本发明公开了一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，该方法主要包括：首先利用摄像机采集紧固于被测运动平面上的高对比度特征标志运动序列图像；其次通过亚像素边缘检测方法提取序列图像在X与Y方向的直线运动特征边缘亚像素坐标点，并将亚像素坐标点转换为对应的世界坐标点；然后基于最小二乘原理拟合特征边缘的世界坐标获得相应的边缘直线，实现X与Y方向运动位移的解耦测量；最后利用测量的X与Y方向运动位移获得运动平面的轨迹。相比于现有的测量方法，本方法具有非接触、低成本、灵活、高效、简单等优势，可实现高精度的平面运动位移及轨迹测量，且有利于机器视觉平面运动测量及六自由度运动测量的动态校准与溯源。
1.一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤，S1：将四个圆围绕一个矩形构成的高对比度特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，标志矩形与工作台面具有一致的运动位移，摄像机采集特征标志的运动序列图像；
S2：利用基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取标志序列图像在X与Y方向的直线运动特征边缘亚像素坐标，并依据摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将其转换为相应的世界坐标；
S3：基于最小二乘原理分别拟合X与Y方向运动特征边缘的世界坐标，获得相应的边缘直线，选择工作台面回零位置的标志图像运动特征边缘作为零位移参考边缘，计算序列图像运动特征边缘与零位移参考边缘的距离，获得工作台面在X与Y方向的运动位移；
S4：结合测量的X与Y方向运动位移获得工作台面的平面运动轨迹，并保存与显示位移及轨迹测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，其特征在于：所述标志序列图像的X与Y方向直线运动特征边缘提取，具体包括：
为提高直线运动特征边缘提取的稳定性与精度，采用模板匹配确定标志图像上的四个圆形区域，标志矩形位于圆形区域中心构成的感兴趣区域内，在感兴趣区域内提取特征边缘能够避免背景相似边缘的干扰；
首先采用Canny算子提取特征标志运动序列图像Fj(x,y)的像素级矩形长短边边缘点，其中j＝1,2,...,N，N为采集的序列图像数目；然后通过计算Fj(x,y)的Zernike矩求解长短边边缘的位置误差补偿量，进而获得矩形长短边边缘的亚像素坐标；最后利用通过摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将亚像素坐标转换为相应的世界坐标；
标志矩形长短边边缘分别对应X与Y方向的直线运动特征边缘，基于最小二乘原理分别拟合对应的特征边缘点世界坐标，获得相应的X与Y方向直线运动特征边缘直线{lj,X}、{lj,Y}，其中lj,X与lj,Y分别为Fj(x,y)上矩形两条长边与两条短边的等效边缘；同时，获得工作台面回零位置的特征标志图像Fr(x,y)在X与Y方向直线运动特征边缘直线lr,X、lr,Y。
3.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，其特征在于：所述低频两分量振动台工作台面的运动可通过X与Y方向边缘位移的解耦测量获得，平面运动描述为在X与Y方向的运动位移sX(t)与sY(t)：式中：ωv为振动角频率， 与 分别为sX(t)与sY(t)的峰值， 与 分别为sX(t)与sY(t)的初相；
选取Fr(x,y)的特征边缘直线lr,X、lr,Y作为零位移参考边缘，计算Fj(x,y)的特征边缘直线lj,X、lj,Y与Fr(x,y)对应边缘的距离dj,X、dj,Y，即为时刻采集tj在X与Y方向的运动位移sX(tj)与sY(tj)。
4.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，其特征在于：对于测量的tj时刻X与Y方向的运动位移sX(tj)与sY(tj)，分别采用如下的正弦逼近法进行拟合：参数AX、BX及CX，AY、BY及CY，可通过分别求解对应的N个方程获得；进而得到平面运动在X与Y方向的位移峰值 与 以及初相 与 为：定义相位差PD为：
当满足PD＝0°或180°条件时，工作台面提供的平面运动为直线轨迹；当且仅当满足且PD＝90°条件时，工作台面提供的平面运动为圆轨迹；其余平面运动均为椭圆轨迹。
5.根据权利要求1所述一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，其特征在于：实现单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法的装置包括：低频两分量振动台(1)、工作台面(2)、高对比度特征标志(3)、照明设备(4)、摄像机固定设备(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、图像处理与显示单元(8)；
