王強(qiáng)鋒，粱浩哲

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

引 言

隨著船舶運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展，受船舶撞擊引起的橋梁損傷事故日益增多。這類事件往往造成橋梁結(jié)構(gòu)、安全及抗撞能力的損失，更嚴(yán)重的會(huì)造成橋毀人亡的后果，因此對(duì)橋碰撞的研究顯得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外理論研究、碰撞實(shí)例調(diào)查和模型實(shí)驗(yàn)的研究集中在船舶撞擊橋梁的概率、撞擊動(dòng)能等方面［1－3］，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于船橋撞擊實(shí)驗(yàn)，可以更加有效、直觀地分析撞擊過(guò)程。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中一種重要的測(cè)距方法，是以圖像運(yùn)算為基礎(chǔ)，測(cè)量物體的位置、姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡等。單目視覺(jué)測(cè)量是指僅利用一臺(tái)視覺(jué)傳感器采集圖像，對(duì)物體的幾何尺寸或者物體的在空間的位置、姿態(tài)等信息進(jìn)行測(cè)量［4］，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相機(jī)標(biāo)定也簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了視場(chǎng)小、匹配難的不足。單目視覺(jué)三維測(cè)量的常用方法有結(jié)構(gòu)光法［5，6］、幾何光學(xué)法［7］、激光輔助測(cè)距法、輔助測(cè)量棒法［8］、幾何形狀約束法［9］等。由于視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)限制，上述方法在對(duì)遠(yuǎn)距離識(shí)別上有困難。文中改進(jìn)幾何光學(xué)法，在物體上標(biāo)記明顯的標(biāo)靶，使系統(tǒng)識(shí)別更加準(zhǔn)確、方便。

1 測(cè)量原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 單目視覺(jué)測(cè)量標(biāo)靶的幾何成像原理

防撞裝置的原理和防撞過(guò)程是：橋墩的防撞裝置要柔軟，當(dāng)船撞上橋墩時(shí)，防撞裝置稍微后退一點(diǎn)，同時(shí)給船頭一個(gè)側(cè)向力，撥開(kāi)船頭，使船的動(dòng)能大部分保留在船上；同時(shí)防撞裝置消耗掉一部分能量。由此可測(cè)得的撞擊力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)弧度。原理性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1。

現(xiàn)根據(jù)國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）指南，用美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）的公式來(lái)計(jì)算船撞擊力：

式（1）中，Ps表示船只的等效正面靜撞擊力（N）；DWT表示船只的載重噸數(shù)（t）；v表示船只的撞擊速度（m／s）。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)運(yùn)動(dòng)下車撞擊已知橋墩來(lái)模擬船橋撞擊過(guò)程，小車在設(shè)定的軌道上以確定的速度運(yùn)動(dòng)，用高速攝影儀記錄整個(gè)過(guò)程。文中主要研究的是范圍在1～5m時(shí)小車的運(yùn)動(dòng)和作用距離。為了便于識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體，在物體上做一些標(biāo)識(shí)圓。測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)拍攝所得的圖像確定這些標(biāo)識(shí)圓的位置，計(jì)算出中心坐標(biāo)（x，y，z），然后繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，分析得出撞擊力，給柔性防撞裝置提供了依據(jù)。

1.2 單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量系統(tǒng)組成如圖2所示，包括運(yùn)動(dòng)標(biāo)靶［10］、外置光源、圖像采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)組成。受測(cè)量距離的影響，現(xiàn)采用紅外光源照明，減少環(huán)境光的干擾。圖像采集設(shè)備采用的是Photron FASTCAM高速攝像機(jī)，最高采集速度250 000FSP；測(cè)試時(shí)設(shè)定為125FSP，1 024×1 024pixel。

圖1 原理性實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Principle of the experimental setup

圖2 單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)圖Fig.2 System structure of monocular vision measurement

2 圖像處理過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法思想

測(cè)量時(shí)，通過(guò)CCD采集到的圖像來(lái)判斷這三個(gè)標(biāo)記圓的位置，計(jì)算出目標(biāo)中心的視線角，根據(jù)計(jì)算出的目標(biāo)位置（x，y，z），利用圖像匹配，得出運(yùn)動(dòng)軌跡，最后估算出整個(gè)過(guò)程的撞擊力。整個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖3：

