专利名称：密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法
技术领域：
本发明涉及运动过程分析领域，特别涉及图像处理的运动过程分析法。
背景技术：
多余物是影响军用电子元器件可靠性的主要因素之一。在航天继电器生产制造过程中，可能把一些金属屑、焊锡渣、松香、密封剂等多余物微粒封装在内。这些微粒极可能导致继电器触点间的短路(误导通)或断路(误开断)，也有可能导致继电器的电磁系统出现机构卡死等误动作，造成严重失效。由于继电器内部可移动多余物微粒造成运载火箭、卫 星、导弹、航天飞机的发射运行事故已多次发生，造成了无法估量的损失。目前国内外常用的多余物检测方法包括显微镜观察法、X光照相法、马特拉检测法及微粒碰撞噪声检测(Particle Impact Noise Detection, PI ND)法等。其中，PIND法因其检测效率高、成本低廉的特点在国内外得到广泛应用，是很多国家规定的密封电子元器件出厂前的必做检测。大量生产应用实践都表明现行PIND试验方法存在一些不足之处。PIND试验条件是影响PIND检测效果的关键因素，不合适的试验条件可能无法有效激活继电器内部的多余物微粒造成漏判，也可能在继电器的结构部件上产生过大的应力，对继电器造成很大的潜在危害。目前针对PIND试验条件的研究较为匮乏。多余物检测试验条件研究的本质，是在不损害被试器件的前提下选择合适的条件，使多余物与被试器件内壁碰撞产生的声音信号强度最大。显而易见，其他条件相同的前提下，多余物与被试器件内壁碰撞前的相对速度越大，碰撞就越剧烈，产生的声音信号强度就越大。多余物在被试器件内部的运动参数可作为判断检测试验条件优劣的依据。研究多余物微粒在检测过程中的运动过程，对于多余物检测试验条件的研究和多余物微粒碰撞信号的分析都具有十分重要的意义。根据目前相关领域的报道，对多余物检测试验条件和多余物运动过程的研究基本是基于建模推导和仿真分析的方式，不能对观测多余物的运动过程，可视化研究几乎未见相关报道。

发明内容
针对现有密封装置内部多余物检测技术领域中，没有对多余物微粒在检测过程中的运动轨迹进行检测的技术手段的问题，本发明提出了一种密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法。密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法的具体步骤如下步骤Al :将待测多余物试件放入密封腔体内部，该密封腔体采用透明材质，将该密封腔体固定在多余物测试系统的振动台上；步骤A2 :调整摄像机，保证密封腔体在多余物测试系统的振动过程中始终在摄像机的视野内，保持摄像机的位置和姿态不变；
步骤A3 :启动多余物测试系统使振动台振动，设定振动时间，进行多余物检测实验；在多余物检测实验过程中，采用摄像机进行拍摄获得图像序列，所述图像序列中的图像均为RGB三色模式；步骤A4 :将获得的图像序列中的每一幅图像进行Gamma校正和灰度处理，转换为2维模式的灰度图像序列；步骤A5 :用中值滤波方法将图像序列中的每一幅图像进行滤波消噪；步骤A6 :采用Roberts算子在每一幅消噪后的图像中对多余物进行边缘检测；步骤A7 :提取每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置的参数；步骤A8 :依据图像序列中的每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置，根据运动学原理计算获得多余物的速度和加速度的运动参 数；步骤A9 :根据获得的多余物运动参数绘制运动参数变化曲线，获得多余物运动轨迹。本发明中采用的摄像机为高速摄像机，高速摄像技术是综合利用光、机、电、光电传感器与计算机等一系列技术，曝光时间在千分之一秒到几十万分之一秒之间的特殊摄影，能够捕捉到稍纵即逝、人眼来不及看清的图像，是一种记录高速运动过程某一瞬时状态或全部历程的有效手段。目前，其已广泛应用于科研、航空航天、体育、电影、工业、农业等领域。它具有精度高、速度快、机动灵活和拍摄的画幅大、信息量多等优点，能够获得大量、准确的时空信息，能够为获得高速运动的多余物的运动轨迹提供了可靠的依据。本发明中的密封腔体采用透明材质制作，能够实现从外部获得腔体内部多余物图像的目的，进而实现基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，可以通过观测特制透明壳体内的多余物检测过程，使用图像处理和数据分析技术获得微粒的运动参数，并基于运动实现最佳试验条件的验证。基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法为研究多余物检测力学试验条件提供了一种直观、可靠的验证方法，可直接观测直径Imm以上的多余物在透明密封腔体内部的运动过程；连续记录大量实验图像，自动对图像进行必要的预处理；自动计算多余物和密封腔体壁的运动参数，绘制并存储运动参数变化曲线，进而获得多余物的运动轨迹，为多余物检测技术研究奠定了基础。


