CN105241386A - 水下圆筒状网箱模型测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下圆筒状网箱模型测量方法，包括以下步骤：网箱模型上方设置电机、安装长杆、选择一字线激光器和摄像头并作防水处理、将一字线激光器和摄像头分别固定在横杆的两端并调节一字线激光器至发射扇形激光与横杆垂直、横杆垂直安装在长杆下端、沿竖直方向调节一字线激光器的出射光仰角至形成完整亮线、调节摄像头至拍摄完整亮线、选取定标基准并标出定标坐标点、调节定标坐标点成像位置、控制电机匀速转动一周并计算相应成像的转动角度、处理摄像头的成像并计算网箱模型侧面各点柱坐标、对测量参数进行校准和计算网箱模型的体积。本发明的方法能够准确对水下网箱模型的形状和体积进行测量。

Description

水下圆筒状网箱模型测量方法

技术领域

本发明涉及水下物体测量技术领域，特别是涉及一种水下圆筒状网箱模型测量方法。

背景技术

在鱼类的养殖生产中，将养殖的鱼类放入网箱，再将网箱置入自然水体的方式称之为网箱养殖，网箱养殖是一种重要的养殖方式。网箱由网片和框架组成，外形有长方体、圆筒状、椎体状等形状。由于网箱在自然水体中，水流的的冲击会导致箱体变形，使其容积减小，从而导致养殖鱼体密度增大，不利于养殖生产。因此，在进行网箱设计时，需要了解其在不同流速的水流冲击下网箱的体积变化。一般通过在设计阶段制作按比例缩小的网箱模型，测量其在不同流速的水流中的体积，从而外推到真实网箱在不同水流情况下的体积变化。

对水下物体的测量一般采用声纳方法进行。由于网箱模型的线径细、网孔大，造成普通水下测量用声纳回波信号噪声大，测量精度差，目前没有专用的水下网箱体积和形状的测量工具。

在大气中，以激光作为测量媒介的测距和3D扫描技术比较成熟，具有精度高、测量快的特点。采用准直激光的三角测距法，是其中的一种，其原理如图1：

三角激光测距设备包括一个准直激光器和一个焦距已知的摄像头，二者相距为s，安装在一个固定支架上，激光器发出的激光与二者的连线成β角，其中β<90°。

激光照射到物体上时形成一个亮斑A，在摄像头感光元件(CCD)面上成像为一个像点a，当物体移动到A1时，像点移动到a1，像点a的位置与物体(亮斑A)到激光器或者基线的距离有关，测量出a点的位置就可以计算出距离d。

β：激光器夹角、s：激光器中心与摄像头中心点距离、f：摄像头的焦距、x：实际像点离无穷远成像点的之间的距离，则：

由几何关系，计算可得：d＝fs/(xsin(β))

在上式中，f、s、β已知，x可根据成像中光点的位置和像素尺寸计算出，从而可以计算出距离d。这就是激光三角测距的基本原理。

利用准直激光器，一次可以测量物体上一点到激光器之间的距离。为一次测量更多的距离，可将准直激光器换成一字线激光器，一字线激光器发出的光在一个方向发散，出光为扇形面，光照射到与激光器垂直的平面上为一条直线。一字线激光器一次可以测量一条亮线上所有点到基线的距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水下圆筒状网箱模型测量方法，能够准确对水下网箱模型的形状和体积进行测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种水下圆筒状网箱模型测量方法，包括以下步骤：

