水下考古應用ROV進行立體攝影測 量之技術研發-II
計畫主持人: 成功大學 陳政宏 共同主持人: 饒見有;沈聖智;方銘川
計畫參與人員: 王舜民; 高翊庭; 歐臣峰; 張理源;詹鈞評 執行機構 ：國立成功大學 系統系 (測量系合作)
計畫 主持人/
共同主持人 名稱 主題/對象
第二期 項目一 陳政宏 ROV系統 ROV系統設計
項目二 饒見有 攝影測量與立體
建模 攝影測量與立體建模
項目三 沈聖智 水下光源 水下光源
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執行進度表
項目 細項 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100
%
設計ROV
外型設計 推進系統 控制系統 導航系統 設計水下光源
製作水下光源 調整光源頻譜 攝影器材組裝 系統測試 實際水域測試 報告、發表
期初計畫
• 目標
▫ ROV水下影像立體建模
• 工作項目
▫ 實驗水槽拍攝試驗
▫ 實地拍攝試驗
▫ 濁度影像測試
▫ 人才技術培育
• 研究方法
▫ 人因工程─連桿分析：重新設計人機介面
▫ Photoscan影像建模技術
▫ 操作系統建立、改良ROV性能
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人因工程
• 人機介面設計
人因工程
• 人機介面設計─連桿分析
▫ 根據統計學及資料庫分析操作按鍵之間的連結
▫ 調整最適合之C/R比 (比值越小越靈敏)
▫ 根據人類的視覺、觸覺和反應時間做為佈置根據
PW F B CR CS CCRCCSP FL D PH TM EX V RCCPS PtS RS YS
PW 40
F ■ Absolutely essential 3■ 22
B ■ □ Essential 2□ 22
CR ■ □ □ Important 1◇ 22
CS □ □ □ ◇ Ordinary 0○ 22
CCR ■ □ □ □ ◇ Unimportant -1△ 20
CCS □ □ □ □ ◇ ◇ Undesirable -2▲ 19
P ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 25
FL ■ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ○ 28
TM ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ■ ▲ -1
D ■ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ○ □ ▲ 28
PH ■ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ○ ■ ■ ■ 40
EX ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 43
V ○ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ ■ ■ 31
RCC ▲ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ ○ ▲ ■ -4
PS □ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ □ ■ ■ ■ ○ ■ □ ○ 27
PtS □ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ■ ■ ■ ○ ◇ ◇ △ ◇ 15
RS □ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ■ ■ ■ ○ ◇ ◇ △ ◇ ◇ 15
YS □ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ■ ■ ■ ○ ◇ ◇ △ ◇ ◇ ◇ 15
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人機介面設計方法
• 先將同性質的控制選項，集中在同一串，且每個 集合之間，互相連結
人機介面設計方法
• 即時影像和主要控制選項放在中間
• 電源和緊急停止鈕，為避免誤觸則置於左右斜對角
• 其它選項對操作影響不大，故置於左右兩端
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人機介面設計
Triggerfish (s) Redesigned virtual UI (s)
Redesigned virtual UI connected to keyboard (s)
Subject 1 11.99 6.79 4.69
Subject 2 18.14 9.79 3.22
Subject 3 20.98 20.04 4.42
Subject 4 9.55 4.90 3.92
Subject 5 18.06 8.42 2.71
Subject 6 36.65 15.01 2.30
Subject 7 32.50 13.86 4.39
Median 18.14 9.79 3.92
Average 21.13 11.26 3.66
Average time
saved -% 46.61% 82.68%
• 結果：大幅降低新使用者的學習時間
技術成果一
• 水下拍攝試驗
▫ 分別以Sonyα-6000和Logitech webcam進行水下拍攝，
兩者比較可發現後者的相片，影像較為清晰
圖1、Sony α-6000 影像樣本1 圖2、Logitech webcam影像樣本1
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技術成果一
• 水下拍攝試驗
圖3、Sony α-6000 影像樣本2 圖4、Logitech webcam影像樣本2
技術成果二
• 水下影像立體建模
▫ 2015年使用大型LED集魚燈作為環境光源由潛水人 員拍攝建模所需的影像樣本
▫ 2017年使用自製的LED光源，搭載於ROV上，於實驗 水槽中拍攝建模所需的影像樣本
• 將兩種方法所取得的影像資料，分別利用
photoscan軟體進行3D建模，並比較兩者的差異性
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技術成果二
圖5、使用集魚燈光源拍攝 圖6、使用LED光源拍攝
• 水下攝影立體建模
技術成果二
• 水下攝影立體建模
圖7、拍攝路徑圖 圖6、影像曡圖分析
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技術成果二
• 水下攝影立體建模
圖8、3D模型(2015) 圖9、3D模型(2017)
技術成果二
前視圖 上視圖 左視圖
3D模型(2017)