图I是密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法总流程图。图2是提取每一幅图像的多余物质心的位置和腔体位置的参数的流程图。图3是计算获得多余物运动参数的流程图。图4是灰度矩阵阈值法提取多余物位置流程图。图5是经过Gamma校正和灰度处理前的图像。图6是经过Gamma校正和灰度处理后的图像。图7是滤波处理前的图像。
图8是滤波处理后的图像。图9是直线提取过程Hough空间转换图像。图10是器壁位置的提取结果图像。
具体实施例方式具体实施方式
一根据图I说明本实施方式，本实施方式所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的具体步骤如下步骤Al :将待测多余物试件放入密封腔体内部，该密封腔体采用透明材质，将该密封腔体固定在多余物测试系统的振动台上；步骤A2 :调整摄像机，保证密封腔体在多余物测试系统的振动过程中始终在摄像机的视野内，保持摄像机的位置和姿态不变；步骤A3 :启动多余物测试系统使振动台振动，设定振动时间，进行多余物检测实验；在多余物检测实验过程中，采用摄像机进行拍摄获得图像序列，所述图像序列中的图像均为RGB三色模式；步骤A4 :将获得的图像序列中的每一幅图像进行Gamma校正和灰度处理，转换为2维模式的灰度图像序列，参见图5和图6，图5是经过Gamma校正和灰度处理前的图像，图6是经过Gamma校正和灰度处理后的图像；步骤A5 :用中值滤波方法将图像序列中的每一幅图像进行滤波消噪，参见图7和图8，图7是滤波处理前的图像，图8是滤波处理后的图像；步骤A6 :采用Roberts算子在每一幅消噪后的图像中对多余物进行边缘检测；步骤A7 :提取每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置的参数；步骤A8 :依据图像序列中的每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置，根据运动学原理计算获得多余物的速度和加速度的运动参数；步骤A9 :根据获得的多余物运动参数绘制运动参数变化曲线，获得多余物运动轨迹。上述方法中，步骤A5采用中值滤波方法将图像序列中的每一幅图像进行滤波消噪，当进行多余物运动过程图像采集时，需要使用图像增强技术可以有效消除噪声，由于本系统的数据处理量较大，所以主要使用空间域的图像增强方法。多余物图像中的噪声成分较为复杂。通常的低通滤波，在过滤低频噪声的同时，会使得边界模糊；高斯滤波可以提升边缘轮廓，但同时加强了噪声。综上可知，本系统的图像增强方法应该兼顾滤波效果和边缘效果，并且计算快捷。中值滤波算法先孤立噪点再消噪，保护了边缘信息，从而防止图像边缘模糊。多余物运动图像的突出特点正是噪点相对较多，对边缘模糊效果较大。另外，中值滤波方法的对比区域取值为2*2时，滤波效果比取值为3*3时效果更好。因此，本系统的图像处理环节采用了对比区域取值为2*2的中值滤波方法。上述方法中的步骤A6采用Roberts算子在每一幅消噪后的图像中对多余物进行边缘检测，该步骤是在消噪后的图像中对多余物进行边缘检测，以便后续的运动参数提取。
边缘检测在保留图像重要结构属性的同时，剔除了可以认为不相关的信息，也是实现基于边界的图像分割的基础。上述边缘检测算法应具有以下特点I)对球形图像检测效果好，因为本系统为观测方便所选多余物均为球形。2)对图形边缘的极值点检测效果好，因为本系统的边缘检测是为后续的多余物质心提取，对极值点位置较为敏感。3)计算速度快，因为本系统的数据处理量较大。上述方法中的步骤AS，是根据运动学原理计算多余物运动参数，由于多余物在图像中的位置并不固定，为了减少运算量，在进行多余物质心提取前需要先确定多余物在图像中的位置范围。根据多余物的位置和轮廓计算其质心位置，结合腔体壁位置参数，最后计算多余物运动参数。本实施方式所述的方法结合现有多余物检测试验平台，通过高速摄像机对振动过 程中透明密封腔体内的多余物进行拍摄，使用合适的图像增强算法对图像进行预处理，通过图像边缘检测技术提取多余物和腔体内壁的位置，基于运动学原理提取多余物的运动参数，并绘制多余物运动参数的变化图。