CN104132613A - 一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，基于图像处理的体积测量技术，相机标定，图像采集，图像预处理：通过滤波进行图像预处理，去除图像中的干扰信息，图像二值化处理，图像像素点和图形高度计算，物体底面积计算，体积计算。解决了目前需要通过接触物体才能测出物体体积的困难，也解决了目前在经图像处理到计算体积中需要对图像进行三维重构、生成物体三维数据点、测量时间长等问题，同时也解决了CT断层扫描、激光扫描等测试设备价格昂贵的问题。利用该装置对复杂表面物体的体积进行测量，具有测量速度快、精度高、操作方便等优点。

Description

一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法

技术领域

本发明涉及物体体积测量领域，尤其涉及一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法。

背景技术

随着社会和工业的快速发展，体积测量已经成为很多工业生产中不可或缺的一部分，只有高精度、高速度、应用范围广的体积测量装置才能满足现代工业生产的需求。

目前，国内在这个问题上的研究方法主要采用排水法、超声波测体积、CT断层三维图像恢复和激光扫描测体积。排水法对于医药、化工等不能浸水的物体便无法检测，并且测量过程不便；超声波测体积、CT断层三维图像恢复和激光扫描测体积测量结果虽然准确，但由于其仪器价格昂贵，操作复杂，因此不适合推广。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，能够测量多种形状不规则、表面存在凹陷的物体的体积，测量速度快、精度高、操作方便，适合推广到多种需要体积测量的行业中。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，包括以下步骤：

1)相机标定：采用传统相机标定法，用尺寸已知的标定物放在标定板上，并将标定板放在测量平台的中心，用三台摄像头分别拍摄标定板，通过计算机得出每台摄像机拍摄标定物的像素，再求三台摄像头拍摄标定物的平均像素，从而确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系；

2)图像采集：将被测物体放置在测量平台的中心，LabVIEW程序和MATLAB程序通过调用摄像头，进行图像读取、采集，并将图片保存至指定的文件夹中；

3)图像预处理：通过滤波进行图像处理，去除图像中的干扰信息；

4)图像二值化处理：将采集到的图像进行二值化处理；

5)图像像素点和图形高度计算：通过拍摄被测物体，通过LabVIEW程序得出被测物体的侧面图的像素，通过LabVIEW程序，找出图像中垂直方向中距离最大的点的像素距离，即可以求出被测物体的高，从而得出图形高度；

6)物体底面积计算：通过三台摄像头拍摄出的3组，每组400张的物体侧面图的图像，求出这1200张图像的平均像素值，并运用图形的割补和微元原理将底面为复杂表面的多边形转化为规则的图形进行计算；

7)体积计算：通过得出转化后的物体底面积和高，从而利用体积计算公式进行体积计算。

进一步，所述图像采集包括旋转平台、机械臂、三台互成120度的摄像头、背景幕和辅助光源，旋转平台由步进电机控制，三台摄像头放置在机械臂上并垂直照向旋转平台的中心，背景幕与旋转平台相垂直，使摄像头拍摄被测物体时，拍摄到的画面中充满背景图像，辅助光源放置在摄像头与被测物体的中间的上方，辅助拍摄。

进一步，所述辅助光源采用由白炽灯配备灯光扩散片组成。

进一步，所述旋转平台由步进电机控制。

进一步，所述摄像头采用SunTime FX30摄像头(CCD配镜头)，每秒钟拍摄30张图片，旋转平台每旋转0.9度，摄像头拍取一张图像，从而和摄像头的拍摄进行匹配，旋转平台一秒钟旋转了30*0.9度，旋转平台旋转一周共需要40/3秒，则每台摄像头完成400张图片的拍摄需要40/3秒

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于图像处理的体积测量技术，有别于现有的排水法、超声波测量、接触传感、CT断层扫描和激光扫描等测量技术。设计出一种可以测量复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量装置，该装置由测量平台、步进电机、摄像机、背景幕、光源、计算机等部分组成。利用装置中三个互成120度的摄像头对放置在测量平台上的物体进行图像采集，测量平台利用步进电机进行旋转控制，采集图像的程序与控制步进电机的程序同步，当物体每旋转0.9度，摄像机拍摄一张照片，因此物体旋转一周时每台摄像机采集到了400张图片，计算机将摄像机采集到的图片实时保存至指定位置，通过计算机里的LABVIEW程序和MATLAB程序调用进行图像的预处理、图像二值化处理、图像像素点和图形高度计算、物体底面积计算等步骤，最终求得其体积。解决了目前需要通过接触物体才能测出物体体积的困难，也解决了目前在经图像处理到计算体积中需要对图像进行三维重构、生成物体三维数据点、测量时间长等问题，同时也解决了CT断层扫描、激光扫描等测试设备价格昂贵的问题。利用该装置对复杂表面物体的体积进行测量，具有测量速度快、精度高、操作方便等优点。

