解樹平, 楊 波, 萬新軍, 黃鵬程, 江劍宇

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093;2.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室, 上海 200093;3.上海理工大學(xué) 教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心, 上海 200093)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,振動位移、頻率等振動特性引起的問題受到了各行各業(yè)的高度關(guān)注。例如:超精密加工設(shè)備的振動會直接影響加工的精度和有效性;車輛自振動及在路面上行駛時的振動直接關(guān)系到駕駛性能和乘坐的舒適性;高層建筑、橋梁等由于風(fēng)載和地震所帶來的振動會直接關(guān)系到這些結(jié)構(gòu)的安全[1]。研究系統(tǒng)的振動特性,分析產(chǎn)生振動的原因,進(jìn)行設(shè)備故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測,在科學(xué)研究領(lǐng)域和工程領(lǐng)域都是非常重要的,對軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面有著重要的實際意義。隨著工藝技術(shù)和集成電路的發(fā)展,傳統(tǒng)的接觸式傳感器在測振過程中需要將傳感器固定在待測物上,但是傳感器的附加質(zhì)量會改變整個動態(tài)系統(tǒng)的特性,導(dǎo)致測量結(jié)構(gòu)的不準(zhǔn)確。在某些特殊的場合下,振動檢測需要在高溫高壓、放射或者腐蝕狀態(tài)下進(jìn)行,限制了接觸式測量的使用范圍。非接觸測量方法具有抗干擾性、高分辨率、高精度和非接觸的特性,得到了廣泛的應(yīng)用,有電子散斑法、激光全息法、激光三角法和激光多普勒法等。國內(nèi)外應(yīng)用較多的是激光多普勒測振技術(shù)[2],但每次的測量范圍局限于其照射的范圍,僅適用于測量視場較小的情況,無法滿足大面積的多點同步全場測量的要求。

近年來,高速工業(yè)相機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)快速發(fā)展,基于計算機(jī)視覺的雙目測振技術(shù)開始逐漸興起。雙目視覺測量原理是通過模擬人類視覺的成像方式從兩個不同的觀察角度獲取同一物,獲取在不同視角下的感知圖像,通過三角幾何光學(xué)原理計算圖像像素間的位置偏差(即視差),重建目標(biāo)物體的深度信息獲取景物的三維信息。國內(nèi)外學(xué)者圍繞雙目立體視覺的不同步驟做了非常多的研究,英國利物浦大學(xué)的Wang等利用DIC機(jī)器視覺測試系統(tǒng)對騎車引擎蓋進(jìn)行了測量,獲得了相應(yīng)的振動模態(tài)[3-4];美國的Helfrick等詳細(xì)分析了振動測試的重要性,并對風(fēng)扇葉進(jìn)行了相關(guān)的測試研究等[5];全燕鳴等基于雙目視覺對工件三維尺寸進(jìn)行在機(jī)三維測振[6]。郭俊鋒等通過內(nèi)窺鏡設(shè)計的雙目測量系統(tǒng)[7],系統(tǒng)測量誤差在±0.2 mm。

圖1 雙目測振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Binocular vibration system structure

本文采用基于計算機(jī)雙目視覺原理設(shè)計制作了一種大尺寸多點同步三維振動測量系統(tǒng),人工粘貼一定密度的超輕質(zhì)量測量標(biāo)識點到待測結(jié)構(gòu)件上,在振動測試中,利用兩臺高速相機(jī)模塊同步高速拍攝包含測量標(biāo)識點的待測結(jié)構(gòu)件,通過圖像處理算法、立體視覺定位算法快速計算出各個標(biāo)識點的空間三維坐標(biāo),根據(jù)坐標(biāo)隨時間的變化得到待測物體上各點三維振動信息,是一種高效率的面陣振動同步測量手段。它能夠同步測量大型構(gòu)件面上眾多點的三維振動數(shù)據(jù),反映出整體結(jié)構(gòu)的振動信息和關(guān)鍵測量點位置,為最終的高精度寬頻帶測量提供支撐信息具有重要的實用意義。它具有測量效率高、精度高、視場大等顯著優(yōu)點,而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,操作便利,可靠性高,在測振中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 測量原理