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江寧波象山大橋工地。攝像機(jī)位置距離地面大約1m，由此獲得的圖像可近似看作平視圖。并且拍攝時(shí)采用三角架固定攝像機(jī)，由此獲得的運(yùn)動(dòng)連續(xù)圖像具有背景不變的性質(zhì)。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure

2.1.1 背景分割

現(xiàn)采用基于像素的閾值分割，它根據(jù)像素的某種特性來(lái)選取適當(dāng)?shù)拈撝担撝祵⑾袼胤殖赡繕?biāo)和背景。由于事先預(yù)判背景、物體和特征點(diǎn)的特點(diǎn)，認(rèn)為在整個(gè)過(guò)程中灰度圖像不會(huì)出現(xiàn)大的變化，故采用人工選取閾值T，完成圖像的二值化。

2.1.2 特征點(diǎn)的提取

對(duì)象標(biāo)記選取是系統(tǒng)的核心部分，也是后面運(yùn)動(dòng)物體軌跡提取的基礎(chǔ)。對(duì)象標(biāo)記是在灰度圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其實(shí)質(zhì)上就是給一幅圖像中的所有物體賦予一個(gè)可以把該物體與其它物體區(qū)別開(kāi)的標(biāo)記［9－11］。

（1）分析第一幀照片的矩陣特點(diǎn)，手動(dòng)選取標(biāo)記的大概坐標(biāo)，然后在第一幀中選取一塊包括該標(biāo)記足夠大的區(qū)域（區(qū)域大小視試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)距離而定）。

（2）將區(qū)域平均分割為n×n個(gè)小方格（n隨像素大小和區(qū)域的大小而定，要確保分割后的方格不能包含兩個(gè)或兩個(gè)以上特征點(diǎn)的像素）。

（3）掃描該區(qū)域，按照從左到右，從上到下的順序搜索，找到的第一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)（標(biāo)識(shí)圖像中的黑點(diǎn)）作為跟蹤的初始點(diǎn)，記為A；沿著初始像素A的右、右下、下、左下四個(gè)鄰點(diǎn)找下一個(gè)邊界點(diǎn)，如果沒(méi)有找到就將目標(biāo)輪廓定為一個(gè)孤立像素點(diǎn)，反之，就將該邊界點(diǎn)記為B；接下去，從B開(kāi)始搜索，按右、右下、下、左下、左、左上、上、右上的順序找相鄰八領(lǐng)域中的邊界點(diǎn)C，如果C點(diǎn)就是A點(diǎn)，就表明已經(jīng)搜索一圈了，結(jié)束搜索，否則從C點(diǎn)接著搜索，直至找到A點(diǎn)為止。

（4）對(duì)標(biāo)號(hào)相同的的方格中灰度值大于T的像素的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這些灰度點(diǎn)就是所求特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)。

2.1.3 深度距離的計(jì)算

關(guān)于空間目標(biāo)縱向位移的測(cè)距，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的岳亮等給出了算法［12］，基本上可以滿足船橋撞擊的需要。由成像原理得出目標(biāo)物的相對(duì)相機(jī)距離

式（2）中，H0為物高，Hp為像高，f為焦距。

實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)物會(huì)出現(xiàn)小角度的擺動(dòng)，目標(biāo)的圓形標(biāo)記在圖像上表現(xiàn)出橢圓形式，圓周原本所圍圓形的最長(zhǎng)軸是知道的，稱之為物高；而相機(jī)上所成的圓周的最長(zhǎng)軸能求得稱之為像高，可以通過(guò)目標(biāo)橢圓的識(shí)別及擬合得出長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，然后再根據(jù)式（2）求出目標(biāo)與相機(jī)的相對(duì)距離。

此時(shí)的（x，y，z）就為目標(biāo)相對(duì)于相機(jī)坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)。

2.1.4 提取常規(guī)技術(shù)

