CN105115560B - 一种船舱舱容的非接触测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舱舱容的非接触测量方法及系统。该方法采用线阵CCD相机与线结构光配合扫描被测对象，进而处理扫描图像，提取图像特征点。基于光学三角原理推出特征点的解算方法，计算特征点的三维坐标并进行三维建模，进而分析计算出船舱舱容等信息。上述的测量方法及系统能够实现对船舱舱容的快速、准确、非接触测量，提高了测量效率，改善了工人的工作环境，同时避免了双目视觉测量方法中目标匹配困难的问题。

Description

一种船舱舱容的非接触测量方法

技术领域

本发明涉及一种船舱舱容的非接触测量方法，具体说来是一种基于线阵CCD相机和线结构光投射器的船舱舱容快速、准确的非接触测量方法。

背景技术

容量指物体或者空间所能够容纳的单位物体的数量。船舱舱容的测量就是通过一定的方法和测量装置来确定船舱的容量，即船舱能够容纳物体的数量。

对于船舶运输的散装液货的国际/国内贸易交往中，液货数量的认定是一件关系到各方面利益的大事。对于军事舰船而言，准确的燃油、淡水储备信息以及其影响舰船的压载沉浮状况是决定舰船适航性的重要信息。因此，从各个角度来看，船舱容量的准确计量都是一项十分重要并且有意义的工作。常用的接触测量方法有按照设计图纸计算舱容、以流量计累计舱容、尺距测量等。但是这些接触式测量方法存在很多问题，比如测量精度不高、测量点少、工作环境恶劣、测量效率低、测量时间长等。

从目前研究和发展的情况来看，船舱舱容的非接触高精度测量是未来的发展趋势。非接触测量具有测量成本低、测量周期短、测量精度高等优点。国内外研究的非接触测量方法有激光测距法、双目视觉法等方法。目前，国内外通常使用的舱容测量方法是几何测量法，即在舱壁上每隔一定的水平角度或者距离布设一个标志点，再使用全站仪获得各个截面上标志点的准确坐标，实现对船舱的分段精确测量，再利用所得数据建立船舱数学模型，计算船舱容积。相对于以流量计累计舱容的方法，这种方法不需要辅助液体的注入，只需全站仪对特征点进行测量，极大地缩短了测量时间，同时避免了液体附着现象。同时，通过全站仪获得目标点的三维坐标，能够极大地提高数据的准确性。但是这种方法测量点较少，并且是人工测量并未实现自动化。武汉大学测绘学院在此方法的基础上，开始了船舱舱容自动测量的研究，设计了一种基于全站仪的船舱自动测量系统。该方法与传统的基于全站仪的容量测量方法的基本原理一样，只是通过笔记本电脑控制全站仪等设备，实现了自动化。相对于传统的容量测量方法，该方法显著地减少了作业人员的劳动强度，提高了工作精度和测量效率。

视觉检测方法是利用视觉系统获得船舱的三维面形，再计算船舱的容积。它的基本方法分为被动视觉测量法和主动视觉测量法。被动视觉测量法是指在自然光照明情况下，使用视觉技术获得所需数据。根据使用摄像机数目的不同，可以分为单目法、双目法和多目法。单目视觉检测方法结构简单、标定也相对简单，同时避免了双目视觉中立体匹配困难的问题，但是因为测量的视场范围小，且解算三维信息较为困难，所以在实际测量中应用较少。双目视觉检测方法原理直观、效率高、成本较低、测量视场范围大，因此人们对该方法的研究较多，应用也较为广泛，但是该方法始终存在着立体匹配困难的问题。三目法是在双目法的基础上再增加一个摄像头来增加几何约束条件，进而减少双目立体匹配困难的问题，但是该方法具体实现结构的复杂性也引起了测量误差变大、测量效率降低等问题，所以在实际中应用较少。

本发明的测量系统是单一视觉测量系统，该视觉系统使用了新的标定方法，解决了现场大视域标定困难的问题，同时采用新的空间目标点解算方法，能够快速地计算目标点在世界坐标系中的坐标。本发明的方法结构简单、标定也较简单，同时避免了双目视觉检测方法中立体匹配困难的问题，同时具有测量精度高、测量速度快等优点。

