多尺度信息融合的船舶外板檢測(cè)三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法

劉玉奇，黃博曉，李 占，王英華

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 船舶質(zhì)量與可靠性研究中心，北京 100081)

0 引言

船舶建造領(lǐng)域船體外形、殼體、艙形的三維數(shù)字化測(cè)量對(duì)提高裝備制造精度和效率具有重要意義[1-3]。船舶外板的數(shù)字化檢測(cè)是船體加工制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其檢測(cè)效率、檢測(cè)成本和檢測(cè)精度直接影響船舶建造質(zhì)量與可靠性水平。

標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別是數(shù)字化檢測(cè)中常用的被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取方法[4-5]。通過(guò)識(shí)別三維標(biāo)志點(diǎn)的空間坐標(biāo)獲取被測(cè)空間點(diǎn)的位置信息，可用于三維場(chǎng)景匹配或測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，有效實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)化測(cè)量。船舶外板的數(shù)字化檢測(cè)需要將外板實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，而二者坐標(biāo)系不統(tǒng)一，因此需要借助實(shí)測(cè)外板點(diǎn)云部分坐標(biāo)點(diǎn)的位置信息與模型點(diǎn)云進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)外板成形精度的測(cè)量。

目前國(guó)內(nèi)外在標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域已有諸多研究成果。國(guó)外在靶標(biāo)識(shí)別方面具有較高的技術(shù)積累，如徠卡、高幕等公司的三維測(cè)量設(shè)備具有較好的靶標(biāo)識(shí)別性能，并長(zhǎng)期應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景[6-8]。國(guó)內(nèi)有學(xué)者采用編碼標(biāo)志點(diǎn)獲取測(cè)量物體的位置，從而通過(guò)匹配點(diǎn)集實(shí)現(xiàn)自由曲面的高精度拼接[9]。王曼等人開(kāi)展了基于形態(tài)學(xué)的編碼標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別，通過(guò)圖像形態(tài)學(xué)運(yùn)算提取標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域邊界，然后利用標(biāo)志點(diǎn)特征準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)，但當(dāng)背景較復(fù)雜時(shí)識(shí)別效果不佳[10]。鄭守住等人通過(guò)訓(xùn)練特征模型，并利用算子和邊緣檢測(cè)算法提取圓形標(biāo)志點(diǎn)，最后擬合獲取標(biāo)志點(diǎn)中心位置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、快速識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)并提取中心坐標(biāo)[11]。李洋等人研究了一種適用于復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的靶標(biāo)檢測(cè)方法，通過(guò)圖像處理進(jìn)行邊緣和弧段分割篩選，然后借助弧段匹配和邊緣弧段聚類(lèi)提取靶標(biāo)特征，最后利用擬合方法進(jìn)行去偽實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)的快速搜索和識(shí)別[12]。阮利鋒等人提出一種基于雙目視覺(jué)的三維目標(biāo)識(shí)別方法，通過(guò)二值化處理，對(duì)原始圖像進(jìn)行分割，然后利用目標(biāo)灰度與背景灰度之間的差異設(shè)定灰度閾值提取標(biāo)志物，最后通過(guò)邊界搜索和判別有效識(shí)別和定位標(biāo)志點(diǎn)[13]。曾接賢等人為解決戶(hù)外測(cè)量時(shí)的標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別問(wèn)題，提出了一種利用標(biāo)志點(diǎn)顏色和大小信息進(jìn)行識(shí)別的方法，通過(guò)二值化處理和形狀篩選、橢圓擬合以及中心定位等計(jì)算有效識(shí)別和定位標(biāo)志點(diǎn)的位置信息，并成功應(yīng)用到戶(hù)外基于圖像的視覺(jué)測(cè)量中[14]。初廣麗等人設(shè)計(jì)了一種線(xiàn)段和圓環(huán)圖案的靶標(biāo)，通過(guò)去噪、邊緣檢測(cè)算法、邊緣特征判別等方法實(shí)現(xiàn)了靶標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別，具有對(duì)噪聲、光照、旋轉(zhuǎn)不敏感的優(yōu)點(diǎn)[15]。

