基于三維激光掃描儀的羅非魚去鱗效果檢測方法研究

張軍文，鄭曉偉

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200092)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，將日常現(xiàn)實(shí)生活的實(shí)體場景迅速轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識別處理的數(shù)據(jù)早已實(shí)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)就是其中的代表之一。三維激光掃描工作原理主要是采用非接觸式高速激光測量技術(shù)和方法，利用激光測距的原理將被測物體的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息進(jìn)行全面的測量，由此快速復(fù)測被測物體的三維模型及點(diǎn)、線、面、體等各種數(shù)據(jù)，且能將被測物體的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的一種科學(xué)測量技術(shù)。該技術(shù)能直接從物體本身出發(fā)，迅速進(jìn)行逆向三維數(shù)據(jù)采集和模型重構(gòu)。三維激光技術(shù)目前已在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但將該技術(shù)與羅非魚體表去鱗率結(jié)合起來，在很多參考文獻(xiàn)中幾乎沒有涉及。

我國羅非魚養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)量在近年來已經(jīng)占據(jù)世界總產(chǎn)量的“半壁江山”。但其“三去”(去頭、去鱗、去臟)是影響羅非魚工廠化加工的關(guān)鍵技術(shù)，而去鱗率是評價(jià)去鱗的重要參考指標(biāo)，靠人工很難精準(zhǔn)地進(jìn)行客觀評價(jià)，這就需要用到三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行輔助判斷。

本文從三維激光掃描技術(shù)的原理出發(fā)，利用其掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建羅非魚的魚鱗模型，并利用第三方軟件(Proe)輔助進(jìn)行去鱗率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后與人工測量的去鱗率進(jìn)行比對分析。

一、材料與方法

1.試驗(yàn)平臺

快速檢測系統(tǒng)主要是由手持式三維激光掃描儀、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、標(biāo)靶點(diǎn)等組成。

2.工作原理

三維激光掃描儀主要由兩部分構(gòu)成，一是高速精確的激光測距儀，二是能引導(dǎo)激光并以一定恒定的角速度掃描的反射棱鏡。當(dāng)手持式三維激光掃描儀內(nèi)的激光脈沖發(fā)射體發(fā)射激光，在同一時(shí)間內(nèi)接受目標(biāo)(羅非魚表面的標(biāo)靶點(diǎn))的信號，通過計(jì)算脈沖發(fā)射和接受時(shí)間差，從而實(shí)現(xiàn)測距，編碼器同時(shí)獲得空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)平臺使用雙色激光手持式三維掃描儀，其采用紅藍(lán)激光雙模的工作方式，測距方式采用脈沖方式測距，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 雙色激光手持式三維掃描儀相關(guān)參數(shù)

4.試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

將試驗(yàn)用的羅非魚體表貼上標(biāo)靶點(diǎn)貼紙，貼紙兩面都設(shè)有掃描靶點(diǎn)，如圖1所示。三維掃描儀在靶點(diǎn)進(jìn)行全景掃描，掃描速率采用48 000點(diǎn)/秒，掃描時(shí)間為6分鐘，對羅非魚所在平面內(nèi)60°掃描；掃描后的模型共由2 217 236個(gè)小平面組成，導(dǎo)入第三方軟件Proe。

圖1 貼標(biāo)靶點(diǎn)的羅非魚體示意

二、結(jié)果與分析

為了方便區(qū)分羅非魚不同區(qū)域的鱗片去除情況，將魚體表面有鱗體表劃分為A、B、C、D、E、F和G共計(jì)7個(gè)區(qū)域，如圖2所示。以透明方格紙覆蓋魚體的表面，測算各個(gè)區(qū)域被覆蓋到的方格面積(每個(gè)方格邊長為1.5厘米，面積為2.25厘米2)，有鱗總面積為各個(gè)區(qū)域面積之總和。羅非魚體表鱗片的分區(qū)面積及其占比人工實(shí)測結(jié)果如圖3所示。依據(jù)現(xiàn)場分析以及結(jié)合過去對魚機(jī)械去鱗試驗(yàn)的情況，D、F和G區(qū)域的魚鱗是比較容易去除干凈的，A區(qū)域的魚鱗能夠去除一部分，但不會去除很干凈，B、C和E區(qū)域的魚鱗很難去除。魚鱗難以去除的主要原因是魚體的腹鰭、臀鰭、尾鰭和背鰭等的干擾，以及局部區(qū)域分布的是細(xì)小魚鱗，其結(jié)合力較大，機(jī)械部件很難接觸該部分區(qū)域，導(dǎo)致魚鱗難以去除干凈。

圖2 羅非魚鱗片區(qū)域劃分示意

圖3 羅非魚鱗片分布占比

利用Proe中自帶的測面積法對劃分區(qū)域進(jìn)行面積測算，比較難以去除魚鱗的B、C和E區(qū)域合計(jì)占比為16%。比較容易去除魚鱗的D、F和G區(qū)域合計(jì)占比為78%。

為了檢測三維激光軟件測量的真實(shí)誤差極限，選取了標(biāo)準(zhǔn)長度物體進(jìn)行了對照測量。在此次試驗(yàn)中，將鋼直尺截成不同的標(biāo)準(zhǔn)長度，進(jìn)行標(biāo)記識別測量。測量結(jié)果顯示，隨著基準(zhǔn)值的增大，絕對誤差值也隨之增加，但是增加幅度不趨向一致，這可能與三維激光鏡頭固有的非線性畸變有關(guān)；其誤差均值為0.49%，這可以滿足對羅非魚魚鱗參數(shù)的測量要求。試驗(yàn)選取了羅非魚7個(gè)不同區(qū)域的魚鱗進(jìn)行軟件標(biāo)記測量和人工坐標(biāo)紙測量的對比(表2)，結(jié)果顯示羅非魚魚鱗的實(shí)際測量相對誤差的均值(4.19%)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的相對誤差的均值(0.49%)。這是由于三維激光對魚鱗區(qū)域進(jìn)行測量時(shí)，存在魚鱗區(qū)域部分不易區(qū)分和圖像邊緣模糊等因素，從而增大了誤差數(shù)值。盡管誤差均值有所增大，但其誤差值依然能夠滿足測量對羅非魚魚鱗區(qū)域的誤差要求。

表2 軟件標(biāo)記測量和人工坐標(biāo)紙測量對比

三、小結(jié)

羅非魚體表的鱗片檢測對機(jī)械化去鱗和去鱗設(shè)備改進(jìn)等都具有重要意義。本文利用三維激光掃描儀對羅非魚體表7個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描，利用其掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重建羅非魚魚鱗模型，利用第三方軟件(本文用的是Proe)輔助進(jìn)行去鱗率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并與人工測量的去鱗率進(jìn)行比對分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，三維系統(tǒng)的測量誤差均值為4.19%，該誤差值能夠滿足測量對羅非魚魚鱗區(qū)域的誤差要求。該三維激光掃描系統(tǒng)具有多參數(shù)快速、同步測量、快速成像等特點(diǎn)，方便實(shí)用；可以替代人工進(jìn)行魚體的表面積等測量，且該系統(tǒng)也為各類魚外部形態(tài)參數(shù)檢測提供一種有效、便捷的新方法和新思路。