專利名稱：大型物料堆體積的圖象測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型物料堆體積的測(cè)量方法，尤其涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺的大型物料堆體積測(cè)量方法，可用于火力發(fā)電廠儲(chǔ)煤量以及其他建材、化肥等大型物料堆的體積測(cè)算，屬于自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
在工程領(lǐng)域經(jīng)常有一些大型物料堆需要測(cè)量其體積。例如，煤是火力發(fā)電的重要燃料，電廠煤倉中必須保持充足的儲(chǔ)備量，但若儲(chǔ)煤量過剩，造成積壓，則不利于資金周轉(zhuǎn)，所以如何保持適當(dāng)?shù)膬?chǔ)煤量是一個(gè)重要問題。過去煤堆體積僅僅靠人工估算，不僅速度慢，而且誤差也大。此類問題在測(cè)量糧食、化肥和建筑材料等物料堆體積時(shí)，同樣存在。
隨著計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)的迅速發(fā)展，人們將之應(yīng)用于對(duì)大型物料堆進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。但是現(xiàn)有技術(shù)都是有關(guān)面積的測(cè)量，如欒新等在“原木橫截面圖象模式識(shí)別的新方法”(黑龍江自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，1996年第4期，P15)中，介紹了一種測(cè)量原木橫截面面積的新方法，即用CCD攝像機(jī)拍攝原木橫截面的圖象，再采用模式識(shí)別的方法得到各原木橫截面的等效二值化圖象，由識(shí)別出的各個(gè)原木橫截面的半徑r計(jì)算出各原木的橫截面面積，再用兩側(cè)原木橫截面的平均值乘以原木長(zhǎng)度L即可得到原木堆的體積。在這種方法中，原木的長(zhǎng)度L不是用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行測(cè)量得到的，而是用其他方法測(cè)量得到的，因而該文獻(xiàn)的技術(shù)貢獻(xiàn)在于提供了一種用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行面積測(cè)量的方法。目前尚未檢索到有關(guān)體積測(cè)量方面的文獻(xiàn)和專利。
本發(fā)明的目的在于提供一種基于計(jì)算機(jī)視覺的大型物料堆的體積測(cè)量方法，能對(duì)工程領(lǐng)域的各種大型物料堆的體積進(jìn)行定量測(cè)算，并達(dá)到測(cè)量簡(jiǎn)便、誤差小的效果。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明提出了一種基于多視點(diǎn)采集圖象信息，以橫截面面積疊加求取三維物體體積的方法，在技術(shù)方案中采用CCD攝象機(jī)、圖象采集卡和PC微機(jī)構(gòu)成計(jì)算機(jī)圖象處理系統(tǒng)，用CCD攝像機(jī)在各個(gè)方向上拍攝物料堆，得到各個(gè)不同方向上的物料堆的側(cè)視圖，然后采用計(jì)算機(jī)和圖象采集卡對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在計(jì)算機(jī)中對(duì)圖象進(jìn)行邊緣識(shí)別，進(jìn)行二值化等圖象預(yù)處理，得到物料堆的側(cè)視圖的清晰輪廓線，由這些側(cè)視圖可以構(gòu)成一個(gè)近似物料堆的棱錐體，其橫截面是一個(gè)多邊形，近似于物料堆的橫截面。求得各個(gè)橫截面的面積疊加后即可得到物料堆的近似體積。
本發(fā)明對(duì)于物料堆體積測(cè)量的計(jì)算機(jī)處理方法具體如下1、用CCD攝像機(jī)在N個(gè)方向上拍攝物料堆，得到N個(gè)不同方向上的物料堆的側(cè)視圖，物料堆與攝像機(jī)的距離固定，物料堆旁邊設(shè)置有標(biāo)尺，因而攝像機(jī)拍攝到的側(cè)視圖以標(biāo)尺作為參考，就可以知道側(cè)視圖的實(shí)際尺寸。
2、通過圖象采集卡對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將這些側(cè)視圖讀取到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行二值化等圖象預(yù)處理，閾值的確定方法是，采用物料堆中間的一個(gè)區(qū)域，將其灰度值的平均值作為確定邊緣的閾值。在計(jì)算機(jī)中對(duì)圖象進(jìn)行邊緣識(shí)別，得到物料堆的側(cè)視圖的清晰輪廓線，該輪廓線從底到頂任意位置的水平割線的長(zhǎng)度都可以用像素的個(gè)數(shù)計(jì)算出來。各側(cè)視圖的輪廓線復(fù)合成一個(gè)棱錐體。
3、求各個(gè)橫截面面積。由于是用多邊形近似橫截面，此問題轉(zhuǎn)化成為求多邊形面積。因?yàn)樘娲鷻M截面的多邊形不是規(guī)則對(duì)稱的正多邊形，不能套用現(xiàn)有的面積公式來求解。
本發(fā)明采用的面積公式S=n×θ2其中n表示多邊形內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，θ表示拍攝到的圖象在水平方向上與實(shí)際尺寸間的比例因子。
