CN112614176A - 一种带式传送机物料体积测量方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带式传送机物料体积测量方法、装置及存储介质。该方法包括：S1、分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像；S2、对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；S3、分离双激光线条并提取激光光条的中心区域像素点；S4、将所述激光轮廓点映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；S5、根据轮廓点坐标并结合传送带速度信息计算物料体积。本发明利用不同角度的两个摄像机捕捉形变的激光光条并分离，结合标定参数，将图像坐标系中的轮廓点映射到世界坐标系中并计算该帧物料两个截面积，结合速度信息可解算出该帧物料体积，对一段时间通过的物料进行累计便可非接触式地测量出一定时间内运送的物料体积。
Description
技术领域
本发明涉及图像检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种带式传送机物料体积测量方法、装置及存储介质。
背景技术
现有基于图像检测的物料体积识别方法一般基于以下技术实现：1、单应性映射：将棋盘格放置在线激光平面处，建立图像平面与线激光平面间的单应性映射关系。2、轮廓点提取：将摄像机捕捉到的物料上的激光轮廓线进行光条中心提取。3、体积计算：使用映射后的轮廓点并结合空转时皮带轮廓点计算物料真实的截面积，并根据皮带速度解算物料体积。
上述方法在实际应用时，由于未考虑物料间遮挡问题，在物料前后有遮挡的情况下会导致摄像机捕捉到的物料表面激光轮廓点不全，映射到线激光平面处的世界坐标系中的点偏少。此外在带式传送机运动速度过快或摄像机帧率不高时，导致采样间距过大，真实的截面轮廓偏少，测量精度降低。
发明内容
根据上述提出的由于物料遮挡导致物料体积测量精度降低的技术问题，而提供一种带式传送机物料体积测量方法、装置及存储介质。通过向带式传送机运送的物料上投射两条线结构光光束，用线结构光前后的两个摄像机捕捉形变的物料表面激光光条，并将两个激光光条分离，结合标定信息，将图像坐标系中的轮廓点转换到世界坐标系中，并在世界坐标系下进行轮廓点融合，从而解算该帧物料截面积，结合速度信息可解算出该帧物料体积，对一段时间累积便可非接触式地测量出该段时间内运送的物料体积。
本发明采用的技术手段如下：
一种带式传送机物料体积测量方法，包括：
S1、分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像；
S2、对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；
S3、由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点；
S4、将所述激光轮廓点映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；
S5、当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标并结合传送带速度信息计算物料体积。
进一步地，还包括：
S0、对双相机和双线结构光系统进行标定，设置两激光发射器以垂直于传送带的方向发送激光，且两激光发射器间距离小于一帧带式传送机走过的距离，建立两个摄像机图像平面与每个线结构光平面间的单应性映射关系，并使两个摄像机在同一线结构光平面处设置的世界坐标系保持一致。
进一步地，根据轮廓点坐标计算物料体积，包括：将一帧中两个线结构光平面处的物料轮廓截面积乘以对应的位移，累加起来得到该帧物料流量。
进一步地，所述物料轮廓截面积根据当前时刻物料表面激光轮廓面积与空转时传送带激光轮廓面积计算。
本发明还公开了一种带式传送机物料体积测量装置，基于上述方法实现，包括
主摄像机和辅摄像机，分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像；
降噪单元，用于对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；
提取单元，用于由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点；
融合的单元，用以将所述激光光线映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；
计算单元，用以当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标计算物料体积。
本发明还公开了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项所述的物料体积测量方法。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明向带式传送机运送的物料上投射两条线结构光束，用激光前后的两个摄像机捕捉形变的物料表面激光光条并分离，结合标定信息，将图像坐标系中的轮廓点转换到世界坐标平面上的点并计算该时刻截面积，可有效解决物料间遮挡以及采样间距过大的问题，结合速度信息可解算出该帧物料体积，从而非接触式地测量出一定时间内运送的物料体积。
基于上述理由本发明可在物料体积测量领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明物料体积测量方法流程图。
图2为本发明物料体积测量装置工作示意图。
图3为实施例中提供的设备布置示意图。
图4a为实施例中皮带空载时提取的传送带激光轮廓面积示意图。
图4b为实施例中当前时刻负载物料表面激光轮廓面积示意图。
