深水鋪管海域涌浪譜峰周期測試技術(shù)研究

陳榮旗，雷震名*，孫國民，王志勇，劉 鵬

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津大學(xué)，天津 300072)

受惡劣海況、復(fù)雜地質(zhì)等環(huán)境因素影響，深水海底管道鋪設(shè)面臨施工作業(yè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題。深水海底管道鋪設(shè)過程中，由于管道懸鏈線長度大、鋪管船上焊接操作要求高，對鋪管船在海洋波流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)提出了極高的要求。深水海底管道鋪設(shè)中長周期涌浪頻率低且與深水鋪管工程船振動(dòng)頻率接近，易引發(fā)結(jié)構(gòu)物與海上涌浪的耦合共振，帶來嚴(yán)重的工程風(fēng)險(xiǎn)，甚至引起海上工程事故[1]。

當(dāng)前的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中，對于風(fēng)浪、海流的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但對于傳播距離長、低頻分量占主導(dǎo)、衰減慢的長周期涌浪預(yù)報(bào)較少，缺乏現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)[2-3]。在我國某海域的深水海洋油氣開發(fā)中，海底管道鋪設(shè)長期受到海上涌浪的影響，鋪管船長時(shí)間在海上待機(jī)，鋪管作業(yè)效率低[4]。研究并克服涌浪對深水鋪管作業(yè)的影響成為一項(xiàng)亟待攻克的重大難題。

國內(nèi)外工程界通常采用接觸式測波儀進(jìn)行現(xiàn)場波浪測試。根據(jù)原理的不同，接觸式測波儀可分為光學(xué)、聲學(xué)、電測學(xué)、力學(xué)四類；而根據(jù)測波儀安裝位置，又可分為水面測波儀、水下測波儀兩類[5]。近年來，采用非接觸式方法[6-7]進(jìn)行涌浪現(xiàn)場測試，已成為國內(nèi)外學(xué)界及業(yè)界研究熱點(diǎn)[8-10]。

本文提出了一種基于雙目立體視覺原理的海上長周期涌浪譜峰周期現(xiàn)場測試方法，通過進(jìn)行我國某深水海域鋪管現(xiàn)場海上涌浪譜峰周期測試研究，為涌浪譜峰周期監(jiān)測提供了一種新的方法與借鑒。

1 基于雙目立體視覺原理的非接觸式測量方法

1.1 雙目立體視覺原理

雙目立體視覺是基于視差原理，采用攝像機(jī)等成像設(shè)備，從不同位置獲得兩幅成像圖片，通過仿生學(xué)原理、光學(xué)三角原理，計(jì)算圖像對應(yīng)的位置，從而獲取三維信息的方法?；陔p目立體視覺原理的測量方法在計(jì)算機(jī)視覺、工程測算、工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。雙目立體視覺主要分為平行式雙目立體視覺、交匯式雙目立體視覺兩類。

圖1 平行式雙目立體視覺成像原理示意圖Fig.1 Principle diagram of parallel binocular stereo vision

平行式雙目立體視覺成像原理如圖1所示，根據(jù)幾何關(guān)系、以及左右相機(jī)圖像特征點(diǎn)匹配情況，計(jì)算出視差，即可得出該點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)。這種方法模型簡單，計(jì)算方便。

交匯式雙目立體視覺成像原理如圖2所示，兩臺(tái)攝像機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)的連線成一定的角度。根據(jù)攝像機(jī)的投影映射關(guān)系、投影線角度以及幾何關(guān)系，可確定出目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。投影映射關(guān)系、投影線的角度分別由攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)來確定。

圖2 交匯式雙目立體視覺成像原理示意圖Fig.2 Principle diagram of convergent binocular stereo vision

1.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法

數(shù)字圖像相關(guān)方法是基于視覺技術(shù)分析的一種圖像測量方法，又稱為數(shù)字散斑相關(guān)法。通過圖像處理、識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的形狀、變形和運(yùn)動(dòng)測量。通過采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，對同一時(shí)刻形成的參照圖像和匹配圖像進(jìn)行分析，在參照圖像和匹配圖像中劃定的子區(qū)范圍內(nèi)，搜索灰度值相似程度最高的子區(qū)，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)匹配，計(jì)算出特征點(diǎn)位移和變形量。兩塊子區(qū)的相似程度用相關(guān)函數(shù)C(P)來定義。相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為

