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系統識別號 U0026-2607201221383800
論文名稱(中文) 大型固定海洋結構附近波浪之影像量測
論文名稱(英文) Image measurement of surface waves around large fixed ocean structures
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生(中文) 蘇俊銘
研究生(英文) Chun-Ming Su
學號 P16991131
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 117頁
口試委員 指導教授-黃明志
口試委員-郭晉安
口試委員-蕭毓宏
中文關鍵字 立體影像  極線幾何  影像糾正 
英文關鍵字 Stereo Image  Epipolar geometry  image rectification 
學科別分類
中文摘要 本研究以雙眼系統為架構,架設兩台攝影機,拍攝大型結構物如圓柱、船舶、離岸潛堤等附近流場的動態波浪影像,並進行運算,做三維重建。本文以直接線性轉換法為理論基礎,配合內部校正、外部校正、影像糾正及正規化交相關法,進行影像匹配分析與立體影像之重建,再與波高計進行比對分析誤差。為解決在實驗水漕波紋不明顯,造成無特徵點的現象,在此提出多種實驗方法,強制實驗水漕水面有特徵點,使匹配成功率提高,更使重建影像與波高計比對的誤差減少,此外在擷取影像速率也有提升,圖像匹配的運算速率亦加快。整體而言,立體影像與波高計量測比對良好,可以取代實驗水漕傳統波浪量測方式,亦可輕易求取結構物附近大範圍的波場資訊。
英文摘要 A binocular stereo imaging system is used to retrieve water surface elevation fields around large fixed ocean structures such as circular cylinder, ship and submerged breakwater. Two spatially offset CCD cameras with overlapping fields of view are synchronized for data acquisition. Direct linear transformation based on perspective projection of pinhole camera is used to transform between the image and the world coordinates. A two-step calibration technique is used to determine the intrinsic and extrinsic camera parameters. Epipolar geometry and normalized cross correlation methods are used for image matching and reconstruction of 3D water surface profiles. Image rectification method is employed which fits both images in the same rectified plane parallel with the cameras’ baseline. This rectification process creates parallel epipolar lines that constrain the correlation process, thus reducing the computational effort. Reconstruction of 3D water surface profiles are then compared with in-situ wave gauge measurements. To increase the number of identifiable features and textures between the stereo image pair, both surface bubble technique and projecting a structured lighting pattern on the water surface technique are employed. These techniques increase the success rates of image matching and also decrease the errors between image and wave gauge measurements. Overall comparisons between image and wave gauge measurements are very good, which indicates that this image technique is applicable for measuring water surface wave fields around ocean structures.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
符號說明 XIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文架構 4
第二章 攝影機數學模型 5
2.1 直接線性轉換 (Direct Linear Transform) 5
2.2 內部校正 10
2.3 外部校正 13
2.4 影像糾正 15
2.4.1相似形態針孔數學模型 15
2.4.2 Euclidean影像糾正法 17
2.4.3 Quasi-Euclidean影像糾正法 20
2.5極線幾何與正規化交相關 24
2.5.1 極線幾何 24
2.5.2 正規化交相關 26
第三章 實驗佈置與影像內部校正、扭曲校正、外部校正以及糾正結果 27
3.1 攝影機介紹 28
3.2 內部校正結果 29
3.3影像扭曲校正結果 30
3.4 外部校正結果 35
3.5 影像糾正結果 39
第四章 影像匹配與實驗方法 40
4.1運算速率 40
4.2影像與波高計電壓擷取 43
4.3綿密泡沫法 45
4.4投影圖案法 46
4.4.1 鄰近像素差異大之風景圖 47
4.4.2 隨機色塊網格圖 48
4.5投影圓點法 50
4.5.1單點紅色雷射光 50
4.5.2白色小圓點陣列 51
4.6雷射光不染色法 52
4.6.1 平面水漕雷射不染色 53
4.6.2 迴流水漕雷射不染色 56
第五章 水漕實驗與波高計比對驗證結果 57
5.1綿密泡沫法結果 57
5.2投影圖案法結果 59
5.2.1 鄰近像素差異大之風景圖結果 59
5.2.2 隨機色塊網格圖結果 63
5.3投影圓點法結果 71
5.3.1單點紅色雷射光結果 71
5.3.2白色小圓點陣列結果 72
5.4雷射光不染色法結果 80
5.4.1 平面水漕雷射不染色結果 80
5.4.2 迴流水漕雷射光不染色結果 86
第六章結論與未來展望 90
6.1 結論 90
6.2 未來展望 92
參考文獻 93
附錄I-立體影像時間歷程 97
附錄II-投影白色小圓點陣列影像波形 111
作者自述 117


