嚴(yán)慧敏，何炳蔚

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

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種儀器設(shè)備的振動(dòng)和噪聲提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)主要生產(chǎn)過(guò)程和重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制等，這些都離不開(kāi)振動(dòng)的測(cè)量。目前常用的振動(dòng)測(cè)量方法有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N，接觸式測(cè)量指的是測(cè)量?jī)x器直接接觸被測(cè)物體的表面，一個(gè)很大的不足就是只能獲取有安裝傳感器位置的數(shù)據(jù)[1]，這樣就需要在被測(cè)物體表面安裝多個(gè)傳感器，當(dāng)被測(cè)物體表面形狀復(fù)雜或者工作環(huán)境惡劣的情況下存在極大的不便，對(duì)操作人員的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求也較高，而且還可能會(huì)給工件表面帶來(lái)?yè)p傷。雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，一部分接觸式測(cè)量的自動(dòng)化水平得到一定的提高，但是測(cè)量復(fù)雜程度以及環(huán)境條件適應(yīng)能力并沒(méi)有得到較好的改善。用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量是常用的非接觸式測(cè)量方法，具有連續(xù)性、非接觸、維度高等優(yōu)點(diǎn)，由于非接觸式測(cè)量不需要直接接觸物體的表面，可以保護(hù)工件表面質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量和在線監(jiān)控等方面。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)主要包括CCD測(cè)量系統(tǒng)和激光測(cè)量系統(tǒng)等，可獲得較精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，但激光測(cè)量系統(tǒng)操作復(fù)雜、成本高；CCD測(cè)量系統(tǒng)容易受光照條件的影響，而且測(cè)量數(shù)據(jù)要依賴于標(biāo)記點(diǎn)，無(wú)法獲得沒(méi)有做標(biāo)記點(diǎn)的位置的振動(dòng)信息，在需要多點(diǎn)測(cè)量或局部面測(cè)量時(shí)，需要通過(guò)多次測(cè)量完成，降低了測(cè)量效率。要想獲得振動(dòng)表面所有點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)雖然可以采用三維數(shù)字圖像相關(guān)性方法[2-3]，但該方法要求被測(cè)物體表面要經(jīng)過(guò)拋光或者精加工來(lái)提供所需的對(duì)比相關(guān)圖像，操作復(fù)雜、成本高。所以研究適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量中精度高、效率高、抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)量系統(tǒng)，以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)條件所帶來(lái)的測(cè)量復(fù)雜程度，是振動(dòng)測(cè)量的一個(gè)重要方向。

本文基于Kinect深度攝像機(jī)的散斑測(cè)距技術(shù)原理和采樣頻率，研究將其應(yīng)用于物體表面振動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)不借助標(biāo)記點(diǎn)即可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量物體表面任一點(diǎn)三維振動(dòng)信息的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 測(cè)量原理

Kinect是微軟在2010年正式推出的XBOX360體感周邊外設(shè)，包含三個(gè)攝像頭，中間是RGB彩色攝像頭，左右兩邊的鏡頭分別是紅外線發(fā)射器和紅外線COMS攝像機(jī)[4]。Kinect所包含的深度攝像機(jī)是基于紅外測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量，只對(duì)紅外光成像，場(chǎng)景中可見(jiàn)光下的紋理圖形不會(huì)獲取。Kinect的深度攝像機(jī)與紅外發(fā)射器組合構(gòu)成一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)，深度攝像機(jī)獲取空間物體表面在相機(jī)成像平面上圖像坐標(biāo)信息的同時(shí)，可以直接獲取物體表面點(diǎn)到攝像機(jī)中心的垂直平面的距離。紅外線發(fā)射器發(fā)出一個(gè)紅外激光散斑陣列覆蓋Kinect的可視范圍，紅外激光點(diǎn)陣遇到場(chǎng)景中物體表面后反射，并由深度攝像機(jī)接收成像[5]。但是深度攝像機(jī)直接返回給用戶的深度距離并不是國(guó)際長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)單位，而是一個(gè)視差值d，利用公式（1）[6]可以計(jì)算物體表面某一點(diǎn)的深度值。

Zk是指空間點(diǎn)K所處位置的深度值，Z0是參考平面到發(fā)射器的距離，d是K點(diǎn)的偏移量，b是基線長(zhǎng)度，f是紅外攝像機(jī)的焦距，Z0、f和b這三個(gè)參數(shù)在攝像機(jī)出廠時(shí)就已經(jīng)標(biāo)定好了。具體的測(cè)量原理如圖1所示[6]。

圖1 深度攝像機(jī)測(cè)距原理

為了提高效率，Kinect只測(cè)量振動(dòng)物體表面任一點(diǎn)的深度值，即每個(gè)像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)的深度信息，每個(gè)像素點(diǎn)的圖像坐標(biāo)需利用計(jì)算公式（2）[6]和公式（3）[6]轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（Xk，Yk，Zk），則

xk，yk為圖像中K點(diǎn)的坐標(biāo)，f是紅外攝像機(jī)的焦距，x0和y0是坐標(biāo)原點(diǎn)，?x和?y是鏡頭畸變校正系數(shù)，這些參數(shù)可通過(guò)相機(jī)標(biāo)定獲得。

