高速摄像仪在动态位移测量中的应用

张煜杰　李瑞萍　李鹏

摘  要：本文简述了在某项解锁试验中，高速摄像仪在解锁后被测物体动态弹升高度及最终位移测量方面的应用，简要介绍了试验情况以及高速摄像技术位移测量的原理、测量系统的布设情况及相关要求。

关键词：高速摄像;动态位移;测量

1引言

某行走机构在运输过程中通过固定装置压紧在停放支架上，到达目的地后固定装置解除对行走机构的压紧状态，行走机构在底部压缩弹簧的弹力作用下，弹起一定高度，以方便行走机构驶离停放支架。在实际状况中因地面不平整等因素的影响，停放支架有偏离正常水平状态的可能，为验证在各种极限倾斜状况下行走机构驶离停放支架的能力，需要在各种典型极限状态下对行走机构的最大弹升高度及最终的弹升位移等参数进行测量。测量方法之一使用了高速摄像测量技术，本文对摄像测量技术的简要原理、测量时仪器的布设情况以及测量特征点的布设情况进行了简要介绍。

2系统组成及测量原理

本次试验时所用测量方法之一是使用了高速摄影测量技术。高速摄影测量技术属于数字图像测量技术，是基于光学测量原理及计算机图像处理技术形成的一种新型测量技术。所谓的图像测量就是测量被测量对象时，把图像当作检测和传递的手段或载体加以利用的测量方法，也就是在一系列的采样过程中通过图像传感器把被测目标的影像信息记录下来，并把图像信息数字化后送入计算机，利用图像测量原理和图像处理的各种技术通过计算机对数字图像进行分析、处理，通过被测物体图像的边缘计算被测物体的几何参数坐标，从而得到所需要的测量信息。因此图像采集和图像处理技术是图像测量系统的基础和关键。

一般的圖像测量系统主要由照明系统、图像采集系统、通信部分以及计算机控制系统和图像处理软件等组成。因此，影响系统精度的主要因素除了上述几个方面以外，还受图像处理软件算法的影响。

本次试验是以两台高速摄像机实现对弹升高度等动态信息的实时图像采集。高速摄像机能够以1000帧/秒的速度连续拍摄，将各时刻被测物的运动情况以图像的方式记录、储存起来，并可以以低速的方式进行回放，方便对运动过程的分析及比对。

试验前需要在被测物体特征部位粘贴参考点，试验时通过高速摄像机连续对被测物的运动过程进行高速摄像记录，并通过控制系统及高速传输接口将相关数据存入计算机中，由图像处理软件进行后续分析。

测量时通过高速摄像机捕获的各个时刻被测物上的参考点所形成的平面图像在一个相同的距离内（视角范围内摄像机镜头到测量点的距离），因此各参考点在图像中的像素距离与实际距离成特定的比例关系，通过对比实际尺寸及像距离计算出比例关系，即可求解出各时刻各参考点的位移量。

3 测量系统布设情况

3.1测量系统的布设及调整

本次试验所用设备主要包括两台高速摄像机、摄像机支架、计算机及测量软件系统、数据线缆及照明系统。

高速摄像机安装于摄像机支架上并布设于产品两侧，距产品两侧距离相同，分别用于对两侧特征参考点动态位移的记录，两台高速摄像机通过高速数据传输接口与计算机相连，通过测量控制软件实现对试验过程的拍摄记录及存储。拍摄时通过照明系统对被测物进行补充照明，使摄像机能够捕捉到清晰的图像。

拍摄记录时为保证测量精度，应当使摄像机的视场平面与被测平面相对平行，运动方向也要与视场平面相对平行，因此在布设好摄像机位置后对摄像机姿态及成像情况汇进行了进一步的确认及调整。调整时通过角度测量仪器实测被测平面的倾斜角度，并根据实测倾斜角度利用摄像机支架及角度测量仪对摄像机的姿态进行粗调，在粗调的基础上利用反射镜及激光发射器对摄像机姿态进行了精调，使相机姿态与被测物相同，摄像机镜头与被测平面平行。摄像机姿态调整合适后可对其成像质量及成像情况进行检查。

3.2参考点的布设

被测物特征部位粘贴参考点，参考点粘贴部位及间距等信息是图像处理及计算时的主要参数之一，同时粘贴的参考点在成像后的图片中灰度差别与其它部位差异要大，方便边界轮廓的识别。

4总结

高速摄像测量技术是基于光学测量原理及计算机图像处理技术的一种新型测量技术，采用高速摄像测量一方面可对被测物动态运动情况进行过程记录，另一方面结合计算机图像处理技术可以实现对各个时刻运动情况的分析处理，但在用于测量方面时为提高测量精度应使被测物体的被测平面及运动方向与成像平面平行。目前高速摄像机每秒拍摄的图像数量、每张图像的像素质量相比已住均有大的提高，部分仪器除具能测量位移外还能够记录运动速度，因此采用高速摄像测量技术不仅可以获取位移情况，还可以分析、记录物体各时刻运动速度情况以及加速度情况等，在高速运动物体运动轨迹测量等方面具有极大的优势，可做为主要记录、分析及测量手段，也可配合其它测量方法实现过程记录及辅助分析计算。

作者简介：张煜杰，出生年月1976.1，性别，男，籍贯，山西省怀仁市，工程硕士，天津航天机电设备研究所，研究方向，机械