基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法技术

本发明专利技术公开了基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，包括如下步骤：使用两个摄像机拍摄待测物体，获得视频流数据；两个摄像机的视频流数据均选择同一时间的一帧数据作为第一帧，并得到待测物体在第一帧中的像素坐标；通过像素相似度计算待测物体在第二帧与第一帧之间的偏移向量，并得到待测物体在第二帧中的匹配像素坐标，并结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，计算待测物体在第二帧中的世界坐标；使用待测物体在第二帧中的匹配像素坐标和第二帧与第三帧的像素相似度计算第三帧的估计像素坐标和待测物体在第三帧时相应的世界坐标；按此重复，直至得到待测物体在测量时间段内的三维振动轨迹。本发明专利技术方法简单、测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法
本专利技术涉及视频监控领域，具体涉及一种基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法。
技术介绍
仪器设备如旋转设备在运行过程中容易产生较大的噪音，对静音性要求较高的场景，为了使旋转设备降低噪声，需要对旋转设备的运行情况进行监测，获取旋转设备的振动信息，从而采取主动降噪的方法减少旋转设备运行时的噪音。传统的监测旋转设备运行常常采用应变片式测量方法，这种方法主要是在二维甚至是一维上使用，三维上是实现不了的。而旋转设备的三维振动信息可以提供大量的运行资料，供工人对旋转设备进行降噪。目前，获取仪器设备的三维振动信息是一个难题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，该方法可以获取待测物体的三维振动轨迹，简单实用，测量精度高。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，其包括两个方位不同的摄像机，两摄像机的透镜镜面位于同一平面上，且中轴线平行；其包括如下步骤：使用两个摄像机拍摄待测物体，并获得两个摄像机的视频流数据；两个摄像机的视频流数据均选择同一时间的一帧数据作为第一帧，并得到待测物体在第一帧中的像素坐标；通过像素相似度计算待测物体在第二帧与第一帧之间的偏移向量，并得到待测物体在第二帧中的估计像素坐标，若估计像素坐标达到精度要求，则确定该估计像素坐标为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标，并结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，计算待测物体在第二帧中的世界坐标；使用待测物体在第二帧中的匹配像素坐标和第二帧与第三帧的像素相似度计算待测物体在第三帧中的估计像素坐标和待测物体在第三帧时相应的世界坐标；按此重复，直至得到待测物体在测量时间段内的三维振动轨迹。进一步地，计算待测物体在第二帧中的估计像素坐标的方法包括如下步骤：A1：选定两摄像机图像的宽高分别为W和H；待测物体最大宽高分别为w和h，待测物体在第一帧I0中的像素坐标为(i0,j0)，像素分布为A0：A2：在第二帧I中搜索待测物体，选定搜索框的宽度和高度分别为w和h，设定搜索框的像素坐标为(i,j)，像素分布为A：A3：计算偏移向量：其中，ω(i,j)为像素相似度，且，n为搜索框在第二帧中搜索时偏移的次数，(xn,yn)为搜索框在第二帧中第n次偏移后的像素坐标，(i,j)的取值范围是距离(xn,yn)最近的个像素点的像素坐标；(in,jn)为距离(xn,yn)最近的个像素点的像素坐标的取值范围；A4：令则待测物体在第二帧中估计像素坐标为(x’n，y’n)＝m(xn，yn)＝(xn，yn)+M(xn，yn)。进一步地，判断估计像素坐标是否为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标的方法为：如果||M(xn,yn)||≤ε或者n＞Nmax，则估计像素坐标为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标；如果||M(xn,yn)||＞ε且n≤Nmax，则返回步骤A3；其中，ε为预设的待测物体在第二帧中跟踪步长的阈值，Nmax为预设搜索框在第二帧中搜索时最大偏移次数。进一步地，测量之前，分别获取两摄像机的内参数矩阵和两摄像机的外参数矩阵。进一步地，外参数矩阵和外参数矩阵获取方法为张正友标定法。进一步地，像素坐标与世界坐标转换公式为：其中，为内参数矩阵，为外参数矩阵，(u,v)为待测物体在像素坐标系中的坐标；(u0,v0)为图像平面中心；(x,y)为待测物体在像平面坐标中的坐标；(XW,YW,ZW)为待测物体在世界坐标系中的坐标。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供的方法，测量精度高，方法简单，基于待测物体在图像中的像素特征，在每一帧中计算整幅图像与待测物体的像素相似度，再根据像素相似度计算偏移向量，通过不断迭代得到满足条件的偏移向量，从而确定待测物体在每一帧中的匹配像素坐标。根据待测物体在两个摄像机中的匹配像素坐标即可确定三维坐标。(2)本专利技术的测量方法属于一种非接触式测量方法，摄像机可安装在相对封闭的空间，因此测量方法适用于工作在恶劣环境的振动对象；耐用性高，摄像机既不与振动对象接触，工作环境也相对较好，可长时间使用。(3)相对于传统应变片式测量，本专利技术提供的测量方法可以获取待测物体的三维振动信息，跟踪待测物体，并对振动轨迹有完整的记录，可以进行大量的振动分析。附图说明图1为本专利技术实施例提供的测量方法的流程图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明。需要说明的是，“选定”以及“预设”数据是直接确定的；“设定”的数据是需要经过计算后才能确定的。参见图1所示，本专利技术实施例提供一种基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，其包括两个方位不同的摄像机，两摄像机的透镜镜面位于同一平面上，且中轴线平行；其包括如下步骤：使用两个摄像机拍摄待测物体，并获得两个摄像机的视频流数据；两个摄像机的视频流数据均选择同一时间的一帧数据作为第一帧，并得到待测物体在第一帧中的像素坐标；第一帧中的像素坐标为选定的，因此，其为直接确定，作为计算待测物体在第二帧中的像素坐标的依据。通过像素相似度计算待测物体在第二帧与第一帧之间的偏移向量，并得到待测物体在第二帧中的估计像素坐标，若估计像素坐标达到精度要求，则确定该估计像素坐标为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标，并结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，计算待测物体在第二帧中的世界坐标；使用待测物体在第二帧中的匹配像素坐标和第二帧与第三帧的像素相似度计算待测物体在第三帧中的估计像素坐标和待测物体在第三帧时相应的世界坐标；也就是，判断待测物体在第三帧的估计像素坐标是否达到精度要求，如果达到，确定该估计像素坐标为待测物体在第三帧中的匹配像素坐标。按此重复，直至得到待测物体在测量时间段内的三维振动轨迹，也就是，按照上述的通过待测物体在第一帧的像素坐标计算待测物体在第二帧中的像素坐标，再根据已经计算出来的待测物体在第二帧中的像素坐标来计算待测物体在第三帧中的像素坐标，接着根据已经计算出来的待测物体在第三帧中的像素坐标来计算待测物体在第四帧中的像素坐标，依次类推，进行计算，最终得到待测物体在测量时间段内的每一帧中的像素坐标，根据摄像机的像素坐标和世界坐标之间的转换关系，就可以得到待测物体在测量时间段内的每一帧中的世界坐标。本专利技术的原理为：通过待测物体在上一帧中的匹配像素坐标计算当前帧中的匹配像素坐标，利用两个摄像机拍摄待测物体，对于同一时间待测物体在两个摄像机中的匹配像素坐标，结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，即可计算待测物体在该时刻的世界坐标。在测量时，两个摄像机同时进行，而且两摄像机的测量步骤和计算方法都是相同的，下面以其中一个摄像机中第一帧和第二帧为例，其中待测物体在第一帧中的像素坐标为选定的，故第一帧的参数都是已知，从第二帧开始都是需要进行测量的，但是，对于需要测量的连续两帧而言，待测物体在下一帧的像素坐标可由其在上一帧的像素坐标确定，而待测物体在该上一帧的像素坐标可由该上一帧自身的上一帧的像素坐标确定，简而言之，第一帧选定了，由第一帧的像素坐标可以计算出第二帧的像素坐标，再由第二帧的像素坐标计算第三帧的像素坐标，接着由第三帧的像素坐标计算第四帧的像素坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，其包括两个方位不同的摄像机，两摄像机的透镜镜面位于同一平面上，且中轴线平行；其特征在于，其包括如下步骤：使用两个摄像机拍摄待测物体，并获得两个摄像机的视频流数据；两个摄像机的视频流数据均选择同一时间的一帧数据作为第一帧，并得到待测物体在第一帧中的像素坐标；通过像素相似度计算待测物体在第二帧与第一帧之间的偏移向量，并得到待测物体在第二帧中的估计像素坐标，若估计像素坐标达到精度要求，则确定该估计像素坐标为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标，并结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，计算待测物体在第二帧中的世界坐标；使用待测物体在第二帧中的匹配像素坐标和第二帧与第三帧的像素相似度计算待测物体在第三帧中的估计像素坐标和待测物体在第三帧时相应的世界坐标；按此重复，直至得到待测物体在测量时间段内的三维振动轨迹。

