楊榮淇 胡敏捷

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船舶型線一直是船舶工程領(lǐng)域最為重要的技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)決定著船舶實(shí)際裝載重量的極限值和船體在水面航行時(shí)的受力情況。長(zhǎng)期以來(lái)，船舶型線都是由前期設(shè)計(jì)人員根據(jù)船舶預(yù)期設(shè)計(jì)要求和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值繪制，再制作等比例的船舶模型，在試驗(yàn)水池進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)，然后再優(yōu)化型線，最終得到符合技術(shù)要求的船舶型線，交由詳細(xì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行后期設(shè)計(jì)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，國(guó)際形勢(shì)越發(fā)復(fù)雜多變，現(xiàn)階段我國(guó)正在大力發(fā)展提高海洋裝備的自主研制能力，船舶型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)就成為了一道重要的技術(shù)門(mén)檻。在面對(duì)型線優(yōu)化或逆向設(shè)計(jì)的工程需求時(shí)，設(shè)計(jì)人員嘗試通過(guò)測(cè)量的方法獲取一些優(yōu)秀船型的型線數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型或三維數(shù)字模型，在模型的基礎(chǔ)上再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是由于船舶型線尺度大，曲率變化復(fù)雜，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件有限，使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法獲取的數(shù)據(jù)很難完整描述整艘船舶的型線形狀和尺度，因此這方面的技術(shù)應(yīng)用一直停留在有限離散點(diǎn)擬合的水平，多年來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)成熟有效的技術(shù)研究成果。

近年來(lái)，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究發(fā)展較為迅速。它具有高精度、全自動(dòng)、非接觸性、掃描速度快、獲取信息量大等優(yōu)點(diǎn)，為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)自出現(xiàn)起就在工程測(cè)量領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注，主要原因是這種技術(shù)突破了以往的被動(dòng)和單點(diǎn)測(cè)量方式，直接通過(guò)發(fā)射線束激光，結(jié)合自帶電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在水平度盤(pán)上快速旋轉(zhuǎn)，在較短的時(shí)間內(nèi)即可完成360°視角范圍內(nèi)空間物體的位置信息采集。因此在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域，這種技術(shù)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)能夠快速獲取物體三維模型，并將傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式轉(zhuǎn)變?yōu)槊骊囘B續(xù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取方式，可完成復(fù)雜環(huán)境的掃描測(cè)量工作。由于其采用非接觸式測(cè)量方法，能夠快速獲取復(fù)雜物體表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)即點(diǎn)云，通過(guò)實(shí)時(shí)獲得激光脈沖接觸被測(cè)物體表面后返回接收的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，再配合軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，快速重構(gòu)出物體的三維數(shù)字模型。

本文基于三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，旨在通過(guò)該技術(shù)在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用研究，解決船舶型線的準(zhǔn)確測(cè)量和快速確定問(wèn)題。在測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)可以利用激光快速對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，從而獲取物體表面上億萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和顏色信息，再通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高精度的三維逆向建模，最終從復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟繕?biāo)的全景三維數(shù)據(jù)及模型。該技術(shù)可以較好地應(yīng)用于船舶型線測(cè)量工作，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的三維數(shù)據(jù)模型還可以直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)圖，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與設(shè)計(jì)的無(wú)縫對(duì)接。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

船舶型線測(cè)量系統(tǒng)是以地面三維激光掃描設(shè)備為基礎(chǔ)，對(duì)船舶外形進(jìn)行激光掃描獲取三維點(diǎn)云，并進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的集成應(yīng)用系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)的基本原理如下：

通過(guò)相位式地面三維激光掃描儀獲取船舶外形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；針對(duì)原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、壓縮等處理，獲得完整的船舶外型的三維數(shù)據(jù)；再對(duì)船舶外形三維數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，最終得到船舶型線數(shù)據(jù)。

船舶型線測(cè)量系統(tǒng)分為船舶三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備和船舶三維數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。具體構(gòu)成如下：

1）船舶三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備為三維激光掃描儀。該設(shè)備擁有較小的尺寸以及合適的掃描測(cè)量范圍，可以滿(mǎn)足戶(hù)外應(yīng)用，經(jīng)測(cè)試，即使在空間狹小的工作環(huán)境下，也能順利獲取掃描數(shù)據(jù)，比較適用于船舶外型測(cè)量的復(fù)雜環(huán)境。同時(shí)，該儀器還配備了補(bǔ)償工具，進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的最優(yōu)化。集成于儀器頂部的衛(wèi)星定位接收器能夠進(jìn)行自定位，廣角成像功能可以獲取高清分辨率的實(shí)景照片，為細(xì)節(jié)逼真的掃描結(jié)果和較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量提供了支撐。經(jīng)測(cè)試，該設(shè)備的距離測(cè)量精度為：±2 mm，測(cè)距范圍為：0.6～130 m，可以滿(mǎn)足船舶外型三維數(shù)據(jù)的測(cè)量技術(shù)要求。