圖1為實驗中所使用的雙目立體視覺理論系統(tǒng),主要包括4個模塊:高速成像相機(jī)模塊、高速圖像采集存儲模塊、高精度成像鏡頭、反射標(biāo)志點等。系統(tǒng)中采用平行放置的高速相機(jī)來獲取目標(biāo)點的信息,相機(jī)采用理想的小孔成像模型,認(rèn)為所有光線都沿直線傳播,并在此基礎(chǔ)上認(rèn)為物體表面的所有反射光都通過一個小孔投影到相平面。為了更直接、更形象地描述相機(jī)成像的全過程,利用數(shù)學(xué)理論,定義了4個坐標(biāo)系,它們分別為:世界坐標(biāo)系(Ow-XwYwZw),相機(jī)坐標(biāo)系(Oc-XcYcZc),圖像坐標(biāo)系(o-xy),像素坐標(biāo)系(o-uv)。上述4個坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2描述的是雙目立體視覺原理[8],由圖2可知,像素坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為

(1)

式中:dx和dy表示為像平面x軸和y軸上的每個像素代表的物理尺寸;(u,v)為某一像素點的坐標(biāo);定義(u0,v0)為圖像坐標(biāo)系的原點在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo),通常為像素坐標(biāo)系的中心。

圖2 雙目立體視覺原理及各坐標(biāo)系關(guān)系圖Fig.2 Principle of binocular stereo vision and coordinate system

設(shè)相機(jī)的焦距為f,則圖像坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系為

式中:(Xe,Ye,Ze)為地球坐標(biāo)系中一點的坐標(biāo);R和t分別表示旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可表示為

(4)

其中

式中:H矩陣被稱為相機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣;M被稱為相機(jī)外部參數(shù)矩陣。

假設(shè)左相機(jī)的像素坐標(biāo)系ol-ulvl與世界坐標(biāo)系Ow-XwYwZw完全重合,左相機(jī)有效焦距為fl,右相機(jī)坐標(biāo)系or-urvr,有效焦距為fr。如果空間標(biāo)識點P(Xw,Yw,Zw)在兩個攝像機(jī)像面的像點分別為Pl(ul,vl)、Pr(ur,vr),那么它們之間滿足的關(guān)系如下:

(5)

式中:Rlr和tlr為右相機(jī)坐標(biāo)系相對于左相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。當(dāng)Rlr,tlr以及P點在左右圖像上位置Pl(ul,vl)、Pr(ur,vr)都已知的條件下,根據(jù)式(5)中的幾何關(guān)系可以確定空間點P的三維坐標(biāo),通過對比相應(yīng)點的三維坐標(biāo)變化,得到待測物的振動信息,實現(xiàn)實時三維測量[9-12]。

2 圖像標(biāo)志點處理關(guān)鍵技術(shù)

本文實驗中所設(shè)計的三維振動測量系統(tǒng)如圖3所示,主要工作流程為:

1) 根據(jù)實際動態(tài)測試需求,在待測結(jié)構(gòu)件上可能需要進(jìn)行振動測試的位置粘貼圓形反射標(biāo)識點[13];

2) 照明驅(qū)動模塊產(chǎn)生適當(dāng)照度照明,同步觸發(fā)兩個高速相機(jī)對待測結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高速拍攝,采集500幀圖片進(jìn)行下一步處理;

3) 圖像采集模塊獲取圖像信號并送入計算機(jī)處理;

4) 計算機(jī)軟件快速提取反射標(biāo)識點信息、完成匹配并計算出三維位置信息;

5) 振動分析軟件快速計算各個測量位置點的空間三維位移軌跡、速度以及加速度數(shù)據(jù),完成結(jié)構(gòu)件振動模態(tài)分析以及計算關(guān)鍵測量點位置,圖形輸出待測點的振動特性。