本研究針對(duì)船舶外板數(shù)字化檢測(cè)領(lǐng)域的三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別問(wèn)題開(kāi)展研究，首先對(duì)三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別影響因素開(kāi)展分析，給出了三維標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)提出了針對(duì)該三維標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別流程，給出了各識(shí)別步驟的方法，同時(shí)對(duì)識(shí)別出的三維標(biāo)志點(diǎn)的中心坐標(biāo)進(jìn)行定位，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別和定位方法的有效性。

1 三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別影響因素分析

光照、成像相對(duì)角度、成像距離等因素對(duì)三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別產(chǎn)生影響，接下來(lái)將對(duì)船舶外板檢測(cè)的三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別各影響因素展開(kāi)分析。

1.1 光照因素影響

室內(nèi)燈光全亮下采集的標(biāo)志點(diǎn)灰度值230以上。關(guān)燈后，灰度值下降。當(dāng)光照度較弱時(shí)，可通過(guò)補(bǔ)光措施，但需均勻補(bǔ)光，避免發(fā)生鏡面反射。

存在自然環(huán)境光干擾下，如斜側(cè)太陽(yáng)光照可導(dǎo)致部分區(qū)域灰度值增大，當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別會(huì)產(chǎn)生影響。

1.2 成像角度

在一定成像角度下可能存在鏡面反射，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生鏡面發(fā)射的區(qū)域灰度值很高甚至達(dá)到最高值。應(yīng)調(diào)整成像的曝光時(shí)間并避免強(qiáng)光直射外板表面，以免影響標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別。

不同的外板具有不同曲率特征，曲率較大時(shí)，通常成像偏轉(zhuǎn)角度較大，采集的標(biāo)志點(diǎn)圖像變形越大，圓形通常表現(xiàn)為橢圓形，且在圖像上標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量降低。經(jīng)試驗(yàn)觀(guān)察，1 m曲率半徑下可以采集到標(biāo)志點(diǎn)中心存在的孔洞特征。0.5 m曲率半徑下，標(biāo)志點(diǎn)尺寸相對(duì)較小且拍攝高度超過(guò)2 m則可能導(dǎo)致邊緣可能會(huì)缺失，且中間的孔洞區(qū)域半徑減小，影響識(shí)別。

1.3 成像距離

成像距離越遠(yuǎn)，標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)尺寸越小，有效點(diǎn)越少。在不同成像距離下，可根據(jù)三維成像的深度信息選取標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的參數(shù)，以適應(yīng)成像尺寸的變化。

2 船舶外板檢測(cè)用三維標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶外板檢測(cè)需要借助三維標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)外板上的某些參考點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位。通過(guò)獲取到參考點(diǎn)的坐標(biāo)為后續(xù)測(cè)量提供位置參考信息。因此需要對(duì)三維標(biāo)志點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備定位船舶外板表面上定位點(diǎn)的功能，且能利用點(diǎn)云和灰度信息進(jìn)行可靠識(shí)別。

2.1 定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了對(duì)外板上某些參考點(diǎn)位置進(jìn)行定位，獲取到該點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)，需要借助定位結(jié)構(gòu)將該參考點(diǎn)位置和三維標(biāo)志點(diǎn)的結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)識(shí)別出三維標(biāo)志點(diǎn)的上表面中心坐標(biāo)位置，確定該參考點(diǎn)的坐標(biāo)位置。圖1表面有3個(gè)三角結(jié)構(gòu)，3個(gè)三角形指向的交叉點(diǎn)為下表面的中心。