发明内容

针对船舱容量的非接触测量问题，本发明提供了一种基于线阵CCD相机和线结构光投射器的船舱舱容的非接触测量方法，以解决现有测量方法存在测量时间长、测量精度不高、工作环境差等问题。

本发明采用的技术方案如下。

一种船舱舱容的非接触测量系统，包括：

线阵CCD相机，安装在二自由度云台上；

线结构光投射器，安装在单自由度云台上；

两个云台根据被测对象实际情况，相隔一定距离，两者之间的距离就是所谓基线距离；所述二自由度云台和所述单自由度云台由FPGA控制，以实现同步扫描和连续实时采集；

该测量系统还包括运用光学三角测量原理的分析装置；

所述线阵CCD相机的光心、所述线结构光投射器的光心以及相机视野和线结构光的交点构成三角形；通过所述线结构光投射器向被测对象表面投射线结构光，能够在被测对象表面形成光条三维图像；

所述分析装置能够利用所述线结构光投射器和所述线阵CCD相机之间的所述基线距离，并且基于光学三角原理，根据空间目标点的解算方法能够得到被测对象上各个点的空间三维坐标，进而三维重建被测对象形态；所述分析装置能够根据重建的被测对象，分析计算得到船舱舱容信息。

一种使用以上技术方案所述的测量系统的船舱舱容非接触测量方法，该测量方法首先对测量系统进行标定；通过线阵CCD相机和线结构光投射器配合扫描被测对象表面，进而获得被测对象的图像；通过图像处理技术获得特征点的像素坐标；通过光学三角原理推出特征点的解算方法，进而计算得到特征点的三维坐标；对船舱进行三维建模，分析计算出船舱舱容等信息，进而生成相关图表。该方法的具体步骤如下：

一、将所述线结构光投射器放置在可旋转的单自由度云台上，将所述CCD相机放置在可旋转可俯仰的二自由度云台上，并且保持一定的距离。我们采用线结构光投射器向被测对象投射线结构光，采用线阵相机作为图像传感器。所述二自由度云台和所述单自由度云台由FPGA控制，以实现同步扫描和连续实时采集。

二、对测量系统进行标定，建立世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w，并确定线阵CCD相机的参数和线结构光传感器的参数。测量系统的标定包括以下步骤：

1)建立世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w。世界坐标系X_w轴的正方向与所述线结构光光心到所述线阵CCD相机光心的连线方向为相同方向，所述世界坐标系Z_w轴的正方向垂直于水平面向上，Y_w轴的正方向根据右手定则得到。

2)根据二所述的方法，所述线阵CCD相机的参数包括：相机焦距f、图像主点u₀、相 机光心坐标O_c＝(X_oc Y_oc Z_oc)和相机光轴向量所述线结构光传感器的 参数包括线结构光光心坐标O₁＝(X₁ Y₁ Z₁)和光平面初始的水平角度θ。通过线结构光光平 面两边界上的四点确定线结构光光心在世界坐标系中的位置，以及光平面初始的水平角 度。

三、对被测对象进行扫描，通过图像处理技术获取特征点的像素坐标。所述线结构光投射器向被测对象投射竖直的线结构光形成光条。线阵相机每次俯仰一个角度，都会与线结构光光条相交于一个点，并采集该点，直至被测对象上的光条被全部采集。接着，与线结构光投射器相连的云台旋转一个角度，重复上述过程，从而完成对整个三维曲面的扫描。

线阵CCD相机得到的图像只有一行像素，并且与线结构光构成交叉线的形式。通过图像处理技术的算法，提取光条图像的中心，就可以得到特征点的像素坐标。对三维曲面上的所有特征点进行这样的处理，从而获得三维曲面所有特征点的像素坐标。

