CN106017573B - 一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法，属于海洋工程技术领域。该方法包括：第一步，实验室标定函数K；第二步，野外实际测量冰厚与冰速；图像处理时可以根据可变焦高清摄像头反馈的焦距信息f与测距仪反馈的距离信息D自动调用已在实验标定的函数K，结合所得海冰断面或一定时间内特征点移动距离的像素大小h，即可准确计算出物体长度或移动距离H。该方法避免了实际测量过程中所带来的系统误差，可以准确测出摄像头与冰面间距离，提高了测量精度，系统适应性强，构成简单，可靠性高，可以适应海上高湿度、高盐度的恶劣工况，确保系统的可靠运行以获得完备的冰厚与冰速数据，为海洋平台的安全监测提供重要依据。

Description

一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种野外冰厚冰速自动测量方法，尤其涉及一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法。

背景技术

渤海海域油气资源丰富，但整体较为分散，考虑效益最大化原则，我国在渤海海域投产的油气平台多为边际油田，用钢量较少。由于渤海海域属于高纬度海域，冬季存在较为严重的海冰灾害，边际油田在海冰冲击下会产生较为严重的冰激振动，严重威胁平台安全生产。相关研究表明，海冰撞击平台时产生的激振力主要与冰厚、冰速以及撞击宽度有关。其中撞击宽度与平台结构参数有关，为已知量。故海冰的厚度与速度直接决定了作用在平台上的冰力大小。

对于现场海冰冰厚的测量，传统测量方法主要有俯视雷达测量、仰视声呐测量、电磁波测量、卫星遥感测量等，但现场使用均存在测量精度无法满足工程要求的问题。毕祥军等提出了海冰厚度的现场图像测量方法，其基本测量原理是处于小视角时，物体与其像的投影关系为线性，如图1所示。图中f为镜头的焦距，D为物体与镜头间的距离(物距)，α为测量的视角，H为真实物体大小，h为成像大小。当焦距f与物距D不变的情况下，H与h间的比例系数ξ不变，即H＝ξ×h。因此冰厚和冰速测量之前，需要通过现场进行标定得到固定的比例系数ξ，再通过海冰破碎翻转后的断面及冰面上的特征点的移动图像获取像素h，进而计算得到海冰翻转的断面厚度及海冰特征点的移动速度，即冰厚与冰速。

上述图像法测量冰厚与冰速的前提是焦距f和物距D都是固定不变的，并近似认为像距d等于焦距f。但是实际应用中由于受到潮汐的影响，海冰距离镜头的距离与海冰的破碎位置实际上是变化的，且d≠f，因此标定值ξ存在较大误差。同时由于镜头距离海面较远，有时候需要变换镜头的焦距f来获得最佳的海冰图像信息，这就给现场标定工作带来了困难，直接影响了该方法的现场使用。海冰冰厚与冰速直接影响海洋平台的冰振情况，因此如何准确测量海冰冰厚与冰速成为平台安全监测的重要问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于可变焦图像法的野外冰厚与冰速自动测量方法。由光学成像原理可知物距D、像距d以及焦距f间的物理关系为当物距D不变的情况下，焦距f越大，物距d越大，成像h也就越大；当焦距f不变的情况下，物距D越大，像距d越小，成像h也就越小。故实物大小H、像素大小h以及物距D之间的物理关系为其中函数K由像距d以及焦距f确定。若可确定物距D、函数K，结合像素宽度h即可求出实物大小H。

本发明的具体技术方案为：

一种基于可变焦图像法的野外冰厚与冰速自动测量方法，包括以下步骤：

第一步，标定函数K；

1)根据待测平台所在海域的潮流变化表，确定摄像头与海面间距离范围，实际测量过程中物距D远大于焦距f与像距d，根据公式则像距d等于焦距f。

2)测出标准件在上述距离范围内单位像素对应长度与物距D之间的对应关系，当物距D远大于焦距f时，与D之间为线性关系

3)绘制出可变焦高清摄像头的不同焦距f对应的与D关系曲线，关系曲线的斜率即为函数K，存储至计算机中。

第二步，实际测量冰厚与冰速；

(一)测量冰厚

1)将可变焦高清摄像头安装于云台上，云台位于平台上层甲板边缘；根据海冰与平台间距离调整云台，进而调整可变焦高清摄像头的拍摄角度，使摄像头对准冰层断面，获得高质量的冰层断面图。

