CN101118570A - 基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置及方法，它涉及一种基于机器视觉方法进行宝石毛坯重构切工设计的装置及方法，以解决现有宝石毛坯重构装置存在的结构复杂、造价昂贵的问题；以及设计方法存在的不支持自动设计、手动设计参数过程繁琐耗时长、过于依赖设计者经验、很难达到最优设计的问题。本发明的图像采集设备的信号输出端与处理系统的信号输入端连接，转动平台设备和照明设备的控制输入端与处理系统的控制输出端连接，照明设备的输出光供给图像采集设备的输入端。本发明的方法步骤为：步骤一、启动；步骤二、毛坯重构；步骤三、切工设计；步骤四、三维建模。本发明具有检测时间短、切工设计灵活、性价比高、便于用户购买应用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种宝石毛坯设计系统，具体涉及一种基于机器视觉方法进行宝石毛坯重构切工设计的装置及方法。
背景技术
宝石切工设计是宝石加工工艺流程中最重要的一道工序，需要对指标进行权衡，找出一个平衡点。宝石切工设计的好坏直接影响到这颗宝石将来的商业价值。它要求设计者在精确测量宝石毛坯的基础上，根据已有经验及客户要求进行优化设计，需要很强的空间想象能力和丰富的宝石加工以及商业经验。已有的手工方式随着用户要求日趋复杂和需求量的不断加大，已无法满足要求，因而必需将智能技术和自动检测技术引入宝石设计领域。
工件三维形状重构主要采用的方法是结构光扫描重构和多摄像机成像法。第一类方法精度高，算法相对成熟，目前在该领域已有大量研究成果并初步实现产业化，如三维成像仪和三维扫描仪等产品，然而这类产品通常结构复杂，造价昂贵，无法实现小型化和低成本的要求；第二类方法则需要使用多个摄像机并进行精确同步，同样存在结构复杂和硬件成本高的问题，已有的重构算法一般只考虑光滑物体表面，在处理带有棱角或明显面特征的宝石毛坯时会出现较大误差，无法作为测量结果及进一步设计使用。对于宝石切工设计，目前已有多类切工辅助设计软件，如GemCAD，JewelCAD等，可以根据用户设计三维显示宝石切工及对比结果，缺点是不支持自动设计，用户必须手动设计一组参数后观察结果，再根据结果反复调整参数直至最终达到较满意的结果，整个过程繁琐，耗时长，一般需要几十分钟甚至数小时才能完成，并且结果严重依赖设计者的经验，很难达到最优设计。
发明内容
本发明为解决现有宝石毛坯重构装置存在的结构复杂、造价昂贵的问题；以及设计方法存在的不支持自动设计、手动设计参数过程繁琐耗时长、过于依赖设计者经验、很难达到最优设计的问题，提供一种基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置及方法。
本发明的基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置由图像采集设备1、转动平台设备2、处理系统3和照明设备4组成，图像采集设备1的信号输出端与处理系统3的信号输入端连接，转动平台设备2和照明设备4的控制输入端与处理系统3的控制输出端连接，照明设备4的输出光供给图像采集设备1的输入端，所述图像采集设备1由摄像机1-1和图像采集卡1-2组成，摄像机1-1的信号输出端与图像采集卡1-2的信号输入端连接，所述转动平台设备2由平台机体2-1、驱动电机2-2和设备控制卡2-3组成，驱动电机2-2的传动输出端与平台机体2-1传动连接，驱动电机的2-2的控制输入端与设备控制卡2-3的控制输出端连接，所述处理系统3由处理机3-1和显示设备3-2组成，处理机3-1的信号输入端与图像采集卡1-2的信号输出端连接，处理机3-1的信号输出端与显示设备3-2的信号输入端连接，处理机3-1的控制输出端与设备控制卡2-3的控制输入端连接，所述照明设备4包含辅助光源4-1、菲涅尔透镜4-2和镜头4-3，辅助光源4-1的控制输入端与处理机3-1的控制输出端连接，辅助光源4-1、菲涅尔透镜4-2、待测宝石毛坯W、镜头4-3和摄像机1-1依次从右至左设置在一条直线上，辅助光源4-1和摄像机1-1分别设置在菲涅尔透镜4-2和镜头4-3的焦点处。
