专利名称：摆动物体周期测量的装置及方法
技术领域：
本发明是一种涉及周期测量的装置及方法，尤其是一种测量摆动物体周期的装置及方法。
背景技术：
目前，公知的摆动物体周期测量装置，其摆动检测装置是由光源和光电转换器件组成，当摆动物体在光源和光电转换器件之间通过时，光电转换器件产生一个电脉冲，是一种间断和离散测量方式，电脉冲通过数据线传到数据处理装置，经计算后得到摆动周期。但是，有时待测的摆动物体不方便或不能在其前后分别放置光源和光电转换器件，如大型的摆动物体和后方没有放置光源或光电转换器件支架的空间位置。公知的摆动物体周期测量装置是以脉冲计数来计算周期的，其测量只是对摆动特定位置的检测，不能连续实时检测摆动的各个位置，因此检测不到外界对摆动的扰动影响，无法探知摆动物体是否做正常摆动，也无法给出摆动曲线，如果摆动出现异常，无法在检测结束后离线分析被检测物体的摆动情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺点，提供一种不仅能测量公知方法能测量的摆动物体的摆动周期，而且能测量出复杂环境摆动物体的摆动周期，给出实时摆动曲线，并保存摆动情况数据，供对摆动情况的离线分析使用。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案摆动检测装置采用二维摄像装置，它能连续实时探测到二维平面内物体摆动的位置，数据处理装置采用数字处理器，它能将摆动检测装置获得的数据进行所需的加工处理，摆动检测装置和数据处理装置由数据传输线相连。
所述的摆动检测装置使用CMOS摄像头，所述的数据处理装置使用个人计算机，所述的数据传输线使用USB接口的数据传输线。
摆动检测方法采用数字图像处理技术，首先将摆动物体从静止背景中检测出来，消除背景；其次搜索定位摆动物体，计算出摆动物体的坐标值，绘制摆动曲线；然后判断摆动物体摆动的位移极大值位置，并计算周期；最后保存摆动情况的数据，供离线分析摆动情况使用。
所述的将摆动物体从静止背景中检测出来使用三幅图像消除背景方法，所述的物体搜索定位使用向量匹配算法，所述的判断摆动位移极大值位置的方法采用相邻三点极大值判断方法。
本发明摆动物体的周期测量装置及方法与现有技术相比教有如下有益效果1.使用二维数字摄像装置，接收物体反射或发出的光，因此不需要公知检测装置中的测量光源部分，简化了结构，能测量光源不易放置的摆动物体的摆动；2.二维数字摄像装置可以采集摆动物体的二维实时信息，为数据加工处理装置提供更多的信息，过去的间断和离散测量方式，要在累计3至30次摆动周期结束后，才给出一个累积的时间和平均摆动周期，要对于多个测量累积的时间和平均摆动周期的相差数值比较来衡量摆动物体的周期波动性，进而估计出摆动物体的机械加工精度和现在的磨损状况，而本发明能实时连续观察到摆动的不均匀性，对于单个和相邻的以及整体的摆动的幅度和周期的波动，都能立即从显示的振动曲线上观察到，尤其是振动曲线上的每个振幅最大值变化十分鲜明；3.数据加工处理装置使用数据处理功能强大的个人计算机，采用数字图像处理技术，实时获取物体摆动曲线，计算摆动周期，并方便将结果数据保存起来供离线分析使用。
图1是本发明实施例的结构原理图；图2是实施例中待测摆动物体；图3是搜索定位摆动物体所用匹配矩阵；图4是使用本方法的软件界面。
图中待测物体机械节拍器1 摄像头2 USB传输线3 个人计算机4 节拍器固定支架及静止背景5 节拍器摆速调节块6节拍器摆动杆7 搜索定位匹配矩阵8 摆动监视原始窗口9摆动检测显示窗口10 参数设定窗口11 周期和摆动曲线显示窗口12
具体实施例方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的描述。
在图1中，摄像头2将拍摄到的机械节拍器1的正面图像信息数字化后，经过USB传输线3送到个人计算机4中进行数据处理。个人计算机使用软件来实现本发明中的算法。
软件的设计和工作原理如下图4是Windows操作系统下的软件界面，界面分成4部分9是摆动监视原始窗口，用来显示摄像头实时拍摄的节拍器图像；10是摆动检测显示窗口，用来显示对节拍器摆速调节块6的跟踪检测结果图像，图中与图像其他区域颜色有区别的区域块12是实时显示的检测到的节拍器摆速调节块6的位置；11是参数设定窗口，用于设置和控制测量过程中的参数；12是周期和摆动曲线显示窗口。
