王軍

（山西省數(shù)字水利中心，太原 030002）

1 問題的提出

1.1 山西水利工程規(guī)劃沙盤介紹

“山西省水利電子沙盤綜合展示系統(tǒng)”將計算機、現(xiàn)代通訊、3S、三維仿真、多媒體等技術(shù)與傳統(tǒng)沙盤模型相結(jié)合，通過直觀、形象的方式展示全省地形、地貌以及重點水利工程建設(shè)和規(guī)劃情況，同時還可為決策提供一定依據(jù)。自2008年7月建成后，該系統(tǒng)一直作為山西新水源工程規(guī)劃、建設(shè)及運行情況的重要展示舞臺，其最大的亮點主要表現(xiàn)在以下3個方面：

1）光電感應(yīng)、無線通訊技術(shù)的應(yīng)用，提升了系統(tǒng)的可操作性和互動性[1]。系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了35個新水源工程、已建大中型水庫等點的精確定位。

2）多媒體技術(shù)的靈活應(yīng)用，拓展了系統(tǒng)的展示功能[1]。目前采用文字、表格、圖像、視頻、3D模型等多種展示方式。

3）沙盤模型和電子沙盤同步，增強了展示系統(tǒng)的應(yīng)用能力。電子沙盤基于ArcGIS桌面應(yīng)用平臺下的3D可視化軟件ArcGlobe，它提供了海量地理數(shù)據(jù)的交互式可視化，允許全球、區(qū)域和小場景等多分辨率數(shù)據(jù)間的無縫過渡，可實現(xiàn)宏觀定性與微觀定量、全局規(guī)劃與局部研究的統(tǒng)一。目前，其數(shù)據(jù)采用了全省 1：10000 DEM和 DOM基礎(chǔ)測繪成果、1：50000地形圖和衛(wèi)星影像、1：250000地形圖以及水利相關(guān)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

1.2 存在的問題

電子沙盤強大的數(shù)據(jù)支持、靈活的展示方式、方便的拓展能力是傳統(tǒng)沙盤不可比擬的，但其顯示效果、真實感較差，信息的同時展示量以及多視角同時會商能力相比傳統(tǒng)沙盤模型還有很大差距。將傳統(tǒng)沙盤模型與現(xiàn)代電子沙盤有機結(jié)合并實現(xiàn)聯(lián)動，逐步提升沙盤系統(tǒng)綜合展示能力是數(shù)字中心當(dāng)前乃至今后一段時期內(nèi)的一項重要任務(wù)。

目前數(shù)字中心通過在沙盤上安裝固定激光感應(yīng)點的方法，雖然基本上實現(xiàn)了沙盤模型和電子沙盤的關(guān)聯(lián)，滿足了目前我省重點水利工程規(guī)劃成果展示的需求，但是該方法還存在以下幾點不足：

1）線路復(fù)雜，維護困難。沙盤下復(fù)雜的線路給系統(tǒng)維護帶來一定困難，所有硬件維護必須專業(yè)人員爬進沙盤下狹窄、布滿線路的空間中進行。往往一個簡單的故障，拖延好幾個月得不到維修。沙盤下實景照片如圖1所示。

圖1 沙盤模型下實景照片

2）端口限制，難以擴充。目前，沙盤工控機所采用的RS-485（通用計算機串行總線）多點數(shù)據(jù)通訊方式，最大可支持128個串行端口，目前已經(jīng)安裝了121個，也就是說系統(tǒng)僅有擴充7個端口的能力，這對于今后不斷擴展的業(yè)務(wù)需求來說是遠遠不夠的。

3）操作繁瑣，不太友好。為了防止其他光源的干擾，感光點只對特定調(diào)制頻率（約200Hz的方波）的光信號敏感，感應(yīng)激光筆必須用特制的調(diào)制、面光斑（容易瞄準感光點）激光筆。講解員在講解的過程中，一手拿感應(yīng)激光筆，另一手拿講解激光筆（兼激光教鞭和PPT翻頁功能于一體），操作中很容易混淆。

4）功能單一，應(yīng)用面窄。沙盤模型上，有明確標志的地物點有數(shù)千個。在水利工程規(guī)劃及建設(shè)的過程中，難免有需要了解其他非感應(yīng)點的更精細的電子地圖、詳細資料等信息。同時，展示內(nèi)容也應(yīng)隨今后業(yè)務(wù)側(cè)重點的不同而有所變化。

因此，設(shè)計一種簡單、靈活、易于維護、擴充方便、適用面廣的關(guān)聯(lián)方法是很有必要的。經(jīng)多方調(diào)查，目前在國內(nèi)還沒有發(fā)現(xiàn)有針對大型實景沙盤類似的成熟的設(shè)備或成功的案例。

2 解決問題的基本思路與方法

2.1 水利工程規(guī)劃沙盤的特點

數(shù)字中心水利工程規(guī)劃沙盤屬地形地貌類永久性沙盤模型，它采用微縮實體的方式來表示地形地貌特征，并在模型中體現(xiàn)山體、河道、水庫等物，主要表現(xiàn)的是地形數(shù)據(jù)。水利要素在沙盤上大都以點、線、面、微小體等形態(tài)，采用覆蓋于沙盤表面的形式展示。沙盤總體呈向上的連續(xù)曲面。

