專利名稱：基于計算機視覺的轉速測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種計算機視覺技術領域的裝置，具體的說，是一種基于計算機視覺的轉速測量裝置?？蓮V泛應用于機械制造、建筑、運輸等領域的各種轉速測量；并且可以檢測任意頻率范圍的轉速。
背景技術：
傳統的轉速測量方法主要分為兩類機械式轉速測量方法和光學轉速測量方法。機械式轉速測量方法目前仍被廣泛應用，但大多數用于20rpm～8000rpm的低轉速測量。這種方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續。另外，機械式測量轉速法不能應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。采用反射原理的光電轉速測量法比機械式測量法準確、安全、先進，但往往需要額外安裝發射和接收裝置，使得測量系統更為復雜，昂貴的接收裝置更會使測量系統成本提高。同時由于測量儀器所發射的光線性能不同，限制了該方法的測量距離和范圍。
計算機視覺是一門發展迅速的新興學科。通過模擬人的視覺機理來實現測量、定位、監控等功能已成為目前智能儀器領域中的一個重要課題。近二十年以來，計算機視覺的研究已經從實驗室走向了實際應用，從簡單的二值圖像處理到多灰度的圖像處理，從一般的二維信息處理到三維視覺機理、模型和算法的研究，取得了很大的進展。而計算機工業水平的飛速提高以及人工智能和神經元網絡等學科的發展，更促進了計算機視覺系統的使用化。目前，計算機視覺系統正廣泛地應用于視覺檢測等各個領域。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號為CN95243533.0，專利名稱為一種轉軸轉速傳感器，該專利自述為“一種轉軸轉速傳感器，包括傳動桿、磁體、主軸和霍爾元件。其特征在于，所述磁體采用磁環，在所述磁環表面上均勻形成2n個磁極，其中n為自然數；所述磁環套在所述主軸上并能隨所述主軸轉動；所述傳動桿與所述主軸固定相連接，所述霍爾元件位于所述磁環附近。”該專利技術的結構通過安裝有霍爾元件的磁環與轉軸相連實現轉速的檢測，屬于接觸式速度測量方法，不能應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。中國專利號為CN200320113582.1，專利名稱為導磁旋轉軸溫度、轉速和振動非接觸測試裝置，該專利自述為“一種導磁旋轉軸溫度、轉速和振動非接觸測試裝置，其特征在于所述的測試裝置，在被測旋轉軸的圓周相差180的位置，沿徑向方向銑兩個深2mm、寬2mm、長5mm的缺口，在距離旋轉軸的適當位置放置一電渦流位移傳感器，傳感器獲取溫度、轉速和振動復合信號，經由信號分離電路進行信號分離后分別進行顯示輸出?！痹搶＠夹g是一種非接觸式轉速測量裝置，但需要在被測轉軸上銑兩個深的缺口，使得這種非接觸檢測方法的應用場合受到限制，尤其是對一些精密儀器或非破壞應用場合不適用。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種基于計算機視覺的轉速測量裝置，使其系統結構簡單，測速效果好，并能應用于各種速度測量場合。
由于CCD圖像傳感器的線性積分成像特性，運動物體在旋轉狀態下所拍攝到的往往都是模糊圖像，通常將這類運動模糊視為圖像的退化現象，利用各種濾波等恢復理論對圖像進行復原處理。但從另一角度來看，這樣的運動模糊圖像通常隱含一定的物體運動(轉動)信息?；谶@一思想，本發明利用計算機視覺獲取運動模糊圖像，并分析提取相應的運動信息，從而實現轉動的轉速測量。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括四個構成部分視覺采集裝置、測速平臺、外觸發模塊和計算機系統，視覺采集裝置用于采集安裝在測速平臺上的被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的模糊圖像信息傳送計算機系統。