圖1 三維標(biāo)志點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 標(biāo)志點(diǎn)外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證標(biāo)志點(diǎn)能夠被穩(wěn)定可靠地識(shí)別和定位，結(jié)合船舶外板的尺寸和表面特征，設(shè)計(jì)了標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 三維標(biāo)志點(diǎn)外形結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)志點(diǎn)的上表面為中空?qǐng)A環(huán)，外圓直徑50 mm。為方便工人手持，側(cè)面設(shè)計(jì)了側(cè)切面，方便抓取。底部外表面尺寸逐漸減小，減少標(biāo)志點(diǎn)下表面與鋼板之間的接觸面積。由于船舶鋼板通常尺寸較大，相對(duì)于標(biāo)志點(diǎn)下表面尺寸，局部曲率變化很小，因此三維標(biāo)志點(diǎn)的下表面為平面。標(biāo)志點(diǎn)高度30 mm。

3 三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方案

三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別主要通過(guò)獲取到的標(biāo)志點(diǎn)灰度和三維結(jié)構(gòu)等多尺度信息對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而得到該結(jié)構(gòu)的位置信息，進(jìn)而得到標(biāo)志點(diǎn)對(duì)應(yīng)定位位置的坐標(biāo)。

首先分析成像視場(chǎng)內(nèi)灰度特征。測(cè)量視場(chǎng)下包含船舶外板、標(biāo)志點(diǎn)和地面等物體信息。船舶外板的灰度值覆蓋范圍廣，由于船舶外板表面的反射率范圍寬，導(dǎo)致成像得到的外板表面的灰度值的取值范圍廣。標(biāo)志點(diǎn)由于表面發(fā)射率高，因此成像得到的灰度值相比周邊的外板表面灰度值高。此外地面通常反射率較低，成像灰度值也較低。因此利用灰度域尺度信息可以對(duì)外板、標(biāo)志點(diǎn)和地面等物體進(jìn)行區(qū)分。

此外，通過(guò)分析視場(chǎng)內(nèi)物體三維尺度特征可知，地面通常為平面或帶有孔洞的平面，鋼板擺放在地面上，鋼板表面曲率變化相對(duì)小，標(biāo)志點(diǎn)擺放在外板表面，突出30 mm高度。由于外板表面的相對(duì)平滑，無(wú)褶皺或凹凸不平結(jié)構(gòu)，因此標(biāo)志點(diǎn)與鋼板表面具有相對(duì)穩(wěn)定的高度差。因此標(biāo)志點(diǎn)與周邊鋼板存在30 mm高度差可作為識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的Z軸空間尺度信息。

標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維成像數(shù)據(jù)具有多個(gè)可識(shí)別特征，如比上表面的三維點(diǎn)云邊界呈圓形或橢圓形，且直徑接近50 mm，可作為XY軸空間尺度信息。利用標(biāo)志點(diǎn)上表面與鋼板的高度差30 mm，結(jié)合標(biāo)志點(diǎn)本身的灰度值相比鋼板表面高，可以將標(biāo)志點(diǎn)從背景環(huán)境中逐步篩選出來(lái)。同時(shí)三維標(biāo)志點(diǎn)的外部結(jié)構(gòu)特征與被測(cè)外板表面參考點(diǎn)的坐標(biāo)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)上表面結(jié)構(gòu)的三維信息，解算出對(duì)應(yīng)外板表面某定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方案主要包含以下步驟：1)點(diǎn)云XYZ數(shù)據(jù)、灰度數(shù)據(jù)、標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸信息；2)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)云進(jìn)行篩選，粗識(shí)別出包含標(biāo)志點(diǎn)的區(qū)域；3)對(duì)粗識(shí)別出的標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行篩選進(jìn)一步定位標(biāo)志點(diǎn)位置；4)借助標(biāo)志點(diǎn)多尺度信息，利用深度圖對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的信息進(jìn)行核驗(yàn)；5)計(jì)算標(biāo)志帶內(nèi)的圓心坐標(biāo)；6)計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)上表面圓心投影到鋼板表面的坐標(biāo)。三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別總體方案如圖3所示。