2)通过测距仪获得可变焦高清摄像头与其拍摄的冰层断面之间的距离信息D，存储至计算机中。

3)根据可变焦高清摄像头的实际拍摄焦距f，调用第一步中对应的函数K，结合距离信息D与冰层断面图所包含的像素点个数准确计算出冰层断面的厚度H。

(二)测量冰速

1)调整可变焦高清摄像头的角度使其与海面垂直，利用测距仪测出可变焦高清摄像头与海冰间距离D，拍摄已知时间段内海冰的漂移图像。

2)通过图像处理得到同一海冰在已知时间段内移动的像素距离h，结合可变焦摄像机提供的焦距信息f与测距仪提供的距离信息D即可调用函数K，计算出撞击平台的海冰冰速。

本发明的有益效果是：该方法可在实验室进行标定，有效避免由于野外工况恶劣与条件所限带来的标定困难与标定误差；可标定摄像头的全部焦距信息，避免了实际测量过程中由焦距变化所带来的系统误差；利用测距仪搭配可变焦摄像头使用，可以准确测出摄像头与冰面间距离，避免了由于潮位变化引起的测量误差，提高了测量精度，根据潮高情况调整摄像头焦距，增加图像信息获取的精度，系统适应性强；引入云台使摄像头的角度可变，根据海冰与平台作用位置的不同调整摄像头角度，该海冰冰厚测量系统构成简单，可靠性高，可以适应海上高湿度、高盐度的恶劣工况，确保系统的可靠运行以获得完备的冰厚与冰速数据，为海洋平台的安全监测提供重要依据。

附图说明

图1为本发明光学成像原理图；

图2为本发明焦距、物距与成像大小间关系图；

图3为本发明现场摄像头安装示意图。

图中：1可变焦高清摄像头；2云台；3测距仪；4平台；5撞击平台的海冰。

具体实施方式

如下结合附图和具体实施过程对本发明进行详细描述。

一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法，包括以下步骤：

第一步，在实验室标定函数K；

1)根据待测平台所在海域的潮流变化表，确定摄像头与海面间距离范围，由于现场实际测量中摄像头与冰面间的距离通常在15米以上，物距D远大于焦距f与像距d，根据公式则认为像距d等于焦距f。

2)测出标准件在上述距离范围内单位像素对应长度与物距D之间的对应关系，当物距D远大于焦距f时，与D之间为线性关系

3)绘制出可变焦高清摄像头1的不同焦距f对应的与D关系曲线，关系曲线的斜率即为函数K，存储至计算机中。如图2所示，M点表示物距远大于焦距的点(通常为物距达到焦距的100倍以上)，L1～L3分别表示焦距f由大到小情况下与D间关系曲线。

第二步，实际测量冰厚与冰速；

实际野外测量中，图像处理时可以根据可变焦高清摄像头1反馈的焦距信息f与测距仪3反馈的距离信息D自动调用已在实验标定的函数K，结合所得海冰断面或一定时间内特征点移动距离的像素大小h，即可准确计算出物体长度或移动距离H。以此为基础，准确测量海冰冰厚与冰速。

(一)测量冰厚

1)如图3所示，将可变焦高清摄像头1安装于云台2上，云台2位于平台4上层甲板边缘；根据海冰5与平台间距离调整云台2，进而调整可变焦高清摄像头1的拍摄角度，使摄像头对准冰层断面，获得高质量的冰层断面图。

2)通过测距仪3获得可变焦高清摄像头1与其拍摄的冰层断面之间的距离信息D，存储至计算机中。

3)根据可变焦高清摄像头1的实际拍摄焦距f，调用第一步中对应的函数K，结合距离信息D与冰层断面图所包含的像素点个数准确计算出冰层断面的厚度H。

(二)测量冰速

1)调整可变焦高清摄像头1的角度使其与海面垂直，利用测距仪3测出可变焦高清摄像头1与海冰间距离D，拍摄已知时间段内海冰的漂移图像。

2)通过图像处理得到同一海冰在已知时间段内移动的像素距离h，结合可变焦摄像机提供的焦距信息f与测距仪提供的距离信息D即可调用函数K，计算出撞击平台的海冰冰速。

Claims (1)

1.一种基于可变焦图像法的野外冰厚冰速自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，标定函数K；

1)根据待测平台所在海域的潮流变化表，确定摄像头与海面间距离范围，实际测量过程中物距D远大于焦距f与像距d，根据公式则像距d等于焦距f；

2)测出标准件在上述距离范围内单位像素对应长度与物距D之间的对应关系，当物距D远大于焦距f时，与D之间为线性关系

3)绘制出可变焦高清摄像头(1)的不同焦距f对应的与D关系曲线，关系曲线的斜率即为函数K，存储至计算机中；

第二步，实际测量冰厚与冰速；

(一)测量冰厚

1)将可变焦高清摄像头(1)安装于云台(2)上，云台(2)位于平台(4)上层甲板边缘；根据海冰(5)与平台间距离调整云台(2)，进而调整可变焦高清摄像头(1)的拍摄角度，使摄像头对准冰层断面，获得高质量的冰层断面图；

2)通过测距仪(3)获得可变焦高清摄像头(1)与其拍摄的冰层断面之间的距离信息D，存储至计算机中；

3)根据可变焦高清摄像头(1)的实际拍摄焦距f，调用第一步中对应的函数K，结合距离信息D与冰层断面图所包含的像素点个数准确计算出冰层断面的厚度H；

(二)测量冰速

1)调整可变焦高清摄像头(1)的角度使其与海面垂直，利用测距仪(3)测出可变焦高清摄像头(1)与海冰间距离D，拍摄已知时间段内海冰的漂移图像；

2)通过图像处理得到同一海冰在已知时间段内移动的像素距离h，结合可变焦摄像机提供的焦距信息f与测距仪提供的距离信息D即可调用函数K，计算出撞击平台的海冰冰速。