CN111833292A - 一种基于结构光的钢筋计数方法 - Google Patents

Abstract

一种基于结构光的钢筋计数方法包括：投影仪与相机垂直于钢筋端面且处于同一高度水平面；对测量系统标定得到相机内参外参；投影仪投射格雷编码图案相移图案到钢筋端面，相机摄取图案；对摄取图案处理解码得到图案各点对应投射角；根据投射角及三维测量原理算钢筋端面三维数据；将端面三维数据二值化得到端面图像二值图像；分水岭变换将二值图像转为灰度图像；灰度图像中找到灰度极大值点记为钢筋中心点；对中心点数目统计得到钢筋数目。本发明利用面结构光法解算钢筋端面三维数据简便快速获得较准确的三维数据；格雷编码相移法结合方式投射编码条纹能提高分辨率和准确度；用钢筋端面三维数据二值化确定钢筋数目简化了数据处理过程，检测效率高。

Description

一种基于结构光的钢筋计数方法

技术领域

本发明涉及钢筋检测技术领域，尤其涉及一种基于结构光的钢筋计数方法。

背景技术

在钢材的生产和销售过程中，钢筋的数量是非常重要的指标，然而由于钢筋的直径普遍较小，截面不规整，千差万别，钢筋的数量众多又累积堆在一起，成捆的钢筋存在难以快速准确计数的问题。

在现有的技术方案中，最常出现的计数方式是人工计数的方式，计数工人主要使用不同颜色的彩色笔来多次标记以区分已计数和未计数的钢筋，不仅耗时长、劳动强度高、效率低，而且长时间高强度工作后，人眼和大脑容易疲劳，计数误差将会大大增加。

人工计数的方式已经不能适应目前自动化生产的需求。目前市面上出现一种基于计算机视觉的钢筋数量统计方法，获取被测钢筋束截面的原始彩色图像后转换成灰度图像，再经增强处理后转换成二值图像，然后利用二值图像进行计数。此技术方案相较于人工计数具有快速、自动化的特点，但此技术方案在过亮或过暗的环境或钢筋存在锈蚀情况影响下计数误差较大，无法大量稳定使用。

基于结构光的测量方法以其结构简单、图像处理容易、实时性强及精度较高等优势在逆向工程、磨具设计、工业检测、质量控制、文物保护、医学成像、农业测绘、水下探测等领域取得了广泛应用，近年来随着技术的发展，结构光进一步实现了对反光物体、动态目标的测量，这为结构光提供了更广阔的应用前景。利用基于结构光的三维测量方法获取钢筋三维数据进而完成钢筋计数也是切实可行的。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于结构光的钢筋计数方法，利用投影仪将编码光栅条纹投射到钢筋端面，受钢筋端面的调制，光栅条纹发生变形，经工业相机拍摄出对应的钢筋端面图案，再利用图案进行数据处理与计算，得到钢筋端面三维数据，再利用分水岭变换对钢筋端面三维数据进行处理，完成钢筋数目的统计。由于采用基于面扫描方式的面结构光方法来测量钢筋端面初始三维数据，测量精度高、测量速度快、测量成本低。

本发明的一种基于结构光的钢筋计数方法，包括以下步骤：

步骤1：控制投影仪与工业相机垂直于钢筋端面，且处于同一高度水平面上；

步骤2：对测量系统进行标定，得到工业相机的内参及外参；

步骤3：投影仪投射格雷编码图案及相移图案到钢筋端面，工业相机摄取投射的图案；

步骤4：对摄取到的图案进行处理解码，得到图案上各点对应的投射角；

步骤5：根据投射角及三维测量原理计算钢筋端面三维数据；

步骤6：将钢筋端面三维数据二值化得到钢筋端面图像的二值图像；

步骤7：利用分水岭变换将二值图像转换为灰度图像；

步骤8：从转换后的灰度图像中找到灰度极大值点标记为钢筋中心点；

步骤9：对钢筋中心点数目进行统计得到钢筋数目。

进一步地，所述对测量系统进行标定，得到工业相机的内参及外参所用为：平面棋盘标定方法，利用matlab摄像机标定工具箱对摄像机的内部参数和外部参数进行标定，标定过程中摄像机固定不动，棋盘放置在10个不同位置拍摄10幅图案来标定相机内参，要求有一个位置在参考平面上，并以这个位置的旋转矩阵和传输矩阵作为系统的外部参数。

