幾何成像法在船―橋撞擊測試中的應(yīng)用

1、幾何成像法在船橋撞擊測試中的應(yīng)用 摘要： 通過設(shè)計小車的尺寸、形狀、撞擊速度等撞擊參數(shù)后，在不同情況下分別進行小車撞擊橋墩的模型實驗。采用攝像機記錄船舶在撞擊過程中空間位置的變化，運用matlab軟件對實驗采集到的船舶運動圖像進行數(shù)據(jù)分析處理，確定小車在整個撞擊過程中的運動軌跡。同時在分別改變模型小車的質(zhì)量、速度、重心位置、撞擊角度后，對橋墩剛度進行實驗，獲取不同參數(shù)下的小車運行軌跡，并對各參數(shù)下的實驗結(jié)果進行比較、分析，利用圖像處理技術(shù)建立了確定物體運動軌跡系統(tǒng)的方法。 關(guān)鍵詞： 模型實驗； 船舶撞擊； 運動軌跡； 圖像處理 中圖分類號： o 439 文獻標(biāo)識碼： a 引 言 隨著船舶運輸事

2、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)重的會造成橋毀人亡的后果，因此對橋碰撞的研究顯得尤為重要。目前國內(nèi)外理論研究、碰撞實例調(diào)查和模型實驗的研究集中在船舶撞擊橋梁的概率、撞擊動能等方面1-3，隨著計算機軟硬件的發(fā)展，將視覺測量技術(shù)應(yīng)用于船橋撞擊實驗，可以更加有效、直觀地分析撞擊過程。 視覺測量技術(shù)是計算機視覺領(lǐng)域中一種重要的測距方法，是以圖像運算為基礎(chǔ)，測量物體的位置、姿態(tài)及運動軌跡等。單目視覺測量是指僅利用一臺視覺傳感器采集圖像，對物體的幾何尺寸或者物體的在空間的位置、姿態(tài)等信息進行測量4，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、相機標(biāo)定也簡單，同時

3、避免了視場小、匹配難的不足。單目視覺三維測量的常用方法有結(jié)構(gòu)光法5，6、幾何光學(xué)法7、激光輔助測距法、輔助測量棒法8、幾何形狀約束法9等。由于視覺傳感器結(jié)構(gòu)限制，上述方法在對遠(yuǎn)距離識別上有困難。文中改進幾何光學(xué)法，在物體上標(biāo)記明顯的標(biāo)靶，使系統(tǒng)識別更加準(zhǔn)確、方便。 1 測量原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1 單目視覺測量標(biāo)靶的幾何成像原理 防撞裝置的原理和防撞過程是：橋墩的防撞裝置要柔軟，當(dāng)船撞上橋墩時，防撞裝置稍微后退一點，同時給船頭一個側(cè)向力，撥開船頭，使船的動能大部分保留在船上；同時防撞裝置消耗掉一部分能量。由此可測得的撞擊力會出現(xiàn)一個弧度。原理性實驗裝置示意圖如圖1。 1.2 單目視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4、 實驗采用的測量系統(tǒng)組成如圖2所示，包括運動標(biāo)靶10、外置光源、圖像采集設(shè)備、計算機組成。受測量距離的影響，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，最高采集速度250 000 fsp；測試時設(shè)定為125 fsp，1 0241 024 pixel。 2 圖像處理過程及結(jié)果分析 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法思想 測量時，通過ccd采集到的圖像來判斷這三個標(biāo)記圓的位置，計算出目標(biāo)中心的視線角，根據(jù)計算出的目標(biāo)位置（x，y，z），利用圖像匹配，得出運動軌跡，最后估算出整個過程的撞擊力。整個過程見圖3： 實驗地點位于浙江寧波象山大橋工地。攝像機位置

5、距離地面大約1 m，由此獲得的圖像可近似看作平視圖。并且拍攝時采用三角架固定攝像機，由此獲得的運動連續(xù)圖像具有背景不變的性質(zhì)。 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、物體和特征點的特點，認(rèn)為在整個過程中灰度圖像不會出現(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特征點的提取 對象標(biāo)記選取是系統(tǒng)的核心部分，也是后面運動物體軌跡提取的基礎(chǔ)。對象標(biāo)記是在灰度圖像的基礎(chǔ)上進行的，其實質(zhì)上就是給一幅圖像中的所有物體賦予一個可以把該物體與其它物體區(qū)別開的標(biāo)記9-11。 （1）分析第一幀照片的矩陣特點

6、，手動選取標(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)域大小視試驗運動距離而定）。 （2）將區(qū)域平均分割為nn個小方格（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或兩個以上特征點的像素）。 （3）掃描該區(qū)域，按照從左到右，從上到下的順序搜索，找到的第一個目標(biāo)點（標(biāo)識圖像中的黑點）作為跟蹤的初始點，記為a；沿著初始像素a的右、右下、下、左下四個鄰點找下一個邊界點，如果沒有找到就將目標(biāo)輪廓定為一個孤立像素點，反之，就將該邊界點記為b；接下去，從b開始搜索，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c，如果c點就是a點，就表明已經(jīng)搜索一