為了更直觀地展示山西地形地貌，沙盤模型在制作過程中采用了非等比例設(shè)計，即在水平方向上采用的比例尺為1：120000，垂直方向上則采用1：12000，也就是說通過垂直方向上的10倍拉伸，使地形表現(xiàn)更加直觀。

2.2 激光三角測量法的基本原理

三角測量法也叫幾何測量法，是一種傳統(tǒng)的測量方法，其基本原理是利用三角形邊角關(guān)系進行位移或距離測量。從大到天體測量，小到微米級物體測量，這種方法成功的應(yīng)用在工程測量的方方面面。

激光三角測量法就是用激光作為光源利用三角法進行測量[3]。其基本原理是：用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，那么隨著物體表面激光照射點的位置或者高度不同，像平面上像點的位置也將發(fā)生變化，用CCD、CMOS或PSD等光電探測器測出光斑像的位置，就可以計算出物體表面激光照射點的位置或者高度。當(dāng)物體沿光線方向發(fā)生移動時，測量結(jié)果就將發(fā)生改變，從而實現(xiàn)用激光測量物體的位移。同理，當(dāng)激光入射角度發(fā)生變化時，表現(xiàn)為光斑在物體表面的位移，測量的結(jié)果也將發(fā)生變化，即實現(xiàn)了激光點定位。如圖2所示。

圖2 激光三角法原理圖

以一維情況為例，不難得出待測激光點位置的計算公式為：

式中：L1——待測激光點到基準面坐標原點的距離；

d——成像物鏡中心點到定位基準面的距離；

f——成像物鏡后焦距；

θ0——光敏面與定位基準面之間的夾角；

a——待測激光點的像點到基準面原點像點的相對位移，a=x0-x1。

從式（1）可以看出，該關(guān)系為非線性關(guān)系，通過該式可以計算出待測點在基準面上的相對位置。

激光三角法由于其具有非接觸、高精度、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾、無損、快速等特點，具有很強的實用性。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器和CCD等圖像探測器的普及，設(shè)備成本逐步降低，精度不斷提升，激光三角測量法已經(jīng)逐步從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。

那么，利用光點探測器對照射在沙盤表面高亮的激光斑點進行自動定位，即可判斷出所選擇的標志地物或指向的地理坐標，從而實現(xiàn)沙盤模型和物理沙盤的聯(lián)動。這種方法應(yīng)該是一種簡單實用的實現(xiàn)沙盤模型與電子沙盤同步的方法。但是在實際應(yīng)用中，被測表面的高低起伏、顏色、材料、粗糙度、光學(xué)特性以及表面曲率等對測量結(jié)果有較大的影響，特別是遮擋和陰影等現(xiàn)象仍然是困擾研究人員的主要問題。

如圖3所示，當(dāng)待測面非平面時，我們實際上關(guān)心的是待測點S在基準面上的投影點S′相對于坐標原點的位移，但是通過式（1），實際上得到的是通過物像兩點的直線與定位基準面的交點L1相對于坐標原點的位移，兩者之間產(chǎn)生誤差。并且這種誤差隨著探測角度與定位基準面法線夾角的增大而增大。那么，如何較為準確地得到待測點相對于基準面的位移呢，可以采取兩種方法，一是盡可能地縮小探測角度以減小誤差，二是采用機器雙目視覺測量法，下面分別加以說明。

圖3 三維曲面測量誤差說明

2.3 縮小探測角度法

由于水利工程規(guī)劃沙盤的空間尺度非常大，沙盤室的高度有限（相對高度差僅有2.5m），在這種情況下，探測器的可探測范圍必然很小。為了探測整個沙盤，只能將二維位置敏感探測器PSD陣列放置的方式進行全場定位[2]。這種方法可以實現(xiàn)非常精確的定位或測量，但是其附加電路比較復(fù)雜，安裝難度較大，不太適合本系統(tǒng)較為簡單的應(yīng)用需求。

2.4 機器雙目視覺測量法

機器雙目視覺測量法是基于光學(xué)三角法，通過模擬人眼視物原理進行測量的。即通過兩臺攝像機從不同角度同時獲得被測物的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置。雙目立體視覺系統(tǒng)在機器視覺領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。圖4為原理圖。

圖4 機器雙目測量原理圖

據(jù)此原理，結(jié)合不同應(yīng)用需求，可以形成許多種不同的雙目視覺系統(tǒng)。不同的結(jié)構(gòu)適用于不同的應(yīng)用場合。對要求大測量范圍和較高測量精度的場合，采用基于雙攝像機的雙目立體視覺系統(tǒng)比較合適。圖5為兩種雙目探測器安裝示意圖。

圖5 雙目探測器安裝位置圖

基于雙攝像機探測的雙目立體視覺系統(tǒng)必須安裝在一個較為穩(wěn)定的平臺上，在進行測量前必須對測量系統(tǒng)的參數(shù)進行精確標定，測量中必須確保攝像機的內(nèi)參（指前后焦距、光軸方向等）和兩個攝像機相對于沙盤的位置不變。一旦發(fā)生變化，必須重新標定。

