专利名称：船舶水下部分轮廓尺寸检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种水下物体外形成像技术，特别是一种船舶水下部分轮廓尺寸检测系统及其检测方法，其采用基于激光技术与摄像技术结合的图像处理方法。
背景技术：
船舶水下部分是指船体浸没在水中的部分。对于航运管理部门，如果能够准确掌握船舶水下部分的轮廓尺寸，就能够结合航道水深和水流的变化数据，配以货物装载情况， 计算出船舶的稳定高度，摇摆周期、左右吃水差、横倾角、纵倾角等重要稳定参数，再根据船闸闸室或升船机船箱的地形资料，合理安排船只通航闸次和在船闸(或船箱)内的泊位，从而保证通航顺利，确保人员、设备、船只和航道的安全。因此掌握船舶水下部分的准确轮廓尺寸，对于保证人员、设备、航道和船舶的安全都具有重要意义。目前，对船舶水下部分的检测仅限于船舶的吃水深度检测，如采用人工观测法、超声波水尺法、压力传感法等等，然而吃水深度是指船舶水下部分最低点到水面的距离，最多只能简单掌握左右舷首中尾六个部位的吃水数据(即六面水尺数据)，并未涉及船舶水下轮廓尺寸的检测，也没有体现该轮廓尺寸的技术信息。由于数据不完整，本领域技术人员不能掌握整个水下部分轮廓，需要凭借调度人员的工作经验来安排闸次和泊位。然而，目前的测量方式受测量人员主观影响较大，检查时检测设备必须上船或者进入水底检测，检测系统复杂，施工难度高，操作不方便，无法实现离船、准确、快速的检查要求。

发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够检测船舶水下轮廓尺寸、确保航行安全的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统及其检测方法。本发明所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统是通过以下途径来实现的
船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，其结构要点在于，包括有水下激光扫描装置、水下拍摄装置、图像处理子系统、升降装置和传输电缆，其中
水下激光扫描装置包括光学部分和转动部分，光学部分包括有沿同一光轴依序安装的激光发生器、激光扩束镜和光学平凹柱面镜；转动部分包括有全反射镜和步进电机，步进电机的转动轴通过全反射镜镜心且与镜面平行；转动部分的转动轴垂直于光学部分的光轴； 升降装置包括水平支架、垂直导轨和传动电机，垂直导轨安装在水岸边，并垂直于水面，水平支架垂直于该垂直导轨，其支撑点安装在垂直导轨的轨道中，并与传动电机电连接；
水下激光扫描装置和水下拍摄装置均安装放置在升降装置的水平支架上，并通过传输电缆与图像处理子系统连接。上述船舶水下部分轮廓尺寸检测系统的检测方法，其要点在于，包括如下步骤 提供一种如上所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，
启动传动电机，其带动放置有水下激光扫描装置和水下拍摄装置的水平支架沿着垂直导轨没入水中，并下降到设定位置，一般为航道规定吃水深度附近；
启动水下激光扫描装置和水下拍摄装置，水下激光扫描装置中的激光发生器受触发产生线性激光，并传射到激光扩束镜，激光扩束镜接收线性激光并转换成激光束，同时控制激光束的发散角；
激光扩束镜将激光束传射到光学平凹柱面镜，由光学平凹柱面镜将该激光束转换成片状激光束，并传射到全反射镜上，全反射镜产生的反射激光光束与水下部分的船体相交出现为一平面曲线，也就是激光照明线，
水下拍摄装置拍摄上述扫描过程中激光在水下船体上产生的激光照明线所形成的图像，并将该图像信息传送给图像处理子系统；
图像处理子系统接收并处理水下拍摄装置传送的图像信息，利用不同图像上激光照明线存在的视角差，计算出该处船体水下部分实际三维轮廓信息，从而获得该处船体水下部分的轮廓尺寸；
