CN114136544A - 基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统及方法，其中水下振动模拟测试系统包括水下高速相机、测试水池、水上控制装置、测试对象和造浪装置，测试对象固定在测试水池内，水下高速相机安装在测试水池的侧壁上，水下高速相机的镜头对准测试对象，水上测试系统与水下高速相机进行电连接，测试水池内填充有水，水下高速相机和测试对象分别设置在水面下，造浪装置设置在水面上。与现有技术相比，本发明具有验证结果准确、稳定性好、实用性强等优点。

Description

基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及水下振动测试及验证技术领域，尤其是涉及一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统及测试方法。

背景技术

伴随着大规模的海洋开发利用工程活动，精确提取水下结构对象在工程实验过程中的瞬态三维形成为了当前视频测量的前沿研究问题，也是军事工程、海洋工程等领域高速实验的新测试方法，具有重要的应用需求。目前对水下设备的检测和测量方法主要有：声纳法、电磁波传感检测、光线传感器、水下激光成像检测等。基于视觉的水下测量技术由于灵活方便成本低的优点，得到了广泛的研究。

中国专利CN105698767B中公开了一种基于视觉的水下测量方法，该专利中的水下测量方法利用建立的较为准确的水下成像模型实现相机的精确标定。利用相机标定参数实现了水下的二维测量和双目的三位测量，该专利中的水下测量方法仅适用于水下静态对象尺寸测量的场景，应用场景较为单一，无法解决水下动态目标运动参数测量的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种验证结果准确、稳定性好的基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统及测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，所述的水下振动模拟测试系统包括水下高速相机、测试水池、水上控制装置、测试对象和造浪装置；所述的测试对象固定在测试水池内；所述的水下高速相机安装在测试水池的侧壁上，水下高速相机的镜头对准测试对象；所述的水上测试系统与水下高速相机进行电连接；所述的测试水池内填充有水；所述的水下高速相机和测试对象分别设置在水面下，造浪装置设置在水面上。

优选地，所述的水上控制装置包括工控机；所述的工控机与水下高速相机进行电连接。

更加优选地，所述的水上控制装置还包括同步控制器；所述的同步控制器的一端与工控机进行电连接，另一端与水下高速相机进行电连接。

优选地，所述的测试对象包括目标物以及均匀贴装在目标物上的若干个控制点标志。

优选地，所述的水下振动测试模拟系统还设有用于对测试水池进行照明的照明光源。

一种用于上述基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统的基于高速视频测量的水下振动测试方法，所述的水下振动测试方法包括：

步骤1：对实验场景进行布设；

步骤2：对视频测量网络进行布设；

步骤3：进行高速视频测量，并对测量结果进行验证；

步骤4：进行水下振动测试。

优选地，所述的步骤3具体为：

进行高速视频测量，并根据验证指标对测量结果进行验证；

验证指标包括成像质量验证、设备密封性验证、数据传输存储质量验证、水下相机标定验证以及三维重建精度验证。

更加优选地，所述的成像质量验证的方法为：

沿垂直于水下高速相机镜头方向，以不同的距离拍摄同一标定板，对拍摄的标定板影像进行标定点识别，根据识别结果判断成像质量。

更加优选地，所述的三维重建精度验证方法为：

分别通过光束法平差算法和相对定向-绝对定向算法进行三维重建，并对其精度进行验证。

优选地，所述的步骤4具体为：

通过目标跟踪策略获取目标点位的二维序列影像坐标，在已知相机外方位元素的情况下，通过前方交会算法计算出目标点的三维空间坐标，进而通过坐标差获取目标点位的三维位移时程曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、验证结果准确：本发明中的水下振动模拟测试系统及测试方法采用成像质量验证、设备密封性验证、数据传输存储质量验证、水下相机标定验证以及三维重建精度验证四个验证指标对系统性能进行验证，验证结果更加客观准确；同时通过与高精度位移传感器、高精度全站仪等测量结果的对比分析，进一步验证了水上水下一体化分布式高速视频测量方法在水下工程精密测量中的适用性和可靠性。

