基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置製造方法
2023-05-06 00:58:46 2
基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置，本發明採用立體視覺技術，即將雙目相機布置在實驗水槽的外側，透過實驗水槽的玻璃側壁非接觸地測量模擬海床的地形變化，不會對局部流場產生幹擾，而且可以對整個模擬海床地形進行同步採集；本發明將主動視覺技術用於水下測量，即利用輔助的結構光透過實驗水槽的玻璃側壁照射水下地形，在地形上形成密集的結構化紋理或者點陣，使相機更容易分辨，同時也增加了地形特徵點的數量，結合以高解析度相機，可以獲得較高精度的地形數據。本發明具有能夠非接觸、同步、高精度地測量模擬海床地形的優點，解決了現有技術存在的對應問題。
【專利說明】基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝
【技術領域】
[0001]本發明涉及實驗室模擬海床地形測量方法及測量裝置。
【背景技術】
[0002]海洋工程中由於海流和波浪對海床的長期衝刷侵蝕作用以及海底沙波的推移，使坐落在海床中的海洋平臺和海上風電設備的基礎以及海底輸油管線等發生裸露甚至懸空，造成整體結構的失穩，引發嚴重的災難。海床地形演變是一個動態的過程，對於海床地形的精確、實時測量是研究沙波運動和局部衝刷機理及規律的重要基礎。
[0003]實驗室模擬是研究海床地形演變對海洋工程結構物影響的一種重要手段。實驗室模擬海床地形變化包括大尺度的沙波運移和結構物周圍小尺度的局部衝刷。目前，實驗室通常採用超聲波或雷射測距儀類型的地形儀通過空間逐點掃描進行水下地形測量。基於超聲和雷射特性，探頭必須伸入水面以下往復運動對地形進行掃描，因此在測量方式上屬於接觸式測量和非同步測量。探頭的存在會對局部流場，尤其是對模擬海洋工程結構物周圍的流場，產生明顯的幹擾。非同步測量會難以捕捉某些特殊情況下迅速變化的整個模擬海床地形，比如衝刷起動的瞬間。
[0004]此外，通常基於被動視覺進行的圖像採集，地形特徵點數量較少，且計算機不容易分辨，獲取的地形數據精度不高，
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置，以非接觸、同步、高精度地測量模擬海床的地形。
[0006]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0007]一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法，其包括以下步驟:(I)在至少有一側壁上有玻璃的實驗水槽的一玻璃側壁外側布置雙目相機，使雙目相機正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，將雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像採集卡連接，由控制主機自動採集圖像，並進行分析和處理；(2)用標定系統標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，標定系統至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板，標定時，將標定板豎直伸入實驗水槽內，使標定板的中心高度與正式實驗時海床的平均高度一致，標定板上繪有黑白相間正方塊圖案的面與雙目相機正對的玻璃側壁平行，且朝向雙目相機側，然後，使標定板沿水平方向一步步地從實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁處移動到正對的遠離雙目相機的側壁處，同時，雙目相機對起始位置起每一步位置處的標定板進行圖像採集，直到終點位置，以確定在不同位置處採集到的圖像的空間標定係數；標定完成後，將標定板提升至實驗水槽的水面之上；(3)用砂雨法海床製備系統在實驗水槽內製備出模擬海床；(4)用主動結構光系統向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像，並設定好雙目相機的拍攝頻率；(5)用波流控制系統在實驗水槽內產生波流，以模擬海流和波浪，進行正式的海床衝刷試驗；(6)由雙目相機對實驗水槽中投射有圖像的模擬海床地形進行拍攝，控制主機對採集到的模擬海床地形圖像進行分析和處理，基於已有的標定係數，得到模擬海床地形的三維數據。
[0008]特別闡明:所述主動結構光指能夠投射出結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像的光學系統或光電系統。
[0009]一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其包括實驗水槽，砂雨法海床製備系統、波流控制系統、雙目相機、控制主機、標定系統、主動結構光系統，所述實驗水槽至少有一側壁上有玻璃；所述雙目相機布置在實驗水槽的一玻璃側壁的外側，且正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形；雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像採集卡連接，由控制主機自動採集圖像，並進行分析和處理；所述標定系統用於標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，所述標定系統至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板；所述砂雨法海床製備系統用於在實驗水槽內製備出模擬海床；所述波流控制系統用於在實驗水槽內產生模擬海流和波浪，進行海床衝刷試驗；主動結構光系統用於向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像。
