石勝旗，陳云云，賀燕紅，蔡勇，姜?jiǎng)P友

1. 中國(guó)水產(chǎn)舟山海洋漁業(yè)有限公司（舟山 316000）；2. 浙江大學(xué)舟山海洋研究中心（舟山 316000）

我國(guó)是水產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易和消費(fèi)大國(guó)，水產(chǎn)品加工業(yè)同漁業(yè)捕撈與養(yǎng)殖構(gòu)成水產(chǎn)業(yè)的三大支柱，其中水產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展對(duì)于漁業(yè)的發(fā)展起著橋梁紐帶作用[1]。但是，中國(guó)傳統(tǒng)水產(chǎn)品加工行業(yè)為勞動(dòng)力密集型行業(yè)，水產(chǎn)品加工裝備普遍自動(dòng)化程度不高、智能化水平偏低[2]。人工加工一方面勞動(dòng)強(qiáng)度大，另一方面依靠工人個(gè)人技術(shù)，加工質(zhì)量差、廢品率高。在國(guó)際市場(chǎng)萎縮、人民幣升值、勞動(dòng)力成本上升、漁業(yè)資源減少的新經(jīng)濟(jì)形式下，我國(guó)勞動(dòng)密集型和資源密集型的水產(chǎn)品加工業(yè)面臨更大的挑戰(zhàn)[3]。研制自動(dòng)化、智能化加工裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，是提高中國(guó)水產(chǎn)品加工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。

對(duì)于魚(yú)體定重切塊自動(dòng)化設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量外形是重要環(huán)節(jié)。激光位移傳感器通過(guò)檢測(cè)成像光斑的位置變化計(jì)算測(cè)量點(diǎn)位移，具有高精度、非接觸的特性[4-5]，契合魚(yú)體測(cè)量這一應(yīng)用。試驗(yàn)以魷魚(yú)定重切片為應(yīng)用背景，實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化一種基于線(xiàn)激光輪廓傳感器的魚(yú)體表面重構(gòu)技術(shù)。

1 基于線(xiàn)激光輪廓傳感器的魚(yú)體表面重構(gòu)系統(tǒng)

線(xiàn)激光輪廓傳感器是一種基于激光位移傳感器的高效輪廓檢測(cè)傳感器，其基本原理是激光三角測(cè)距法[6-9]。該方法由激光發(fā)射器經(jīng)匯聚透鏡組向被測(cè)物體表面發(fā)射靜態(tài)激光線(xiàn)，激光線(xiàn)在被測(cè)物表面發(fā)生漫反射，光線(xiàn)通過(guò)接收透鏡組，投射到光敏傳感器矩陣上，形成光斑。對(duì)于傳感器矩陣的某一列，其上光斑的中心位置由傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離決定。激光三角測(cè)距法測(cè)量位移光路如圖1所示。圖1中A、B為激光到被測(cè)物表面的入射點(diǎn)，A’、B’為A、B漫反射后在傳感器上的像點(diǎn)，O為接收透鏡的中心，S1為AO的長(zhǎng)度，S2為A’O的長(zhǎng)度，α為入射光與接收透鏡光路的夾角，β為像面與接收透鏡光路的夾角，δx為入射點(diǎn)位移，δy為像點(diǎn)位移。

圖1 激光三角測(cè)距法光路

激光三角測(cè)距法計(jì)算如式（1）所示。

基于線(xiàn)激光輪廓傳感器構(gòu)建的表面重構(gòu)系統(tǒng)，包括線(xiàn)激光輪廓傳感器、傳送帶、傳送帶伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)，如圖2所示，設(shè)備主要指標(biāo)參數(shù)如表1所示。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器接收計(jì)算機(jī)控制指令，控制伺服電機(jī)，使傳送帶攜帶魚(yú)體勻速前進(jìn)，同時(shí)，將脈沖信號(hào)發(fā)送給線(xiàn)激光輪廓傳感器。線(xiàn)激光輪廓傳感器固定于傳送帶正上方，掃描寬度大于魚(yú)體寬度，獲取魚(yú)體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)接收點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行表面重構(gòu)與可視化處理。

圖2 魚(yú)體三維重構(gòu)系統(tǒng)

表1 魚(yú)體表面重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

線(xiàn)輪廓傳感器掃描一次可獲取一組包含X軸（橫向）、Z軸（高度）的二維數(shù)據(jù)?？刂扑欧姍C(jī)勻速運(yùn)動(dòng)后，可獲得包含X軸、Y軸（縱向）、Z軸的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)具備魚(yú)體基本信息，如圖3（b）所示。通過(guò)坐標(biāo)變換、濾波、降采樣、三角剖分等算法處理后可獲得如圖3（c）所示的表面三維重構(gòu)圖[10-11]。