本发明测量过程只需要测量平台旋转一周，就可以得出物体的体积，操作方便、精度高、测量时间短。

同时，还具有以下优点：

1.测量平台设计巧妙，配备光源设计和背景幕设置，受外界环境因素影响较小。

2.测量精度高，误差数量级小。

3.测量时间短，只需要少于15秒的时间就能完成一次测量。

4.受物体颜色干扰较小，只要改变背景幕的颜色就可以测量多种颜色的物体。

5.使用方便，测量过程操作简单，适合大范围推广。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为体积测量装置的整体俯视图。

图2为图像处理、体积计算流程。

图3为相机标定板。

通过测量标定板中单位面积(如1cm2)的图像的像素值，得到灰度图像面积与其像素点之间的线性关系。

图4为滤波前后对比图。

图5为不规则物体和复杂表面物体滤波前的频谱图。

图6为不规则物体和复杂表面物体滤波后的频谱图。

图7为原始图像转化为灰度图像。

图8为三台摄像头从不同位置同时拍摄测量物体的图片。

图9为复杂表面物体的正视图。

图10为不规则物体的正视图。

图11为程序对采集到的复杂表面物体的视图面积和高度进行计算。

图12为程序对采集到的不规则形状物体的视图面积和高度进行计算。

图1中，1——测量承载平台；  2——旋转平台；

3——摄像头；      4——背景幕；

5——机械臂；      6——辅助光源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至12所示，本发明实施例提供一种测量复杂表面的物体体积测量装置，实现复杂表面的物体体积测量，比如表面有一些凸起或凹陷，具体原理如下所示：

本实施例采用3台SunTime FX30彩色1/4"CCD图像传感器对图像进行采集，其工作电压为5V，工作电流400mA，有效像素为680H*480V，扫描方式为逐行扫描，是台湾显泰实业USB2.0CMOS/CCD高速系列产品，采用SONY高端CCD感光芯片，具有色彩还原性好，图像质量高，灵敏度高等特点，该产品为全局曝光方式输出图像，适用于拍动态图像。该摄像头3符合我们的拍摄要求，为物体体积测量提供高精度的原始数据。

由于我们使用LabVIEW程序控制旋转平台2每旋转0.9度就让摄像头3拍取一张图像，由于120度不是0.9度的整数倍数，所以我们将三个摄像头3的角度间隔设置为120度，从而保证三台摄像机拍摄被测物体一周所拍摄的3组，每组400张图像是完全不同的三组图像，这样的角度设置相当于我们将步进电机的旋转角度减小到0.3度，这样的设置使我们的测量时间变成原来的三分这一，测量精度提高到原来的三倍。

我们使用的SunTime FX30摄像头3每秒钟最多拍摄30张图片，所以我们控制旋转平台2以0.9度为旋转间隔，一秒钟转动30次0.9度，从而和摄像头3的拍摄进行匹配，旋转一周共需要40/3秒，则我们每台摄像头3完成400张图片的拍摄也需要40/3秒。

辅助光源6设计采用由显色性好的白炽灯配备灯光扩散镜片组成，并调节辅助光源6的角度，使辅助光源6的光线均匀地照射到被测物体上，使我们拍摄出的图像中的干扰信息较少，提高我们体积测量的准确性。

拍摄背景采用与待测物体颜色有较大差异的单颜色背景，这样能够为接下来的图像处理提供便利性，进一步使我们的测量精度得到提高。

参照图1，体积测量装置由测量承载平台1、旋转平台2、步进电机、机械臂5、三个互成120度的工业摄像头3、背景幕4、辅助光源6等组成。具体是：旋转平台2由步进电机控制，三个工业摄像头3放置在机械臂5上并垂直照向旋转平台2的中心，背景幕4与旋转平台2相垂直，使摄像头3拍摄被测物体时，拍摄到的画面中充满背景图像，辅助光源6采用由显色性好的白炽灯配备灯光扩散片组成，放置在摄像头3与被测物体中间的上方，辅助拍摄。