二、稳定性好：本发明中的水下振动模拟测试系统及测试方法验证了水下高速相机的密封性以及数据传输存储质量验证，保证了数据采集的稳定性和安全性，为后续的振动响应分析提供了可靠的数据源。

三、实用性强：本发明中的水下振动模拟测试系统及测试方法实现了高时间分辨率的数据采样，在此基础上重建每个时刻测试目标动态位置的三维坐标，获取水下测试对象的运动轨迹等运动参数；该系统和测试方法既可以应用于静态场景，也可以用于动态场景，实用性较强。

附图说明

图1为本发明中水下振动测试模拟系统的结构示意图；

图2为本发明中测试方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中目标点三维位移时程曲线示意图；

其中，图3(a)为目标点标记图，图3(b)和图3(c)为目标点在X方向的位移时程曲线，图3(d)和图3(e)为目标点在Y方向的位移时程曲线，图3(f)和图3(g)为目标点在Z方向的位移时程曲线。

图中标号所示：

1、水下高速相机，2、测试水池，3、水上控制装置，4、测试对象，5、照明光源，301、工控机，302、同步控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其结构如图1所示，包括水下高速相机1、测试水池2、水上控制装置3、测试对象4和造浪装置，测试对象4固定在测试水池2内，水下高速相机1安装在测试水池2的侧壁上，水下高速相机1的镜头对准测试对象4，水上测试系统3与水下高速相机1进行电连接，测试水池2内填充有水，水下高速相机1和测试对象4分别设置在水面下，造浪装置设置在水面上。

水上控制装置3包括工控机301，工控机301与水下高速相机1进行电连接。水上控制装置3还包括同步控制器302，同步控制器302的一端与工控机301进行电连接，另一端与水下高速相机1进行电连接。

测试对象4包括目标物以及均匀贴装在目标物上的若干个控制点标志。

水下振动测试模拟系统还设有用于对测试水池2进行照明的照明光源5。

本实施例还涉及一种用于上述模拟测试系统的测试方法，包括：

步骤1：对实验场景进行布设，

步骤2：对视频测量网络进行布设，

步骤3：进行高速视频测量，并采用验证指标对测量结果进行验证；

验证指标包括成像质量验证、设备密封性验证、数据传输存储质量验证、水下相机标定验证以及三维重建精度验证。

成像质量验证的方法为：

沿垂直于水下高速相机镜头方向，以不同的距离拍摄同一标定板，对拍摄的标定板影像进行标定点识别，根据识别结果判断成像质量。

三维重建精度验证方法为：

分别通过光束法平差算法和相对定向-绝对定向算法进行三维重建，并对其精度进行验证；

步骤4：进行水下振动测试；

通过目标跟踪策略获取目标点位的二维序列影像坐标，在已知相机外方位元素的情况下，通过前方交会算法计算出目标点的三维空间坐标，进而通过坐标差获取目标点位的三维位移时程曲线。

下面提供一个具体的实施例：

一、实验场景的布设

布设地点位于某高校的海上逃生实验室内，水池中的水深度为4m。沿一侧游泳池壁建有一个距离泳池底部3m高的平台，该平台与水面间的距离为1m。实验将在水中平台上进行。造浪装置采用水球，水球上下浮动以模拟水中振动环境，水中框架结构受该外力作用将发生移动。

一个尺寸约为850×300×1200mm的钢制框架被视为目标结构物，框架上均匀粘贴圆形人工标志，这些人工标志是具有反射片的控制点标志以建立三维控制场。

二、视频测量网络的布设

设置两台水下高速相机，能够拍摄影像尺寸为2304×1720像素的灰度影像，且相机配备了25mm的定焦镜头。该款水下高速相机被固定在稳定的支架上，并进一步固定在水池壁上以保证拍摄过程中相机的稳定性。在相机安装布置完成后，需通过数据连接线与各自工控机相连以构成数据传输网络。此外，同步控制器经同步控制线分别与主控机和工控机相连以形成同步控制网络。