圖3 三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別總體方案圖

4 三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法

船舶外板形面測(cè)量需要獲取到外板表面的某些點(diǎn)坐標(biāo)，借助設(shè)計(jì)的標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在三維成像視場(chǎng)內(nèi)首先獲取到三維標(biāo)志點(diǎn)的位置信息，然后間接計(jì)算得到外板表面定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)。識(shí)別三維標(biāo)志點(diǎn)采用了多步驟逐步篩選的策略，首先經(jīng)過(guò)粗識(shí)別，剔除一些明顯不滿(mǎn)足標(biāo)志點(diǎn)特征的區(qū)域，然后進(jìn)一步篩選，利用標(biāo)志點(diǎn)的局部灰度特點(diǎn)將更多非標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域去除。然后借助三維尺寸信息，進(jìn)一步篩選出符合所設(shè)計(jì)三維標(biāo)志點(diǎn)結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)特征的進(jìn)一步計(jì)算和識(shí)別，綜合判別出符合標(biāo)志點(diǎn)特征的數(shù)據(jù)。之后計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)的上表面中心坐標(biāo)，然后再利用結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出外板表面定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4.1 標(biāo)志點(diǎn)粗識(shí)別

首先，對(duì)采集的灰度圖進(jìn)行閾值分割，計(jì)算灰度圖灰度均值 H1和大于均值的灰度圖的灰度均值H2。進(jìn)行加權(quán)得到灰度閾值。利用整個(gè)灰度圖中絕大部分的灰度值比標(biāo)志點(diǎn)的灰度值低的特點(diǎn)，粗識(shí)別出帶有標(biāo)志點(diǎn)的區(qū)域。

灰度閾值的選取對(duì)標(biāo)志點(diǎn)粗識(shí)別的效果至關(guān)重要，取值太小會(huì)混入太多非標(biāo)志點(diǎn)，太大可能會(huì)造成標(biāo)志點(diǎn)的丟失。

最佳閾值的選取受環(huán)境光照度、曲率、成像距離的影響。

1)成像距離越遠(yuǎn)，圖像整體灰度值降低，最佳閾值相對(duì)降低。

2)環(huán)境光照度較大時(shí)，整體灰度值最大，最佳閾值相對(duì)增大，環(huán)境光照度較小時(shí)，整體灰度值減小，最佳閾值相對(duì)減小。

3)曲率較大時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域受光照角度影響相對(duì)較小，且成像角度小采集到該區(qū)域的信號(hào)相對(duì)弱，可能會(huì)導(dǎo)致靠近邊緣的點(diǎn)灰度值相對(duì)變小，如果取灰度閾值較小，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)志點(diǎn)靠近邊緣一側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)而使得采集的標(biāo)志點(diǎn)三維尺寸信息存在缺失。

針對(duì)以上影響因素，采用自適應(yīng)調(diào)整灰度閾值的方法，根據(jù)成像距離，整體的灰度值等關(guān)鍵影像參數(shù)的值，計(jì)算灰度分割閾值[16-18]。

經(jīng)過(guò)該步驟處理后，得到了標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域，但仍混雜有其他區(qū)域未被剔除。其他區(qū)域包括：由于光強(qiáng)增大導(dǎo)致灰度值與標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域灰度相近的區(qū)域。

4.2 標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域精確提取

利用局部區(qū)域范圍內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)上表面的灰度值高的特點(diǎn)，將灰度圖分為M*N塊。在每一塊中進(jìn)行灰度閾值分割。各灰度區(qū)塊之間設(shè)置交叉區(qū)域。M和N的取值參考標(biāo)志點(diǎn)的尺寸信息，取值太大或太小均無(wú)法有效利用標(biāo)志點(diǎn)與局部周邊之間的灰度差異特征，從而影響精確提取的效果。

正常光照條件下，基于標(biāo)志點(diǎn)與周邊物體的灰度差，可以將標(biāo)志點(diǎn)提取出，但仍可能有一些區(qū)域未被去除，例如由于鏡面反射導(dǎo)致的高灰度值區(qū)域，由于鏡面區(qū)域與其周邊區(qū)域同樣存在高灰度差，因此該步驟無(wú)法被去除。

