舒新煒,楊　波（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093）

測(cè)試技術(shù)

基于雙目立體視覺(jué)的低頻振動(dòng)測(cè)量

舒新煒,楊波
（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093）

為了滿足物體振動(dòng)的測(cè)量要求,基于雙目立體視覺(jué)測(cè)量的原理,設(shè)計(jì)了一套可以在線采集、離線處理的非接觸式低頻振動(dòng)測(cè)量的視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)濾波去除噪聲,采用Canny算子和最小二乘法橢圓擬合提取到標(biāo)志點(diǎn)的輪廓和中心坐標(biāo),在已知特征點(diǎn)的空間分布規(guī)律的條件下,通過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)排序方式,對(duì)左右視圖對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的匹配,獲得了特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。最后對(duì)比每一幀圖像中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),得到待測(cè)物的振動(dòng)信息。通過(guò)直線導(dǎo)軌作為振動(dòng)源帶動(dòng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該系統(tǒng)的檢測(cè)精度達(dá)到±0.15 mm/m以上,基本滿足低頻振動(dòng)測(cè)量的穩(wěn)定可靠、精度高等要求。

雙目立體視覺(jué)；振動(dòng)；非接觸式；離線處理

引 言

振動(dòng)測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一,隨著現(xiàn)代工業(yè)制造水平的發(fā)展,大型結(jié)構(gòu)件和復(fù)雜裝備的動(dòng)態(tài)測(cè)試在重大裝備的科學(xué)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。在能源領(lǐng)域,風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型葉片的振動(dòng)測(cè)試是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié),發(fā)電機(jī)的整體振動(dòng)測(cè)試能夠有效反映整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在汽車領(lǐng)域,發(fā)動(dòng)機(jī)和車身主要結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)測(cè)試能夠有效改進(jìn)車輛的整體舒適性。在航空領(lǐng)域,發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試。

傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量一般為接觸式測(cè)量,或者為非接觸式的多普勒式激光測(cè)量。接觸式測(cè)量安裝過(guò)程較復(fù)雜,且易對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,多普勒式激光測(cè)量適用于單點(diǎn),或者待測(cè)區(qū)域較小的情況。對(duì)于較大面積、多點(diǎn)的待測(cè)對(duì)象,上訴兩種方法都不適用。非接觸式測(cè)量是指不接觸被測(cè)物體的前提下進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量,這種方式具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）排除接觸測(cè)量對(duì)柔性物體測(cè)量的人為受力干擾；（2）可以測(cè)量一些不可接觸的物體,如輻射體等；（3）采集速度較快。

目前常用的非接觸式測(cè)量方法有激光測(cè)量和雙目立體測(cè)量等。激光測(cè)量的方法利用干涉原理,精度可達(dá)到μm級(jí),但是視場(chǎng)較小,不適合于大型被測(cè)物。雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)是在計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型非接觸測(cè)量技術(shù),它具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高的顯著優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為測(cè)量方面的研究熱點(diǎn)。全燕鳴等基于雙目視覺(jué)對(duì)工件尺寸進(jìn)行了在機(jī)三維測(cè)量［1］,郭俊鋒等通過(guò)內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)了雙目測(cè)量系統(tǒng)［2］,其系統(tǒng)測(cè)量誤差在±0.2 mm。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別振動(dòng)測(cè)量方法,該方法以雙目視覺(jué)原理為基礎(chǔ),在待測(cè)物表面貼適當(dāng)?shù)奶卣鳂?biāo)志點(diǎn),借用OpenCV開源函數(shù)庫(kù),同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度測(cè)量的目的。

1　雙目視覺(jué)系統(tǒng)

1.1雙目視覺(jué)原理

圖1為雙目視覺(jué)測(cè)量的基本原理［3］。設(shè)左攝像機(jī)位于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)處,左攝像機(jī)坐標(biāo)系Ol-XlYlZl與世界坐標(biāo)系O-XYZ重合,左圖像坐標(biāo)系為OlXlYl,有效焦距為fl；右攝像機(jī)坐標(biāo)系Or-XrYrZr,右圖像坐標(biāo)系為Or-XrYr,有效焦距為fr?？臻g標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心P（Xw,Yw,Zw）在兩個(gè)攝像機(jī)像面的像點(diǎn)分別為Pl（ul,vl）、Pr（ur,vr）,它們之間滿足式:

