CN109668511A - 一种适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置及方法，包括主控计算机和水槽，水槽底部设有托盘，顶部有带连接杆的滑动支座和滑动座，滑动座的连接杆底部设标定板，滑动支座的连接杆底部安装扫描装置，扫描装置的密封舱内有控制板和双目摄像机，双目摄像机两个镜头安装滤光片，滤光片为520nm高透可见光截止滤光片，密封舱顶部有数字舵机，数字舵机上安装520nm一字线激光器。其方法包括将该测量装置中的扫描装置浸没于水中进行标定后，启动扫描装置，数字舵机带动激光器投射的线结构光移动，基于所获得的标定参数，计对采集到的图像进行分析处理，得到人工鱼礁堆积的水下三维坐标，使水槽实验中人工鱼礁堆积形态的测量精度和效率大大提高。

Description

一种适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置及方法，涉及基于线结构光双目立体视觉技术。
背景技术
人工鱼礁是人工置于天然水域环境中用于修复和优化水域生态环境的构造物，投放的规模（即空方体积）决定了人工鱼礁的影响范围。空方体积是人工鱼礁外部结构几何轮廓（包络面）所包围的体积，由于人工鱼礁堆积的形态结构受底质、水深、人工鱼礁单体形状等因素影响，导致其空方体积也会不同，对于人工鱼礁堆积形态的高效、精确测量是研究人工鱼礁堆积空方体积规律的重要基础。
水槽模型实验是研究不同因素对人工鱼礁堆积影响的一种重要手段，涉及水深、底质、流速等多种因素。已有技术通常采用点激光并结合水槽标尺测量获取三维坐标，建立规则几何体替代外轮廓并以此包络计算空方体积。但是基于水槽标尺的方法获取的特征点数量较少，效率较低，其建立的几何体不能呈现人工鱼礁堆积的外部几何轮廓。
此外，水槽模型实验通常采用的基于三角法的三维激光扫描测距仪，使用单目摄像头结合线激光器投射线结构光进行三维坐标测量，对线激光器与摄像头之间的安装精度高，极易产生误差，导致获取的数据精度不高；基于双目立体匹配算法采集三维坐标，水下堆积的人工鱼礁特征点数量较少且特征相似导致计算机不容易分辨，获取的数据精度不高。
因此，非常有必要一种既满足实验室水槽条件、测量高效、且适合人工鱼礁堆积的水下三维坐标测量方法及测量装置，以便-----在人工鱼礁堆积规律的研究中，解决水下测量人工鱼礁堆积体外部几何轮廓精度不高、效率低下等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线结构光双目立体视觉技术且适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置及方法，以满足在实验室水槽环境下对人工鱼礁堆积形态的测量要求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置，包括主控计算机和水槽，其特征在于该水槽底部设有托盘，顶部设有滑动支座和滑动座，滑动支座和滑动座下方分别设有连接杆，其中滑动座的连接杆底部安装标定板，标定板为黑白棋盘格标定板；滑动支座的连接杆底部安装扫描装置，所述扫描装置包括密封舱，密封舱内有控制板和双目摄像机，双目摄像机的两个镜头前端安装滤光片，滤光片为520nm高透可见光截止滤光片，密封舱顶部设有数字舵机，数字舵机上安装520nm的一字线激光器；一字线激光器投射方向与双目摄像头朝向一致；数字舵机跟控制板通过数据线相连，控制板和双目摄像机分别通过数据线与主控计算机相连。
所述控制板采用ArduinoUNO开发板。
所述的一字线激光器还配有外置的激光器电源。
利用上述装置测量人工鱼礁堆积形态的方法，其特征是包括以下步骤：
（1）在水槽中布置扫描装置，使扫描装置浸没于水中，扫描装置通过数据线与主控计算机相连；
（2）用黑白棋盘格标定板标定扫描装置，标定时，将标定板伸入水槽内，标定板与双目摄像机之间的距离在所测量的深度范围之内，同时确保标定板中所有黑白棋盘格完整出现在双目摄像头所采集的画面内部，然后在所需测量深度范围内逐步移动标定板，同时通过主控计算机采集标定板在不同位置的图像，以确保所采集的图像覆盖所需测量范围；
（3）取出标定板和扫描装置，对采集到的标定图像进行分析和计算，获得标定参数；
（4）在水槽内进行投礁；
（5）调整扫描装置与连接杆的连接位置，使扫描装置浸没于水中后双目摄像头朝向礁体，通过主控计算机启动扫描装置，数字舵机带动激光器投射的线结构光移动，基于所获得的标定参数，计算机对采集到的具有线结构光投射纹理的图像进行分析和处理，得到人工鱼礁堆积的水下三维坐标。
本发明使水槽实验中人工鱼礁堆积形态的测量精度和效率大大提高，通过本发明获取的人工鱼礁堆积的水下三维坐标所建立的包络面可以有效评估堆积体的规模，降低了人工鱼礁堆积规模评估的误差。
附图说明
图1本发明的人工鱼礁堆积形态测量装置总体结构示意图。
图2本发明的人工鱼礁堆积形态测量装置的扫描装置示意图；
其中图2a为正视图，图2b为图2a的A-A剖视图，图2c为图2a的B-B剖视图。
图3 本发明的人工鱼礁堆积形态测量装置的扫描装置标定示意图。
其中：1、主控计算机；2、激光器电源；3、连接杆；4、扫描装置；5、滑动支座；6、水槽；7、堆积体；8、托盘；9、滑动座；10、标定板；11、标定范围；12密封舱；13、滤光片；14、双目摄像头；15、一字线激光器；16、数字舵机；17、控制板。
具体实施方式
如图1，本发明的人工鱼礁堆积形态的测量在实验水槽6中进行，将模型礁体投放于盛有模拟底质的托盘8中，并形成堆积体7。通过连接杆3将滑动支座5和扫描装置4连接，并使扫描装置4中的双目摄像头14朝向堆积体7。将滑动支座5架设于实验水槽6上方，调整连接杆3的高度，使扫描装置4浸没于水中，并通过线材将扫描装置4连接激光器电源2和主控计算机1。通过滑动支座5调整扫描装置4的位置，观察主控计算机1所显示图像，确定堆积体7出现在两幅画面中的位置，在确保扫描装置4浸没于水中的条件下，调整连接杆3的高度，并根据堆积体7在两幅画面中的占比来确定扫描次数，（1）若在两幅画面中堆积体7整体同时出现，则一次扫描即可；（2）若在两幅画面中堆积体7不可整体同时出现，则通过滑动支座5调整扫描装置4的位置并观察堆积体7出现在两幅画面中的位置来确定扫描次数，通过多次扫描进行拼接。调整并观察数字舵机16转动的始末位置，确保520nm一字线激光器15发出的线结构光能够出现在两幅画面中。通过主控计算机1启动扫描装置4的扫描功能，数字舵机16带动激光器15步进旋转，基于所获得的标定参数，计算机对采集到的具有线结构光投射纹理的图像进行分析和处理，得到人工鱼礁堆积的水下三维坐标。
如图2，本发明的测量装置的扫描装置以防水密封舱12为主体，将双目摄像头14的镜头贴近防水密封舱12的内壁一侧并固定，双目摄像头14的两个镜头前端各安置一片520nm窄带滤光片13，并将Arduino UNO开发板17安置在双目摄像头14后方，将数字舵机16固定安装在对应双目摄像头14正上方的防水密封舱12外部，并将520nm一字线激光器15安装在数字舵机16上方，并使520nm一字线激光器15发出的线结构光垂直出现在双目摄像头14所采集的画面中。
如图3，本发明的人工鱼礁堆积形态测量装置的扫描装置标定在实验水槽6中进行，通过连接杆3将滑动支座5和扫描装置4连接，将滑动支座5架设于实验水槽6上方，调整连接杆3的高度使扫描装置4浸没于水中，并通过线材将扫描装置4连接激光器电源2和主控计算机1。通过连接杆3将滑动座9和标定板10连接，将滑动座9架设于实验水槽6上方可使标定板10浸没于水中，并使标定板10上绘有黑白棋盘格的一面朝向扫描装置4。将标定板10在标定范围11内移动，观察主控计算机1所显示图像，确保标定板10中所有黑白棋盘格出现在两幅画面中，并通过主控计算机1采集标定板10在不同位置处的图像用于标定。对采集到的标定图像进行分析和计算，获得标定参数。