(1)在网箱模型上方设置一个防水的电机，电机的转轴竖直向下并位于网箱模型中心轴线的延长线上；

(2)将长杆与电机的转轴连接，长杆伸入网箱模型内部；

(3)选择一字线激光器和摄像头，并对一字线激光器和摄像头作防水处理；

(4)将一字线激光器和摄像头分别固定在一根横杆的两端，调节一字线激光器至发射扇形激光与横杆垂直，测量一字线激光器与摄像头之间的距离；

(5)将横杆的一字线激光器端垂直安装在长杆的下端，一字线激光器的出光口位于长杆的中心轴线位置；

(6)沿竖直方向调节一字线激光器的出射仰角至激光可照射网箱模型的整个侧面高度，形成一条从侧面上边缘到下边缘竖直亮线；

(7)调节摄像头至拍摄到网箱模型侧面的整条亮线；

(8)根据需要测量的距离范围，选取定标基准，在所述定标基准位置设置竖直板，标出定标坐标点，调节摄像头至定标坐标点的成像位于摄像头感光元件的中心；

(9)控制电机匀速转动一周，根据图片的张数算出相应图片的转动角度；

(10)处理摄像头获得的成像，利用公式计算每幅图片上的亮线中各点的柱坐标；

(11)对测量参数进行校准；

(12)利用校准后的数据计算模拟网箱模型的形状、计算网箱模型的体积。

所述电机安装于一个固定的防水箱子内，防水箱子固定在网箱模型的支架上。

所述电机采用转速可调的步进电机。

所述定标基准选取设计量程的中间距离。

所述一字线激光器选用波长为532nm的绿色激光。

所述一字线激光器的激光发散角不小于90°。

所述摄像头采用1280*720以上的高清摄像头，帧速为30帧/秒。

所述摄像头感光元件像素宽边的延伸方向与亮线平行。

所述步骤(11)中测量参数的校准方法是在系统安装完毕后、系统量程范围内设置标有间距的网格板，网格板竖直放置，一字线激光器发出的激光投射到网格板上，记录此时摄像头的成像以及网格板与长杆中心轴线之间的距离，建立两者之间的对应关系作为对计算公式的修正数据。改变网格板与长杆之间的距离，重复上述做法，得到整个量程内的矫正数据。

有益效果

本发明将三角激光测距的原理运用到测量水下网箱模型的体积，一字线激光器在网箱模型侧面形成贯穿的亮线，该方法中需要设定一个已知的基准距离作为定标基准，再根据摄像头的成像可以计算出亮线上各点的位置，本发明的一字线激光器出光口位于网箱模型内部的中心轴线上，通过电机匀速旋转带动一字线激光器和摄像头旋转一周扫描网箱模型的整个侧面，摄像头从而记录下一周中不同转动角度亮线的像，不同成像转动的角度容易推算，从而可以计算出网箱模型不同角度侧面点的坐标，进而可以模拟出网箱模型的形状，根据这些坐标也可以计算出网箱模型的体积。本发明采用激光出射口位于转动轴心的布局方式，减小了湍流对光路的扰动，提高了测量精度。另外，利用电机匀速转动和摄像头等时间间隔拍摄的特性，很容易对不同成像电机转动角度进行推算，避免了复杂的硬件伺服系统。

附图说明

图1为激光三角测距原理示意图。

图2为本发明改进的水下激光三角测距示意图。

图3为本发明三角测距公式推导图。

图4为本发明所用设备的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图2所示为改进的水下激光三角测距示意图，将准直激光器的出光口移动到系统的转动中心位置。空气中的一字线激光三角测距法并不适用于水下测量，原因在于水对光的折射率远大于空气，当激光器在水中转动时，由于搅动水体造成的湍流对光线传播影响远大于空气湍流，将引起光线的抖动和扭曲，使其不再沿直线传播，激光三角测距原理中光线直线传播的基本假设不再完全成立，造成测量误差增大。为减小系统转动导致的湍流影响，对传统一字线激光三角测距作出改动，将激光器的出光点移动到系统转动中心，减小激光器相对水体的运动速度，从而降低湍流的影响。

本发明方法的原理如下：

将图2中的准直激光器换成一字线激光器2，并让一字线激光器2发出的扇形光面与BC垂直，BC是摄像头3和一字线激光器2的连线，一字线激光器2发出的光照射到物体上就是一条竖直的亮线。系统以过B点的竖直线为轴，旋转一周就可以扫描周围的物体，光路图如图3所示。

建立柱坐标系(r，φ，z)，其z轴为过B点的系统旋转轴，B为z轴的原点，z轴的方向为竖直向上，利用激光测距系统计算出坐标的r和z，通过计算电机旋转角度可得到φ，这样就可以得到一点在柱坐标系中的位置。系统需要选择一个已知的基准距离r₀作为定标基准，这个距离一般可选择设计测距量程的中间值，如设计系统量程为距离激光器1米到5米处，基准距离取r₀＝3米，在柱坐标系中，基准距离构成一个r₀＝3的一个柱面，取其中坐标为(3，0，0)一点为A点。如图3，一字线激光器2发出的激光照射到基准点A，在基准面所成亮线为ML，图3中过基准点A的光线BA就是图2中准直激光器发出的光线BA。

