CN104655011B - 一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述一种不规则凸面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；2)原始图像采集；3)图像滤波处理；4)被测物体高度测量；5)图像轮廓提取；6)被测物体分割；7)分割的小物体体积计算；8)被测物体体积计算；本发明通过将被测物体放置在水平测量装置上，并通过由CCD摄像头、水平平台、辅助光源、背景屏幕对被测物体进行图像采集，图像采集过程与水平平台旋转相协调，实现水平平台每旋转一个角度，摄像头采集一张图片，当水平平台旋转一周时，即完成被测物体的图像采集过程。其对不规则凸面物体的体积进行快速、准确地测量，系统搭建方便、所需设备造价便宜，测量过程自动化程度高。

Description

一种不规则凸面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，尤其涉及一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法。

背景技术

体积测量作为现代社会不可缺少的一门测量技术，其广泛应用于机械制造、医学、化工、食品、广告、建筑等行业中，而体积的测量时间、测量精度、测量成本、测量过程是否会对被测物体造成损害等已经成为测量技术好坏的评判标准。

目前，国内在这项技术的研究方法主要是基于机器视觉的图像三维建模体积测量方法、排水法、超声波测量法、激光扫描法等。基于机器视觉的图像三维建模所需要的算法较复杂，测量时间长，而且测量误差较大，所以不适合推广；排水法测量会对被测物体造成一定程度的损害，而且对于医药、化工等不能浸水的物体便无法测量，并且测量过程不方便；超声波测体积和激光扫描虽然结果准确，但由于其仪器价格昂贵，操作复杂，因此也不利于推广。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，通过该方法可以对多种不规则凸面物体的体积进行测量，测量所需时间短、测量精度高、测量过程自动化程度高，可以广泛推广到机械制造、医学、化工、食品、广告、建筑等行业中。

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：

一种不规则凸面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：采用相机标定的方法来进行相机标定，通过在标定板放置已知面积的多个标准图形，并将这多个标准图形对称地摆放在标定板中，并将标定板竖直放置在水平测量平台的正中心，调用相机对标定板进行图像采集，计算出标定板中所放置的图形的像素点，并通过计算得到的标定板的像素点与标定板所放置的图形的实际面积进行换算，从而得到像素点与实际面积之间的对应关系；由于在实际测量过程中，被测物体的侧面并不都是与底面垂直，所以我们对得到的标定结果进行修正，从而缩小由被测物体侧面倾斜所带来的测量误差；

2)原始图像采集：通过将被测物体放置在旋转的水平测量平台上，并设置背景屏幕和辅助光源，通过LabVIEW程序控制相机和水平测量平台的协调工作，实现水平测量平台每旋转一个角度时，相机拍摄一张图片；

3)图像滤波处理：通过对图像进行滤波处理，去掉图像中的噪音点，从而为接下来的图像处理提供更精确的原始数据；

4)被测物体高度测量：通过计算采集到的图像中物体底面和物体最高点之间的像素差，并将所有图片中被测物体的高度的像素值进行累加求平均，并结合相机标定过程得到的像素点与实际面积的换算关系，从而得到被测物体的实际高度；对于被测物体顶点的投影不与底面的中心重合的物体来讲，当被测物体旋转时，顶点的运动轨迹是以底面中心为圆心做圆周运动的。因此，CCD摄像头所捕捉到的物体最高点到底面的距离就不再是一个固定值，而是在不断变化的。当光源在旋转平台上的分布是均匀时，位于旋转平台中心的标定杆的标定值可以约等于变化数值的平均值。但在现实测量中，很难保证光源的均匀性，因此我们对高度值进行修正，从而得到更加准确的高度值。

5)图像轮廓提取：对采集到的每一张被测物体的图像进行轮廓提取，从而根据得到的轮廓线来为体积计算提供数据；

6)被测物体分割：将被测物体以相同高度进行500等分的划分，从而得到500个以物体对应高度下的横截面为底面，高度为被测物体高度500分之一的小物体；

7)分割的小物体体积计算：通过轮廓线，得到每一个角度下每一个高度的轮廓线，从而可以根据每一个角度下每一个高度的轮廓线，并结合割补思想，将每一个高度下的不规则横截面转换成规则的横截面，然后根据规则图形面积的计算方法来计算不规则横截面的面积；利用微元思想，当小物体的高度足够小的时候，小物体的体积可以近似地等于以该横截面为底面的小柱体。从而根据柱体的体积计算公式得到小物体的体积；

