本發(fā)明涉及擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)測(cè)量的，尤其涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，擺動(dòng)油缸在挖掘機(jī)、裝載機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛，其性能要求也不斷提高。擺動(dòng)油缸作為工程機(jī)械的重要執(zhí)行部件，其運(yùn)動(dòng)性能的監(jiān)測(cè)和評(píng)估對(duì)保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

2、申請(qǐng)?zhí)枮閏n202310547804.2的發(fā)明專利公開了一種擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)性能的監(jiān)測(cè)方法，使用了一種帶角度傳感器的擺動(dòng)油缸，其通過(guò)在缸筒內(nèi)設(shè)置輸出螺母，并在固定螺桿端部安裝角度傳感器來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)角度的精確測(cè)量，但是，該帶角度傳感器的擺動(dòng)油缸還存在以下問(wèn)題：1、需要在油缸上安裝各類傳感器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本；2、傳感器的安裝位置往往暴露在惡劣的工作環(huán)境中，可靠性難以保證；3、獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往是單一參數(shù)，難以全面反映油缸的運(yùn)動(dòng)特性；4、依賴于接觸式測(cè)量，容易對(duì)設(shè)備本身造成干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法和系統(tǒng)，目的在于通過(guò)自適應(yīng)混合高斯背景模型、自適應(yīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理等計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)范圍的精確測(cè)量和評(píng)估。

2、實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法，包括以下步驟：

3、s1：獲取擺動(dòng)油缸工作視頻序列，，其中為第幀圖像，為幀序號(hào)，為總幀數(shù)；基于自適應(yīng)混合高斯背景模型處理視頻序列中每一幀圖像，獲得對(duì)應(yīng)的前景圖像；

4、s2：基于自適應(yīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理優(yōu)化前景圖像，輸出二值化輪廓圖像序列；

5、s3：對(duì)二值化輪廓圖像序列進(jìn)行輪廓特征提取，并計(jì)算擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所述擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度、角速度以及角加速度；

6、s4：采用滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行平滑處理，獲得平滑后的擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

7、s5：基于平滑后的擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)范圍指標(biāo)，包括：

8、s51：計(jì)算擺動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)：

9、；

10、；

11、其中，和分別為擺動(dòng)油缸的角速度波動(dòng)度和角加速度波動(dòng)度；和分別為第幀圖像中平滑后的擺動(dòng)油缸的角速度和角加速度；和分別為平滑后的擺動(dòng)油缸的角速度的平均值和角加速度的平均值；

12、s52：計(jì)算擺動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)范圍指標(biāo)：

13、；

14、；

15、其中，和分別為擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度范圍和角速度范圍；和分別為平滑后的擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度序列和角速度序列，，，其中為第幀圖像中平滑后的擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度。

16、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方法：

17、可選地，所述s1步驟中，基于自適應(yīng)混合高斯背景模型處理視頻序列中每一幀圖像，獲得對(duì)應(yīng)的前景圖像，包括以下步驟：

18、s11：初始化混合高斯模型參數(shù)：

19、對(duì)第幀圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，和分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，初始化個(gè)高斯分布的參數(shù)：

20、；

21、；

22、；

23、其中，為第1幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的權(quán)重；為第1幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的均值向量，為3維向量；為第1幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的協(xié)方差矩陣，為3×3矩陣；為第1幀圖像中像素點(diǎn)處的rgb值向量，為3維向量；為高斯分布數(shù)量；為第個(gè)高斯分布的隨機(jī)擾動(dòng)；為初始標(biāo)準(zhǔn)差；為3×3的單位矩陣；

24、s12：對(duì)于視頻序列中的每一幀，計(jì)算中像素點(diǎn)與各高斯分布的匹配度：

25、；

26、；

27、；

28、其中，為第幀圖像中像素點(diǎn)處的rgb值與第個(gè)高斯分布的馬氏距離；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的均值向量；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的協(xié)方差矩陣；為第幀圖像中像素點(diǎn)處的rgb值向量；為矩陣轉(zhuǎn)置；為第幀圖像中像素點(diǎn)是否匹配第個(gè)高斯分布的指示函數(shù)；為匹配閾值；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差；為矩陣的跡；

29、s13：更新各高斯分布參數(shù)：

30、；

31、；

32、；

33、其中，為學(xué)習(xí)率；和分別為第幀和第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的權(quán)重；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的均值向量；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的協(xié)方差矩陣；為第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的參數(shù)更新系數(shù)，具體為：

34、；

35、s14：對(duì)高斯分布進(jìn)行排序并提取前景目標(biāo)，首先計(jì)算第幀圖像中像素點(diǎn)處第個(gè)高斯分布的權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)差比值；根據(jù)降序排序每個(gè)像素點(diǎn)處的高斯分布，選取累積權(quán)重超過(guò)背景閾值的前個(gè)分布作為背景模型，具體為：

36、；

37、其中，為像素點(diǎn)處被判定為背景模型的高斯分布數(shù)量；為背景閾值；；若像素點(diǎn)不匹配前個(gè)高斯分布，則判定為前景點(diǎn)，得到第幀前景二值圖像，所述不匹配的標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)于像素點(diǎn)的rgb值，若其與前個(gè)高斯分布的每一個(gè)高斯分布的馬氏距離均大于2.5倍標(biāo)準(zhǔn)差，則認(rèn)為該像素點(diǎn)與該高斯分布不匹配。