一字线激光器2的激光照射到待测一个竖直平面上，如图3，所成亮线为NK，其中过基准点A的光线在待测平面上的点为E，下面计算任一光线BM投射到该平面上的N点的位置。

为方便计算，还需建立成像CCD上的平面直角坐标系。调整摄像头3，让CCD竖直放置，且像素沿竖直和水平方向排列，则竖直光线如ML和NK在CCD上成的像也是沿着CCD像素排列的竖直方向，取该方向为y轴方向，调节摄像头使基准点A成的像A1位于CCD中心位置，并取A1作为原点，在CCD面上建立平面直角坐标系。这样，任一点坐标(x,y)可以方便地通过像素数和像素尺寸计算出。在图3中，A点的像A1为CCD坐标系的原点。M、A、L、N、P、K在CCD上成的像分别是M1、A1、L1、N1、P1、K1。

对于不过基点A的任一条光线，如图3中的MB，其照射到后面的待测竖直平面上的N点，N在CCD上成像点为N1，下面通过N1的坐标(X_N1,Y_N1)计算N点的位置：

根据ΔNEC∽ΔN1E1C得：

$\frac{NE}{N1E1}=\frac{EC}{E1C}=>NE=\frac{N1E1\&times;EC}{E1C}=\frac{Y_{N1}\&times;EC}{\sqrt{f^{2+}{X_{N1}}^2}}$

在三角形ECA中：

$\frac{AC}{sin\&angle;CEA}=\frac{EA}{sin\&angle;ECA}=\frac{EC}{sin\&angle;EAC}$

$\&angle;ECA=\&angle;E1CA1={\tan }^{-1}\frac{A1E1}{A1C}={\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}$

$\begin{array}{c}EA=\frac{AC\&times;\sin \&angle;ECA}{\sin \&angle;CEA}=\frac{AC\&times;\sin \left({\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}{\sin \left(\&angle;CAB-\&angle;ECA\right)}=\frac{AC\&times;\sin \left({\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}{\sin \left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}\\ =\frac{\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;\sin \left({\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}{\sin \left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}\end{array}$

$EC=\frac{AC\&times;\sin \&angle;EAC}{\sin \&angle;CEA}=\frac{\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;\sin \left(180-\&angle;CAB\right)}{\sin \left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}=\frac{\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;\sin \left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}\right)}{\sin \left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}$

所以：

$NE=\frac{Y_{N1}\&times;\frac{\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;sin\left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}\right)}{sin({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f})}}{\sqrt{f^{2+}{X_{N1}}^2}}=\frac{Y_{N1}\&times;\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;sin\left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}\right)}{\sqrt{f^{2+}{X_{N1}}^2}sin({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}-{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f})}$

至此，已经由已知量AB(r₀)、BC、焦距f以及CCD测量量N1点的坐标(X_N1,Y_N1)计算出EA和NE。

在柱坐标系中，N点的坐标z＝NE,r＝AB+EA。

同理，若N点位于BM之间可计算出：

$EA=\frac{\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;sin\left({\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f}\right)}{sin({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}+{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f})}$

$NE=\frac{Y_{N1}\&times;\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}\&times;sin\left({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}\right)}{\sqrt{f^{2+}{X_{N1}}^2}sin({\tan }^{-1}\frac{BC}{AB}+{\tan }^{-1}\frac{X_{N1}}{f})}$

此时N点的坐标z＝NE,r＝AB－EA。

记录系统转动的角度φ，就可以得到任一点在柱面坐标系中的坐标。

本发明的具体操作步骤包括：

(1)在网箱模型1上方设置一个电机4，电机4安装于一个固定的防水箱子内，防水箱子固定在网箱模型1的支架上，电机4的转轴竖直向下并位于网箱模型1中心轴线的延长线上。电机1采用转速可调的步进电机，转速在每分钟0～20转可调，转动转速快，测量一次用的时间短，有利于减小在网箱形状1在测量过程中发生变化带来的误差；但转速过高，会搅动水体，影响网箱模型1的体积，还会由于水的运动导致激光传输由于湍流产生抖动，容易导致测量误差。现有的设备，可将转速固定在每分钟10转，这样6秒就能够转动一圈；

(2)将长杆5与电机4的转轴连接，长杆5伸入网箱模型1内部；

(3)选择一字线激光器2和摄像头3。据研究，蓝绿光在海水中穿透能力较好，故一字线激光器2采用波长为532nm的绿色激光，其激光发散角不小于90°，以保证扇形激光面能够在网箱模型1侧壁自上而下形成全覆盖的亮线。摄像头3采用1280x720以上的高清摄像头，帧速为30帧/秒。并对一字线激光器2和摄像头3作防水处理；

(4)将一字线激光器2和摄像头3分别固定在一根横杆6的两端，调节一字线激光器2至发射扇形激光与横杆6垂直，测量一字线激光器2与摄像头3之间的距离。二者之间的距离与量程和精度有关，距离大，精度高，量程小，现有的该设备二者之间的安装距离为30cm；

