高速攝像儀在動(dòng)態(tài)位移測(cè)量中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

高速攝像儀在動(dòng)態(tài)位移測(cè)量中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：本文簡(jiǎn)述了在某項(xiàng)解鎖試驗(yàn)中，高速攝像儀在解鎖后被測(cè)物體動(dòng)態(tài)彈升高度及最終位移測(cè)量方面的應(yīng)用，簡(jiǎn)要介紹了試驗(yàn)情況以及高速攝像技術(shù)位移測(cè)量的原理、測(cè)量系統(tǒng)的布設(shè)情況及相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：高速攝像;動(dòng)態(tài)位移;測(cè)量

1引言

某行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸過(guò)程中通過(guò)固定裝置壓緊在停放支架上，到達(dá)目的地后固定裝置解除對(duì)行走機(jī)構(gòu)的壓緊狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)在底部壓縮彈簧的彈力作用下，彈起一定高度，以方便行走機(jī)構(gòu)駛離停放支架。在實(shí)際狀況中因地面不平整等因素的影響，停放支架有偏離正常水平狀態(tài)的可能，為驗(yàn)證在各種極限傾斜狀況下行走機(jī)構(gòu)駛離停放支架的能力，需要在各種典型極限狀態(tài)下對(duì)行走機(jī)構(gòu)的最大彈升高度及最終的彈升位移等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法之一使用了高速攝像測(cè)量技術(shù)，本文對(duì)攝像測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)要原理、測(cè)量時(shí)儀器的布設(shè)情況以及測(cè)量特征點(diǎn)的布設(shè)情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

2系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

本次試驗(yàn)時(shí)所用測(cè)量方法之一是使用了高速攝影測(cè)量技術(shù)。高速攝影測(cè)量技術(shù)屬于數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)，是基于光學(xué)測(cè)量原理及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)形成的一種新型測(cè)量技術(shù)。所謂的圖像測(cè)量就是測(cè)量被測(cè)量對(duì)象時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞的手段或載體加以利用的測(cè)量方法，也就是在一系列的采樣過(guò)程中通過(guò)圖像傳感器把被測(cè)目標(biāo)的影像信息記錄下來(lái)，并把圖像信息數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)，利用圖像測(cè)量原理和圖像處理的各種技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析、處理，通過(guò)被測(cè)物體圖像的邊緣計(jì)算被測(cè)物體的幾何參數(shù)坐標(biāo)，從而得到所需要的測(cè)量信息。因此圖像采集和圖像處理技術(shù)是圖像測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

一般的圖像測(cè)量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、通信部分以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和圖像處理軟件等組成。因此，影響系統(tǒng)精度的主要因素除了上述幾個(gè)方面以外，還受圖像處理軟件算法的影響。

本次試驗(yàn)是以兩臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈升高度等動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)圖像采集。高速攝像機(jī)能夠以1000幀/秒的速度連續(xù)拍攝，將各時(shí)刻被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)情況以圖像的方式記錄、儲(chǔ)存起來(lái)，并可以以低速的方式進(jìn)行回放，方便對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析及比對(duì)。

試驗(yàn)前需要在被測(cè)物體特征部位粘貼參考點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)連續(xù)對(duì)被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行高速攝像記錄，并通過(guò)控制系統(tǒng)及高速傳輸接口將相關(guān)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中，由圖像處理軟件進(jìn)行后續(xù)分析。

測(cè)量時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)捕獲的各個(gè)時(shí)刻被測(cè)物上的參考點(diǎn)所形成的平面圖像在一個(gè)相同的距離內(nèi)（視角范圍內(nèi)攝像機(jī)鏡頭到測(cè)量點(diǎn)的距離），因此各參考點(diǎn)在圖像中的像素距離與實(shí)際距離成特定的比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)比實(shí)際尺寸及像距離計(jì)算出比例關(guān)系，即可求解出各時(shí)刻各參考點(diǎn)的位移量。

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測(cè)量系統(tǒng)布設(shè)情況

3.1測(cè)量系統(tǒng)的布設(shè)及調(diào)整

本次試驗(yàn)所用設(shè)備主要包括兩臺(tái)高速攝像機(jī)、攝像機(jī)支架、計(jì)算機(jī)及測(cè)量軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)線纜及照明系統(tǒng)。

高速攝像機(jī)安裝于攝像機(jī)支架上并布設(shè)于產(chǎn)品兩側(cè)，距產(chǎn)品兩側(cè)距離相同，分別用于對(duì)兩側(cè)特征參考點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移的記錄，兩臺(tái)高速攝像機(jī)通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸接口與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)測(cè)量控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的拍攝記錄及存儲(chǔ)。拍攝時(shí)通過(guò)照明系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行補(bǔ)充照明，使攝像機(jī)能夠捕捉到清晰的圖像。

拍攝記錄時(shí)為保證測(cè)量精度，應(yīng)當(dāng)使攝像機(jī)的視場(chǎng)平面與被測(cè)平面相對(duì)平行，運(yùn)動(dòng)方向也要與視場(chǎng)平面相對(duì)平行，因此在布設(shè)好攝像機(jī)位置后對(duì)攝像機(jī)姿態(tài)及成像情況匯進(jìn)行了進(jìn)一步的確認(rèn)及調(diào)整。調(diào)整時(shí)通過(guò)角度測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)被測(cè)平面的傾斜角度，并根據(jù)實(shí)測(cè)傾斜角度利用攝像機(jī)支架及角度測(cè)量?jī)x對(duì)攝像機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行粗調(diào)，在粗調(diào)的基礎(chǔ)上利用反射鏡及激光發(fā)射器對(duì)攝像機(jī)姿態(tài)進(jìn)行了精調(diào)，使相機(jī)姿態(tài)與被測(cè)物相同，攝像機(jī)鏡頭與被測(cè)平面平行。攝像機(jī)姿態(tài)調(diào)整合適后可對(duì)其成像質(zhì)量及成像情況進(jìn)行檢查。

3.2參考點(diǎn)的布設(shè)

被測(cè)物特征部位粘貼參考點(diǎn)，參考點(diǎn)粘貼部位及間距等信息是圖像處理及計(jì)算時(shí)的主要參數(shù)之一，同時(shí)粘貼的參考點(diǎn)在成像后的圖片中灰度差別與其它部位差異要大，方便邊界輪廓的識(shí)別。

4總結(jié)

高速攝像測(cè)量技術(shù)是基于光學(xué)測(cè)量原理及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的一種新型測(cè)量技術(shù)，采用高速攝像測(cè)量一方面可對(duì)被測(cè)物動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行過(guò)程記錄，另一方面結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)情況的分析處理，但在用于測(cè)量方面時(shí)為提高測(cè)量精度應(yīng)使被測(cè)物體的被測(cè)平面及運(yùn)動(dòng)方向與成像平面平行。目前高速攝像機(jī)每秒拍攝的圖像數(shù)量、每張圖像的像素質(zhì)量相比已住均有大的提高，部分儀器除具能測(cè)量位移外還能夠記錄運(yùn)動(dòng)速度，因此采用高速攝像測(cè)量技術(shù)不僅可以獲取位