CN108416260B - 一种三维图像监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维图像监测装置及方法。所述装置包括：包括主体单元、控制箱单元、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元；所述主体单元包括移动平台和支撑臂，所述支撑臂上设置有旋转部件和伸缩部件；所述控制箱单元由主控制器模块和电机控制模块组成，所述电机控制模块连接所述主控制器模块、旋转电机和伸缩电机；所述控制箱单元、旋转电机和伸缩电机设置于所述主体单元的移动平台上；所述旋转电机连接所述旋转部件，所述伸缩电机连接所述伸缩部件；所述三维图像采集单元挂接于所述支撑臂，与所述主控制器模块电连接，以采集目标物体的三维图像信息。本发明可实现目标物体体况的自动化监测。

Description

一种三维图像监测装置及方法

技术领域

本发明涉及图像检测领域，更具体地，涉及一种三维图像监测装置及方法。

背景技术

动物体况的评估在动物养殖过程中非常重要。它可以用来衡量养殖过程中动物能量储备水平。通常情况下可以从动物的外形三维轮廓来评估动物体况。目前一般是通过多位养殖专家现场触摸、观察后对动物体况给出一个平均分数，这种方法往往取决于专家的经验，以及评估是否连续，是一种主观性方法，而且频繁地进行评估，费时费力，另一方面，人为地频繁侵入养殖环境，容易引入生物风险，不利于安全养殖。

随着计算机与图像视觉技术的发展，图像监测技术可以模拟人眼特性，而且具有省时省力、客观、智能化等优点，该技术也成为动物体况监测的一种方法。目前主要应用二维图像技术进行动物体况的监测评估。该方法基于动物二维图像特征进行体况评估，存在信息量、信息维度缺失的问题。而且在动物体况监测过程中，一般都是当动物在一个通道上经过时，逐个来完成的。要在通道上方架设摄像头且高度和位置无法调整。

现有的人工法需要多位专家现场观察、触摸，费时费力，而且工作人员与动物频繁发生接触，容易引入生物安全风险。二维图像方法在通道上方安装摄像头不便捷、难度大，而且无法自动调整图像采集的坐标信息。另一方面，二维图像相对于动物个体在二维平面上的投影，缺乏对动物外形凹凸特征的表达，造成信息缺失，无法准确地反应动物的体况信息，影响评估准确度。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三维图像监测装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种三维图像监测装置，包括主体单元、控制箱单元、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元；

所述主体单元包括移动平台和支撑臂，所述支撑臂上设置有旋转部件和伸缩部件；

所述控制箱单元由主控制器模块和电机控制模块组成，所述电机控制模块连接所述主控制器模块、旋转电机和伸缩电机；其中，所述主控制器模块，用于对所述旋转电机和/或伸缩电机下发控制指令，以控制所述支撑臂进行旋转或伸缩；

所述控制箱单元、旋转电机和伸缩电机设置于所述主体单元的移动平台上；所述旋转电机连接所述旋转部件，所述伸缩电机连接所述伸缩部件；

所述三维图像采集单元挂接于所述支撑臂，与所述主控制器模块电连接，以采集目标物体的三维图像信息。

进一步，所述主体单元还包括三脚架，所述三脚架位于所述移动平台上，包括三个支撑脚和设置于所述三个支撑脚上的支撑平板；

所述三个支撑脚分别设置有活动旋钮以调整各自的高度，且所述三脚架通过所述三个支撑脚底部的卡扣与所述移动平台进行固定。

进一步，所述旋转部件由所述支撑臂上的固定卡槽、第一旋转圆轴、第二旋转圆轴和第三旋转杆组成；

所述伸缩部件由所述支撑臂上的第一伸缩杆和第二伸缩杆组成；

所述固定卡槽设置于所述支撑平板上，并与所述第一旋转圆轴的一侧卡接；所述第一旋转圆轴的另一侧连接第一伸缩杆，所述第一伸缩杆套接所述第二伸缩杆；所述第二伸缩杆的另一端连接所述第二旋转圆轴的一侧；所述第二旋转圆轴的另一侧连接所述第三旋转杆。