[0010]優選地，所述標定系統包括底座、步進電機，滾珠絲槓、滑動螺母、連接杆、標定板，所述底座橫跨在實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁和另一相對的側壁之上，底座的一端安裝有步進電機，步進電機與所述控制主機連接，滾珠絲槓的一端與步進電機傳動連接，另一端通過軸承設置在底座的另一端上，滑動螺母配合設置在滾珠絲槓上，滑動螺母上豎直安裝連接杆，連接杆的下端豎直安裝標定板。
[0011]優選地，所述實驗水槽至少有一組相對的側壁上均有玻璃，所述雙目相機和主動結構光系統分別正對布置在一組相對的玻璃側壁的兩側。
[0012]優選地，所述主動結構光系統包括投影儀和投影主機，所述投影儀和投影主機連接，投影儀鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像或網格圖像。
[0013]優選地，所述主動結構光系統包括連續式雷射器、雷射導臂和雷射點陣透鏡，所述雷射導臂一端連接連續式雷射器的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡，雷射點陣透鏡對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽中模擬海床的被測地形。
[0014]優選地，所述主動結構光系統包括同步器、脈衝式雷射器、雷射導臂和雷射點陣透鏡，所述同步器分別與脈衝式雷射器、雙目相機和控制主機連接，由控制主機設定同步器參數，同步控制雙目相機採集頻率和脈衝式雷射器的照射頻率，所述雷射導臂一端連接脈衝式雷射器的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡，雷射點陣透鏡對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽中模擬海床的被測地形。
[0015]本發明採用立體視覺技術，即將雙目相機布置在實驗水槽的外側，透過實驗水槽的玻璃側壁非接觸地測量模擬海床的地形變化，不會對局部流場產生幹擾，而且可以對整個模擬海床地形進行同步採集；本發明將主動視覺技術用於水下測量，即利用輔助的結構光透過實驗水槽的玻璃側壁照射水下地形，在地形上形成密集的結構化紋理或者點陣，使相機更容易分辨，同時也增加了地形特徵點的數量，結合以高解析度相機，可以獲得較高精度的地形數據。
[0016]本發明具有能夠非接觸、同步、高精度地測量模擬海床地形的優點，解決了現有技術存在的對應問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1?3是本發明採用3種不同的主動結構光系統的模擬海床地形測量裝置的示意圖；
[0018]圖中:0、三角架；1、實驗水槽；2、雙目相機；3、控制主機；4、標定系統；41、底座；42、步進電機；43、滾珠絲槓；44、滑動螺母；45、連接杆；46、標定板；5A、主動結構光系統；5B、主動結構光系統；5C主動結構光系統；51、投影儀；52、投影主機；53、雷射點陣透鏡；54、雷射導臂；55、連續式雷射器；56、脈衝式雷射器；57、同步器。
【具體實施方式】
[0019]下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。
[0020]參照圖1?3，本實施例的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法包括以下步驟:(1)在至少有一組相對的側壁上均有玻璃的實驗水槽I的一組相對的玻璃側壁外分別布置雙目相機2和主動結構光系統5A/5B/5C,使雙目相機2和主動結構光系統5A/5B/5C正對，使雙目相機2正對玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形，將雙目相機2通過數據線與控制主機3內的圖像採集卡連接，由控制主機3自動採集圖像，並進行分析和處理，使主動結構光系統5A/5B/5C的鏡頭以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形；(2)用標定系統4標定雙目相機2對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，標定系統4至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板46，標定時，將標定板46豎直伸入實驗水槽I內，使標定板46的中心高度與正式實驗時海床的平均高度一致，標定板46上繪有黑白相間正方塊圖案的面與雙目相機2正對的玻璃側壁平行，且朝向雙目相機側，然後，使標定板46沿水平方向一步步地從實驗水槽I的靠近雙目相機2的玻璃側壁處移動到正對的遠離雙目相機2的側壁處，同時，雙目相機2對起始位置起每一步位置處的標定板46進行圖像採集，直到終點位置，以確定在不同位置處採集到的圖像的空間標定係數；標定完成後，將標定板46提升至實驗水槽I的水面之上；(3)用砂雨法海床製備系統在實驗水槽I內製備出模擬海床；(4)通過主動結構光系統5A/5B/5C的鏡頭向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像，並設定好雙目相機2的拍攝頻率；(5)用波流控制系統在實驗水槽I內產生波流，以模擬海流和波浪，進行正式的海床衝刷試驗；(6)由雙目相機2對實驗水槽I中投射有圖像的模擬海床地形進行拍攝，控制主機3對採集到的模擬海床地形圖像進行分析和處理，基於已有的標定係數，得到模擬海床地形的三維數據。
[0021]可選地，當實驗水槽I只有一側壁上有玻璃時，可只把雙目相機2布置在該玻璃側壁外，而不再按圖1?3那樣布置主動結構光系統5A/5B/5C，也可不採用圖1?3中5A/5B/5C那樣的王動結構光系統，只需在標定系統4完成標定後，將標定系統4從實驗水槽I的頂部撤除，然後用某種主動結構光系統從實驗水槽的頂部向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像即可。
