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)帶來一定的影響，甚至?xí)?dǎo)致安全事故[1]。因此準(zhǔn)確檢測船舶的升沉位移量，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、零波面超聲波檢測法和傳感器系統(tǒng)檢測法等[2～4]。姿態(tài)傳感器法是為測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；零波面超聲波檢測法基于零波面理論，利用超聲測距原理進(jìn)行測量。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)器視覺的船舶升沉檢測方法。

2 船舶升沉檢測系統(tǒng)架構(gòu)

在波浪補(bǔ)償系統(tǒng)中，需要檢測的數(shù)據(jù)是補(bǔ)給船（或岸基）與被補(bǔ)給船的相對位置。對于起重作業(yè)來說，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)吊臂間的相對高度。檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括兩個(gè)攝像頭、一臺電腦（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，利用雙目立體視覺三維測量的辦法即可檢測出攝像頭與特征物體之間的相對位置，從而得出相對高度。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)器視覺的船舶升沉檢測方法

3.1 船舶升沉雙目立體視覺三維測量機(jī)理

船舶升沉雙目立體視覺三維測量原理如圖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。

對于船舶升沉過程同一特征點(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 雙目立體視覺測量中空間點(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（見圖3），為使目標(biāo)特征色塊突出，先對圖像進(jìn)行針對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)過標(biāo)定后的雙目測距公式（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

由2個(gè)攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)組成的機(jī)器視覺測量傳感器是一種非接觸式、測量快速的傳感器，在一定的范圍內(nèi)具有較高的測量精度。這種基于機(jī)器視覺的船舶升沉檢測方法安裝調(diào)試簡單、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。

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