式中:z1和z2為比例系數(shù)；sxl和syl分別為左相機(jī)圖像水平和垂直的尺度因子；u0l和v0l為左相機(jī)像素坐標(biāo)系下圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)；fxl和fyl為左相機(jī)在X和Y方向上的焦距；sxr和syr分別為右相機(jī)圖像水平和垂直的尺度因子；u0r和v0r為右相機(jī)像素坐標(biāo)系下圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)；fxr和fyr為右相機(jī)在X和Y方向上的焦距；Ml和Mr分別為左右相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；Rlr和tlr為右攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于左相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量；RT為相機(jī)的外部參數(shù)矩陣,由Rlr和tlr組成。在已知Ml、Mr、Rlr、tlr以及P點(diǎn)在左右圖像上位置Pl（ul,vl）、Pr（ur,vr）的條件下,根據(jù)式（1）中的幾何關(guān)系可以確定空間點(diǎn)P的三維坐標(biāo)［4］。

1.2雙目視覺(jué)系統(tǒng)搭建

本文提出的雙目視覺(jué)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由工業(yè)相機(jī)組、圖像采集端、光源、相機(jī)支架、數(shù)據(jù)處理終端組成。雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由于待測(cè)物大小不同,需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)攝像機(jī)視場(chǎng)大小,因此兩相機(jī)的間距固定為0.8 m,角度為4級(jí)可調(diào),4個(gè)角度分別為50.3°、62.8°、78.7°、82.4°,共有3組鏡頭,焦距分別為25 mm、75 mm、105 mm,根據(jù)不同的視場(chǎng)范圍選擇合適焦距的鏡頭,待測(cè)物距離相機(jī)支架中心0.5 m。

測(cè)量的流程如圖3所示,根據(jù)待測(cè)物的大小,確定對(duì)應(yīng)的相機(jī)鏡頭和相機(jī)角度后,對(duì)雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定,獲取相機(jī)組的內(nèi)外參數(shù),同步采集圖像,采集完成后循環(huán)讀取采集到的圖像,提取特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo),并做匹配,計(jì)算出該特征點(diǎn)的三維坐標(biāo),保存坐標(biāo)。

圖2　結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Photo of the system

圖3　測(cè)量流程Fig.3　Measuring process

圖4　標(biāo)定板Fig.4　Calibration plate

2　核心算法

要測(cè)量物體的振動(dòng),首先在待測(cè)物表面粘貼眾多的反光標(biāo)志點(diǎn),標(biāo)志點(diǎn)的空間分布為網(wǎng)格狀,測(cè)量每幀圖像各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo),對(duì)比所有圖像中相應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化,得到待測(cè)物的振動(dòng)信息。

2.1測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

理想的相機(jī)標(biāo)定是以針孔模型和透視投影為基礎(chǔ),但實(shí)際中的鏡頭都存在一定的畸變。本文采用考慮畸變的非線性模型作為攝像機(jī)標(biāo)定的幾何模型［5］,基于張正友［6］、李洪海等［7］提出的標(biāo)定算法,使用棋盤格標(biāo)定板,見(jiàn)圖4。在標(biāo)定單個(gè)相機(jī)的基礎(chǔ)上,借用OpenCV的stereoCalibrate［8］函數(shù)對(duì)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