8)被测物体体积计算：将500个被测物体的体积进行累加，从而可以得到被测物体的实际体积。

进一步，所述相机为CCD摄像头。

进一步，所述CCD摄像头为SunTime 500A摄像头。

进一步，所述水平测量平台由步进电机带动旋转。

进一步，所述水平测量平台是与被测物体颜色相差较大的单一颜色的有机玻璃平台。

进一步，所述背景屏幕的颜色为与被测物体颜色相差较大的单一颜色。

进一步，所述辅助光源是由LED光源组成。

CCD摄像头摆放在正对着水平平台的正前方，并调节好镜头的焦距，使摄像头能够在水平平台中心呈现清晰的像。背景屏幕竖直架设在测量平台的正后方，并且正对着摄像头，使摄像头采集到的图像中充满背景屏幕；辅助光源架设在被测物体的左右两边，在测量过程中提供主动光源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将被测物体放置在水平测量装置上，并通过由CCD摄像头、水平平台、辅助光源、背景屏幕对被测物体进行图像采集，图像采集过程与水平平台旋转相协调，实现水平平台每旋转一个角度，摄像头采集一张图片，当水平平台旋转一周时，即完成被测物体的图像采集过程。通过LabVIEW程序对采集到的一组图像进行滤波处理、轮廓线提取、被测物体分割、分割的小物体体积计算、被测物体体积计算等过程，从而实现体积测量。解决了目前需要通过物体的三维建模来进行体积计算的困难，解决了因接触性测量所带来的被测物体的损坏，也解决了超声波测量、激光扫描等方法所需设备昂贵的问题。利用本测量方法可以对不规则凸面物体的体积进行快速、准确地测量，系统搭建方便、所需设备造价便宜，测量过程自动化程度高。

本测量方法是基于机器视觉的体积测量方法，只需要用到由CCD摄像机、水平平台、辅助光源、背景屏幕组成的测量装置，就可以对被测物体进行图像采集，并计算出被测物体的体积，系统搭建方便，所需设备造价便宜。

同时，还具有以下优点：

1、算法简便，避免了通过复杂的图像三维重建算法来进行体积计算。

2、测量时间短，完成一次测量所需的时间不超过20秒。

3、测量精度高，误差小。

4、测量范围广，不受被测物体的颜色所影响。

5、测量过程由计算机自动控制处理，自动化程度高。

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为本测量方法所需测量装置的俯视图。

图2为本测量方法的处理流程图。

图3为相机标定板。

图4为相机标定角度分割示意图。

图5为被测物体采集图像滤波前后对比图。

图6为高度测量过程图。

图7为高度测量底面分割示意图。

图8为图像轮廓提取结果图。

图9为被测物体体积分割示意图。

图1中，1——CCD摄像头；2——摄像头与测量平台距离调节装置；

3——辅助光源支撑板； 4——水平测量平台；

5——辅助光源；6——背景屏幕；

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。

本发明实施例提供一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，实现不规则凸面物体体积的测量，具体原理如下：

本实施例采用的是一台SunTime 500A摄像机对被测物体进行图像采集，该摄像头具有采集速度快、成像质量高等优点，符合我们对被测物体进行图像采集的要求。

将CCD摄像头架设在正对着水平测量平台的正前方，并将CCD摄像头固定，通过步进电机带动水平平台进行旋转，同时被测物体也跟着水平平台进行旋转，使用LabVIEW程序使被测物体旋转一个角度的时候，CCD摄像头采集一张图片，当被测物体完成360度的旋转的时候，CCD摄像头即完成对被测物体的原始图像采集。

辅助光源是由LED灯组成的，光源垂直架设在水平测量平台的两边，并且左右两个光源离水平平台的距离相等。辅助光源在测量过程中为被测物体提供主动光源，使我们采集到的图像的质量更高。

