基于主動序列模糊圖像的運動估計和振動測量.pdf

1、運動及振動參數(shù)的機器視覺測量方法廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、自動化以及醫(yī)療領(lǐng)域。機電系統(tǒng)動態(tài)性能測試以及視覺伺服等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的目標運動速度及振動頻率遠遠高于一般應(yīng)用場合,因此高速運動估計和高頻振動測量成為運動和振動參數(shù)測量的一個重要研究內(nèi)容。針對高速運動估計和高頻振動測量中的幾個常見問題,如主動序列運動模糊圖像采集和建模以及2D高速平移運動、2D高頻面內(nèi)振動、高速定軸轉(zhuǎn)動和高頻角振動以及高速離面運動的測量,本文開展了系統(tǒng)和深入的研究。

2、　　 1.高速運動或高頻振動測量中,目標圖像平面上將產(chǎn)生運動模糊現(xiàn)象。這種運動模糊一般被視為不利于圖像分析的一種退化,而本文根據(jù)生物視覺中存在的“由模糊感知運動”的機制,認為圖像模糊現(xiàn)象攜帶了重要的運動信息,可以在運動和振動參數(shù)測量中主動加以利用。同時,根據(jù)主動視覺原理,本文認為圖像的運動模糊程度可以由視覺系統(tǒng)主動控制,并設(shè)計了一種主動序列運動模糊圖像采集系統(tǒng),該系統(tǒng)可以根據(jù)圖像的運動模糊程度及飽和程度來自動預(yù)測和控制攝像機的曝光時間

3、、采樣周期和光電轉(zhuǎn)換系數(shù),從而產(chǎn)生攜帶足夠運動模糊信息的圖像或圖像序列,同時避免圖像的亮度飽和現(xiàn)象。此后,根據(jù)該圖像采集系統(tǒng)的特點,本文提出了主動序列運動模糊圖像的一般數(shù)學模型,并分析了目標作面內(nèi)平移、旋轉(zhuǎn)以及離面等不同形式運動時的運動模糊圖像模型。
　　 2.高速平移運動是高速運動及高頻振動中一種簡單但十分重要的形式。由于運動模糊現(xiàn)象的存在,目前平移運動分析中常用的塊匹配法難以直接應(yīng)用于高速平移運動分析中。本文根據(jù)生物視覺中存

4、在的“由模糊感知運動”的機制以及生物運動知覺中的時空整合機制,提出了一種基于主動運動模糊圖像及幾何矩的2D高速平移運動估計方法。該方法首先利用幾何矩模擬生物運動知覺中的空間整合機制,并推導(dǎo)出表征平移運動模糊圖像的幾何矩以及運動函數(shù)之間關(guān)系的定理,根據(jù)該定理提取運動模糊圖像中的運動信息,從而實現(xiàn)運動估計。本文的算法可簡單的利用兩幀運動模糊圖像實現(xiàn)2D加速運動的估計,而現(xiàn)有方法需要至少三幀圖像才能得到同樣的結(jié)果。
　　 3.振動測量

5、是機械系統(tǒng)測試特別是微機電系統(tǒng)測試中的重要內(nèi)容。常用的振動測量方法是采用輔助的頻閃光源采集目標的清晰圖像序列并加以處理。而現(xiàn)有的基于運動模糊圖像的方法僅針對振動周期遠小于攝像機曝光時間的高頻振動振幅測量方法進行了研究,并未涉及振動周期大于曝光時間的低頻振動(以下及正文中簡稱為低頻振動,但這里的低頻并不是傳統(tǒng)意義上的低頻)測量問題。本文著重分析了高頻及低頻的振動模糊圖像特點及其與非往復(fù)運動的不同之處,從而根據(jù)基于運動模糊及圖像矩的高速平移

6、運動估計方法分別設(shè)計出面內(nèi)高頻及低頻振動測量的具體方法。本文的算法可以根據(jù)一幅清晰圖像及一幅運動模糊圖像或兩幅連續(xù)的運動模糊圖像計算出低頻振動的振幅,頻率,相位和振動方向以及高頻振動的振幅及振動方向。同時,在圖像噪聲水平較高時,提出了采用短運動模糊圖像序列信息融合方法來測量振動參數(shù)的思路,該方法可顯著提高測量精度。此外,設(shè)計了一種簡便的視覺系統(tǒng)參數(shù)控制方法,以提高振動頻率未知時的自適應(yīng)性。
　　 4.定軸轉(zhuǎn)動及角振動普遍存在于許

7、多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。本文根據(jù)圓周運動模糊圖像的直角坐標系模型和極坐標系模型,分別提出了兩種基于主動序列運動模糊圖像及幾何矩的定軸轉(zhuǎn)動及角振動參數(shù)的估計算法:其一是利用運動模糊圖像的直角坐標系模型估計轉(zhuǎn)動或高頻角振動的參數(shù)。該方法首先推導(dǎo)出直角坐標系下運動模糊圖像的幾何矩與圓周運動函數(shù)的關(guān)系定理,然后根據(jù)該定理提取圖像平面上的圓周運動模糊信息,從而計算出轉(zhuǎn)動或角振動的參數(shù)。其二是直接將平移運動及振動估計方法映射到的極坐標平面上,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動及

8、角振動的測量。與現(xiàn)有的定軸轉(zhuǎn)動及角振動測量方法相比,本文提出的方法可測量曝光時間內(nèi)存在較大角位移的圓周運動。
　　 5.離面運動測量的常用方法是激光多普勒儀、電子或數(shù)字散斑干涉以及光學剪切干涉,它們均需要額外的光源及干涉光路。通過分析離面運動模糊的成因,本文提出了散焦模糊與圖像放縮運動模糊相復(fù)合的離面運動模糊圖像模型,并推導(dǎo)出離面運動模糊圖像的幾何矩以及離面運動函數(shù)之間的關(guān)系定理,從而根據(jù)該定理提取離面運動模糊圖像中的離面運動特