本发明的宝石三维毛坯重构设计的方法步骤如下：
步骤一、启动：将待测宝石毛坯W放置在平台机体2-1上，由处理机3-1发出控制指令给辅助光源4-1为平台机体2-1提供背光照明；
步骤二、毛坯重构：处理机3-1通过设备控制卡2-3控制驱动电机2-2以指定速率驱动平台机体2-1进行高精度旋转，通过摄像机1-1采集待测宝石毛坯W各个角度的视频，采集的视频由图像采集卡1-2转化为多帧数字图像序列传入处理机3-1中，将多帧数字图像序列通过处理机3-1计算得到待测宝石毛坯W的三维表面和形状参数，并在处理机3-1中重构宝石毛坯的形状；
步骤三、切工设计：根据待测宝石毛坯W的三维重构结果、待设计宝石的切割形状及遵循标准要求通过处理机3-1优化待设计宝石的主轴方向、大小参数并计算出各切割面的原始参数，再与保存在处理机3-1中的标准数据库进行对比，进一步得到待设计宝石各切割面具体参数及完整的最终设计结果，并将重构和设计结果保存在处理机3-1内以供查阅检索和打印输出；
步骤四、三维建模：通过处理机3-1将待测宝石毛坯W的三维形状及切割参数通过OpenGL技术以三维叠加的方式按用户设置格式显示在显示设备3-2上，并对三维图像进行旋转、局部放大及将待测宝石毛坯W和设计结果叠加显示。
本发明具有以下特点：
(1)检测时间短，每颗宝石毛坯检测时间仅在10秒左右，切工设计时间在20秒左右；测量方便，仅需将宝石毛坯随意置于旋转平台上，无需手工校准位置可实现宝石三维毛坯重构和切工设计，过程完全自动化。
(2)切工设计灵活，可设计参数多，优化结果准确，不仅可依据常规方法按照切割重量最大准则对单颗宝石切工进行设计，而且可完成有瑕疵宝石切工设计，多颗宝石同时设计，同时可对设计结果进行手工修正；设计参数不仅包括各切割面及宝石形状参数，还包括主轴三维方向，宝石级别，宝石切割标准等。
(3)以三维方式直观的显示毛坯重构和宝石设计结果，通过同画面叠加三维显示宝石毛坯形状与切工设计结果，用户可直观的进行宝石整体和任意局部刻面，并与原毛坯形状对比，同时允许用户以交互方式手工对设计结果修改，对不合理部分通过三维直观显示出错误警告。
(4)基于机器视觉原理，使用摄像机、控制卡、辅助光源等元件设备，相对同类系统，无需专门测量器具，因而使用便捷，性价比高，便于用户购买应用。
附图说明：
图1是本发明装置的结构示意图，图2是本发明方法的流程图，图3是毛坯重构方法的流程图，图4是切工设计方法的流程图，图5是三维建模方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1，本实施方式的装置由图像采集设备1、转动平台设备2、处理系统3和照明设备4组成，图像采集设备1的信号输出端与处理系统3的信号输入端连接，转动平台设备2和照明设备4的控制输入端与处理系统3的控制输出端连接，照明设备4的输出光供给图像采集设备1的输入端，所述图像采集设备1由摄像机1-1和图像采集卡1-2组成，摄像机1-1的信号输出端与图像采集卡1-2的信号输入端连接，所述转动平台设备2由平台机体2-1、驱动电机2-2和设备控制卡2-3组成，驱动电机2-2的传动输出端与平台机体2-1传动连接，驱动电机的2-2的控制输入端与设备控制卡2-3的控制输出端连接，所述处理系统3由处理机3-1和显示设备3-2组成，处理机3-1的信号输入端与图像采集卡1-2的信号输出端连接，处理机3-1的信号输出端与显示设备3-2的信号输入端连接，处理机3-1的控制输出端与设备控制卡2-3的控制输入端连接，所述照明设备4包含辅助光源4-1、菲涅尔透镜4-2和镜头4-3，辅助光源4-1的控制输入端与处理机3-1的控制输出端连接，辅助光源4-1、菲涅尔透镜4-2、待测宝石毛坯W、镜头4-3和摄像机1-1依次从右至左设置在一条直线上，辅助光源4-1和摄像机1-1分别设置在菲涅尔透镜4-2和镜头4-3的焦点处。本实施方式的照明设备4还可以增加激光二极管4-4和狭缝透镜4-5，将激光二极管4-4设置在狭缝透镜4-5的焦点处，待测宝石毛坯W、狭缝透镜4-5和激光二极管4-4依次设置在一条轴线上，并且此轴线与菲涅尔透镜4-2、待测宝石毛坯W和镜头4-3所在的直线处于同一水平面。当宝石毛坯表面存在凹坑时，开启激光二极管4-4发射激光，激光通过狭缝透镜4-5后变成直线光照射到宝石毛坯表面，宝石毛坯表面的凹坑通过光源投影直线度的变化加以识别。