背景屏幕架设在测量平台的正后方，并且背景屏幕要足够大，从而使拍摄到的图片充满背景屏幕。背景屏幕的颜色为与被测物体颜色相差较大的同一种颜色。

参照图1，测量装置由CCD摄像头1、摄像头与测量平台距离调节装置2、辅助光源支撑板3、水平测量平台4、辅助光源5、背景屏幕6等组成。具体是CCD摄像头1放置在摄像头与测量平台距离调节装置2上，并将CCD摄像头1固定在水平测量平台4的正前方，通过摄像头与测量平台距离调节装置2使CCD摄像头1与水平测量平台4的距离适合测量要求。辅助光源支撑板3垂直于水平测量平台4，辅助光源5放置在辅助光源支撑板3的正中间，辅助光源5采用LED灯。水平测量平台4由步进电机带动旋转。背景屏幕6垂直于水平测量平台4，并放置在水平测量平台4的正后方，与CCD摄像头1相对。

参照图2，物体体积测量流程包括相机标定、原始图像采集、图像滤波处理、被测物体高度测量、图像轮廓提取、被测物体分割、分割的小物体体积计算、被测物体体积计算等部分组成。

流程图中，

步骤01为相机标定，通过将已知面积的规则图形摆放到标定板中，将标定板垂直放置在测量平台中进行图像采集，并通过采集到的图像的像素点与其实际面积做对比，从而得到图像像素点与实际面积的比例关系。

步骤02为原始图像采集，通过步进电机带动被测物体进行旋转，并在每一个旋转角度下采集一张图片，当被测物体完成一周的旋转，则CCD摄像机完成被测物体的原始图像采集。

步骤03为图像滤波处理，通过中值滤波法将图片中的噪音去掉，从而提高了被测物体图像的质量。

步骤04为被测物体高度测量，通过测量采集图像中被测物体的高度的像素值来换算出被测物体的实际高度。

步骤05为图像轮廓提取，将原始采集图片中的轮廓进行提取。

步骤06为被测物体分割，将被测物体分割成为500个相同高度的以该高度的横截面为底面、500分之一物体高度的小物体。

步骤07为分割的小物体体积计算，利用割补思想，可以将被测物体每一个横截面转化成相同面积的规则横截面，并利用规则图形的面积计算方法，计算出该横截面的面积，利用微元思想，则每一个以该高度下的横截面为底面、500分之一物体高度的小物体的体积就近似等于以该高度下的横截面为底面、500分之一物体高度的小柱体，并利用柱体的体积计算公式，计算出该小物体的体积。

步骤08为被测物体体积计算，通过将分割的500个小物体的体积进行叠加，从而得到被测物体的实际体积。

相机标定采用的是传统相机标定方法，在标定板上对称放置多个面积已知的规则图形，并将标定板放置在测量平台的正中间，并使标定板与背景屏幕相平行。标定板参照图3，在相机的视角范围内，九个按照对称分布的白色正方形单位标准件(面积为S₀)贴置于黑色背景幕上，将黑色背景幕垂直置于旋转平台中央并保持平面中心处法线与相机镜头光轴重合，读出此时程序测得的像素值A₀。

测量待测物品时，相机拍到物体的投影像素值为A'，则物体此时正面投影的面积S_x可由下式求得，即：

故

由于在实际测量时，被测物体的侧面并不都是与底面垂直，所以我们将标定结果进行修正，从而缩小由于平面倾斜带来的测量误差。

相机标定角度分割示意图参照图4，将0°到90°这个区间分为n等分，角度间距为90°/n，则从0°到90°的角度分别为90°/n,2×90°/n,3×90°/n,…,(n-1)·90°/n,90°，则拍到的平面的实际像素值为：

··

··

··

对该实际像素值进行求平均，得：

因此，修正后的投影面积公式为：

式中，S₀为标准件的面积，A₀为标准件投影的像素值，n为从0°到90°的角度分割数目。当n的取值越大时，所求得的投影面积就越接近真实值。

原始图像采集采用正对着水平测量平台的CCD摄像头对水平测量平台上的被测物体进行图像采集，当旋转平台旋转一个角度的时候，拍摄一张图片，当旋转平台完成一周的旋转时，即完成原始图像采集。