2.2標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別與定位

標(biāo)志點(diǎn)作為待測(cè)物表面上的參考點(diǎn),測(cè)量前先行粘貼于待測(cè)物的表面［9］。本文采用的是圓形的反光標(biāo)志點(diǎn)如圖5（a）所示,該標(biāo)志點(diǎn)的反光特性為按照入射光的方向反射光線,相機(jī)采集到的圖像中,標(biāo)志點(diǎn)具有較高的對(duì)比度,如圖5（b）所示。但實(shí)際采集到的圖像會(huì)有噪聲,在處理前先進(jìn)行濾波處理,濾波算子會(huì)影響到輪廓提取的精度,不合適的算子會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果,經(jīng)過(guò)試驗(yàn),本文采用3*3的高斯濾波。接著采用Canny算子在圖像中提取標(biāo)志點(diǎn)的輪廓,通常根據(jù)攝像機(jī)成像的原理,圓心標(biāo)志點(diǎn)的成像會(huì)變成橢圓,因此需要對(duì)圖像進(jìn)行橢圓擬合［10］,本文采用最小二乘法對(duì)邊緣輪廓進(jìn)行橢圓擬合［11］,如圖5（c）所示。由于實(shí)際環(huán)境中會(huì)有噪聲存在,擬合的橢圓中會(huì)有部分為非標(biāo)志點(diǎn),而對(duì)于特定視場(chǎng)下采集到的標(biāo)志點(diǎn)的圖像,標(biāo)志點(diǎn)所占的像素面積,輪廓像素量,圓形度等條件都是在固定范圍內(nèi)的,通過(guò)對(duì)上訴條件的約束,可達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的目的,如圖5（d）所示,以每個(gè)擬合的橢圓的中心作為該標(biāo)志點(diǎn)在圖像上的坐標(biāo)。

圖5　圓形標(biāo)志點(diǎn)及處理結(jié)果Fig.5　Circular landmark and processing results

2.3標(biāo)志點(diǎn)的匹配

由于標(biāo)志點(diǎn)有一定的面積,每行標(biāo)志點(diǎn)在圖像上的位置都在一定的范圍內(nèi),且與相鄰行區(qū)分較為明顯。因此,本文采用一種較為簡(jiǎn)單的空間排序方式。算法流程如圖6所示。經(jīng)過(guò)排序后,每個(gè)視圖的特征點(diǎn)都能準(zhǔn)確匹配。

圖6　匹配流程圖Fig.6　Matching process

3　實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法的有效性以及精度,以電控直線導(dǎo)軌產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)源。實(shí)驗(yàn)所需:兩臺(tái)性能參數(shù)完全一樣的Optronis公司的CL-600高速工業(yè)相機(jī),尼康105 mm定焦鏡頭,cameralink圖像采集卡,PI的M112-dg電控導(dǎo)軌,計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的圖像處理軟件。

將一塊100*100大小的鋁合金板固定在電動(dòng)導(dǎo)軌上作為待測(cè)物,在待測(cè)物表面貼6*7的網(wǎng)格分布的標(biāo)志點(diǎn),待測(cè)物距離相機(jī)固定架的中心約為0.7 m,相機(jī)視場(chǎng)范圍對(duì)角線約為0.2 m。調(diào)整好相機(jī)的角度后,使用棋盤格標(biāo)定板對(duì)相機(jī)組進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　標(biāo)定結(jié)果Tab.1　The result of calibration

在實(shí)際標(biāo)定中,相機(jī)夾角以及相機(jī)間距由于裝配的原因,實(shí)際值與理想值會(huì)有一定的偏差。由反投影計(jì)算得標(biāo)定誤差為0.8個(gè)像素,標(biāo)定結(jié)果較為準(zhǔn)確。

通過(guò)軟件控制電動(dòng)導(dǎo)軌,以0.1 mm的步距運(yùn)動(dòng),做20次重復(fù)試驗(yàn),測(cè)量系統(tǒng)同步采集圖像,實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。通過(guò)Canny算子檢測(cè)邊緣,使用最小二乘法對(duì)邊緣輪廓進(jìn)行橢圓擬合,并去除噪聲點(diǎn)。使用位置排序的方法,對(duì)橢圓的中心進(jìn)行配對(duì),并計(jì)算各匹配中心的三維坐標(biāo)值。計(jì)算相鄰兩幅圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的空間距離,圖8和表2為第1、10、20、30、40點(diǎn)測(cè)試結(jié)果與誤差分析。

圖7　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7　Experiment setup

表2　測(cè)量結(jié)果Tab.2　Measurement results

圖8　每點(diǎn)20組數(shù)據(jù)誤差Fig.8　20 groups of data error of every point

從表2和圖8中的數(shù)據(jù)可以看出,在視場(chǎng)范圍約為0.2 m條件下,標(biāo)志點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值基本一致,數(shù)據(jù)線性度較好,誤差小于0.03 mm,標(biāo)準(zhǔn)差小于0.013 mm,測(cè)量精度達(dá)到了±0.15 mm/m。

誤差產(chǎn)生的主要原因:

