本发明涉及一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统及方法，该测量系统包括变密度条纹和视觉成像及处理系统。该三维振动测量方法包括以下步骤：在被测振动结构表面安装变密度条纹；将视觉成像及处理系统安装于固定支架，调整好变密度条纹成像位置和成像镜头的参数，使变密度条纹成像于面阵相机的中心位置；再启动视觉成像及处理系统的测量模式，对振动结构的振动进行测量。本发明包含对变密度条纹序列进行处理的算法及流程，可简单高效地从变密度条纹序列提取结构三维位移信息。
1.一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统，其特征在于：包括安装于被测结构表面的变密度条纹和用以对覆于待测振动结构表面的变密度条纹进行实时成像与处理的视觉成像及处理系统；所述视觉成像及处理系统包括视觉成像相机、嵌入式控制系统、图像存储与处理模块、显示与交互模块、电源模块；所述嵌入式控制系统与视觉成像相机、图像存储与处理模块、显示与交互模块和电源模块分别连接；所述变密度条纹的外形为长方形，其长度和宽度可随待测振动结构的大小设定；所述长方形变密度条纹沿长度方向的条纹为条纹密度恒定的正弦条纹，沿宽度方向正弦条纹的条纹周期数呈二次函数变化，且每行条纹的实际宽度相等。
2.根据权利要求1所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统，其特征在于：所述二次函数具体为：其中a为位于变密度条纹宽度方向对称中心处的条纹周期数，M为生成变密度条纹图像时宽度方向的总像素点数，m为宽度方向的像素坐标变量，d(m)为宽度方向不同像素行的条纹周期数。
3.根据权利要求1所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统，其特征在于：所述长方形变密度条纹条纹周期密度二次变化函数对称中心位于长方形宽度方向的对称中心位置。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在待测振动结构表面安装变密度条纹；
步骤S2：将视觉成像及处理系统安装于固定支架，启动成像调整模式，调整好变密度条纹成像位置和视觉成像相机镜头的参数，使变密度条纹成像于视觉成像相机的中心位置；
步骤S3：根据待测振动结构的振动特点，设置好成像变密度条纹的成像帧率，启动视觉成像及处理系统的测量模式，对待测振动结构的振动进行测量，得到待测振动结构的三维时域位移信号。
5.根据权利要求4所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤S3对待测振动结构的振动进行测量具体为：步骤S31：求取每帧条纹图像沿宽度方向的条纹周期密度变化曲线；
步骤S32：求取每帧条纹周期密度变化曲线的斜率曲线，通过线性插值法插值得到宽度方向斜率值为零的精确坐标值，并将第一帧的坐标值作为参考点，采用竖直方向位移计算公式计算待测振动结构沿竖直方向的时域位移曲线；
步骤S33：将斜率值为零的精确坐标值重新带入条纹周期密度变化曲线，通过插值得到条纹宽度方向对称中心位置的条纹密度值，并将第一帧的密度值作为参考点，采用沿成像光轴方向位移计算公式计算待测振动结构沿成像光轴方向的时域位移曲线；
步骤S34：提取每帧条纹宽度方向斜率值为零坐标行的条纹信号，并将第一帧的条纹信号作为参考条纹，再将各帧对称中心处的条纹信号与参考条纹作互相关，通过插值法得到相关序列最大峰值的精确坐标值，并将参考条纹的自相关序列的最大峰值坐标作为参考点，最后采用水平方向位移计算公式计算待测振动结构沿水平方向的时域位移曲线；
步骤S35：将得到三维时域位移信号传输至显示与交互模块进行实时显示。
6.根据权利要求5所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于：所述待测振动结构沿竖直方向的位移计算公式为：其中Δy(t)为待测振动结构t时刻竖直方向的位移，L为变密度条纹长度方向实际有效长度，NL为变密度条纹宽度方向对称中心线条纹信号在视觉成像相机的成像传感器中覆盖的像素点数，Δm(t)为t时刻变密度条纹对称中心线在成像传感器上相对于参考条纹对称中心线偏移的像素点数，dr和d(t)分别为参考帧和t时刻变密度条纹对称中心线位置条纹的条纹密度值。
