本發(fā)明涉及高速視頻測(cè)量，尤其是涉及一種基于混合單雙目高速視頻測(cè)量的沖擊響應(yīng)譜解算方法。

背景技術(shù)：

1、沖擊環(huán)境廣泛存在于軍用以及民用產(chǎn)品領(lǐng)域，如導(dǎo)彈攻擊過程中的穿甲和侵徹、火箭發(fā)射過程中的級(jí)間分離、飛機(jī)飛行過程的鳥擊事件、電子產(chǎn)品跌落測(cè)試和汽車的碰撞測(cè)試等。而沖擊響應(yīng)譜(shock?response?spectrum，srs)測(cè)試是評(píng)估產(chǎn)品在沖擊作用下性能和可靠性的重要手段。傳統(tǒng)測(cè)量方式通過接觸式傳感器采集沖擊信號(hào)，進(jìn)而獲取沖擊響應(yīng)譜，以評(píng)估產(chǎn)品的損傷程度。但沖擊環(huán)境具有高頻率、瞬態(tài)和高振幅的特點(diǎn)，極易導(dǎo)致接觸式傳感器的損壞，而且接觸式傳感器存在安裝困難、單點(diǎn)測(cè)量的缺點(diǎn)。同時(shí)在應(yīng)對(duì)大范圍測(cè)量的需求時(shí)，安裝大量的接觸式傳感器會(huì)導(dǎo)致被測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性變化，引入傳感器質(zhì)量效應(yīng)。高速視頻測(cè)量技術(shù)具有非接觸、高幀頻、三維測(cè)量和大范圍監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，利用高速相機(jī)記錄被測(cè)目標(biāo)的瞬態(tài)變化過程，通過計(jì)算機(jī)視覺和攝影測(cè)量解析方法精確地測(cè)量目標(biāo)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而獲取被測(cè)物體的動(dòng)態(tài)參數(shù)，為沖擊環(huán)境測(cè)試提供了新的手段。

2、然而，高速視頻測(cè)量在沖擊測(cè)試中的應(yīng)用也面臨著一定的挑戰(zhàn)。由于高量級(jí)的沖擊環(huán)境往往產(chǎn)生遮擋物，如非火工式?jīng)_擊測(cè)試中帶來的飛濺物、火工式?jīng)_擊測(cè)試中因爆炸產(chǎn)生的碎片等，當(dāng)遮擋物出現(xiàn)在相機(jī)視場中時(shí)，將極大的影響圖像處理算法的性能和精度，導(dǎo)致沖擊響應(yīng)譜測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了針對(duì)遮擋條件下目標(biāo)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜測(cè)量問題，考慮多視角成像技術(shù)觀測(cè)同一目標(biāo)時(shí)所產(chǎn)生的形態(tài)差異的特點(diǎn)，提供一種基于混合單雙目高速視頻測(cè)量的沖擊響應(yīng)譜解算方法。由于被遮擋的目標(biāo)在特定時(shí)刻或從單一視角觀測(cè)時(shí)無法完全捕捉到目標(biāo)的形態(tài)信息，而集成不同視角的觀測(cè)信息可能獲取完整的動(dòng)態(tài)變化過程。因此，本發(fā)明采用數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法將不同視角的目標(biāo)在時(shí)間和空間中進(jìn)行匹配，然后結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)算法提取的遮擋目標(biāo)，提出了混合單雙目測(cè)量策略，并采用基于坐標(biāo)系變換的尺度校正方法，實(shí)現(xiàn)了遮擋情況下被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)序位移響應(yīng)重建，從而進(jìn)一步獲得可靠的沖擊響應(yīng)譜。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于混合單雙目高速視頻測(cè)量的沖擊響應(yīng)譜解算方法，包括以下步驟：

4、相機(jī)標(biāo)定：利用張正有平面靶標(biāo)標(biāo)定法對(duì)高速相機(jī)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，以獲取相機(jī)參數(shù)和尺度因子；

