测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法技术

本发明专利技术提出一种测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法，按照图像中的像素点尺寸，对高速摄影得到的物体标记点原始位移‑时间数据信息进行划分；提取每个像素点中的第一个数据点作为有效数据，其余数据为无效数据；之后基于相邻两个像素点之间距离非常小，可以将连续两个标记点的变速运动作为匀变速运动的思路对无效数据进行还原，得到真实运动状态，从而解决了一二阶导数的跳变问题，提高系统精度。

【技术实现步骤摘要】
测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法
本专利技术涉及高速摄影
，具体为一种非接触式测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法。
技术介绍
在研究物体空间位移与姿态角试验中，经常需要对某时间段内的物体的运动位移、速度、加速度等进行高精度动态测量，为后续分析以及优化设计提供数据支持。采用高速摄影可实现物体运动的非接触式测量，与其他测量方法相比，具有测量精度高、干扰小、对试验环境要求低、可重复使用等优点。目前，高速摄影已被广泛应用于各类测试领域中，如跌落分离偏转角、子弹飞行加速度、炮弹出膛速度、火箭运动姿态等的测量。高速摄影技术能够自动捕捉物体运动过程中的位移-时间数据，后期希望通过位移-时间数据得到物体标记点的速度-时间、加速度-时间数据，对物体的物理运动过程进行进一步分析。但是在实际中发现，采用相邻两点位移差除以时间差的方法求得的速度-时间、加速度-时间数据会出现不同程度的数据跳变，这种现象并不符合物体的实际运动状态，需要对这种数据跳变现象进行解释并解决这种跳变问题。例如在发动机高空跌落实验中，以往都是在得到高速摄影数据后，提取某个标记点的位移-时间数据，利用相邻两点的位移差除以时间差，得到该时刻标记点的速度值，如图1所示。从图1中可以看出来，标记点的速度随着时间变化，数据不停发生跳变，这与发动机空中跌落物理过程并不符合，说明采集到的位移-时间数据需要进行特殊处理。而且通过对以往的多次试验数据进行分析中发现速度-时间、加速度-时间均会出现不同程度的数据跳变现象。采用常用的多点平滑、滤波等常用数据处理方法，并不能消除数据跳变，试验数据分析得到的结果与物体实际运动不符，无法得到物体的速度和加速度随时间的变化关系。查阅相关文献并未有现有技术解释这种数据跳变问题。
技术实现思路
要解决的技术问题如上
技术介绍
所述，利用高速摄影数据中的位移-时间数据得到的速度-时间、加速度-时间均会出现不同程度的数据跳变现象，而且采用多点平滑、滤波等常用数据处理方法，并不能消除数据跳变，对此申请人考虑是否是因为采样率过低，丢失了发动机运动过程中的一部分有效数据而导致出现上述情况，所以我们尝试通过提高采样率的方法来消除这种数据跳变。通过试验发现，当采样率提高时，这种数据跳变现象并未得到解决，甚至有加剧的趋势，进而分析这种跳变现象并不是由于采样率过低引起的。从图1中可以看出，速度-时间中随着时间变化，物体的速度多次出现零值，即物体在空中出现运动停止。由相邻两点求速度可以知道，出现速度为零说明相邻时刻标记点的位移值相同。因此对标记点的原始位移-时间数据进行分析，如图2所示。从图2中发现，物体的位移-时间图像上有连续“台阶”的出现，台阶值的出现正是物体速度-时间曲线出现多次零值，发生跳变的原因。进一步通过对高速摄影自动捕捉物体运动轨迹的原理进行分析发现，高速摄影测量是采用物体标记点所处的像素点坐标代替标记点的实际位置。由于高速摄像机的分辨率有限，标记点可能会在连续时刻处落在同一像素点上，高速摄影系统会将落在一个像素点上的位置用相同数据处理，即像素点的坐标值代替标记点的实际位置。这就是高速摄影直接得到的位移-时间数据就出现台阶状的根本原因。由此导致后期进行数据处理中位移-时间的一阶(速度)、二阶(加速度)数据会出现不连续，并且多点数据跳变。而常用的多点平滑、滤波数据处理方法是不能消除这种跳变的，导致试验数据与物体实际运动不符。台阶值的出现恰恰说明是在分辨率一定的情况下，由于系统的采样率过高而导致台阶值现象的出现。当采样率过高时，标记点在连续几个时间间隔都处在同一个像素点上，系统会自动判定在这段时间内标记点未发生移动。因此需要通过选择合适的采样率来消除台阶值的出现，采样率的大小和物体的运动速度以及分辨率相关。但在实际情况下，对物体采用高速摄影进行拍摄记录时，由于物体的运动过程是未知的，所以无法预判合适的采样率，同时大多数情况下，物体的运动状态也是不停变化的，导致整个运动过程的合适采样率也是不能确定的。本专利技术针对上述新问题，在找到影响数据关键因素的基础上，提出了一种新的测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法，通过识别关键数据点，剔除试验数据中的干扰数据点，消除高速摄影自动捕捉标记点位置所引入的误差，还原真实运动状态，解决了一二阶导数的跳变问题，提高系统精度。本专利技术的技术方案为：所述一种测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取高速摄影得到的物体标记点原始位移-时间数据信息；步骤2：按照图像中的像素点尺寸，对步骤1中得到的原始位移-时间数据信息进行划分；提取每个像素点中的第一个数据点作为有效数据，其余数据为无效数据；步骤3：剔除无效数据，并通过以下过程对无效数据进行还原：步骤3.1：记物体标记点在连续时刻t0，t1，t2，t3…..tm+n+k的位置点为P0,P1,P2,…,Pm,Pm+1,…,Pm+n-2,Pm+n-1,Pm+n,Pm+n+1,…,Pm+n+k-1,Pm+n+k,每个标记点位置距离设定的坐标原点的距离为S0，S1，S2…Sm+n+k；根据步骤2中的划分，其中P0,P1,P2,…,Pm-1落在第一像素点上，Pm,Pm+1,…,Pm+n-1落在第二个像素点上，Pm+n,Pm+n+1,…,Pm+n+k-1落在第三个像素点上，Pm+n+k落在第四个像素点上；其中P0,Pm,Pm+n,Pm+n+k为有效数据点，相应的S0,Sm,Sm+n,Sm+n+k是有效距离，其余为无效数据点；步骤3.2：对落在第一像素点中的数据点进行还原：取i＝0,1,2·····m-1，为还原后的落在第一像素点中的标记点距离设定的坐标原点的距离，则其中T为相邻时间间隔，S10＝S0，S1m＝Sm，S1m+n＝Sm+n；步骤3.3：对落在第二像素点中的数据点进行还原：取i＝m,m+1,m+2,…,m+n-1，为还原后的落在第二像素点中的标记点距离设定的坐标原点的距离，则其中S1m＝Sm，S1m+n＝Sm+n，S1m+n+k＝Sm+n+k；步骤3.4：重复步骤3.1～步骤3.3，完成对每个像素点中数据点的还原，得到还原后的位移-时间数据[s10，s11，…..]；步骤4：对还原后的位移-时间数据进行数据拟合，得到标记点的位移-时间拟合函数S＝f(t)，进而求得标记点的速度v＝df(t)/dt,加速度a＝d2f(t)/dt2。有益效果通过本专利技术提出的新方法中，首先选用较高的采样率进行高速摄影拍摄，得到试验过程中尽可能多的试验信息，然后对系统自动采集到物体的位移-时间数据按照像素点进行识别划分，找到关键数据点，将无效的数据点进行真实还原，再对得到的还原位移-时间数据进行多项式拟合，消除台阶数据以及一阶、二阶数据多点跳变现象，消除高速摄影自动捕捉标记点位置引入的误差，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：获取高速摄影得到的物体标记点原始位移-时间数据信息；/n步骤2：按照图像中的像素点尺寸，对步骤1中得到的原始位移-时间数据信息进行划分；提取每个像素点中的第一个数据点作为有效数据，其余数据为无效数据；/n步骤3：剔除无效数据，并通过以下过程对无效数据进行还原：/n步骤3.1：记物体标记点在连续时刻t

