CN109544639B - 一种多镜面单相机三维振动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多镜面单相机三维振动测试装置及方法，测试方法包括：采用平面标定板标定相机内部参数；在物体表面每个待测点位置粘贴标识点，并在每个标识点旁边固定反射镜；采用激励装置让物体发生振动，相机采集整个振动过程中的所有标识点实像与虚像；利用相机内部参数及每个标识点实像与虚像的对应图像坐标，求解加载过程中任意状态的相机坐标系与每个镜面坐标系的旋转矩阵及归一化平移向量，采用反射镜中任意两点之间的实际距离计算平移向量系数；计算物体表面待测点在每一时刻的三维空间坐标，即可测试物体振动中的频率及模态等振动特征。本发明利用单个相机及多个镜面实现多点式三维振动测试，具有非接触、测量精度高、方便实用等优点。

Description

一种多镜面单相机三维振动测试装置及方法

技术领域

本发明涉及振动测试技术，具体涉及一种多镜面单相机三维振动测试装置及方法。

背景技术

接触式传感器由于需要与被测物接触且有附加质量限制了其在振动过程中的应用。常用的基于双相机的三维坐标测试装置则需要相机同步装置，额外增加了硬件成本；并且双相机的标定过程非常复杂，限制了其在三维坐标测试中的使用。基于单相机的单镜面光学测试方法由于相机景深的问题无法测量大型物体的三维坐标及位移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多镜面单相机三维振动测试装置及方法，克服了单镜面大视场测试中的相机景深问题，操作简单灵活，易于实现。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多镜面单相机三维振动测试装置，包括一台相机、高分辨率镜头、计算机、与待测点数目相同的标识点、与待测点数目相同的前镀膜反射镜，其中每个反射镜上贴有两个标识点，相机采样频率为物体振动频率2倍以上；

采用激励装置使得待测物发生振动，相机采集整个振动状态图像，保存至计算机，得到的任意一幅图像中均包含所有待测点的实像与镜面反射的虚像两部分；

通过标识点识别与定位算法确定任意一幅图像中每个实像与虚像的对应图像坐标，利用整个振动过程中对应图像坐标、镜面上标识点图像坐标以及相机内部参数计算相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数；根据相机的内部参数及振动过程中的对应图像坐标及外部参数计算待测物体上每个标识点的三维坐标，并进行模态及频率振动分析。

一种多镜面单相机三维振动测试方法，包括以下步骤：

步骤1、相机内部参数标定：将平面标定板在相机的视场范围内平移及旋转至少8个姿态，相机采集平面标定板图像，利用标定板图像计算相机内部参数矩阵及畸变系数；

步骤2、标识点粘贴与反射镜固定：在待测位置粘贴标识点，并在其旁边固定贴有两个标识点的前镀膜反射镜；

步骤3、相机图像采集：采用激励装置让待测物发生振动，相机采集整个振动状态图像，保存至计算机，得到的任意一幅图像中均包含所有待测点的实像与镜面反射的虚像两部分；

步骤4、相机与每个镜面坐标系外部参数确定：通过标识点识别与定位算法确定任意一幅图像中每个实像与虚像的对应图像坐标，利用整个振动过程中对应图像坐标、镜面上标识点图像坐标以及相机内部参数计算相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数；

步骤5、待测物体标识点的三维坐标计算：根据相机的内部参数及振动过程中的对应图像坐标及外部参数计算待测物体上每个标识点的三维坐标，并进行模态及频率振动分析。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)相机的内部参数固定，本发明可以实现一次标定，多次测量的目的；(2)本发明采用单个相机与多镜面结合的方式，解决了单镜面引起的相机景深问题；(3)本发明克服了常规双目系统设备复杂，且需要复杂标定的缺点；(4)相比于传统接触式传感器，本发明具有无损、非接触、高精度等优点。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图。

图2为本发明测量方法流程图。

图3为本发明测量的阻尼衰减振动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步的说明。

如图1所示，一种多镜面单相机三维振动测试装置，由一台工业相机4、高分辨率镜头3、三脚架5、计算机6、与待测点数目相同的标识点1、与待测点数目相同的前镀膜反射镜2组成，反射镜放置与待测点附近且待测点及其反射镜虚像能同时被相机观测。其中每个反射镜上贴有两个标识点，选择采样频率超过物体振动频率2倍的快速相机或高速相机。高分辨率镜头像素在500万以上。

如图2所示，一种多镜面单相机三维振动测试方法，包括以下步骤：

步骤1、相机内部参数标定：将平面标定板在相机的视场范围内平移及旋转至少8个姿态，相机采集平面标定板图像，利用标定板图像计算相机内部参数矩阵及畸变系数；得到的相机内部参数矩阵为