5、靜態(tài)影像立體匹配：在靜態(tài)條件下利用數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法對(duì)高速相機(jī)獲得的雙目影像的初始靜態(tài)幀進(jìn)行立體匹配；

6、遮擋目標(biāo)檢測(cè)：使用結(jié)合仿射變換的遮擋目標(biāo)檢測(cè)算法識(shí)別左右影像序列中的遮擋目標(biāo)；

7、圖像序列匹配：基于遮擋目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，通過遮擋條件判別策略進(jìn)行圖像序列匹配，對(duì)于未遮擋的散斑點(diǎn)，結(jié)合相機(jī)參數(shù)，利用數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法在雙目序列圖像中進(jìn)行雙目立體-序列雙匹配；對(duì)于僅在一個(gè)相機(jī)視角中被遮擋的散斑點(diǎn)，結(jié)合尺度因子，利用數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法進(jìn)行單目序列匹配；

8、沖擊響應(yīng)譜解算：基于圖像序列匹配結(jié)果，重建測(cè)量點(diǎn)的物理坐標(biāo)，并對(duì)多個(gè)視角拍攝的影像進(jìn)行坐標(biāo)系校正后，對(duì)校正后坐標(biāo)進(jìn)行信息融合；根據(jù)融合結(jié)果中坐標(biāo)的變化確定散斑點(diǎn)的位移，并計(jì)算加速度；基于計(jì)算得到的加速度，利用沖擊響應(yīng)譜解算算法計(jì)算沖擊響應(yīng)譜。

9、所述數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法具體為：

10、采用數(shù)字圖像相關(guān)算法對(duì)不同高速相機(jī)采集的影像中的散斑點(diǎn)進(jìn)行匹配，以獲得同一散斑點(diǎn)在不同采集時(shí)間和不同成像空間中的對(duì)應(yīng)關(guān)系；匹配過程中，始終以某一選定相機(jī)的第一張影像作為參考影像，在參考圖像中定義感興趣區(qū)域，并以某像素坐標(biāo)為中心設(shè)置匹配窗口的大小和步長，依次采用粗匹配和精匹配對(duì)影像序列進(jìn)行匹配，以確定同名點(diǎn)。

11、所述粗匹配利用歸一化互相關(guān)獲取整像素位移，如下式所示：

12、

13、其中，fm和gm分別代表參考子集和目標(biāo)子集的平均灰度值，f(x,y)和分別表示坐標(biāo)(x,y)和處的灰度值，m表示匹配窗口的半步長，c表示相關(guān)系數(shù)；所述參考子集和目標(biāo)子集根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法的執(zhí)行對(duì)象確定；

14、選擇相關(guān)系數(shù)最高的區(qū)域，并將相應(yīng)的像素偏移量作為初始形變參數(shù)；

15、所述精匹配根據(jù)預(yù)設(shè)的匹配窗口大小，使用一階變形函數(shù)描述參考區(qū)域相對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的變形，即亞像素形變，所述一階變形函數(shù)如下式所示：

16、

17、其中，u和v分別是中心點(diǎn)p(x0,y0)在x和y方向上的位移分量，δx和δy是中心點(diǎn)p到點(diǎn)pi(x,y)的距離，ux、uy、vx和vy分別代表位移梯度，為中心點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)；

18、通過迭代優(yōu)化獲得最優(yōu)相關(guān)系數(shù)，以求解精細(xì)的子像素變形參數(shù)p＝[u,ux,uy,v,vx,vy]。

19、采用迭代歸一化最小二乘法獲得最優(yōu)相關(guān)系數(shù)，所述迭代歸一化最小二乘法的準(zhǔn)則如下所示：

20、

21、所述遮擋目標(biāo)檢測(cè)具體為：

22、在提取圖像序列中被遮擋目標(biāo)的像素坐標(biāo)時(shí)，將每個(gè)相機(jī)中的第一幀作為參考影像；

23、選定參考影像中無遮擋的散斑點(diǎn)，利用數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法獲取選定的散斑點(diǎn)在影像序列每一幀中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，基于下式的仿射變換模型建立影像序列與參考影像之間的變換關(guān)系：