具体实施方式二：参见图2，本实施方式的方法步骤为：
步骤一、启动：将待测宝石毛坯W放置在平台机体2-1上，由处理机3-1发出控制指令给辅助光源4-1为平台机体2-1提供背光照明；
步骤二、毛坯重构：处理机3-1通过设备控制卡2-3控制驱动电机2-2以指定速率驱动平台机体2-1进行高精度旋转，通过摄像机1-1采集待测宝石毛坯W各个角度的视频，采集的视频由图像采集卡1-2转化为多帧数字图像序列传入处理机3-1中，将多帧数字图像序列通过处理机3-1计算得到待测宝石毛坯W的三维表面和形状参数，并在处理机3-1中重构宝石毛坯的形状；
步骤三、切工设计：根据待测宝石毛坯W的三维重构结果、待设计宝石的切割形状及遵循标准要求通过处理机3-1优化待设计宝石的主轴方向、大小参数并计算出各切割面的原始参数，再与保存在处理机3-1中的标准数据库进行对比，进一步得到待设计宝石各切割面具体参数及完整的最终设计结果，并将重构和设计结果保存在处理机3-1内以供查阅检索和打印输出；
步骤四、三维建模：通过处理机3-1将待测宝石毛坯W的三维形状及切割参数通过OpenGL技术以三维叠加的方式按用户设置格式显示在显示设备3-2上，并对三维图像进行旋转、局部放大及将待测宝石毛坯W和设计结果叠加显示。
具体实施方式三：参见图3，本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤三的毛坯重构的步骤如下：步骤A、启动转动设备：启动摄像机1-1和转动平台机体2-1，通过设备控制卡2-3控制驱动电机2-2以指定速率驱动平台机体2-1进行高精度旋转；步骤B、图像采集：由摄像机1-1对待测宝石毛坯W进行图像采集，并通过图像采集卡1-2将采集到的图像传送到处理机3-1；步骤C、图像预处理：去除噪声、阈值化、对待测宝石毛坯W进行图像分割；步骤D、宝石轮廓多边形拟合：从四边形开始，逐渐增加边数，直至多边形与宝石轮廓包围误差小于指定数值；步骤E、计算各顶点坐标：首先计算多边形各顶点的二维坐标，然后根据当前平台角度及台面中心计算顶点深度信息；步骤F、判断采集完毕：判断平台机体2-1是否旋转一周，是，则图像采集过程完成，转向步骤G，否，则返回步骤B；步骤G、根据三维顶点坐标划分网络：使用Delaunday改进算法进行划分；步骤H、计算网格法向量，网格优化：根据网络平滑性约束进行优化，对每一网格计算法向量及与平台中心的距离，然后计算相邻网格法向量及距离误差；步骤I、判断是否所有网格均无法合并：是，则转向步骤J，否，则转向步骤H；步骤J、取得各面顶点、顶点顺序及面参数：根据优化后网格的空间法向量与原点距离，使用空间解析几何公式计算各面交点作为顶点，然后确定各网格的顶点索引及点序。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：参见图4，本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤四的切工设计的步骤如下：步骤①、读入设计要求：判断是否为制定形状设计，是，则转向步骤②，否，则转向步骤⑦；步骤②、指定形状设计：根据形状首先设计在毛坯中的三维轴向；步骤③、进一步确定宝石最宽部分的尺寸；步骤④、根据最宽部分的尺寸和切工设计要求确定其余部分的尺寸范围；步骤⑤、最优化设计：在尺寸范围内按照设计指标要求，将待设计宝石根据各顶点首先分割为多个基本构成体素，对每个体素计算设计指标并进行累加，最优化过程中采用基于黄金分割的试探性搜索方法；步骤⑥、判断是否达到最优化设计：将优化结果与保存在处理机3-1中的标准数据库进行对比，是，则转向步骤⑧，否，则转向步骤⑤；步骤⑦、自由设计：确定待设计宝石的基本形状类别集合，对每一类形状，按照步骤②～步骤⑥的方法进行最优设计，并记录设计结果；步骤⑧、对各类形状设计结果进行比较，选择最优结果。