Kinect深度攝像機在振動測量中的應用

嚴慧敏，何炳蔚

（1.福建信息職業技術學院 機械工程系，福建 福州 350003；2.福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州350108）

0 引言

隨著現代工業和現代科學技術的發展，對各種儀器設備的振動和噪聲提出了更高的要求，同時對主要生產過程和重要設備進行監測和診斷，對工作環境進行控制等，這些都離不開振動的測量。目前常用的振動測量方法有接觸式測量和非接觸式測量兩種，接觸式測量指的是測量儀器直接接觸被測物體的表面，一個很大的不足就是只能獲取有安裝傳感器位置的數據[1]，這樣就需要在被測物體表面安裝多個傳感器，當被測物體表面形狀復雜或者工作環境惡劣的情況下存在極大的不便，對操作人員的技術經驗要求也較高，而且還可能會給工件表面帶來損傷。雖然隨著計算機技術的引進，一部分接觸式測量的自動化水平得到一定的提高，但是測量復雜程度以及環境條件適應能力并沒有得到較好的改善。用機器視覺測量是常用的非接觸式測量方法，具有連續性、非接觸、維度高等優點，由于非接觸式測量不需要直接接觸物體的表面，可以保護工件表面質量，廣泛應用于動態測量和在線監控等方面。機器視覺技術的測量系統主要包括CCD測量系統和激光測量系統等，可獲得較精確的測量數據，但激光測量系統操作復雜、成本高；CCD測量系統容易受光照條件的影響，而且測量數據要依賴于標記點，無法獲得沒有做標記點的位置的振動信息，在需要多點測量或局部面測量時，需要通過多次測量完成，降低了測量效率。要想獲得振動表面所有點的振動數據雖然可以采用三維數字圖像相關性方法[2-3]，但該方法要求被測物體表面要經過拋光或者精加工來提供所需的對比相關圖像，操作復雜、成本高。所以研究適合于動態測量中精度高、效率高、抗干擾能力強的測量系統，以適應惡劣的生產條件所帶來的測量復雜程度，是振動測量的一個重要方向。

本文基于Kinect深度攝像機的散斑測距技術原理和采樣頻率，研究將其應用于物體表面振動數據的測量，實現不借助標記點即可進行實時測量物體表面任一點三維振動信息的目標。

1 實驗原理與方法

1.1 測量原理

Kinect是微軟在2010年正式推出的XBOX360體感周邊外設，包含三個攝像頭，中間是RGB彩色攝像頭，左右兩邊的鏡頭分別是紅外線發射器和紅外線COMS攝像機[4]。Kinect所包含的深度攝像機是基于紅外測距技術實現深度測量，只對紅外光成像，場景中可見光下的紋理圖形不會獲取。Kinect的深度攝像機與紅外發射器組合構成一個測距系統，深度攝像機獲取空間物體表面在相機成像平面上圖像坐標信息的同時，可以直接獲取物體表面點到攝像機中心的垂直平面的距離。紅外線發射器發出一個紅外激光散斑陣列覆蓋Kinect的可視范圍，紅外激光點陣遇到場景中物體表面后反射，并由深度攝像機接收成像[5]。但是深度攝像機直接返回給用戶的深度距離并不是國際長度標準單位，而是一個視差值d，利用公式（1）[6]可以計算物體表面某一點的深度值。

Zk是指空間點K所處位置的深度值，Z0是參考平面到發射器的距離，d是K點的偏移量，b是基線長度，f是紅外攝像機的焦距，Z0、f和b這三個參數在攝像機出廠時就已經標定好了。具體的測量原理如圖1所示[6]。

圖1 深度攝像機測距原理

為了提高效率，Kinect只測量振動物體表面任一點的深度值，即每個像素對應點的深度信息，每個像素點的圖像坐標需利用計算公式（2）[6]和公式（3）[6]轉換到相機坐標系下的三維坐標（Xk，Yk，Zk），則

xk，yk為圖像中K點的坐標，f是紅外攝像機的焦距，x0和y0是坐標原點，?x和?y是鏡頭畸變校正系數，這些參數可通過相機標定獲得。

由此可計算物體表面所有點的三維坐標：（Xk，Yk，Zk）。Kinect的采集頻率為 30 Hz，即每隔 1/30 s測量一次，實時獲取振動物體表面深度的變化信息。