計算機系統中設有控制模塊、顯示模塊和模糊圖像處理測速模塊。視覺采集裝置送到計算機系統的模糊圖像信息一路送到顯示模塊，另一路送到模糊圖像處理測速模塊。顯示模塊實時顯示所獲得的模糊圖像，并可以根據用戶的要求顯示特定信息。模糊圖像處理測速模塊通過對得到的模糊圖像進行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數獲取后實現對被測物體轉速的測量。
計算機系統的控制模塊通過外觸發模塊與視覺采集裝置相連，控制模塊完成對外觸發模塊的參數設定，外觸發模塊根據控制模塊傳送過來的參數設定值向視覺采集裝置發出控制信號。
視覺采集裝置包括CCD圖像傳感器和圖像采集卡。安裝時CCD圖像傳感器的光軸與安裝在測速平臺上的被測物體被測面垂直。CCD圖像傳感器實現采集安裝在測速平臺上的被測物體的運動模糊圖像，并通過圖像采集卡將所獲得的運動模糊圖像傳送給計算機系統。
所述模糊圖像處理測速模塊包括模糊圖像獲取模塊、運動模糊分析模塊、時頻轉換模塊、頻譜分析模塊和運動參數獲取模塊五大功能模塊。各個模塊均分別從前一個模塊獲得圖像，通過對圖像進行處理，將處理后的圖像送到下一個模塊。具體為模糊圖像獲取模塊從圖像采集卡獲取原始模糊圖像信息，進行轉換處理，為運動模糊分析模塊提供所需的圖像信息；運動模糊分析模塊將模糊圖像獲取模塊送來的運動模糊圖像通過空間變換轉換為一維平移運動模糊圖像，所處理后的模糊圖像供時頻轉換模塊使用；時頻轉換模塊利用傅氏變換對運動模糊分析模塊所傳送過來的一維模糊圖像進行時頻轉換獲得該圖像的頻譜圖像并傳送給頻譜分析模塊；頻譜分析模塊從時頻轉換模塊獲取模糊圖像的頻譜圖，利用特征提取的方法獲取頻譜圖中與運動相關的特征參數；由頻譜分析模塊所獲得的與運動相關的參數傳送給運動參數獲取模塊，運動參數獲取模塊利用運動模糊模型與運動參數之間的關系，獲得所要求的轉速信息。
本發明是一種基于計算機視覺方法的轉速測量裝置，這種轉速測量裝置根據轉動運動模糊圖像的成像原理，利用單幀模糊圖像實現對轉速的測量，是一種可實現在線非接觸測量的裝置。本發明結構簡單，可以廣泛應用于生產檢測環境，也可以在受化學、放射性、噪音等污染的環境中進行遠距離測量。本發明無論是在科研、生產還是在設備維修等方面均有廣泛的用途。
圖1是本發明結構框圖；圖2是模糊圖像處理測速模塊與其他各模塊之間的連接示意3是控制模塊與其他模塊的連接示意圖；圖4是本發明結構框圖；圖5是本發明模糊圖像處理測速模塊的結構框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括四個構成部分視覺采集裝置、測速平臺5、外觸發模塊2和計算機系統4。視覺采集裝置用于采集安裝在測速平臺上5的被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的模糊圖像信息傳送計算機系統4。
計算機系統4中設有控制模塊、顯示模塊17和模糊圖像處理測速模塊。視覺采集裝置送到計算機系統4的模糊圖像信息一路送到顯示模塊17，另一路送到模糊圖像處理測速模塊。顯示模塊17實時顯示所獲得的模糊圖像，并可以根據用戶的要求顯示特定信息。模糊圖像處理測速模塊通過對得到的模糊圖像進行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數獲取后實現對被測物體轉速的測量。
計算機系統4的控制模塊通過外觸發模塊2與視覺采集裝置相連，控制模塊完成對外觸發模塊2的參數設定，外觸發模塊2根據控制模塊傳送過來的參數設定值向視覺采集裝置發出控制信號。
視覺采集裝置包括CCD圖像傳感器1和圖像采集卡3。安裝時CCD圖像傳感器的光軸與安裝在測速平臺5上的被測物體被測面垂直。CCD圖像傳感器1實現采集安裝在測速平臺5上的被測物體的運動模糊圖像，并通過圖像采集卡3將所獲得的運動模糊圖像傳送給計算機系統4。