【技术特征摘要】
1.一种测量物体空间运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取高速摄影得到的物体标记点原始位移-时间数据信息；
步骤2：按照图像中的像素点尺寸，对步骤1中得到的原始位移-时间数据信息进行划分；提取每个像素点中的第一个数据点作为有效数据，其余数据为无效数据；
步骤3：剔除无效数据，并通过以下过程对无效数据进行还原：
步骤3.1：记物体标记点在连续时刻t0，t1，t2，t3…..tm+n+k的位置点为P0,P1,P2,…,Pm,Pm+1,…,Pm+n-2,Pm+n-1,Pm+n,Pm+n+1,…,Pm+n+k-1,Pm+n+k,
每个标记点位置距离设定的坐标原点的距离为S0，S1，S2…Sm+n+k；根据步骤2中的划分，其中P0,P1,P2,…,Pm-1落在第一像素点上，Pm,Pm+1,…,Pm+n-1落在第二个像素点上，Pm+n,Pm+n+1,…,Pm+n+k-1落在第三个像素点上，Pm+n+k落在第四个像素点上；其中P0,Pm,Pm+n,Pm+n+k为有效数据点，相应的S0,Sm,Sm+n,Sm+n+k是有效距离，其余为无效数据点；
步骤3.2：对落在第一像素点中的数据点进行还原：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜文选，赵继伟，杨昆劼，张颖，潘武贤，杨建宏，李超，汪玲，
申请(专利权)人：西安航天动力测控技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61