参照图2，图像处理、体积计算流程包括相机标定、图像采集、图像预处理、图像二值化、计算图像像素点(面积和高度)、将不规则图形转化为规则图形、求得体积、累加平均等部分组成。流程图中，步骤01为相机的标定，建立灰度图像像素点与面积的关系；步骤02为图像的采集；步骤03为图像在计算机程序中的预处理，经过滤波后去除图形中的干扰信息；步骤04是将预处理后的RGB图像进行二值化处理，得到图像的灰度图；步骤05是计算机的LABVIEW程序根据灰度图像对图像像素点进行计算(面积和高度)；步骤06为采用割补的思想和方法将不规则物体的图像转化为规则的物体图像；步骤07是对转化后的规则物体的体积进行计算；步骤08为计算机主机对三台分计算机求得的体积进行累加平均，最终得出体积的最佳值。

相机标定：我们使用的是传统标定法，首先制作尺寸已知的标定物，并将标定物放在标定板上，标定板参照图3。再将标定板放置在旋转平台2的中心点，并正对着摄像头3，将三个摄像头3分别对标定板进行拍摄，并将三个摄像头3求出的标定物的像素进行平均处理，从而得出较为准确的标定板中标定物的像素点，从而得出标定物像素点与实际物理长度的线性关系。为接下来的体积测量提供基本保障。

图像采集通过LabVIEW程序调用摄像头3，并进行图像实时采集，同时将采集到的图像保存在指定的文件夹中，为接下来的体积计算提供原始数据。

图像预处理主要是将图像中的干扰信息进行处理，消除图像中的无用信息，恢复有用的真实信息，从而为接下来的数据处理提供更为准确的原始数据。我们将摄像头3拍摄的图像进行滤波处理，从而将无用的信息进行消除，滤波前后的对比图参照图4，滤波前、后的频谱图参照图5、6。

图像二值化处理是将我们摄像头3拍摄到的图像转化为黑白图像，从而为接下来的图像处理提供方便。图像转化为灰度图像参照图7。

计算图像像素点(面积和高度)是通过LabVIEW程序计算拍摄到的图像的像素点，再与我们的标定物进行比对，得出正视图的实际面积。并通过LabVIEW程序测量出被测物体的高度的像素点，并与我们的标定物进行比对，从而得出被测物体的实际高度。

将不规则图形转化为规则图形是运用割补和微元的思想，将不规则的物体转化成体积相同的规则物体，例如转化为棱锥、圆柱等。从而利用棱锥、圆柱的体积计算公式进行计算，从而得出不规则物体的体积。

体积计算是通过摄像头3拍摄被测物体一周所获得的400张图像进行处理，得出每张图像的像素点和高度，从而将不规则物体转化成体积相同的规则物体，并利用规则物体的体积计算公式进行计算，从而得出单个摄像头3测量出的物体体积。

累加平均是将三个摄像头3得出的被测的物体的体积进行平均处理，从而得出准确度最高的体积测量结果。

测量前，我们调节测量装置，调节好三个机械臂5，使三个机械臂5之间的夹角为120度并使每台摄像头3对准旋转平台2的中心，调节旋转平台2水平、并使摄像头3平行于旋转平台2、打开辅助光源6，使辅助光源6的光线均匀地照向被测物体。并将复杂表面物体放在旋转平台2的中间，方便进行体积测量。

通过LabVIEW程序控制步进电机带动旋转平台2旋转，同时控制三台摄像头3同时拍摄被测物体，当旋转平台2旋转0.9度时，每台摄像机拍摄1张图片，并将拍摄的图片保存到我们指定的文件夹中，为体积计算提供原始数据。旋转平台2旋转一周后，每台摄像头3总共拍摄了400张图片，三个摄像头3共拍摄到不同拍摄位置的1200张图片。三台摄像头3从不同位置同时拍摄被测物体的图像参照图8。

将这1200张图片进行预处理，进行滤波处理，从而消除图像中的无用信息，恢复有用的真实信息，从而提高体积测量的精度。并将经过预处理的图像进行二值化处理，为接下来的数据处理提供方便。

