基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法技术

本发明专利技术涉及基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法，包括：将生成黑白条纹图像通过投影仪投射在物体表面。设定相机采样频率及曝光时间。调节相机曝光度使条纹图像黑白部分宽度相等。测量系统参数。对拍摄到所有条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶变换轮廓术恢复振动物体表面在每一采样时刻的高度变化。绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。通过对比轨迹曲线最大值和最小值之间的高度差可以直接获得振幅数据，振动频率数据通过计算采样整个周期需要图像的张数乘以曝光时间得到。

A method of high frequency vibration measurement of a low speed camera based on the fringe projection method

The invention relates to a method for measuring high frequency vibration of low speed cameras based on fringe projection method, which includes generating black and white stripes through projectors on the surface of objects. Set the camera sampling frequency and exposure time. The width of the black and white part of the stripe image is equal by adjusting the camera exposure. Measure the system parameters. The stripes are selected for all stripes, and Fourier transform profilometry is applied to restore the height of the vibrating object at every sampling time. The variation curve of the selected sampling point height is the vibration track. By comparing the height difference between the maximum and minimum of the trajectory curve, we can get the amplitude data directly, and the vibration frequency data can be obtained by counting the number of images and multiplying the exposure time through calculating the sampling period.

【技术实现步骤摘要】
基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法
本专利技术涉及一种实现低频相机测量较高频振动的方法，属于光学振动测量领域。
技术介绍
根据奈奎斯特采样定理，如果要完整地恢复出原始信号中的信息，采样的频率要大于原始信号中最高频率的2倍。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍。普通工业相机40帧每秒的采样速率，理论上能测得的最高频率的信号为20Hz，具有很大的局限性。而采购高速率的相机成本比较大，并且随着相机采样频率的提高，数据储存的成本也大幅提高，更大大增加了测量成本。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于条纹投影法的低速摄像机测量较高频振动的方法，可以使用普通工业相机测量高出其采样速率数倍的稳定振动，满足大多数工业振动测量的要求。本专利技术的技术方案如下：基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法，包括下列步骤：(1)将待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，将电脑连接上投影仪，将生成黑白条纹图像通过投影仪投射在物体表面。(2)设定相机采样频率及曝光时间，取采样间隔为实际振动周期外加一个小的相机曝光时间。(3)调节相机曝光度使条纹图像黑白部分宽度相等，使用CCD相机以一定的速率拍摄投影到振动物体表面的条纹图像。(4)测量系统参数，获得CCD相机到振动物体表面的距离，CCD相机与投影仪水平距离，相机焦距，实际条纹周期长度数据。(5)对拍摄到所有条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶变换轮廓术恢复振动物体表面在每一采样时刻的高度变化。(6)在获得的一系列复原图像中选取一个采样点，取得每一采样时刻该点的高度信息。(7)在Matlab中使用绘图功能，以拍摄张数为横轴，步骤(6)中的高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。