【技术特征摘要】
1.基于双目视觉的待测物体三维振动轨迹的测量方法，其包括两个方位不同的摄像机，两摄像机的透镜镜面位于同一平面上，且中轴线平行；其特征在于，其包括如下步骤：使用两个摄像机拍摄待测物体，并获得两个摄像机的视频流数据；两个摄像机的视频流数据均选择同一时间的一帧数据作为第一帧，并得到待测物体在第一帧中的像素坐标；通过像素相似度计算待测物体在第二帧与第一帧之间的偏移向量，并得到待测物体在第二帧中的估计像素坐标，若估计像素坐标达到精度要求，则确定该估计像素坐标为待测物体在第二帧中的匹配像素坐标，并结合两个摄像机的像素坐标和世界坐标之间的关系，计算待测物体在第二帧中的世界坐标；使用待测物体在第二帧中的匹配像素坐标和第二帧与第三帧的像素相似度计算待测物体在第三帧中的估计像素坐标和待测物体在第三帧时相应的世界坐标；按此重复，直至得到待测物体在测量时间段内的三维振动轨迹。2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，计算待测物体在第二帧中的估计像素坐标的方法包括如下步骤：A1：选定两摄像机图像的宽高分别为W和H；待测物体最大宽高分别为w和h，待测物体在第一帧I0中的像素坐标为(i0,j0)，像素分布为A0：A2：在第二帧I中搜索待测物体，选定搜索框的宽度和高度分别为w和h，设定搜索框的像素坐标为(i,j)，像素分布为A：A3：计算偏移向量：

【专利技术属性】
技术研发人员：胡琮亮，方明杰，饶文培，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42