进一步地，对所述格雷编码图案及相移图案中：

格雷编码的过程为利用matlab程序编制出的7幅格雷编码光栅投射到钢筋端面，按时间先后顺序将钢筋端面上一点在7幅格雷编码图案中的编码值组合得到该点的区域编码值k，从而完成格雷编码；相移编码采用四步相移法，将投射的相移图案每次平移π/2，平移三次，得到四幅相移图案。

进一步地，所述格雷编码图案和相移图案必须满足如下关系:格雷编码光栅图案的最小栅距为相移光栅图案相移量的4倍，并且满足格雷编码周期与相移周期变化相一致。

进一步地，所述对摄取到的图案进行处理解码，得到图案上各点对应的投射角包括：通过matlab编程，对钢筋端面格雷编码图案采用局部阈值法结合全局阈值法二值化方法处理并解码，以及对钢筋端面相移图案进行解码，根据周期错位情况进行调整，从而实现钢筋端面解相位，得到投射角。

进一步地，所述将钢筋端面三维数据二值化得到钢筋端面图像的二值图像包括：根据测量距离范围也即深度数据对得到的钢筋端面三维数据进行二值化，由人工设定或由机器自动设定一个测量距离范围值，当钢筋端面三维数据点中深度值在距离范围内时，记录点的值为1，反之为0，经二值化量化后，由钢筋端面三维数据得到一幅二值图像。

进一步地，所述利用分水岭变换将二值图像转换为灰度图像包括：使用分水岭变换时采用负距离变换将原始二值图像转换为灰度图像。

本发明的有益效果是：利用面结构光法将光栅条纹图案投射到钢筋端面，通过光栅条纹图案变化解算钢筋端面三维数据，简便、快速地获得准确度较高的三维数据；采用格雷编码与相移法结合的方式向钢筋端面投射编码条纹，能够使检测分辨率和准确度同时获得提高；根据钢筋端面三维数据进行二值化处理来确定钢筋数目，简化了数据处理过程，检测效率高。

附图说明

图1是本发明的一种钢筋计数方法的使用场景示意图。

图中：1.线结构光发射器；2.3D摄像机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见图1，本发明实施例具体包括以下步骤：

步骤1：架设测量系统，本发明所涉及的测量系统主要由投影仪、工业相机、数据处理模块组成，其中投影仪与工业相机垂直于钢筋端面，且处于同一高度的水平面上，投影仪投射的编码光栅条纹能够覆盖钢筋端面，工业相机的拍摄范围能够覆盖钢筋端面，确保工业相机能完整拍摄到经钢筋端面调制后的编码光栅条纹。

步骤2：对测量系统进行标定，得到工业相机的内参及外参。本实施例中所用的系统标定方法为平面棋盘标定方法，利用matlab摄像机标定工具箱对摄像机的内部参数和外部参数进行标定，标定过程中摄像机固定不动，棋盘放置在10个不同位置拍摄10幅图案来标定相机内参，要求有一个位置在参考平面上，并以这个位置的旋转矩阵和传输矩阵作为系统的外部参数。

步骤3：投影仪投射格雷编码图案及相移图案到钢筋端面，工业相机摄取投射的图案。

格雷编码的过程为：利用matlab程序编制出的7幅格雷编码光栅投射到钢筋端面，按时间先后顺序将钢筋端面上一点在7幅格雷编码图案中的编码值组合得到该点的区域编码值k，从而完成格雷编码。

