[發明專利]一種養殖網箱動態響應三維物理模擬測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201110316856.6
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102507134A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 趙云鵬;董國海;李玉成
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;A01K61/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種養殖網箱動態響應三維物理模擬測量裝置，其特征在于：包括電荷耦合元件圖像傳感器A(1)、電荷耦合元件圖像傳感器B(2)、同步時序控制器(3)、采集與處理數據用的計算機(4)和水槽(6)，所述的采集與處理數據用的計算機(4)通過電纜與同步時序控制器(3)連接，所述的同步時序控制器(3)通過電纜分別與電荷耦合元件圖像傳感器A(1)和電荷耦合元件圖像傳感器B(2)連接，所述的電荷耦合元件圖像傳感器A(1)和電荷耦合元件圖像傳感器B(2)并列安裝在水槽(6)之外水氣交接面處。

2.一種養殖網箱動態響應三維物理模擬測量裝置的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、圖像獲取

為了獲得跟蹤點(7)的三維運動信息，需在水槽(6)的一側布置電荷耦合元件圖像傳感器A(1)和電荷耦合元件圖像傳感器B(2)，兩個電荷耦合元件圖像傳感器水平互成角度放置于水槽(6)玻璃面板以外，通過同步時序控制器(3)使兩個電荷耦合元件圖像傳感器同步采集圖像；電荷耦合元件圖像傳感器圖像采集為黑白圖像采集，黑白圖像采用8位色階；

所述的跟蹤點(7)采用發光二極管制成，放置于測量點處，所述的測量點包括網箱(5)的浮架前系纜點、浮架后系纜點、浮架中點以及網箱(5)底中點；

B、跟蹤點(7)掃描

兩個電荷耦合元件圖像傳感器采集獲得成千上萬張8位位圖系列圖像后，采用可視化編程軟件Delphi將系列圖像按時間順序逐個調入，以上一張圖像中的跟蹤點(7)坐標為中心，在本張圖像中設置一定的掃描范圍，讀取該范圍內每一個像素點的灰階值，若該像素點的灰階值大于給定閥值，則記錄下當前像素點的圖像坐標，繼續下一個像素點的掃描，直至設定范圍內的所有像素點；所述的給定閥值應當能夠區分跟蹤點(7)及背景色，閥值取跟蹤點(7)和背景色灰階值的中間值；

所述的圖像的掃描范圍取決于跟蹤點(7)的運動速度和圖像的采集幀率；一般情況下，跟蹤點(7)的運動速度越大掃描范圍應該越大，圖像的采集幀率越大掃描范圍則可以相對縮小；

在掃描結束后，將所有大于給定閥值像素點的x、y坐標分別進行平均，以作為本張圖像中跟蹤點(7)的新坐標；相同操作應用于每張圖像，最終可以得到跟蹤點(7)的運動軌跡圖像；

C、圖像數據處理

掃描后獲得的跟蹤點(7)運動軌跡均為像素坐標，它與實際坐標存在單位和方向兩個方面的差異；圖像數據處理包括以下步驟：

C1、將掃描后每個電荷耦合元件圖像傳感器獲得的像素坐標轉化為實際的二維坐標；

由像素坐標系至實際坐標存在坐標轉換問題；一般情況下，像素坐標的原點均位于圖像左上角，但實際坐標系的原點則可以任意選定，實際上常常以電荷耦合元件中心在圖像上的像點作為實際坐標系的原點；在坐標轉換過程中，先進行單位轉換后再進行方向轉換，反之亦然；像素坐標系至實際坐標轉換方法如下：

從光的傳播角度來看，電荷耦合元件圖像傳感器與普通照相機的成像原理相同，因此跟蹤點(7)的成像可以簡化為小孔成像；由成像原理及像素坐標系與實際坐標系的關系，在像平面內取x’軸與波浪傳播方向相反為正，y’軸與源平面y軸方向相同；T1、T2跟蹤點(7)位于源平面即xoz平面內，T1’、T2’為跟蹤點(7)在電荷耦合元件中的像點，位于像平面即x’o’z’平面內；像平面內的像點坐標均為像素點單位，而源平面內跟蹤點(7)均以cm或m為坐標單位，兩者存在特定的轉換比例，設為K，其意義為跟蹤點(7)至源平面原點O的實際距離與像點至像點中心O’的像素距離的比值；

所述的K值與電荷耦合元件的類型有關，可以根據實際情況進行測定，對于給定的電荷耦合元件，在已知距離L和像點坐標后，K值是一確定的表達式；在已知K值后，即可由像素坐標換算出實際坐標；

C2、通過重構的方法，獲得跟蹤點(7)的三維實際坐標；

跟蹤點(7)三維實際坐標的獲得方法主要是要獲得任意P點二維圖像坐標和三維圖像坐標之間的轉換關系；

這里假定P點的圖像坐標為已知，r_p＝[x_p，y_p，z_p]^T為P點三維實際坐標，為P點在對于電荷耦合元件圖像傳感器A(1)在像平面內的二維坐標；對于電荷耦合元件圖像傳感器A(1)，可以定義一個矩陣[A^(A)]和矢量b^(A)，則存在如下關系：

αX(A)Y(A)1=[A(A)]xyz+b(A)---(1)]]>

利用設定已知點來校正上式，獲得公式中的未知參數，從而獲得對于電荷耦合元件圖像傳感器A(1)中圖像坐標和實際坐標的轉換關系；同理電荷耦合元件圖像傳感器B(2)的轉換關系亦可獲得；而空間P點的坐標為應為射線r_AP和r_BP的交點；射線r_AP和r_BP可由下式確定：

r_AP(α)＝r_A+αS_AP????(2)

r_BP(α)＝r_B+βS_BP????(3)

假定在射線r_AP和r_BP上M和N點為射線上距離最近點，則真實點P應在M和N點連線的中點；

rp=12[rM+rN]---(4)]]>

l=[rN-rM]T[rN-rM]---(5)]]>

根據以上條件利用最小二乘方法，即可求得P點的真實三維坐標；

其中矢量r_M和r_N可由下式獲得

r_M＝r_A+α_MS_AP

r_N＝r_B+β_NS_BP

SApTSAp-SApTSBpSBTSAp-SBpTSBpαMβN=[rB-rA]TSAP[rB-rA]TSBP]]>

D、數據分析

經過圖像數據處理后，即可獲得固定于網箱(5)上的跟蹤點(7)在靜止和各時間點的坐標；將各時間點的坐標與靜止坐標比較即可獲得跟蹤點(7)的位移量及運動幅度；另外根據兩個相鄰時間點的坐標及圖像采集的幀率即可算出在該時間段內跟蹤點(7)的平均運動速度和平均加速度；如若同時跟蹤兩個點的運動，則還通過兩個跟蹤點(7)在同一時間點的坐標關系獲得網箱(5)模型的傾角變化過程。