四、通过光学三角原理推出特征点的解算方法，并且根据已经求得的特征点的像素坐标、线阵CCD相机参数、线结构光参数、以及特征点旋转角度参数计算特征点的空间三维坐标。

由于在本测量系统中，线阵相机是通过俯仰推扫成像的，所以相机旋转后，光轴在xoy平面中的投影不变。计算所述空间三维坐标的表达式如下：

其中，O_c和O₁分别为线阵相机光心和线结构光光心；(X_oc Y_oc Z_oc)表示O_c的世界坐标；β表示线结构光光心O₁到特征点P的向量与基线向量的夹角；β₀表示线结构光光平面的水平角度；α₃为像点和物点的连线向量与基线向量的夹角；为初始时相机光轴向量与水平面的夹角；δ为线阵相机俯仰的角度增量；α₁为物点和像点连线PP'以及光轴在XOY平面的投影形成的夹角；ψ为线阵相机的成像平面与XOY平面的夹角。

五、通过所获取的大量特征点的三维坐标，对船舱进行三维重建，分析计算出船舱舱容等信息，进而生成相关图表。

本发明的有益效果是：选择高分辨率的线阵CCD相机，采用云台分别控制线阵CCD相机和线结构光投射器，两者配合扫描被测对象，每次仅仅拍摄一个光点，提高了系统的分辨率。线阵CCD相机和线结构光投射器分别安装在两个云台上，能够增加测量系统的测量范围。同时，通过FPGA控制云台，能够实现线阵CCD相机和线结构光投射器的准确配合，能够同步扫描并且连续采集数据。该测量系统能够避免双目视觉测量方法中目标匹配困难的问题。通过高速线阵CCD摄像机和线结构光投射器的紧密配合，采集图像并且解算得到大量被测对象的空间三维坐标，再通过三维重建技术，能够实现船舱舱容的快速、准确、非接触测量。

附图说明

图1为船舱舱容快速测量平台示意图；

图2为被测对象上点P的X_p坐标和Y_p坐标的解算示意图

图3为被测对象上点P的Z_p坐标的解算示意图

图中各个标记的含义如下：

图1中：1—二自由度高精度云台；2—单自由度高精度云台；

3—线结构光投射器；4—线结构光的视野范围；5—线结构光与线阵CCD相机视野的交点，即图像采集点；6—线阵CCD相机俯仰一个角度后，线结构光和相机视野的交点；7—被测三维曲面；8—线阵CCD相机的视野范围；9—线阵CCD相机。

图2中：O_c和O_l分别为线阵CCD相机光心和线结构光光心，P为空间中的某点，P′为空间中的点P在线阵CCD相机中的成像点，u0为图像主点；α₁为光轴向量与物点和像点连线的夹角，α₂为基线向量与光轴向量的夹角，α₃为基线向量与物点像点连线向量的夹角，β为结构光关心O_l到空间中点P的向量与基线向量的夹角，β₁为基线向量与X轴正方向的夹角，β₀为被测空间点P对应的结构光光平面的水平角度，γ₁为ΔO_cO_lP的顶角，γ₂为结构光光线O_lP与Y轴的夹角，γ₃为物点和像点的连线PP′与Y轴的夹角。

图3中：O_c为线阵CCD相机光心，P为空间中的某点，M为空间中的点P在XOY平面中的投影点，N为P向做垂线形成的交点，Ν′为N在XOY平面中的投影点；为线阵CCD相机的光轴向量；为初始时线阵CCD相机光轴向量与水平面的夹角，α₁为物点和像点连线PP'以及光轴在XOY平面的投影形成的夹角，ψ为相机的成像平面与XOY平面的夹角。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细地说明本发明的具体实施过程：

一种船舱舱容快速测量平台如图1所示：线阵CCD相机9安装在具有两个自由度的云台1上，线结构光投射器3安装在具有一个自由度的云台2上。两个云台根据被测对象实际情况，相隔一定距离，两者之间的距离就是所谓基线距离。基线距离要根据被测对象实际情况进行尺寸设计，其距离的大小对测量精度有一定影响。