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述步骤A3中的摄像机拍摄速度为万帧每秒到十万帧每秒。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述摄像机放置在三维滑台上，通过三维滑台调整摄像机的位置和姿态。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述步骤A7中的提取每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置的参数的过程如下步骤BI :读取图像的灰度图像，用直方图增强和图像锐化增强进行图像处理；步骤B2 :对图像进行多余物质心提取，质心的位置用yball(n)表不，其中η表不该图像在图像序列中的序号；步骤Β3 :对图像进行腔体位置的提取，腔体位置用ywall(n)表示；步骤B4 :计算多余物质心与腔体位置的相对位置S = ybaii(n)-ywaii(n)。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述步骤AS中的计算获得多余物的速度和加速度的运动参数的过程如下步骤Cl :判断相对位置S是否大于距离阈值，步骤C2 :是则继续执行步骤Cl ；步骤C3 :否则得到位移 L = ybaii (n)-YbaIKn-D ;步骤C4 :根据摄像机的曝光时间、多余物质心的位置、腔体位置、多余物质心与腔体位置的相对位置和位移计算图像序列中多余物的速度和加速度的运动参数。余物质心位置和密封腔体器壁的位置确定之后，已知拍摄的曝光时间，对比相邻或相近的两幅多余物运动图像即可求得多余物的运动距离、速度和加速度等参数，对比多余物与密封腔体器壁碰撞前后的图像，可以求得碰撞前后的速度以及碰撞过程中多余物的能量恢复系数。所述距离阈值的设定方法I)首先距离最小值阈值可设定为像素值即若图片为340*680，即表示X坐标340帧，Y坐标640帧，摄像机可识别的最小距离即为I帧，所以距离阈值可设定为最小值I。2)根据需要设定并不是将阈值设为最小值就是最佳方案，如果多余物微粒半径(或直径)很大，如果选取的阈值(与器壁的间隔)仅为1，与多余物微粒半径相差过大，则需要筛选的图片信息量较大，且最终处理得到图片效果不明显。一般将距离阈值大小设定为需要的精度值即可，如多余物半径1_，精度需要O. 1_，则可以根据多余物在图片中位置所占大小，通过比例换算，即可得到理想阈值。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述步骤B3中的腔体位置的提取用Hough变换提取被测器件内壁位置，参见图9和图10，图9是直线提取过程Hough空间转换图像，图10是器壁位置的提取结果图像。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述步骤B2中的多余物质心的提取是先采用灰度矩阵阈值法提取多余物位置，再用极值算法计算多余物的质心。
具体实施方式
八结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
四所述的基于高速摄像技术的密封装置内部多余物运动过程分析方法的区别在于，所述用灰度矩阵阈值法提取多余物位置的具体步骤如下步骤Dl :从灰度图像中读取二维矩阵，根据图像中多余物区域，确定筛选阈值范围；步骤D2 ;确定多余物区域数值变化范围，多余物区域数值变化范围的最小值设为像素阈值；步骤D3 ;判断二维矩阵中的每一个数是否大于等于像素阈值；步骤D4 :是将该数值变为255 ；步骤D5 :否将该数值变为0，像素数值为255的区域则为提取的多余物位置。上述灰度矩阵阈值法是指灰度数字图像是每个像素只有一个采样颜色的图像，这类图像通常显示为从最暗黑色到最亮的白色的灰度，经过灰度处理后，图像由RGB三维空间转化为二维矩阵，并具有256级灰度。将灰度图像的二维矩阵提取，并根据多余物区域，确定筛选阈值范围。
权利要求