7.根据权利要求5所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于：所述待测振动结构沿成像光轴方向的位移数学关系式为：其中Δx(t)为待测振动结构t时刻成像光轴方向的位移，D为初始成像物距；dr和d(t)分别为参考帧和t时刻变密度条纹对称中心线位置条纹的条纹密度值。
8.根据权利要求5所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于：所述待测振动结构沿水平方向的位移数学关系式为：其中Δz(t)为t时刻水平方向的位移，Δn(t)为t时刻变密度条纹对称中心线处的条纹中心相对于参考点偏移的像素点数；NL为变密度条纹宽度方向对称中心线条纹信号在视觉成像相机的成像传感器中覆盖的像素点数；dr和d(t)分别为参考帧和t时刻变密度条纹对称中心线位置条纹的条纹密度值。
基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及结构视觉振动测量技术领域，具体涉及一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统及方法。
背景技术
[0002] 机器视觉测量技术作为一种新的测量技术，其以非接触、高效率、高精度、无负载效应等特点受到越来越多研究学者的关注。并且，随着数字成像技术与图像处理技术的发展，面阵相机在成像分辨率和成像速度上都有很大的提升，使得机器视觉测量技术快速发展。该类方法一般先采用面阵相机对振动结构表面的标靶图案或者自然特征进行连续采集成像，再采用不同图像处理技术实现被测结构振动、形变、位移等物理参数的提取与测量。
[0003] 当前许多研究者采用由圆形、方形等规则图案组成的边缘分明的黑白图案或者散斑图作为目标图案覆于结构表面，再采用面阵相机对其进行成像，然后采用图像对比跟踪算法、模板匹配算法、边缘检测技术、二维数字图像相关算法等实现结构平行于面阵传感器平面二维动态位移的测量。当前这些测量方法存在以下一些不足：1）在提取图像中结构二维位移信息时所采用的图像处理算法计算量相对较大，对处理模块的处理能力有较高的要求，难以实现实时测量；2）当前的单目视觉测量系统一般只能实现平行于面阵传感器平面的二维动态位移测量，要实现三维测量需要采用双目视觉测量系统；3）当前的视觉测量系统需要对相机的空间坐标进行标定，实际标定步骤较为复杂，且测量准确性受到参数标定精度的影响。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统及方法，实现结构三维振动的同步测量，测量装置简单，测量效率高。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统，包括作为结构空间三维位移感知的传感器安装于被测结构表面的变密度条纹和用以对覆于待测振动结构表面的变密度条纹进行实时成像与处理的视觉成像及处理系统；所述视觉成像及处理系统包括视觉成像相机、嵌入式控制系统、图像存储与处理模块、显示与交互模块、电源模块；所述嵌入式控制系统与视觉成像相机、图像存储与处理模块、显示与交互模块和电源模块分别连接。
[0007] 进一步的，所述变密度条纹的外形为长方形，其长度和宽度可随待测振动结构的大小设定。
[0008] 进一步的，所述长方形变密度条纹沿长度方向的条纹为条纹密度恒定的正弦条纹，沿宽度方向正弦条纹的条纹周期数呈二次函数变化，且每行条纹的实际宽度相等。
[0009] 进一步的，所述二次函数具体为：
[0010]
[0011] 其中a为位于变密度条纹宽度方向对称中心处的条纹周期数，M为生成变密度条纹图像时宽度方向的总像素点数，m为宽度方向的像素坐标变量， 为宽度方向不同像素行的条纹周期数。
[0012] 进一步的，所述长方形变密度条纹条纹周期密度二次变化函数对称中心位于长方形宽度方向的对称中心位置。
[0013] 进一步的，所述的基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014] 步骤S1：在待测振动结构表面安装变密度条纹；
[0015] 步骤S2：将视觉成像及处理系统安装于固定支架，启动成像调整模式，调整好变密度条纹成像位置和视觉成像相机镜头的参数，使变密度条纹成像于视觉成像相机的中心位置；
[0016] 步骤S3：根据待测振动结构的振动特点，设置好成像变密度条纹的成像帧率，启动视觉成像及处理系统的测量模式，对待测振动结构的振动进行测量，得到待测振动结构的三维时域位移信号。