该测量系统的方法运用光学三角测量原理，线阵CCD相机9的光心、线结构光投射器3的光心以及线阵相机视野和线结构光的交点5构成三角形。通过线结构光投射器3向被测对象表面投射线结构光，在被测对象表面形成光条三维图像。利用线结构光投射器3和线阵CCD相机9之间的基线距离，并且基于光学三角原理，根据空间目标点的解算方法就可以得到被测对象上无数个点的空间三维坐标，进而三维重建被测对象形态。最后根据重建的被测对象，分析计算得到船舱舱容等信息，进而生成相关图表。

整个测量系统装置的工作过程包括三大部分：测量系统的标定、扫描测量并且解算空间点坐标、三维重建并计算舱容等信息。

一、测量系统的标定

测量系统的标定就是为了统一参考对象，为后续测量目标的三维空间坐标解算做准备。测量系统标定包括线阵CCD相机参数的标定和线结构光参数的标定。标定过程如下：

1.建立世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w

世界坐标系X_w轴的正方向与所述线结构光光心到所述线阵CCD相机光心的连线方向为相同方向，所述世界坐标系Z_w轴的正方向垂直于水平面向上，世界坐标系Y_w轴正方向由世界坐标系X_w轴和Z_w轴根据右手定则得到。

2.确定线阵CCD相机的内外参数

通过对线阵CCD相机内外参数的标定，得到相机光心O_c在世界坐标系中的坐标为(X_oc Y_oc Z_oc)，相机光轴向量在世界坐标系下的向量为(l m n)，相机的焦距f和图像主点u₀。

3.确定线结构光光心坐标和光平面初始水平角度

通过线结构光光平面两边界上的四点标定线结构光光心O₁＝(X₁ Y₁ Z₁)在世界坐标系中的坐标，以及线结构光光平面的初始水平角度θ。

二、扫描测量并且解算空间点坐标

扫描测量并且解算空间点坐标就是通过扫描得到被测对象的整体图像，接着通过图像处理技术获得被测对象上所有特征点的像素坐标，再通过光学三角原理解算出被测对象上各扫描特征点的空间坐标。

扫描测量并且解算空间点坐标的具体步骤：

步骤1：线结构光投射器向被测对象表面投射竖直的线结构光形成光条,相机视野与线结构光光条相交与一个点，捕捉该点的图像。

步骤2：线阵CCD相机每次俯仰一个角度Δγ，相机视野都会与线结构光光条相交于一个点，并采集该点。相机在采集完相机视野与光条的最后一个交点之后，相机回到初始位置，准备进行下一次扫描。

步骤3：云台带动线结构光投射器旋转一个角度Δβ，，在被测船舱舱容表面形成另外一个光条；

步骤4：相机开始采集新的光条，重复步骤2；

步骤5：重复步骤3和步骤4。通过线阵CCD相机和结构光投射器的配合扫描，完成对整个船舱舱容表面的扫描.

步骤6：对扫描的图像进行处理，解算特征点的三维空间坐标。

步骤6包括以下过程：

(1)图像特征点的提取

线阵CCD相机在线阵模式下拍摄得到的图像只有一行像素，并且与线结构光形成交叉。通过图像处理算法提取图像上的光条中心，光条中心的位置就是所需特征点在以像素为单位的图像坐标系中的位置。

(2)计算特征点的三维空间坐标

根据光学三角测量原理，由测量系统标定得到的线阵相机焦距f、图像主点u₀、线 阵相机光心坐标O_c＝(X_oc Y_oc Z_oc)、线阵相机光轴向量和线结构光光心坐 标O₁＝(X₁ Y₁ Z₁)，线结构光光平面的初始水平角度θ，以及云台上的光电码盘记录的相机 俯仰角度和对应的线结构光投射器的旋转角度。则计算空间某点P的三维坐标的表达式如 下：

其中，各个角度参考空间点坐标解算模型示意图图2和图3。

三、三维重建并计算舱容等信息

三维重建并计算舱容等信息就是通过所获得的被测对象上大量的三维坐标数据，采用数值计算方法对船舱进行三维重建，从而分析计算出船舱的容量等数据，进而生成相关图表。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种使用船舱舱容的非接触测量系统的测量方法，其中

