基于機(jī)器視覺(jué)的船舶升沉檢測(cè)方法

鄒木春 曾應(yīng)堅(jiān)

1 引言

船舶的工作環(huán)境十分復(fù)雜，受風(fēng)、浪、流、潮的影響，不可避免地產(chǎn)生顯著的升沉搖擺運(yùn)動(dòng)，給船上作業(yè)、水下作業(yè)帶來(lái)一定的影響，甚至?xí)?dǎo)致安全事故[1]。因此準(zhǔn)確檢測(cè)船舶的升沉位移量，為生產(chǎn)系統(tǒng)提供合適的補(bǔ)償是非常必要的。

目前檢測(cè)船舶的升沉位移量方法主要有姿態(tài)傳感器法、零波面超聲波檢測(cè)法和傳感器系統(tǒng)檢測(cè)法等[2～4]。姿態(tài)傳感器法是為測(cè)量船體或水中拖體的動(dòng)態(tài)變化而設(shè)計(jì)的，儀器需固定安裝在船體上，可以提供實(shí)時(shí)高動(dòng)態(tài)精度的運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。但它價(jià)格比較昂貴，固定安裝后需作比較復(fù)雜的調(diào)試后方能使用；零波面超聲波檢測(cè)法基于零波面理論，利用超聲測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)量。其在環(huán)境復(fù)雜的情況下，噪聲和誤差都比較大，而且該辦法需安裝三個(gè)具有恒深度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的超聲發(fā)射器，實(shí)際操作困難；傳感器系統(tǒng)檢測(cè)法則需在補(bǔ)給船（岸基）與被補(bǔ)給船上分別安裝各種傳感器，然后利用電腦系統(tǒng)來(lái)分析處理數(shù)據(jù)，調(diào)試系統(tǒng)時(shí)需考慮各傳感器的安裝位置與性能，對(duì)于經(jīng)常變換被補(bǔ)給船只時(shí)，安裝調(diào)試工作量大、準(zhǔn)確度不高。綜合上述辦法的利弊，結(jié)合民用起重作業(yè)的特點(diǎn)，本文提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的船舶升沉檢測(cè)方法。

2 船舶升沉檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

在波浪補(bǔ)償系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)是補(bǔ)給船（或岸基）與被補(bǔ)給船的相對(duì)位置。對(duì)于起重作業(yè)來(lái)說(shuō)，需要的僅是被補(bǔ)給船上貨物著落點(diǎn)與補(bǔ)給船（或岸基）上起重機(jī)吊臂間的相對(duì)高度。檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括兩個(gè)攝像頭、一臺(tái)電腦（或DSP系統(tǒng)）、一個(gè)特征物體。系統(tǒng)雙目攝像頭固定安裝在起重機(jī)吊臂上，安裝時(shí)兩攝像頭光軸平面與水平面垂直。在被補(bǔ)給船上的貨物著落點(diǎn)附近放置特征物體，利用雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量的辦法即可檢測(cè)出攝像頭與特征物體之間的相對(duì)位置，從而得出相對(duì)高度。為了便于圖像處理，系統(tǒng)采用的特征物體是一圓形色塊。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 基于機(jī)器視覺(jué)的船舶升沉檢測(cè)方法

3.1 船舶升沉雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量機(jī)理

船舶升沉雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量原理如圖2所示，設(shè)左攝像頭O-xyz位于世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)且無(wú)旋轉(zhuǎn)，圖像坐標(biāo)系為Ol-XlYl,，有效焦距為fl；右攝像頭坐標(biāo)為Or-xryrzr,圖像坐標(biāo)系為Or-XrYr,，有效焦距為fr。

對(duì)于船舶升沉過(guò)程同一特征點(diǎn)P，在左右兩攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)分別為Pl=(Xl,Yl)、Pr=(Xr,Yr)

圖2 雙目立體視覺(jué)測(cè)量中空間點(diǎn)三維重建

則空間P點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以表示為

其中，O-xyz坐標(biāo)系與Or-xryrzr坐標(biāo)系之間的空間轉(zhuǎn)換矩陣為Mlr，

R，T分別為O-xyz坐標(biāo)系與Or-xryrzr坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和原點(diǎn)的平移變換矢量。標(biāo)定R、T參數(shù)，即可根據(jù)圖像處理的輸出結(jié)果求出 P的實(shí)際坐標(biāo)位置[5]。本檢測(cè)系統(tǒng)安裝左右兩攝像機(jī)時(shí)，因兩攝像機(jī)光軸相交，且構(gòu)成的平面與兩攝像機(jī)圖像平面垂直，Or-XrYr,系在與 O-xyz系重合的基礎(chǔ)上繞 y軸旋轉(zhuǎn) θ角度并在xz平面上平移到（tx,tz），若旋轉(zhuǎn)矩陣用歐拉角表示[6]，則可得到如下R和T。