[0022]為實現上述方法，對應地，一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置包括實驗水槽1，砂雨法海床製備系統、波流控制系統、雙目相機2、控制主機3、標定系統4、主動結構光系統5A/5B/5C，實驗水槽I至少有一組相對的側壁上均有玻璃；雙目相機2和主動結構光系統5A/5B/5C分別布置在實驗水槽I的一組相對的玻璃側壁外，且雙目相機2和主動結構光系統5A/5B/5C正對，雙目相機2正對實驗水槽I的玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形；雙目相機2通過數據線與控制主機3內的圖像採集卡連接，由控制主機3自動採集圖像，並進行分析和處理，主動結構光系統5A/5B/5C的鏡頭以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形；標定系統4用於標定雙目相機2對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，標定系統4至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板46 ;砂雨法海床製備系統用於在實驗水槽I內製備出模擬海床；波流控制系統用於在實驗水槽I內產生模擬海流和波浪，進行海床衝刷試驗；主動結構光系統5A/5B/5C用於向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像。
[0023]可選地，當實驗水槽I只有一側壁上有玻璃時，可只把雙目相機2布置在該玻璃側壁外，而不再按圖1?3那樣布置主動結構光系統5A/5B/5C，也可不採用圖1?3中5A/5B/5C那樣的王動結構光系統，只需在標定系統4完成標定後，將標定系統4從實驗水槽I的頂部撤除，然後用某種主動結構光系統從實驗水槽的頂部向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像即可。
[0024]為精確控制標定板46的運動，得到精確的標定係數，優選地，標定系統4包括底座41、步進電機42，滾珠絲槓43、滑動螺母44、連接杆45、標定板46，底座41橫跨在實驗水槽I的靠近雙目相機2的玻璃側壁和另一相對的側壁之上，底座41的一端安裝有步進電機42，步進電機42與控制主機3連接,滾珠絲槓43的一端與步進電機42傳動連接,另一端通過軸承設置在底座41的另一端上，滑動螺母44配合設置在滾珠絲槓43上，滑動螺母44上豎直安裝連接杆45，連接杆45的下端豎直安裝標定板46。
[0025]優選地，主動結構光系統5A包括投影儀51和投影主機52，投影儀51和投影主機52連接，投影儀51鏡頭以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形，向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像或網格圖像。
[0026]優選地，主動結構光系統5B包括連續式雷射器55、雷射導臂54和雷射點陣透鏡53，雷射導臂54 —端連接連續式雷射器55的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡53，雷射點陣透鏡53以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽I中模擬海床的被測地形。
[0027]優選地,主動結構光系統5C包括同步器57、脈衝式雷射器56、雷射導臂54和雷射點陣透鏡53，同步器57分別與脈衝式雷射器56、雙目相機2和控制主機3連接，由控制主機3設定同步器57參數，同步控制雙目相機2的採集頻率和脈衝式雷射器56的照射頻率，雷射導臂54 —端連接脈衝式雷射器56的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡53，雷射點陣透鏡53以一定的俯角對準實驗水槽I中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽I中模擬海床的被測地形。
[0028]選用投影儀作為結構光源的成本相對很低，對於精度要求不高或者水質條件較好的情況，可以採用主動結構光系統5A ;對於精度要求相對較高，或者水質條件不好的情況，可採用主動結構光系統5B或5C進行雷射照射，但雷射照射的成本相對較高。當採用主動結構光系統5C時，還需用主機控制的同步器將脈衝式雷射器的雷射脈衝發射頻率與雙目相機的圖像採集頻率進行同步。
[0029]此外，用控制主機處理通過雙目相機獲取的圖片時，還需考慮光線在空氣一玻璃一水體界面處的折射問題。由於雙目相機布置在實驗水槽外，並透過實驗水槽的玻璃側壁拍攝實驗水槽內水下的地形，因此，光線會在空氣一玻璃一水體的界面處發生多次的折射，從而引起獲取圖片的變形和失真，故在處理圖片時，需要進行修正和補償。
[0030]本發明採用立體視覺技術，即將雙目相機布置在實驗水槽的外側，透過實驗水槽的玻璃側壁非接觸地測量模擬海床的地形變化，不會對局部流場產生幹擾，而且可以對整個模擬海床地形進行同步採集；本發明將主動視覺技術用於水下測量，即利用輔助的結構光透過實驗水槽的玻璃側壁照射水下地形，在地形上形成密集的結構化紋理或者點陣，使相機更容易分辨，同時也增加了地形特徵點的數量，結合以高解析度相機，可以獲得較高精度的地形數據。
[0031]本發明具有能夠非接觸、同步、高精度地測量模擬海床地形的優點，解決了現有技術存在的對應問題。