[0017] 进一步的，所述步骤S3对待测振动结构的振动进行测量具体为：
[0018] 步骤S31：求取每帧条纹图像沿宽度方向的条纹周期密度变化曲线；
[0019] 步骤S32：求取每帧条纹周期密度变化曲线的斜率曲线，通过线性插值法插值得到宽度方向斜率值为零的精确坐标值，并将第一帧的坐标值作为参考点，采用竖直方向位移计算公式计算待测振动结构沿竖直方向的时域位移曲线；
[0020] 步骤S33：将斜率值为零的精确坐标值重新带入条纹周期密度变化曲线，通过插值得到条纹宽度方向对称中心位置的条纹密度值，并将第一帧的密度值作为参考点，采用沿成像光轴方向位移计算公式计算待测振动结构沿成像光轴方向的时域位移曲线；
[0021] 步骤S34：提取每帧条纹宽度方向斜率值为零坐标行的条纹信号，并将第一帧的条纹信号作为参考条纹，再将各帧对称中心处的条纹信号与参考条纹作互相关，通过插值法得到相关序列最大峰值的精确坐标值，并将参考条纹的自相关序列的最大峰值坐标作为参考点，最后采用水平方向位移计算公式计算待测振动结构沿水平方向的时域位移曲线；
[0022] 步骤S35：将得到三维时域位移信号传输至显示与交互模块进行实时显示。
[0023] 进一步的，所述待测振动结构沿竖直方向的位移计算公式为：
[0024]
[0025] 其中 为待测振动结构t时刻竖直方向的位移，L为变密度条纹长度方向实际有效长度， 为变密度条纹宽度方向对称中心线条纹信号在视觉成像相机的成像传感器中覆盖的像素点数， 为t时刻变密度条纹对称中心线在成像传感器上相对于参考条纹对称中心线偏移的像素点数， 和 分别为参考帧和t时刻变密度条纹对称中心线位置条纹的条纹密度值。
[0026] 进一步的，所述待测振动结构沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
[0027]
[0028] 其中 为待测振动结构t时刻成像光轴方向的位移，D为初始成像物距。
[0029] 进一步的，所述待测振动结构沿水平方向的位移数学关系式为：
[0030]
[0031] 其中 为t时刻水平方向的位移， 为t时刻变密度条纹对称中心线处的条纹中心相对于参考点偏移的像素点数。
[0032] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0033] （1）本发明提出的基于变密度条纹的视觉三维测量系统原理简单，变密度条纹成本低廉，可实现远距离的结构三维振动测量；
[0034] （2）本发明提出的变密度条纹信号处理步骤简单，算法运算量小，相对于当前的基于二维图像相关、二维图像匹配的算法计算量减小很多，可降低对处理器的性能要求，降低硬件成本；
[0035] （3）本发明可实现三维振动位移的同步测量，相对于当前只能实现平行于成像相机传感器平面振动测量的视觉测量系统而言，其测量能力和效率都比较高。
附图说明
[0036] 图1是本发明实施例的系统测量示意图。
[0037] 图2是本发明实施例变密度条纹设计图及其处理流程说明图。其中（a）为变密度条纹形式说明图；（b）为图（a）中条纹沿宽度方向条纹周期密度变化曲线；（c）为图（b）中条纹密度变化曲线的斜率曲线。
[0038] 图3是本发明实施例三维位移计算流程图。
[0039] 图4是本发明实施例视觉成像及处理系统示意图。
[0040] 图中，1-变密度条纹，2-待测振动结构，3-视觉成像及处理系统，4-显示及交互模块，5-固定支架 。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0042] 如图1所示，本实施例提供一种基于变密度条纹的三维振动视觉测量系统和方法，包括变密度条纹1、振动结构2、视觉成像及处理系统3、显示及交互模块4、固定支架5。变密度条纹1作为传感器覆于振动结构2表面，视觉成像及处理系统3固定于固定支架5。变密度条纹1将随着振动结构2的振动而振动，在振动过程中采用视觉成像及处理系统3对变密度条纹进行实时采集与处理，得到振动结构2的时域三维位移曲线，并在显示与交互模块中实时显示。