由此可計(jì)算物體表面所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)：（Xk，Yk，Zk）。Kinect的采集頻率為 30 Hz，即每隔 1/30 s測(cè)量一次，實(shí)時(shí)獲取振動(dòng)物體表面深度的變化信息。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)Kinect深度攝像機(jī)的測(cè)量原理，實(shí)驗(yàn)用一臺(tái)UTG1402數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)低頻正弦波，信號(hào)經(jīng)過(guò)YE5872功率放大器放大，驅(qū)動(dòng)SINOCERAJZK-20電動(dòng)式激振器在懸臂薄鋼板末端產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)。由于Kinect深度攝像機(jī)的采集頻率為30 Hz，實(shí)驗(yàn)選擇的激振頻率必須在10 Hz以下才可以實(shí)時(shí)獲取振動(dòng)物體表面深度的變化信息。

圖2 Kinect測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由于振動(dòng)測(cè)量是動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要將時(shí)間信息融合到Kinect深度攝像機(jī)采集的三維數(shù)據(jù)之中。Kinect采集頻率為30 Hz，即每隔1/30 s采集一次數(shù)據(jù)，選用Windows平臺(tái)中TimeGetTime多媒體計(jì)時(shí)器作為實(shí)驗(yàn)中的計(jì)時(shí)器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Kinect深度攝像機(jī)每采集一次點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)時(shí)器便被觸發(fā)記錄下當(dāng)前的時(shí)刻。測(cè)得的數(shù)據(jù)包含三維空間坐標(biāo)信息和對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)記錄振動(dòng)物體表面振動(dòng)信息的目的，研究者可以實(shí)時(shí)提取表面任一點(diǎn)的四維振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。而且由于Kinect深度攝像機(jī)測(cè)量過(guò)程中無(wú)需移動(dòng)位置，避免了不同時(shí)刻下點(diǎn)云配準(zhǔn)引起的誤差。圖3表示提取橫截面A上任意點(diǎn)M的四維振動(dòng)信息。

圖3 提取點(diǎn)M的振動(dòng)信息

實(shí)驗(yàn)中對(duì)于Kinect深度攝像機(jī)與振動(dòng)板之間的距離選擇也是非常重要的，理論上是距離越小精度越高，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離小于500 mm時(shí)，Kinect深度攝像機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性極差。圖4為相同振動(dòng)條件下，Kinect深度攝像機(jī)在不同距離下測(cè)得的振動(dòng)幅值，可以看出當(dāng)測(cè)量距離大于700 mm時(shí)，測(cè)量穩(wěn)定性很差，所以實(shí)驗(yàn)的最佳測(cè)量距離為50～70 cm。

圖4 Kinect測(cè)量穩(wěn)定性與測(cè)量距離的關(guān)系

為了證明Kinect深度攝像機(jī)的測(cè)量精度，選擇了另一種常用的非接觸測(cè)量方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用的是Bumblebee2雙目攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。Bumblebee2雙目攝像機(jī)內(nèi)有兩個(gè)光軸平行、基線長(zhǎng)度為12cm的CCD攝像頭，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可實(shí)現(xiàn)左右相機(jī)同時(shí)采集圖像，當(dāng)幀頻為30 fps時(shí)，采集圖像分辨率為640×480時(shí)，當(dāng)幀頻為20 fps時(shí)，采集圖像分辨率為1 024×768。在相同振動(dòng)條件下，比較Kinect深度攝像機(jī)與Bumblebee2雙目攝像機(jī)分別測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖5 Bumblebee2測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

將不同的頻率下Kinect深度攝像機(jī)和Bumblebee2雙目攝像機(jī)多次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，表1為Kinect深度攝像機(jī)和Bumblebee2雙目攝像機(jī)在不同頻率下分別測(cè)得的振幅值，表2為Kinect和Bumblebee2測(cè)得的振幅誤差和相對(duì)誤差比。說(shuō)明在一般精度要求情況下，Kinect深度攝像機(jī)和Bumblebee2雙目攝像機(jī)的測(cè)量精度差別不大。圖6顯示了Kinect和Bumblebee2分別測(cè)得的振幅誤差值和相對(duì)誤差比，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率在10 Hz以下時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的提高，二者之間的振幅誤差會(huì)有所增大，但誤差范圍均不超過(guò)0.15 mm。

表1 Kinect深度攝像機(jī)和Bumblebee2雙目攝像機(jī)測(cè)得的幅值

表2 Kinect和Bumblebee2之間的振幅誤差和相對(duì)誤差比

圖6 Kinect和Bumblebee2的振幅誤差和振幅相對(duì)誤差比

從測(cè)量效率來(lái)看，Kinect深度攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)獲得振動(dòng)物體表面任一點(diǎn)的振動(dòng)信息，測(cè)量效率高，而B(niǎo)umblebee2雙目攝像機(jī)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量取決于標(biāo)記點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所以當(dāng)需要測(cè)量多點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，需要粘貼大量的標(biāo)記點(diǎn)。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)低頻振動(dòng)物體表面進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)測(cè)量，Kinect深度攝像機(jī)測(cè)量有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

研究實(shí)驗(yàn)表明：在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)物體表面振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，Kinect深度攝像機(jī)每次拍攝都可獲得物體表面上百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的深度變化信息，與雙目立體測(cè)量方法相比，Kinect可實(shí)時(shí)獲取物體表面上所有點(diǎn)的深度值，其測(cè)量位置點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)視覺(jué)測(cè)量方法，而且Kinect測(cè)量時(shí)無(wú)需在被測(cè)物體表面粘貼任何標(biāo)記點(diǎn)，減少了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的麻煩，環(huán)境惡劣的情況下也可測(cè)量，大大地提高了測(cè)量效率和適應(yīng)性，而且Kinect深度攝像機(jī)的價(jià)格比其它非接觸式測(cè)量?jī)x便宜，測(cè)量成本低。綜上這些優(yōu)點(diǎn)，在精度要求不高的低頻振動(dòng)測(cè)量中采用Kinect深度攝像機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)。