图4c为实施例中物料激光轮廓面积示意图。
图5为实施实施例中激光光线拟合示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种带式传送机物料体积测量方法，包括：
S0、对双相机和双线结构光系统进行标定，设置两激光间距离小于一帧带式传送机走过的距离，建立两个摄像机图像平面与每个激光平面间的单应性映射关系，并使两个摄像机在同一线结构光平面处设置的世界坐标系保持一致。
S1、分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像。
S2、对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像。包括：
对所述第一图像和第二图像进行局部极大值搜索，从而初步确定激光光条中心，
采用最小二乘法拟合直线并基于激光轮廓点不会突变，区分局部过高的轮廓点，从而准确分离两条激光线。
S3、由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出两条激光线，从而提取激光光条的中心；
S4、将所述激光光条的中心映射到世界坐标系进行轮廓点融合。
S5、当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标计算物料体积，将一帧中两个线结构光平面处的物料轮廓截面积乘以对应的位移，累加起来得到该帧物料体积。
下面通过具体的应用实例对本发明的方案做进一步说明。
如图1所示，公开了一种物料体积测量方法，包括：
S0、对双相机和双线结构光进行标定，设置两激光发射器以垂直于传送带的方向发送激光，且两激光发射器间距离小于一帧带式传送机走过的距离，建立两个摄像机图像平面与每个线结构光平面间的单应性映射关系，并使两个摄像机在同一线结构光平面处设置的世界坐标系一致。
具体来说，如图3所示的方式布置摄像机与激光发射器，其中两个激光器竖直向下布置，两个激光器产生的线结构光平面为平行关系，相机架设于线激光器两侧，略向下倾斜，视野中能够同时捕捉到两条激光轮廓线即可。激光发射器为一字线激光器，激光器的朝向垂直于传送带带面，产生的激光线与传送带运动方向垂直。
S1、分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像，其中第一图像和第二图像均包括两条激光光条。
S2、对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像。
具体来说，对两个相机采集到的图像进行高斯滤波，卷积核大小5*5，二维高斯函数为
根据公式计算出卷积核矩阵的权值分布，并与原图像进行卷积完成高斯滤波操作。
S3、由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点。
首先要进行激光光条的分离，对分离后光条区域使用局部极大值搜索，初步确定的光条中心上下各保留7个像素，共15个像素点区域，将原图像中这部分区域保留，其余像素置0，从而提取出待处理区域，对每一列采用重心法提取亚像素中心点。
其中，为图像大小，T为阈值，xi表示第i行坐标，yi表示第i列坐标，fij表示第i行第j列像素灰度值。
S4、基于所述激光光条的中心区域像素点提取激光中心，将所述激光中心映射到世界坐标系中进行轮廓点融合。
如图5所示，根据局部极大值搜索后初步确定的光条中心点，利用这些光条中心点参与最小二乘法拟合形成直线。但是由于某位置下方的物料过高，导致激光线条被错误的分离为上半部分，这是严重的错误。直线拟合后要根据同一条激光轮廓上的点不会突变，也就是说与前一个点相比，后一个点高度的变化幅度不会太大，实验时设置为上下不超过7个像素共15个像素，如果下个点与上一个点相比大于这个高度，则认为这个点不是该轮廓线的点，将其舍弃，继续向后遍历。
进一步地，要将激光光线映射到世界坐标系中，首先要进行系统标定：
在两个线结构光平面处依次放置一个黑白棋盘格，前后两个相机同时采集标定板图片，即可建立相机与每个线结构光平面间的单应性映射关系。具体步骤：
以棋盘格左下角第一个角点为世界坐标系原点，水平向右为x轴，竖直向上为y轴，z轴垂直与线结构光平面，在该世界坐标系下，每个角点的世界坐标(Xw,Yw,Zw)均为已知，在线结构光平面处Zw＝0，坐标可改写为(Xw,Yw,0)，假设图像坐标系和线激光平面处世界坐标系下的对应点的齐次坐标分别为(x,y,1)，(Xw,Yw,0,1)，则有：
其中s为比例因子，R＝[r1 r2 r3]为旋转矩阵，ri为R第i列的列向量，t为平移向量，A为相机内参。
令
则有：
上式中H称为单应性矩阵，其中h33＝1，因此H中共8个自由元素至少需要4组对应点参与求解。本文使用7*11棋盘格共77角点，进行最小二乘拟合迭代获得最小二乘解，即可建立图像平面与两个线结构光平面间的单应性映射关系。
S5、当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标计算物料体积，其中轮廓点即为步骤S3计算的激光光条的中心区域像素点。
具体来说，获得已经映射到线结构光平面处世界坐标系中的轮廓点后，即物料真实物理高度已知，使用梯形积分并结合传送机空转时激光轮廓计算该帧物料横截面积。S(i)＝Scurrent-Sbase，Sbase为皮带空转时传送带轮廓点与x轴围成的基准面积，Scurrent为当前时刻物料表面激光轮廓与x轴围成的面积，S(i)为第i帧物料实际横截面积，如图4a-4c所示。设传送带以带速v(i)水平向右运送物料，S1(i)，S1(i)分别表示在第i帧物料在两个线结构光平面处的瞬时横截面积，则第i帧物料瞬时体积w(i)为：
w(i)＝S1(i)d1+S2(i)d2
其中d1为两线激光器之间的距离，d2为第二个激光器到帧尾的距离，f为摄像机帧率，v(i)为第i帧传送带带速，则在t时间内，带式传送机运送的物料体积为
