专利名称：一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置及方法
技术领域：
本发明属于水产养殖工程、水利工程和海洋工程技术领域，特别涉及到波浪作用过程中养殖网箱浮架运动和网衣变形的物理模拟实验测量装置及方法。
背景技术：
深水网箱水动力特性研究是决定网箱设计和安全使用的基础和依据。目前，国内外利用物理模型试验方法是开展网箱水动力行为研究的主要手段。深水网箱是特种海洋工程结构物，它完全不同于通常用于港口、海上油田等海工结构物，具有大变形、柔性、锚碇和浮式的特点。目前在深水网箱物理实验模拟上特别是在网箱运动的实验测量上，尚缺少成熟的实验测量装备和实验方法。对于一般浮式海洋结构物的模型试验，常采用六分量加速仪进行运动方面的相关测量，但该方法要求跟踪点在实验过程中都位于水面之上，而网箱上的跟踪点既有水面以上的又有水面下的，因此该方法在网箱试验中不便采用。另一种常见的运动分析技术是粒子图像测速PIV技术，一般用于流场分析，通过在水中分布一定浓度的示踪粒子，利用电荷耦合元件图像传感器采集系列图像，然后对图像中的示踪粒子进行识别分析，从而获得粒子的运动速度和方向，这一方法在网箱动态响应测量中并不适用。 因为网箱动态响应测量中，主要获得网箱结构上若干控制点如浮架和网衣上关键点的运动特性，然后由此评判网箱整体结构或组成部分的运动特性，而粒子图像测速PIV方法只能测量流场情况，无法测量网箱整体结构或组成部分的运动特性。
发明内容
为解决现有运动分析技术难题，本发明的目的是，提供一种既适应于跟踪点同时在水上和水下的情况，又可以测量网箱整体结构或组成部分的运动特性的柔性网衣动态响应的三维测量装置及方法，以填补目前网箱动态响应三维测量方法的空白。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置，包括电荷耦合元件图像传感器A、 电荷耦合元件图像传感器B、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电荷耦合元件图像传感器A和电荷耦合元件图像传感器B连接，所述的电荷耦合元件图像传感器A和电荷耦合元件图像传感器B并列安装在水槽之外水气交接面处。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，包括以下步骤A、图像获取为了获得跟踪点的三维运动信息，需在水槽的一侧布置电荷耦合元件图像传感器 A和电荷耦合元件图像传感器B，两个电荷耦合元件图像传感器水平互成角度放置于水槽玻璃面板以外，通过同步时序控制器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的浮架前系缆点、浮架后系缆点、浮架中点以及网箱底中点；B、跟踪点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及背景色，阀值取跟踪点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的运动速度和图像的采集帧率；一般情况下，跟踪点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χ、y坐标分别进行平均，以作为本张图像中跟踪点的新坐标；相同操作应用于每张图像，最终可以得到跟踪点的运动轨迹图像；C、图像数据处理扫描后获得的跟踪点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Cl、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，r轴与源平面y轴方向相同；Tl、T2跟踪点位于源平面即X0Z平面内，T1’、T2’为跟踪点在电荷耦合元件中的像点，位于像平面即 χ’ ο’ ζ’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，其意义为跟踪点至源平面原点0的实际距离与像点至像点中心0’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，获得跟踪点的三维实际坐标；跟踪点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，rp = [xp, yp，τ为P点三维实际坐标，
R(f = ^^,！；⑷乂广]"为P点在对于电荷耦合元件图像传感器A在像平面内的二维坐标；
对于电荷耦合元件图像传感器A，可以定义一个矩阵[Αω]和矢量b(A)，则存在如下关系
权利要求
1.一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置，其特征在于包括电荷耦合元件图像传感器A(I)、电荷耦合元件图像传感器BQ)、同步时序控制器C3)、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⑶通过电缆分别与电荷耦合元件图像传感器A(I)和电荷耦合元件图像传感器BQ)连接，所述的电荷耦合元件图像传感器A(I)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。
2.一种养殖网箱动态响应三维物理模拟测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤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(I)和电荷耦合元件图像传感器W2)，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C3)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χ、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Cl、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χ’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X0z平面内，Τ1’、Τ2’为跟踪点(7)在电荷耦合元件中的像点，位于像平面即χ’ ο’ ζ’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 0的实际距离与像点至像点中心0’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，rp = [xp, yp，为P点三维实际坐标，Zf1,!^,Z^f为P点在对于电荷耦合元件图像传感器A(I)在像平面内的二维坐R⑷=P标；对于电荷耦合元件图像传感器A(I)，可以定义一个矩阵[Aw)]和矢量bw)，则存在如下关系
全文摘要
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。
文档编号G01M10/00GK102507134SQ20111031685
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者李玉成, 董国海, 赵云鹏 申请人:大连理工大学