CN109215019B - 一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法和装置，该方法包括：对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，将提取出的原木三维点云进行融合和滤波，以得到第一原木三维点云；对第一原木三维点云进行逐块横向切片，以获得若干个切片圆弧；对若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点；将所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合，根据拟合曲线的曲率确定出原木的弯曲点及其弯曲度。该装置包括用于执行上述定位方法的处理器。本发明能实现弯曲木头切分点的自动定位选择，提高原木利用率且减少加工操作，自动化水平高，可广泛应用于木材加工领域中。

Description

一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法和装置

技术领域

本发明涉及木材加工技术领域，尤其涉及一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法和装置。

背景技术

原木是自然生长的木材，其形状不一定是笔直的圆柱，其具有扭曲度、顺弯度、瓦弯度、和/或树干形状的凹兜和大兜等缺陷。而这类缺陷会有损于原木的材质，因此会降低成材的出材率，且在加工时纤维易被切断，这样则会降低木材的强度，尤其对抗弯、顺纹抗拉和顺纹抗压强度的影响最为明显。

对于原木弯曲度，其经验公式为f＝(H/C)×100％，其中，H为原木最大弯曲高度，C为原木内曲面水平长度；而其近似公式则为h≈C²/8r，其中，h为原木弯曲矢高，r为原木轴心水平半径。由上式可表明得出，弯曲矢高跟内曲面水平长度平方成正比，当原木内曲面水平长度减小一半时，原木弯曲矢高则会减少为原来四分之一，因此通过减小弯曲长度，即将弯曲原木适当截短，这样能够提高原木等级和出材率。可见，提供一种可自动准确地基于弯曲度进行原木切分点定位以实现木材切分的方案，这是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法和装置，可自动准确地进行木材切分点的定位。

鉴于此，本发明一方面采用的技术方案是：一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法，包括以下步骤：

S1、利用最小包围盒来控制三维拍摄设备进行图像采集，以获取得到若干帧原木三维图像；

S2、利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，将从若干帧原木三维图像中提取出的原木三维点云进行融合，对融合后得到的原木三维点云进行滤波处理后得到第一原木三维点云；

S3、对第一原木三维点云进行逐块横向切片，以获得若干个切片圆弧；

S4、对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点；

S5、将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合，求取拟合曲线的曲率，从而根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度。

进一步，所述三维拍摄设备用于设置在原木传输带上方并垂直向下对原木进行拍照。

进一步，所述最小包围盒的构建步骤包括：

利用原木传输带的表面来确定出最小包围盒的底面、顶面、宽度和高度；

利用原木传输带的侧边来确定出最小包围盒的侧面；

利用原木的预测长度来确定出最小包围盒的长度。

进一步，所述步骤S1，其包括：

当原木从左至右传输且原木触碰到最小包围盒的右侧面时，则控制三维拍摄设备对原木进行若干次拍摄，以获取得到若干帧原木三维图像。

进一步，所述利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取这一步骤，其包括：

利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，以最小包围盒的左前下方的顶点作为坐标原点o，从而将提取出的原木三维点云进行坐标平移。

进一步，所述步骤S3，其包括：

求取若干个切分平面与第一原木三维点云之间的交点；其中，若干个切分平面均与yoz平面平行且对应的x坐标不相同；x为坐标系的横轴，以表示原木传输带运行的平行方向；y为坐标系的纵轴，以表示与原木传输带运行方向垂直的方向；z为坐标系的z轴，以表示原木传输带表面的法向量；

将每一个切分平面上的交点形成圆弧后，获得若干个切片圆弧。

进一步，所述步骤S4，其具体为：

利用最小二乘拟合圆方式对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点。

进一步，所述将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合这一步骤，其包括：

将得到的所有圆心点分别向xoy平面和xoz平面进行投影后，得到各个投影平面的投影点序列；

利用离散函数的最佳平方计算方法来对各个投影平面的投影点序列进行曲线拟合。

进一步，所述根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度这一步骤，其包括：

从求取出的拟合曲线的曲率中找出各个拐点值；

根据各个拐点值来确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度。

鉴于此，本发明另一方面采用的技术方案是：一种基于原木弯曲度的木材切分点定位装置，包括三维拍摄设备以及与三维拍摄设备连接的控制器；所述控制器包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法。

本发明的有益效果是：本发明通过对获取得到的原木三维点云进行逐块横向切片，以获得若干个切片圆弧，然后对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点，最后将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合，求取拟合曲线的曲率，从而根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度，因此由此可见，通过使用本发明，能够自动快速且准确地对原木进行弯曲点的检测定位并得到弯曲点所对应的弯曲度，这样便可实现弯曲木头切分点的自动选择，既可以最大限度地利用原木，又能大幅度减少人工原木材优选加工操作，极大地提高了原木加工自动化水平。