此时使全反射镜在步进电机的作用下旋转，从而改变片状激光束在全反射镜上的入射点，使全反射镜产生的反射激光跟随旋转，扫描船体的水下部分；每旋转一个角度，水下拍摄装置就将拍摄的图像信息传送给图像处理子系统，图像处理子系统根据所计算的扫描过程的多个轮廓尺寸进行综合分析、计算、处理，获得船体一侧水下部分的三维外形轮廓信息，并进行存储。调转船头，可以对船的另一侧水下部分的三维外形轮廓进行检测。上述激光扩束镜用于扩展激光束的直径并减小激光束的发散角，全反射镜用于改变激光光束方向。由于本发明所使用到的水下激光扫描装置和水下拍摄装置均安装在航道的同一侧岸边，在航道的对侧或航道水底不需要布置任何测量装置，因此降低了系统施工难度。检测过程全自动化控制，不受测量人员的主观影响，检测时，设备无需上船，也无需进入水底，测量系统结构简单，操作便捷，快速，测量结果准确稳定，为船舶的顺利通航，人员、设备、船只和航道的安全提供了重要依据。本发明所述方法可以进一步具体为
全反射镜完成水平面的扫描后，传送电机再次调整水平支架的高度，改变全反射镜的扫描平面，再次对新调整的高度平面进行扫描。这样可以多层次，全方位的完成整个船舶水下部分轮廓尺寸的扫描。本发明可以进一步具体为
水下激光扫描装置中的激光发生器为一种蓝绿激光器。这是因为蓝绿激光器发射的激光波长处在蓝光到绿光范围内，而蓝绿激光在水中衰减小，且与水下拍摄装置的光电转换效率匹配好。也可以是蓝光激光器，或者绿光激光器。 水下拍摄装置包括有两台或两台以上的高分辨率CCD照相机，该多台的CCD照相机分别放置在水下激光扫描装置的两侧。多台的CCD照相机用于在不同角度拍摄水下船体上的激光照明线。其原理为 对于船体激光照明线上的任意一点P，处于由第一摄像机的镜头中心与其CCD像平面
的成像点ΡΓ决定的直线01ΡΓ上，同时也处于第二摄像机的镜头中心与其C⑶像平面的成像点P2’决定的直线02P2’上。由于01ΡΓ和02P2’两条直线在实际空间的三维方程可知，两条直线的交点就是P点，所以该P点在空间的三维坐标可以通过算法计算出来。本发明还可以进一步具体为
图像处理子系统包括有与传动电机连接的信号接收模块、中央处理模块、与水下拍摄装置连接的信号传送模块、与水下激光扫描装置连接的控制模块，信号接收模块、信号传送模块和控制模块分别与中央处理模块连接。当传动电机启动时，其发出信号经由信号接收模块进入中央处理模块进行处理， 中央处理模块根据该信号，通过控制模块对水下激光扫描装置发出启动指令，并通过信号传送模块启动水下拍摄装置；当中央处理模块通过信号传送模块接收来自水下拍摄装置的图像时，根据设定的数据形成指令，通过控制模块对水下激光扫描装置的步进电机发出动作指令和动作参数，实现全检测自动控制功能。综上所述，本发明提供了一种船舶水下部分轮廓尺寸检测系统及其检测方法，其基于图像处理的检测系统，根据采用激光束对船体水下部分进行扫描，形成激光照明线，通过水下摄像装置获得扫描图像信息，并采用数学算法处理图像数据，计算船体三维轮廓信息。由于本发明所使用到的水下激光扫描装置和水下拍摄装置均安装在航道的同一侧岸边，在航道的对侧或航道水底不需要布置任何测量装置，因此降低了系统施工难度。检测过程全自动化控制，不受测量人员的主观影响，检测时，设备无需上船，也无需进入水底，测量系统结构简单，操作便捷，快速，测量结果准确稳定，为船舶的顺利通航，人员、设备、船只和航道的安全提供了重要依据。


图1所示为本发明所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统的平面结构示意图。图2所示为本发明所述船舶水下部分轮廓尺寸检测系统的立面结构示意图。图3所示为本发明所述水下激光扫描装置的结构示意图。图4所示为本发明所述图像处理的基本原理图。图5所示为本发明所述船舶水下部分轮廓尺寸检测方法示意图。下面结合实施例对本发明做进一步描述。
具体实施例最佳实施例
参照附图1和附图2，基于图像处理的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，包括有水下激光扫描装置1、水下拍摄装置、图像处理子系统3、升降装置4和传输电缆5。其中，水下拍摄装置包括有两台800万像素CXD照相机21、22。CXD照相机用于在不同角度拍摄水下船体上的激光照明线。CCD照相机与激光扫描装置都安放在水平支架41 上，处于同样的水下深度。并且CCD照相机位于激光扫描装置两侧，与激光扫描装置1的距离都为1米。升降装置4包括水平支架41、垂直导轨42和传动电机43。水平支架41用于安放水下激光扫描装置1和水下拍摄装置，其材质为不锈钢。垂直导轨42固定在码头，垂直于水面，水平支架41垂直于该垂直导轨，其支撑点安装在垂直导轨的轨道中，并与传动电机电连接，可以沿导轨42垂直升降。传动电机43与水平支架41的支撑点电连接，用于带动水平支架41调整到水下1. 