3.2 船舶升沉圖像處理

圖3 獲取的原圖

在雙目測(cè)距系統(tǒng)中，圖像處理是關(guān)鍵，本系統(tǒng)中圖像處理的辦法如下：雙目攝像頭獲取圖像后（見(jiàn)圖3），為使目標(biāo)特征色塊突出，先對(duì)圖像進(jìn)行針對(duì)特征顏色的色彩增強(qiáng)處理，盡量拉大圖像色素值的差距。同時(shí)，為使后續(xù)圖像處理節(jié)約時(shí)間和空間，把彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再二值化，效果如圖4所示。接著對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，去掉離散的孤點(diǎn)，修補(bǔ)目標(biāo)內(nèi)部的一些空白點(diǎn)[7]，效果如圖5所示。最后在MATLAB中利用區(qū)域描繪子區(qū)域的質(zhì)心求法[8]，即函數(shù) regionprops(L,’Centroid’)，L 為圖像矩陣，Centroid是各色塊質(zhì)心的 X、Y坐標(biāo)向量，由此求得各區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)。根據(jù)特征色塊面積最大特點(diǎn)，可得到目標(biāo)特征色塊點(diǎn)在左右兩個(gè)平面圖像中的坐標(biāo)Pl=(Xl,Yl)、Pr=(Xr,Yr)。將 Xl、Yl、Xr、Yr代入經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的雙目測(cè)距公式（2），便可得到目標(biāo)點(diǎn)在空間的坐標(biāo)（X，Y，Z），從而得到直接反映了補(bǔ)給船（或岸基）與被補(bǔ)給船的相對(duì)垂直距離Z，即船舶的升沉量。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6所示。

圖4 色彩增強(qiáng)與二值化結(jié)果

圖5 去孤立點(diǎn)濾波結(jié)果

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 應(yīng)用試驗(yàn)

依據(jù)上述方法，先對(duì)本文所用的系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)，將特征色塊放在實(shí)驗(yàn)船舶中不同方位（即空間坐標(biāo)X、Y）、不同距離（即空間坐標(biāo)Z），獲取特征點(diǎn)在左右攝像機(jī)攝取的圖像坐標(biāo)Pl(Xl,Yl)、Pr(Xr,Yr)后，利用MATLAB進(jìn)行處理，即可計(jì)算出特征點(diǎn)到攝像頭的垂直距離Z，如下表1所示。

表1 雙目測(cè)距試驗(yàn)數(shù)據(jù)

應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以得到比較滿意的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

由2個(gè)攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)組成的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量傳感器是一種非接觸式、測(cè)量快速的傳感器，在一定的范圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精度。這種基于機(jī)器視覺(jué)的船舶升沉檢測(cè)方法安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，在民用起重作業(yè)的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)中，它既可以代替更優(yōu)于其他測(cè)量辦法，為波浪補(bǔ)償系統(tǒng)提供船舶升沉量的數(shù)據(jù)，滿足安全作業(yè)的要求。

[1] Wang Fan,Jin Hongzhang.Design a mini-type marine attitude measurement system for self-propelled model trials[J].Measurement: Journal of the International Measurement Confederation,2009,42(6): 954-962

[2] 郭發(fā)濱,張衛(wèi)紅.姿態(tài)傳感器在水深測(cè)量中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪,2004,24(4):56-58

[3] 羅忠輝,吳百海,龍建軍等.一種新型深海采礦船升沉信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003,(9): 20-22

[4] 徐小軍,何平,陳循,等.基于DSP的主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(1):110-114

[5] 張廣軍.視覺(jué)測(cè)量[M].北京:科學(xué)出版社,2008:135-136

[6] 張瑞森,劉冀偉.基于雙目機(jī)器人的實(shí)時(shí)測(cè)距與追蹤系統(tǒng)[J].電子器件,2007,30(5):1619-1620

[7] 張錚,黃艷平,薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)[M]. 北京:人民郵電出版社,2010-04:156-158

[8] 張錚,黃艷平,薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)[M].北京:人民郵電出版社,2010-04:381-382