附图说明

图1是本发明一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法的步骤流程图；

图2是三维拍摄设备的设置示意图；

图3是以最小包围盒的左前下方的顶点作为坐标原点的坐标系示意图；

图4是本发明一种基于原木弯曲度的木材切分点定位装置的结构示意图。

1、三维拍摄设备；2、原木传输带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。而且以下实施例中所提及到的“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”仅用于相对位置关系的清楚描述，并不是绝对位置关系，可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。。

如图1所示，一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法，其包括以下步骤。

步骤S101、利用最小包围盒来控制三维拍摄设备1进行图像采集，以获取得到若干帧原木三维图像，其中，所述三维拍摄设备1设置在原木传输带2上方以用于垂直向下对原木进行拍照，如图2所示。

具体地，所述三维拍摄设备1优选设置在原木传输带2的正上方，其拍摄方向垂直向下以对原木进行图像采集，这样能够采集到更好的原木图像，为后续的处理提供可靠的数据源。因此进一步作为本实施例的优选实施方式，所述三维拍摄设备1的设置步骤可包括有：

S1011、将三维拍摄设备1的镜头平行于原木传输带2表面，且固定于原木传输带2正上方约2米的地方；

S1012、依据三维拍摄设备1的抓取窗口来微调三维拍摄设备1的悬挂高度，确保在抓取窗口中能获取原木完整的外形。

此外，由于从三维拍摄设备1拍摄的图像所提取出的三维点云会包含大量背景噪声，数据量不仅非常大且不利于后续原木的弯曲度检测定位，因此需要精确抓取原木的三维点云。而为了达到精确抓取原木三维点云的效果，本发明实施例通过寻找能完全覆盖原木三维点云的最小包围盒来实现。而在本实施例中，所述最小包围盒的形状优选为立方体，其优选构建步骤具体包括有：

S1013、利用原木传输带2的表面来确定出最小包围盒的底面、顶面、宽度和高度；

S1014、利用原木传输带2的侧边来确定出最小包围盒的侧面；

S1015、利用原木的预测长度来确定出最小包围盒的长度。

具体地，由于原木是平放在原木传输带2上的，故其底面可选取为原木传输带2，在高度确认后，便能基于确定到的底面从而确定到最小包围盒的顶面；原木原则上是不会超出原木传输带2，因此，最小包围盒的两侧面则可为沿原木传输带2左右边缘(侧边)向上延伸而得到的平面；此外，最小包围盒的长度可取原木预测最大长度2.8米；又原木基本为圆形，因此，最小包围盒的高度取等同于原木传输带2的宽度。而在确定好最小包围盒的尺寸后，再设定图像抓取条件为：在原木从左至右进行传输过程中，当原木从左边进入最小包围盒，修改标记位以表示原木进入窗口，当原木触碰最小包围盒的右边窗口(即右侧面)的瞬间，便完成连续若干帧(优选为三帧)的抓取，并将对应标记位进行修改，令其表示为原木离开。而在这个抓取过程中要确保三维拍摄设备1离原木距离大于一定值，否则将无法分辨原木是否完全进入窗口。

基于上述图像抓取条件，所述步骤S101则优选包括：

当原木从左至右传输且检测到原木触碰到最小包围盒的右侧面(即右窗口)时，则控制三维拍摄设备1对原木进行若干次(优选为3次)拍摄，以获得若干帧(优选为三帧)原木三维图像。

对于上述图像抓取过程，若原木是从右向左传输的，那么此时则设定的图像抓取条件应为：在原木从右至左进行传输过程中，当原木从右边进入最小包围盒，修改标记位以表示原木进入窗口，当原木触碰最小包围盒的左边窗口(即左侧面)的瞬间，便完成连续若干帧(优选为三帧)的抓取，并将对应标记位进行修改，令其表示为原木离开。而所述步骤S101则优选包括：当原木从右至左传输且原木触碰到最小包围盒的左侧面时，则控制三维拍摄设备对原木进行若干次拍摄，以获得若干帧原木三维图像。这样通过利用最小包围盒的抓取，能极大地提高后续原木三维点云提取的精准度。

S102、利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，将从若干帧原木三维图像中提取出的原木三维点云进行融合，对融合后得到的原木三维点云进行滤波处理后得到第一原木三维点云。

具体地，首先，从最小包围盒中提取出的原木三维点云为初步原木三维点云，将坐标原点o平移到最小包围盒的左前下方的顶点C，即以最小包围盒的左前下方的顶点C作为坐标原点o(如图3所示)，接着将提取出的初步原木三维点云进行坐标平移。可得，所述利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取这一步骤，其优选包括：利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，以最小包围盒的左前下方的顶点C作为坐标原点o，从而将提取出的原木三维点云进行坐标平移。