圖3 魷魚(yú)片實(shí)物、點(diǎn)云、三維重構(gòu)圖

2 誤差分析與邊緣優(yōu)化算法

如圖4（a）和（b）所示，是一塊與魷魚(yú)片類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體塊（L=100 mm，W=34.9 mm，H=9.0 mm）及其點(diǎn)云圖像，分析點(diǎn)云行列數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4（c）和（d）所示。

由圖4（c）和（d）數(shù)據(jù)可知，未經(jīng)過(guò)處理的標(biāo)準(zhǔn)塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)前沿存在脈沖噪聲，兩側(cè)和后沿模糊。測(cè)量寬度比真實(shí)寬度大2.3 mm，誤差為6.6%，其中，列高度均值穩(wěn)定的寬度比真實(shí)寬度小3.4 mm，誤差為-9.7%，測(cè)量長(zhǎng)度比真實(shí)長(zhǎng)度大1 mm，誤差為1%，測(cè)量高度均值比真實(shí)值小0.64 mm，誤差為7.1%，根據(jù)點(diǎn)云計(jì)算體積比真實(shí)體積小10 mm3。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)塊及點(diǎn)云數(shù)據(jù)問(wèn)題

點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后體積精度高，但是寬度和平均高度上存在較大誤差。通過(guò)觀察試驗(yàn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)引起該問(wèn)題的主要原因是線(xiàn)激光發(fā)射器扇形斜射光路在垂直邊緣被遮擋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，如圖5所示。

圖5 入射激光斜射產(chǎn)生光路遮擋

邊緣高度誤差與寬度誤差會(huì)影響切片外形和體積計(jì)算。針對(duì)激光輪廓傳感器掃描時(shí)的垂直邊緣模糊問(wèn)題，提出一種“邊緣對(duì)折，單邊滾動(dòng)平滑”算法。算法通過(guò)高度梯度值選擇被平滑點(diǎn)，通過(guò)被平滑點(diǎn)附近高度均值找對(duì)折點(diǎn)，對(duì)折相加，通過(guò)單邊滾動(dòng)平滑濾波去除相加點(diǎn)的噪聲。

計(jì)算高度梯度：

式中：P(i,j)表示i行j列點(diǎn)云高度值；Kij表示i行j列點(diǎn)云數(shù)據(jù)行方向斜率；Xres表示行方向分辨率；Wi表示i行高度值突變點(diǎn)；K表示被平滑點(diǎn)斜率突變閥值；Mi表示i行轉(zhuǎn)折點(diǎn)與之后窗口長(zhǎng)度為n的點(diǎn)的均值；Km表示對(duì)折點(diǎn)的高度比；Di表示i行邊緣對(duì)折點(diǎn)；NZi表示i行第1個(gè)非0點(diǎn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程與算法實(shí)測(cè)性能分析

通過(guò)算法優(yōu)化，標(biāo)準(zhǔn)塊表面重構(gòu)圖像的寬度比真實(shí)寬度大0.2 mm，誤差為0.57%，其中，列高度均值穩(wěn)定的寬度比真實(shí)寬度小0.1 mm，誤差為-0.3%，測(cè)量長(zhǎng)度與真實(shí)長(zhǎng)度一致，測(cè)量高度均值比真實(shí)值小0.1 mm，誤差為-1%，高度標(biāo)準(zhǔn)差為0.558 mm，體積比真實(shí)體積小0.5 mm3，相較于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有明顯改善。

將算法應(yīng)用于如圖6所示的10條魷魚(yú)塊，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)、原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、算法優(yōu)化后的數(shù)據(jù)從體積、平均高度、平均寬度3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

由于魷魚(yú)塊不像標(biāo)準(zhǔn)塊有精確的外形，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量長(zhǎng)寬高，無(wú)法直接計(jì)算體積，因此通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量前、前中、中、后中、后5個(gè)點(diǎn)的寬度和高度估算均值，通過(guò)如圖8所示排水法進(jìn)行實(shí)際體積測(cè)量。其中，游標(biāo)卡尺精度為0.02 mm，排水法使用的量筒測(cè)量精度為1 mL。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，算法在實(shí)際魷魚(yú)塊的點(diǎn)云圖像處理上，可有效優(yōu)化寬度和高度值，減少邊緣誤差，提高表面重構(gòu)精度。

圖6 待測(cè)試魷魚(yú)塊

圖7 魷魚(yú)塊測(cè)量、點(diǎn)云、優(yōu)化數(shù)據(jù)比較

圖8 排水法測(cè)體積

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)一套基于線(xiàn)激光輪廓傳感器的魚(yú)體表面掃描與三維重構(gòu)系統(tǒng)；分析線(xiàn)激光輪廓傳感器由于光路遮擋導(dǎo)致輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)在垂直邊緣丟失，從而引起寬度、高度測(cè)量誤差的現(xiàn)象；設(shè)計(jì)一種“邊緣對(duì)折，單邊滾動(dòng)平滑”算法，可有效還原本系統(tǒng)垂直面輪廓，降低平均高度誤差，提高魚(yú)體表面重構(gòu)準(zhǔn)確度。