基于海量點云的船舶型線快速確定方法研究

楊榮淇 胡敏捷

（1.同濟大學，上海200092；2.上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

船舶型線一直是船舶工程領域最為重要的技術指標，該指標決定著船舶實際裝載重量的極限值和船體在水面航行時的受力情況。長期以來，船舶型線都是由前期設計人員根據(jù)船舶預期設計要求和經(jīng)驗數(shù)值繪制，再制作等比例的船舶模型，在試驗水池進行實測試驗，然后再優(yōu)化型線，最終得到符合技術要求的船舶型線，交由詳細設計人員進行后期設計。

隨著我國經(jīng)濟實力不斷增強，國際形勢越發(fā)復雜多變，現(xiàn)階段我國正在大力發(fā)展提高海洋裝備的自主研制能力，船舶型線的優(yōu)化設計就成為了一道重要的技術門檻。在面對型線優(yōu)化或逆向設計的工程需求時，設計人員嘗試通過測量的方法獲取一些優(yōu)秀船型的型線數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型或三維數(shù)字模型，在模型的基礎上再進行優(yōu)化設計。但是由于船舶型線尺度大，曲率變化復雜，測量現(xiàn)場環(huán)境條件有限，使用傳統(tǒng)的單點測量方法獲取的數(shù)據(jù)很難完整描述整艘船舶的型線形狀和尺度，因此這方面的技術應用一直停留在有限離散點擬合的水平，多年來沒有出現(xiàn)成熟有效的技術研究成果。

近年來，三維激光掃描測量技術的應用研究發(fā)展較為迅速。它具有高精度、全自動、非接觸性、掃描速度快、獲取信息量大等優(yōu)點，為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段。三維激光掃描測量技術自出現(xiàn)起就在工程測量領域引起了極大的關注，主要原因是這種技術突破了以往的被動和單點測量方式，直接通過發(fā)射線束激光，結合自帶電動機驅動測量系統(tǒng)在水平度盤上快速旋轉，在較短的時間內即可完成360°視角范圍內空間物體的位置信息采集。因此在大尺寸測量領域，這種技術得到了快速的發(fā)展和應用。三維激光掃描測量技術能夠快速獲取物體三維模型，并將傳統(tǒng)的單點測量方式轉變?yōu)槊骊囘B續(xù)數(shù)據(jù)的自動獲取方式，可完成復雜環(huán)境的掃描測量工作。由于其采用非接觸式測量方法，能夠快速獲取復雜物體表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)即點云，通過實時獲得激光脈沖接觸被測物體表面后返回接收的特征點三維坐標信息，再配合軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，快速重構出物體的三維數(shù)字模型。

本文基于三維激光掃描測量技術，旨在通過該技術在船舶建造領域的應用研究，解決船舶型線的準確測量和快速確定問題。在測量技術領域，三維激光掃描技術可以利用激光快速對物體空間外形和結構進行逐點掃描，從而獲取物體表面上億萬個點的空間坐標和顏色信息，再通過計算機進行高精度的三維逆向建模，最終從復雜實體或實景中重建目標的全景三維數(shù)據(jù)及模型。該技術可以較好地應用于船舶型線測量工作，根據(jù)實測數(shù)據(jù)生成的三維數(shù)據(jù)模型還可以直接轉化為設計圖，實現(xiàn)測量與設計的無縫對接。

1 系統(tǒng)原理及構成

船舶型線測量系統(tǒng)是以地面三維激光掃描設備為基礎，對船舶外形進行激光掃描獲取三維點云，并進行測量數(shù)據(jù)的處理，通過軟件開發(fā)實現(xiàn)的集成應用系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)的基本原理如下：

通過相位式地面三維激光掃描儀獲取船舶外形的三維點云數(shù)據(jù)；針對原始三維點云數(shù)據(jù)進行配準、去噪、壓縮等處理，獲得完整的船舶外型的三維數(shù)據(jù)；再對船舶外形三維數(shù)據(jù)進行擬合計算，最終得到船舶型線數(shù)據(jù)。

船舶型線測量系統(tǒng)分為船舶三維數(shù)據(jù)獲取設備和船舶三維數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。具體構成如下：