相移编码采用四步相移法，将投射的相移图案每次平移π/2，平移三次，得到四幅相移图案。其中：

I_i(i＝1,2,3,4)为第i幅相移图案的条纹灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制光强值，

为所求的相位值。

由(1)和(3)得：

由(2)和(4)得：

由(5)和(6)得：

求出的

即为截断相位。通过相移法计算出的相位只是相位的主值，含有一个反正切函数，其值域为(-π，π)，相位不连续，由相移法公式得到的相位与真实值之间还有2kπ的差异。为此，必须求出k，才能将相位的主值恢复到真正的绝对相位。完整的相位值即绝对相位公式为：

式中k(x,y)为整数，表示像素点(x,y)对应的2π的整数倍。

投射的格雷编码光栅图案和相移光栅图案必须满足如下关系:格雷编码光栅图案的最小栅距为相移光栅图案相移量的4倍，并且满足格雷编码周期与相移周期变化相一致。

步骤4：对摄取到的图案进行处理解码，得到图案上各点对应的投射角。通过matlab编程，对钢筋端面格雷编码图案采用局部阈值法结合全局阈值法二值化方法处理并解码，以及对钢筋端面相移图案进行解码，根据周期错位情况进行调整，从而实现钢筋端面解相位，得到投射角。具体而言：

采用格雷编码与相移法结合的组合编码方法，就是通过相移法公式求解截断相位

在一个周期内的相位值，而叶片解码周期k(x,y)是各条纹的周期次数，可通过叶片格雷编码图案的解码来确定。

相移编码图案由matlab编程获得，由(7)获得像素点(x,y)对应的截断相位

对钢筋端面格雷编码图案使用matlab函数进行全局阈值及局部阈值，选定一个阈值当像素灰度小于或等于某一阈值是解码为0，否则为1。利用公式法对格雷编码进行解码，将n位格雷编码转换为n位二进制码，进而将二进制码转换成十进制编码，就得到格雷编码和相移法结合的解码周期：

在同一范围内把求解获得的截断相位与格雷编码解码周期相叠加进行相位解包裹，则得到绝对相位ψ(x,y)公式。

消除周期错位使用的方式是调整叶片格雷编码解码周期的边界位置：若解码周期值增加k(x,y)-k(x,y-1)＝1，而相位值未发生突变

时，则调节解码周期值k(x,y)＝k(x,y)-1；若相位值发生突变

而其对应解码周期值未增加k(x,y)＝k(x,y-1)时，则调节解码周期k(x,y)＝k(x,y)+1。此时相位周期值和解码周期值的变化保持一致。

步骤5：根据投射角及三维测量原理计算钢筋端面三维数据。

将绝对相位映射为投射角，最终获得投射角为：

α＝α₀+arctan[(2⁷-1+ψ/π)tanα₁/2⁷]

其中α₀、α₁为标定参数，投射7幅格雷编码图案时，格雷编码图案的最小栅距为8，相移图案相移量为2，符合格雷编码与相移法结合的三维测量的编码要求。

下面利用投射角α计算获得物体实际三维信息：取世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w的原点O_w位于相机光轴与结构光平面的交点，X_w轴和Y_w轴分别与相机坐标系X_c轴和Y_c轴平行，Z_w与Z_c重合但方向相反。O_w与O_c的距离为l。则世界坐标系与相机坐标系有如下关系：

图像中一点A的像为A′，在世界坐标系中，视线OA′的方程为：

在世界坐标系中，结构光平面的方程为：

X_w＝Z_wtgα

解得：

又由于数字图像上定义直角坐标系Op-uv，每一像素的坐标(u,v)分别是该像素在图像数组中的列数与行数，(u,v)是像点在数字图像坐标系中以像素为单位的坐标。像点在像平面上的物理位置，建立以物理单位表示的像平面二维坐标系Oi-xy，该坐标系x轴和y轴分别与u轴和v轴平行，原点为相机光轴与像平面的交点，一般位于图像中心，但在实际情况下会有小的偏移，在Op-uv中的坐标记为(u₀,v₀)。每一像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸为S_x和S_y，则图像中任意一个像素在两个坐标系下的坐标采用齐次坐标和矩阵形式表示，有如下关系：