式中：f(x,y)為參照圖像灰度分布，g(x,y)為匹配圖像灰度分布。如圖3所示，(x0,y0)為參照圖像中特征點(diǎn)子區(qū)的中心坐標(biāo)，右側(cè)圖像為匹配圖像子區(qū)，方程中‖·‖代表二階范數(shù)運(yùn)算。上式中x(P) 、y(P)可用位移形函數(shù)表示，常用的位移形函數(shù)分為零階、一階、二階三種。對函數(shù)C(P)取極值，通過計(jì)算，可得出x(P)，y(P)，即來自不同相機(jī)的兩幅圖中相似度最高的子區(qū)，可認(rèn)為是同一點(diǎn)出現(xiàn)在兩臺(tái)相機(jī)視野中，在完成相機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，可根據(jù)求得的位移型函數(shù)x(P)，y(P)，計(jì)算出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖3 變形前后參照圖像與匹配圖像的子區(qū)對比Fig.3 Contrast between the reference image sub-area and the matching image subarea after the deformation

1.3 標(biāo)定方法

利用雙目立體視覺原理進(jìn)行物體的空間位置、形貌測量時(shí)，需用到相機(jī)內(nèi)外參數(shù)。相機(jī)內(nèi)外參數(shù)通過相機(jī)標(biāo)定算法得到。目前，通常使用棋盤格圖像進(jìn)行相機(jī)參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)志物的大小尺寸與被測物體的大小比例應(yīng)保持在一定尺度范圍內(nèi)。采用與被測物尺度相差太大的標(biāo)志物進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定參數(shù)誤差較大，易導(dǎo)致實(shí)際測量誤差大。由于本次測量對象的尺寸較大，不適合利用標(biāo)定棋盤作為標(biāo)志物，本文采用監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)做標(biāo)志物的相機(jī)標(biāo)定方法。

相機(jī)標(biāo)定結(jié)果包括內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)，內(nèi)參數(shù)指的是相機(jī)以及鏡頭的相關(guān)參數(shù)，而外參數(shù)則指的是兩個(gè)相機(jī)之間的相對位置關(guān)系。在本文中，相機(jī)標(biāo)定分兩步進(jìn)行，第一步是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定；第二步是在海上現(xiàn)場根據(jù)框架結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行外參數(shù)標(biāo)定。

1.4 基于傅里葉變換的數(shù)字圖像處理

在現(xiàn)場涌浪測試過程中，以監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)為標(biāo)志物，漂浮在水面上的PVC框架結(jié)構(gòu)及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)隨波浪傳播而上下起伏，從而為測試提供標(biāo)尺參照。

圖4 棋盤內(nèi)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果及監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場外參數(shù)標(biāo)定Fig.4 Internal and external parameter calibration

對于采集的圖像，不同波面對光的反射及散射情況不同，將所測圖像中海域涌浪波面質(zhì)點(diǎn)的灰度作為變量，該變量隨著時(shí)間及涌浪傳播呈現(xiàn)周期性變化，對現(xiàn)場采集的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波除噪，并通過窗函數(shù)處理，得到圖像的灰度分布。經(jīng)傅里葉變換處理后，得到瞬時(shí)頻譜數(shù)據(jù)，通過時(shí)間累計(jì)，可得出沿時(shí)間進(jìn)程的頻率分布關(guān)系。而對圖像的頻率分布關(guān)系進(jìn)行傅里葉逆變換，則得出圖像中的灰度分布關(guān)系。

