一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置的测量方法

摘要

本发明公开了一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置及方法，所述的装置包括两个电荷耦合元件图像传感器、同步时序控制器、采集与处理数据用的计算机和水槽，所述的采集与处理数据用的计算机通过电缆与同步时序控制器连接，所述的同步时序控制器通过电缆分别与两个电荷耦合元件图像传感器连接，所述的两个电荷耦合元件图像传感器并列安装在水槽之外水气交接面处。所述的方法包括图像获取、跟踪点扫描、图像数据处理和数据分析。本发明将两个电荷耦合元件图像传感器并列安装在水槽之外水气交接面处，在成像范围内既可观测水面以上又可观测水面以下的跟踪点。同时，通过对网箱局部构件上关键跟踪点图像的重构处理可以获得整体网箱的运动特性。

主权项

1.一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置的测量方法，所述的测量装置包括电荷耦合元件图像传感器A（1）、电荷耦合元件图像传感器B（2）、同步时序控制器（3）、采集与处理数据用的计算机（4）和水槽（6），所述的采集与处理数据用的计算机（4）通过电缆与同步时序控制器（3）连接，所述的同步时序控制器（3）通过电缆分别与电荷耦合元件图像传感器A（1）和电荷耦合元件图像传感器B（2）连接，所述的电荷耦合元件图像传感器A（1）和电荷耦合元件图像传感器B（2）并列安装在水槽（6）之外水气交接面处；其特征在于：所述的的测量方法包括以下步骤：A、图像获取为了获得跟踪点（7）的三维运动信息，需在水槽（6）的一侧布置电荷耦合元件图像传感器A（1）和电荷耦合元件图像传感器B（2），两个电荷耦合元件图像传感器水平互成角度放置于水槽（6）玻璃面板以外，通过同步时序控制器（3）使两个电荷耦合元件图像传感器同步采集图像；电荷耦合元件图像传感器图像采集为黑白图像采集，黑白图像采用8位色阶；所述的跟踪点（7）采用发光二极管制成,放置于测量点处，所述的测量点包括网箱（5）的浮架前系缆点、浮架后系缆点、浮架中点以及网箱（5）底中点；B、跟踪点（7）扫描两个电荷耦合元件图像传感器采集获得成千上万张8位位图系列图像后,采用可视化编程软件Delphi将系列图像按时间顺序逐个调入，以上一张图像中的跟踪点（7）坐标为中心，在本张图像中设置一定的扫描范围，读取该范围内每一个像素点的灰阶值，若该像素点的灰阶值大于给定阀值，则记录下当前像素点的图像坐标，继续下一个像素点的扫描，直至设定范围内的所有像素点；所述的给定阀值应当能够区分跟踪点（7）及背景色，阀值取跟踪点（7）和背景色灰阶值的中间值；所述的图像的扫描范围取决于跟踪点（7）的运动速度和图像的采集帧率；一般情况下，跟踪点（7）的运动速度越大扫描范围应该越大，图像的采集帧率越大扫描范围则可以相对缩小；在扫描结束后，将所有大于给定阀值像素点的x、y坐标分别进行平均，以作为本张图像中跟踪点（7）的新坐标；相同操作应用于每张图像，最终可以得到跟踪点（7）的运动轨迹图像；C、图像数据处理扫描后获得的跟踪点（7）运动轨迹均为像素坐标，它与实际坐标存在单位和方向两个方面的差异；图像数据处理包括以下步骤：C1、将扫描后每个电荷耦合元件图像传感器获得的像素坐标转化为实际的二维坐标；由像素坐标系至实际坐标存在坐标转换问题；一般情况下，像素坐标的原点均位于图像左上角，但实际坐标系的原点则可以任意选定，实际上常常以电荷耦合元件中心在图像上的像点作为实际坐标系的原点；在坐标转换过程中，先进行单位转换后再进行方向转换，反之亦然；像素坐标系至实际坐标转换方法如下：从光的传播角度来看，电荷耦合元件图像传感器与普通照相机的成像原理相同，因此跟踪点（7）的成像可以简化为小孔成像；由成像原理及像素坐标系与实际坐标系的关系，在像平面内取x’轴与波浪传播方向相反为正，y’轴与源平面y轴方向相同；T1、T2跟踪点（7）位于源平面即xoz平面内，T1’、T2’为跟踪点（7）在电荷耦合元件中的像点，位于像平面即x’o’z’平面内；像平面内的像点坐标均为像素点单位，而源平面内跟踪点（7）均以cm或m为坐标单位，两者存在特定的转换比例，设为K，其意义为跟踪点（7）至源平面原点O的实际距离与像点至像点中心O’的像素距离的比值；所述的K值与电荷耦合元件的类型有关，可以根据实际情况进行测定，对于给定的电荷耦合元件，在已知距离L和像点坐标后，K值是一确定的表达式；在已知K值后，即可由像素坐标换算出实际坐标；C2、通过重构的方法，获得跟踪点（7）的三维实际坐标；跟踪点（7）三维实际坐标的获得方法主要是要获得任意P点二维图像坐标和三维图像坐标之间的转换关系；这里假定P点的图像坐标为已知，r_p＝[x_p,y_p,z_p]^T为P点三维实际坐标，为P点在对于电荷耦合元件图像传感器A（1）在像平面内的二维坐标；对于电荷耦合元件图像传感器A（1），可以定义一个矩阵[A^(A)]和矢量b^(A)，则存在如下关系：$\alpha \left[\begin{array}{c}{X}^{\left(A\right)}\\ Y^{\left(A\right)}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}^{\left(A\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+b^{\left(A\right)}---\left(1\right)$利用设定已知点来校正上式，获得公式中的未知参数，从而获得对于电荷耦合元件图像传感器A（1）中图像坐标和实际坐标的转换关系;同理电荷耦合元件图像传感器B（2）的转换关系亦可获得;而空间P点的坐标为应为射线r_AP和r_BP的交点;射线r_AP和r_BP可由下式确定：r_AP(α)＝r_A+αS_AP          (2)r_BP(α)＝r_B+βS_BP         (3)假定在射线r_AP和r_BP上M和N点为射线上距离最近点，则真实点P应在M和N点连线的中点；$r_p=\frac{1}{2}[r_M+r_N]---\left(4\right)$$l=\sqrt{{[r_N-r_M]}^T[r_N-r_M]}---\left(5\right)$根据以上条件利用最小二乘方法，即可求得P点的真实三维坐标；其中矢量r_M和r_N可由下式获得r_M＝r_A+α_MS_APr_N＝r_B+β_NS_BP$\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{Ap}}^T{S}_{\mathrm{Ap}}-S_{\mathrm{Ap}}^T{S}_{\mathrm{Bp}}\\ S_{\mathrm{Bp}}^T{S}_{\mathrm{Ap}}-S_{\mathrm{Bp}}^T{S}_{\mathrm{Bp}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\alpha }_M\\ {\beta }_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{[r_B-r_A]}^T{S}_{\mathrm{AP}}\\ {[r_B-r_A]}^T{S}_{\mathrm{BP}}\end{array}\right)$D、数据分析经过图像数据处理后，即可获得固定于网箱（5）上的跟踪点（7）在静止和各时间点的坐标；将各时间点的坐标与静止坐标比较即可获得跟踪点（7）的位移量及运动幅度；另外根据两个相邻时间点的坐标及图像采集的帧率即可算出在该时间段内跟踪点（7）的平均运动速度和平均加速度；如若同时跟踪两个点的运动，则还通过两个跟踪点（7）在同一时间点的坐标关系获得网箱（5）模型的倾角变化过程。