一种基于最小均方差算法的散斑图像微位移测量系统.pdf

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1、第2期(总第126期)机械管理开发2012年4月No．2(SUMNo．126)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTApr．2012一种基于最小均方差算法的散斑图像微位移测量系统刘大亮，刘忠，王庆，樊莉，张毅，孙国辉，白冰(首都航天机械公司，北京100076)摘要：为了满足微位移量的实时、非接触测量的需要，研制了基于散斑图像的一种嵌入式微位移测量系统，它是基于最小均方差法和DSP处理器(TMS320DM642)设计的。重点阐述软件系统和实验系统的设计与实现方法，并在不同运动速度和表面粗糙度的条件下，对其测量系统进行实验和数据分析。实验结果表明，该测量系统是可行

2、有效的。关键词：微位移测量；散斑图像；嵌入式系统中图分类号：TP31文献标识码：A文章编号：1003—773x(20l2)02—0016-030引言当(∈(一1，1)时，根据线性估计的正交原理得到：当高度相干的激光照射在粗糙表面时，在距离表面适当远处，来自该表面上不同单元的相干子波相互()=一(l干涉后，就会产生强度分布呈颗粒状的散斑图样。这些散斑颗粒虽然相位和实振幅随机，但是随机场的分(妙)／21i(4)xaxay布在时间上是稳定的，仅是空间坐标的函数。因此，散,y2嵌入式微位移测量系统的设计与实现斑图样可被用于设计微位移光学测量设备。研究发根据式的结构特征，选择DSP处理器(TMS32

3、ODM642)现。J，基于散斑图样的微位移测量方法，具有对复杂环设计硬件子系统。基于实时多任务操作系统内核境适应性强、全场非接触测量、灵敏度较高、动态测量DSP／BIOS，参考软件框架结构RF5，采用c语言设计符范围较大等优点。目前，它在位移和应变测量、振动与合XDAIS算法标准的软件子系统。倾斜度分析、表面粗糙度测量等领域获得广泛应用。软件子系统由4个线程(thrCapture，thrControl，但据本文作者了解，目前该方法主要采用离线处理方thrProcess，thrDisplay)组成，线程间采用SCOM和标志式，尚未满足实时测量需求。因此，本文以实时非接触位机制完成消息同步和信

4、息通讯。核心线程thrPro—测量为设计目标，基于最小均方差算法1和DSP微处CeSS主要负责执行最小均方差算法和监听线程问的通理器，研制了基于散斑图样的一种嵌入式微位移测量讯。首先，查询／接收其它3个线程发送的信息，获取系统。实验结果表明，该系统具有优于0．5m的分辨需要处理的图像；然后，依次执行算法复位、图像预处力，在500txm的量程内系统误差优于±1．0m，随机误理(图像滤波与梯度计算)、最小均方差算法运行、显示差优于7．0m。内容处理、并输出等操作；最后，将缓冲区返还给线程1基本原理及亚像素微位移测量算法thrDisplay和thrCapture。基于散斑图像的微位移i贝0量方法

5、是利用散斑图像∑=∑为方便算法封装，线程thrProcess定义了两个串行的灰度分布特征表征位移前后图像上某区域的位移向执行的通道：prepare和estimate。每个通道包含一个量，建立并求解含位移向量的目标函数。如果位移前吼I怠一吵核对象，每个核对象包含的算法均满足XDAIS标准。的图像为以墨，位移后的图像为以五y)，那么求解目标通道prepare的核对象，执行图像滤波和梯度计算算函数的基本前提是：假设客观事物的同一点在运动过法；通道estimate的核对象，执行最小均方差算法。线程中，保持相同的灰度：程thrProeess首先初始化通道模块，然后建立并注册该【z，Y)=ld(+“，

6、Y+)．(1)通道所包含的核对象，最后依次执行每个核对象，完成式中：u，分别为沿和y方向的位移，式(1)的求解精之后销毁该核对象。度往往要求达到0．O1像素的亚像素级。当ll和v~E4,3嵌入式微位移测量系统的实验与分析时，对式右边进行级数展开，并舍去高阶小量后，3．1实验系统组成可得：图1的实验系统，由嵌入式微位移测量系统、运动=】．(2)控制器、电感测微计、散斑图样生成／捕获系统组成。式中：d／=～墨为一点在两帧图像间的光强差，运动控制器由微位移平台、步进电机及控制软件组成，基于式建立目标函数：用于控制被测试件的运动。电感测微计的探头与被测r／、]2E。=rain：lL一，f＼、“‘1

7、1．(3)试件的一端保持轴向接触，分辨力为0．1m，绝对误差为±1m，用于测量被测试件的实时位移。采用线收稿日期：201l—l2—13作者简介：刘大亮(1977-)，男，吉林东丰人，高级工程师，博士，研究领域：仪器科学与技术，先进制造技术等。·16·第2期(总第126~)刘大亮，等：一种基于最小均方差算法的散斑图像微位移测量系统2012年4月昌T1，】(暑Tv】(蜀偏振氦氖内腔激光器和连续变倍扩束镜产生稳定的散辨力均优于