基于色调-高度映射的非接触式低频振动测量方法与流程

本发明涉及一种低频振动测量方法，属于光学振动测量领域。

背景技术：

在工业测量领域，获取物体表面的三维信息重构模型是进行后续分析和决策的基本步骤，这一步骤也是对振动物体进行测量的先决条件。传统的接触式测量方法由于测量方式的限制，只能对静态物体进行测量。为了能进行快速的全场式测量，需要使用非接触的光学测量方法。相移轮廓术是一种获取三维重建信息的有效的非接触的光学测量方法，具有计算方法简单，计算速度快，抗噪性能强的特点。但是基于传统相移法的3d重建需要每次投影至少三个条纹光栅图像以获得相位变化，这导致不能实时获得瞬时动态信息。彩色相移技术是一种改进的相移法，通过复合彩色图像来解决相位获取时间问题，将相移模式编码到不同的颜色通道中。基于相机-投影仪系统的彩色相移技术将多个相移条纹转换成单色条纹，能够瞬间获得动态振动。然而，在测量期间，投影仪和相机之间的颜色串扰使得系统不能正确地将成形的条纹图案与不同的颜色通道分离，这导致采样对象的三维重建的误差。为了解决颜色串扰问题，必须计算颜色串扰矩阵以补偿颜色串扰，该矩阵表示通道之间的颜色串扰程度。但是，每当空间位置的测量发生变化时，该技术需要重复校准以重新计算矩阵，这会影响系统的灵活性。这里提出一种基于色调-高度映射的非接触式低频振动快速测量方法，可以避免颜色串扰的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新的基于彩色相移技术的振动测量系统。本发明应用彩色多通道的特性解决多次采集拍摄的问题，应用色调-高度的映射关系避免了颜色串扰的影响，实现高精度的低频振动检测。技术方案如下：

一种基于色调-高度映射的非接触式低频振动快速测量方法，包括下列步骤：

第一步，建立相机-投影仪系统。

第二步，制作三步相移法条纹：将彩色图像的r,g,b三个通道分别输入相位差为π/3的正弦光栅条纹，最后将三个通道条纹叠加输出即三步相移条纹。

第三步，将待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，将生成彩色三步相移条纹图像通过投影仪投射在物体表面。

第四步，测量系统参数，获得ccd相机到振动物体表面的距离，ccd相机与投影仪水平距离。

第五步，调节相机曝光度，使用ccd相机以一定的速率拍摄投影到振动物体表面的条纹图像，并对拍摄到条纹图像中有条纹的部分进行选取，提取图像的色调分量，投影条纹的色调值的周期性和单调性用于获得条纹位移，从而恢复振动台表面在每一采样时刻的高度变化。

第六步，在获得的一系列复原图像中选取一个采样点，取得每一采样时刻该点的高度信息。

第七步，在matlab中使用绘图功能，以拍摄张数为横轴，第六步中的高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。

第八步，通过对比轨迹曲线最大值和最小值之间的高度差直接获得振幅数据，振动频率数据通过计算采样整个周期需要图像的张数除以相机采集频率得到。

附图说明

图1本发明装置示意图

图2(a)无颜色串扰情况下的色调分布图(b)有颜色串扰情况下的色调分布图

图3本发明的流程图

图4本发明的测量结果示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步的说明阐述。

参见图1，本发明的相机-投影系统：c点放置相机的入射瞳，d点放置投影仪的入射瞳，白色墙壁作为参考平面，相机和投影仪之间的距离为d，物体上某一点相对于参考平面的深度值为h，c和p到参考平面的距离为l，振动物体的振动由信号发生器的输入来控制。

参见图2，图像提取出的色调分布图，利用色调分布的单调性来定位像素坐标，计算出由于物体振动而产生的条纹偏移量，从而利用高度公式计算出物体高度。其中，(a)为无颜色串扰情况下的色调分布图，(b)为有颜色串扰情况下的色调分布图，可以看出颜色串扰的存在并不影响色调分步布的单调性，因此颜色串扰的存在并不会影响振动测量的精度。

参见图3，本发明的流程图，以下简述其相应步骤：

(1)摆放设备，使投影仪和ccd相机在同一水平线上。测出ccd相机到投影仪的距离d，ccd相机到参考平面的距离l。

(2)制作三步相移条纹，并将其投射到物体上。调节振动台使之正常运行，通过调节相机使得图像中的条纹达到清晰的程度，以一定的速率(本实验中fb＝30hz)拍摄照片。

(3)从获取到的图像中选一幅作为参考图像i0，其余图像分别作为i1，i2，……，im(其中m为拍摄到图像的总张数)，对所有图像选择其中有条纹的部分。

(4)提取色调分量：对上一步选择好的所有图像利用公式(1)和公式(2)提取色调信息，公式如下：

式中ir，ig，ib是上一步获得的图像的红，绿，蓝三个通道的分量，图2(b)为提取出的色调分布图。

(5)由于一个周期内色调值是单调的，利用这一特性定位条纹的位置，从而计算出条纹由于物体振动而发生移动的偏移量p。

(6)将步骤(5)获得的条纹偏移量p带入高度计算公式可得到振动物体表面每一时刻的复原图像，高度公式如下：

其中，d是相机和投影仪之间的距离，l相机的入射瞳到参考平面的距离，p为条纹偏移量，β为相机像素坐标到空间坐标的映射系数。

(7)在步骤(6)中获得的一系列高度复原图像中选取一个相同坐标的采样点，提取每一时刻的复原图像在采样点处的高度值。

(8)按照时间先后绘制该采样点的振动轨迹曲线，从轨迹曲线中得到振动的幅度信息，和周期所需采样张数n。

(9)振动幅度am由上一步直接获得，振动频率信息由采样整个周期需要图像的张数除以采样频率，即n/fb得到。

参见图4，本发明的测量结果示意图，1.5hz的振动，可以看出每个周期大约需要22张图像，即22次采样可以描述。所以其振动周期为0.73ms，其频率约为1.37hz，考虑到输入信号可能产生的非线性失真，测量结果基本符合实际振动情况。

有益效果

(1)本发明实现了低频振动测量，避免了颜色串扰的影响，具有较高的精确度和灵敏度。

(2)可移植性好，针对不同位置处的振动测量，只需要改变投影条纹的位置和ccd相机拍摄的位置即可，实验程序也能在各种操作系统下通用。

(3)整体设计算法简单，步骤少，在ccd相机低帧率采样的情况下能够实现实时监测，对异常振动及时做出警告。