4.3 深度圖驗(yàn)證

由于灰度圖只利用了二維的灰度信息，未能將標(biāo)志點(diǎn)與其他物體完全區(qū)分開(kāi)，因此可以利用三維坐標(biāo)信息，對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步篩選。根據(jù)以上灰度分割的結(jié)果，借助三維的深度信息將各灰度圖中不相鄰的區(qū)域分割到獨(dú)立的集合中，以便于下一步特征判別。利用深度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)運(yùn)算，可得到多個(gè)獨(dú)立的集合[19-21]。

首先依據(jù)空間信息將現(xiàn)有點(diǎn)劃分到不同的集合，劃分的依據(jù)是判斷某一點(diǎn)與現(xiàn)有集合中點(diǎn)的距離是否小于標(biāo)志點(diǎn)的最大尺寸。若滿(mǎn)足該條件則劃歸到相應(yīng)集合(不止一個(gè)標(biāo)志點(diǎn))。若不滿(mǎn)足，則新建集合，將該點(diǎn)劃分到該新建集合中。依次劃分直至所有點(diǎn)被劃分。得到n個(gè)可能為標(biāo)志點(diǎn)的集合。

最大尺寸閾值的設(shè)定受標(biāo)志點(diǎn)尺寸和不同拍攝高度、鋼板曲率影響。高度可通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)大致估計(jì)。標(biāo)志點(diǎn)尺寸固定、已知，曲率隨現(xiàn)場(chǎng)加工進(jìn)度變化，難以估量，但應(yīng)給出可測(cè)的曲率范圍，使得該曲率范圍內(nèi)變化不大。

當(dāng)散點(diǎn)太多時(shí)，分割出的集合會(huì)大大增加，因此需要在劃分集合前去除散點(diǎn)。提出一種去除點(diǎn)云中離散點(diǎn)噪聲的策略如下：對(duì)篩選出的點(diǎn)，判斷其周邊±11行列內(nèi)范圍內(nèi)存在的點(diǎn)數(shù)若大于150(該值為經(jīng)驗(yàn)值，可根據(jù)具體試驗(yàn)環(huán)境條件更改)，則該點(diǎn)是標(biāo)志點(diǎn)一部分。

經(jīng)過(guò)該步驟后，進(jìn)一步剔除了非標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域，但仍然可能混雜有其他由于光照等因素導(dǎo)致灰度與標(biāo)志點(diǎn)灰度相近的區(qū)域。

4.4 特征識(shí)別

結(jié)合標(biāo)志點(diǎn)的幾何尺度信息如標(biāo)志點(diǎn)上表面圓形的尺寸、上表面點(diǎn)云數(shù)量、圓形特征、周長(zhǎng)、形狀，以及灰度尺度信息等多種尺度特征信息，建立綜合判別剔除其他物體，精確篩選出該三維標(biāo)志點(diǎn)。具體判別方法如下：

1)有效點(diǎn)數(shù)量判別：統(tǒng)計(jì)該區(qū)域有效點(diǎn)數(shù)據(jù)，判斷是否滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量區(qū)間。(目的是去除數(shù)量較少的離散點(diǎn)和數(shù)據(jù)量較大的區(qū)域)

2)尺寸判別：計(jì)算所占的行列值，判斷是否滿(mǎn)足行列值區(qū)間。

3)對(duì)稱(chēng)性判別：計(jì)算四象限內(nèi)有效點(diǎn)是否>(總點(diǎn)數(shù)/6)，判斷是否對(duì)稱(chēng)。

4)周長(zhǎng)判別：計(jì)算周長(zhǎng)，判斷是否滿(mǎn)足閾值。去除其他形狀。

5)形狀判別：根據(jù)周長(zhǎng)和面積的比例關(guān)系，進(jìn)行圓形判別。

6)計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)周邊鄰近的點(diǎn)與標(biāo)志點(diǎn)中心的Z值之差。統(tǒng)計(jì)滿(mǎn)足高度差在20～40之間的數(shù)據(jù)數(shù)量。滿(mǎn)足閾值則認(rèn)為是標(biāo)志點(diǎn)。