通过LabVIEW程序计算出被测物体正视图的像素，利用割补和微元的思想求出1200张不同角度的被测物体的正视图的平均像素值，从而得出被测物体正视图的平均像素值，经过与标定板像素值的对比换算，得出被测物体正视图的实际面积。由于我们是将拍摄到的正式图像素进行平均处理，所以我们实际上是将不规则物体装换成体积相同的规则物体，从而利用规则物体的体积计算公式进行体积计算。不规则物体的正视图参照图9。

实施例2

本发明实施例提供一种不规则形状物体的体积测量装置，实现不规则形状物体的体积测量，具体原理如下所示：

测量前，我们调节测量装置，调节好三个机械臂5，使三个机械臂5之间的夹角为120度并使每台摄像头3对准旋转平台2的中心，调节旋转平台2水平、并使摄像头3平行于旋转平台2、打开辅助光源6，使辅助光源6的光线均匀地照向被测物体。并将复杂表面物体放在旋转平台2的中间，方便进行体积测量。

通过LabVIEW程序控制步进电机带动旋转平台2旋转，同时控制三台摄像头3同时拍摄被测物体，当旋转平台2旋转0.9度时，每台摄像机拍摄1张图片，并将拍摄的图片保存到我们指定的文件夹中，为体积计算提供原始数据。旋转平台2旋转一周后，每台摄像头3总共拍摄了400张图片，三个摄像头3共拍摄到不同拍摄位置的1200张图片。

将这1200张图片进行预处理，进行滤波处理，从而消除图像中的无用信息，恢复有用的真实信息，从而提高体积测量的精度。并将经过预处理的图像进行二值化处理，为接下来的数据处理提供方便。

通过LabVIEW程序计算出被测物体正视图的像素，进而求出1200张不同角度的被测物体的正视图的平均像素值，从而得出被测物体正视图的平均像素值，经过与标定板像素值的对比换算，得出被测物体正视图的实际面积。利用割补和微元的思想，我们将不规则物体装换成体积相同的规则物体，从而利用规则物体的体积计算公式进行体积计算。复杂表面物体的正视图参照图10。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)相机标定：采用传统相机标定法，用尺寸已知的标定物放在标定板上，并将标定板放在测量平台的中心，用三台摄像头分别拍摄标定板，通过计算机得出每台摄像机拍摄标定物的像素，再求三台摄像头拍摄标定物的平均像素，从而确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系；

2)图像采集：将被测物体放置在测量平台的中心，LabVIEW程序和MATLAB程序通过调用摄像头，进行图像读取、采集，并将图片保存至指定的文件夹中；

3)图像预处理：通过滤波进行图像处理，去除图像中的干扰信息；

4)图像二值化处理：将采集到的图像进行二值化处理；

5)图像像素点和图形高度计算：通过拍摄被测物体，通过LabVIEW程序得出被测物体的侧面图的像素，通过LabVIEW程序，找出图像中垂直方向中距离最大的点的像素距离，即可以求出被测物体的高，从而得出图形高度；

6)物体底面积计算：通过三台摄像头拍摄出的3组，每组400张的物体侧面图的图像，求出这1200张图像的平均像素值，并运用图形的割补和微元原理将底面为复杂表面的多边形转化为规则的图形进行计算；

7)体积计算：通过得出转化后的物体底面积和高，从而利用体积计算公式进行体积计算。

2.根据权利要求1所述一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述图像采集包括旋转平台、机械臂、三台互成120度的摄像头、背景幕和辅助光源，旋转平台由步进电机控制，三台摄像头放置在机械臂上并垂直照向旋转平台的中心，背景幕与旋转平台相垂直，使摄像头拍摄被测物体时，拍摄到的画面中充满背景图像，放置在摄像头与被测物体的中间，辅助拍摄。

3.根据权利要求2所述一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述辅助光源采用由白炽灯配备灯光扩散片组成。

4.根据权利要求2所述一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述旋转平台由步进电机控制。

5.根据权利要求4所述一种复杂表面和不规则物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述摄像头采用SunTime FX30摄像头，每秒钟拍摄30张图片，旋转平台每旋转0.9度，摄像头拍取一张图像，从而和摄像头的拍摄进行匹配，旋转平台一秒钟旋转了30*0.9度，旋转平台旋转一周共需要40/3秒，则每台摄像头完成400张图片的拍摄需要40/3秒。