1）船舶三維數(shù)據(jù)獲取設備為三維激光掃描儀。該設備擁有較小的尺寸以及合適的掃描測量范圍，可以滿足戶外應用，經(jīng)測試，即使在空間狹小的工作環(huán)境下，也能順利獲取掃描數(shù)據(jù)，比較適用于船舶外型測量的復雜環(huán)境。同時，該儀器還配備了補償工具，進一步保證了數(shù)據(jù)質量的最優(yōu)化。集成于儀器頂部的衛(wèi)星定位接收器能夠進行自定位，廣角成像功能可以獲取高清分辨率的實景照片，為細節(jié)逼真的掃描結果和較高的數(shù)據(jù)質量提供了支撐。經(jīng)測試，該設備的距離測量精度為：±2 mm，測距范圍為：0.6～130 m，可以滿足船舶外型三維數(shù)據(jù)的測量技術要求。

2）數(shù)據(jù)處理軟件主要由點云數(shù)據(jù)預處理模塊和型線計算模塊構成。點云數(shù)據(jù)預處理模塊包括基本的點云數(shù)據(jù)的配準，點云數(shù)據(jù)的去噪，點云數(shù)據(jù)的壓縮，點云數(shù)據(jù)的插補等內容。其作用是完成原始點云數(shù)據(jù)的預處理過程，為后續(xù)模型建立提供數(shù)據(jù)基礎。型線計算模塊是在完整的船舶三維點云數(shù)據(jù)基礎上，進行型線截面參數(shù)的設定和區(qū)域劃分，通過對三維點云數(shù)據(jù)的分析計算，得到相對應的船舶型線。

2 全局控制網(wǎng)建立和點云數(shù)據(jù)配準

為了把各個測站的點云數(shù)據(jù)連接起來，形成一個有機的整體，需要先對船體進行控制測量，將全部測量數(shù)據(jù)都納入到同一個船舶坐標系內。這樣既能提高測量精度，也能方便后期進行數(shù)據(jù)處理。在獲取船舶的點云數(shù)據(jù)時，由于受到掃描視場角、物體形狀大小及物體間相互遮擋等情況的影響，通常情況下，每一測站掃描只能獲取部分點云，并且每站的點云數(shù)據(jù)都處于當前測量狀態(tài)時儀器坐標系下。為了獲取完整的船舶點云數(shù)據(jù)，需要從不同視點對物體進行掃描，這就存在如何將多個掃描儀坐標系下的點云數(shù)據(jù)轉換至統(tǒng)一坐標系的問題，即點云數(shù)據(jù)的配準。另一方面，使用三維激光掃描儀進行多站掃描，往往因為誤差的累積，會造成較大的誤差。因此，需要通過聯(lián)合其他外業(yè)測量手段，以達到提高三維激光掃描整體精度的目的。

為了將多測站的數(shù)據(jù)在掃描完成后統(tǒng)一在同一個船舶坐標系內，還需要對船體進行控制測量。掃描工作之前完成控制網(wǎng)的布設工作，主要根據(jù)以下兩條原則在艦船周圍布設控制網(wǎng)：

1）控制點的布設要保證每一控制點和至少兩個控制點通視；

2）控制點通視區(qū)域應盡可能包括所有掃描區(qū)域。

導線控制網(wǎng)的布設如圖1所示。

圖1 導線控制網(wǎng)布設示意

為了布設高精度的控制網(wǎng)，獲取高精度的控制點坐標，將控制測量分為平面控制測量和高程控制測量，分別進行測量與平差計算。平面控制測量采用全站儀，從首個測量點開始逆時針測量。測出每條邊的長度及每個控制點上的轉折角，通過控制網(wǎng)平差得到各控制點坐標。高程控制測量采用高精度電子水準儀進行。

點云配準是將兩個或兩個以上坐標系中的大容量三維點云數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中的數(shù)學計算過程。利用同名點對在全局坐標系和掃描儀坐標系下的坐標，解算旋轉參數(shù)和平移參數(shù)，實現(xiàn)掃描儀坐標系下的點云數(shù)據(jù)到地面測量坐標系的轉換，將所有掃描的點云數(shù)據(jù)拼接到統(tǒng)一的坐標系下。常用的方法有六參數(shù)法、四元數(shù)法、ICP法等。本文采用自主研發(fā)的掃描儀定位基座實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的配準。

