一種運輸帶上物體體積測量方法與流程
本發明涉及測量技術領域，特別是指一種運輸帶上物體體積測量方法。
背景技術：
帶式輸送機(也可以稱為：傳送帶)是煤炭、建筑、冶金、電力等行業廣泛使用的一種連續運輸機械。為了統計進入原料、輸出產品總量，迅速準確的得到結果，測量傳送帶傳送物體體積成為解決方案之一。傳統的測量方法大多基于人工、離線的方式進行，工人勞動強度大、效率低，而且實時性差，不能及時、有效地對生產線進行監測。為了適應現代化工業的生產，必須研究高效、自動、實時的測量技術及系統。
現有的測量方法，例如，毛佳紅在光學技術上發表的文章“基于線結構光的雙目三維體積測量系統”中公開了利用雙目視覺對物體進行體積測量的方法，具體方法為，采用結構光的方式，在雙目視覺系統中獲取物體表面三維點坐標，從而積分計算體積，該方法運算量大，成本高。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種運輸帶上物體體積測量方法，以解決現有技術所存在的運算量大，成本高的問題。
為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種運輸帶上物體體積測量方法，包括：
利用單目攝像機，采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像；
根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣和光條紋中心的像素坐標集；
基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程；
根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標；
根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，確定物體的體積。
進一步地，所述光條紋為線式結構光。
進一步地，所述采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像包括：
S1，采用靶標；
S2，開啟激光器，采集帶有光條紋的圖像，關閉激光器，采集不帶有光條紋的圖像，得到一個不帶有光條紋的和帶有光條紋的圖像對；
S3，移動所述靶標，重復執行S2，直至采集預定數目的圖像對。
進一步地，所述根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定光條紋中心的像素坐標集包括：
根據采集的不帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣；
每一個圖像對中，對采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像做差值運算，得到差值圖像；
對得到的差值圖像進行畸變校正；
根據校正后的差值圖像，提取光條紋中心，得到光條紋中心的像素坐標集。
進一步地，所述方法還包括：
根據采集的不帶有光條紋的圖像，確定相機外參，所述外參包括：世界坐標系到相機坐標系下的旋轉矩陣、平移向量及單應性矩陣；
所述基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程包括：
根據確定的光條紋中心的像素坐標集，結合預定的單應性矩陣、像素坐標與世界坐標之間的關系，得到光條紋中心在世界坐標系下的坐標集；
根據確定的旋轉矩陣、平移向量，將光條紋中心在世界坐標系下的坐標集轉換到相機坐標系下，得到光條紋中心在相機坐標系下的坐標集；
對得到的光條紋中心在相機坐標系下的坐標集進行擬合，得到光平面方程。
進一步地，所述根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標包括：
在運輸帶上放置物體之前，利用單目攝像機，采集帶有光條紋的運輸帶表面圖像；
根據采集的帶有光條紋的運輸帶表面圖像，確定運輸帶表面的光條紋中心的像素坐標；
根據確定的運輸帶表面的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點在相機坐標系下的三維坐標。
進一步地，所述內參矩陣方程表示為：
所述光平面方程表示為：
xc-63.6195yc+2.6409zc-3218.2103＝0
其中，M表示內參矩陣，xi、yi表示像素坐標系下的二維坐標，xc、yc、zc表示像素坐標系下的二維坐標對應點在相機坐標系下的三維坐標。
進一步地，所述根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定物體表面點的三維坐標包括：
運輸帶上放置物體后，在運輸帶運輸過程中，利用單目攝像機，實時采集帶有光條紋圖像；
根據實時采集的帶有光條紋圖像，確定所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標；
根據確定的所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點對應的物體表面點在相機坐標系下的三維坐標。
進一步地，所述根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，確定物體的體積包括：
根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，計算物體表面點到運輸帶對應表面點的距離，對所述距離進行橫向積分得到截面積；
利用運輸帶運動速度，對所述截面積進行積分，得到物體體積。
進一步地，所述截面積表示為：
所述物體體積表示為：
其中，Sj表示第j幀圖像的截面積，xg0、yg0、zg0表示運輸帶表面光條紋起始點在相機坐標系下的三維坐標，xgn、ygn、zgn表示運輸帶表面光條紋終點在相機坐標系下的三維坐標，xti,yti,zti表示第i運輸帶表面點在相機坐標系下的三維坐標，xgi,ygi,zgi表示第i運輸帶表面點對應的物體表面點在相機坐標系下的三維坐標，n表示光條紋中心點的個數，V表示物體的體積，v表示運輸帶運動速度，p表示圖像幀數，t表示運行時間。