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• 本團隊於2017年5月26日前往安平港德陽艦園區實 地測試。
• 目的：
▫ 觀察船體水下結構及海生物生長狀況，並測試ROV在實 地的操作與建模功能
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實地拍攝試驗
• 現場作業情形
臨時工作站
ROV器材組裝 ROV組裝完成
實地拍攝試驗
• 現場作業情形
ROV接上電纜 ROV下水試驗1 ROV下水試驗2
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實地拍攝試驗
• 系統操作及水下畫面
系統操作畫面 船體水下附著物
實地拍攝試驗
• 試驗狀況1：
▫ 因前置作業時間較長，在長時間強烈日照下，使甲板溫度逾 30度，推論可能因此造成艙體的微小形變，間接影響艙蓋間 密封不合，導致玻璃在二次拆裝過程中，因受力不均而破裂。
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實地拍攝試驗
• 問題1：機構設計
▫ 因鏡頭艙之玻璃，在此次的 機構設計上，未考慮到現場 的氣溫因素，所以只要艙體 產生一微小形變，在安裝過 程中就會導致玻璃破裂。
• 問題2：前置作業太複雜
▫ 本次實地試驗的前置作業時間太 過冗長，從ROV內部主機開機到 艙體組裝完成，總共花了一小時 左右的時間，而內部主機在沒有 海水降溫下，加上陽光曝曬，因 熱脹冷縮，容易造成電子零件的 線路接觸不良
實地拍攝試驗
• 解決方法1：
▫ 用水密黏膠和O-ring，將玻 璃固定在前艙的凹槽上，在 承受壓力時，確保不會直接 接觸玻璃表面造成損毀。
• 解決方法2：
▫ 將ROV內部電腦NUC，改成插 電即自動開機的程序，如此 一來，在試驗前(實驗室)，
先將艙體組裝好，運送至現 場後，只要接上電纜線供電，
即可開始作業。
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濁度測試
•
在清晰度較低的狀況下，會讓拍攝的影像無法給予 photoscan軟體作分析，而在水下的即時影像，甚至 會直接影響到岸上人員的操作性能。•
以下兩張照片分別為實驗水槽中及實地測試中拍攝• 實驗水槽底部 (泥沙揚起時)
• 實地測試
• 實驗水槽
濁度測試
•
在實驗室中建立一個濁度試驗•
方法：在一個30X10X20的水缸中，水量為6公升，將 待測物置於水缸後，並依次加入不同重量的麵粉，均 勻混合後，再由前方拍攝待測物。•
示意圖：加入不同重量麵粉 待測物
拍攝方向
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濁度測試
0 mg/L 166.67 mg/L 433.33 mg/L 666.67 mg/L 1666.67 mg/L
•
結果：• 實地試驗
• 實驗水槽 • 實驗水槽
澎湖海域水質資訊
測站名稱 懸浮固體微粒 (mg/L) 烏崁海域 < 2~5.8
紗帽山海域 < 2~4 龍門海域 < 2~5 吉貝海域 < 2~4.7 七美海域 < 2~3.9 望安海域 < 2~3
資料來源：行政院環境保護署 全國環境水質監測資訊網
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深度、航向感測儀
• 型號：
▫
ISD4000-英國-Impact subsea• 功能：
▫
感測器提供深度及姿態的量測，具有卓越的精度和分辨 率，適合大範圍的水下應用，整合加速度計和陀螺儀以 提供穩定的Heading、Pitch和Roll• 材質：
▫
Derlrin塑鋼外殼感測器量測範圍
深度
精度 ±0.01%
解析度 0.001%
範圍 30bar （約等於300公尺)
型式 壓阻式 附溫度補償
俯仰&翻滾 航向
俯仰 ±90˚ 精度 ±0.5˚
翻滾 ±180˚ 解析度 0.1˚
精度 0.2˚ RMS 解析度 0.1˚
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鏡頭程式更新
•
符合程式運算及建模條件下，將高解析度的網路攝影 機取代專業類單眼相機▫ 羅技HD 1080p替換Sonyα6000
•
經操作系統改良後，已可達成操作畫面即為拍攝畫面，並擁有拍照及攝影的功能，此項成果可降低攝影設備 的成本及ROV系統的內部空間佈置。
▫ 考古人員在現場操作時，可以直接從電腦上判讀畫面的 清晰度，來決定是否要進行拍攝動作
C#操作介面更新
範圍 功能
A 錄影計時
B 即時畫面=拍攝 畫面
C 拍照及錄影功 能
A. B.
C.
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人才與技術培育
•
本期有兩位碩士生參與ROV系統建置的工作，另有一 位博士生支援影像後處理工作，其中一位碩士生以此 為論文主題，另發表一篇文章至輪機工程學會研討會 論文集。•
影像建模技術可提供更精確的模型外觀及大小，相較 側掃聲納而言，更能快速且真實地還原水下考古遺址。•
人因工程應用在使用者介面上，將介面連結至鍵盤後，能夠大幅縮短操作者的學習時間。
未來規劃
• 推進系統
▫ 目前的ROV在機構設計和配置上，經過改良後，總體積 增加約10%，另外，在本次實地測試過後，部份推進器 輸出力道下降，因此有必要將此系統進行升級，以維持 原有ROV的操作性能
• 感知系統
▫ 目前的ROV是以陀螺儀感測水下姿態，並由磁羅經提值 航向資料，水下300米等級的壓力計整合套件已於7/25 交貨，並在九月初完成測試，其後將進行系統整合的工 作
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研究進度
月份
項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 規劃調整
設計ROV 製作與測試ROV 設計水下光源 製作水下光源 調整光源頻譜 攝影器材組裝 ROV整合組裝 系統測試 調整攝影機構 系統調整 實際水域測試 系統調整 報告、發表
結論與建議
• 第一階段的實驗水槽試驗成果，可以證明目前的 ROV具備水下拍攝及3D建模之基礎，影像辨識度提 高，改善了操作人員的適應性，也有助於提升水 下影像建模的精確度。
• 目前ROV的推進系統，因為造價低，製造品質要求 不高，所以每個推進器的推力不大，且大小不一，
在實測時，可看出馬達推力和海流的對抗上明顯
不足，因此需對推進系統作進一歩更新。
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Customized Small-ROV for Underwater Archaeology Photogrammetry 2017
指導教授 陳政宏 ； 研究生 高翊庭 國立成功大學 系統及船舶機電工程研究所