本实施例中摆动检测过程如下(1)静止背景的消除及摆动部分的图像信息提取采集两幅时间上相邻且靠近左位移极大值位置的图像，再采集一幅靠近右位移极大值位置的图像，将前两幅图像对应象素进行相减得到新的图像1，此图像除前两幅图像有差异的象素外，其余象素为零，即两幅图像的运动区象素值不为零；将图像1不为零的象素用第三幅图相应位置的象素替换，得到背景图像信息。将背景图像信息保存起来，对以后每幅由摄像头实时采集回的图像进行减背景处理，再对所得的图像象素进行二值化处理，即绝对值大于50的象素置为255(白色)，小于等于50的象素置为0(黑色)，这样就得到了摆动过程图像中运动部分的瞬时图像信息，如图4的10。
(2)对单幅图像中摆的位置进行搜索定位本实施例以节拍器摆速调节块6为搜索定位对象。图2中的周期调节块具有近似正方形的形状，并且经二值化后象素值大部分为255，因此设置卷积用矩阵核为图3中的8。矩阵的宽度和高度与节拍器摆速调节块6的宽度和高度相近，比摆动杆的宽度宽，这样避免错误的检测到摆杆，准确检测出节拍器摆速调节块6的位置。使用矩阵核8对整幅图像做卷积处理，在卷积计算过程中同时对卷积最大值的位置进行记录，并在卷积完毕后将最大值附近9×9大小区域的象素置为黄色。卷积过程是以卷积核的中心元素作为卷积中心，所以该黄色区域即近似为节拍器摆速调节块6的位置。同时用位置信息在周期和摆动曲线显示窗口12中绘制摆动曲线。
(3)连续摆动过程中位移极大值位置的确定和周期的计算在上一处理过程中，节拍器摆速调节块6的位置已经被探测并记录下来。本发明利用三幅图像来进行节拍器摆速调节块6的位移最大值的检测和判断，其原理和过程如下设X1、X2、X3分别为本帧、前一帧、前两帧图像中节拍器摆速调节块6的水平坐标位置，如果满足X2＞X3并且X2＞X1，则可以判定X2是摆动过程中右端位移极大值的水平坐标。同理，如果满足X2＜X3并且X2＜X1，则可以判定X2是摆动过程中左端位移极大值的水平坐标。
记录下第1次和第11次节拍器摆速调节块6处于左位移极大值的时间，计算出摆动周期的平均值，显示在周期和摆动曲线显示窗口12中。最后将所得的数据以文件的形式保存起来。本发明装置中的摄像头采集频率为20帧/秒，算法采用10个周期取平均值求平均周期，检测精度为0.01秒。如果提高摄像头的采集频率和求平均周期用的周期个数，可以提高检测精度。
权利要求
1.一种摆动物体周期测量装置，包括摆动检测装置、数据处理装置和连接两部分的数据传输线，其特征是，所述摆动检测装置采用二维摄像装置，它能实时探测到二维平面内物体摆动的位置，所述数据处理装置采用数字处理器，它能将摆动检测装置获得的数据进行所需的加工处理，所述摆动检测装置和数据处理装置由数据传输线相连。
2.根据权利要求1所述的摆动物体周期测量装置，其特征是，所述的摆动检测装置使用CMOS摄像头。
3.根据权利要求1所述的摆动物体周期测量装置，其特征是，所述的数据处理装置使用个人计算机。
4.根据权利要求1所述的摆动物体周期测量装置，其特征是，所述的数据处理装置可以记录下摆动数据，提供摆动情况的离线分析数据。
5.根据权利要求1所述的摆动物体周期测量装置，其特征是，所述的数据处理装置可以实时显示摆动曲线，监视摆动情况。
6.根据权利要求1所述的摆动物体周期测量装置，其特征是，所述的数据传输线使用USB接口的数据传输线。
7.一种摆动物体周期测量方法，包括对摆动物体摆动的探测和周期的计算，其特征是，采用数字图像处理技术，首先将摆动物体从静止背景中检测出来；然后搜索定位摆动物体，计算出摆动物体的坐标值，绘制摆动曲线；最后判断摆动物体摆动的位移极大值位置，并计算周期。
8.根据权利要求7所述的摆动物体周期测量方法，其特征是，所述的将摆动物体从静止背景中检测出来使用三幅图像消除背景方法。
9.根据权利要求7所述的摆动物体周期测量方法，其特征是，所述的物体搜索定位使用向量匹配算法。
10.根据权利要求7所述的摆动物体周期测量方法，其特征是，所述的判断摆动位移极大值位置的方法采用相邻三点极大值判断方法。
全文摘要
本发明公开了一种新的摆动物体周期测量的装置及方法，利用本发明可以对大型摆动物体和不适合在后面安装检测光源的摆动物体进行周期测量，并且在测量摆动周期的同时给出摆动曲线，实时监控摆动过程，记录保存摆动过程数据，供测量结束后离线分析摆动情况本发明通过如下技术予以实现用摄像装置连续实时的拍摄摆动物体，将数字化图像信息通过USB数据线传送到个人计算机，个人计算机对图像进行消除背景摆动检测定位判断摆动位移极大值位置等处理，计算出摆动物体的摆动周期，在屏幕中绘制出摆动曲线，并将数据保存，供对摆动情况的离线研究分析用。
文档编号G01C11/00GK1801007SQ200510100158
公开日2006年7月12日 申请日期2005年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者薄利军, 利莉, 郑贯天, 郑卫东, 郑琼 申请人:郑贯天