在实验过程中，两台高速相机将以交会拍摄的方式采集水下钢制框架的影像。照明光源采用500W卤素灯，以俯向照明的方式提高整个测量视场的亮度，保障高速相机获取到高质量的序列影像。

三、进行高速视频测量，并采用验证指标对测量结果进行验证

验证指标包括：

(1)成像质量验证，检验水下高速相机成像的清晰度以及相机的分辨率、视场范围等指标是否符合实验要求；

作为水下结构精密测量的关键之一，人工标志点位应在一定的视场景深中被精确地识别出来。水下成像质量将影响目标点的精确识别。高速相机的现场标定是视频测量解析的前提。因此。为了验证高速相机的水下成像质量，可以通过垂直于高速相机1.50m、1.60m、1.70m、1.80m、1.90m和2.00m的距离对高精度标定板进行拍摄，并对所采集的标定影像进行点位识别。

经过验证，在1.50m～2.00m之间成像距离所拍摄的影像中，均能够识别出棋盘格标定板上的目标。这也说明了25mm的定焦镜头能够帮助高速相机在1.50m～2.00m的视场范围内采集到高质量的影像，满足了水下测量实验的视场需求。

(2)设备密封性验证，检验水下高速相机及其配套装置是否正常工作；

相机的密封性(防水性和绝缘性)将直接关乎着实验人员和实验设备的安全。水下高速相机使用金属外壳及密封胶来密封处理，数据传输线与相机接口间使用硅胶来密封处理，数据传输线外使用防水管进行包裹。在实验之前，两台水下高速相机已在水中安置约24个小时，均未出现相机漏水漏电现象，保障了实验的正常进行。

(3)数据传输存储质量验证，检验水下高速相机的数据采集存储是否可靠；

在高速视频测量系统中，高速相机将通过数据连接线(CoaXpress传输线)与工控机相连接，而这种有线连接的方式可以保证海量序列影像数据的高速传输与存储。如图1所示，实验过程中所拍摄的影像将实时地展示在工控机的显示界面上，且左右两台高速相机所采集的序列影像数据均未出现丢帧现象。为高速相机拍摄的原始影像，能够清楚地捕获到钢制框架上的圆形人工标志。

(4)水下相机标定验证，检验水下相机标定的平均反投影误差是否满足实验的精度要求(优于0.2像素)；

在水下相机标定过程中，人工手持标定板于水下分别对两台高速相机进行标定。在高速相机记录标定影像时，需要人为地移动标定板，使得标定板在整个视场范围内以各种姿态位置被拍摄。本次实验所使用的两种标定板使用Halcon标定板所估计出的像方反投影误差约为0.16像素，而使用棋盘格标定板所估计出的像方反投影误差约为0.12像素。两者标定精度均证明基于标准参数集的水下标定方法能够满足水下结构精密测量的需求。

(5)三维重建精度验证，检验目标点及全场三维坐标解算误差是否达标(优于1.0mm)。

相机的外方位估计和未知点位的序列三维重建主要采用两种算法，当相机公共视野范围内控制点数目较多且分布均匀时，采用基于序列影像的光束法平差算法，而当相机公共视野范围内控制点有限时，则建议使用相对定向-绝对定向算法。在实验过程中，两台高速相机被固定在稳定支架上，分别调节两台相机间的基线长度，于基线40cm，50cm和60cm处分别获取水下框架结构的同名影像。在这三对同名影像中，皆选取10个控制点参与光束法平差解算，选取3个控制点进行绝对定向解算，其余控制点作为检核点以验证三维重建的精度。如表1-表3所示，相对定向-绝对定向算法的点位重建精度与光束法平差精度相当。

表1 40cm基线下的检核点精度对比

表2 50cm基线下的检核点精度对比

表3 60cm基线下的检核点精度对比

四、水下振动测试

通过目标跟踪策略能够获取目标点位的二维序列影像坐标。在已知相机外方位元素的情况下，通过前方交会算法能够计算出目标点的三维空间坐标，进而通过坐标差获取目标点位的三维位移时程曲线。如图3所示，在水波动的影响下，钢制框架上的各层目标点位发生位移现象。各目标点位的位移时程曲线描绘了框架在水下的三维运动状态。