2）數(shù)據(jù)處理軟件主要由點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和型線計(jì)算模塊構(gòu)成。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括基本的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的插補(bǔ)等內(nèi)容。其作用是完成原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程，為后續(xù)模型建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。型線計(jì)算模塊是在完整的船舶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行型線截面參數(shù)的設(shè)定和區(qū)域劃分，通過(guò)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得到相對(duì)應(yīng)的船舶型線。

2 全局控制網(wǎng)建立和點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為了把各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連接起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體，需要先對(duì)船體進(jìn)行控制測(cè)量，將全部測(cè)量數(shù)據(jù)都納入到同一個(gè)船舶坐標(biāo)系內(nèi)。這樣既能提高測(cè)量精度，也能方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在獲取船舶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到掃描視場(chǎng)角、物體形狀大小及物體間相互遮擋等情況的影響，通常情況下，每一測(cè)站掃描只能獲取部分點(diǎn)云，并且每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都處于當(dāng)前測(cè)量狀態(tài)時(shí)儀器坐標(biāo)系下。為了獲取完整的船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要從不同視點(diǎn)對(duì)物體進(jìn)行掃描，這就存在如何將多個(gè)掃描儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一坐標(biāo)系的問(wèn)題，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。另一方面，使用三維激光掃描儀進(jìn)行多站掃描，往往因?yàn)檎`差的累積，會(huì)造成較大的誤差。因此，需要通過(guò)聯(lián)合其他外業(yè)測(cè)量手段，以達(dá)到提高三維激光掃描整體精度的目的。

為了將多測(cè)站的數(shù)據(jù)在掃描完成后統(tǒng)一在同一個(gè)船舶坐標(biāo)系內(nèi)，還需要對(duì)船體進(jìn)行控制測(cè)量。掃描工作之前完成控制網(wǎng)的布設(shè)工作，主要根據(jù)以下兩條原則在艦船周?chē)荚O(shè)控制網(wǎng)：

1）控制點(diǎn)的布設(shè)要保證每一控制點(diǎn)和至少兩個(gè)控制點(diǎn)通視；

2）控制點(diǎn)通視區(qū)域應(yīng)盡可能包括所有掃描區(qū)域。

導(dǎo)線控制網(wǎng)的布設(shè)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線控制網(wǎng)布設(shè)示意

為了布設(shè)高精度的控制網(wǎng)，獲取高精度的控制點(diǎn)坐標(biāo)，將控制測(cè)量分為平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量，分別進(jìn)行測(cè)量與平差計(jì)算。平面控制測(cè)量采用全站儀，從首個(gè)測(cè)量點(diǎn)開(kāi)始逆時(shí)針測(cè)量。測(cè)出每條邊的長(zhǎng)度及每個(gè)控制點(diǎn)上的轉(zhuǎn)折角，通過(guò)控制網(wǎng)平差得到各控制點(diǎn)坐標(biāo)。高程控制測(cè)量采用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行。

點(diǎn)云配準(zhǔn)是將兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)系中的大容量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程。利用同名點(diǎn)對(duì)在全局坐標(biāo)系和掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，解算旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，實(shí)現(xiàn)掃描儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到地面測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，將所有掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。常用的方法有六參數(shù)法、四元數(shù)法、ICP法等。本文采用自主研發(fā)的掃描儀定位基座實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