低频两分量振动台(1)的工作台面(2)提供平面内任意轨迹的运动；高对比度特征标志(3)紧固于工作台面(2)，二者具有一致的运动特性；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定设备(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于高对比度特征标志(3)；摄像机(6)用于采集高对比度特征标志(3)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；图像处理与显示单元(8)处理已采集的运动序列图像，保存与显示平面运动位移及轨迹测量结果。
一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于运动测量领域，更为具体地讲，尤其涉及一种平面运动位移及轨迹测量方法。
背景技术
[0002] 平面运动位移及轨迹测量在位姿估计、惯性导航、桥梁及建筑结构安全测试等领域具有广泛应用。平面运动测量是多自由度运动测量的基础，其测量精度直接影响实际工程应用系统或装置的整体性能。为满足日益增长的实际工程应用高精度测量需求，需提高平面运动位移及轨迹的测量精度。因此，研究一种高精度的平面运动位移与轨迹测量方法变得尤为重要。
[0003] 目前，常用的平面运动位移与轨迹测量方法有激光干涉法与传感器测量方法。基于多普勒测速与激光干涉原理的激光干涉法具有抗干扰能力强、动态性能好、测量频率范围宽、线性度高等优势，能够实现高精度的平面运动位移与轨迹测量，但其测量系统复杂、成本高、灵活性较差，且难以用于大位移范围的低频运动测量。基于传感器的测量方法仅需一个双轴或三轴向振动传感器即可测量平面运动的位移与轨迹，具有测量系统简单、成本低、灵活、高效等优势，但受传感器自身频率特性的限制，其测量精度通常不高。单目视觉方法具有高效、灵活、高精度与低成本等优势，现有的单目视觉方法在位移测量领域可获得高至10um的测量精度，在实际工程应用中越来越广泛的使用，故可通过单目视觉方法实现平面运动位移与轨迹的测量。实际上，任何平面运动都可分解为X与Y方向的直线运动，因此提出单目视觉方法通过对平面运动在X与Y方向运动位移的解耦测量获得平面运动的位移及轨迹，在提高测量精度的同时降低测量系统复杂度与成本，且提高灵活性。
[0004] 因此，针对当前的平面运动位移及轨迹测量方法存在测量系统复杂、灵活性差、成本高、测量范围有限，且难以用于低频率高精度测量的不足，本发明提出一种高效、准确、灵活的低成本单目视觉测量方法。基于单目视觉的平面运动解耦测量将多分量平面运动测量转化为单分量直线运动测量，有利于单目视觉方法的量值溯源，且是实现六自由度运动测量的基础。
发明内容
[0005] 针对目前平面运动位移及轨迹测量方法存在测量系统成本高、灵活性差、测量精度有限、无法适用于低频率测量等不足，本发明提供一种高效、灵活、准确的平面运动位移及轨迹测量方法，包括：
[0006] 高对比度特征标志运动序列图像的采集：高对比度特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，摄像机采集足够帧数的特征标志运动序列图像，以保证平面运动位移能够被准确地测量；
[0007] X与Y方向直线运动特征边缘的亚像素提取：利用模板匹配确定标志图像上的感兴趣区域，通过基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取感兴趣区域内的特征边缘点亚像素坐标，利用摄像机确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将亚像素坐标转换为相应的世界坐标；
[0008] X与Y方向直线运动特征边缘的位移求解：基于最小二乘原理分别拟合X与Y方向直线运动特征边缘点的世界坐标，获得相应的拟合直线，选择工作台面回零位置的标志图像特征边缘作为零位移参考边缘，通过计算序列图像特征边缘与参考图像对应边缘的距离获得X与Y方向特征边缘的运动位移；
[0009] 平面运动的轨迹解算：基于正弦逼近法拟合测量的X与Y方向特征边缘的运动位移，获得相应的位移峰值与初相，进而求解得到平面运动的轨迹。
[0010] 具体而言，所述测量方法包括以下步骤，
[0011] S1：将四个圆围绕一个矩形构成的高对比度特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，标志矩形与工作台面具有一致的运动位移，摄像机采集特征标志的运动序列图像；
[0012] S2：利用基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取标志序列图像在X与Y方向的直线运动特征边缘亚像素坐标，并依据摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将其转换为相应的世界坐标；
[0013] S3：基于最小二乘原理分别拟合X与Y方向运动特征边缘的世界坐标，获得相应的边缘直线，选择工作台面回零位置的标志图像运动特征边缘作为零位移参考边缘，计算序列图像运动特征边缘与零位移参考边缘的距离，获得工作台面在X与Y方向的运动位移；
[0014] S4：结合测量的X与Y方向运动位移获得工作台面的平面运动轨迹，并保存与显示位移及轨迹测量结果。
[0015] 进一步地，所述标志序列图像的X与Y方向直线运动特征边缘提取，具体包括：
[0016] (1)标志图像矩形区域的确定
[0017] 为提高直线运动特征边缘提取的稳定性与精度，采用模板匹配确定标志图像上的四个圆形区域，标志矩形位于圆形区域中心构成的感兴趣区域内，在感兴趣区域内提取特征边缘能够避免背景相似边缘的干扰；
[0018] (2)矩形长短边边缘点的亚像素提取