所述旋转电机，用于控制所述第一旋转圆轴在水平面或垂直面内围绕所述固定卡槽进行旋转。

所述伸缩电机，用于控制所述第二伸缩杆通过所述第一伸缩杆的内径步进式地伸长与缩短。

所述第二旋转圆轴，用于通过固定角度进行旋转，工作时将所述第三旋转杆旋转至水平，收起时将所述第三旋转杆旋转至与所述第二伸缩杆平齐。

进一步，所述旋转电机，包括用于控制水平旋转的第一电机和用于控制垂直旋转的第二电机；

所述伸缩电机，包括用于控制移动的第三电机和用于控制伸缩的第四电机。

进一步，所述三维图像采集单元由激光测距模块和三维摄像头组成；

所述激光测距模块，用于向下方进行激光探测，若探测有目标物体经过，则触发所述三维摄像头进行图像采集；

所述三维摄像头，用于根据所述激光测距模块的触发指令进行图像采集，并将采集到的目标物体的三维图像发送至主控制器模块。

进一步，还包括传输模块和后端处理平台；

所述传输模块，用于将所述主控制器模块发送的所述目标物体的三维图像传输至所述后端处理平台；

所述后端处理平台，用于将所述三维图像进行抛物曲面拟合，并计算所述目标物体的体况特征值，以对所述目标物体的体况进行评估值监测。

进一步，还包括电源管理模块；所述电源管理模块连接所述主控制器模块，用于为所述三维图像监测装置提供电源。

根据本发明的另一个方面，还提供一种应用上述三维图像监测装置进行三维图像监测的方法，其特征在于，包括：

获取所述三维图像监测装置采集的目标物体的三维图像；

利用一个抛物曲面去拟合所述目标物体的三维图像的曲面，获得拟合曲面；

对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化，将量化结果作为所述目标物体的体况特征值；

根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测。

进一步，通过下式对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化：

其中，MAE_j表示第j个目标物体的体况特征值，N表示曲面上的像素点数，Z_i1表示目标物体的三维图像的曲面中第i个像素点的高度值，Z_i2表示拟合曲面中第i个像素点的高度值，符号|·|表示取绝对值操作。

进一步，所述根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测，具体包括：

根据下式获取所述目标物体的体况特征值，获取评估值BCS_i，以对所述目标物体的体况进行评估值监测：

其中，MAE_j为所述第j个目标物体的体况特征值，j＝1,2,…K，Q为最大的体况特征值，P为体况评分标准中的最大值，K为体况特征值的总个数。

本发明提出一种三维图像监测装置和三维图像监测的方法，通过以主体单元承载控制箱单元、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元，采集目标物体的三维图像，其中，控制箱单元通过旋转电机和伸缩电机驱动所述主体单元的相应部件进行伸缩和旋转，可以灵活的实现图像采集点的位置调整。由于目标物体三维成像可以反应目标物体外部轮廓形状，从三维图像中提取与目标物体体况相关的形态特征，利用三维图像进行目标物体的体况监测，有助于实现目标物体体况的自动化监测。

附图说明

图1为本发明实施例一种三维图像监测装置示意图；

图2为本发明实施例三维图像监测装置的功能部件连接框图；

图3为本发明实施例目标物体的三维成像曲面的局部示意图；

图4为本发明实施例目标物体的三维成像的抛物面拟合示意图。

附图标记说明

1、控制箱单元， 2、移动平台， 3、三脚架，

4、固定卡槽， 5、第一旋转圆轴， 6、第一伸缩杆，

7、第二伸缩杆， 8、第二旋转圆轴， 9、第三旋转杆，

10、三维图像采集单元， 11、目标物体， 12、通道，

13、电机组， 100、电源管理模块， 101、主控制器模块，

102、电机控制模块， 301、活动旋钮， 302、活动旋钮，

303、活动旋钮， 1001、激光测距模块， 1002、三维摄像头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例一种三维图像监测装置示意图，如图1所示的一种三维图像监测装置，包括主体单元、控制箱单元1、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元10；

