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

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，上海200092)

隨著科學技術的進步和計算機技術的迅速發展，將日常現實生活的實體場景迅速轉化為計算機能識別處理的數據早已實現，三維激光掃描技術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和方法，利用激光測距的原理將被測物體的三維坐標、反射率和紋理等信息進行全面的測量，由此快速復測被測物體的三維模型及點、線、面、體等各種數據，且能將被測物體的三維坐標進行計算的一種科學測量技術。該技術能直接從物體本身出發，迅速進行逆向三維數據采集和模型重構。三維激光技術目前已在諸多領域得到了應用，但將該技術與羅非魚體表去鱗率結合起來，在很多參考文獻中幾乎沒有涉及。

我國羅非魚養殖業發展迅速，產量在近年來已經占據世界總產量的“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鍵技術，而去鱗率是評價去鱗的重要參考指標，靠人工很難精準地進行客觀評價，這就需要用到三維激光掃描技術進行輔助判斷。

本文從三維激光掃描技術的原理出發，利用其掃描的點云數據重建羅非魚的魚鱗模型，并利用第三方軟件(Proe)輔助進行去鱗率的統計計算，最后與人工測量的去鱗率進行比對分析。

一、材料與方法

1.試驗平臺

快速檢測系統主要是由手持式三維激光掃描儀、控制系統、計算機、標靶點等組成。

2.工作原理

三維激光掃描儀主要由兩部分構成，一是高速精確的激光測距儀，二是能引導激光并以一定恒定的角速度掃描的反射棱鏡。當手持式三維激光掃描儀內的激光脈沖發射體發射激光，在同一時間內接受目標(羅非魚表面的標靶點)的信號，通過計算脈沖發射和接受時間差，從而實現測距，編碼器同時獲得空間任一點的坐標。

3.三維激光掃描儀技術參數

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

表1 雙色激光手持式三維掃描儀相關參數

4.試驗數據采集

將試驗用的羅非魚體表貼上標靶點貼紙，貼紙兩面都設有掃描靶點，如圖1所示。三維掃描儀在靶點進行全景掃描，掃描速率采用48 000點/秒，掃描時間為6分鐘，對羅非魚所在平面內60°掃描；掃描后的模型共由2 217 236個小平面組成，導入第三方軟件Proe。

圖1 貼標靶點的羅非魚體示意

二、結果與分析

為了方便區分羅非魚不同區域的鱗片去除情況，將魚體表面有鱗體表劃分為A、B、C、D、E、F和G共計7個區域，如圖2所示。以透明方格紙覆蓋魚體的表面，測算各個區域被覆蓋到的方格面積(每個方格邊長為1.5厘米，面積為2.25厘米2)，有鱗總面積為各個區域面積之總和。羅非魚體表鱗片的分區面積及其占比人工實測結果如圖3所示。依據現場分析以及結合過去對魚機械去鱗試驗的情況，D、F和G區域的魚鱗是比較容易去除干凈的，A區域的魚鱗能夠去除一部分，但不會去除很干凈，B、C和E區域的魚鱗很難去除。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，以及局部區域分布的是細小魚鱗，其結合力較大，機械部件很難接觸該部分區域，導致魚鱗難以去除干凈。

圖2 羅非魚鱗片區域劃分示意

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域進行面積測算，比較難以去除魚鱗的B、C和E區域合計占比為16%。比較容易去除魚鱗的D、F和G區域合計占比為78%。

為了檢測三維激光軟件測量的真實誤差極限，選取了標準長度物體進行了對照測量。在此次試驗中，將鋼直尺截成不同的標準長度，進行標記識別測量。測量結果顯示，隨著基準值的增大，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；其誤差均值為0.49%，這可以滿足對羅非魚魚鱗參數的測量要求。試驗選取了羅非魚7個不同區域的魚鱗進行軟件標記測量和人工坐標紙測量的對比(表2)，結果顯示羅非魚魚鱗的實際測量相對誤差的均值(4.19%)大于標準規格的相對誤差的均值(0.49%)。這是由于三維激光對魚鱗區域進行測量時，存在魚鱗區域部分不易區分和圖像邊緣模糊等因素，從而增大了誤差數值。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域的誤差要求。

表2 軟件標記測量和人工坐標紙測量對比

三、小結

羅非魚體表的鱗片檢測對機械化去鱗和去鱗設備改進等都具有重要意義。本文利用三維激光掃描儀對羅非魚體表7個區域進行掃描，利用其掃描的點云數據，重建羅非魚魚鱗模型，利用第三方軟件(本文用的是Proe)輔助進行去鱗率的統計計算，并與人工測量的去鱗率進行比對分析。試驗結果表明，三維系統的測量誤差均值為4.19%，該誤差值能夠滿足測量對羅非魚魚鱗區域的誤差要求。該三維激光掃描系統具有多參數快速、同步測量、快速成像等特點，方便實用；可以替代人工進行魚體的表面積等測量，且該系統也為各類魚外部形態參數檢測提供一種有效、便捷的新方法和新思路。