24、x'＝ax+by+tx

25、y'＝cx+dy+ty

26、其中，(x,y)是參考影像中散斑點(diǎn)的坐標(biāo)，(x',y')是影像序列中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，a、b、c和d是控制旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切的參數(shù)，tx和ty是平移量，通過至少3對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)求得其仿射變換關(guān)系；

27、利用仿射變換模型對(duì)影像序列進(jìn)行仿射變換，生成仿射變換影像，獲取仿射變換影像與原始影像序列之間的差分圖像；

28、通過bgs庫中的獨(dú)立多模態(tài)bgs算法提取差分圖像中的遮擋物，形成遮擋像素集合。

29、所述圖像序列匹配包括以下步驟：

30、選擇以待測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)為中心的搜索窗口，所述搜索窗口的大小與匹配窗口的大小相同；

31、執(zhí)行遮擋條件判別策略，在每一時(shí)刻判別影像中的遮擋情況，當(dāng)所有時(shí)刻判別結(jié)束或達(dá)到提前終止條件結(jié)束判別時(shí)，根據(jù)判別結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的匹配，具體為：

32、若待測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻在不同相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中均存在遮擋，則達(dá)到提前終止條件，將該待測(cè)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符設(shè)為0，丟棄該待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

33、若待測(cè)點(diǎn)在所有時(shí)刻中在不同相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中均不存在遮擋，則將該待測(cè)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符設(shè)為1，針對(duì)該待測(cè)點(diǎn)的雙目測(cè)量結(jié)果進(jìn)行雙目立體-序列雙匹配，所述雙目立體-序列雙匹配為：先針對(duì)單個(gè)相機(jī)的單目圖像序列進(jìn)行序列匹配，匹配完成后進(jìn)行不同相機(jī)的雙目圖像序列的立體匹配；

34、若待測(cè)點(diǎn)在所有時(shí)刻中在某一相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中均不存在遮擋，而在另一相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中存在遮擋，則根據(jù)均不存在遮擋的相機(jī)的單目測(cè)量結(jié)果進(jìn)行單目序列匹配，其中，若均不存在遮擋的相機(jī)為左相機(jī)則將該待測(cè)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符設(shè)為2，若為右相機(jī)則將該待測(cè)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符設(shè)為3；

35、若均不滿足以上條件，且在該待測(cè)點(diǎn)的整個(gè)影像序列中，任一時(shí)刻至多僅有一個(gè)相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中存在遮擋，則將該待測(cè)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符設(shè)為4，對(duì)于不同相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中均不存在遮擋的時(shí)刻采用雙目測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行雙目立體-序列雙匹配，對(duì)于有一個(gè)相機(jī)拍攝的影像序列的搜索窗口中存在遮擋的時(shí)刻，采用未遮擋的單目測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行單目序列匹配。

36、所述重建測(cè)量點(diǎn)的物理坐標(biāo)具體為：

37、根據(jù)圖像序列匹配結(jié)果，使用空間映射算子重建測(cè)量點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的實(shí)際物理坐標(biāo)，所述空間映射算子包含三維重建和尺度因子，所述尺度因子表示為物體表面測(cè)量區(qū)域內(nèi)的三維世界坐標(biāo)與二維圖像坐標(biāo)的比值。

38、對(duì)于標(biāo)記符為1的散斑點(diǎn)，通過三維重建技術(shù)獲得其三維坐標(biāo)，對(duì)于標(biāo)記符為2、3和4的散斑點(diǎn)，通過計(jì)算參考圖像中的尺度因子以獲得主沖擊方向上的坐標(biāo)。