(8)通过对比轨迹曲线最大值和最小值之间的高度差可以直接获得振幅数据，振动频率数据通过计算采样整个周期需要图像的张数乘以曝光时间得到。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术实现了低采样速率相机测量较高频振动的目标。2、可移植性好，针对不同频率的振动测量，只需要改变曝光时间的数值即可，实验程序也能在各种操作系统下通用。3、减少了振动测量时较高频振动的测量成本，并具有很高可靠性。附图说明图1本专利技术基于条纹投影法的原理示意图图2本专利技术相机采样间隔的原理示意图图3本专利技术的计算流程图图4本专利技术的测量结果示意图具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术进行进一步的说明阐述。参见图1，本专利技术基于条纹投影法的原理示意图：待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，其表面在每个不同时刻处在不同的位置。通过程序生成黑白条纹图像，连接到投影仪并投射在物体表面，CCD相机负责采集物体不同时刻的图像并储存。条纹生成设备通过程序产生虚线框内所示的黑白条纹，连接上投影仪，调节投影仪的调焦旋钮使生成的图像清晰地投影在待测的振动物体上。控制振动物体产生一个恒定频率与幅度的低频振动。调节CCD相机的曝光度使条纹的黑白部分等宽，调节焦距使之对焦在振动物体表面。通过程序控制CCD的采样速率(本实验为10帧/秒)并保存所有图像，再通过Matlab软件计算出振动的频率和幅度。参见图2，本专利技术相机采样间隔的原理示意图：由于采样相机的采样速率可能低于振动物体的实际频率，所以我们取采样间隔为实际振动周期外加一个很小的相机曝光时间Tb(本实验为400微秒)，即为图中的(T2-T1’)，这样还原一个振动周期需要(T1’-T1)/(T2-T1’)帧图像，所以通过获取的轨迹曲线可以反推理出物体实际振动的频率。参见图3，本专利技术的计算流程图，以下简述其相应步骤：(1)先摆放好振动物体，CCD相机等实验器材，测出CCD相机到投影仪的距离d，CCD相机到参考平面的距离l0以及条纹的周期长度(1/f0)。(2)设定相机采样频率，视振动物体的大致频率确定(本实验中振动物体频率为30Hz，故设置采样速率为10帧/秒)。(3)然后调节曝光和焦距，使得图像中的条纹达到清晰的程度，拍摄照片。(4)从获取到的图像中选一幅作为参考图像I0，其余图像分别作为I1，I2，……，IM(其中M为拍摄到图像的总张数)，对所有图像选择其中有条纹的部分。(5)对上一步选择好的所有图像进行二维傅里叶变换，滤波，二维傅里叶反变换，卷积相乘，对数，取虚部等运算得到相位差(6)将步骤(5)种得到的带入到相位高度转换公式中，可得到振动物体表面每一时刻的复原图像。(7)在步骤(6)中获得的一系列高度复原图像中选取一个相同坐标的采样点，提取每一时刻的复原图像在采样点处的高度值(8)按照时间先后绘制该采样点的振动轨迹曲线，从轨迹曲线中得到振动的幅度信息，和周期所需采样张数N。(9)振动幅度AM由上一步直接获得，振动频率信息由采样整个周期需要图像的张数乘以曝光时间，即N×Tb得到。参见图4，本专利技术的测量结果示意图，可以看出每个周期大约需要90张图像，即90次采样可以描述。所以其振动周期为36ms。30Hz的振动，其周期约为33.3ms，考虑到输入信号可能产生的非线性失真，测量结果基本符合实际振动情况。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法，包括下列步骤：(1)将待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，将电脑连接上投影仪，将生成黑白条纹图像通过投影仪投射在物体表面；(2)设定相机采样频率及曝光时间，取采样间隔为实际振动周期外加一个小的相机曝光时间；(3)调节相机曝光度使条纹图像黑白部分宽度相等，使用CCD相机以一定的速率拍摄投影到振动物体表面的条纹图像；(4)测量系统参数，获得CCD相机到振动物体表面的距离，CCD相机与投影仪水平距离，相机焦距，实际条纹周期长度数据；(5)对拍摄到所有条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶变换轮廓术恢复振动物体表面在每一采样时刻的高度变化；(6)在获得的一系列复原图像中选取一个采样点，取得每一采样时刻该点的高度信息。(7)在Matlab中使用绘图功能，以拍摄张数为横轴，步骤(6)中的高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。

【技术特征摘要】
1.基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法，包括下列步骤：(1)将待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，将电脑连接上投影仪，将生成黑白条纹图像通过投影仪投射在物体表面；(2)设定相机采样频率及曝光时间，取采样间隔为实际振动周期外加一个小的相机曝光时间；(3)调节相机曝光度使条纹图像黑白部分宽度相等，使用CCD相机以一定的速率拍摄投影到振动物体表面的条纹图像；(4)测量系统参数，获得CCD相...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕辰刚，刘宇翔，高嘉乐，苌雨晴，张绪赓，刘宁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12