然后針對(duì)多個(gè)判別條件，采用綜合評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行判定[22-24]。綜合判別的準(zhǔn)則采用滿(mǎn)足整體判別最優(yōu)的策略，避免由于某一特征丟失導(dǎo)致判別失效。若綜合判別的結(jié)果置信度大于80%即可認(rèn)為是標(biāo)志點(diǎn)，若數(shù)量大于實(shí)際的標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量，則進(jìn)一步借助模型中標(biāo)志點(diǎn)相互之間的距離信息為判別依據(jù)做進(jìn)一步篩選判別。

4.5 坐標(biāo)提取

判別出標(biāo)志點(diǎn)后，將標(biāo)志點(diǎn)上表面數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并對(duì)標(biāo)志點(diǎn)上表面數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，并作橢圓擬合，計(jì)算擬合后的圓心坐標(biāo)，得到上表面圓心中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)[23-27]。同時(shí)，提取標(biāo)志點(diǎn)上表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合上表面的平面，得到上表面法向量。將標(biāo)志點(diǎn)及鄰近50 mm距離區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，旋轉(zhuǎn)平移到法向量與Z軸平行的零點(diǎn)位置。

然后，將上表面圓心坐標(biāo)沿著法向量朝Z值增大的方向平移30 mm。得到對(duì)應(yīng)外板表面上某點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

5 標(biāo)志帶識(shí)別和定位精度測(cè)試與分析

為驗(yàn)證標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法的有效性，對(duì)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確率和精度開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，將標(biāo)志點(diǎn)擺放在外板上進(jìn)行測(cè)試，分別統(tǒng)計(jì)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確率和定位的精度[28-29]。

5.1 測(cè)試環(huán)境構(gòu)建

為驗(yàn)證標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確性和定位的精度，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)由船舶外板模擬裝置、標(biāo)志點(diǎn)、成像系統(tǒng)和工控機(jī)組成，標(biāo)志點(diǎn)測(cè)試環(huán)境如圖4所示。船舶外板模擬裝置為圓弧鐵板用于模擬成形船舶外板。在外板參考定位點(diǎn)上擺放了標(biāo)志點(diǎn)。三維成像系統(tǒng)由上朝下采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工控機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別，輸出識(shí)別結(jié)果。

圖4 標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法測(cè)試環(huán)境

標(biāo)志點(diǎn)的擺放如圖5所示，將標(biāo)志點(diǎn)中心對(duì)準(zhǔn)外板模擬裝置上參考點(diǎn)。在外板模擬裝置的不同位置擺放了多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，充分測(cè)試在不同角度、高度下標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖5 標(biāo)志點(diǎn)擺放

5.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用的算法參數(shù)如下：有效點(diǎn)參數(shù)取值范圍設(shè)置為[150，500]。周長(zhǎng)范圍設(shè)置為[80，150]，這里周長(zhǎng)為灰度中標(biāo)志點(diǎn)邊緣所占據(jù)的像素?cái)?shù)量。高度差范圍[20，40]。將尺度信息加權(quán)后計(jì)算得到一個(gè)綜合分值，該分值為標(biāo)志點(diǎn)的綜合評(píng)判值，當(dāng)大于90時(shí)認(rèn)為滿(mǎn)足絕大部分標(biāo)志點(diǎn)特征，因此判定為標(biāo)志點(diǎn)。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在開(kāi)展的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，擺放多個(gè)位置，并進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，得到500個(gè)標(biāo)志點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，準(zhǔn)確識(shí)別出標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量為494個(gè)。識(shí)別準(zhǔn)確率為98.8%。部分標(biāo)志點(diǎn)的定位精度數(shù)據(jù)如表1所示。視場(chǎng)中單個(gè)標(biāo)志點(diǎn)和存在多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的時(shí)間差異小，1 024×1 280分辨率的三維視場(chǎng)下識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)所消耗的時(shí)間為15 s。