傅里葉頻譜圖中某一點(diǎn)與鄰域點(diǎn)灰度差異的強(qiáng)弱，代表該處梯度的大小，暨頻率的大小。其中，低頻部分指低梯度的點(diǎn)，高頻部分為高梯度點(diǎn)。通過觀察傅里葉變換后的頻譜圖，可以得出圖像的能量分布。如果頻譜圖中暗點(diǎn)數(shù)更多，則實(shí)際圖像較柔和，梯度相對較??；反之，如果頻譜圖中亮點(diǎn)數(shù)多，則實(shí)際圖像更尖銳，邊界分明且灰度差異大。圖像經(jīng)過二維傅里葉變換后，若變換矩陣原點(diǎn)設(shè)在中心，其頻譜能量集中分布在變換系數(shù)矩陣中心附近。若所用的二維傅里葉變換矩陣原點(diǎn)設(shè)在左上角，則圖像信號(hào)能量將集中在系數(shù)矩陣的4個(gè)角。

2 海上涌浪譜峰周期測試裝置及現(xiàn)場測試

2.1 主要測試裝置及儀器設(shè)備

主要測試裝備有高速攝像機(jī)、鏡頭、路由器、高性能計(jì)算機(jī)等。攝像機(jī)是本次測試最重要的儀器設(shè)備，其型號(hào)為Basler acA2040-25gm GigE，配有 CMOSIS CMV4000 CMOS 感光芯片，400萬像素分辨率，主要參數(shù)如表1所示。

表1 攝像機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the camera

本文測試基于雙目立體視覺原理，需要兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作，采用路由器將兩路相機(jī)信號(hào)合并為一路傳入計(jì)算機(jī)中，采樣頻率為20 fps以上，對路由器的傳輸速率要求較高。

同時(shí)，為了驗(yàn)證本文基于雙目立體視覺原理的非接觸式涌浪譜峰周期測試方法及精度，本次測試同步采用浮標(biāo)同步觀測的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測驗(yàn)證。所用的浮標(biāo)為波浪騎士浮標(biāo)，有效波高分辨率達(dá)0.01 m，波向分辨率1.4°，實(shí)測范圍0°～360°。

2.2 現(xiàn)場測試

基于以上測試方法，在我國某海域進(jìn)行長周期涌浪譜峰周期海上現(xiàn)場測試驗(yàn)證。

(1)標(biāo)志物。

采用的標(biāo)志物為監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)，長、寬各2 m，采用管直徑10 cm的PVC管鉸接而成。監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)尾部設(shè)置一長5 m的綁扎帶，綁扎帶上每間隔1 m設(shè)置一個(gè)橘色浮球。PVC框架結(jié)構(gòu)(包括尾部綁扎帶及浮球)作為現(xiàn)場監(jiān)測的標(biāo)志物使用。

(2)相機(jī)外參數(shù)標(biāo)定。

每一臺(tái)相機(jī)需確定的外參數(shù)共有6個(gè)，這6個(gè)參數(shù)具體包括相機(jī)光心在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(記為cx，cy，cz)，以及相機(jī)的3個(gè)坐標(biāo)軸相對于大地坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度(記為ψ，θ，φ)。本實(shí)驗(yàn)中有左右兩個(gè)相機(jī)，共有12個(gè)外參數(shù)需要確定。

將左、右兩臺(tái)攝像機(jī)設(shè)置于該海域鋪管現(xiàn)場附近某海上固定式鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)生活樓甲板處，通過相機(jī)支撐架進(jìn)行固定。鑒于該固定式鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式、尺度及剛度，以及海洋環(huán)境條件，平臺(tái)的細(xì)微變形及位移可忽略不計(jì)，暨左、右兩臺(tái)攝像機(jī)與大地坐標(biāo)系處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。以平臺(tái)為參照，通過測量，將左相機(jī)坐標(biāo)系作為大地坐標(biāo)系，右相機(jī)相對于左相機(jī)的位置測量結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)定參數(shù)Tab.2 Calibration parameters

