CN108428219A - 一种基于三维曲面的原木直径测算方法 - Google Patents

一种基于三维曲面的原木直径测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三维曲面的原木直径测算方法，包括以下步骤：S1.使用三维扫描设备于原木运输传送带一侧对原木进行扫描，获取原木侧面的三维点云；S2.对获取的三维点云进行背景去除、去噪处理，得到原木侧面的轮廓点；S3.对原木侧面的轮廓点按原木横截面方向进行切片，并将切片投影在平面上，切片上的轮廓点形成一圆弧，对圆弧上的轮廓点进行拟合，得到相应的圆；S4.分别计算圆弧上的轮廓点与拟合的各个圆的拟合度，选取拟合度高于某一设定阈值的圆的直径作为原木的直径进行输出。

Description

一种基于三维曲面的原木直径测算方法
技术领域
本发明涉及机器视觉识别技术领域，更具体地，涉及一种基于三维曲面的原木直径测算方法。
背景技术
在木材加工中，原木直径测量是制约直径分类和下锯的关键因素。长期以来原木长度、大头长短半径、小头长短半径、大头中心、小头中心、原木弯曲度等表面参数都是依赖人工检测。检测操作员凭借经验人工目测，或者通过卡尺等设备检测原木外形。这些方式受人为因素影响较大，且工作效率低，无法适应现代木材加工行业工业自动化的发展。目前，现有技术提供了一种通过多个三维扫描仪获得原木不同角度的多个点云数据，然后通过拼接或旋转点云数据构建整体三维图形实现原木直径测算的方法。这种方法获得的整体点云数据拼接或旋转的实现难度大，运行效率不高，且容易出现误差，不利于自动化工业生产；目前现有技术也出现了通过扫描端面方式来求取原木轴心和直径的方法，但是这种方法对于不规则原木的直径测量和轴心位置的判断也存在一定误差。
发明内容
本发明的发明目的在于解决现有技术对原木直径进行测算时存在的实现难度大、运行效率不高、容易出现误差的技术缺陷，提供一种实现难度更小的，能够更准确地对原木直径进行测算的原木直径测算方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于三维曲面的原木直径测算方法，包括以下步骤：
S1.使用三维扫描设备于原木运输传送带一侧对原木进行扫描，获取原木侧面的三维点云；
S2.对获取的三维点云进行背景去除、去噪处理，得到原木侧面的轮廓点；
S3.对原木侧面的轮廓点按原木横截面方向进行切片，并将切片投影在平面上，切片上的轮廓点形成一圆弧，对圆弧上的轮廓点进行多次拟合，得到相应的圆；
S4.分别计算圆弧上的轮廓点与拟合的各个圆的拟合度，选取拟合度高于某一设定阈值的圆的直径作为原木的直径进行输出。
优选地，所述三维扫描设备的设置高度与原木运输传送带的设置高度同高，三维扫描设备的扫面方向与原木的侧面垂直。
优选地，所述三维扫描设备包括拍照式三维扫描仪、激光三维扫描仪、红外三维扫描仪。
优选地，所述步骤S2进行背景去除的具体过程如下：
获取原木运输传送带上无原木时的三维点云作为净背景，利用步骤S1获得的原木侧面的三维点云减去净背景，完成背景去除。
优选地，所述去噪处理包括对远离群点和近离群点进行去除处理，其中远离群点表现为三维空间中一小团聚在一起而又随机分布的孤立点，采用区域增长的方法滤除；近离群点表现为距离曲面有一定距离的单个跳变点，其利用以下方法进行判定：
设三维点云上的点k，其不包含点k邻域NBk定义为：
也即对于任意一点p，不包含该点k邻域NBk(p)为除p点外距离p最近的k点的集合；
而包含点k的邻域Bk定义为：
Bk(p)＝{NBk(p)∪p}
采用基于二次曲面拟合的曲率计算方法计算该点处平均曲率γ0；
γ1，γ2，γ3为k邻域点在三个主要方向的曲率，σk(p)即为k邻域点的曲率变化；
近离群点的判断值计算为包含点k邻域点曲率变化比上不包含点k邻域点曲率变化值θ(p)；
采用计算潜在离群点中每一点的θ(p)值，将θ(p)值大于设定容限的点作为离群点，并从点云中滤除。
优选地，所述步骤S3中，设切片上的轮廓点为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)…(xn,yn)，n∈(1,2,3…n)，利用圆弧上的轮廓点拟合圆只要求出圆心点(A,B)和半径R，利用公式求出：