7、圈了，結(jié)束搜索，否則從c點接著搜索，直至找到a點為止。 （4）對標(biāo)號相同的的方格中灰度值大于t的像素的個數(shù)進行統(tǒng)計，這些灰度點就是所求特征點的中心坐標(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變化太大。 （2）在相鄰兩幀圖像上車輛運行方向和區(qū)域面積不會發(fā)生太大變化。 在具體追蹤中，首先在第一幀圖像中選中運動目標(biāo)上的標(biāo)記所在的一塊區(qū)域，程序自動記下該區(qū)域。然后按順序打開后面幀圖像，假如圖像上的目標(biāo)標(biāo)記為n幀，則運用前面的標(biāo)記程序?qū)@n個物體標(biāo)記，然后求出第一幀初始區(qū)域中目

8、標(biāo)點到這n個點的距離。比較這n個值，最小的那個點所代表的物體為被追蹤物體。保存坐標(biāo)到一個數(shù)組中，同時用距離原中心點最近的那個點的坐標(biāo)來替代原中心點坐標(biāo)，作為下次比較的基準(zhǔn)點。如此連續(xù)追蹤，假如追蹤了k幅連續(xù)圖像，數(shù)組里面就會記錄下（k-1）個中心點的位置，描繪出這（k-1）個點，就獲得了被追蹤物體的該段運動軌跡。 2.2 數(shù)據(jù)分析 2.2.1撞擊軌跡分析 通過改變小車撞擊實驗相應(yīng)的參數(shù)，如：撞擊角度、質(zhì)量、重心位置、橋墩剛度等進行重復(fù)撞擊實驗，共進行了6組實驗，獲得相應(yīng)的6組數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理之后，得到了在各參數(shù)下的小車運動軌跡。 撞擊過程中小車位置的變化用船上標(biāo)記圓的位置坐標(biāo)變化來描述

9、，將各參數(shù)下的標(biāo)記圓的運動軌跡畫在同一張，如圖4所示。 2.2.2撞擊轉(zhuǎn)角的變化 同樣將實驗中各參數(shù)得到的轉(zhuǎn)角變化畫在同一張圖中，如圖5所示。 實驗數(shù)據(jù)說明：圖5中的標(biāo)號16是與圖4中的標(biāo)號相對應(yīng)的，即標(biāo)號1表示實驗的第一組數(shù)據(jù)，其撞擊角度為45，載重量為初始安放位置。標(biāo)號2表示增大撞擊角度的實驗數(shù)據(jù)。標(biāo)號3表示增加小車載重量的實驗數(shù)據(jù)。標(biāo)號4表示重心前移的實驗數(shù)據(jù)。標(biāo)號5表示橋墩上貼上泡沫改變剛度的實驗數(shù)據(jù)。標(biāo)號6表示重心后移（空氣中）的撞擊實驗數(shù)據(jù)。 由圖5可以看出，小車在撞擊之前的理論運行角度應(yīng)為45。但是由于實驗時模型船的角度是由人工控制的，會帶有隨機誤差，導(dǎo)致初始撞擊角度不是45，因

10、此，各參數(shù)下的數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格的可比性。但是由于其角度誤差不是很大，故可對各組數(shù)據(jù)看進行定性的比較分析。 所得目標(biāo)物的坐標(biāo)見表1： 因為工況不同，各自的x，y坐標(biāo)不能進行對比分析，這里簡要的給出距離誤差分析，通過算法測量出的距離誤差都小于0.3%，達到很高的準(zhǔn)確度。 3 結(jié) 論 文中提出了用幾何成像法實現(xiàn)單目測量，該方法具有特定特征點的目標(biāo)物運動軌跡及深度。實驗結(jié)果顯示了方法的準(zhǔn)確性有效性。由于測量的精度取決于很多方面的因素：特征點及相機的機械安裝精度、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，要想提高測量方法的精度，除了設(shè)備本身外，算法（

11、包括相機標(biāo)定算法、圖像處理算法等）的重要性顯得愈發(fā)的重要。現(xiàn)在僅討論了簡單背景下船體撞擊過程的測量，對于更加復(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。 參考文獻： 1 倪步友，陳國虞.多個防撞圈在防撞裝置中的同期作用歷時之?dāng)?shù)值分析及試驗驗證m.北京：中國鐵道出版社，2006. 2 陳 誠.橋梁設(shè)計船撞力及損傷狀態(tài)仿真研究d.上海：同濟大學(xué)，2007. 3 李升玉.船舶與橋墩防撞系統(tǒng)碰撞的數(shù)值仿真分析j.自然災(zāi)害學(xué)報，2006，15（5）：23-27. 4 馬 爾 d.視覺計算理論m.北京：科學(xué)出版社，1988：201-207. 5 孫長庫，葉聲華.激光測量技術(shù)m.天津：天津大學(xué)出版社，

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