本發明的上述技術方案的有益效果如下：
上述方案中，通過單目攝像機采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像；根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣和光條紋中心的像素坐標集；基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程；根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標；根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，能夠實時確定物體的體積，且利用單目攝像機采集圖像，能夠減小運算量，從而能夠快速、自動地確定運輸帶上物體的體積，且能夠降低系統成本。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的運輸帶上物體體積測量方法的流程示意圖；
圖2(a)為本發明實施例提供的不帶有光條紋的圖像示意圖；
圖2(b)為本發明實施例提供的帶有光條紋的圖像示意圖；
圖3為本發明實施例提供的視覺系統示意圖；
圖4為本發明實施例提供的運輸帶表面的帶有光條紋的圖像；
圖5為本發明實施例提供的運輸帶上放置物體后，得到的帶有光條紋的圖像。
具體實施方式
為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
本發明針對現有的運算量大，成本高的問題，提供一種運輸帶上物體體積測量方法。
參看圖1所示，本發明實施例提供的運輸帶上物體體積測量方法，包括：
S101，利用單目攝像機，采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像；
S102，根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣和光條紋中心的像素坐標集；
S103，基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程；
S104，根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標；
S105，根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，確定物體的體積。
本發明實施例所述的運輸帶上物體體積測量方法，通過單目攝像機采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像；根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣和光條紋中心的像素坐標集；基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程；根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標；根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，能夠實時確定物體的體積，且利用單目攝像機采集圖像，能夠減小運算量，從而能夠快速、自動地確定運輸帶上物體的體積，且能夠降低系統成本。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述光條紋為線式結構光。
本實施例中，由于線式結構光抗干擾性好，作為一可選實施例，所述光條紋為線式結構光，使得本實施例提供的運輸帶上物體體積測量方法能夠適用于復雜的工業現場。
本實施例中，所述采集不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像包括：
S1，采用靶標，例如，所述靶標可以是二維平面靶標；
S2，開啟激光器，采集帶有光條紋的圖像，此時不移動所述靶標，關閉激光器，采集不帶有光條紋的圖像，得到一個不帶有光條紋的和帶有光條紋的圖像對；
S3，移動所述靶標，重復執行S2，直至采集預定數目的圖像對。
本實施例中，例如，預定數目為10，則需采集10個圖像對，如圖2所示，圖2(a)為不帶有光條紋的圖像，2(b)為帶有光條紋的圖像，對應圖像的位置相同。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像，確定光條紋中心的像素坐標集包括：
根據采集的不帶有光條紋的圖像，確定相機內參矩陣；
每一個圖像對中，對采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像做差值運算，得到差值圖像；
對得到的差值圖像進行畸變校正；
根據校正后的差值圖像，提取光條紋中心，得到光條紋中心的像素坐標集。
本實施例中，如圖3所示，建立視覺系統，所述視覺系統包括：世界坐標系Ow-XwYwZw、像素坐標系U-V、相機坐標系Oc-XcYcZc以及圖像坐標系Xi-Yi。
本實施例中，根據采集的不帶有光條紋的圖像，標定攝像機內參矩陣M、畸變參數K，并得到靶標每個位置的外參，即建立靶標坐標系；其中，內參矩陣M為：
畸變參數K為K＝[-0.00858 0 0 0]。
本實施例中，將該靶標坐標系視為世界坐標系，靶標棋盤格的大小為25mm×25mm，棋盤格交點的坐標已知；據此求世界坐標系到相機坐標系下的相機外參，其中，所述相機外參包括：旋轉矩陣R、平移向量T以及對應的單應性矩陣H。
