高速攝像儀在動態位移測量中的應用

張煜杰　李瑞萍　李鵬

摘??要：本文簡述了在某項解鎖試驗中，高速攝像儀在解鎖后被測物體動態彈升高度及最終位移測量方面的應用，簡要介紹了試驗情況以及高速攝像技術位移測量的原理、測量系統的布設情況及相關要求。

關鍵詞：高速攝像;動態位移;測量

1引言

某行走機構在運輸過程中通過固定裝置壓緊在停放支架上，到達目的地后固定裝置解除對行走機構的壓緊狀態，行走機構在底部壓縮彈簧的彈力作用下，彈起一定高度，以方便行走機構駛離停放支架。在實際狀況中因地面不平整等因素的影響，停放支架有偏離正常水平狀態的可能，為驗證在各種極限傾斜狀況下行走機構駛離停放支架的能力，需要在各種典型極限狀態下對行走機構的最大彈升高度及最終的彈升位移等參數進行測量。測量方法之一使用了高速攝像測量技術，本文對攝像測量技術的簡要原理、測量時儀器的布設情況以及測量特征點的布設情況進行了簡要介紹。

2系統組成及測量原理

本次試驗時所用測量方法之一是使用了高速攝影測量技術。高速攝影測量技術屬于數字圖像測量技術，是基于光學測量原理及計算機圖像處理技術形成的一種新型測量技術。所謂的圖像測量就是測量被測量對象時，把圖像當作檢測和傳遞的手段或載體加以利用的測量方法，也就是在一系列的采樣過程中通過圖像傳感器把被測目標的影像信息記錄下來，并把圖像信息數字化后送入計算機，利用圖像測量原理和圖像處理的各種技術通過計算機對數字圖像進行分析、處理，通過被測物體圖像的邊緣計算被測物體的幾何參數坐標，從而得到所需要的測量信息。因此圖像采集和圖像處理技術是圖像測量系統的基礎和關鍵。

一般的圖像測量系統主要由照明系統、圖像采集系統、通信部分以及計算機控制系統和圖像處理軟件等組成。因此，影響系統精度的主要因素除了上述幾個方面以外，還受圖像處理軟件算法的影響。

本次試驗是以兩臺高速攝像機實現對彈升高度等動態信息的實時圖像采集。高速攝像機能夠以1000幀/秒的速度連續拍攝，將各時刻被測物的運動情況以圖像的方式記錄、儲存起來，并可以以低速的方式進行回放，方便對運動過程的分析及比對。

試驗前需要在被測物體特征部位粘貼參考點，試驗時通過高速攝像機連續對被測物的運動過程進行高速攝像記錄，并通過控制系統及高速傳輸接口將相關數據存入計算機中，由圖像處理軟件進行后續分析。

測量時通過高速攝像機捕獲的各個時刻被測物上的參考點所形成的平面圖像在一個相同的距離內（視角范圍內攝像機鏡頭到測量點的距離），因此各參考點在圖像中的像素距離與實際距離成特定的比例關系，通過對比實際尺寸及像距離計算出比例關系，即可求解出各時刻各參考點的位移量。

3?測量系統布設情況

3.1測量系統的布設及調整

本次試驗所用設備主要包括兩臺高速攝像機、攝像機支架、計算機及測量軟件系統、數據線纜及照明系統。

高速攝像機安裝于攝像機支架上并布設于產品兩側，距產品兩側距離相同，分別用于對兩側特征參考點動態位移的記錄，兩臺高速攝像機通過高速數據傳輸接口與計算機相連，通過測量控制軟件實現對試驗過程的拍攝記錄及存儲。拍攝時通過照明系統對被測物進行補充照明，使攝像機能夠捕捉到清晰的圖像。

拍攝記錄時為保證測量精度，應當使攝像機的視場平面與被測平面相對平行，運動方向也要與視場平面相對平行，因此在布設好攝像機位置后對攝像機姿態及成像情況匯進行了進一步的確認及調整。調整時通過角度測量儀器實測被測平面的傾斜角度，并根據實測傾斜角度利用攝像機支架及角度測量儀對攝像機的姿態進行粗調，在粗調的基礎上利用反射鏡及激光發射器對攝像機姿態進行了精調，使相機姿態與被測物相同，攝像機鏡頭與被測平面平行。攝像機姿態調整合適后可對其成像質量及成像情況進行檢查。

3.2參考點的布設

被測物特征部位粘貼參考點，參考點粘貼部位及間距等信息是圖像處理及計算時的主要參數之一，同時粘貼的參考點在成像后的圖片中灰度差別與其它部位差異要大，方便邊界輪廓的識別。

4總結

高速攝像測量技術是基于光學測量原理及計算機圖像處理技術的一種新型測量技術，采用高速攝像測量一方面可對被測物動態運動情況進行過程記錄，另一方面結合計算機圖像處理技術可以實現對各個時刻運動情況的分析處理，但在用于測量方面時為提高測量精度應使被測物體的被測平面及運動方向與成像平面平行。目前高速攝像機每秒拍攝的圖像數量、每張圖像的像素質量相比已住均有大的提高，部分儀器除具能測量位移外還能夠記錄運動速度，因此采用高速攝像測量技術不僅可以獲取位移情況，還可以分析、記錄物體各時刻運動速度情況以及加速度情況等，在高速運動物體運動軌跡測量等方面具有極大的優勢，可做為主要記錄、分析及測量手段，也可配合其它測量方法實現過程記錄及輔助分析計算。

作者簡介：張煜杰，出生年月1976.1，性別，男，籍貫，山西省懷仁市，工程碩士，天津航天機電設備研究所，研究方向，機械