3 實驗研究

由于數(shù)字中心沙盤模型上方已經(jīng)安裝了兩臺攝像機，下面結(jié)合這兩臺攝像機，采用機器雙目視覺測量法進行激光點定位實驗，并針對實施中可能遇到的一些具體環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的處理方法。

3.1 噪聲點的影響及消除

在實際應(yīng)用中，沙盤表面不可避免地存在各種干擾信號，主要有標志地物用的LED燈，金屬、玻璃等物體反射背景光源形成的高亮點。如圖6所示。圖中激光點的亮度，相對于噪聲點并不占據(jù)絕對優(yōu)勢，可以采取兩種方式濾除噪聲信號。

圖6 沙盤上各類干擾點

1）圖像相減法：噪聲點基本上是沙盤上的固定點，可以采取預(yù)先拍攝噪聲圖，與含激光定位點的圖進行相減操作，這種方式可以消除大部分噪聲信號。

2）濾波法：可分為光譜濾波法和數(shù)字濾波法。

數(shù)字濾波法屬于計算機圖像處理范疇。光譜濾波法是在透鏡前安裝只有特定波段光才能通過的光譜濾波片，濾除雜散光。濾波片可以選用普通紅綠藍單色濾波片，也可以使用專門針對激光光源的帶通濾波片。圖7為某型號窄帶濾波片的光譜特性圖。很明顯，在可見光波段，只有波長介于505～545nm間的綠光才可以通過。

圖7 某窄帶干涉光譜濾波器穿透率光譜特性圖

圖8 光譜濾波實驗圖

實驗中采用計算機濾波處理濾除其他顏色的光，如圖8所示。很明顯，濾波可以很好地消除干擾信號。在實際應(yīng)用中，窄帶濾波片一般采用薄膜干涉法原理制作，大尺寸的均勻干涉濾光片制作難度很大，一般濾波片的直徑都小于50mm，可以考慮把濾波片放置在成像物鏡后端。另外，干涉濾光片一般要求垂直入射，當(dāng)入射角增大時，通過帶向短波方向移動。所以，激光波長應(yīng)位于濾波片穿透帶的短波邊緣側(cè)，這樣可以獲得最大的入射角度。

3.2 定位精度研究

3.2.1 激光光斑大小的影響

光點在感光面上占據(jù)的像素大小與感光單元及激光光斑的大小有關(guān)。原則上以在光敏面上占據(jù)5～10個像素為好，由于探測器每個單元上只有部分區(qū)域是可以感光的，若光斑太小成像在非感光區(qū)，則無法探測到信號或信號很弱，光斑太大則分辨率降低；通過擬合光斑中心可以精確定位到亞像元級（0.2個像素間距）。

3.2.2 曲面高度的影響

若用單攝像機探測，入射角越大、定位點相對于基準面的距離越大定位精度越低。若采用雙目視覺測量法，定位點與兩臺攝像機之間所張的角度越大定位越精確。但是，隨著距離增大，攝像機在其中一臺攝像機上定位點被遮擋現(xiàn)象越頻繁，如何選點，需要在具體應(yīng)用中研究。

3.2.3 數(shù)據(jù)配準

根據(jù)探測到的光斑位置，我們得到的是激光點在沙盤模型上的相對位置，屬于自定義坐標系。要想和電子沙盤關(guān)聯(lián)，必須轉(zhuǎn)換成電子沙盤采用的WGS84地理坐標系。這個過程可以通過選定數(shù)個（至少四個）參考點，通過精確配準以及投影變換的方法實現(xiàn)。

3.3 設(shè)備選型

3.3.1 攝像機選型

目前市面上主要有CCD和CMOS兩種類型的攝像機。CCD攝像機具有動態(tài)范圍大、分辨率高、噪聲小的優(yōu)點；CMOS攝像機則具有價格便宜、響應(yīng)速度快、可塑性好的特點。由于攝像機僅用于激光點的定位，背景噪聲、動態(tài)范圍對系統(tǒng)影響不大，關(guān)鍵是響應(yīng)速度和可塑性（多臺攝像機與DSP整合問題），因此，選用CMOS攝像機比較合適。

3.3.2 定位激光筆的選型

沙盤上本身安裝有許多發(fā)光二極管，為避免干擾，應(yīng)選擇與沙盤上固有發(fā)光體顏色反差較大顏色的激光筆。在此基礎(chǔ)上還要參考攝像機光譜響應(yīng)特性以及人眼視覺響應(yīng)特性選用合適波長的激光筆。通過對比，建議選用亮度較高的綠光半導(dǎo)體激光器。

［1］榮榕，管化冰，家勃.山西省水利工程規(guī)劃沙盤模型的電子演示系統(tǒng)軟件的功能擴充與完善［J］.山西水利科技，2009（4）：58-60.

［2］龐亞萍.位置敏感探測器的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用研究［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006 16（24）：183-184.

［3］吳兆喜，黃元慶.基于光學(xué)原理的三維形貌測量技術(shù)研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2006 32（zl）：654-658.