本发明设计了水下振动模拟实验方案与验证方法，通过水下相机标定、水下目标识别和跟踪、多介质成像解析、水下目标三维重建等关键算法获取水下目标结构的三维动态变化，并通过与高精度位移传感器、高精度全站仪等测量结果的对比分析，进一步验证了水上水下一体化分布式高速视频测量方法在水下工程精密测量中的适用性和可靠性。通过本发明设计的实验方案，水下高速相机能够在水环境中清晰地拍摄序列影像，并且将影像数据实时地传输到各子控机中。通过高精度标定板可以精确地获取相机的内方位元素，其反投影误差能够达到0.12-0.16个像素。本实验同时使用光束法平差法和相对定向-绝对定向法对水中目标点的三维坐标进行求解，其点位测量精度可以达到约0.5mm。因此，基于标准参数集的水下相机标定算法能够直接适用于精确的水下光学成像几何解析，成功地将光学折射畸变补偿至常规的镜头畸变参数中。此外，本实验同样验证了相对定向-绝对定向法与光束法平差法的计算精度相当，使测量方案仅需少量参考点便可建立相机像方与物方的透视几何关系。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其特征在于，所述的水下振动模拟测试系统包括水下高速相机(1)、测试水池(2)、水上控制装置(3)、测试对象(4)和造浪装置；所述的测试对象(4)固定在测试水池(2)内；所述的水下高速相机(1)安装在测试水池(2)的侧壁上，水下高速相机(1)的镜头对准测试对象(4)；所述的水上测试系统(3)与水下高速相机(1)进行电连接；所述的测试水池(2)内填充有水；所述的水下高速相机(1)和测试对象(4)分别设置在水面下，造浪装置设置在水面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其特征在于，所述的水上控制装置(3)包括工控机(301)；所述的工控机(301)与水下高速相机(1)进行电连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其特征在于，所述的水上控制装置(3)还包括同步控制器(302)；所述的同步控制器(302)的一端与工控机(301)进行电连接，另一端与水下高速相机(1)进行电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其特征在于，所述的测试对象(4)包括目标物以及均匀贴装在目标物上的若干个控制点标志。

5.根据权利要求1所述的一种基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统，其特征在于，所述的水下振动测试模拟系统还设有用于对测试水池(2)进行照明的照明光源(5)。

6.一种用于如权利要求1所述基于高速视频测量的水下振动模拟测试系统的基于高速视频测量的水下振动测试方法，其特征在于，所述的水下振动测试方法包括：

步骤1：对实验场景进行布设；

步骤2：对视频测量网络进行布设；

步骤3：进行高速视频测量，并对测量结果进行验证；

步骤4：进行水下振动测试。

7.根据权利要求6所述的一种基于高速视频测量的水下振动测试方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：

进行高速视频测量，并根据验证指标对测量结果进行验证；

验证指标包括成像质量验证、设备密封性验证、数据传输存储质量验证、水下相机标定验证以及三维重建精度验证。

8.根据权利要求7所述的一种基于高速视频测量的水下振动测试方法，其特征在于，所述的成像质量验证的方法为：

沿垂直于水下高速相机镜头方向，以不同的距离拍摄同一标定板，对拍摄的标定板影像进行标定点识别，根据识别结果判断成像质量。

9.根据权利要求7所述的一种基于高速视频测量的水下振动测试方法，其特征在于，所述的三维重建精度验证方法为：

分别通过光束法平差算法和相对定向-绝对定向算法进行三维重建，并对其精度进行验证。

10.根据权利要求6所述的一种基于高速视频测量的水下振动测试方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：

通过目标跟踪策略获取目标点位的二维序列影像坐标，在已知相机外方位元素的情况下，通过前方交会算法计算出目标点的三维空间坐标，进而通过坐标差获取目标点位的三维位移时程曲线。

Images