图像滤波处理是将图片中的噪音进行消除，从而提高采集图片的质量，使接下来的测量结果更加准确。采集到的被测物体图像滤波前后对比如图5所示。

被测物体高度测量是通过采集到的被测物体图像中被测物体底面和最高点的像素差，并结合相机标定所得到的像素点与实际面积之间的换算关系来求出被测物体的高度，并通过所有采集到的被测物体的高度进行累加求平均的操作，从而有效提高被测物体高度的测量精确度。高度测量过程参照图6。对于被测物体顶点的投影不与底面的中心重合的物体来讲，当被测物体旋转时，顶点的运动轨迹是以底面中心为圆心做圆周运动的。因此，CCD摄像头所捕捉到的物体最高点到底面的距离就不再是一个固定值，而是在不断变化的。当光源在旋转平台上的分布是均匀时，位于旋转平台中心的标定杆的标定值可以约等于变化数值的平均值。但在现实测量中，很难保证光源的均匀性，因此我们对高度值进行修正，从而得到更加准确的高度值。

高度测量底面分割示意图参照图7，该图为旋转平台的俯视图，假设所测物品的底面面积与平台的面积相当，通过放置在离圆心不同距离位置的标定杆对相机测量物体高度的标定值进行多次测量，同时通过设置步进电机的细分数来提高标定值的准确性。

通过设置步进电机的细分数，将圆沿圆周方向分割为n部分，在径向方向上，将圆形分割为m个同心圆。因此，相机测得的位于半径r_i处的标定杆的像素平均值为：

位于另一半径时，标定杆的像素平均值为：

以此类推，可得位于最小半径处标定杆的像素平均值为：

因此，在该旋转平台中，标定杆的像素平均值为：

故修正后的高度计算公式为：

式中，n是沿圆周方向分割的数量，m是沿径向分割的数量，B_x是程序实时求得的高度像素值。当m，n的数值取得足够大时，所求得图形的高度就越准确。

图像轮廓提取是将每一张采集到的被测物体的图片进行轮廓提取，为接下来的体积计算提供数据。图像轮廓提取参照图8。

被测物体分割是将被测物体分割成500个相同高度的以该高度的横截面为底面、500分一高度的小物体。被测物体体积分割参照图9。

分割的小物体体积计算是根据每一个角度下、每一个高度下侧影轮廓线的宽度并利用割补思想将每一个高度下的被测物体的横截面转换成相同面积的规则图形，从而利用规则图形的面积计算公式来对该横截面的面积进行计算，利用微元思想，当小物体的高度划分为足够小的时候，则每个小物体的体积近似相等于与该小物体相同底面，相同高度的小柱体，从而利用柱体的体积计算公式来对小物体的体积进行计算，该计算结果为小物体体积的近似值，该近似值与小物体实际体积的接近程度，取决于我们对该物体的划分程度。当我们对分割的小物体高度分割得足够小(小于或等于被测物体高度的500分之一)时，得到的小物体的近似体积与该小物体的实际体积的接近程度非常高。

被测物体体积计算是将500个小物体的体积进行累加，从而得到被测物体的实际体积。

对被测物体进行测量之前，我们首先要调节好CCD摄像头与水平测量平台的距离，并将CCD摄像头固定好，调节好镜头的焦距，使CCD摄像头能够在水平测量平台中心呈现清晰的像。调节好水平测量平台，使其平行于CCD摄像头；打开辅助光源，使其能够给被测物体提供稳定、均匀的主动光源；将背景屏幕的颜色换成与被测物体颜色相差较大的单一颜色；最后将被测物体放置在水平测量平台的正中间。

通过LabVIEW程序使步进电机和CCD摄像机协调工作，实现步进电机旋转一个角度时CCD摄像机采集一张图片，并将采集到的图片名称按0,1,2,3···的顺序保存到我们指定的文件夹中，为接下来的处理提供原始数据。水平平台旋转完一周后，CCD摄像机即完成对被测物体的原始图像采集。