其中f_x、f_y为两个方向的等效焦距，c_x、c_y为光轴与相机靶面的交点图像坐标，一阶畸变系数用k₁表示。

步骤2、标识点粘贴与反射镜固定：在待测位置粘贴标识点，并在其旁边固定贴有两个标识点的前镀膜反射镜；每个待测点位置均粘贴一个标识点，且每个标识点旁边均固定有一前镀膜反射镜，在反射镜上贴有两个标识点，且两个标识点之间的距离已知为l。

步骤3、相机图像采集：采用激励装置让待测物发生振动，相机采集整个振动状态图像，保存至计算机，得到的任意一幅图像中均包含所有待测点的实像与镜面反射的虚像两部分；

步骤4、相机与每个镜面坐标系外部参数确定：通过标识点识别与定位算法确定任意一幅图像中每个实像与虚像的对应图像坐标，利用整个振动过程中对应图像坐标、镜面上标识点图像坐标以及相机内部参数计算相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数；采用整个振动过程中的对应图像坐标u_i、v_i和u′_i、v′_i，其中i表示任意一个振动状态，相机坐标系与世界坐标系的外部参数中旋转矩阵的计算方法如下：

在反射镜平面上建立世界坐标系，设垂直于激光平面的方向为世界坐标系的X轴，相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵为

则通过如下公式进行Levenberg-Marquardt算法迭代优化，精确计算旋转矩阵R：

(y_iux′_iu-x_iuy′_iu)(R₃R₇-R₄R₆)+(x′_iu-x_iu)(R₃R₈-R₅R₆)+(y′_iu-y_iu)(R₄R₈-R₅R₇)＝0

其中，归一化畸变图像坐标：x_id＝(u_i-c_x)/f_x，y_id＝(v_i-c_y)/f_y，x_id′＝(u_i′-c_x)/f_x，y_id′＝(v_i′-c_y)/f_y；归一化去畸变图像坐标：x_iu＝x_id(1+k₁R²)，y_iu＝y_id(1+k₁R²)，x′_iu＝x′_id(1+k₁R′²)，y′_iu＝y′_id(1+k₁R′²)，

旋转矩阵R的其他分量根据其正交性求解。

相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数中平移向量的计算方法如下：

根据反射镜位置的不同确定归一化平移向量t′＝[t′_x t′_y t′_z]^T，若反射镜竖直放置，则归一化平移向量为t′＝[1 0 0]^T；若反射镜水平放置，则归一化平移向量为t′＝[01 0]^T；假设反射镜上两点的图像坐标分别为u₁、v₁和u₂、v₂，通过如下公式计算这两点的三维坐标[X_i Y_i Z_i]，其中i＝1,2：

其中，x_iu、y_iu为归一化去畸变图像坐标。采用归一化平移向量计算反射镜上两点的距离

平移向量t＝l/l₁×t′。

步骤5、待测物体标识点的三维坐标计算：根据相机的内部参数及振动过程中的对应图像坐标及外部参数计算待测物体上每个标识点的三维坐标，并进行模态及频率振动分析。

计算待测物体表面某一标识点三维坐标的方法为：

其中，t_i＝[t_xi t_yi t_zi]^T为计算得到的对应相机与镜面坐标系的平移向量，对应相机与镜面坐标系的旋转矩阵

i代表某特定标识点。实像的对应图像坐标为u、v，虚像的对应图像坐标为u′、v′。归一化畸变图像坐标：x_d＝(u-c_x)/f_x，y_d＝(v-c_y)/f_y，x_d′＝(u′-c_x)/f_x，y_d′＝(v′-c_y)/f_y；归一化去畸变图像坐标：x_u＝x_d(1+k₁R²)，y_u＝y_d(1+k₁R²)，x′_u＝x′_d(1+k₁R′²)，y′_u＝y′_d(1+k₁R′²)，

通过相机采样帧频及所测得的三维数据利用傅里叶变换即可进行频率分析，对全部标识点的三维数据分析可以得到振动过程中的模态信息；具体为：通过相机采样帧频及所测得的三维数据即可得到待测点的位移时程曲线，利用傅里叶变换方法即可分析振动频率，振动过程中的模态信息可以基于分析所有待测点的位移数据得到。

如图3所示，本发明的测量精度高，可以达到亚微米的位移测试量级，采用单个相机可以同时获得多个待测点的振动信息，采样帧频高，利用通用的高速相机已经可以实现2000帧以上的高速动态测试，避免了常规双相机三维测试时的相机同步等技术难题。

Claims (8)

1.一种多镜面单相机三维振动测试装置，其特征在于，包括一台相机、高分辨率镜头、计算机、与待测点数目相同的标识点、与待测点数目相同的前镀膜反射镜，其中每个反射镜上贴有两个标识点，相机采样频率为物体振动频率2倍以上；