視覺采集裝置可以根據應用場合的要求對組成進行重新配置，一定程度上克服了系統結構固定、功能單一的缺陷，拓寬了應用范圍。對于高速運動的測量場合，可以選擇拍攝曝光時間較短的圖像傳感器；對于運動速度范圍較大的測量場合，可以選擇拍攝曝光時間可調節的場合；根據被測物體與圖像傳感器之間的距離，可以相應選擇不同的圖像傳感器的鏡頭；同時還可以根據被測物體的大小，選擇不同放大倍數的圖像傳感器的鏡頭，如果在微機械應用場合甚至可以選擇顯微攝像。用戶可以根據需要靈活配置，操作簡潔方便。除系統平臺采用WINDOWS2000外，本發明控制模塊、顯示模塊17、模糊圖像處理測速模塊均可以采用軟件來實現。
如圖5所示，模糊圖像處理測速模塊包括模糊圖像獲取6、運動模糊分析7、時頻轉換12、頻譜分析13和運動參數獲取16五大功能模塊。各個模塊均分別從前一個模塊獲得圖像，通過對圖像進行處理，將處理后的圖像送到下一個模塊。
1)模糊圖像獲取模塊6。圖像獲取模塊從圖像采集卡3獲取原始模糊圖像信息，進行轉換處理，為運動模糊分析模塊7提供所需的圖像信息。針對不同圖像采集卡3輸出的圖像格式不同，模糊圖像獲取模塊6從圖像采集卡3所獲取的模糊圖像需要經過格式轉換，將模糊圖像格式轉換為運動模糊分析模塊7能夠處理的灰度圖像格式。
2)運動模糊分析模塊7。該模塊包括旋轉中心提取子模塊8和運動降維處理子模塊11。旋轉中心提取子模塊8從模糊圖像獲取模塊6中讀取模糊圖像數據信息，進行圖像預處理，利用運動圖像處理的方法對模糊圖像進行分析，獲取運動的旋轉中心，供運動降維處理子模塊11使用；運動降維處理子模塊11利用旋轉中心提取子模塊8所提供的旋轉中心信息，調用相應的算法對模糊圖像進行處理，將二維旋轉運動模糊圖像轉換為一維勻速平移運動模糊圖像，供時頻轉換模塊12使用。
a)旋轉中心提取子模塊8。包括邊緣檢測子模塊9和圓特征提取子模塊10。從模糊圖像獲取模塊6中讀取模糊圖像數據信息，通過邊緣檢測子模塊9后獲得含有旋轉信息的圖像，圓特征提取子模塊10對邊緣檢測子模塊9處理后的圖像進行分析，提取所需的旋轉特征。
i)邊緣檢測子模塊9。邊緣檢測子模塊9從模糊圖像獲取模塊6中獲得模糊圖像數據信息，調用相應的邊緣處理算法對模糊圖像進行處理，利用被測對象的紋理特征，獲得含有與旋轉對象對應的系列同心圓或同心圓弧圖像。
ii)圓特征提取子模塊10。邊緣檢測子模塊9所獲得的圖像信息傳送給特征提取子模塊，該模塊調用圓檢測的圖像處理算法，并利用圓的對稱特性，對圓心進行匹配，獲得系列同心圓的圓心位置信息。該圓心位置對應旋轉中心位置。
b)運動降維處理子模塊11。運動降維處理子模塊11一路輸入為從模糊圖像獲取模塊6中讀取模糊圖像數據信息，另一路輸入為由圓特征提取子模塊10所獲得的旋轉中心位置信息。運動降維處理子模塊11調用插值算法將所獲得的模糊圖像進行扇形展開，并將展開的運動模糊圖像作為輸出信息輸送給下一個模塊。
3)時頻轉換模塊12。時頻轉換模塊12實現將空間運動模糊轉換為頻域特征。時頻轉換模塊12以運動模糊分析模塊7提供的一維平移運動模糊圖像為輸入，應用離散傅立葉變換將空間域內的運動模糊圖像轉換為頻域中的頻譜圖。
4)頻譜分析模塊13。頻譜分析模塊13從時頻轉換模塊12獲取模糊圖像的頻譜圖，利用特征提取的方法獲取頻譜圖中與運動相關的特征參數。頻譜分析模塊13分為圖像預處理子模塊14和目標檢測子模塊15。圖像預處理子模塊14是將時頻轉換模塊12輸出的頻譜圖進行預處理，增強圖像的對比度，加強目標特征信息。圖像預處理子模塊14輸出的進行預處理后的頻譜圖將傳送給目標檢測子模塊15，目標檢測子模塊15使用Radon變換方法對圖像進行處理，檢測圖像中的直線特征，獲得直線位置參數。
a)圖像預處理子模塊14。圖像預處理子模塊14從時頻轉換模塊12獲得頻譜圖進行預處理，調用圖像處理中的圖像預處理方法，提高圖像質量，增強圖像的對比度，加強目標特征信息。
b)目標檢測子模塊15。目標檢測子模塊15以圖像預處理子模塊14輸出的頻譜圖為輸入，調用Radon變換方法對圖像進行處理，檢測圖像中的直線特征，獲得直線位置參數。
5)運動參數獲取模塊16。運動參數獲取模塊16實現轉速參數獲取。由目標檢測子模塊15通過對頻譜圖進行Radon變換(拉東變換)后所獲得的直線位置參數以及旋轉運動模糊圖像為運動參數獲取模塊16的輸入參數，利用模糊模型的參數變換關系，計算旋轉運動轉速參數，作為檢測輸出。
