[發明專利]基于主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置

有效

• 申請號: 201310520389.8
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN103591939A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 臧志鵬;高福平;姜海洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01C11/02
• 分類號: G01C11/02;G01C13/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 王藝

技術領域

本發明涉及實驗室模擬海床地形測量方法及測量裝置。

背景技術

海洋工程中由于海流和波浪對海床的長期沖刷侵蝕作用以及海底沙波的推移，使坐落在海床中的海洋平臺和海上風電設備的基礎以及海底輸油管線等發生裸露甚至懸空，造成整體結構的失穩，引發嚴重的災難。海床地形演變是一個動態的過程，對于海床地形的精確、實時測量是研究沙波運動和局部沖刷機理及規律的重要基礎。

實驗室模擬是研究海床地形演變對海洋工程結構物影響的一種重要手段。實驗室模擬海床地形變化包括大尺度的沙波運移和結構物周圍小尺度的局部沖刷。目前，實驗室通常采用超聲波或激光測距儀類型的地形儀通過空間逐點掃描進行水下地形測量。基于超聲和激光特性，探頭必須伸入水面以下往復運動對地形進行掃描，因此在測量方式上屬于接觸式測量和非同步測量。探頭的存在會對局部流場，尤其是對模擬海洋工程結構物周圍的流場，產生明顯的干擾。非同步測量會難以捕捉某些特殊情況下迅速變化的整個模擬海床地形，比如沖刷起動的瞬間。

此外，通常基于被動視覺進行的圖像采集，地形特征點數量較少，且計算機不容易分辨，獲取的地形數據精度不高，

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法及測量裝置，以非接觸、同步、高精度地測量模擬海床的地形。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于主動立體視覺技術的模擬海床地形測量方法，其包括以下步驟：（1）在至少有一側壁上有玻璃的實驗水槽的一玻璃側壁外側布置雙目相機，使雙目相機正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形，將雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像采集卡連接，由控制主機自動采集圖像，并進行分析和處理；（2）用標定系統標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所采集到的圖像的空間坐標，標定系統至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板，標定時，將標定板豎直伸入實驗水槽內，使標定板的中心高度與正式實驗時海床的平均高度一致，標定板上繪有黑白相間正方塊圖案的面與雙目相機正對的玻璃側壁平行，且朝向雙目相機側，然后，使標定板沿水平方向一步步地從實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁處移動到正對的遠離雙目相機的側壁處，同時，雙目相機對起始位置起每一步位置處的標定板進行圖像采集，直到終點位置，以確定在不同位置處采集到的圖像的空間標定系數；標定完成后，將標定板提升至實驗水槽的水面之上；（3）用砂雨法海床制備系統在實驗水槽內制備出模擬海床；（4）用主動結構光系統向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或激光點陣圖像，或定時出現的激光點陣圖像，并設定好雙目相機的拍攝頻率；（5）用波流控制系統在實驗水槽內產生波流，以模擬海流和波浪，進行正式的海床沖刷試驗；（6）由雙目相機對實驗水槽中投射有圖像的模擬海床地形進行拍攝，控制主機對采集到的模擬海床地形圖像進行分析和處理，基于已有的標定系數，得到模擬海床地形的三維數據。

特別闡明：所述主動結構光指能夠投射出結構化紋理圖像、網格圖像或激光點陣圖像的光學系統或光電系統。

一種基于主動立體視覺技術的模擬海床地形測量裝置，其包括實驗水槽，砂雨法海床制備系統、波流控制系統、雙目相機、控制主機、標定系統、主動結構光系統，所述實驗水槽至少有一側壁上有玻璃；所述雙目相機布置在實驗水槽的一玻璃側壁的外側，且正對該玻璃側壁的玻璃，相機鏡頭對準實驗水槽中模擬海床的被測地形；雙目相機通過數據線與控制主機內的圖像采集卡連接，由控制主機自動采集圖像，并進行分析和處理；所述標定系統用于標定雙目相機對距離其不同遠近位置處的點所采集到的圖像的空間坐標，所述標定系統至少包括一上面精確地繪有黑白相間正方塊圖案的平板狀標定板；所述砂雨法海床制備系統用于在實驗水槽內制備出模擬海床；所述波流控制系統用于在實驗水槽內產生模擬海流和波浪，進行海床沖刷試驗；主動結構光系統用于向模擬海床投射一幅能覆蓋整個被測量區域的靜止的結構化紋理圖像、網格圖像或激光點陣圖像，或定時出現的激光點陣圖像。

優選地，所述標定系統包括底座、步進電機，滾珠絲杠、滑動螺母、連接桿、標定板，所述底座橫跨在實驗水槽的靠近雙目相機的玻璃側壁和另一相對的側壁之上，底座的一端安裝有步進電機，步進電機與所述控制主機連接，滾珠絲杠的一端與步進電機傳動連接，另一端通過軸承設置在底座的另一端上，滑動螺母配合設置在滾珠絲杠上，滑動螺母上豎直安裝連接桿，連接桿的下端豎直安裝標定板。