(5)将横杆6的一字线激光器2端垂直安装在长杆5的下端，一字线激光器2的出光口位于长杆5的中心轴线位置；

(6)沿竖直方向调节一字线激光器2的出射仰角至激光可照射网箱模型1的整个侧面高度，形成一条从侧面上边缘到下边缘竖直亮线；

(7)调节摄像头3至拍摄到网箱模型1侧面的整条亮线。为充分利用摄像头3的分辨率，将摄像头3感光元件的宽边延伸方向设置与亮线平行；

(8)根据需要测量的距离范围，选取定标基准r₀，该定标基准通常选取设计量程的中间距离，在所述定标基准位置设置竖直板，并标出定标坐标点(r₀,0,0)，调节摄像头3至定标坐标点的成像位于摄像头3感光元件CCD的中心；

(9)控制电机4匀速转动360度，根据所拍摄图片的张数算出相应图片的转动角度；

(10)处理摄像头3获得的成像，利用公式计算每幅图片上的亮线中各点的柱坐标；

(11)由于镜头畸变、水的折射等原因，导致成像与理想状态会产生差异，这些差异会导致测量误差增大，因此需要对测量参数进行校准。校准方法是在系统安装完毕后、系统量程范围内设置标有间距的网格板，网格板竖直放置，一字线激光器2发出的激光投射到网格板上，记录此时摄像头3的成像以及网格板与长杆5中心轴线之间的距离，建立两者之间的对应关系作为对计算公式的修正数据。改变网格板与长杆5之间的距离，例如每隔10cm，重复上述做法，得到整个量程内的矫正数据。

(12)利用校准后的数据计算模拟网箱模型1的形状、计算网箱模型1的体积。

Claims (9)

1.一种水下圆筒状网箱模型测量方法，包括以下步骤：

(1)在网箱模型(1)上方设置一个防水的电机(4)，电机(4)的转轴竖直向下并位于网箱模型(1)中心轴线的延长线上；

(2)将长杆(5)与电机(4)的转轴连接，长杆(5)伸入网箱模型(1)内部；

(3)选择一字线激光器(2)和摄像头(3)，并对一字线激光器(2)和摄像头(3)作防水处理；

(4)将一字线激光器(2)和摄像头(3)分别固定在一根横杆(6)的两端，调节一字线激光器(2)至发射扇形激光与横杆(6)垂直，测量一字线激光器(2)与摄像头(3)之间的距离；

(5)将横杆(6)的一字线激光器(2)端垂直安装在长杆(5)的下端，一字线激光器(2)的出光口位于长杆(5)的中心轴线位置；

(6)沿竖直方向调节一字线激光器(2)的出射仰角至激光可照射网箱模型(1)的整个侧面高度，形成一条从侧面上边缘到下边缘竖直亮线；

(7)调节摄像头(3)至拍摄到网箱模型(1)侧面的整条亮线；

(8)根据需要测量的距离范围，选取定标基准，在所述定标基准位置设置竖直板，标出定标坐标点，调节摄像头(3)至定标坐标点的成像位于摄像头(3)感光元件的中心；

(9)控制电机(4)匀速转动一周，根据图片的张数算出相应图片的转动角度；

(10)处理摄像头(3)获得的成像，利用公式计算每幅图片上的亮线中各点的柱坐标；

(11)对测量参数进行校准；

(12)利用校准后的数据计算模拟网箱模型(1)的形状、计算网箱模型(1)的体积。

2.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述电机(4)安装于一个固定的防水箱子内，防水箱子固定在网箱模型(1)的支架上。

3.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述电机(4)采用转速可调的步进电机。

4.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述定标基准选取设计量程的中间距离。

5.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述一字线激光器(2)选用波长为532nm的绿色激光。

6.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述一字线激光器(2)的激光发散角不小于90°。

7.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述摄像头(3)采用1280*720以上的高清摄像头，帧速为30帧/秒。

8.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述摄像头(3)感光元件像素宽边的延伸方向与亮线平行。

9.根据权利要求1所述的一种水下圆筒状网箱模型测量方法，其特征在于：所述步骤(11)中测量参数的校准方法是在系统安装完毕后、系统量程范围内设置标有间距的网格板，网格板竖直放置，一字线激光器(2)发出的激光投射到网格板上，记录此时摄像头(3)的成像以及网格板与长杆(5)中心轴线之间的距离，建立两者之间的对应关系作为对计算公式的修正数据。改变网格板与长杆(5)之间的距离，重复上述做法，得到整个量程内的矫正数据。