所述主体单元包括移动平台2和支撑臂，所述支撑臂上设置有旋转部件和伸缩部件；

所述控制箱单元1由主控制器模块101和电机控制模块102组成，所述电机控制模块102连接所述主控制器模块101、旋转电机和伸缩电机；其中，所述主控制器模块101，用于对所述旋转电机和/或伸缩电机下发控制指令，以控制所述支撑臂进行旋转或伸缩；

所述控制箱单元1、旋转电机和伸缩电机设置于所述主体单元的移动平台2上；所述旋转电机连接所述旋转部件，所述伸缩电机连接所述伸缩部件；

所述三维图像采集单元10挂接于所述支撑臂，与所述主控制器模块101电连接，以采集目标物体的三维图像信息。

请参考图1，本发明实施例主要包括三部分：主体部分、控制部分和图像采集部分。其中，主体部分提供平台支撑和机械控制功能，包括移动平台2和支撑臂；控制部分提供电子控制功能，包括控制箱单元1、旋转电机和伸缩电机；图像采集部分提供三维图像采集功能，包括三维图像采集单元10。

本发明实施例通过以主体单元承载控制箱单元、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元，采集目标物体的三维图像，其中，控制箱单元通过旋转电机和伸缩电机驱动所述主体单元的相应部件进行伸缩和旋转，可以灵活的实现图像采集点的位置调整。由于目标物体三维成像可以反应目标物体外部轮廓形状，从三维图像中提取与目标物体体况相关的形态特征，利用三维图像进行目标物体的体况监测，有助于实现目标物体体况的自动化监测。

在一个可选的实施例中，所述装置还包括电源管理模块100；所述电源管理模块100连接所述主控制器模块101，用于为所述三维图像监测装置提供电源。

在一个可选的实施例中，所述主体单元还包括三脚架3，所述三脚架3位于所述移动平台2上，包括三个支撑脚和设置于所述三个支撑脚上的支撑平板；

所述三个支撑脚分别设置有活动旋钮(分别为活动旋钮301、活动旋钮302和活动旋钮303)以调整各自的高度，且所述三脚架通过所述三个支撑脚底部的卡扣与所述移动平台2进行固定。

在一个可选的实施例中，所述旋转部件由所述支撑臂上的固定卡槽4、第一旋转圆轴5、第二旋转圆轴8和第三旋转杆9组成；

所述伸缩部件由所述支撑臂上的第一伸缩杆6和第二伸缩杆7组成；

所述固定卡槽4设置于所述支撑平板上，并与所述第一旋转圆轴5的一侧卡接；所述第一旋转圆轴5的另一侧连接第一伸缩杆6，所述第一伸缩杆6套接所述第二伸缩杆7；所述第二伸缩杆7的另一端连接所述第二旋转圆轴8的一侧；所述第二旋转圆轴8的另一侧连接所述第三旋转杆9。

所述旋转电机，用于控制所述第一旋转圆轴5在水平面或垂直面内围绕所述固定卡槽4进行旋转。

所述伸缩电机，用于控制所述第二伸缩杆7通过所述第一伸缩杆6的内径步进式地伸长与缩短。

所述第二旋转圆轴8，用于通过固定角度进行旋转，工作时将所述第三旋转杆9旋转至水平，收起时将所述第三旋转杆9旋转至与所述第二伸缩杆7平齐。

请参考图1，主体部分包括移动平台2，三角架3和支撑臂，所述支撑臂由下述部件组成：固定卡槽4、第一旋转圆轴5、第一伸缩杆6、第二伸缩杆7、第二旋转圆轴8和第三旋转杆9。