ri 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
δi＝ri 2-R2＝(xi-A)2+(yi-B)2-R2
＝xi 2+yi 2-2Axi-2Byi+A2+B2-R2
其中序列点集(xi,yi)，i∈(1,2,3…n)中点到圆心的距离为ri；δi为点(xi,yi)到圆的距离平方与半径平方的差。
优选地，所述拟合度ε表示如下：
ε＝∑i＝1,2…nδi＝∑i＝1,2…n|(xi-A)2+(yi-B)2-R2|。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的方法将三维扫描设备和机器视觉识别、图像处理技术相结合，通过三维扫描设备单侧垂直扫描原木侧面，获取原木侧面的三维点云，去除背景后提取原木单侧表面的轮廓点，再利用算法去噪，除去远离群点和近离群点噪声，再依原木横截面逐次切片并投影于平面上形成圆弧，利用最小化差值算法将平面圆弧上的点逼近一个圆，最后计算圆弧线上点与近似圆的拟合度，取拟合度合适的圆求直径平均值即为所求原木的直径。本发明用单个三维扫描设备从一侧扫描原木获取其一半三维表面点云进行估算，降低多角度三维扫描点云拼接和旋转的难度。
附图说明
图1为方法的流程示意图。
图2为原木的扫描原理图。
图3为经历过背景移除及远近离群点去噪后韵母侧面的三维点云图。
图4(a)、(b)分别为拟合度低和拟合度高的圆的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，本发明提供的方法包括有以下步骤：
S1.如图2所示，使用三维扫描设备于原木运输传送带一侧对原木进行扫描，获取原木侧面的三维点云；
S2.如图3所示，对获取的三维点云进行背景去除、去噪处理，得到原木侧面的轮廓点；
S3.对原木侧面的轮廓点按原木横截面方向进行切片，并将切片投影在平面上，切片上的轮廓点形成一圆弧，对圆弧上的轮廓点进行多次拟合，得到相应的圆；具体如图4所示；
S4.分别计算圆弧上的轮廓点与拟合的各个圆的拟合度，选取拟合度高于某一设定阈值的圆的直径作为原木的直径进行输出。
其中，如图2所示，所述三维扫描设备的设置高度与原木运输传送带的设置高度同高，三维扫描设备的扫面方向与原木的侧面垂直。本实施例中，所述三维扫描设备包括拍照式三维扫描仪、激光三维扫描仪、红外三维扫描仪。
本实施例中，所述步骤S2进行背景去除的具体过程如下：
获取原木运输传送带上无原木时的三维点云作为净背景，利用步骤S1获得的原木侧面的三维点云减去净背景，完成背景去除。具体如图3所示。
由于被扫描物体表面存在过于明亮部分或者尖锐边缘，激光发射器等向被测物体表面投射激光时可能错误识别激光条纹点而产生离群点，使得轮廓边缘产生毛刺，因此需要尽量消除远近离群点。其中依照离群点距离点云主体的远近程度将其分为远离群点和近离群点。其中远离群点表现为三维空间中一小团聚在一起而又随机分布的孤立点，采用区域增长的方法滤除；近离群点表现为距离曲面有一定距离的单个跳变点，其利用以下方法进行判定：
设三维点云上的点k，其不包含点k邻域NBk定义为：
也即对于任意一点p，不包含该点k邻域NBk(p)为除p点外距离p最近的k点的集合；
而包含点k的邻域Bk定义为：
Bk(p)＝{NBk(p)∪p}
采用基于二次曲面拟合的曲率计算方法计算该点处平均曲率γ0；
γ1，γ2，γ3为k邻域点在三个主要方向的曲率，σk(p)即为k邻域点的曲率变化；
近离群点的判断值计算为包含点k邻域点曲率变化比上不包含点k邻域点曲率变化值θ(p)；
采用计算潜在离群点中每一点的θ(p)值，将θ(p)值大于设定容限的点作为离群点，并从点云中滤除。
本实施例中，所述步骤S3中，设切片上的轮廓点为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)…(xn,yn)，n∈(1,2,3…n)，利用圆弧上的轮廓点拟合圆只要求出圆心点(A,B)和半径R，利用公式求出：
ri 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