然后，将从三帧原木三维图像中提取出的原木三维点云进行融合，实现对数据的补全，接着，则采用双边滤波对融合后得到的原木三维点云进行去除离群噪声点处理，以获得最终所需的第一原木三维点云。

S103、对第一原木三维点云进行逐块横向切片，以获得若干个切片圆弧。

在一优选实施例中，所述步骤S103优选包括：

S1031、求取若干个切分平面与第一原木三维点云之间的交点；其中，若干个切分平面均与yoz平面平行且对应的x坐标不相同；

S1032、将每一个切分平面上的交点形成圆弧后，获得若干个切片圆弧。

具体地，经过提取和坐标平移后的原木三维点云P，其可以表示为：

P＝{p₁，p₂，p₃，…，p_i}，1≤i≤n

p_i＝{(x，y，z)|x∈R，y∈R，z∈R}

其中，x为坐标系的横轴，以表示为原木传输带运行的平行方向；y为坐标系的纵轴，以表示为与原木传输带运行方向垂直的方向；z为坐标系的z轴，以表示为原木传输带的上下方向垂直方向，即相当于原木传输带表面的法向量，如图2所示。

因此，对第一原木三维点云进行逐块横向切片，即若干剖面切分，其具体过程如下：

令切分平面与x方向一致，且设定为

i对应不同的切分平面，也就相当于，若干个切分平面均与yoz平面平行且对应的x坐标不相同；接着，求取切分平面与第一原木三维点云之间相交的交点，该交点即为每一个切片S_i{(x，y，z)|x＝x_i，y∈R，z∈R}；最后，将每一个切分平面上的交点形成圆弧后，获得若干个切片圆弧，即y，z在x为固定值构成的一个平面中形成一条圆弧L_i{(y，z)|x＝x_i，y∈R，z∈R}。

S104、对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点。

在一优选实施例中，所述步骤S104具体为：

利用最小二乘拟合圆方式对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点。其中，得到的圆心点为原木骨干离散点。而此步骤的具体实现过程如下所示。

所述最小二乘圆拟合(即最小二乘拟合圆方式)是一种数学优化算法，其通过最小化误差平方和找到一组数据的最佳函数匹配来实现。为此，每一个切片圆弧L_i能拟合一个圆，而其圆心点对应的空间坐标则为C＝{c₁，c₂，c₃…，c_i}，i＝1，2，3…，n，c_i＝(x_i，y_i，z_i)。而拟合得到的圆的的圆心点，则可类比作为提取原木的骨干离散点。

S105、将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合，求取拟合曲线的曲率，从而根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度。

在一优选实施例中，所述步骤S105包括：

S1051、将得到的所有圆心点分别向xoy平面和xoz平面进行投影后，得到各个投影平面的投影点序列。

具体地，由于直接由圆心离散点拟合空间曲线来检测原木弯曲度，其运算量比较大，而原木可能向空间任意一个方向弯曲，因此为了降低运算复杂度，提高处理效率且实现全面描述弯曲度，在本实施例中，则优选将拟合得到的空间圆心点依次顺序投影到xoy，xoz两个平面，以分别得到各个投影平面的圆心点投影序列(即投影点序列)，而圆心点投影序列的表达式为：

T＝{C_y，C_z}

C_y＝{c_y1，c_y2，c_y3…c_yi}，c_yi＝(x_i，0，z_i)，i＝1，2，3…，n

C_z＝{c_z1，c_z2，c_z3…c_zi}，c_zi＝(x_i，y_i，0)，i＝1，2，3…，n

可见，C_y为投影到xoz平面的圆心点投影序列，C_z为投影到xoy平面的圆心点投影序列。需要强调的是，不需要投影到yoz平面是由于yoz平面是原木前后方向的投影，无法用于判断其弯曲度。

S1052、利用离散函数的最佳平方计算方法来对各个投影平面的投影点序列进行曲线拟合。

具体地，运用离散函数最佳平方逼近将xoy，xoz两平面上的圆心投影点拟合成曲线，具体方法如下：对于xoz平面投影点(x_i，z_i)(i＝0，1，2，…，n)，要寻找z与x之间的近似函数关系

给定基函数

形如下式：

若

使得

则z^*(x)即为xoz平面投影点最小二乘拟合曲线。同理可得，y^*(x)即为xoy平面投影点的最小二乘拟合曲线。

S1053、求取拟合曲线的曲率。

S1054、从求取出的拟合曲线的曲率中找出各个拐点值；其中，所述拐点值包括曲率的最大值点，次大值点等拐点值。

具体地，曲线的曲率(curvature)是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明了曲线偏离直线的程度，在数学上则代表了曲线在某一点弯曲程度的数值。当曲率越大时，则表示曲线的弯曲程度越大。而其数学定义如为：弧