[0043] 本实施例中，所述变密度条纹在视觉成像及处理系统面阵成像传感器中的成像位置和成像条纹密度将随着结构不同方向的位移而发生变化；当结构沿成像光轴方向有位移时，位于变密度条纹宽度方向对称中心的条纹密度值将发生变化，通过该位置的条纹密度值变化即可获得结构沿成像光轴方向的位移信息；所述变密度条纹各行的条纹密度将随着结构沿成像光轴方向的位移同步变化，即随着成像物距的变大而同步变小，随成像物距的变小而同步变大，所以变密度条纹沿宽度方向的条纹周期密度变化规律依然呈二次函数变化；所述变密度条纹图像的条纹周期密度变化曲线通过对条纹图沿长度方向条纹信号的频谱分析获得，即通过获得每行正弦条纹信号的频率值确定条纹的周期密度值，进而获得变密度条纹沿宽度方向的周期密度曲线；所述变密度条纹宽度方向对称中心的位置可以通过求取所述周期密度曲线斜率曲线的零值坐标确定；所述位于变密度条纹宽度方向对称中心的条纹密度值等于所述周期密度曲线斜率曲线的零值坐标位置的值；当结构沿竖直方向有位移时，所述变密度条纹宽度方向对称中心在面阵传感器中的成像位置将发生变化，通过该中心位置变化即可获得结构竖直方向的位移信息；当结构沿水平方向有位移时，所述变密度条纹长度方向的对称中心在面阵传感器的成像位置将发生变化，通过该中心位置的变化即可获得结构水平方向的位移信息；所述变密度条纹长度方向的对称中心可通过位于变密度条纹宽度方向对称中心条纹信号的中心位置确定；所述变密度条纹宽度方向对称中心条纹信号的中心位置可以通过该位置条纹信号与参考条纹信号的一维互相关序列的最大峰值位置坐标确定。
[0044] 图2是本发明实施例变密度条纹设计图及其处理流程说明图。其中（a）为变密度条纹形式说明图，如图（a）所示，变密度条纹1的外形为长方形，其长度和宽度可随被测结构的大小设定；长方形变密度条纹1沿长度方向的条纹为条纹密度恒定的正弦条纹；沿宽度方向正弦条纹的条纹周期数呈二次函数变化，且每行条纹的实际宽度都等于L，所以变密度条纹1沿宽度方向的条纹周期密度呈二次函数变化；变密度条纹1条纹周期密度二次变化函数对称中心位于长方形宽度方向的对称中心位置，即图中虚线所示。在测量过程中，可对条纹图每行条纹进行频谱分析，得到每帧条纹沿宽度方向的周期密度变化曲线，如图（b）所示。再对得到的周期密度变化曲线进行求导，得到密度变化曲线的斜率曲线，如图（c）所示。因为条纹周期密度变化曲线为二次函数，所以其求导后为线性函数，通过线性插值即可求得变密度曲线斜率为零的精确坐标值，即可确定每帧变密度条纹宽度方向的对称中心位置。
[0045] 图3是本发明实施例三维位移计算流程图。如图3所示，
[0046] 步骤S31：求取每帧条纹图像沿宽度方向的条纹周期密度变化曲线；
[0047] 步骤S32：求取每帧条纹周期密度变化曲线的斜率曲线，通过线性插值法插值得到宽度方向斜率值为零的精确坐标值，并将第一帧的坐标值作为参考点，采用竖直方向位移计算公式计算结构沿竖直方向的时域位移曲线。结构沿竖直方向的位移计算公式为：
[0048]
[0049] 其中 为待测振动结构t时刻竖直方向的位移，L为变密度条纹长度方向实际有效长度， 为变密度条纹宽度方向对称中心线条纹信号在视觉成像相机的成像传感器中覆盖的像素点数， 为t时刻变密度条纹对称中心线在成像传感器上相对于参考条纹对称中心线偏移的像素点数， 和 分别为参考帧和t时刻变密度条纹对称中心线位置条纹的条纹密度值。
[0050] 步骤S33：将斜率值为零的精确坐标值重新带入条纹周期密度变化曲线，通过插值得到条纹宽度方向对称中心位置的条纹密度值，并将第一帧的密度值作为参考点，采用沿成像光轴方向位移计算公式计算结构沿成像光轴方向的时域位移曲线。待测振动结构沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
[0051]
[0052] 其中 为待测振动结构t时刻成像光轴方向的位移，D为初始成像物距。
[0053] 步骤S34：提取每帧条纹宽度方向斜率值为零坐标行的条纹信号，并将第一帧的条纹信号作为参考条纹，再将各帧对称中心处的条纹信号与参考条纹作互相关，通过插值法得到相关序列最大峰值的精确坐标值，并将参考条纹的自相关序列的最大峰值坐标作为参考点，采用水平方向位移计算公式计算结构沿水平方向的时域位移曲线。待测振动结构沿水平方向的位移数学关系式为：
[0054]
[0055] 其中 为t时刻水平方向的位移， 为t时刻变密度条纹对称中心线处的条纹中心相对于参考点偏移的像素点数。
[0056] 步骤S35：将三维时域位移信号传输至显示与交互模块进行实时显示。
[0057] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