6米深的最佳水下拍摄位置。参见附图3，水下激光扫描装置1包括有光学部分和转动部分。光学部分包括有沿同一光轴依序安装532nm半导体泵浦全固体绿光激光器11、倍率为10的532nm绿光激光扩束镜12和焦距为-IOOmm的光学平凹柱面镜13。532nm绿光激光在水中衰减较小，且与CXD 照相机的光电转换效率匹配好。半导体泵浦固体激光器体积小且光束质量好，适合于激光成像系统。转动部分包括有全反射波长为532nm的全反射镜14和步进电机15。步进电机 15转动轴通过全反射镜14镜心且与镜面平行。同时转动部分的转动轴与光学部分的光轴互相垂直，全反射镜14在水平面上转动，根据不同的激光束入射角产生不同角度的反射激光束，实现对船体水下部分的扫描。图像处理子系统3为一种PC计算机，用于接收并处理各CXD照相机传送的图像， 利用不同图像上激光照明线存在的视角差，通过算法计算出船体水下部分实际三维轮廓信息。参照附图4，其基于两台CCD照相对原理进行阐述
对于船体6上形成的激光照明线16上的任意一点P，处于由摄像机1的镜头中心01与其CXD像平面的成像点ΡΓ决定的直线01ΡΓ上，同时也处于摄像机2的镜头中心02与其 CXD像平面的成像点P2’决定的直线02P2’上。由于01ΡΓ和02P2’两条直线在实际空间的三维方程可知，而01ΡΓ和02P2’的交点就是P点，所以激光照明线上的任意一点P点在实际空间的三维坐标都可以通过算法计算出来。参照附图5，上述船舶水下部分轮廓尺寸检测系统的检测方法，包括如下步骤 启动传动电机43，其带动放置有水下激光扫描装置和水下拍摄装置的水平支架沿着垂
直导轨没入水中，并水下1.6米深的工作位置，即航道规定吃水深度附近；
图像处理子系统3启动水下激光扫描装置1和水下拍摄装置，水下激光扫描装置1中的绿光激光器11受触发产生线性激光，并传射到激光扩束镜12，激光扩束镜12接收线性激光并转换成激光束，同时控制激光束的发散角；
激光扩束镜12将激光束传射到光学平凹柱面镜13，由光学平凹柱面镜将该激光束转换成片状激光束，并传射到全反射镜14上，全反射镜14产生的反射激光光束与水下部分的船体相交出现为一平面曲线，也就是激光照明线16，
与此同时CCD照相机21、22开始拍摄船体水下部分的图像信息，各台CCD照相机从不同角度拍摄出不同视角的船体激光照明线，并将该图像信息传送给图像处理子系统；
图像处理子系统3接收并处理水下拍摄装置传送的图像信息，利用不同图像上激光照明线存在的视角差，通过三维重建、条纹提取和折射补偿等的数学算法计算出船体水下部分在实际三维空间的轮廓信息，从而获得该处船体水下部分的轮廓尺寸；
此时图像处理子系统3发出控制指令，传送给水下激光扫描装置中的步进电机15，使全反射镜14在步进电机15的作用下旋转，从而改变片状激光束在全反射镜上的入射点，使全反射镜14产生的反射激光跟随旋转，再通过调整水平支架高度改变激光扫描深度，实现扫描船体的水下部分；每旋转一个角度或深度，水下拍摄装置就将拍摄的图像信息传送给图像处理子系统，图像处理子系统根据所计算的扫描过程的多个轮廓尺寸进行综合分析、 计算、处理，获得船体一侧水下部分的三维外形轮廓信息，并进行存储。调转船头，可以对船的另一侧水下部分的三维外形轮廓进行检测。本系统及方法事实上也可用于水面、陆上或空中物体的外部轮廓检测。
本发明未述部分与现有技术相同。
权利要求
1.船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，其特征在于，包括有水下激光扫描装置、水下拍摄装置、图像处理子系统、升降装置和传输电缆，其中水下激光扫描装置包括光学部分和转动部分，光学部分包括有沿同一光轴依序安装的激光发生器、激光扩束镜和光学平凹柱面镜；转动部分包括有全反射镜和步进电机，步进电机的转动轴通过全反射镜镜心且与镜面平行；转动部分的转动轴垂直于光学部分的光轴；升降装置包括水平支架、垂直导轨和传动电机，垂直导轨安装在水岸边，并垂直于水面，水平支架垂直于该垂直导轨，其支撑点安装在垂直导轨的轨道中，并与传动电机电连接；水下激光扫描装置和水下拍摄装置均安装放置在升降装置的水平支架上，并通过传输电缆与图像处理子系统连接。
2.根据权利要求1所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，其特征在于，水下激光扫描装置中的激光发生器或者为一种蓝绿激光器，或者为一种绿光激光器，或者为一种蓝光激光器。