在一个可选的实施例中，所述旋转电机，包括用于控制水平旋转的第一电机和用于控制垂直旋转的第二电机；

所述伸缩电机，包括用于控制移动的第三电机和用于控制伸缩的第四电机。

请参考图1，图1中电机组13包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，分别控制水平旋转、垂直旋转、移动和伸缩，通过这四部电机可以360度的全方位的控制。

在一个可选的实施例中，所述三维图像采集单元10由激光测距模块1001和三维摄像头1002组成；

所述激光测距模块1001，用于向下方进行激光探测，若探测有目标物体经过，则触发所述三维摄像头1002进行图像采集；

所述三维摄像头1002，用于根据所述激光测距模块1001的触发指令进行图像采集，并将采集到的目标物体的三维图像发送至主控制器模块101。

在一个可选的实施例中，还包括传输模块和后端处理平台；

所述传输模块，用于将所述主控制器模块101发送的所述目标物体的三维图像传输至所述后端处理平台；

所述后端处理平台，用于将所述三维图像进行抛物曲面拟合，并计算所述目标物体的体况特征值，以对所述目标物体的体况进行评估值监测。

图2为本发明实施例三维图像监测装置的功能部件连接框图，请参考图2，所述功能部件主要包括控制部件、传输模块和后端处理平台，其中，所述控制部件包括电机控制器即电机控制模块102，主控制器即主控制器模块101；其中，电机控制器分别连接控制移动的电机、控制伸缩的电机、控制水平旋转的电机和控制垂直旋转的电机；所述主控制器分别连接电机控制器、电源管理模块、三维图像采集模块和传输模块，所述传输模块连接后端处理平台。

所述三维图像监测装置的工作流程如下：

电源管理模块100提供整个装置的电源，首先是将装置置于合适位置，通过调节获得旋钮301、302和303，使三脚架处于水平状态。然后将第三旋转杆9旋转至水平状态，并且将三维图像采集单元10固定在第三旋转杆9上。

然后，根据监测的目标物体(一般可以是动物)的大小、以及隔间中心的位置，设置伸缩电机、水平旋转电机、垂直旋转电机的参数，控制第二伸缩杆7伸长至特定位置、控制第三旋转杆到相应的位置。位置调整合适后，三维图像采集单元开始工作，将采集到的图像发送至主控制器模块101，最后利用传输模块通过无线的方式将图像发送至远程的后端处理平台。

本发明实施例所述三维图像采集装置，采用电机控制移动式平台，使得装置可以在图像采集通道里移动，实现多个位置点的目标物体图像采集；采用旋转圆轴，通过电机控制实现装置自动调整监测角度和水平位置，精准控制图像采集位置；采用伸缩杆，通过电机步进式控制，自动调整图像采集高度，可以应用于采集不同高度目标物体的图像；图像采集单元中包含激光测距部件，可以感应有无目标物体通过，实现触发式图像采集，精准采集目标物体图像；进一步的，将图像通过无线传输模块发送到远程后端平台，利用图像处理算法，实现目标物体行为的自动分析。

本发明实施例所述三维图像监测装置，可以实现高度、角度和水平位置的自动调整。三维图像采集单元中设计激光测距模块，根据距离的变化来准确控制拍照时机，精准采集动物图像。

本发明实施例还提供一种上述实施例任一可选实施例所述的三维图像监测装置进行三维图像监测的方法，包括：

S100，获取所述三维图像监测装置采集的目标物体的三维图像；

S200，利用一个抛物曲面去拟合所述目标物体的三维图像的曲面，获得拟合曲面；

S300，对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化，将量化结果作为所述目标物体的体况特征值；