所述船舱舱容的非接触测量系统包括：

线阵CCD相机(9)，安装在二自由度云台(1)上；

线结构光投射器(3)，安装在单自由度云台(2)上；

两个云台根据被测对象实际情况，相隔一定距离，两者之间的距离就是所谓基线距离；所述二自由度云台和所述单自由度云台由FPGA控制，以实现同步扫描和连续实时采集；

该测量系统还包括运用光学三角测量原理的分析装置；

所述线阵CCD相机(9)的光心、所述线结构光投射器(3)的光心以及相机视野和线结构光的交点(5)构成三角形；通过所述线结构光投射器(3)向被测对象表面投射线结构光，能够在被测对象表面形成光条三维图像；利用所述线结构光投射器(3)和所述线阵CCD相机(9)之间的所述基线距离，并且基于光学三角原理，根据空间目标点的解算方法能够得到被测对象上各个点的空间三维坐标，进而三维重建被测对象形态，所述分析装置根据重建的被测对象，分析计算得到船舱舱容信息；

该测量方法包括以下步骤：

步骤1，首先对测量系统进行标定，建立世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w，并确定线阵CCD相机的参数和结构光传感器的参数；

步骤2，通过线阵CCD相机和结构光投射器配合扫描被测对象表面，进而获得被测对象的图像；

步骤3，通过图像处理技术获得特征点的像素坐标；

步骤4，通过光学三角原理推出特征点的解算方法，进而计算得到特征点的三维坐标；

步骤5，对船舱进行三维建模，分析计算出船舱舱容信息；

其特征在于，所述步骤4通过光学三角原理推出特征点的解算方法，并且根据已经求得的特征点的像素坐标、线阵CCD相机参数、结构光参数、以及特征点旋转角度参数计算特征点的空间三维坐标；

所述线阵相机是通过俯仰推扫成像的，所以相机旋转后，光轴在xoy平面中的投影不变；

计算所述三维坐标的表达式如下：

其中，O_c和O_l分别为相机光心和线结构光光心；(X_oc Y_oc Z_oc)表示O_c的世界坐标；β表示结构光光心O_l到特征点P的向量与基线向量的夹角；β₀表示结构光光平面的水平角度；α₃为像点和物点的连线向量与基线向量的夹角；初始时相机光轴与水平面的夹角；δ为相机俯仰的角度增量；α₁为物点和像点连线PP′以及光轴在XOY平面的投影形成的夹角；ψ为相机的成像平面与XOY平面的夹角；

所述步骤5通过所获取的大量特征点的三维坐标，对船舱进行三维重建，分析计算出船舱舱容信息，进而生成相关图表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线结构光投射器放置在可旋转的单自由度云台上；所述CCD相机放置在可旋转可俯仰的二自由度云台上，并且保持一定的距离；采用线结构光投射器向被测对象投射线结构光，采用线阵CCD相机作为图像传感器；所述二自由度云台和所述单自由度云台由FPGA控制，以实现同步扫描和连续实时采集。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：

步骤1.1，建立世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w；所述世界坐标系的X_w轴的正方向与所述结构光光心到所述线阵CCD相机光心的连线方向为相同方向，所述世界坐标系的Z_w轴的正方向垂直于水平面向上，Y_w轴正方向根据右手定则得到；

步骤1.2，确定所述线阵CCD相机的参数，包括：相机焦距f、图像主点u₀、相机光心坐标O_c＝(X_oc Y_oc Z_oc)和相机光轴向量

步骤1.3，确定所述结构光参数，包括线结构光光心坐标O_l＝(X_l Y_l Z_l)和光平面初始的水平角度e；

步骤1.4，通过结构光光平面两边界上的四点确定结构光光心在世界坐标系中的位置，以及光平面初始的水平角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

步骤2.1，使所述线结构光投射器向被测对象投射竖直的线结构光形成光条；

步骤2.2，线阵相机每次俯仰一个角度，与线结构光光条相交于一个点，并采集该点，重复采集直至被测对象上的光条被全部采集；

步骤2.3，使与结构光投射器相连的云台旋转一个角度，重复上述步骤2.2和2.3的过程，从而完成对整个三维曲面的扫描。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3通过图像处理技术，获得整个三维曲面各个特征点的像素坐标。