38、可選地，所述s2步驟中基于自適應(yīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理優(yōu)化前景圖像，輸出二值化輪廓圖像序列，包括：

39、s21：對(duì)前景二值圖像中的每個(gè)被標(biāo)為前景的像素點(diǎn)，計(jì)算基于局部統(tǒng)計(jì)特征的自適應(yīng)閾值：

40、s211：基于局部統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算自適應(yīng)閾值：

41、；

42、其中，為第幀圖像中像素點(diǎn)處的自適應(yīng)閾值；為第幀圖像中以像素點(diǎn)為中心局部鄰域內(nèi)的平均像素值；為第幀圖像中以像素點(diǎn)為中心局部鄰域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差；

43、s212：執(zhí)行閾值分割：

44、；

45、其中，為第幀圖像中像素點(diǎn)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)閾值分割后的二值化結(jié)果；為第幀圖像中像素點(diǎn)的前景二值圖像的像素值；

46、s22：應(yīng)用形態(tài)學(xué)處理優(yōu)化目標(biāo)輪廓，對(duì)第幀圖像的自適應(yīng)閾值分割后的二值化結(jié)果圖使用矩形結(jié)構(gòu)元素先進(jìn)行膨脹再進(jìn)行腐蝕，獲得第幀圖像的二值化輪廓圖像；二值化輪廓圖像序列。

47、可選地，所述s3步驟中對(duì)二值化輪廓圖像序列進(jìn)行輪廓特征提取，并計(jì)算擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所述擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度、角速度以及角加速度，包括：

48、s31：提取輪廓特征點(diǎn)序列：

49、對(duì)每幀二值化輪廓圖像，采用harris角點(diǎn)檢測(cè)算法提取特征點(diǎn)，并結(jié)合歸一化互相關(guān)匹配算法實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)跨幀跟蹤，得到第幀圖像的特征點(diǎn)集合；

50、s32：計(jì)算擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

51、；

52、；

53、；

54、其中，為第幀圖像中擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度；為第幀圖像中擺動(dòng)油缸的角速度；為第幀圖像中擺動(dòng)油缸的角加速度；為第幀圖像中擺動(dòng)油缸中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算第幀圖像的特征點(diǎn)集合中所有特征點(diǎn)的質(zhì)心獲得；為第幀圖像中擺動(dòng)油缸參考點(diǎn)坐標(biāo)；為相鄰幀之間的時(shí)間間隔。

55、可選地，所述s4步驟中采用滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行平滑處理，獲得平滑后的擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括：

56、采用滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行平滑處理：

57、；

58、；

59、；

60、其中，、和分別為第幀圖像中平滑后的擺動(dòng)油缸的擺動(dòng)角度、角速度和角加速度；為滑動(dòng)窗口半長(zhǎng)度，滿足；，滿足。

61、本發(fā)明還公開了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括：

62、前景提取模塊：獲取擺動(dòng)油缸工作視頻序列，基于自適應(yīng)混合高斯背景模型處理視頻序列中每一幀圖像獲得對(duì)應(yīng)的前景圖像；

63、輪廓提取模塊：基于自適應(yīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理優(yōu)化前景圖像，輸出二值化輪廓圖像序列；

64、運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算模塊：對(duì)二值化輪廓圖像序列進(jìn)行輪廓特征提取，并計(jì)算擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

65、平滑模塊：采用滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行平滑處理，獲得平滑后的擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

66、性能計(jì)算模塊：基于平滑后的擺動(dòng)油缸整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)范圍指標(biāo)。

67、有益效果

68、本發(fā)明采用自適應(yīng)混合高斯背景模型對(duì)視頻序列進(jìn)行處理，能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況下的背景變化和光照干擾。通過(guò)動(dòng)態(tài)更新高斯分布參數(shù)，自適應(yīng)地建立背景模型，提高了目標(biāo)提取的準(zhǔn)確性和魯棒性。同時(shí)結(jié)合自適應(yīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理，進(jìn)一步優(yōu)化了目標(biāo)輪廓提取效果，為后續(xù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

69、本發(fā)明創(chuàng)新性地將harris角點(diǎn)檢測(cè)與歸一化互相關(guān)匹配算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)的精確提取和跨幀跟蹤。基于特征點(diǎn)序列計(jì)算擺動(dòng)油缸的整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并采用滑動(dòng)平均濾波方法進(jìn)行平滑處理，有效抑制了測(cè)量噪聲的影響。這種方法顯著提高了運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量的精度和可靠性，使測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

70、本發(fā)明提出了擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)評(píng)估指標(biāo)體系，包括擺動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和擺動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)范圍。通過(guò)角速度波動(dòng)度和角加速度波動(dòng)度這兩個(gè)平穩(wěn)性指標(biāo)，能夠定量反映擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)情況，這對(duì)于評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和識(shí)別潛在的故障具有重要意義。較大的波動(dòng)度通常意味著設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，可能存在機(jī)械故障或控制系統(tǒng)異常。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算擺動(dòng)角度范圍和角速度范圍這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍指標(biāo)，可以準(zhǔn)確掌握擺動(dòng)油缸的實(shí)際工作范圍，有助于判斷設(shè)備是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)運(yùn)行，是否存在超程或欠程現(xiàn)象。