整個振動表面的四維信息后，研究者根據(jù)實(shí)際需要提取振動表面上任意位置的點(diǎn)、線或局部面積的振動信息進(jìn)行針對性研究。
[0031]5.1根據(jù)分析需要選取分析數(shù)據(jù)時間間隔、t，，ti+l = h + (i=0, I, 2，…，°°), t0=0, Δ ? 7 > Δ t0[0032]5.2根據(jù)分析需要確定振動表面上的點(diǎn)、線或者局部面積在振動表面上的位置，如圖2實(shí)例中，選擇振動表面上Λ點(diǎn)處分析。
[0033]5.3根據(jù)5.1,5.2兩個步驟所確定的位置和時間間隔，提取振動表面上目標(biāo)位置處的四維信息，分析目標(biāo)位置在時域、頻域的振動變化規(guī)律。
[0034]5.4如圖2所示，構(gòu)造一個虛擬的平面截面A與各個時刻下的點(diǎn)云垂直相交，振動表面上目標(biāo)位置的點(diǎn)或者線位于該截面與點(diǎn)云相交位置處，將虛擬截面一側(cè)的點(diǎn)云去除，就可直觀地觀察目標(biāo)位置的點(diǎn)或者線的振動變化，如圖3、圖4所示。
[0035]6、對提取的點(diǎn)進(jìn)行振動曲線分析、振動信號頻譜分析等數(shù)據(jù)分析處理，為下一步的深入分析振動物體力學(xué)性能做準(zhǔn)備。
[0036]7、在同等的振動激勵條件和振動測量對象下，用接觸式力傳感器和Bumblebee2雙目立體攝像機(jī)分別進(jìn)行振動測量，獲取的結(jié)果與Kinect獲取的振動測量結(jié)果進(jìn)行對比，在振動頻率不超過15Hz的情況下，對比誤差不超過0.6mm。
[0037]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機(jī)散斑測距原理對振動物體表面進(jìn)行測量，獲取振動物體表面所有點(diǎn)的深度信息，每個點(diǎn)的深度信息與深度圖上對應(yīng)的X、y圖像坐標(biāo)通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機(jī)坐標(biāo)空間中，即在不借助任何標(biāo)記點(diǎn)或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息(X，Y, Z)； (2)獲取四維信息:根據(jù)所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，實(shí)時記錄各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息，即得到振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)； (3)提取目標(biāo)測量點(diǎn):根據(jù)實(shí)際需要提取振動表面上任意位置的點(diǎn)、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特征在于，所述步驟(2)包括以下步驟: (2.1)根據(jù)攝像機(jī)幀率/與采樣時間間隔Λ ?成反比例的關(guān)系，由所述RGB-D攝像機(jī)的幀率/設(shè)定振動數(shù)據(jù)采樣時間間隔Λ ? ; (2.2)利用所述RGB-D攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，每隔時間Λ t采集一次振動數(shù)據(jù)，實(shí)時記錄下各時刻振動物體表面所有點(diǎn)的三維信息； (2.3)根據(jù)四維時空坐標(biāo)的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標(biāo)軸組成四維時空坐標(biāo)系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標(biāo)系表達(dá)，獲得振動物體表面所有點(diǎn)的四維信息(X，Y, Z, t)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特征在于，所述步驟(3)包括如下步驟: (3.1)根據(jù)分析需要選取分析數(shù)據(jù)的時間間隔LOO Lt-' (3.2)根據(jù)分析需要確定振動表面上的點(diǎn)、線或者局部面積在振動表面上的位置； (3.3)根據(jù)步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標(biāo)位置處的四維信息，分析目標(biāo)位置在時域、頻域的振動變化規(guī)律； (3.4)構(gòu)造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點(diǎn)云垂直相交，振動表面上目標(biāo)位置的點(diǎn)或線位于該截面與點(diǎn)云相交位置處，將虛擬截面一側(cè)的點(diǎn)云去除，即可直觀地觀察目標(biāo)位置的點(diǎn)或線的振動變化。
【文檔編號】G01H9/00GK103837225SQ201410109377
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】何炳蔚, 沈恒華, 呂翱, 雷阿唐 申請人:福州大學(xué)