[0019] 首先采用Canny算子提取特征标志运动序列图像Fj(x,y)的像素级矩形长短边边缘点，其中j＝1,2,...,N，N为采集的序列图像数目；然后通过计算Fj(x,y)的Zernike矩求解长短边边缘的位置误差补偿量，进而获得矩形长短边边缘的亚像素坐标；最后利用通过摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将亚像素坐标转换为相应的世界坐标；
[0020] (3)X与Y方向直线运动特征边缘
[0021] 标志矩形长短边边缘分别对应X与Y方向的直线运动特征边缘，基于最小二乘原理分别拟合对应的特征边缘点世界坐标，获得相应的X与Y方向直线运动特征边缘直线{lj,X}、{lj,Y}，其中lj,X与lj,Y分别为Fj(x,y)上矩形两条长边与两条短边的等效边缘；同时，获得工作台面回零位置的特征标志图像Fr(x,y)在X与Y方向直线运动特征边缘直线lr,X、lr,Y。
[0022] 进一步地，所述低频两分量振动台工作台面的运动可通过X与Y方向边缘位移的解耦测量获得，平面运动描述为在X与Y方向的运动位移sX(t)与sY(t)：
[0023]
[0024] 式中：ωv为振动角频率， 与 分别为sX(t)与sY(t)的峰值， 与 分别为sX(t)与sY(t)的初相；
[0025] 选取Fr(x,y)的特征边缘直线lr,X、lr,Y作为零位移参考边缘，计算Fj(x,y)的特征边缘直线lj,X、lj,Y与Fr(x,y)对应边缘的距离dj,X、dj,Y，即为时刻采集tj在X与Y方向的运动位移sX(tj)与sY(tj)。
[0026] 进一步地，对于测量的tj时刻X与Y方向的运动位移sX(tj)与sY(tj)，分别采用如下的正弦逼近法进行拟合：
[0027]
[0028] 参数AX、BX及CX，AY、BY及CY，可通过分别求解对应的N个方程获得；进而得到平面运动在X与Y方向的位移峰值 与 以及初相 与 为：
[0029]
[0030] 定义相位差PD为：
[0031]
[0032] 当满足PD＝0°或180°条件时，工作台面提供的平面运动为直线轨迹；当且仅当满足 且PD＝90°条件时，工作台面提供的平面运动为圆轨迹；其余平面运动均为椭圆轨迹。
[0033] 进一步地，实现单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法的装置包括：低频两分量振动台(1)、工作台面(2)、高对比度特征标志(3)、照明设备(4)、摄像机固定设备(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、图像处理与显示单元(8)；
[0034] 低频两分量振动台(1)的工作台面(2)提供平面内任意轨迹的运动；高对比度特征标志(3)紧固于工作台面(2)，二者具有一致的运动特性；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定设备(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于高对比度特征标志(3)；摄像机(6)用于采集高对比度特征标志(3)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；图像处理与显示单元(8)处理已采集的运动序列图像，保存与显示平面运动位移及轨迹测量结果。
[0035] 本发明平面运动位移及轨迹测量方法具有如下优势：
[0036] ⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可同时适用于不同频率与位移范围的平面运动位移与轨迹测量。
[0037] ⑵本发明方法测量过程简单、灵活、高效、系统成本低，对于不同频率范围的平面运动测量只需一个摄像机。
[0038] ⑶本发明方法通过对平面运动在X与Y两个方向的位移解耦测量实现高精度的平面运动位移测量。
[0039] ⑷本发明方法属于平面运动测量方法，能够实现一定频率范围内的高精度平面运动位移与轨迹测量。
[0040] ⑸本发明方法将平面运动位移与轨迹测量解耦为X与Y两个方向的运动位移测量，有利于单目视觉平面运动位移测量的量值溯源，同时为六自由度运动的准确测量提供一种行之有效的途径。
附图说明
[0041] 附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
[0042] 附图2为一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量流程图；
[0043] 附图3为基于单目视觉的平面运动位移解耦测量流程图；
[0044] 附图4-6为本发明方法具体实施实例对低频两分量振动台工作台面的运动位移及轨迹测量结果图。
具体实施方式
[0045] 为解决现有测量方法对平面运动测量存在系统复杂、成本高、灵活性差、测量精度有限的问题，本发明提供了一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，本发明方法通过对平面运动在X与Y方向的解耦测量实现了低频范围内平面运动位移及轨迹的高精度测量，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