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：参见图5，本实施方式与具体实施方式三的不同点在于步骤四的三维建模的步骤如下：步骤i、初始化：确定坐标原点、初始视角、宝石材质、光源参数；步骤ii、消除不可见交点：对每一层表面获取与上一层、下一层相邻面，计算面交点，计算各交点是否可见；步骤iii、判断是否已消除不可见交点：是，则转向步骤iv，否，则转向步骤ii；步骤iv、输出参数：按顶点绘制宝石包络网格，并在面上输出各面对应参数；步骤v、着色绘制：根据光源位置、光照角度和设定的材质对宝石进行着色和绘制；步骤vi、响应操作：响应用户鼠标或键盘输入，对宝石进行旋转、缩放操作。其它步骤与具体实施方式二相同。
Claims (6)
1.基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置，它由图像采集设备(1)、转动平台设备(2)、处理系统(3)和照明设备(4)组成，其特征在于图像采集设备(1)的信号输出端与处理系统(3)的信号输入端连接，转动平台设备(2)和照明设备(4)的控制输入端与处理系统(3)的控制输出端连接，照明设备(4)的输出光供给图像采集设备(1)的输入端，所述图像采集设备(1)由摄像机(1-1)和图像采集卡(1-2)组成，摄像机(1-1)的信号输出端与图像采集卡(1-2)的信号输入端连接，所述转动平台设备(2)由平台机体(2-1)、驱动电机(2-2)和设备控制卡(2-3)组成，驱动电机(2-2)的传动输出端与平台机体(2-1)传动连接，驱动电机的(2-2)的控制输入端与设备控制卡(2-3)的控制输出端连接，所述处理系统(3)由处理机(3-1)和显示设备(3-2)组成，处理机(3-1)的信号输入端与图像采集卡(1-2)的信号输出端连接，处理机(3-1)的信号输出端与显示设备(3-2)的信号输入端连接，处理机(3-1)的控制输出端与设备控制卡(2-3)的控制输入端连接，所述照明设备(4)包含辅助光源(4-1)、菲涅尔透镜(4-2)和镜头(4-3)，辅助光源(4-1)的控制输入端与处理机(3-1)的控制输出端连接，辅助光源(4-1)、菲涅尔透镜(4-2)、待测宝石毛坯(W)、镜头(4-3)和摄像机(1-1)依次从右至左设置在一条直线上，辅助光源(4-1)和摄像机(1-1)分别设置在菲涅尔透镜(4-2)和镜头(4-3)的焦点处。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的装置，其特征在于它的照明设备(4)增加了激光二极管(4-4)和狭缝透镜(4-5)，激光二极管(4-4)设置在狭缝透镜(4-5)的焦点处，待测宝石毛坯(W)、狭缝透镜(4-5)和激光二极管(4-4)依次设置在一条轴线上，并且此轴线与菲涅尔透镜(4-2)、待测宝石毛坯(W)和镜头(4-3)所在的直线处于同一水平面。
3.基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的方法，其特征在于它的步骤如下：
步骤一、启动：将待测宝石毛坯(W)放置在平台机体(2-1)上，由处理机(3-1)发出控制指令给辅助光源(4-1)为平台机体(2-1)提供背光照明；
步骤二、毛坯重构：通过设备控制卡(2-3)控制驱动电机(2-2)以指定速率驱动平台机体(2-1)进行高精度旋转，通过摄像机(1-1)采集待测宝石毛坯(W)各个角度的视频，采集的视频由图像采集卡(1-2)转化为多帧数字图像序列传入处理机(3-1)中，将多帧数字图像序列通过处理机(3-1)计算得到待测宝石毛坯(W)的三维表面和形状参数，并在处理机(3-1)中重构宝石毛坯的形状；