39、所述對(duì)多個(gè)視角拍攝的影像進(jìn)行坐標(biāo)系校正具體為對(duì)世界坐標(biāo)系ow進(jìn)行校正：

40、所述世界坐標(biāo)系ow的x軸和y軸平行于平面靶標(biāo)，z軸垂直于xoy平面，假設(shè)x軸近似于主沖擊方向，世界坐標(biāo)系ow的校正分為如下兩步：

41、第一步校正：xoz平面繞y軸旋轉(zhuǎn)，使x軸平行于物體表面，通過在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選擇兩個(gè)三維點(diǎn)(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，計(jì)算出xoz平面上矢量(x1,z1)和(x2,z2)之間的夾角θ；

42、第二步校正：xoy平面繞z軸旋轉(zhuǎn)，使x軸與主沖擊方向?qū)R，利用直線提取算法獲得物體結(jié)構(gòu)上的水平或垂直直線，并在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選取兩個(gè)三維點(diǎn)(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，這兩個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的直線與提取的直線平行，從而獲得向量(x3,y3)和(x4,y4)在xoy平面上的夾角β，則校正后的坐標(biāo)(x',y',z')表示如下：

43、

44、其中，(x,y,z)為校正前的坐標(biāo)。

45、所述沖擊響應(yīng)譜解算算法執(zhí)行以下步驟：

46、根據(jù)牛頓定律，得到單自由度系統(tǒng)中質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程為：

47、

48、其中，m、c和k分別為該sdof的質(zhì)量、阻尼系數(shù)及剛度，fn為其固有頻率，x和y分別是質(zhì)量塊的響應(yīng)位移和基座的位移，分別是質(zhì)量塊的速度響應(yīng)和基座的速度，為在此沖擊信號(hào)下的t時(shí)刻的加速度響應(yīng)；

49、將質(zhì)量塊相對(duì)于基座的相對(duì)位移表示為z＝x-y，推導(dǎo)得到：

50、

51、其中，為輸入該單自由度系統(tǒng)的沖擊激勵(lì)加速度信號(hào)，阻尼系數(shù)c＝2mξωn，剛度則推導(dǎo)得到?jīng)_擊響應(yīng)譜關(guān)系方程：

52、

53、其中，ξ為阻尼比，ωn表示固有圓頻率，表示為ωn＝2πfn，fn為固有頻率；

54、采用數(shù)字遞歸濾波法求解沖擊響應(yīng)譜關(guān)系方程得到該單自由度系統(tǒng)的固有頻率與沖擊響應(yīng)峰值的關(guān)系，從而獲取復(fù)雜的真實(shí)物理系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜。

55、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

56、本發(fā)明針對(duì)沖擊試驗(yàn)過程中，待測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)被高量級(jí)沖擊產(chǎn)生的遮擋目標(biāo)所遮擋時(shí)導(dǎo)致所測(cè)量的沖擊響應(yīng)譜不可靠的問題，提出了混合單/雙目高速視頻測(cè)量方法來解算沖擊響應(yīng)譜。采用基于數(shù)字圖像相關(guān)散斑匹配方法獲取測(cè)量點(diǎn)在不同相機(jī)成像視角中時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后利用結(jié)合仿射變換的遮擋目標(biāo)檢測(cè)獲取遮擋像素集合，最終通過混合單/雙目高速視頻測(cè)量策略和基于坐標(biāo)系變換的尺度校正方法，將多視角成像的目標(biāo)點(diǎn)的信息融合，以恢復(fù)被遮擋的目標(biāo)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化過程，獲取準(zhǔn)確的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果。通過與基于加速度計(jì)獲取的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果相比，驗(yàn)證了本方法的可靠性。本發(fā)明顯著提升了在遮擋條件下進(jìn)行高量級(jí)沖擊試驗(yàn)時(shí)，高速視頻測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的可行性，具有重要的實(shí)用價(jià)值。