1.密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征是，它包括以下步骤 步骤Al :将待测多余物试件放入密封腔体内部，该密封腔体采用透明材质，将该密封腔体固定在多余物测试系统的振动台上； 步骤A2 :调整摄像机，保证密封腔体在多余物测试系统的振动过程中始终在摄像机的视野内，保持摄像机的位置和姿态不变； 步骤A3 :启动多余物测试系统使振动台振动，设定振动时间，进行多余物检测实验；在多余物检测实验过程中，采用摄像机进行拍摄获得图像序列，所述图像序列中的图像均为RGB三色模式； 步骤A4 :将获得的图像序列中的每一幅图像进行Gamma校正和灰度处理,转换为2维模式的灰度图像序列； 步骤A5 :用中值滤波方法将图像序列中的每一幅图像进行滤波消噪； 步骤A6 :采用Roberts算子在每一幅消噪后的图像中对多余物进行边缘检测； 步骤A7 :提取每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置的参数； 步骤AS :依据图像序列中的每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置，根据运动学原理计算获得多余物的速度和加速度的运动参数；步骤9 :根据获得的多余物运动参数绘制运动参数变化曲线，获得多余物运动轨迹。
2.根据权利要求I所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤A3中的摄像机拍摄速度为万帧每秒到十万帧每秒。
3.根据权利要求I所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述摄像机放置在三维滑台上，通过三维滑台调整摄像机的位置和姿态。
4.根据权利要求I所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤A7中的提取每一幅图像的多余物质心的位置、腔体位置和多余物质心与腔体位置的相对位置的参数的过程如下 步骤BI :读取图像的灰度图像，用直方图增强和图像锐化增强进行图像处理； 步骤B2 :对图像进行多余物质心提取，质心的位置用yball(n)表示，其中η表示该图像在图像序列中的序号； 步骤Β3 :对图像进行腔体位置的提取，腔体位置用ywall(n)表示； 步骤B4 :计算多余物质心与腔体位置的相对位置S = yball(n)_ywall(n)。
5.根据权利要求4所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤AS中的计算获得多余物的速度和加速度的运动参数的过程如下 步骤Cl :判断相对位置S是否大于距离阈值； 步骤C2 :是则继续执行步骤Cl ； 步骤C3 :否则得到位移L = YbaIi ω-YbaIKn-D ； 步骤C4:根据摄像机的曝光时间、多余物质心的位置、腔体位置、多余物质心与腔体位置的相对位置和位移计算图像序列中多余物的速度和加速度的运动参数。
6.根据权利要求4所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤B3中的腔体位置的提取用Hough变换提取被测器件内壁位置。
7.根据权利要求4所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤B2中的多余物质心的提取是先采用灰度矩阵阈值法提取多余物位置，再用极值算法计算多余物的质心。
8.根据权利要求7所述的密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，其特征在于，所述用灰度矩阵阈值法提取多余物位置的具体步骤如下 步骤Dl :从灰度图像中读取二维矩阵，根据图像中多余物区域，确定筛选阈值范围； 步骤D2;确定多余物区域数值变化范围，多余物区域数值变化范围的最小值设为像素阈值； 步骤D3 ;判断二维矩阵中的每一个数是否大于等于像素阈值； 步骤D4 :是将该数值变为255 ； 步骤D5 :否将该数值变为0，像素数值为255的区域则为提取的多余物位置。
全文摘要
密封装置内部多余物检测过程中基于摄像技术的多余物运动轨迹获取方法，本发明涉及图像处理的运动过程分析法领域。针对现有密封装置内部多余物检测技术领域中，没有对多余物微粒在检测过程中的运动轨迹进行检测的技术手段的问题，本方法结合现有多余物检测试验平台，通过高速摄像机对振动过程中透明密封腔体内的多余物进行拍摄，使用合适的图像增强算法对图像进行预处理，通过图像边缘检测技术提取多余物和腔体内壁的位置，基于运动学原理提取多余物的运动参数，并绘制多余物运动参数变化曲线，获得多余物运动轨迹。该方法适用于密封装置内部多余物运动轨迹的检测。
文档编号G01M7/02GK102865982SQ20121033646
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者王淑娟, 王国涛, 牛鹏飞, 翟国富, 刘贵栋, 徐乐, 陈金豹, 邢通, 戚乐, 赵国强 申请人:哈尔滨工业大学