在軌跡提取上，系統(tǒng)采用的是逐幀照片追蹤的方法。由于拍攝所得的圖像是連續(xù)的，因此可以獲得以下一些常規(guī)結(jié)論：

（1）在相鄰兩幀圖像上車輛位置不會(huì)變化太大。

（2）在相鄰兩幀圖像上車輛運(yùn)行方向和區(qū)域面積不會(huì)發(fā)生太大變化。

在具體追蹤中，首先在第一幀圖像中選中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的標(biāo)記所在的一塊區(qū)域，程序自動(dòng)記下該區(qū)域。然后按順序打開(kāi)后面幀圖像，假如圖像上的目標(biāo)標(biāo)記為n幀，則運(yùn)用前面的標(biāo)記程序?qū)@n個(gè)物體標(biāo)記，然后求出第一幀初始區(qū)域中目標(biāo)點(diǎn)到這n個(gè)點(diǎn)的距離。比較這n個(gè)值，最小的那個(gè)點(diǎn)所代表的物體為被追蹤物體。保存坐標(biāo)到一個(gè)數(shù)組中，同時(shí)用距離原中心點(diǎn)最近的那個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)替代原中心點(diǎn)坐標(biāo)，作為下次比較的基準(zhǔn)點(diǎn)。如此連續(xù)追蹤，假如追蹤了k幅連續(xù)圖像，數(shù)組里面就會(huì)記錄下（k－1）個(gè)中心點(diǎn)的位置，描繪出這（k－1）個(gè)點(diǎn)，就獲得了被追蹤物體的該段運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 撞擊軌跡分析

通過(guò)改變小車撞擊實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的參數(shù)，如：撞擊角度、質(zhì)量、重心位置、橋墩剛度等進(jìn)行重復(fù)撞擊實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行了6組實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的6組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)上述的數(shù)據(jù)處理之后，得到了在各參數(shù)下的小車運(yùn)動(dòng)軌跡。

撞擊過(guò)程中小車位置的變化用船上標(biāo)記圓的位置坐標(biāo)變化來(lái)描述，將各參數(shù)下的標(biāo)記圓的運(yùn)動(dòng)軌跡畫在同一張，如圖4所示。

2.2.2 撞擊轉(zhuǎn)角的變化

同樣將實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)得到的轉(zhuǎn)角變化畫在同一張圖中，如圖5所示。

圖4 軌跡圖Fig.4 Trajectories

圖5 小車的轉(zhuǎn)角變化Fig.5 Angle changes of moving objects

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：圖5中的標(biāo)號(hào)1～6是與圖4中的標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)的，即標(biāo)號(hào)1表示實(shí)驗(yàn)的第一組數(shù)據(jù)，其撞擊角度為45°，載重量為初始安放位置。標(biāo)號(hào)2表示增大撞擊角度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)號(hào)3表示增加小車載重量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)號(hào)4表示重心前移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)號(hào)5表示橋墩上貼上泡沫改變剛度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)號(hào)6表示重心后移（空氣中）的撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，小車在撞擊之前的理論運(yùn)行角度應(yīng)為45°。但是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)模型船的角度是由人工控制的，會(huì)帶有隨機(jī)誤差，導(dǎo)致初始撞擊角度不是45°，因此，各參數(shù)下的數(shù)據(jù)沒(méi)有嚴(yán)格的可比性。但是由于其角度誤差不是很大，故可對(duì)各組數(shù)據(jù)看進(jìn)行定性的比較分析。

所得目標(biāo)物的坐標(biāo)見(jiàn)表1：

表1 實(shí)際坐標(biāo)與算法所得坐標(biāo)間的位置關(guān)系Tab.1 The relationship between the actual coordinates and the coordinates from algorithm

因?yàn)楣r不同，各自的X，Y坐標(biāo)不能進(jìn)行對(duì)比分析，這里簡(jiǎn)要的給出距離誤差分析，通過(guò)算法測(cè)量出的距離誤差都小于0.3%，達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 論

文中提出了用幾何成像法實(shí)現(xiàn)單目測(cè)量，該方法具有特定特征點(diǎn)的目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)軌跡及深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了方法的準(zhǔn)確性有效性。由于測(cè)量的精度取決于很多方面的因素：特征點(diǎn)及相機(jī)的機(jī)械安裝精度、光學(xué)透鏡成像系統(tǒng)的影響、圖像處理算法的影響，特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)提取精度等。在現(xiàn)有的器件水平及工藝條件下，要想提高測(cè)量方法的精度，除了設(shè)備本身外，算法（包括相機(jī)標(biāo)定算法、圖像處理算法等）的重要性顯得愈發(fā)的重要?，F(xiàn)在僅討論了簡(jiǎn)單背景下船體撞擊過(guò)程的測(cè)量，對(duì)于更加復(fù)雜的三維定位和綜合相關(guān)跟蹤將是下一步研究的重點(diǎn)。

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