圖目錄

圖2-1座標系統定義 6
圖2-2雙眼系統示意圖 13
圖2-3 quasi-Euclidean影像糾正法流程圖 21
圖2-4 極線幾何示意圖 24
圖3-1實驗流程圖 27
圖3-2 Flea3攝影機內部校正影像 (a)Left Camera (b)Right Camera 29
圖3-3 Flea3攝影機扭曲參數曲線擬合 (a)Left Camera (b)Right Camera 29
圖3-4 Flea3攝影機校正後之影像 (a)Left Camera (b)Right Camera 30
圖3-5平面水漕示意圖 31
圖3-6平面水漕實驗設備佈置圖 31
圖3-7平面水漕扭曲校正前後影像 32
圖3-8洄流水槽式意圖 33
圖3-9-1迴流水漕實驗設備佈置圖 33
圖3-9-2迴流水漕實驗設備佈置圖 34
圖3-10迴流水漕扭曲校正前後影像 34
圖3-11平面水漕舊控制點(GCP) 佈置圖 35
圖3-12 平面水漕舊控制點(GCP)示意圖 35
圖3-13平面水漕舊控制點(GCP)利用外部參數轉為空間座標 36
圖3-14平面水漕新控制點(GCP)佈置圖 36
圖3-15 平面水漕新控制點(GCP)示意圖 37
圖3-16平面水漕新控制點(GCP)利用外部參數轉為空間座標 37
圖3-17迴流水漕控制點(GCP)佈置圖 38
圖3-18 迴流水漕控制點(GCP)示意圖 38
圖3-19迴流水漕控制點(GCP)利用外部參數轉為空間座標 39
圖3-20平面水漕左右影像糾正前後結果 39
圖4-1糾正後影像左右各匹配點u值差距 41
圖4-2糾正後影像左右匹配點示意圖 41
圖4-3運算所搜索極線範圍 42
圖4-4 擷取影像與波高計電壓示意圖 43
圖4-5 LabVIEW擷取影像與波高計電壓程式 44
圖4-6 LabVIEW擷取影像與波高計電壓人機介面 44
圖4-7容量式波高計組 45
圖4-8綿密泡沫法拍攝情形 46
圖4-9 Poster Color白色顏料 47
圖4-10 鄰近像素差異大之風景圖 47
圖4-11鄰近像素差異大之風景圖投影至水面 48
圖4-12 隨機色塊網格圖範例 48
圖4-13 隨機色塊網格圖投影至水面 49
圖4-14水面上隨機色塊網格 49
圖4-15紅色雷射光佈置圖 50
圖4-16白色小圓點陣列佈置圖(靜水) 51
圖4-17白色小圓點陣列佈置圖(造波) 52
圖4-18單點紅色雷射光 54
圖4-19雷射筆佈置圖 54
圖4-20紅色雷射光陣列(開燈) 55
圖4-21紅色雷射光陣列(關燈) 55
圖4-22雷射筆波高計滑軌組 56
圖5-1紅色框框為解析範圍 58
圖5-2綿密泡沫法立體影像與波高計波形比對結果 58
圖5-3 風景圖拼接後之圖片 59
圖5-4 風景圖解析範圍(紅色框框) 60
圖5-5 0~0.6秒風景圖拍攝圓柱情形 60
圖5-6風景圖拍攝圓柱立體影像與波高計波形比對結果 61
圖5-7平面水漕之船型結構物 61
圖5-8風景圖拍攝船型結構物解析範圍 62
圖5-9風景圖拍攝Case1船型結構物立體影像與波高計波形比對結果 62
圖5-10風景圖拍攝Case2船型結構物立體影像與波高計波形比對結果 63
圖5-11六種隨機色塊網格圖匹配成功率 64
圖5-12六種隨機色塊網格圖匹配成功率 64
圖5-13網格圖Case2船型結構物立體影像與波高計波形比對結果 65
圖5-14網格圖Case4船型結構物立體影像與波高計波形比對結果 66
圖5-16網格圖Case7船型結構物立體影像與波高計波形比對結果 67
圖5-17離岸潛堤波場(三堆)與波高計位置示意圖 68
圖5-18網格圖 Case8離岸潛堤波場解析範圍 69
圖5-19網格圖 Case8離岸潛堤波場(三堆)與波高計波形比對結果 69
圖5-20網格圖 Case9離岸潛堤波場(三堆)與波高計波形比對結果 70
圖5-21網格圖 Case10離岸潛堤波場(三堆)與波高計波形比對結果 70
圖5-22單點紅色雷射光立體影像與波高計波形比對結果 71
