高速視覺動態(tài)測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應用研究.pdf

1、隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，高像素相機的出現(xiàn)，圖像能夠完整的記錄結(jié)構(gòu)位置信息從而復現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應。視覺測量技術(shù)作為一種新興的測量技術(shù)以其高效、精確、非接觸、遠距離測量等特點得到了國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。現(xiàn)階段由于計算機硬件性價比不斷提高，相關(guān)技術(shù)逐漸發(fā)展，視覺測量技術(shù)能在很大程度上補充傳統(tǒng)測量方式的不足從而能很快的獲得全球化的應用。
　　高速視覺測量系統(tǒng)具有更快的采樣頻率、更高的計算速度，所以其不僅能完成普通的幾何尺寸、形狀姿態(tài)的

2、測量，還能夠通過高速相機拍攝得到物體的運動視頻，使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對視頻圖像分析、處理，實現(xiàn)對物體運動的快速跟蹤。本文以高速相機為基礎(chǔ)，以圖像為對象，深入研究基于計算機視覺圖像實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動態(tài)響應測量的系統(tǒng)方案、軟硬件的設(shè)計，特別是對軟件部分的視頻圖像位移提取算法進行了深入的研究，解決了高速視覺測量中的速度、精度和魯棒性三大問題的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文首先介紹了整個高速視覺測量系統(tǒng)的硬件搭配，為了增加系統(tǒng)適應性，整個系統(tǒng)硬件組成通過更

3、換部件形成不同的組合以完成不同情況下的高速運動物體的視頻采集。并以單擺實驗簡單的演示了整個高速視覺測量系統(tǒng)測量運動的流程，包括測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的標定以及利用相關(guān)數(shù)字圖像處理技術(shù)提取運動位移的過程。
　　然后為了研究高速、高精度、魯棒的圖像匹配算法，本文對圖像相關(guān)法中的圖像匹配相關(guān)技術(shù)進行了研究，包括匹配模板的選擇標準，幾種模板匹配常用的相關(guān)函數(shù)的優(yōu)缺點即相互之間的聯(lián)系;對常用的模板匹配位移提取算法進行分析，提出了使用塊匹配和亞

4、像素定位的組合算法提高測量精度。同時也分析了一種高效的基于Lucas-Kanade的位移提取算法，并指出了其在視覺測量中的不足之處以及限定的使用范圍。根據(jù)圖像相關(guān)法的研究結(jié)果，針對高速視覺測量的高采樣頻率的特點，提出兩種對外界光照和噪聲不敏感、計算效率高、定位精度高的模板匹配算法來估計目標運動:一種是局部搜索優(yōu)化算法(LS)，另一種是基于混沌粒子群的優(yōu)化算法(PSO)，局部搜索模板匹配法適用于高頻率采樣下相鄰幀之間目標位移較小或者目標本

5、身運動位移就很小的情況，在特定情況下這種優(yōu)化算法可以獲得很高的計算效率?；诹Ｗ尤旱膬?yōu)化算法通過模擬鳥類捕食的思想能夠快速準確的搜索相鄰幀之間目標運動位移，無論是小范圍的還是大范圍的都可以捕捉到，并且有著避開局部最優(yōu)的能力。且這兩種基于標準互相關(guān)法(NCC)的模板匹配算法還能夠配合曲面擬合的亞像素精度，在幾乎不增加額外計算量的情況獲得圖像亞像素精度定位?？梢宰鳛楦咚僖曈X測量系統(tǒng)軟件的常規(guī)算法。
　　高速視覺測量系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)

6、意義上結(jié)構(gòu)動態(tài)的測量，還可以挖掘那些不為人類視覺所感知的、不可見、被忽略的運動信號，通過歐拉影像放大技術(shù)可以將這些微弱的信號提取放大甚至做到可以讓人眼感知的地步，但是放大后的視頻相對于真實的運動有一定的差別，本文提出一種基于奇異值分解理論(SVD)的位移提取算法，通過降低圖像的信息維數(shù)，從而揭示出隱藏在圖像背后的信息，算法簡潔、快速、可靠。將其運用到影像放大后的視頻分析可以實現(xiàn)視頻中一些運動主成分的快速提取并能避開由運動放大所引入的冗余

7、信息。
　　最后基于這種高速視覺測量的組合硬件，結(jié)合提出的高效位移提取算法，開發(fā)了基于計算機平臺的視覺測量軟件，并利用該軟件完成工程測量，解決工程中的實際問題。主要包括叉車方向盤系統(tǒng)的振動測量與結(jié)構(gòu)優(yōu)化;高鐵兩側(cè)聲屏障在風動激勵下振動測量及結(jié)構(gòu)模態(tài)計算;鏈接件的錘擊響應測量與松脫程度判斷;軟性材料受聲音激勵后的振動測量并以此恢復聲音。這些實例展示了高速視覺測量系統(tǒng)在工程應用中的實際測量效果，充分證明了這種基于高速視覺的測量是一種有