S400，根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测。

图3为本发明实施例目标物体的三维成像曲面的局部示意图，如图3所示，三维成像能够反应动物外形轮廓曲面的变化，不同体况的动物，其外形轮廓曲面是不同的，相应的三维成像结果也存在差异。图4为本发明实施例目标物体的三维成像的抛物面拟合示意图，如图4所示，利用一个抛物曲面去拟合动物三维图像曲面，两个曲面之间存在差异。将两个曲面各个点之间的差异进行量化，作为目标物体体况的特征值；然后根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测，可以实现数字化的目标物体体况评分过程，有助于提高体况监测准确率和自动化水平。

在一个可选的实施例中，通过下式对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化：

其中，MAE_j表示第j个目标物体的体况特征值，N表示曲面上的像素点数，Z_i1表示目标物体的三维图像的曲面中第i个像素点的高度值，Z_i2表示拟合曲面中第i个像素点的高度值，符号|·|表示取绝对值操作。

在一个可选的实施例中，所述根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测，具体包括：

根据下式获取所述目标物体的体况特征值，获取评估值BCS_j，以对所述目标物体的体况进行评估值监测：

其中，MAE_j为所述目标物体的体况特征值，j＝1,2,…K，Q为最大的体况特征值，P为体况评分标准中的最大值。

具体的，对K个体况评估值不同的目标物体的三维图像样本进行体况特征值的计算，将它们的体况评估值记为：BCS_j(j＝1,2,…K),得到K个体况特征值MAE_j(j＝1,2,…K)。体况评估值与量化计算得到的体况特征值，具有一一对应的关系。体况特征值越大，说明拟合曲面与实际成像曲面差异更大，即目标物体体况评估值越低，因此两者的函数关系是递减关系，因此可以建立如下函数关系：

其中Q值取所有样本中最大的体况特征值，P取体况评分标准中的最大值。

获得体况特征值后，根据上述函数关系，就可以得到目标物体体况评估值，实现目标物体体况数字化、自动化的评估。

综上所述，本发明实施例所述三维图像监测的方法，利用上述三维图像监测装置进行动物体况监测的完整流程为：

根据养殖场对应通道的位置，将设备移动到相应的位置，将第三旋转杆9旋转至水平状态，并固定三维图像采集单元。根据通道12中心位置、动物高度，设置水平旋转电机、垂直旋转电机和伸缩电机参数，将伸缩杆调整到设定位置。三维图像采集单元开始工作，激光测距模块实时探测正下方，当有动物经过时，其探测距离发生变化，从而触发三维摄像头采集当前图像，采集到的三维图像发送至主控制器后，传输到远程后端处理平台。后端处理平台上的图像处理算法，将该三维图像进行抛物曲面拟合，然后计算体况特征值，最后根据数字化评估模块建立的函数关系式，得到当前动物的体况评估值，实现动物体况的自动化监测。

应用本发明实施例所述三维图像监测装置进行动物体况监测，无需人工定时进入养殖舍内进行现场查看，提高监测效率，减少人与动物的接触，降低生物安全风险。可以自由移动装置的位置，自动调整监测的高度、角度和水平位置，实现任意位置的精准监测。可以提供一种数字化、自动化的动物体况监测方法，更加客观与准确，具有良好的有益效果。

基于上述实施例，本发明实施例基于三维图像的目标物体体况监测方法，建立了目标物体体况图像特征值计算方法，将目标物体图像的三维曲面差异进行量化，实现数字化的目标物体体况评分过程，有助于提高目标物体体况监测准确率和自动化水平。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种应用三维图像监测装置进行三维图像监测的方法，其特征在于，包括：

获取所述三维图像监测装置采集的目标物体的三维图像；

利用一个抛物曲面去拟合所述目标物体的三维图像的曲面，获得拟合曲面；

对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化，将量化结果作为所述目标物体的体况特征值；

根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测；

所述三维图像监测装置包括主体单元、控制箱单元、旋转电机、伸缩电机和三维图像采集单元；

所述主体单元包括移动平台和支撑臂，所述支撑臂上设置有旋转部件和伸缩部件；

所述控制箱单元由主控制器模块和电机控制模块组成，所述电机控制模块连接所述主控制器模块、旋转电机和伸缩电机；其中，所述主控制器模块，用于对所述旋转电机和/或伸缩电机下发控制指令，以控制所述支撑臂进行旋转或伸缩；