其中n为t时间内的采样帧数。
下面通过一个具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。
根据图3将摄像机和线激光器装置布置在传送带上。将带速设置为1.3m/s，相机帧率30fps，两线激光器距离为20mm，对体积为300000mm3的煤流进行测量验证试验。
本实施例中，两个线激光器竖直向下布置，距离传送带约高90-100cm，两个线激光器产生的线结构光平面为平行关系，因要小于一帧传送带走过的距离，经试验验证两激光器相距约为20mm-30mm，相机架设于线激光器两侧，距离传送带高度约70-80cm略向下倾斜，视野中能够同时捕捉到两条激光轮廓线即可。
首先进行系统参数标定，建立相机与各个线结构光平面间的单应性映射关系。随后测量空转时皮带轮廓，计算其与世界坐标系x轴围成的面积作为基准面积，试验测得基准面积为136463.86mm2，将煤块平稳放置于运动的传送带上，当煤流经过线结构光扫描区域时，在第一个线结构光平面测得的物料轮廓与世界坐标系x轴围成的面积为139610.62mm2，物料真实截面积测量公式为：
S(i)＝Scurrent-Sbase，
与基准面积相减获得真实的物料截面积为3146.76mm2，在第二个线结构光平面测得的物料轮廓与世界坐标系x轴围成的面积为138785.32mm2，与基准面积相减获得真实的物料截面积为2321.46mm2。
根据以下公式计算该帧物料体积：
w(i)＝S1(i)d1+S2(i)d2，
上述实例中，S1(i)＝3146.76mm2，S2(i)＝2321.46mm2，d1＝20mm，d2＝23.33mm，w(i)＝3146.76*20+2321.46*23.33＝117094.86，至此该帧体积计算完毕。
最终测得的煤流体积为312637，误差为4.21％，单相机与单线结构光系统测量结果为336991，误差为12.33％，误差超过了10％，试验结果表明，本系统较传统方法具有更高的精度。
本发明还公开了一种带式传送机物料体积测量装置，基于上述方法实现，包括
主摄像机和辅摄像机，分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像；
降噪单元，用于对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；
提取单元，用于由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点；
融合的单元，用以将所述激光光线映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；
计算单元，用以当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标计算物料体积。
对于本发明实施例的而言，由于其与上面实施例中的相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中部分的说明即可，此处不再详述。
一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项权利要求所述的物料体积测量方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (6)
1.一种带式传送机物料体积测量方法，其特征在于，包括：
S1、分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像；
S2、对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；
S3、由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点；
S4、将所述激光轮廓点映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；
S5、当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标并结合传送带速度信息计算物料体积。
2.根据权利要求1所述的带式传送机物料体积测量方法，其特征在于，还包括：
S0、对双摄像机和双结构光系统进行标定，设置两激光发射器以垂直于传送带的方向发送激光，且两激光发射器间距离小于一帧带式传送机走过的距离，建立两个摄像机图像平面与每个线结构光平面间的单应性映射关系，并使两个摄像机在同一线结构光平面处设置的世界坐标系保持一致。
3.根据权利要求1所述的带式传送机物料体积测量方法，其特征在于，根据轮廓点坐标计算物料体积，包括：将一帧中两个线结构光平面处的物料轮廓截面积乘以对应的位移，累加起来得到该帧物料体积。
4.根据权利要求3所述的带式传送机物料体积测量方法，其特征在于，所述物料轮廓截面积根据当前时刻物料表面激光轮廓面积与空转时传送带激光轮廓面积计算。
5.一种带式传送机物料体积测量装置，基于权利要求1所述方法实现，其特征在于，包括
主摄像机和辅摄像机，分别通过主、辅摄像机在不同拍摄角度下提取传送机同一位置的图像，得到主摄像机拍摄的第一图像和辅摄像机拍摄的第二图像；
降噪单元，用于对所述第一图像和第二图像进行除噪处理，得到第一除噪图像和第二除噪图像；
提取单元，用于由所述第一除噪图像和第二除噪图像中分别分离出激光光条，提取所述激光光条的中心区域像素点；
融合的单元，用以将所述激光轮廓点映射到世界坐标系中进行轮廓点融合；
计算单元，用以当得到的轮廓点数量满足计算要求时，根据轮廓点坐标计算物料体积。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行所述权利要求1至4中任一项权利要求所述的物料体积测量方法。
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