逆关系为：

可以得到像素点与世界坐标点之间的对应关系为：

步骤6：将钢筋端面三维数据二值化得到钢筋端面图像的二值图像。为了提高数据处理速度，本实施例中将钢筋端面三维数据二值化，以达到数据简化的目的。具体方法为：根据测量距离范围也即深度数据对得到的钢筋端面三维数据进行二值化，由人工设定或由机器自动设定一个测量距离范围值，当钢筋端面三维数据点中深度值在距离范围内时，记录点的值为1，反之为0，经二值化量化后，由钢筋端面三维数据得到一幅二值图像。

步骤7：利用分水岭变换将二值图像转换为灰度图像。使用分水岭变换时采用负距离变换将原始二值图像转换为灰度图像。

步骤8：从转换后的灰度图像中找到灰度极大值点标记为钢筋中心点。

步骤9：对钢筋中心点数目进行统计得到钢筋数目。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、改变、材料替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于结构光的钢筋计数方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制投影仪与工业相机垂直于钢筋端面，且处于同一高度水平面上；

步骤2：对测量系统进行标定，得到工业相机的内参及外参；

步骤3：投影仪投射格雷编码图案及相移图案到钢筋端面，工业相机摄取投射的图案；

步骤4：对摄取到的图案进行处理解码，得到图案上各点对应的投射角；

步骤5：根据投射角及三维测量原理计算钢筋端面三维数据；

步骤6：将钢筋端面三维数据二值化得到钢筋端面图像的二值图像；

步骤7：利用分水岭变换将二值图像转换为灰度图像；

步骤8：从转换后的灰度图像中找到灰度极大值点标记为钢筋中心点；

步骤9：对钢筋中心点数目进行统计得到钢筋数目。

2.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述对测量系统进行标定，得到工业相机的内参及外参所用为：平面棋盘标定方法，利用matlab摄像机标定工具箱对摄像机的内部参数和外部参数进行标定，标定过程中摄像机固定不动，棋盘放置在10个不同位置拍摄10幅图案来标定相机内参，要求有一个位置在参考平面上，并以这个位置的旋转矩阵和传输矩阵作为系统的外部参数。

3.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述格雷编码图案及相移图案的编码方式为：格雷编码的过程为利用matlab程序编制出的7幅格雷编码光栅投射到钢筋端面，按时间先后顺序将钢筋端面上一点在7幅格雷编码图案中的编码值组合得到该点的区域编码值k，从而完成格雷编码；相移编码采用四步相移法，将投射的相移图案每次平移π/2，平移三次，得到四幅相移图案。

4.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述格雷编码图案和相移图案必须满足如下关系:格雷编码光栅图案的最小栅距为相移光栅图案相移量的4倍，并且满足格雷编码周期与相移周期变化相一致。

5.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述对摄取到的图案进行处理解码，得到图案上各点对应的投射角包括：通过matlab编程，对钢筋端面格雷编码图案采用局部阈值法结合全局阈值法二值化方法处理并解码，以及对钢筋端面相移图案进行解码，根据周期错位情况进行调整，从而实现钢筋端面解相位，得到投射角。

6.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述将钢筋端面三维数据二值化得到钢筋端面图像的二值图像包括：根据测量距离范围也即深度数据对得到的钢筋端面三维数据进行二值化，由人工设定或由机器自动设定一个测量距离范围值，当钢筋端面三维数据点中深度值在距离范围内时，记录点的值为1，反之为0，经二值化量化后，由钢筋端面三维数据得到一幅二值图像。

7.根据权利要求1所述的钢筋计数方法，其特征在于，所述利用分水岭变换将二值图像转换为灰度图像包括：使用分水岭变换时采用负距离变换将原始二值图像转换为灰度图像。

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