4、求物料堆的體積。由側(cè)視圖的高度和各橫截面的面積，通過積分計(jì)算出物料堆的體積。
本發(fā)明采用的體積公式V=Σi=1hSi·Δx·λ]]>其中Si表示第i個(gè)橫截面的面積，i=1，2，…h(huán)對(duì)側(cè)視圖在垂直方向上進(jìn)行h等分，每個(gè)微元為△x，λ表示拍攝到的圖象在垂直方向上與實(shí)際尺寸間的比例因子。
本發(fā)明一般可以取四個(gè)方向進(jìn)行拍攝，如取0°，45°，90°，135°四個(gè)方向，也可以從四個(gè)以上的方向多角度拍攝，使得到的物料堆的形狀更接近于真實(shí)。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步描述。


圖1為本發(fā)明采用的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中所示，帶圖象采集卡的PC計(jì)算機(jī)3連接一個(gè)CCD攝象機(jī)2，攝象機(jī)對(duì)準(zhǔn)物料堆1的N個(gè)方向進(jìn)行拍攝，可得到N個(gè)方向上的物料堆的側(cè)視圖。計(jì)算機(jī)和圖象采集卡對(duì)所攝圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)圖象進(jìn)行邊緣識(shí)別，得到物料堆的側(cè)視圖的清晰輪廓線。
圖2為所攝側(cè)視圖輪廓線的示意圖。
在圖2中，ab水平割線可由a點(diǎn)到b點(diǎn)的像素個(gè)數(shù)來計(jì)算。同樣的，用像素的個(gè)數(shù)計(jì)算可以得到該側(cè)視圖的高度h。
圖3為本發(fā)明橫截面面積求解示意圖。
其中，圖3-1為N幅側(cè)視圖。
圖3-2為由N幅側(cè)視圖構(gòu)成的棱錐體的橫截面多邊形。
如圖3所示，將N幅側(cè)視圖從上至下若干等分，每個(gè)微元為△x，在同一高度h處的微元內(nèi)，N個(gè)不同方向上的物體輪廓左右邊界間的實(shí)際水平距離分別為L(zhǎng)1，L2，…LN。以L1，L2，…LN為寬度，以L為長(zhǎng)度(L=Max{L1，L2，…LN})的N個(gè)矩形，按拍攝時(shí)的角度關(guān)系安放，進(jìn)行面積相與，得到一個(gè)M維凸多邊形。如果物體在各橫截面上沒有向內(nèi)凹陷，且M足夠大，就可用這個(gè)M維凸多邊形近似實(shí)際的橫截面形狀，由多邊形面積推斷出橫截面面積。
圖4為由兩個(gè)矩形面積相與得到一個(gè)多邊形面積示意圖。
其中，圖4-1為數(shù)組P的內(nèi)容，圖4-2為數(shù)組P1的內(nèi)容，圖4-3為P和P1元素相與，圖4-4為與操作后P的內(nèi)容。
圖5為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換示意圖。
其中，圖5-1為坐標(biāo)變換前的矩形示意圖，圖5-2為坐標(biāo)變換后的矩形示意圖。
如圖4所示，設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二維數(shù)組P[A][B]和P1[A][B]，其中A=B=圖象采集的行分辨率。數(shù)組P中的元素為P[ai][bj](i=1，2，…A，j=1，2，…B)，P1中的元素為P1[ai][bi](i=1，2，…A，j=1，2，…B)。用二維數(shù)組表示二維平面，根據(jù)實(shí)際拍攝的圖象，得到拍攝物體的基準(zhǔn)軸OO′在平面上的投影坐標(biāo)，將數(shù)組中相應(yīng)位置上的元素規(guī)定為原點(diǎn)。假定第一幅側(cè)視圖中矩形的長(zhǎng)邊L垂直于橫軸，短邊L1平行于橫軸。根據(jù)此矩形的大小將數(shù)組P中相應(yīng)位置上元素值置為1，(圖4-1中陰影部分)表示有實(shí)體信息存在，矩形范圍外所有元素值置為0(圖4-1中空白部分)，表示不在物體形體的輪廓范圍內(nèi)。以第一臺(tái)攝像機(jī)的位置作為起始，繞基準(zhǔn)軸逆時(shí)針(或者順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)一定角度α拍攝得到第二個(gè)矩形，與第一個(gè)矩形的夾角為α(α=180°/N，N為拍攝的方向數(shù)，例如從4個(gè)方向拍攝，α=45°)。按照這種角度關(guān)系，對(duì)第二個(gè)矩形進(jìn)行坐標(biāo)變換，如圖5所示。假設(shè)變換之前矩形范圍內(nèi)的坐標(biāo)(x1，y1)，(x2，y2)，…(xs，ys)(其中s表示在此矩形范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù))，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度α之后，新的坐標(biāo)為(x1′，y1′)，(x2′，y2′)，…(xs′，ys′)。