該視覺多點三維振動測量部件的技術(shù)路線是在待測大型結(jié)構(gòu)件上布置任意數(shù)量的超輕質(zhì)量反射標(biāo)識點(不會對待測結(jié)構(gòu)件動態(tài)特性產(chǎn)生影響),在振動測試過程中,采用TTL信號同步觸發(fā)兩高速相機(jī)模塊對這些反射標(biāo)識點進(jìn)行高速拍攝記錄,并通過高速采集和通訊接口輸入存儲和處理單元。通過開發(fā)高精度高效率標(biāo)識點坐標(biāo)提取算法計算各個反射標(biāo)識點的圖像坐標(biāo),根據(jù)現(xiàn)場快速標(biāo)定的攝像機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù),并通過高速高精度立體視覺匹配算法計算出各個反射標(biāo)識點的空間三維坐標(biāo)。根據(jù)每一次觸發(fā)拍攝的圖像即可測量這一時刻的反射標(biāo)識點三維坐標(biāo),將三維坐標(biāo)按照時間和三維空間維度通過算法進(jìn)行分析,從而獲得待測結(jié)構(gòu)件面上各點的三維運(yùn)動軌跡線、位移、速度和加速度分布,進(jìn)而可以開展整體振動分析。

圖3 三維振動測量系統(tǒng)實物圖Fig.3 The prototype of binocular vibration system

3 振動測量驗證實驗

為了驗證振動測量的準(zhǔn)確性,本文使用標(biāo)準(zhǔn)振動臺作為振動源,首先對所用相機(jī)采用張正友平面模板法標(biāo)定,如圖4所示,通過左右相機(jī)同步拍攝N幅標(biāo)定板的不同角度和位置的圖像,提取各角點的像素坐標(biāo),求取左右相機(jī)的參數(shù),從而完成標(biāo)定過程。圖4(c)為標(biāo)定誤差,標(biāo)定誤差為0.088 64像素,此誤差完全滿足測量需求。

圖4 相機(jī)標(biāo)定Fig.4 The calibration of camera

實驗中,在待測件上隨機(jī)貼上100個圓形反射標(biāo)識點(如圖5),該標(biāo)識點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)識點具有較高的對比度,將待測件剛性固定在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上;同時,在算法上優(yōu)化反射標(biāo)識點識別、中心坐標(biāo)提取算法以及左右圖像標(biāo)識點匹配算法,可以達(dá)到足夠高的處理速度,在得到各標(biāo)識點的三維坐標(biāo)后,通過計算得出各標(biāo)識點的振動頻率和幅值。

為了驗證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在其他條件一致的情況下,將標(biāo)準(zhǔn)振動臺設(shè)置為不同頻率、幅值進(jìn)行測試,將測量得到的頻率及振幅與標(biāo)準(zhǔn)振動臺進(jìn)行比較分析。標(biāo)準(zhǔn)振動臺測試頻率10 Hz,振幅0.5 mm,其中一點的測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

不同測振頻率、振幅的測量數(shù)據(jù)如表1所示,實際測量結(jié)果與理想結(jié)果基本一致,實測頻率誤差為0 Hz,振幅誤差小于0.168 mm,系統(tǒng)測量精度為54 μm/m,測量誤差較小,可以滿足大型結(jié)構(gòu)件和復(fù)雜設(shè)備等大面積振動測量的需求。

圖6 頻率10 Hz,振幅0.5 mm曲線Fig.6 Vibration curve of 10 Hz,0.5 mm

標(biāo)準(zhǔn)頻率/Hz標(biāo)準(zhǔn)振幅/mm坐標(biāo)軸實測頻率/Hz實測振幅/mm合成振幅/mm精度/(μm/m)100.51.0X軸100.041Y軸100.498Z軸100.112X軸100.139Y軸100.872Z軸100.6900.512111.12038200.51.0X軸200.106Y軸200.469Z軸200.345X軸200.181Y軸200.839Z軸200.7930.592291.16854300.51.0X軸300.102Y軸300.474Z軸300.299X軸300.136Y軸300.824Z軸300.5940.570221.0258.0500.20.51.0X軸500.076Y軸500.200Z軸500.181X軸500.102Y軸500.455Z軸500.193X軸500.165Y軸500.729Z軸500.7130.280260.5041.41.03311

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于雙目立體視覺三維測振技術(shù),并針對系統(tǒng)特性設(shè)計了一種新穎的立體匹配算法,實現(xiàn)了多點同步實時測量,通過實驗驗證了該方法可以滿足大面積測量的需求。由于其非侵入性、空間分辨力高、測量時間短等優(yōu)點,雙目視覺測振是設(shè)備工作時的在線監(jiān)控以及生產(chǎn)過程中工件在線高精度檢測的理想測試方法,應(yīng)用前景十分廣闊。