運動模糊分析的目的是將由于二維的旋轉運動所造成的圖像模糊信息，通過插值運算扇形展開，轉換為一維的平移運動圖像模糊。時頻轉換的目的是獲為了得降維后的模糊圖像的頻譜圖。圖像特征提取通過對時頻轉換后所獲的頻譜圖進行圖像處理，從而提取出所需的與運動有關的直線信息。目標檢測的基本方法是建立檢測目標模型，然后利用Radon變換從處理后的圖像中檢測出所需要的直線特征。
顯示模塊17，從模糊圖像處理測速模塊各個子模塊的輸出中獲得圖像輸出信號，或參數信號，并在屏幕上顯示出來，同時還要作為人機交互界面，響應用戶的操作。
控制模塊，用于完成對外觸發模塊2參數的設定?？刂颇K的輸入為人機交互界面中控制參數的設定，通過計算機系統4I/O接口將參數傳送給外觸發模塊2。
外觸發模塊2，根據控制模塊所傳送過來的參數設定值向CCD圖像傳感器1發出控制信號。
權利要求
1.一種基于計算機視覺的轉速測量裝置，包括視覺采集裝置、測速平臺(5)、外觸發模塊(2)和計算機系統(4)，其特征在于，視覺采集裝置用于采集安裝在測速平臺上(5)的被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的模糊圖像信息傳送計算機系統(4)；計算機系統(4)中設有控制模塊、顯示模塊(17)和模糊圖像處理測速模塊，視覺采集裝置送到計算機系統(4)的模糊圖像信息一路送到顯示模塊(17)，另一路送到模糊圖像處理測速模塊，顯示模塊(17)實時顯示所獲得的模糊圖像，并根據用戶的要求顯示信息，模糊圖像處理測速模塊通過對得到的模糊圖像進行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數獲取后實現對被測物體轉速的測量；計算機系統(4)的控制模塊通過外觸發模塊(2)與視覺采集裝置相連，控制模塊完成對外觸發模塊(2)的參數設定，外觸發模塊(2)根據控制模塊傳送過來的參數設定值向視覺采集裝置發出控制信號。
2.根據權利要求1所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述視覺采集裝置，包括CCD圖像傳感器(1)和圖像采集卡(3)，CCD圖像傳感器(1)的光軸與安裝在測速平臺(5)上的被測物體被測面垂直，CCD圖像傳感器(1)采集安裝在測速平臺(5)上的被測物體的運動模糊圖像，并通過圖像采集卡(3)將所獲得的運動模糊圖像傳送給計算機系統(4)。
3.根據權利要求1所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述模糊圖像處理測速模塊包括模糊圖像獲取模塊(6)、運動模糊分析模塊(7)、時頻轉換模塊(12)、頻譜分析模塊(13)和運動參數獲取模塊(16)，模糊圖像獲取模塊(6)從圖像采集卡(3)獲得原始模糊圖像信息，進行轉換處理，為運動模糊分析模塊(7)提供所需的圖像信息；運動模糊分析模塊(7)將模糊圖像獲取模塊(6)送來的運動模糊圖像通過空間變換轉換為一維平移運動模糊圖像，所處理后的模糊圖像供時頻轉換模塊(12)使用；時頻轉換模塊(12)利用傅氏變換對運動模糊分析模塊(7)所傳送過來的一維模糊圖像進行時頻轉換獲得該圖像的頻譜圖像并傳送給頻譜分析模塊(13)；頻譜分析模塊(13)從時頻轉換模塊(12)獲得模糊圖像的頻譜圖，利用特征提取的方法獲取頻譜圖中與運動相關的特征參數；由頻譜分析模塊(13)所獲得的與運動相關的參數傳送給運動參數獲取模塊(16)，運動參數獲取模塊(16)利用運動模糊模型與運動參數之間的關系，獲得所要求的轉速信息。
4.根據權利要求3所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的運動模糊分析模塊(7)包括兩個子模塊旋轉中心提取子模塊(8)和運動降維處理子模塊(11)，旋轉中心提取子模塊(8)從模糊圖像獲取模塊(6)中讀取模糊圖像數據信息，進行圖像預處理，運用圖像處理的方法對模糊圖像進行分析，獲取運動的旋轉中心，供運動降維處理子模塊(11)使用；運動降維處理子模塊(11)利用旋轉中心提取子模塊(8)所提供的旋轉中心信息，調用相應的算法對模糊圖像進行處理，將二維旋轉運動模糊圖像轉換為一維勻速平移運動模糊圖像，傳送給時頻轉換模塊(12)使用。