(3)數(shù)據(jù)采集。

由兩架CCD攝像機(jī)、傳輸系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)組成海上涌浪譜峰周期測試系統(tǒng)，在我國某海域進(jìn)行現(xiàn)場測試，采集頻率為0.2 Hz，單次連續(xù)測試采集時(shí)長100 s。考慮到涌浪方向及海上結(jié)構(gòu)物的繞流影響，全天測試分布在1、2、3、4四個(gè)方位進(jìn)行。各測試點(diǎn)位的位置關(guān)系如下，其中左相機(jī)坐標(biāo)系為真實(shí)的大地坐標(biāo)系，平移量為右相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)相對于左相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)分別沿x-y-z軸移動(dòng)的距離，旋轉(zhuǎn)向量為分別繞x-y-z軸旋轉(zhuǎn)的角度。

圖5 我國某海域涌浪譜峰周期海上測試Fig.5 Spectrum peak period test of swells in one sea area of China

表3 相機(jī)外參數(shù)樣表Tab.3 External parameters sample of camera

通過實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并同步采用自編程序進(jìn)行基于傅里葉變換的數(shù)據(jù)后處理，實(shí)現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)實(shí)時(shí)輸出，結(jié)果輸出相較于數(shù)據(jù)采集延時(shí)不超過10 min。

(4)數(shù)據(jù)處理。

在采集的數(shù)據(jù)圖像中取n個(gè)子區(qū)(圖5)，通過采用1.4節(jié)的分析方法對子區(qū)的平均灰度值隨時(shí)間、涌浪傳播的變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖6為某子區(qū)內(nèi)部灰度平均值與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，涌浪波面間亮度差異明顯，灰度-時(shí)間曲線可反映出涌浪的周期性規(guī)律，但由于風(fēng)、風(fēng)浪及其他因素影響，難以通過灰度-時(shí)間曲線直接計(jì)算出涌浪周期。通過對“灰度-時(shí)間”曲線傅里葉變換可得到“能量-頻率”曲線，“能量-頻率”曲線中的能量最大值即為涌浪能量，該最大點(diǎn)值對應(yīng)的頻率就是涌浪特征頻率，特征頻率取倒數(shù)即可得到涌浪譜峰周期。

圖6 灰度(無量綱)-時(shí)間、能量(無量綱)-頻率關(guān)系Fig.6 Grayscale-Time & Energy-Frequency graph

以上方法可測試出局部區(qū)域的涌浪譜峰周期特征值，為了使測試結(jié)果更貼近海域?qū)嶋H特征，采用多區(qū)域同步檢測與多時(shí)段檢測的措施，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得出精確的海域涌浪譜峰周期測試結(jié)果。

3 測試結(jié)果

經(jīng)過在我國某海域的鋪管現(xiàn)場海上涌浪譜峰周期的測試，并根據(jù)雙目立體視覺原理、基于傅里葉變換的數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析得到了實(shí)測涌浪平均譜峰周期，結(jié)果如圖7、圖8及表4所示。

圖7 我國某海域8月18日16:00時(shí)涌浪周期實(shí)測灰度(無量綱)-時(shí)間曲線Fig.7 Test result of Grayscale-Time for swells in the sea-area at 16:00 on August 18th圖8 我國某海域8月18日16:00時(shí)涌浪周期實(shí)測能量(無量綱)-頻率曲線Fig.8 Test result of Energy-Frequency for swells in the sea-area at 16:00 on August 18th

表4 測試結(jié)果樣表Tab.4 Test results sample

圖9 雙目立體視覺法測試值與浮標(biāo)測試值的對比曲線Fig.9 Comparison curve of swells test results between convergent binocular stereo vision method and buoy test method

通過將基于雙目立體視覺原理的海上涌浪譜峰周期測試結(jié)果與浮標(biāo)同步測試結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證(圖9)，整體誤差率2.07%，兩種測試結(jié)果一致，得到了相互驗(yàn)證，證明了本文基于雙目立體視覺原理的海上涌浪譜峰周期測試方法的正確可行。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于雙目立體視覺原理的海上長周期涌浪譜峰周期現(xiàn)場測試方法，并在我國某深水海域鋪管現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)了海上涌浪譜峰周期現(xiàn)場測試及驗(yàn)證，為今后深水海底管道海上涌浪監(jiān)測提供了新的方法與借鑒。