[0046] 参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：低频两分量振动台(1)、工作台面(2)、高对比度特征标志(3)、照明设备(4)、摄像机固定设备(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、图像处理与显示单元(8)。其特征在于：低频两分量振动台(1)的工作台面(2)提供任意轨迹的平面运动；高对比度特征标志(3)紧固于工作台面(2)，二者具有一致的运动位移；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定设备(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于高对比度特征标志(3)；摄像机(6)用于采集高对比度特征标志(3)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；处理与显示单元(8)处理采集的运动序列图像，保存与显示平面运动位移及轨迹测量结果。
[0047] 参考图2为一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量流程图。本发明测量方法主要包括以下步骤：
[0048] 步骤S1：高对比度特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，摄像机采集足够帧数的特征标志运动序列图像；
[0049] 步骤S2：序列图像在X与Y方向的直线运动特征边缘亚像素提取，其包括：特征标志图像上的感兴趣区域确定，感兴趣区域内的特征标志矩形长短边边缘点的亚像素坐标提取，X与Y方向直线运动特征边缘点的世界坐标求解；
[0050] 步骤S3：X与Y方向特征边缘的运动位移求解，其包括：基于最小二乘原理分别拟合X与Y方向直线运动特征边缘点的世界坐标，获得相应的边缘直线，通过计算序列图像X与Y方向直线运动特征边缘与工作台面零位置标志图像参考边缘的距离获得工作台面在X与Y方向的运动位移；
[0051] 步骤S4：平面运动的轨迹解算：基于正弦逼近法分别拟合X与Y方向的运动位移，获得对应的位移峰值与初相，进而得到平面运动的轨迹。
[0052] 参考图3为基于单目视觉的平面运动位移解耦测量流程图。本发明平面运动位移解耦测量方法包括如下步骤：
[0053] 步骤S11：读入采集的高对比度特征标志运动序列图像；
[0054] 步骤S12：利用基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取运动序列图像上X与Y方向直线运动特征边缘点的亚像素坐标；
[0055] 步骤S13：通过摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标之间的对应关系将提取的亚像素坐标转换为相应的世界坐标；
[0056] 步骤S14：基于最小二乘原理拟合X与Y方向特征边缘的世界坐标，得到相应的边缘直线；
[0057] 步骤S15：选择低频两分量振动台回零位置的特征标志图像X与Y方向特征边缘作为零位移参考边缘，计算序列图像X与Y方向特征边缘与对应参考边缘的距离；
[0058] 步骤S16：序列图像X与Y方向特征边缘的距离即为工作台面在X与Y方向的运动位移。
[0059] 本实施实例装置的具体参数为：频率范围为0.01～100Hz、最大峰-峰值位移为200mm的低频两分量振动台，高对比度特征标志选用由半径为15mm的四个圆围绕一个尺寸为60mm x 40mm的矩形构成的金属板，摄像机选用最大分辨率为9百万像素、最高帧率为
1000fps的IDT OS10-V3-4K工业相机，焦距为16mm的KOWA镜头，照明设备选用60W的白炽灯。
[0060] 为验证本发明基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法的精度，利用本发明方法实现了0.5～10Hz频率范围内的平面运动位移与轨迹测量。表1所示为本发明方法具体实施实例与激光干涉法在单峰值2.5mm～80mm位移范围内分别对低频两分量工作台面的运动位移测量结果。由表1的结果可知，单目视觉方法与激光干涉法的测量结果相似，最大相对偏差约为0.1％，它们测量的相位差的最大差异小于0.4°。
[0061] 表1单目视觉方法与激光干涉法的平面运动位移测量结果
[0062]
[0063] 参考图4-6为低频两分量振动工作台面的运动位移及轨迹测量结果。参考图4所示的测量结果分别为SX＝81.057mm与SY＝80.905mm及PD＝0.063°、SX＝80.576mm与SY＝40.047mm及PD＝-0.014°、SX＝40.832mm与SY＝79.866mm及PD＝-0.002°的三种直线轨迹；参考图5所示的测量结果分别为SX＝80.778mm与SY＝79.942mm及PD＝44.404°、SX＝80.322mm与SY＝40.047mm及PD＝44.538°、SX＝40.681mm与SY＝79.841mm及PD＝44.048°的三种椭圆轨迹；参考图6所示的测量结果分别为SX＝80.094mm与SY＝79.841mm及PD＝89.991°、SX＝
80.120mm与SY＝39.997mm及PD＝89.277°、SX＝40.123mm与SY＝79.892mm及PD＝88.346°的圆与两种椭圆轨迹。
[0064] 上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。