3 海量點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理

完整的數(shù)據(jù)管理體系包含數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理兩個(gè)組成部分，因此獲取數(shù)據(jù)之后，還必須實(shí)施有效的數(shù)據(jù)管理。從激光掃描儀獲取的研究對(duì)象為海量的高密度點(diǎn)云信息，通常是散亂無(wú)序的，這對(duì)于后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與管理都是非常不利的。因此，只有找到海量點(diǎn)云之間的幾何拓?fù)渑c鄰域關(guān)系，建立高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索排序流程，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)拓?fù)浠?、有序化，?gòu)建點(diǎn)云幾何信息與屬性信息一體化的空間管理數(shù)據(jù)庫(kù)，才能有效地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，開(kāi)展后續(xù)的研究工作。研究基于地面三維激光掃描技術(shù)海量空間數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、管理和檢索等是三維測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，如何將這些數(shù)據(jù)集成在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效清晰的管理以方便后續(xù)的應(yīng)用研究及歸檔等，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及其在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義。船舶外表面點(diǎn)云處理的流程如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)獲取的船體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行型線及性質(zhì)的計(jì)算。其數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、船體三維模型重建和型線確定3個(gè)過(guò)程。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)原始船體三維點(diǎn)云進(jìn)行處理，得到實(shí)際計(jì)算可用的點(diǎn)云三維數(shù)字模型，主要包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、空洞修補(bǔ)以及點(diǎn)云壓縮等過(guò)程，見(jiàn)圖 3～5。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

圖4 去噪點(diǎn)云初始模型

圖5 點(diǎn)云空洞修補(bǔ)

3.2 船體三維模型重建

基于掃描點(diǎn)云的三維結(jié)構(gòu)信息智能提取首先聯(lián)合激光點(diǎn)云的多維屬性特征，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割為各個(gè)船體面以及不同構(gòu)件的聚類(lèi)數(shù)據(jù)。然后，對(duì)于各分割區(qū)域通過(guò)提取邊界輪廓、形狀信息、面積、拓?fù)涞忍卣髅枋鲂畔?，通過(guò)先驗(yàn)約束實(shí)現(xiàn)提取、描述一體化的智能化目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別。

利用三角網(wǎng)格對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行面片構(gòu)造。三角網(wǎng)格模型作為一種空間點(diǎn)集拓?fù)溥B接關(guān)系的直接表述方式，其性能比四邊形網(wǎng)格更為穩(wěn)定，更能靈活反映實(shí)際曲面復(fù)雜的形狀，對(duì)復(fù)雜邊界也能很好地表達(dá)，適

用于任意分布的散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)集，是進(jìn)一步數(shù)據(jù)后處

理如曲面修復(fù)和曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)。

3.3 型線確定

傳統(tǒng)的船舶型線的測(cè)量方法由于采集點(diǎn)位密度不高，使得型值測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性不高。激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取效率高，數(shù)據(jù)量大，點(diǎn)位密集，精度較高，是實(shí)現(xiàn)艦船排水量和型線測(cè)量的最佳方法。本文采用船舶點(diǎn)云切片分層的方法確定網(wǎng)格型線，并通過(guò)對(duì)船舶的總體點(diǎn)云切片分層，基于形態(tài)學(xué)對(duì)每層點(diǎn)云邊界進(jìn)行細(xì)化，然后使用均勻三次b樣條曲線來(lái)擬合邊界線，自動(dòng)計(jì)算船體曲面的型值，生成船舶型線，見(jiàn)圖6。

圖6 船體型線生成

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)例中，船體點(diǎn)云切片厚度選定為5 cm，通過(guò)計(jì)算橫截面的面積，再利用累積積分法計(jì)算型值。為了評(píng)價(jià)其計(jì)算精度，利用靜水力曲線獲取對(duì)應(yīng)高度的排水量，并以此作為參考值，對(duì)算法的結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，型值計(jì)算見(jiàn)圖7。

圖7 船舶型值計(jì)算

通過(guò)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)采用激光雷達(dá)建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行選擇量取，得到兩組船舶型線數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)榫€條比較不好量化，特將型線轉(zhuǎn)化為點(diǎn)集，選取關(guān)鍵位置點(diǎn)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

利用本文自主開(kāi)發(fā)的軟件計(jì)算排水量計(jì)算結(jié)果與壓載試驗(yàn)靜水力曲線結(jié)果比較見(jiàn)表2。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)例中采用的掃描儀的點(diǎn)位精度為2.17 mm，點(diǎn)云配準(zhǔn)精度為2.5 mm，從而計(jì)算出橫截面面積的相對(duì)精度為1.4×10-4，最終排水量的相對(duì)精度為3.5×10-4，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.7×10-3（k=2）。

表1 型線測(cè)量比較結(jié)果

表2 排水量計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的研究成果具有作業(yè)自動(dòng)化、智能化、高效率、非接觸、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)和綜合優(yōu)勢(shì)，可以快速準(zhǔn)確地采集船體的海量三維坐標(biāo)，并據(jù)此進(jìn)行高密度的擬合計(jì)算，從而得到船舶的型線和排水量數(shù)據(jù)，并在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。