高速攝像儀在動態(tài)位移測量中的應(yīng)用

張煜杰　李瑞萍　李鵬

摘??要：本文簡述了在某項解鎖試驗中，高速攝像儀在解鎖后被測物體動態(tài)彈升高度及最終位移測量方面的應(yīng)用，簡要介紹了試驗情況以及高速攝像技術(shù)位移測量的原理、測量系統(tǒng)的布設(shè)情況及相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：高速攝像;動態(tài)位移;測量

1引言

某行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸過程中通過固定裝置壓緊在停放支架上，到達(dá)目的地后固定裝置解除對行走機(jī)構(gòu)的壓緊狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)在底部壓縮彈簧的彈力作用下，彈起一定高度，以方便行走機(jī)構(gòu)駛離停放支架。在實際狀況中因地面不平整等因素的影響，停放支架有偏離正常水平狀態(tài)的可能，為驗證在各種極限傾斜狀況下行走機(jī)構(gòu)駛離停放支架的能力，需要在各種典型極限狀態(tài)下對行走機(jī)構(gòu)的最大彈升高度及最終的彈升位移等參數(shù)進(jìn)行測量。測量方法之一使用了高速攝像測量技術(shù)，本文對攝像測量技術(shù)的簡要原理、測量時儀器的布設(shè)情況以及測量特征點的布設(shè)情況進(jìn)行了簡要介紹。

2系統(tǒng)組成及測量原理

本次試驗時所用測量方法之一是使用了高速攝影測量技術(shù)。高速攝影測量技術(shù)屬于數(shù)字圖像測量技術(shù)，是基于光學(xué)測量原理及計算機(jī)圖像處理技術(shù)形成的一種新型測量技術(shù)。所謂的圖像測量就是測量被測量對象時，把圖像當(dāng)作檢測和傳遞的手段或載體加以利用的測量方法，也就是在一系列的采樣過程中通過圖像傳感器把被測目標(biāo)的影像信息記錄下來，并把圖像信息數(shù)字化后送入計算機(jī)，利用圖像測量原理和圖像處理的各種技術(shù)通過計算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行分析、處理，通過被測物體圖像的邊緣計算被測物體的幾何參數(shù)坐標(biāo)，從而得到所需要的測量信息。因此圖像采集和圖像處理技術(shù)是圖像測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

一般的圖像測量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、通信部分以及計算機(jī)控制系統(tǒng)和圖像處理軟件等組成。因此，影響系統(tǒng)精度的主要因素除了上述幾個方面以外，還受圖像處理軟件算法的影響。

本次試驗是以兩臺高速攝像機(jī)實現(xiàn)對彈升高度等動態(tài)信息的實時圖像采集。高速攝像機(jī)能夠以1000幀/秒的速度連續(xù)拍攝，將各時刻被測物的運(yùn)動情況以圖像的方式記錄、儲存起來，并可以以低速的方式進(jìn)行回放，方便對運(yùn)動過程的分析及比對。

試驗前需要在被測物體特征部位粘貼參考點，試驗時通過高速攝像機(jī)連續(xù)對被測物的運(yùn)動過程進(jìn)行高速攝像記錄，并通過控制系統(tǒng)及高速傳輸接口將相關(guān)數(shù)據(jù)存入計算機(jī)中，由圖像處理軟件進(jìn)行后續(xù)分析。

測量時通過高速攝像機(jī)捕獲的各個時刻被測物上的參考點所形成的平面圖像在一個相同的距離內(nèi)（視角范圍內(nèi)攝像機(jī)鏡頭到測量點的距離），因此各參考點在圖像中的像素距離與實際距離成特定的比例關(guān)系，通過對比實際尺寸及像距離計算出比例關(guān)系，即可求解出各時刻各參考點的位移量。

3?測量系統(tǒng)布設(shè)情況

3.1測量系統(tǒng)的布設(shè)及調(diào)整

本次試驗所用設(shè)備主要包括兩臺高速攝像機(jī)、攝像機(jī)支架、計算機(jī)及測量軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)線纜及照明系統(tǒng)。

高速攝像機(jī)安裝于攝像機(jī)支架上并布設(shè)于產(chǎn)品兩側(cè)，距產(chǎn)品兩側(cè)距離相同，分別用于對兩側(cè)特征參考點動態(tài)位移的記錄，兩臺高速攝像機(jī)通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口與計算機(jī)相連，通過測量控制軟件實現(xiàn)對試驗過程的拍攝記錄及存儲。拍攝時通過照明系統(tǒng)對被測物進(jìn)行補(bǔ)充照明，使攝像機(jī)能夠捕捉到清晰的圖像。

拍攝記錄時為保證測量精度，應(yīng)當(dāng)使攝像機(jī)的視場平面與被測平面相對平行，運(yùn)動方向也要與視場平面相對平行，因此在布設(shè)好攝像機(jī)位置后對攝像機(jī)姿態(tài)及成像情況匯進(jìn)行了進(jìn)一步的確認(rèn)及調(diào)整。調(diào)整時通過角度測量儀器實測被測平面的傾斜角度，并根據(jù)實測傾斜角度利用攝像機(jī)支架及角度測量儀對攝像機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行粗調(diào)，在粗調(diào)的基礎(chǔ)上利用反射鏡及激光發(fā)射器對攝像機(jī)姿態(tài)進(jìn)行了精調(diào)，使相機(jī)姿態(tài)與被測物相同，攝像機(jī)鏡頭與被測平面平行。攝像機(jī)姿態(tài)調(diào)整合適后可對其成像質(zhì)量及成像情況進(jìn)行檢查。

3.2參考點的布設(shè)

被測物特征部位粘貼參考點，參考點粘貼部位及間距等信息是圖像處理及計算時的主要參數(shù)之一，同時粘貼的參考點在成像后的圖片中灰度差別與其它部位差異要大，方便邊界輪廓的識別。

4總結(jié)

高速攝像測量技術(shù)是基于光學(xué)測量原理及計算機(jī)圖像處理技術(shù)的一種新型測量技術(shù)，采用高速攝像測量一方面可對被測物動態(tài)運(yùn)動情況進(jìn)行過程記錄，另一方面結(jié)合計算機(jī)圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)對各個時刻運(yùn)動情況的分析處理，但在用于測量方面時為提高測量精度應(yīng)使被測物體的被測平面及運(yùn)動方向與成像平面平行。目前高速攝像機(jī)每秒拍攝的圖像數(shù)量、每張圖像的像素質(zhì)量相比已住均有大的提高，部分儀器除具能測量位移外還能夠記錄運(yùn)動速度，因此采用高速攝像測量技術(shù)不僅可以獲取位移情況，還可以分析、記錄物體各時刻運(yùn)動速度情況以及加速度情況等，在高速運(yùn)動物體運(yùn)動軌跡測量等方面具有極大的優(yōu)勢，可做為主要記錄、分析及測量手段，也可配合其它測量方法實現(xiàn)過程記錄及輔助分析計算。

作者簡介：張煜杰，出生年月1976.1，性別，男，籍貫，山西省懷仁市，工程碩士，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，研究方向，機(jī)械