（1）相機(jī)標(biāo)定的誤差,由于相機(jī)標(biāo)定存在誤差,導(dǎo)致三維坐標(biāo)反算矩陣不十分準(zhǔn)確,影響后續(xù)的計(jì)算；

（2）圓心提取的誤差,本文的圓心提取精度只到亞像素級(jí),對(duì)后續(xù)計(jì)算有一定影響。

4　結(jié) 論

本文提出了一種基于雙目視覺(jué)的振動(dòng)測(cè)量方法,介紹了雙目視覺(jué)測(cè)量的構(gòu)成及工作原理,研究了系

統(tǒng)所采用的核心算法,包括相機(jī)的標(biāo)定,標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別、匹配,三維坐標(biāo)反算等。實(shí)驗(yàn)表明,測(cè)量精度達(dá)到了±0.15 mm/m,可滿足大多數(shù)振動(dòng)位移測(cè)量的要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的方法,本文方法還具有可適用于不同的視場(chǎng)范圍,不同待測(cè)物,不會(huì)對(duì)待測(cè)物造成影響的優(yōu)點(diǎn)。由于使用高速相機(jī)組,系統(tǒng)成本較高,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求和環(huán)境要求都高,因此還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

［1］ 全燕鳴,黎淑梅,麥青群.基于雙目視覺(jué)的工件尺寸在機(jī)三維測(cè)量［J］.光學(xué)精密工程,2013,21（4）:1054-1061.

［2］ 郭俊鋒,劉鵬,焦國(guó)華,等.三維測(cè)量工業(yè)內(nèi)窺鏡的雙目光學(xué)系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程,2014,22（9）:2337-2344.

［3］ 張廣軍.機(jī)器視覺(jué)［M］.北京:科學(xué)出版社,2005.

［4］ 馮宇.基于計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的三維重建系統(tǒng)研究［D］.青島:青島科技大學(xué),2009.

［5］ 王中任.大型工件在機(jī)視覺(jué)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué),2009.

［6］ ZHANG Z Y.A flexible new technique for camera calibration［J］.IEEE Transactions on pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000,22（11）:1330-1334.

［7］ 李洪海,王敬東.攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)研究［J］.光學(xué)儀器,2007,29（4）:7-12.

［8］ BRADSKI G,KAEHLER A.Learning Open CV［M］.Nanjing:Southeast University Press,2009.

［9］ 劉建偉,梁晉,梁新合,等.大尺寸工業(yè)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程,2010,18（1）:126-134.

［10］ 周艷青,薛河儒,姜新華.一種基于圓形標(biāo)志點(diǎn)的攝像機(jī)標(biāo)定方法［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35（1）:155-159.

［11］ 殷永凱,劉曉利,李阿蒙,等.圓形標(biāo)志點(diǎn)的亞像素定位及其應(yīng)用［J］.紅外與激光工程,2008,37（增刊）:47-50.

（編輯:劉鐵英）

The measurement of low frequency vibration based on stereo vision

SHU Xinwei,YANG Bo
（School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

In order to meet the requirement of vibration measurement,an online collection, offline processing of non-contact visual system of low frequency vibration measuring was designed based on the principle of binocular stereo vision.The filter was used for removing the noise and the Canny operator and the ellipse fitting based on the least squares were used for extracting the both of the contour and center coordinates of the feature points.Furthermore, according to the matching algorithm based on the epipolar constraint and the spatial distribution law of feature points,the 3D coordinate data of the feature points were obtained. Finally,the vibration information of the object was obtained by comparing the 3D coordinate data of the feature points in the each frame image.As a linear guide of the vibration source,an experiment to measure the low frequency vibration shows that the measurement accuracy can reach±0.15 mm/m.And it can satisfy the precision and efficiency demands of the low frequency vibration measuring.

stereo vision；vibration；non-contact；offline processing

TP 39

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.001

1005-5630（2016）02-095-05

2015-07-08

國(guó)家重大儀器專項(xiàng)（2013YQ470765）

舒新煒（1991—）,男,碩士研究生,主要從事機(jī)器視覺(jué)方面的研究。E-mail:james951@126.com

楊 波（1977—）,男,副研究員,主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)方面的研究。E-mail:yangbo@usst.edu.cn