3.根据权利要求1所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，其特征在于，水下拍摄装置包括有两台或两台以上的高分辨率CCD照相机，该多台的CCD照相机分别放置在水下激光扫描装置的两侧。
4.根据权利要求1所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，其特征在于，图像处理子系统包括有与传动电机连接的信号接收模块、中央处理模块、与水下拍摄装置连接的信号传送模块、与水下激光扫描装置连接的控制模块，信号接收模块、信号传送模块和控制模块分别与中央处理模块连接。
5.船舶水下部分轮廓尺寸检测方法，其特征在于，包括如下步骤提供一种如权利要求1所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测系统，启动传动电机，其带动放置有水下激光扫描装置和水下拍摄装置的水平支架沿着垂直导轨没入水中，并下降到设定位置，启动水下激光扫描装置和水下拍摄装置，水下激光扫描装置中的激光发生器受触发产生线性激光，并传射到激光扩束镜，激光扩束镜接收线性激光并转换成激光束，同时控制激光束的发散角；激光扩束镜将激光束传射到光学平凹柱面镜，由光学平凹柱面镜将该激光束转换成片状激光束，并传射到全反射镜上，全反射镜产生的反射激光光束与水下部分的船体相交出现为一平面曲线，也就是激光照明线，水下拍摄装置拍摄上述扫描过程中激光在水下船体上产生的激光照明线所形成的图像，并将该图像信息传送给图像处理子系统；图像处理子系统接收并处理水下拍摄装置传送的图像信息，利用不同图像上激光照明线存在的视角差，计算出该处船体水下部分实际三维轮廓信息，从而获得该处船体水下部分的轮廓尺寸；此时使全反射镜在步进电机的作用下旋转，从而改变片状激光束在全反射镜上的入射点，使全反射镜产生的反射激光跟随旋转，扫描船体的水下部分；每旋转一个角度，水下拍摄装置就将拍摄的图像信息传送给图像处理子系统，图像处理子系统根据所计算的扫描过程的多个轮廓尺寸进行综合分析、计算、处理，获得船体一侧水下部分的三维外形轮廓信息，并进行存储。
6.根据权利要求5所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测方法，其特征在于，水下激光扫描装置中的激光发生器或者为一种蓝绿激光器，或者为一种绿光激光器，或者为一种蓝光激光器。
7.根据权利要求5所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测方法，其特征在于，水下拍摄装置包括有两台或两台以上的高分辨率CCD照相机，该多台的CCD照相机分别放置在水下激光扫描装置的两侧。
8.根据权利要求5所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测方法，其特征在于，图像处理子系统包括有与传动电机连接的信号接收模块、中央处理模块、与水下拍摄装置连接的信号传送模块、与水下激光扫描装置连接的控制模块，信号接收模块、信号传送模块和控制模块分别与中央处理模块连接。
9.根据权利要求5所述的船舶水下部分轮廓尺寸检测方法，其特征在于，全反射镜完成水平面的扫描后，传送电机再次调整水平支架的高度，改变全反射镜的扫描平面，再次对新调整的高度平面进行扫描。
全文摘要
本发明涉及一种水下物体外形成像技术，特别是一种船舶水下部分轮廓尺寸检测系统及其检测方法，其采用基于激光技术与摄像技术结合的图像处理方法，根据采用激光束对船体水下部分进行扫描，形成激光照明线，通过水下摄像装置获得扫描图像信息，并采用数学算法处理图像数据，计算船体三维轮廓信息。本发明系统施工难度低，检测方法过程全自动化控制，不受测量人员的主观影响，检测时，设备无需上船，也无需进入水底，测量系统结构简单，操作便捷，快速，测量结果准确稳定，为船舶的顺利通航，人员、设备、船只和航道的安全提供了重要依据。
文档编号G01B11/24GK102564339SQ20111043170
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者刘志强, 华林, 吴慧峰, 庄明, 戴在光, 李宇胜, 王昕 , 王静怡, 郑杰, 鄢荣玲, 颜艺峰, 黄其捷 申请人:福建水口发电集团有限公司