[0032]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法，其特徵在於包括以下步驟:(I)在至少有一側壁上有玻璃的實驗水槽的一玻璃側壁外側布置雙目相機，使雙目相機正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，將雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像採集卡連接，由控制主機自動採集圖像，並進行分析和處理；(2)用標定系統標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，標定系統至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板，標定時，將標定板豎直伸入實驗水槽內，使標定板的中心高度與正式實驗時海床的平均高度一致，標定板上繪有黑白相間正方塊圖案的面與雙目相機正對的玻璃側壁平行，且朝向雙目相機側，然後，使標定板沿水平方向一步步地從實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁處移動到正對的遠離雙目相機的側壁處，同時，雙目相機對起始位置起每一步位置處的標定板進行圖像採集，直到終點位置，以確定在不同位置處採集到的圖像的空間標定係數；標定完成後，將標定板提升至實驗水槽的水面之上；(3)用砂雨法海床製備系統在實驗水槽內製備出模擬海床；(4)用主動結構光系統向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像，並設定好雙目相機的拍攝頻率；(5)用波流控制系統在實驗水槽內產生波流，以模擬海流和波浪，進行正式的海床衝刷試驗；(6)由雙目相機對實驗水槽中投射有圖像的模擬海床地形進行拍攝，控制主機對採集到的模擬海床地形圖像進行分析和處理，基於已有的標定係數，得到模擬海床地形的三維數據。
2.一種基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:包括實驗水槽，砂雨法海床製備系統、波流控制系統、雙目相機、控制主機、標定系統、主動結構光系統，所述實驗水槽至少有一側壁上有玻璃；所述雙目相機布置在實驗水槽的一玻璃側壁的外側，且正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形；雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像採集卡連接，由控制主機自動採集圖像，並進行分析和處理；所述標定系統用於標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所採集到的圖像的空間坐標，所述標定系統至少包括一上`面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板；所述砂雨法海床製備系統用於在實驗水槽內製備出模擬海床；所述波流控制系統用於在實驗水槽內產生模擬海流和波浪，進行海床衝刷試驗；主動結構光系統用於向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或雷射點陣圖像，或定時出現的雷射點陣圖像。
3.根據權利要求2所述的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:所述標定系統包括底座、步進電機，滾珠絲槓、滑動螺母、連接杆、標定板，所述底座橫跨在實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁和另一相對的側壁之上，底座的一端安裝有步進電機，步進電機與所述控制主機連接，滾珠絲槓的一端與步進電機傳動連接，另一端通過軸承設置在底座的另一端上，滑動螺母配合設置在滾珠絲槓上，滑動螺母上豎直安裝連接杆，連接杆的下端豎直安裝標定板。
4.根據權利要求2所述的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:所述實驗水槽至少有一組相對的側壁上均有玻璃，所述雙目相機和主動結構光系統分別正對布置在一組相對的玻璃側壁的兩側。
5.根據權利要求2所述的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:所述主動結構光系統包括投影儀和投影主機，所述投影儀和投影主機連接，投影儀鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像或網格圖像。
6.根據權利要求2所述的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:所述主動結構光系統包括連續式雷射器、雷射導臂和雷射點陣透鏡，所述雷射導臂一端連接連續式雷射器的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡，雷射點陣透鏡對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽中模擬海床的被測地形 。
7.根據權利要求2所述的基於主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其特徵在於:所述主動結構光系統包括同步器、脈衝式雷射器、雷射導臂和雷射點陣透鏡，所述同步器分別與脈衝式雷射器、雙目相機和控制主機連接，由控制主機設定同步器參數，同步控制雙目相機採集頻率和脈衝式雷射器的照射頻率，所述雷射導臂一端連接脈衝式雷射器的發射端，另一端連接雷射點陣透鏡，雷射點陣透鏡對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，且其發射的連續雷射點陣覆蓋實驗水槽中模擬海床的被測地形。
【文檔編號】G01C11/02GK103591939SQ201310520389
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月29日 優先權日:2013年10月29日
【發明者】臧志鵬, 高福平, 姜海洋 申請人:中國科學院力學研究所