圖5-23單點投影白色小圓點Case1立體影像與波高計波形比對結果 72
圖5-24投影白色小圓點陣列Case2拍攝情形 73
圖5-25投影白色小圓點陣列Case2二值化後並編號 73
圖5-26投影白色小圓點陣列Case2立體影像與波高計波形比對結果 74
圖5-27白色小圓點陣列Case2編號(3)、(9)、(16)、(22)、(28)之波形 75
圖5-28離岸潛堤波場(二堆)與波高計位置示意圖 76
圖5-29投影白色小圓點陣列Case3拍攝情形 77
圖5-30投影白色小圓點陣列Case3二值化後並編號 77
圖5-31投影白色小圓點陣列Case3立體影像與波高計波形比對結果 78
圖5-32白色小圓點陣列Case3編號(4)、(10)、(15)、(20)、(26)之波形 79
圖5-33單點雷射光不染色示意圖 80
圖5-34 雷射光於平面水漕Case1左攝影機影像0~0.9秒點選結果 80
圖5-35雷射光於平面水漕Case1立體影像與波高計波形比對結果 81
圖5-36雷射光於平面水漕Case2立體影像與波高計波形比對結果 82
圖5-37雷射光陣列Case3與離岸潛堤(二堆)拍攝情形與示意圖 83
圖5-38雷射光陣列Case3標號 83
圖5-39雷射光陣列編號(6)立體影像與波高計波形比對結果 84
圖5-40雷射光入水後示意圖 84
圖5-41雷射光陣列Case3編號(1)、(2)、(3)之波形 85
圖5-42雷射光陣列Case3編號(4)、(5)、(7)之波形 86
圖5-43迴流水槽之船形結構物 87
圖5-44迴流水槽量測範圍(紅線) 87
圖5-45迴流水槽拍攝情形 88
圖5-46迴流水槽立體影像與波高計波形比對結果 88
圖5-47迴流水槽立體影像於船舯到船艏之剖面波形結果 89
圖附1 綿密泡沫法0~1.4秒 97
圖附2 綿密泡沫法1.6~3.0秒 98
圖附3 風景圖拍攝圓柱0~1.4秒 99
圖附4 風景圖拍攝圓柱1.6~3.0秒 100
圖附5風景圖拍攝Case1船型結構物0~1.4秒 101
圖附6風景圖拍攝Case1船型結構物1.6~3.0秒 102
圖附7風景圖拍攝Case2船型結構物0~1.4秒 103
圖附8風景圖拍攝Case2船型結構物1.6~3.0秒 104
圖附9網格圖拍攝Case4船型結構物0~1.4秒 105
圖附10網格圖拍攝Case4船型結構物1.6~3.0秒 106
圖附11網格圖拍攝Case7船型結構物0~0.7秒 107
圖附12網格圖拍攝Case7船型結構物0.8~1.5秒 108
圖附13網格圖 Case9離岸潛堤波場(三堆)0~0.7秒 109
圖附14網格圖 Case10離岸潛堤波場(三堆)0~0.7秒 110
圖附15白色圓點陣列 Case2離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 111
圖附16白色圓點陣列 Case2離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 112
圖附17白色圓點陣列 Case2離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 113
圖附18白色圓點陣列 Case3離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 114
圖附19白色圓點陣列 Case3離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 115
圖附20白色圓點陣列 Case3離岸潛堤波場(三堆)-縱軸(cm)-橫軸(秒) 116

表目錄

表3-1 Flea2與Flea3攝影機規格比較 28
表3-2 6mm攝影機內部參數表 30
表4-1 KP-77精緻型雷射指示筆 53
表6-1各實驗結果 91

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