基于視覺的振動特征提取算法研究及應(yīng)用.pdf

1、測量技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，測量的精度和效率在一定程度上決定著制造業(yè)乃至科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。隨著工業(yè)制造技術(shù)和加工工藝的改進(jìn)與提高，人們對測量手段的速度和精度提出了更高的要求。近年來測量技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:非接觸式、在線測量、高精度、智能化等。隨著機器視覺的迅速發(fā)展，人們開始將視覺技術(shù)應(yīng)用于測量技術(shù)之中，形成了一種新型的檢測技術(shù)——視覺測量技術(shù)。
　　視覺測量技術(shù)以機器視覺為基礎(chǔ)，將圖像作為檢測信息的手段，

2、融合了光電子學(xué)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，形成了光機電算一體化的視覺測量系統(tǒng)，具有高效、高精度、非接觸式、遠(yuǎn)距離測量的特點，是傳統(tǒng)測量方式的重要補充，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，得到了研究者的普遍關(guān)注。本文以視覺測量系統(tǒng)為研究對象，通過硬件選型組建了高速視頻采集裝置，進(jìn)而對視頻圖像的位移快速提取算法進(jìn)行了深入研究。
　　本文首先對硬件選型做了分析，搭建了基于高速相機的視覺測量硬件系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以快速完成高

3、速運動物體的視頻拍攝。對于拍攝得到的振動視頻，如何快速分析視頻圖像實現(xiàn)振動信息的提取是視覺測量系統(tǒng)的核心。常規(guī)圖像處理技術(shù)是圖像分析中常用的手段，它通過靈活組合多種圖像處理算法可以完成各種場景運動圖像的分析和視頻信息的提取。鋼條懸臂梁振動實驗展示了常規(guī)圖像處理手段在實際應(yīng)用中的使用效果，然而實驗也暴露了常規(guī)圖像處理手段存在的諸多問題，如參數(shù)多，難調(diào)整;步驟多，繁瑣易出錯;對視頻要求高，光照、噪聲對算法執(zhí)行效果有直接影響等。
　　針

4、對常規(guī)圖像處理手段存在的問題，本文從模板匹配、數(shù)據(jù)降維、數(shù)學(xué)分析、圖像對齊等多個角度進(jìn)行了研究探討，并相應(yīng)提出了多種簡單有效的振動位移提取算法，包括基于NCC模板匹配的提取算法、基于SVD分解的提取算法、基于Taylor展開的提取算法和基于Lucas-Kanade圖像對齊的提取算法。這些算法減少了對圖像處理的依賴，處理過程只需選擇跟蹤區(qū)域即可快速完成振動位移的提取，算法簡單易實現(xiàn)，具有通用性強、效率高、設(shè)定參數(shù)少、自動化程度高的特點。<

5、br>　　NCC算法將模板圖像在匹配圖像上進(jìn)行掃描計算，從而得到相關(guān)系數(shù)矩陣，矩陣中極大值出現(xiàn)的位置即為物體運動的當(dāng)前位置，此算法理論簡單，效果直觀、可靠;SVD算法屬于機器學(xué)習(xí)降維算法，通過SVD奇異值分解顯著降低了圖像信息的維數(shù)，得到只有k維的成分信號，揭示了隱藏在視頻背后的振動本征結(jié)構(gòu)信息，算法簡潔、快速，只需設(shè)定分析區(qū)域即可自動完成位移信號的提取;Taylor算法從級數(shù)展開角度解釋了SVD提取算法的物理意義，進(jìn)而提出了基于迭代的

6、高精度亞像素位移提取算法，算法避免了奇異值分解過程，通過差分直接得到圖像基，使算法流程進(jìn)一步簡化;Lucas-Kanade算法將圖像對齊理念引入到振動提取中，得到了更具普遍意義的提取算法，不僅可以實現(xiàn)位移的提取，還可以完成旋轉(zhuǎn)、變形的計算。最后，本文將Taylor算法與Lucas-Kanade算法相融合，提出了改進(jìn)的反向組合算法，使得位移提取效率得到了進(jìn)一步提升，該算法對每幀的位移提取時間降低到0.1ms以下，為1000Hz以上高速視頻

7、的實時分析提供了可能。
　　基于提出的高效位移提取算法，本文開發(fā)了基于計算機平臺和智能手機平臺的視覺測量軟件，并利用這些軟件做了大量實驗研究。首先利用高精度位移平臺開展了視覺測量精度的驗證實驗，證明了視覺測量系統(tǒng)可以達(dá)到很高的測量精度。然后在實驗室環(huán)境和室外環(huán)境分別開展了視覺測量的應(yīng)用研究，其中椅子測振、風(fēng)扇測速實驗測試了手機視覺測量軟件的使用效果，電機實驗驗證了手機可完成手持式、無目標(biāo)的振動測量;室外聲屏障、南淝河大橋、叉車方向