的切线转角Δα与该弧长Δs之比的绝对值称作该弧的平均曲率，记作：

当

沿曲线L趋向于M时，若弧

的平均曲率的极限存在，则称此极限为曲线L在点M处的曲率，记作K，即

例如，对xoz平面的圆心投影点(即圆心点投影序列)拟合曲线方程z＝z^*(x)，求其曲线的二阶导数，曲线z^*(x)在点M处的曲率为：

其中，K_z为曲线z^*(x)在点M处的曲率，z^*n为曲线z^*(x)的二阶导数，z^*′为曲线z^*(x)的一阶导数。

同样，对xoy平面的圆心投影点拟合曲线方程y＝y^*(x)，求其曲线的二阶导数，曲线y^*(x)在点M处的曲率为：

其中，K_y为曲线y^*(x)在点M处的曲率，y^*″为曲线y^*(x)的二阶导数，y^*′为曲线y^*(x)的一阶导数。可见，对于x轴上每一个点，求对应xoy，xoz平面投影曲线的曲率，并找出对应曲率最大点和各个拐点，便能对应找出原木的弯曲度和对应x轴上的位置。

S1055、根据各个拐点值来确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度。当确定得到原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度便能自动定位到所需的切分点，以实现原木材的自动切分。

由上述可得，本发明能够对原木弯曲度进行自动检测、快速定位弯曲度点，从而实现了弯曲木头切分点的自动定位选择，既可以最大限度地利用原木，又能大幅度减少人工原木材优选加工，提示原木加工自动化水平。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种基于原木弯曲度的木材切分点定位装置，包括三维拍摄设备以及与三维拍摄设备连接的控制器；所述控制器包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用最小包围盒来控制三维拍摄设备进行图像采集，以获取得到若干帧原木三维图像；

S2、利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，将从若干帧原木三维图像中提取出的原木三维点云进行融合，对融合后得到的原木三维点云进行滤波处理后得到第一原木三维点云；

S3、对第一原木三维点云进行逐块横向切片，以获得若干个切片圆弧；

S4、对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点；

S5、将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合，求取拟合曲线的曲率，从而根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度；

所述步骤S1，其包括：

当原木从左至右传输且原木触碰到最小包围盒的右侧面时，则控制三维拍摄设备对原木进行若干次拍摄，以获取得到若干帧原木三维图像；

所述三维拍摄设备用于设置在原木传输带上方并垂直向下对原木进行拍照；

所述最小包围盒的构建步骤包括：

利用原木传输带的表面来确定出最小包围盒的底面、顶面、宽度和高度；

利用原木传输带的侧边来确定出最小包围盒的侧面；

利用原木的预测长度来确定出最小包围盒的长度；

所述利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取这一步骤，其包括：

利用最小包围盒对若干帧原木三维图像进行原木三维点云的提取后，以最小包围盒的左前下方的顶点作为坐标原点o，从而将提取出的原木三维点云进行坐标平移；

所述步骤S3，其包括：

求取若干个切分平面与第一原木三维点云之间的交点；其中，若干个切分平面均与yoz平面平行且对应的x坐标不相同；x为坐标系的横轴，以表示原木传输带运行的平行方向；y为坐标系的纵轴，以表示与原木传输带运行方向垂直的方向；z为坐标系的z轴，以表示原木传输带表面的法向量；

将每一个切分平面上的交点形成圆弧后，获得若干个切片圆弧；

所述步骤S4，其具体为：

利用最小二乘拟合圆方式对得到的若干个切片圆弧进行圆拟合，以得到所有拟合得到的圆的圆心点；

所述将得到的所有圆心点分别向平行原木传输带方向和原木传输带侧向方向进行投影后，对投影方向的离散点进行曲线拟合这一步骤，其包括：

将得到的所有圆心点分别向xoy平面和xoz平面进行投影后，得到各个投影平面的投影点序列；

利用离散函数的最佳平方计算方法来对各个投影平面的投影点序列进行曲线拟合；

所述根据拟合曲线的曲率，确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度这一步骤，其包括：

从求取出的拟合曲线的曲率中找出各个拐点值；

根据各个拐点值来确定出原木的弯曲点及弯曲点所对应的弯曲度。

2.一种基于原木弯曲度的木材切分点定位装置，其特征在于，包括三维拍摄设备以及与三维拍摄设备连接的控制器；所述控制器包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1所述一种基于原木弯曲度的木材切分点定位方法。

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