通过LabVIEW程序对采集到的图片进行图像滤波处理、被测物体高度测量、图像轮廓提取、被测物体分割、分割的小物体体积计算、被测物体体积计算等步骤，并将得到的结果与相机标定过程得到的像素点与实际面积的比例关系进行换算，从而得到被测物体的体积，得到的体积为被测物体体积的近似值，该近似值与被测物体实际体积的接近程度，取决于我们对该物体的分割程度。当我们对分割的小物体高度分割得足够小(小于或等于被测物体高度的500分之一)时，得到的近似体积与被测物体的实际体积的接近程度非常高。

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 (7)

1.一种不规则凸面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：采用相机标定的方法来进行相机标定，通过在标定板放置已知面积的多个标准图形，并将这多个标准图形对称地摆放在标定板中，并将标定板竖直放置在水平测量平台的正中心，调用相机对标定板进行图像采集，计算出标定板中所放置的图形的像素点，并通过计算得到的标定板的像素点与标定板所放置的图形的实际面积进行换算，从而得到像素点与实际面积之间的对应关系；

2)原始图像采集：通过将被测物体放置在旋转的水平测量平台上，并设置背景屏幕和辅助光源，通过LabVIEW程序控制相机和水平测量平台的协调工作，实现水平测量平台每旋转一个角度时，相机拍摄一张图片；

3)图像滤波处理：通过对图像进行滤波处理，去掉图像中的噪音点，从而为接下来的图像处理提供更精确的原始数据；

4)被测物体高度测量：通过计算采集到的图像中物体底面和物体最高点之间的像素差，并将所有图片中被测物体的高度的像素值进行累加求平均，并结合相机标定过程得到的像素点与实际面积的换算关系，从而得到被测物体的实际高度；

5)图像轮廓提取：对采集到的每一张被测物体的图像进行轮廓提取，从而根据得到的轮廓线来为体积计算提供数据；

6)被测物体分割：将被测物体以相同高度进行500等分的划分，从而得到500个以物体对应高度下的横截面为底面，高度为被测物体高度500分之一的小物体；

7)分割的小物体体积计算：通过轮廓线，得到每一个角度下每一个高度的轮廓线，从而可以根据每一个角度下每一个高度的轮廓线，并结合割补思想，将每一个高度下的不规则横截面转换成规则的横截面，然后根据规则图形面积的计算方法来计算不规则横截面的面积；

8)被测物体体积计算：将500个被测物体的体积进行累加，从而可以得到被测物体的实际体积；

其中，相机标定过程包括：采用在标定板上对称放置多个面积已知的规则图形，并将标定板放置在测量平台的正中间，并使标定板与背景屏幕相平行，在相机的视角范围内，九个按照对称分布的白色正方形单位标准件，其面积为S₀，贴置于黑色背景幕上，将黑色背景幕垂直置于旋转平台中央并保持平面中心处法线与相机镜头光轴重合，读出此时程序测得的像素值A₀；

测量待测物品时，相机拍到物体的投影像素值为A'，则物体此时正面投影的面积S_x可由下式求得，即：

<mrow> <mfrac> <msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>x</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mi>A</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mfrac> </mrow>

故

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由于在实际测量时，被测物体的侧面并不都是与底面垂直，所以我们将标定结果进行修正，从而缩小由于平面倾斜带来的测量误差；

相机标定角度分割：将0°到90°这个区间分为n等分，角度间距为90°/n，则从0°到90°的角度分别为90°/n,2×90°/n,3×90°/n,…,(n-1)·90°/n,90°，则拍到的平面的实际像素值为：

对该实际像素值进行求平均，得：

因此，修正后的投影面积公式为：

式中，S₀为标准件的面积，A₀为标准件投影的像素值，n为从0°到90°的角度分割数目，当n的取值越大时，所求得的投影面积就越接近真实值。

2.根据权利要求1所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述相机为CCD摄像头。

3.根据权利要求2所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述CCD摄像头为SunTime 500A摄像头。

4.根据权利要求1所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述水平测量平台由步进电机带动旋转。

5.根据权利要求1所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述水平测量平台是与被测物体颜色相差较大的单一颜色的有机玻璃平台。

6.根据权利要求1所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述背景屏幕的颜色为与被测物体颜色相差较大的单一颜色。

7.根据权利要求1所述一种不规则凸面物体体积的非接触光学测量方法，其特征在于，所述辅助光源是由LED光源组成。