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研究生: 林怡辰
Lin, Yi-Chen
論文名稱: 應用立體視覺量測船模運動
Application of Stereo Vision for Measurement of Ship Motion
指導教授: 林忠宏
Lin, Jhong-Hong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 52
中文關鍵詞: 立體視覺六自由度拖航水槽船體運動
外文關鍵詞: Stereo vision, Six degrees of freedom, Towing Tank, Ship motion
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  • 本研究的目的是以立體視覺發展一套能應用於船模六自由度運動的量測方法,使用立體視覺觀測物體姿態屬於非接觸式的光學量測,以兩個或兩個以上不同角度拍攝運動中的物體,分析影像中的特徵值並將二維影像座標轉換為三維座標,本研究使用雙相機架設一套可以量測剛體六個自由度運動的系統,並運用在船模的姿態量測。
    使用雙相機必須確保兩台相機同步擷取影像,因此選用兩台規格型號相同的工業相機,以並聯方式給予電壓,同時觸發快門取得影像。辨識方法則是直接設計一個簡單標示出X軸與Y軸方向的特徵圖形,簡化搜尋影像中特徵值的複雜計算,只要將特徵圖形固定於待測物上便能計算其姿態,應用對象廣泛。
    實驗方面首先確認此方法的辨識範圍及性能,包括拍攝範圍、幀率、誤差、辨識角度極限等,之後應用於拖航水槽的波浪試驗,將立體視覺與陀螺儀傳感器、雷射感測器測得之數據進行比對,得到相近的結果,除了單個船模的姿態測量,此方法也能同時辨識兩個目標,用於觀察兩物體間的相對運動。

    The purpose of this research is developing a measurement method that can be applied to six degrees of freedom (6DoF) of the ship based on stereo vision. Stereo vision is an non-contact optical measurement method that converts two-dimensional image coordinates into three-dimensional coordinates by photographing a moving object in two or more different angles.
    To ensure two images are shot simultaneously, this research use two industrial cameras with the same specification and connected in parallel circuit, then control camera shutters by imposing trigger voltage. We design a characteristic pattern that can be recognized easily, simplifying the complexity calculation of searching characteristic in the digital image.
    Before applying to towing tank experiment, the operation range and performance of stereo vision were confirmed in laboratory. After that, we measurement the ship motion in wave making experiment by this method and compare the results with gyroscope sensor and laser sensor. In addition to measurement of a single ship model, the method can also measurement two objects at the same time.

    摘要 I ABSTRACT II 誌謝 X 目錄 XI 表目錄 XIV 圖目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 論文架構 3 第二章 船模姿態量測 4 2.1 水槽試驗中的船體運動 4 2.2 辨識方法 5 2.3 相機參數 7 2.3.1 影像畸變 9 2.3.2 內部參數矩陣 10 2.3.3 外部參數矩陣 11 2.4 斑點檢測參數 13 2.5 尤拉角 15 2.6 變換矩陣 16 第三章 儀器介紹與實驗架設 17 3.1 實驗設備 17 3.1.1 工業相機 17 3.1.2 陀螺儀傳感器 18 3.1.3 雷射感測器 18 3.2 系統整合 19 3.3 作業範圍 19 3.3.1 拍攝範圍 19 3.3.2 幀率 21 第四章 姿態量測實驗 22 4.1 位移測試 22 4.2 轉動測試 23 4.2.1 靜止角度之誤差 23 4.2.2 不同幀率之誤差 24 4.3 架設於拖航水槽的實際應用 24 4.3.1 船模在波浪中的運動狀況 24 4.3.1.1 與陀螺儀傳感器進行轉動比對 25 4.3.1.2 與雷射感測器進行起伏比對 26 4.3.2 辨識兩物體間的相對運動 28 第五章 結論與未來展望 30 5.1 結論 30 5.2 未來展望 30 參考文獻 31 附錄 33 附錄A 不同幀率之比對 33 附錄B 不同波況下的船模六自由度運動 34 附錄C 俯仰角比對 37 附錄D 起伏量比對 39 附錄E 子船拖曳於母船後方的相對運動 41 附錄F 子船置於母船之船塢中的相對運動 47

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