3 海量點云的數(shù)據(jù)處理

完整的數(shù)據(jù)管理體系包含數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理兩個組成部分，因此獲取數(shù)據(jù)之后，還必須實施有效的數(shù)據(jù)管理。從激光掃描儀獲取的研究對象為海量的高密度點云信息，通常是散亂無序的，這對于后續(xù)點云數(shù)據(jù)的處理與管理都是非常不利的。因此，只有找到海量點云之間的幾何拓撲與鄰域關系，建立高效的數(shù)據(jù)存儲檢索排序流程，使點云數(shù)據(jù)拓撲化、有序化，構建點云幾何信息與屬性信息一體化的空間管理數(shù)據(jù)庫，才能有效地對點云數(shù)據(jù)進行管理，開展后續(xù)的研究工作。研究基于地面三維激光掃描技術海量空間數(shù)據(jù)的有效存儲、管理和檢索等是三維測量技術領域的熱點和難點，如何將這些數(shù)據(jù)集成在一個平臺內，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效清晰的管理以方便后續(xù)的應用研究及歸檔等，對三維激光掃描技術的發(fā)展及其在各專業(yè)領域的廣泛應用具有十分重要的意義。船舶外表面點云處理的流程如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)獲取的船體點云數(shù)據(jù)，進行型線及性質的計算。其數(shù)據(jù)處理過程主要包括數(shù)據(jù)預處理、船體三維模型重建和型線確定3個過程。

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是對原始船體三維點云進行處理，得到實際計算可用的點云三維數(shù)字模型，主要包括點云配準、點云去噪、空洞修補以及點云壓縮等過程，見圖 3～5。

圖3 點云數(shù)據(jù)配準

圖4 去噪點云初始模型

圖5 點云空洞修補

3.2 船體三維模型重建

基于掃描點云的三維結構信息智能提取首先聯(lián)合激光點云的多維屬性特征，將掃描的點云數(shù)據(jù)分割為各個船體面以及不同構件的聚類數(shù)據(jù)。然后，對于各分割區(qū)域通過提取邊界輪廓、形狀信息、面積、拓撲等特征描述信息，通過先驗約束實現(xiàn)提取、描述一體化的智能化目標分類識別。

利用三角網(wǎng)格對點云進行面片構造。三角網(wǎng)格模型作為一種空間點集拓撲連接關系的直接表述方式，其性能比四邊形網(wǎng)格更為穩(wěn)定，更能靈活反映實際曲面復雜的形狀，對復雜邊界也能很好地表達，適

用于任意分布的散亂數(shù)據(jù)點集，是進一步數(shù)據(jù)后處

理如曲面修復和曲面重構的基礎。

3.3 型線確定

傳統(tǒng)的船舶型線的測量方法由于采集點位密度不高，使得型值測量的準確性和可靠性不高。激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取效率高，數(shù)據(jù)量大，點位密集，精度較高，是實現(xiàn)艦船排水量和型線測量的最佳方法。本文采用船舶點云切片分層的方法確定網(wǎng)格型線，并通過對船舶的總體點云切片分層，基于形態(tài)學對每層點云邊界進行細化，然后使用均勻三次b樣條曲線來擬合邊界線，自動計算船體曲面的型值，生成船舶型線，見圖6。

圖6 船體型線生成

4 試驗結果與分析

實例中，船體點云切片厚度選定為5 cm，通過計算橫截面的面積，再利用累積積分法計算型值。為了評價其計算精度，利用靜水力曲線獲取對應高度的排水量，并以此作為參考值，對算法的結果進行精度評價，型值計算見圖7。

圖7 船舶型值計算

通過軟件對測量數(shù)據(jù)進行計算，對采用激光雷達建立的數(shù)據(jù)模型進行選擇量取，得到兩組船舶型線數(shù)據(jù)，進行對比。因為線條比較不好量化，特將型線轉化為點集，選取關鍵位置點進行比較，比較結果見表1。

利用本文自主開發(fā)的軟件計算排水量計算結果與壓載試驗靜水力曲線結果比較見表2。

通過試驗結果驗證，實例中采用的掃描儀的點位精度為2.17 mm，點云配準精度為2.5 mm，從而計算出橫截面面積的相對精度為1.4×10-4，最終排水量的相對精度為3.5×10-4，相對擴展不確定度為0.7×10-3（k=2）。

表1 型線測量比較結果

表2 排水量計算結果比較

5 結語

本文介紹的研究成果具有作業(yè)自動化、智能化、高效率、非接觸、適應面廣等特點和綜合優(yōu)勢，可以快速準確地采集船體的海量三維坐標，并據(jù)此進行高密度的擬合計算，從而得到船舶的型線和排水量數(shù)據(jù)，并在真實環(huán)境下進行了系統(tǒng)驗證。