采用激励装置使得待测物发生振动，相机采集整个振动状态图像，保存至计算机，得到的任意一幅图像中均包含所有待测点的实像与镜面反射的虚像两部分；

通过标识点识别与定位算法确定任意一幅图像中每个实像与虚像的对应图像坐标，利用整个振动过程中对应图像坐标、镜面上标识点图像坐标以及相机内部参数计算相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数；其中，相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数中平移向量的计算方法如下：

根据反射镜位置的不同确定归一化平移向量t'＝[t'_x t'_y t'_z]^T，若反射镜竖直放置，则归一化平移向量为t'＝[1 0 0]^T；若反射镜水平放置，则归一化平移向量为t'＝[0 1 0]^T；假设反射镜上两点的图像坐标分别为u₁、v₁和u₂、v₂，通过如下公式计算这两点的三维坐标[X_i Y_i Z_i]，其中i＝1,2：

其中，x_iu、y_iu为归一化去畸变图像坐标；采用归一化平移向量计算反射镜上两点的距离

平移向量t＝l/l₁×t'；

根据相机的内部参数及振动过程中的对应图像坐标及外部参数计算待测物体上每个标识点的三维坐标，并进行模态及频率振动分析。

2.根据权利要求1所述的多镜面单相机三维振动测试装置，其特征在于，测试装置还包括用于固定相机的三脚架。

3.一种基于权利要求1所述多镜面单相机三维振动测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、相机内部参数标定：将平面标定板在相机的视场范围内平移及旋转至少8个姿态，相机采集平面标定板图像，利用标定板图像计算相机内部参数矩阵及畸变系数；

步骤2、标识点粘贴与反射镜固定：在待测位置粘贴标识点，并在其旁边固定贴有两个标识点的前镀膜反射镜；

步骤3、相机图像采集：采用激励装置让待测物发生振动，相机采集整个振动状态图像，保存至计算机，得到的任意一幅图像中均包含所有待测点的实像与镜面反射的虚像两部分；

步骤4、相机与每个镜面坐标系外部参数确定：通过标识点识别与定位算法确定任意一幅图像中每个实像与虚像的对应图像坐标，利用整个振动过程中对应图像坐标、镜面上标识点图像坐标以及相机内部参数计算相机坐标系与每个镜面坐标系的外部参数；

步骤5、待测物体标识点的三维坐标计算：根据相机的内部参数及振动过程中的对应图像坐标及外部参数计算待测物体上每个标识点的三维坐标，并进行模态及频率振动分析。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中得到的相机内部参数矩阵为

其中f_x、f_y为两个方向的等效焦距，c_x、c_y为光轴与相机靶面的交点图像坐标，一阶畸变系数用k₁表示。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中每个待测点位置均粘贴一个标识点，且每个标识点旁边均固定有一前镀膜反射镜，在反射镜上贴有两个标识点，且两个标识点之间的距离已知为l。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4中采用整个振动过程中的对应图像坐标u_i、v_i和u′_i、v′_i，其中i表示任意一个振动状态，相机坐标系与世界坐标系的外部参数中旋转矩阵的计算方法如下：

在反射镜平面上建立世界坐标系，设垂直于激光平面的方向为世界坐标系的X轴，相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵为

则通过如下公式进行Levenberg-Marquardt算法迭代优化，精确计算旋转矩阵R：

(y_iux'_iu-x_iuy'_iu)(R₃R₇-R₄R₆)+(x'_iu-x_iu)(R₃R₈-R₅R₆)+(y'_iu-y_iu)(R₄R₈-R₅R₇)＝0其中，归一化畸变图像坐标：x_id＝(u_i-c_x)/f_x，y_id＝(v_i-c_y)/f_y，x_id'＝(u_i'-c_x)/f_x，y_id'＝(v_i'-c_y)/f_y；归一化去畸变图像坐标：x_iu＝x_id(1+k₁R²)，y_iu＝y_id(1+k₁R²)，x'_iu＝x'_id(1+k₁R'²)，y'_iu＝y'_id(1+k₁R'²)，

旋转矩阵R的其他分量根据其正交性求解。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤5中计算待测物体表面某一标识点三维坐标的方法为：

其中，t_i＝[t_xi t_yi t_zi]^T为计算得到的对应相机与镜面坐标系的平移向量，对应相机与镜面坐标系的旋转矩阵

i代表某特定标识点；实像的对应图像坐标为u、v，虚像的对应图像坐标为u'、v'；归一化畸变图像坐标：x_d＝(u-c_x)/f_x，y_d＝(v-c_y)/f_y，x_d'＝(u'-c_x)/f_x，y_d'＝(v'-c_y)/f_y；归一化去畸变图像坐标：x_u＝x_d(1+k₁R²)，y_u＝y_d(1+k₁R²)，x'_u＝x'_d(1+k₁R'²)，y'_u＝y'_d(1+k₁R'²)，

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5中频率及模态振动分析方法为：

通过相机采样帧频及所测得的三维数据利用傅里叶变换即可进行频率分析，对全部标识点的三维数据分析可以得到振动过程中的模态信息。

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