[发明专利]一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法

权利要求书

1.一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算图像的灰度梯度幅值，利用灰度梯度幅值的分布寻找区域内的峰值，根据峰值个数判断图像感兴趣区域内是否存在运动目标叠加；

S2：针对区域存在运动目标叠加的图像，利用光流梯度法判断运动目标的运动方向，采用不同的图像复原方法复原图像，以提高后续图像处理的精度；

S3：利用亚像素边缘检测方法完成运动目标特征边缘的提取；

S4：引入目标振动模型，使用最小二乘法进行模型拟合；

S5：对目标振动模型进行位移误差补偿，得到虚拟正弦直线振动的时间-位移测量曲线。

2.根据权利要求1所述的一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于：

所述步骤S1具体包括：

(1)运动目标感兴趣区域的确定

使用帧间差分法，确定运动目标的运动区域；为了降低噪声的影响，对获得的运动区域进行连通域分析；计算每个连通域的面积，将面积最大的两个区域作为运动目标的感兴趣区域；

(2)运动目标叠加区域的判断

在运动目标的感兴趣区域，计算灰度梯度幅值：

其中，f(x,y)为像素(x,y)处的灰度值；I_x和I_y分别为x方向和y方向上的灰度梯度；为像素(x,y)处的梯度矢量；为梯度矢量对应的幅值；当区域无运动目标叠加时，遍历区域的梯度幅值，只存在两个局部极大值点；当区域存在运动目标叠加时，局部极大值点数量大于两个。

3.根据权利要求1所述的一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于：

所述步骤S2具体包括：

(1)目标运动方向的确定

利用光流梯度法计算运动目标的感兴趣区域光流，该算法假定相邻两帧图像对应像素的亮度恒定，计算公式如下：

I_xu+I_yv+I_t＝0 (2)

其中，I_t为图像在t时刻的灰度梯度；利用x方向上的光流u和y方向上的光流v判断目标运动方向；

(2)图像复原方法

针对背景与运动目标灰度对比强烈的图像，其中运动目标为实心矩形；假定运动目标特征边缘始终为其右边缘，且当相邻帧图像运动目标特征边缘的x坐标呈增大趋势时认为目标运动方向为正方向；对目标特征边缘领域进行灰度区域划分；针对运动方向为正方向的感兴趣区域实行最右区域灰度增强，其余区域灰度减弱；针对运动方向为负方向的感兴趣区域实行最左区域灰度增强，其余区域灰度减弱。

4.根据权利要求1所述的一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于：

所述步骤S3具体包括：

亚像素边缘检测通过Zernike矩法实现，图像f(x,y)的n阶m次Zernike矩定义为：

其中，是在极坐标系下的单位圆内的正交n阶m次Zernike多项式；*表示复共轭；A'_nm为图像旋转φ角度后的n阶m次Zernike矩；

通过3个不同阶次的Zernike矩实现亚像素边缘检测，分别为A₀₀、A₁₁、A₂₀，其对应的积分核函数为：

根据公式(3)、(4)得：

图像运动目标特征边缘的亚像素位置为：

5.根据权利要求1所述的一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于：

所述步骤S4具体包括：

引入目标振动模型：

利用最小二乘法进行模型拟合。

6.根据权利要求1所述的一种标准的虚拟正弦直线振动测量方法，其特征在于：

所述步骤S5具体包括：

图像尺寸以像素为单位，故相机获取的虚拟正弦直线振动序列图像存在量化误差；显示器输出位置s_d(t_i)与真实位置s(t_i)满足如下公式：

s_d(t_i)＝s(t_i)+Δs(t_i) (8)

为了提高测量精度，需要对目标振动模型进行位移误差补偿，公式如下：

Δs_c(t_j)＝int[s_p-psin(ω_v(N_Tt_j)-π/2)]-s_p-psin(ω_v(N_Tt_j)-π/2) (9)

其中，s_p-psin(ω_v(N_Tt_j)-π/2)表示为：振动模型在t_j时刻对应的位移值；

根据公式(8)、(9)可得任意位置s_d(t_i)的修正值：

s'_d(t_i)＝s_d(t_i)-Δs_c(t_j) (10)

对目标振动模型修正后，获得虚拟正弦直线振动关于时间-位移的测量曲线。