论文《船舶液舱容量计量技术研究》-仁创编译转载

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　　摘要本文针对船舶液舱容量计量的问题，设计了一套基于结构光的三维空间计量装置，并对装置的软硬件组成、关键技术进行介绍。开发了一种基于空间解析几何的线阵相机标定方法，只需将靶标在相机视野范围内移动两次，即可完成标定工作。然后根据图像的噪声类型对其进行邻域平均滤波和拉普拉斯锐化，完成结构光图像的预处理，并利用采集到的数据计算船舶液舱容量。最后，通过实验验证了结果的可靠性。该系统具有非接触、测量速度快、精度高、抗干扰能力较强等优点，实现了船舶舱容量计量领域的应用要求。

　　关键词结构光;容量计量;标定;图像预处理

　　1引言

　　目前，船舶舱容量计量常用的方法有容量比较法和几何测量法，容量比较法的实施方式比较特殊，存在着耗费时间长，成本高，占用船体时间长等问题[1]。几何测量方法使用全站仪、经纬仪和水准仪等测量仪器获得特征点和关键点，建立船舶舱的数学模型，并进行容量计算。在船舶舱室曲面较多或内部具有较多复杂构件的情况下，几何测量法具有的缺陷较多，如:可采集的样点较少、自动化程度较低，该方法可靠性和准确性较差。随着三维激光扫描、机器视觉测量、计算机技术的快速发展，高速的离散点采集技术突破了传统的单点数据采集模式，实现了对物体表面的精准测量[2]。视觉是人们感知环境及非接触测量的重要手段，具有非接触和快速性的优点[3]，结构光三维视觉测量技术是一种重要的三维视觉测量方法，该技术是利用结构光图像当作物体三维信息的载体，依据视觉系统成像模型原理，利用数字图像处理的技术获取被测物体的三维信息[4]。对空间离散点测量的数据分析和研究后，就可以准确测量船舶舱容量。

　　2基于结构光容量计量装置研究

　　基于结构光的船舶液舱容量计量装置是一种三维视觉在线扫描测量装置，可以有效的实现不同种类船舶舱室内部三维形状非接触扫描的高精度测量。采用线阵CCD相机与线结构光配合扫描舱室，基于光学三角原理推导测量点的三维坐标，得到舱室表面点云网格;最后进行三维建模，分析后得到舱室的尺寸信息。

　　2.1硬件设计

　　系统的硬件包括:二自由度云台、单自由度云台、线阵CCD高精度相机、线结构光投射器、FPGA处理器。所述二自由度云台和单自由度云台分别安放在相距一定距离的水平支架上，该距离根据被测对象的尺寸选定。线阵CCD相机安放在二自由度云台上，并保证相机的视野为水平;线结构光投射器安放在所述单自由度云台上，并使其投射出竖直的结构光。两个云台由FPGA控制实现同步扫描，如图1所示。

　　2.2软件设计

　　系统软件主要由用户Gui模块、运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、通讯模块和数据处理模块组成。各个模块的分工各有不同:用户Gui模块实现了人机交互的功能;运动控制模块实现了系统中多个云台的协调运动和脉冲信号的产生;图像处理模块主要对采集卡中获取的图像进行处理;通讯模块实现了系统中各个组件的通讯功能和IO控制，如软件对线阵相机、云台驱动器、线结构光发射器的电源开关控制等;数据处理组模块实现了三维坐标解算，点云数据的精简、拼接、拟合、重构及容量处理等一系列过程。操作界面如图2所示。