所述控制箱单元、旋转电机和伸缩电机设置于所述主体单元的移动平台上；所述旋转电机连接所述旋转部件，所述伸缩电机连接所述伸缩部件；

所述三维图像采集单元挂接于所述支撑臂，与所述主控制器模块电连接，以采集目标物体的三维图像信息；

所述主体单元还包括三脚架，所述三脚架位于所述移动平台上，包括三个支撑脚和设置于所述三个支撑脚上的支撑平板；

所述三个支撑脚分别设置有活动旋钮以调整各自的高度，且所述三脚架通过所述三个支撑脚底部的卡扣与所述移动平台进行固定；

所述旋转部件由所述支撑臂上的固定卡槽、第一旋转圆轴、第二旋转圆轴和第三旋转杆组成；

所述伸缩部件由所述支撑臂上的第一伸缩杆和第二伸缩杆组成；

所述固定卡槽设置于所述支撑平板上，并与所述第一旋转圆轴的一侧卡接；所述第一旋转圆轴的另一侧连接第一伸缩杆，所述第一伸缩杆套接所述第二伸缩杆；所述第二伸缩杆的另一端连接所述第二旋转圆轴的一侧；所述第二旋转圆轴的另一侧连接所述第三旋转杆；

所述旋转电机，用于控制所述第一旋转圆轴在水平面或垂直面内围绕所述固定卡槽进行旋转；

所述伸缩电机，用于控制所述第二伸缩杆通过所述第一伸缩杆的内径步进式地伸长与缩短；

所述第二旋转圆轴，用于通过固定角度进行旋转，工作时将所述第三旋转杆旋转至水平，收起时将所述第三旋转杆旋转至与所述第二伸缩杆平齐；

所述旋转电机，包括用于控制水平旋转的第一电机和用于控制垂直旋转的第二电机；

所述伸缩电机，包括用于控制移动的第三电机和用于控制伸缩的第四电机；

所述三维图像采集单元由激光测距模块和三维摄像头组成；

所述激光测距模块，用于向下方进行激光探测，若探测有目标物体经过，则触发所述三维摄像头进行图像采集；

所述三维摄像头，用于根据所述激光测距模块的触发指令进行图像采集，并将采集到的目标物体的三维图像发送至主控制器模块；

所述三维图像监测装置还包括传输模块和后端处理平台；

所述传输模块，用于将所述主控制器模块发送的所述目标物体的三维图像传输至所述后端处理平台；

所述后端处理平台，用于将所述三维图像进行抛物曲面拟合，并计算所述目标物体的体况特征值，以对所述目标物体的体况进行评估值监测；

所述三维图像监测装置还包括电源管理模块；所述电源管理模块连接所述主控制器模块，用于为所述三维图像监测装置提供电源。

2.根据权利要求1所述的三维图像监测的方法，其特征在于，通过下式对所述拟合曲面与所述三维图像的曲面的差异进行量化：

其中，MAE_j表示第j个目标物体的体况特征值，N表示曲面上的像素点数，Z_i1表示目标物体的三维图像的曲面中第i个像素点的高度值，Z_i2表示拟合曲面中第i个像素点的高度值，符号|·|表示取绝对值操作。

3.根据权利要求2所述的三维图像监测的方法，其特征在于，所述根据所述目标物体的体况特征值，对所述目标物体的体况进行评估值监测，具体包括：

根据下式获取所述目标物体的体况特征值，获取评估值BCS_i，以对所述目标物体的体况进行评估值监测：

其中，MAE_j为所述目标物体的体况特征值，j＝1,2,…K，Q为最大的体况特征值，P为体况评分标准中的最大值。

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