表1 標(biāo)志帶定位精度測(cè)試結(jié)果 mm

識(shí)別錯(cuò)誤情況分析：未能正確識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)均是由于標(biāo)志點(diǎn)偏離成像設(shè)備視場(chǎng)中心太遠(yuǎn)。當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的偏轉(zhuǎn)角度越大，受視角因素影響，灰度圖中標(biāo)志點(diǎn)變形越大。此外三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在視場(chǎng)邊緣的測(cè)量精度相對(duì)中間視場(chǎng)位置測(cè)量精度差。因此標(biāo)志點(diǎn)在視場(chǎng)邊緣，各尺度特征易受視場(chǎng)角因素影響產(chǎn)生變形或信息丟失，導(dǎo)致不能正確識(shí)別的情況。

定位精度分析：定位誤差是由標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的坐標(biāo)與標(biāo)志點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)之差計(jì)算得到的，而標(biāo)志點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)的獲取方法如下：在外板表面定位點(diǎn)上表貼一個(gè)薄紙片，該紙片的中心點(diǎn)為黑點(diǎn)，并將黑點(diǎn)與定位點(diǎn)對(duì)齊，在成像系統(tǒng)采集灰度圖并獲取到該黑點(diǎn)的像素值，由像素值找到對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)值。將獲取到的三維坐標(biāo)作為該定位點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值。然后擺放標(biāo)志點(diǎn)，利用標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別算法得到該點(diǎn)三維坐標(biāo)值，并與定位點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)計(jì)算均方差，求得定位得到的坐標(biāo)點(diǎn)的誤差。

由表1所示，所提出方法識(shí)別出的坐標(biāo)和真值坐標(biāo)之間的歐式距離在1～3 mm之間。導(dǎo)致定位誤差的因素是多方面的，首先誤差與深度方向的距離有關(guān)，也與標(biāo)志點(diǎn)偏離中心點(diǎn)的位置有關(guān)。距離越遠(yuǎn)，成像誤差相對(duì)大，獲取到的數(shù)據(jù)誤差大，則定位精度也會(huì)相對(duì)變差。偏離中心越遠(yuǎn)，成像角度導(dǎo)致標(biāo)志點(diǎn)的變形大，計(jì)算得到的中心位置偏差變大，則定位精度也隨之變大。此外計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)中心位置時(shí)可能由于標(biāo)志點(diǎn)部分有效點(diǎn)缺失而導(dǎo)致計(jì)算的中心坐標(biāo)值存在偏差。若偏差n個(gè)像素，則精度下降n*L，其中L為一個(gè)像素所表示的被測(cè)物長(zhǎng)度。基于以上分析，成像采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定了定位精度的效果。此外，成像設(shè)備的精度直接影響定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此也對(duì)定位精度提高起至關(guān)重要的作用。

由以上結(jié)果可知，該標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法可以穩(wěn)定有效地識(shí)別出標(biāo)志點(diǎn)，此外，在獲取定位點(diǎn)坐標(biāo)方面也取得了較好的定位精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶外板數(shù)字化檢測(cè)參考點(diǎn)坐標(biāo)獲取問(wèn)題，給出了三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的總體方案以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。進(jìn)一步提出了借助灰度域尺度、Z軸空間尺度和XY軸空間尺度等多尺度信息融合的標(biāo)志點(diǎn)綜合判別方法，通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)粗識(shí)別、精確定位、特征識(shí)別和坐標(biāo)提取等方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別與定位，得到了外板表面參考定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)。進(jìn)一步通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別和定位測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到識(shí)別準(zhǔn)確率和定位精度信息，試驗(yàn)結(jié)果表明提出的三維標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別方法可以準(zhǔn)確地識(shí)別出標(biāo)志點(diǎn)，且具備較好的定位精度，能夠?yàn)榇巴獍宄尚螜z測(cè)提供有效的參考點(diǎn)位坐標(biāo)信息，滿(mǎn)足船舶外板加工檢測(cè)的使用需求。同時(shí)也給出了影響定位精度的影響因素分析，后續(xù)將針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析進(jìn)一步改進(jìn)定位算法的精度，以滿(mǎn)足更高的測(cè)量需求。