　　3结构光容量计量装置关键技术

　　3.1线阵相机的标定

　　在对目标点图像进行测量的过程中，要利用图像中的信息去求出目标点的三维几何位置，首先要构建相机的视觉几何模型，也就是用相机参数来建立几何模型。一般情况下都是通过实验和计算来得到这些参数，相机的标定就是对它们的求解过程[5，6]。传统的标定方法通常是基于交比不变或简比不变原理来进行的，这类方法要求使用非常精密的靶标，另外对靶标和相机的移动方向与距离的精度要求也非常严格，在人工标定过程中很难实现。结构光系统使用的是一种基于空间解析几何的线阵相机标定方法，标定模型如图3所示，以相机视平面与三条斜直线的交点作为三个标定特征点，由于相机光心O和三个特征点P1，P2，P3必位于同一平面上，根据空间解析几何关系即可计算线阵相机的参数。为了精确标定相机参数，特制如图4所示的靶标。同时，为了避免靶标过大，制作三个同样的靶标，在每个靶标上求解一个靶标点。将三个靶标在线阵相机的视场范围内均匀放置，可使标定更准确。最终标定放置位置如图5所示。

　　3.2结构光图像预处理

　　在实际采集过程中，存在各船舶舱室环境不同、光照不均匀、设备本身优劣等多种干扰因素，故原始采集图像受噪声影响，与舱室实际影像对比度较差。另外，采集位置距离舱壁远近，线阵相机焦距大小等因素，又使得目标图像在原始采集图像中所占的比例和清晰度无法确定。为了保证在对图像研究时不受到此类因素的影响，必须对原始图像进行改善的预处，包括图像平滑滤波、图像锐化。3.2.1图像平滑滤波平滑图像是用滤波器来求出区域图像点的灰度平均值，然后替换图像中所有相应点的灰度值。最基础的平滑滤波是把图像中像素的灰度值进行灰度值进行区域平均，把单个像素及其周围8个像素的平均灰度值来替换其灰度值，实现对图像的平滑处理。其目的是滤除噪声对图像效果的影响，达到改善图像的目的。平滑滤波是利用了模板的方法思路，模板对图像的运算是邻域运算的一种，即单个点的处理结果不仅仅只是本身灰度值所决定的，而且与其自身周围的点的灰度值也有关。邻域平均方法把噪声像素的灰度值用平均值来替换，此种方法对减弱噪声效果很好，使邻域的整体灰度分布均匀，对图像的灰度起到平滑作用[7]。(1)式中:M———包含选取点周围点的坐标;N———所有参与计算的点的总数。利用结构光系统采集到的图像灰度分布及邻域平均滤波后的图像灰度分布如图6所示，可以看到噪声被明显地减弱。3.2.2图像锐化在对图像进行平滑处理时，噪声削弱的同时，也弱化了图像边缘和轮廓的细节，为了避免这种负面效应的影响，就要使用图像锐化技术，使图像的边缘细节变清晰[8]。结构光容量计量装置采用拉普拉斯锐化，拉普拉斯算子是一种各向同性微分算子，具有旋转不变性的特点。

　　4实验验证及数据分析

　　由于实验室内条件限制，选用的实验对象为小型模拟舱，它包含了典型的船舱特征。首先，连续采集模拟舱轮廓，得到模拟舱轮廓点云后，对点云数据进行处理，然后再重建三维点云轮廓，重建完成后，对其进行容量计量，共采集81768个点云数据。小型模拟舱的实物图和采集得到的点云数据如图7和图8所示，重建后的模拟舱三维模型如图9所示。将结构光容量计算系统计算的容量值与模拟舱容量真值进行比较，得到实验数据见表1。由表1可知，7个数据比对体积数据均小于3‰，模拟舱容量真值为3.643m3，结构光容量计量的容量值是3.651m3。

　　5结束语

　　本文设计了一套基于结构光的船舶舱室容量计量系统，对系统的硬件和软件进行了介绍，并详细论述了系统的关键技术，最后对整个系统进行实验验证和数据分析。该系统以特定波长的绿色结构光作为辅助照明光源，配合以高速高精度CCD线阵相机，通过程序控制相机与结构光云台的配合运动，实现三维空间的扫描，由软件进行点云数据解算，生成三维模型，最终求出容量。该系统在实际应用中，极大地提高了测量精度和效率，具有很好的应用前景。

　　作者：金荣品 李志月 李志刚 单位：国防科技工业大容量一级计量站

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