Claims (4)

1.适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置，包括主控计算机（1）和水槽（6），其特征在于该水槽（6）底部设有托盘（8），顶部设有滑动支座（5）和滑动座（9），滑动支座（5）和滑动座（9）下方分别设有连接杆（3），其中滑动座（9）的连接杆（3）底部安装标定板（10），标定板（10）为黑白棋盘格标定板；滑动支座（5）的连接杆（3）底部安装扫描装置（4），所述扫描装置（4）包括密封舱（12），密封舱（12）内有控制板（17）和双目摄像机（14），双目摄像机（14）的两个镜头前端安装滤光片（13），滤光片（13）为520nm高透可见光截止滤光片，密封舱（12）顶部设有防水数字舵机（16），防水数字舵机（16）上安装520nm的一字线激光器（15）；一字线激光器（15）投射方向与双目摄像头朝向一致；防水数字舵机（16）跟控制板（17）通过数据线相连，控制板（17）和双目摄像机（14）分别通过数据线与主控计算机（1）相连。
2.如权利要求1所述的适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置，其特征是所述控制板（17）采用ArduinoUNO开发板。
3.如权利要求1所述的适用于水槽的人工鱼礁堆积形态测量装置，其特征是所述的一字线激光器（15）还配有外置的激光器电源（2）。
4.利用上述装置测量人工鱼礁堆积形态的方法，其特征是包括以下步骤：
（1）在水槽（6）中布置扫描装置（4），使扫描装置（4）浸没于水中，扫描装置（4）通过数据线与主控计算机（1）相连；
（2）用黑白棋盘格标定板（10）标定扫描装置（4），标定时，将标定板（10）伸入水槽（6）内，标定板与双目摄像机（14）之间的距离在所测量的深度范围之内，同时确保标定板（10）中所有黑白棋盘格完整出现在双目摄像头所采集的画面内部，然后在所需测量深度范围内逐步移动标定板（10），同时通过主控计算机（1）采集标定板在不同位置的图像，以确保所采集的图像覆盖所需测量范围；
（3）取出标定板（10）和扫描装置4，对采集到的标定图像进行分析和计算，获得标定参数；
（4）在水槽（6）内进行投礁；
（5）调整扫描装置（4）与连接杆（3）的连接位置，使扫描装置（4）浸没于水中后双目摄像头朝向礁体，通过主控计算机（1）启动扫描装置（4），数字舵机（16）带动激光器（15）投射的线结构光移动，基于所获得的标定参数，计算机对采集到的具有线结构光投射纹理的图像进行分析和处理，得到人工鱼礁堆积的水下三维坐标。
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