δi＝ri 2-R2＝(xi-A)2+(yi-B)2-R2
＝xi 2+yi 2-2Axi-2Byi+A2+B2-R2
其中序列点集(xi,yi)，i∈(1,2,3…n)中点到圆心的距离为ri；δi为点(xi,yi)到圆的距离平方与半径平方的差。
本实施例中，所述拟合度ε表示如下：
ε＝∑i＝1,2…nδi＝∑i＝1,2…n|(xi-A)2+(yi-B)2-R2|。
当拟合度ε大于一定值，说明拟合度不高如图4a所示，则舍弃当前拟合圆，最后将符合要求的切片拟合圆直径顺序排列即为当前原木的直径，如图4b所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.使用三维扫描设备于原木运输传送带一侧对原木进行扫描，获取原木侧面的三维点云；
S2.对获取的三维点云进行背景去除、去噪处理，得到原木侧面的轮廓点；
S3.对原木侧面的轮廓点按原木横截面方向进行切片，并将切片投影在平面上，切片上的轮廓点形成一圆弧，对圆弧上的轮廓点进行多次拟合，得到相应的圆；
S4.分别计算圆弧上的轮廓点与拟合的各个圆的拟合度，选取拟合度高于某一设定阈值的圆的直径作为原木的直径进行输出。
2.根据权利要求1所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述三维扫描设备的设置高度与原木运输传送带的设置高度同高，三维扫描设备的扫面方向与原木的侧面垂直。
3.根据权利要求1所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述三维扫描设备包括拍照式三维扫描仪、激光三维扫描仪、红外三维扫描仪。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述步骤S2进行背景去除的具体过程如下：
获取原木运输传送带上无原木时的三维点云作为净背景，利用步骤S1获得的原木侧面的三维点云减去净背景，完成背景去除。
5.根据权利要求4所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述去噪处理包括对远离群点和近离群点进行去除处理，其中远离群点表现为三维空间中一小团聚在一起而又随机分布的孤立点，采用区域增长的方法滤除；近离群点表现为距离曲面有一定距离的单个跳变点，其利用以下方法进行判定：
设三维点云上的点k，其不包含点k邻域NBk定义为：
也即对于任意一点p，不包含该点k邻域NBk(p)为除p点外距离p最近的k点的集合；
而包含点k的邻域Bk定义为：
Bk(p)＝{NBk(p)∪p}
采用基于二次曲面拟合的曲率计算方法计算该点处平均曲率γ0；
γ1，γ2，γ3为k邻域点在三个主要方向的曲率，σk(p)即为k邻域点的曲率变化；
近离群点的判断值计算为包含点k邻域点曲率变化比上不包含点k邻域点曲率变化值θ(p)；
采用计算潜在离群点中每一点的θ(p)值，将θ(p)值大于设定容限的点作为离群点，并从点云中滤除。
6.根据权利要求4所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述步骤S3中，设切片上的轮廓点为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)…(xn,yn)，n∈(1,2,3…n)，利用圆弧上的轮廓点拟合圆只要求出圆心点(A,B)和半径R，利用公式求出：
ri 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
δi＝ri 2-R2＝(xi-A)2+(yi-B)2-R2
＝xi 2+yi 2-2Axi-2Byi+A2+B2-R2
其中序列点集(xi,yi)，i∈(1,2,3…n)中点到圆心的距离为ri；δi为点(xi,yi)到圆的距离平方与半径平方的差。
7.根据权利要求6所述的基于三维曲面的原木直径测算方法，其特征在于：所述拟合度表示如下：
ε＝∑i＝1,2…nδi＝∑i＝1,2…n|(xi-A)2+(yi-B)2-R2|。
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