嚴(yán)慧敏，何炳蔚

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州350003；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院機(jī)電系，福州350108）

0 引言

振動現(xiàn)象在機(jī)械工程中是一個不容忽視的現(xiàn)象，一方面會影響產(chǎn)品質(zhì)量并縮短設(shè)備的使用壽命，另一方面，人們可利用振動的原理測量工件的性能，探測工件是否損傷。因此，振動測量在機(jī)械工程領(lǐng)域中有著十分重要的作用。目前常用的振動測量方法有接觸式測量和非接觸式測量，這兩種方法均有局限性，接觸式測量需要在物體表面安裝傳感器，可能會給工件表面帶來損傷，而且一個很大的不足就是只能獲取安裝有傳感器位置的數(shù)據(jù)，如要獲取多個位置數(shù)據(jù)需要安裝多個傳感器。同時，測量時對工人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求較高，在被測物體表面形狀復(fù)雜時或惡劣環(huán)境下都給安裝傳感器帶來極大的不便。非接觸式測量不需要直接接觸振動物體表面，不會損傷工件表面，但是沒有做標(biāo)記點(diǎn)的位置的振動信息也無法獲得。雖然三維數(shù)字圖像相關(guān)性的應(yīng)用解決了表面所有點(diǎn)振動信息測量的問題［1－2］，但該方法要求被測物體表面要經(jīng)過精加工或者拋光，以提供所需的對比相關(guān)圖像。

本文提出利用Kinect傳感器獲取振動信息的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）單次測量便可獲取振動物體表面所有點(diǎn)的振動信息，大大提高了測量效率；2）實(shí)時獲取振動信息；3）無標(biāo)記、非接觸式測量，增加了復(fù)雜測量條件下的適應(yīng)性；4）測量成本低，Kinect傳感器的市場售價大約在人民幣1 000～2 000元之間［3］。

1 測量實(shí)驗(yàn)

1.1 Kinect傳感器測量原理

Kinect傳感器獲取深度信息采用的是光編碼（Light Coding）技術(shù)，即通過激光光源對待測空間進(jìn)行光學(xué)編碼，該技術(shù)給出的是一個具有三維縱深的“體編碼”，即激光散斑（Laser Speckle）技術(shù)。激光散斑具有高度隨機(jī)性，每一道光線都帶有編碼信息，隨著距離的不同，攝像機(jī)采集散斑陣列得到的圖案也不同，因此，空間中任意2個位置的散斑形狀都是不同的。將目標(biāo)物體置于該空間里，通過對該物體表面的散斑圖案進(jìn)行解碼即可得到目標(biāo)物的空間位置［4］。Kinect傳感器包含一個紅外激光發(fā)射器、紅外攝像頭和一個RGB攝像頭，獲取深度信息過程如下：首先，通過紅外激光發(fā)射器發(fā)射隨機(jī)和非重復(fù)的紅外激光斑點(diǎn)圖案到物體表面上，紅外CMOS攝像頭負(fù)責(zé)接收紅外發(fā)射器發(fā)射的信息，然后利用該反射信息計算出每個像素的深度值。在空間不同位置的目標(biāo)物離Kinect設(shè)備的距離不同，則反射回紅外CMOS攝像頭得到的結(jié)果與發(fā)射時的模版不同，通過匹配存儲在PS1080芯片的模版，從而計算出在Kinect視野范圍內(nèi)點(diǎn)的深度值。Kinect傳感器出廠時，參考的圖案就從一個已知距離的平面上獲得并存儲在相機(jī)的存儲器里。紅外激光點(diǎn)在任何不透明的物體表面產(chǎn)生的紅外位移圖像與參考圖案的投影進(jìn)行比較，這些位移用來計算目標(biāo)點(diǎn)K的偏移值。通過測量所有點(diǎn)的偏移值，可得到一幅偏移圖像，利用公式 （1）［5］，就可以計算場景內(nèi)相應(yīng)像素的深度值。

式中：Zk為在對象空間的點(diǎn)K 的深度；Z0為參考平面的距離；f為紅外攝像機(jī)的焦距；b為基線長度；d為對應(yīng)的K點(diǎn)的偏移量。

3個參數(shù)Z0，f和b在攝像機(jī)出廠時就已經(jīng)標(biāo)定好。

為了避免直接采集三維振動數(shù)據(jù)帶來的存儲速度慢的問題，Kinect傳感器在測量振動時只采集被測物體表面的深度值，保存為深度圖像，即每個像素都存儲了對應(yīng)點(diǎn)的深度信息，每個像素點(diǎn)的圖像坐標(biāo)需轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（XK，YK，ZK），計算公式（2）［5］和公式（3）［5］如下：

式中：f為紅外攝像機(jī)的焦距；xk，yk為圖像中點(diǎn)K的坐標(biāo)；x0和y0為坐標(biāo)原點(diǎn)；?x和?y為鏡頭畸變校正系數(shù)。

這些參數(shù)可通過相機(jī)標(biāo)定獲得。

由此可計算場景中所有點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)（Xk，Yk，Zk），并得到整個表面的三維坐標(biāo)。Kinect傳感器的采集頻率為30Hz，所以，對于場景中的振動物體可以實(shí)時獲取物體表面深度的變化信息。

在測量動態(tài)物體表面信息時，Kinect傳感器每次拍攝中都可獲得物體表面上百萬個點(diǎn)的深度變化信息。與傳統(tǒng)視覺測距（如雙目立體測量）方法相比，Kinect傳感器實(shí)時獲取物體表面上所有點(diǎn)的深度值，其測量位置數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)視覺測量。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可將深度信息還原為三維數(shù)據(jù)，提高了測量維度。而且Kinect傳感器在測距時不需要在物體表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)，大大提高了測量效率，減少了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的麻煩。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，將Kinect傳感器用于振動測量，可大大提高測量的效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