步骤三、切工设计：根据待测宝石毛坯(W)的三维重构结果、待设计宝石的切割形状及遵循标准要求通过处理机(3-1)优化待设计宝石的主轴方向、大小参数并计算出各切割面的原始参数，再与保存在处理机(3-1)中的标准数据库进行对比，进一步得到待设计宝石各切割面具体参数及完整的最终设计结果，并将重构和设计结果保存在处理机(3-1)内以供查阅检索和打印输出；
步骤四、三维建模：通过处理机(3-1)将待测宝石毛坯(W)的三维形状及切割参数通过OpenGL技术以三维叠加的方式按用户设置格式显示在显示设备(3-2)上，并对三维图像进行旋转、局部放大及将待测宝石毛坯(W)和设计结果叠加显示。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的方法，其特征在于步骤二的毛坯重构的步骤如下：步骤A、启动转动设备：启动摄像机(1-1)和转动平台机体(2-1)，通过设备控制卡(2-3)控制驱动电机(2-2)以指定速率驱动平台机体(2-1)进行高精度旋转；步骤B、图像采集：由摄像机(1-1)对待测宝石毛坯(W)进行图像采集，并通过图像采集卡(1-2)将采集到的图像传送到处理机(3-1)；步骤C、图像预处理：去除噪声、阈值化、对待测宝石毛坯(W)进行图像分割；步骤D、宝石轮廓多边形拟合：从四边形开始，逐渐增加边数，直至多边形与宝石轮廓包围误差小于指定数值；步骤E、计算各顶点坐标：首先计算多边形各顶点的二维坐标，然后根据当前平台角度及台面中心计算顶点深度信息；步骤F、判断采集完毕：判断平台机体(2-1)是否旋转一周，是，则图像采集过程完成，转向步骤G，否，则返回步骤B；步骤G、根据三维顶点坐标划分网络：使用Delaunday改进算法进行划分；步骤H、计算网格法向量，网格优化：根据网络平滑性约束进行优化，对每一网格计算法向量及与平台中心的距离，然后计算相邻网格法向量及距离误差；步骤I、判断是否所有网格均无法合并：是，则转向步骤J，否，则转向步骤H；步骤J、取得各面顶点、顶点顺序及面参数：根据优化后网格的空间法向量与原点距离，使用空间解析几何公式计算各面交点作为顶点，然后确定各网格的顶点索引及点序。
5.根据权利要求3所述的基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的方法，其特征在于步骤三的切工设计的步骤如下：步骤①、读入设计要求：判断是否为制定形状设计，是，则转向步骤②，否，则转向步骤⑦；步骤②、指定形状设计：根据形状首先设计在毛坯中的三维轴向；步骤③、进一步确定宝石最宽部分的尺寸；步骤④、根据最宽部分的尺寸和切工设计要求确定其余部分的尺寸范围；步骤⑤、最优化设计：在尺寸范围内按照设计指标要求，将待设计宝石根据各顶点首先分割为多个基本构成体素，对每个体素计算设计指标并进行累加，最优化过程中采用基于黄金分割的试探性搜索方法；步骤⑥、判断是否达到最优化设计：将优化结果与保存在处理机(3-1)中的标准数据库进行对比，是，则转向步骤⑧，否，则转向步骤⑤；步骤⑦、自由设计：确定待设计宝石的基本形状类别集合，对每一类形状，按照步骤②～步骤⑥的方法进行最优设计，并记录设计结果；步骤⑧、对各类形状设计结果进行比较，选择最优结果。
6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的宝石三维毛坯重构设计的方法，其特征在于步骤四的三维建模的步骤如下：步骤i、初始化：确定坐标原点、初始视角、宝石材质、光源参数；步骤ii、消除不可见交点：对每一层表面获取与上一层、下一层相邻面，计算面交点，计算各交点是否可见；步骤iii、判断是否已消除不可见交点：是，则转向步骤iv，否，则转向步骤ii；步骤iv、输出参数：按顶点绘制宝石包络网格，并在面上输出各面对应参数；步骤v、着色绘制：根据光源位置、光照角度和设定的材质对宝石进行着色和绘制；步骤vi、响应操作：响应用户鼠标或键盘输入，对宝石进行旋转、缩放操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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