本實施例中，在每一個圖像對中，對采集的不帶有光條紋的圖像和帶有光條紋的圖像做差值運算，得到差值圖像；對得到的差值圖像進行畸變校正；根據校正后的差值圖像，提取光條紋中心，得到光條紋中心的像素坐標集，具體的，可以利用Hessian矩陣和最大連通域結合的方法提取光條紋中心，得到光條紋中心的像素坐標集I。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述基于確定的光條紋中心的像素坐標集，確定光平面方程包括：
根據確定的光條紋中心的像素坐標集，結合預定的單應性矩陣、像素坐標與世界坐標之間的關系，得到光條紋中心在世界坐標系下的坐標集；
根據確定的旋轉矩陣、平移向量，將光條紋中心在世界坐標系下的坐標集轉換到相機坐標系下，得到光條紋中心在相機坐標系下的坐標集；
對得到的光條紋中心在相機坐標系下的坐標集進行擬合，得到光平面方程。
本實施例中，預定的單應性矩陣、像素坐標與世界坐標之間的關系為：
sI＝HP
其中，s表示尺度因子。
本實施例中，將光條紋中心的像素坐標集I代入sI＝HP，計算得到光條紋中心在世界坐標系下的坐標集P；利用旋轉矩陣R、平移向量T，將P轉換到相機坐標系下，即Pc＝[R T]P，其中，Pc為光條紋中心在相機坐標系下的坐標，用該方法循環10個圖片對之后，得到光條紋中心在相機坐標系下的坐標集，用最小二乘方法擬合出光平面在相機坐標系下的方程，所述光平面在相機坐標系下的方程在本文中也可以簡稱為：光平面方程，所述光平面方程表示為：
x-63.6195y+2.6409z-3218.2103＝0
其中，x、y、z相機坐標系下的三維坐標。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定運輸帶表面點的三維坐標包括：
在運輸帶上放置物體之前，利用單目攝像機，采集帶有光條紋的運輸帶表面圖像；
根據采集的帶有光條紋的運輸帶表面圖像，確定運輸帶表面的光條紋中心的像素坐標；
根據確定的運輸帶表面的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點在相機坐標系下的三維坐標。
本實施例中，在運輸帶上放置物體之前，利用單目攝像機，采集一次帶有光條紋的運輸帶表面圖像，如圖4所示，對采集的帶有光條紋的運輸帶表面圖像進行畸變校正，接著，利用閾值法和Canny算子計算光條紋邊沿，用中心法得到運輸帶表面的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點在相機坐標系下的三維坐標Ti(xti,yti,zti)(i＝0～n)，其中，n為光條紋中心點的個數，也表示：物體橫截面離散化的長方形個數，其中，所述內參矩陣方程表示為：
所述光平面方程表示為：
xc-63.6195yc+2.6409zc-3218.2103＝0
其中，M表示內參矩陣，xi、yi像素坐標系下的二維坐標，xi、yi的下標i不是變量，是指在像素坐標系下的二維坐標，xc、yc、zc表示像素坐標系下的二維坐標對應點在相機坐標系下的三維坐標。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據確定的內參矩陣和確定的光平面方程，確定物體表面點的三維坐標包括：
運輸帶上放置物體后，在運輸帶運輸過程中，利用單目攝像機，實時采集帶有光條紋圖像；
根據實時采集的帶有光條紋圖像，確定所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標；
根據確定的所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點對應的物體表面點在相機坐標系下的三維坐標。
本實施例中，運輸帶上放置測量物體后，在運輸帶運輸過程中，利用單目攝像機，實時采集帶有光條紋的圖像，如圖5所示，得到物體表面光條紋點集，根據實時采集的帶有光條紋圖像，確定所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標；根據確定的所述實時采集的帶有光條紋圖像的光條紋中心的像素坐標，通過內參矩陣方程和確定的光平面方程，得到運輸帶表面點順序對應的物體表面點在相機坐標系下的三維坐標Gi(xgi,ygi,zgi)(i＝0～n)。
在前述運輸帶上物體體積測量方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，確定物體的體積包括：
根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，計算物體表面點到運輸帶對應表面點的距離，對所述距離進行橫向積分得到截面積；
利用運輸帶運動速度，對所述截面積進行積分，得到物體體積。
本實施例中，根據確定的運輸帶表面點的三維坐標和物體表面點的三維坐標，用距離公式計算物體表面點到運輸帶對應表面點的距離，得到運輸帶表面第一個點到最后一個點的距離，對得到的距離進行橫向積分得到截面積；在運輸帶運動過程中，視覺系統固定，利用運輸帶運動速度，對所述截面積進行積分，能夠快速、自動地確定運輸帶上連續物體的體積。
本實施例中，所述距離公式/第j幀圖像的截面積表示為：
所述物體體積表示為：
其中，Sj表示第j幀圖像的截面積，xg0、yg0、zg0表示運輸帶表面光條紋起始點在相機坐標系下的三維坐標，xgn、ygn、zgn表示運輸帶表面光條紋終點在相機坐標系下的三維坐標，xti,yti,zti表示第i運輸帶表面點/運輸帶表面第i點在相機坐標系下的三維坐標，xgi,ygi,zgi表示第i運輸帶表面點對應的物體表面點在相機坐標系下的三維坐標，n表示光條紋中心點的個數，V表示物體的體積，v表示運輸帶運動速度，p表示圖像幀數，t表示運行時間。
本實施例中，根據本實施例提供的運輸帶上物體體積測量方法，測量體積為1000cm3物體的體積為：1051.232cm3。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
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