測量實(shí)驗(yàn)用一臺UTG1402數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生一個穩(wěn)態(tài)低頻信號，信號經(jīng)過YE5872功率放大器放大，驅(qū)動電動式激振器SINOCERA JZK－20在懸臂薄鋼板末端產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)正弦激勵，振動板處于Kinect傳感器的有效視場和深度范圍內(nèi)。采集得到振動表面的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于深度測量的波動性和來自設(shè)備的誤差，獲得的原始點(diǎn)云是有噪聲的，因此，要對這些原始點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，通過融合點(diǎn)云庫PCL濾波算法與傅里葉擬合算法對初始點(diǎn)云進(jìn)行濾波與擬合，去除異常值，提取出所需要的點(diǎn)。預(yù)處理后，所有的點(diǎn)有較好的精度，方便下一步的數(shù)據(jù)處理。Kinect的拍攝幀速是30幀／s，即每隔1／30s采集一次數(shù)據(jù)，Kinect每采集一次點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就觸發(fā)計時器記錄下當(dāng)前時刻tn。三維坐標(biāo)以及采樣間隔為研究者提供大量的四維振動信息，這意味著根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可以實(shí)時提取表面任何一點(diǎn)的振動信息并進(jìn)行振動分析。圖1表示提取橫截面A上任意點(diǎn)M的四維振動信息，提取結(jié)果如圖2所示，其中t0為靜止?fàn)顟B(tài)。對選出M點(diǎn)的三維離散振動數(shù)據(jù)進(jìn)行時域信號擬合，擬合結(jié)果如圖3所示，圖中分別以X，Y和Z3個方向上的振動曲線表示。

圖1 提取點(diǎn)M的四維信息

圖2 截面上點(diǎn)M四維信息提取結(jié)果

2 測量結(jié)果比較

為了證明Kinect傳感器的測量精度，將Kinect傳感器測得的數(shù)據(jù)與力傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。所有的比較過程在相同振動條件下進(jìn)行。

圖3 M點(diǎn)的X，Y和Z方向的振動曲線

由于實(shí)驗(yàn)中的振動屬于低頻、幅度較大的振動，力傳感器在測量低頻振動時具有良好的頻率響應(yīng)特性，因此選用力傳感器作為比較對象。實(shí)驗(yàn)采用了一個st－01－10kg力傳感器。選擇在不同的頻率下進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。圖4為不同頻率下Kinect傳感器和力傳感器測得的幅頻曲線比較圖，通過比較這兩種測量方法的幅頻曲線，說明利用Kinect傳感器采集的幅頻特性數(shù)據(jù)與利用力傳感器所測得的數(shù)據(jù)相似。表1為Kinect和力傳感器在不同頻率下分別測得的振幅值。表2為二者測得振幅的誤差和相對誤差比，說明在一般精度要求的應(yīng)用場合中，Kinect傳感器的測量精度與力傳感器測量精度沒有多大差別。圖5為兩種測量工具測得的振幅誤差和相對誤差比的折線圖，數(shù)據(jù)表明隨著振動頻率的提高，振幅誤差也會增加，但范圍在0.4mm內(nèi)。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了將Kinect傳感器應(yīng)用于對低頻振動物體表面進(jìn)行振動測量的可行性。

表1 Kinect傳感器與力傳感器測得的幅值比較

圖4 Kinect和力傳感器的幅頻曲線比較

表2 Kinect傳感器和力傳感器之間的振幅誤差和振幅相對誤差比

圖5 Kinect傳感器和力傳感器的振幅誤差和相對誤差比

3 結(jié)語

研究實(shí)驗(yàn)表明Kinect可滿足一般精度要求的低頻振動測量。它突破了傳統(tǒng)振動測量方法的局限性，實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記、全域化非接觸式測量，高效實(shí)時獲得整個振動物體表面的振動信息，提高了測量效率和實(shí)效性，同時增加了復(fù)雜測量條件下的適應(yīng)性，給企業(yè)在機(jī)械設(shè)備的振動監(jiān)測方面帶來很大的方便性和經(jīng)濟(jì)效益。工程中利用振動對未知物體進(jìn)行檢測，如探傷或者形變，利用Kinect傳感器獲取的整個物體表面振動信息，可以直接定位目標(biāo)區(qū)域的位置，再提取目標(biāo)位置的振動信息做進(jìn)一步分析，使未知物體的檢測更加快捷、有針對性，提高了檢測效率。而且隨著Kinect采樣頻率的提高，它將具有更廣泛的工程應(yīng)用價值。

［1］Helfrick M N，Niezrecki C，Avitabile P，et al.3Ddigital image correlation methods for full－field vibration measurement［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25（3）：917－927.

［2］Tung S H，Kuo J C，Shih M H，et al.Using the simplified 3DDIC method to measure the deformation of 3D surface［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，121：3945－3949.

［3］作者不詳.支持 Windows PC的Kinect 2以＄199的價格開始接受預(yù)定［EB／OL］（2014－07－07）［2015－09－01］.http：／／www.cnbeta.com／articles／307767.htm.

［4］余濤.Kinect應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：用最自然的方式與機(jī)器對話［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：56－59.

［5］Khoshelham K.Accuracy analysis of kinect depth data.ISPRS－international archives of the photogrammetry［J］.Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2011（5）：133－138.