1.2 實驗方法

根據Kinect深度攝像機的測量原理，實驗用一臺UTG1402數字信號發生器產生穩態低頻正弦波，信號經過YE5872功率放大器放大，驅動SINOCERAJZK-20電動式激振器在懸臂薄鋼板末端產生穩態正弦激勵，圖2為實驗裝置平臺。由于Kinect深度攝像機的采集頻率為30 Hz，實驗選擇的激振頻率必須在10 Hz以下才可以實時獲取振動物體表面深度的變化信息。

圖2 Kinect測量振動實驗平臺

由于振動測量是動態過程，需要將時間信息融合到Kinect深度攝像機采集的三維數據之中。Kinect采集頻率為30 Hz，即每隔1/30 s采集一次數據，選用Windows平臺中TimeGetTime多媒體計時器作為實驗中的計時器。實驗過程中，Kinect深度攝像機每采集一次點云數據，計時器便被觸發記錄下當前的時刻。測得的數據包含三維空間坐標信息和對應的時間信息，實現了實時記錄振動物體表面振動信息的目的，研究者可以實時提取表面任一點的四維振動信息進行數據分析。而且由于Kinect深度攝像機測量過程中無需移動位置，避免了不同時刻下點云配準引起的誤差。圖3表示提取橫截面A上任意點M的四維振動信息。

圖3 提取點M的振動信息

實驗中對于Kinect深度攝像機與振動板之間的距離選擇也是非常重要的，理論上是距離越小精度越高，但實驗發現，當距離小于500 mm時，Kinect深度攝像機測量穩定性極差。圖4為相同振動條件下，Kinect深度攝像機在不同距離下測得的振動幅值，可以看出當測量距離大于700 mm時，測量穩定性很差，所以實驗的最佳測量距離為50～70 cm。

圖4 Kinect測量穩定性與測量距離的關系

為了證明Kinect深度攝像機的測量精度，選擇了另一種常用的非接觸測量方式進行對比實驗，對比實驗采用的是Bumblebee2雙目攝像機進行測量，實驗裝置如圖5所示。Bumblebee2雙目攝像機內有兩個光軸平行、基線長度為12cm的CCD攝像頭，在動態測量時可實現左右相機同時采集圖像，當幀頻為30 fps時，采集圖像分辨率為640×480時，當幀頻為20 fps時，采集圖像分辨率為1 024×768。在相同振動條件下，比較Kinect深度攝像機與Bumblebee2雙目攝像機分別測得的振動數據。

圖5 Bumblebee2測量振動實驗裝置

2 實驗數據比較

將不同的頻率下Kinect深度攝像機和Bumblebee2雙目攝像機多次測量的結果進行比較，表1為Kinect深度攝像機和Bumblebee2雙目攝像機在不同頻率下分別測得的振幅值，表2為Kinect和Bumblebee2測得的振幅誤差和相對誤差比。說明在一般精度要求情況下，Kinect深度攝像機和Bumblebee2雙目攝像機的測量精度差別不大。圖6顯示了Kinect和Bumblebee2分別測得的振幅誤差值和相對誤差比，從圖中數據可以看出，當振動頻率在10 Hz以下時，隨著振動頻率的提高，二者之間的振幅誤差會有所增大，但誤差范圍均不超過0.15 mm。

表1 Kinect深度攝像機和Bumblebee2雙目攝像機測得的幅值

表2 Kinect和Bumblebee2之間的振幅誤差和相對誤差比

圖6 Kinect和Bumblebee2的振幅誤差和振幅相對誤差比

從測量效率來看，Kinect深度攝像機可以實時獲得振動物體表面任一點的振動信息，測量效率高，而Bumblebee2雙目攝像機的測點數量取決于標記點的個數，所以當需要測量多點數據時，需要粘貼大量的標記點。比較實驗結果表明：對低頻振動物體表面進行實時振動測量，Kinect深度攝像機測量有一定的優勢。

3 結論

研究實驗表明：在動態實時測量振動物體表面振動數據時，Kinect深度攝像機每次拍攝都可獲得物體表面上百萬個點的深度變化信息，與雙目立體測量方法相比，Kinect可實時獲取物體表面上所有點的深度值，其測量位置點的數量遠遠多于傳統視覺測量方法，而且Kinect測量時無需在被測物體表面粘貼任何標記點，減少了重復實驗的麻煩，環境惡劣的情況下也可測量，大大地提高了測量效率和適應性，而且Kinect深度攝像機的價格比其它非接觸式測量儀便宜，測量成本低。綜上這些優點，在精度要求不高的低頻振動測量中采用Kinect深度攝像機具有一定的優勢。