根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的新坐標(biāo)(x1′，y1′)，(x2′，y2′)，…(xs′，ys′)，將二維數(shù)組P1中的元素P1[x1′][y1′]，P1[x2′][y2′]，…P1[xs′][ys′]，置為1(圖4-2中陰影部分)，表示有實(shí)體信息存在，其余位置上的元素置為0(圖4-2中空白部分)，表示不在物體形體的輪廓范圍內(nèi)。再逐行逐列地對(duì)數(shù)組P和P1內(nèi)相應(yīng)位置上的元素P[ai][bj]和P1[ai][bj](i=1，2，…A，j=1，2，…B)進(jìn)行與操作，(如圖4-3所示)，結(jié)果保留在數(shù)組P中，(如圖4-4所示)，等待下一次位運(yùn)算操作，而P1的元素值全部被清零，得到下一幅圖象信息后，再根據(jù)新的矩形大小與角度關(guān)系對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，利用變換后的新坐標(biāo)對(duì)P1的元素值置數(shù)。經(jīng)過N-1次循環(huán)，最終數(shù)組P中所有的非零元素(陰影部分)就代表了用N個(gè)矩形所框定出來的M邊形，只要對(duì)非零元素的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就能求得多邊形的面積。
另外，還要拍攝水平和垂直標(biāo)尺的圖象，求得圖象與實(shí)際尺寸間的比例因子，將各個(gè)橫截面面積疊加起來，乘以比例因子，就能求得物料堆的近似體積。
本發(fā)明通過攝像機(jī)進(jìn)行多角度拍攝，通過計(jì)算機(jī)圖象采集卡得到多視點(diǎn)采集的圖象信息，并根據(jù)這些圖象計(jì)算出物料堆的體積，改變了目前只能測(cè)算大型物料堆的面積而不能測(cè)算體積的問題，通過所得到的棱錐體來近似物料堆的形狀，體積測(cè)量誤差小于5％，適合實(shí)際應(yīng)用的需要。如果攝像機(jī)拍攝的角度增加，測(cè)量誤差還可以進(jìn)一步減小。
實(shí)施例建一個(gè)任意的不規(guī)則的物料堆模型，用排水法測(cè)出其真實(shí)體積V，再用計(jì)算機(jī)視覺的方法得到體積估算值V′，具體步驟為用一臺(tái)攝象機(jī)從0°，45°，90°，135°四個(gè)方向?qū)υ撐锪隙涯Ｐ瓦M(jìn)行拍攝，并將圖象送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)二值化得到一個(gè)棱錐體。
對(duì)于第一個(gè)橫截面，數(shù)組P內(nèi)非零元素初始個(gè)數(shù)np=225，數(shù)組P1內(nèi)非零元素個(gè)數(shù)np1=198，P和P1內(nèi)元素第一次相與之后，np=183，經(jīng)過3次相與運(yùn)算，np=141。
第一個(gè)橫截面面積S1=np×θ2=141×(0.1071)2=1.6173。
對(duì)于第二個(gè)橫截面，用同樣的方法得到橫截面面積S2=1.7549。
以此類推，得到所有橫截面面積S3，S4，…S88(物料堆模型在垂直方向上等分成88個(gè)微元)。物料堆模型體積測(cè)算值V=Σi=188Si×Δx×λ=Σi=188Si×1×0.0714=48.2410cm3]]>物料堆模型的真實(shí)體積V=49.4201cm3，誤差δ=-2.39％
權(quán)利要求
1.一種大型物料堆體積的圖象測(cè)量方法，其特征在于采用CCD攝象機(jī)、圖象采集卡和PC微機(jī)構(gòu)成計(jì)算機(jī)視覺處理系統(tǒng)，具體處理方法如下(1)、用CCD攝像機(jī)從四個(gè)或四個(gè)以上方向拍攝物料堆，得到不同方向上的物料堆的側(cè)視圖，物料堆與攝像機(jī)的距離固定，物料堆旁邊設(shè)置有標(biāo)尺；(2)、通過圖象采集卡對(duì)所攝的圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在計(jì)算機(jī)中對(duì)圖象進(jìn)行邊緣識(shí)別，得到物料堆的側(cè)視圖的清晰輪廓線；(3)、由各側(cè)視圖的輪廓線復(fù)合成一個(gè)棱錐體，求棱錐體中各個(gè)橫截面面積；(4)、由側(cè)視圖的高度和各橫截面的面積，求取物料堆的體積。
2.如權(quán)利要求1所說的大型物料堆體積的圖象測(cè)量方法，其特征在于所說的CCD攝像機(jī)從0°，45°，90°，135°四個(gè)方向?qū)ξ锪隙堰M(jìn)行拍攝。
全文摘要
一種大型物料堆體積的圖象測(cè)量方法,采用CCD攝象機(jī)、圖象采集卡和PC微機(jī)構(gòu)成計(jì)算機(jī)視覺處理系統(tǒng),攝象機(jī)在各個(gè)方向上拍攝物料堆,圖象采集卡對(duì)所攝的圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并在計(jì)算機(jī)中對(duì)多視點(diǎn)采集的圖象信息進(jìn)行處理,以橫截面面積疊加求取三維物體體積的方法求得物料堆的體積。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程領(lǐng)域中儲(chǔ)煤量、糧食、化肥及建材等大型物料堆的體積測(cè)算問題,測(cè)量誤差小于5%,能適合實(shí)際應(yīng)用的需要。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1286395SQ0012548
公開日2001年3月7日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者潘俊民, 陳瑩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)