5.根據權利要求4所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的旋轉中心提取子模塊(8)，包括邊緣檢測子模塊(9)和圓特征提取子模塊(10)，從模糊圖像獲取模塊(6)中讀取模糊圖像數據信息，通過邊緣檢測子模塊(9)后獲得含有旋轉信息的圖像，圓特征提取子模塊(10)對邊緣檢測子模塊(9)處理后的圖像進行分析，提取所需的旋轉特征。
6.根據權利要求4所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的運動降維處理子模塊(11)，其一路輸入為從模糊圖像獲取模塊(6)中讀取模糊圖像數據信息，另一路輸入為由圓特征提取子模塊(10)所獲得的旋轉中心位置信息，運動降維處理子模塊(11)調用插值算法將所獲得的模糊圖像進行扇形展開，并將展開的運動模糊圖像作為輸出信息輸送給下一個模塊。
7.根據權利要求3所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的時頻轉換模塊(12)，實現將空間運動模糊轉換為頻域特征，時頻轉換模塊(12)以運動模糊分析模塊(7)提供的一維平移運動模糊圖像為輸入，應用離散傅立葉變換將空間域內的運動模糊圖像轉換為頻域中的頻譜圖。
8.根據權利要求3所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的頻譜分析模塊(13)，包括圖像預處理子模塊(14)和目標檢測子模塊(15)，圖像預處理子模塊(14)是將時頻轉換模塊(12)輸出的頻譜圖進行預處理，增強圖像的對比度，加強目標特征信息；目標檢測子模塊(15)從圖像預處理子模塊(14)中獲得頻譜圖的預處理圖像信息，使用Radon變換方法對圖像進行處理，檢測圖像中的直線特征，獲得直線位置參數。
9.根據權利要求3中所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的運動參數獲取模塊(16)，實現轉速參數獲取，由目標檢測子模塊(15)通過對頻譜圖進行Radon變換后所獲得的直線位置參數以及旋轉運動模糊圖像為運動參數獲取模塊(16)的輸入參數，利用模糊模型的參數變換關系，計算旋轉運動轉速參數，作為檢測輸出。
10.根據權利要求1中所述基于計算機視覺的轉速測量裝置，其特征是，所述的顯示模塊(17)，從模糊圖像處理測速模塊各個子模塊的輸出中獲得圖像輸出信號，或參數信號，并在屏幕上顯示出來，同時還要作為人機交互界面，響應用戶的操作；控制模塊的輸入為人機交互界面中控制參數的設定，通過計算機系統(4)的I/O接口將參數傳送給外觸發模塊(2)。
全文摘要
一種基于計算機視覺的轉速測量裝置，包括視覺采集裝置、測速平臺、外觸發模塊和計算機系統，視覺采集裝置用于采集安裝在測速平臺上被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的模糊圖像信息傳送計算機系統。計算機系統中設有控制模塊、顯示模塊和模糊圖像處理測速模塊。傳送到計算機系統的模糊圖像信息一路送到顯示模塊，另一路送到模糊圖像處理測速模塊。顯示模塊實時顯示所獲得的模糊圖像，顯示信息。模糊圖像處理測速模塊通過對得到的模糊圖像進行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數獲取后實現對被測物體的轉速測量。本發明系統結構簡單，測速效果好，并能應用于各種速度測量場合。
文檔編號G01P3/00GK1888912SQ20061002912
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優先權日2006年7月20日
發明者王石剛, 李倩, 關柏青 申請人:上海交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
