CN113610933A - 一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统和方法，本发明涉及机器视觉检尺技术领域，本发明通过使用两个摄像头，同步采集原木堆垛的端面图像信息，利用双目区域视差原理，获得木材端面与成像平面的距离信息，并结合识别图像中的木材端面轮廓，计算出长短尺径，并建立该堆垛的端面ID矩阵，使用同样的方法对另一个端面进行测量检尺，同样计算出每个原木的端面尺径，再在堆垛侧面通过立体视觉获得原木堆的材长，结合尺径和材长通过数字原木材积专家系统计算出符合GB/T 4814‑2013原木材积表规定的原木材积。本发明可以实现对货场中不同规格原木堆垛材积的数据材积，构建数字化智慧货仓，方便的获得材积，提高销售效率，减少不必要的人工检量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉检尺技术领域，尤其是涉及一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统和方法。
背景技术
原木堆垛的材积计算作为国家林业单位工作的一个重要环节，是码头和货仓对木材盘货和销售测量过程中必不可少的环节，长期以来人工检尺为主要的检验方法，过高的劳动强度下，检验精度无法得到保证；对于堆垛在一起的木材，需要消耗大量的人力，效率较低；由于木材堆放的不稳定，近距离人工作业还有一定的危险性；检验结果同时还受到检尺员的从业经验、工作态度等主观因素影响，且无法对检尺结果实现数字化与无纸化，无法适应现代化贸易和木材加工的发展工业化趋势。
机器视觉可以实现有效地非接触式尺寸测量，实现对各类产品的快速、准确、高效的视觉测量。中国专利文件CN109242818A公布了一种原木检尺方法和装置，其使用摄像头获得单个原木小头的端面测量图像信息，识别图像中原木的轮廓和条码的长度，其中条码为已知的标准尺寸，可以根据比例关系计算得出原木小头端的直径R1。该方法有很大的局限性，首先需要人工判断原木小头端，且在小头端设置标准条码，然后进行小头端的端面图像采集，通过计算获得原木尺径。此方法人工工作量依然很大，需要对每根原木进行条码的可靠安装，仅能获得单根原木的端面信息，无法计算原木的材积，有很大的局限性。中国专利文件CN106092016A公布了一种基于深度传感器的林木材积自动检尺系统及方法，该方法使用平行激光束为摄像模块提供光学定标，实现对木材端面的轮廓识别，并根据深度信息和标尺识别，实现原木端面的长短径解算。通过引入深度传感器，可以有效提高图像识别速度和精度，但仍需要手工输入木材长度完成材积计算。
发明内容
为解决原木堆垛检尺工作中的人工操作效率低、精度差的问题，并且可以解决上述背景技术中存在的使用自动检尺方法，原木长度尚需人工采集、体积无法精确计算等问题，本发明提出了一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统和方法。本发明通过使用两个摄像头，同步采集原木堆垛的端面图像信息，利用双目区域视差原理，获得木材端面与成像平面的距离信息，并结合识别图像中的木材端面轮廓，计算出长短尺径，并建立该堆垛的端面ID矩阵。使用该双目成像系统完成一个端面的尺径测量和原木堆积位置矩阵后，使用同样的方法对另一个端面进行测量检尺，同样计算出每个原木的端面尺径，鉴于两个端面的中原木堆积位置矩阵为镜像关系，可以获得每根原木两端的尺径，进而自动判断出单根原木的小头端，再在堆垛侧面通过立体视觉获得原木堆的材长，结合尺径和材长通过数字原木材积专家系统计算出符合GB/T 4814-2013原木材积表规定的原木材积。本发明的具体技术方案是这样的：
一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统：包括双目测量系统，用以采集原木堆垛的端面图像信息和获得木材端面与成像平面的距离信息，计算出长短尺径，并建立该堆垛两侧的端面编号矩阵；还包含综合显示控制系统，用以生成原木材的基本信息并与外接货仓数据管理系统、用户显示系统进行交互，其中所述双目测量系统包含：
双目检尺成像系统，包括左右两个成像相机，固定于云台底座上，用于同步采集原木堆垛的端面图像信息；
照明补光系统，包含同步曝光模块，可同时获得视场内原木端面的左右视点图像，为成像系统补足光源，提高图像信息采集的精确度；
端面轮廓提取模块，通过对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面，获得每个原木端面的尺径数值；
距离解算模块，对采集到的每个图像原木端面尺径进行解算，并构建堆垛两侧的全景原木端面编号矩阵，通过设置在堆垛侧面的相机采集原木材长。
作为本发明的进一步改进，所述的综合显示控制系统包括：
统计模块，用于对采集到的原木端面尺径和原木材长进行统计体积计算，获得原木材积表；
用户显示界面模块，将采集与计算结果显示；
货仓数据管理系统，用于储存原木材积数据，并连接有打印模块，可对检尺单进行打印；
人机接口模块，对原木材积表进行人工编辑、修正、录入、等其他人机交互操作。
作为本发明的进一步改进，所述的用户显示界面模块为液晶显示屏，所述的人机接口模块可对原木材积表进行下载、复制、录入、编辑等操作。
作为本发明的进一步改进，所述的货仓数据管理系统的具有数据储存功能，包括只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，并且可以外接打印机对包括原木材积表在内的数据信息进行打印形成检尺单。
作为本发明技术方案的进一步改进，还包括利用以上系统的原木堆垛动态检尺方法，其步骤包括：
S1：成像系统标定，系统使用了两个相机摄像机构成成像系统，采用单平面棋盘格的双目标定方法，得到双目成像系统的内外参数及重投影矩阵，作为系统配置参数固化；
S2：将双目成像系统固定在云台底座上，以保证双目系统的测量精度；
S3：获取原木图像并计算视差，利用同步曝光模块，获得视场内原木端面的左右视点图像，使用快速立体匹配算法找到原木端面轮廓边缘上同一位置的像素点,计算该点在左右图像平面中横坐标的差值作为视差；
S4：使用基于最大熵阈值分割的图像分割算法对原木轮廓的提取；
S5：计算原木检尺径，原木端面边界点的椭圆拟合以离散边界点的最大内切圆的圆心作为轮廓的中心，其直径作为拟合端面椭圆的短径和斜率初始值，以边界点作为约束，利用最小二乘法进行椭圆拟合，计算原木检尺径；
S6：沿着原木堆垛的一侧(设为A侧)平行运动，实时采集并解算每个原木端面的尺径并构建堆垛A侧的全景原木端面ID矩阵Aij；
S7：在该堆垛侧面使用双目测量系统计算获得材长(同等长度的原木对堆放在一起)；
S8：在原木堆垛的对面B侧进行同样的测量，由于A侧与B侧是对立面，因此在A侧建立的原木端面ID矩阵只需要进行镜面翻转就可得到B侧端面ID矩阵Bij＝Ai(m-j)；
S9：比较原木两个端面的尺径大小，将较小尺径作为该原木端面的测定尺径，结合该堆垛的材长，查询原木材积表即可获得符合国家标准的规定原木材积数据；
S10：对原木端面ID矩阵的所有材积进行累计，即可获得该堆垛的总材积量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的双目成像系统由移动设置在堆垛对向两侧的高分辨率摄像头组成进行成像。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的同步曝光模块包括使用左右相机的同步触发图像传感器进行曝光。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中对于原木轮廓提取方式为首先基于原木端面与背景之间的灰度差异，对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面。然后对分割后的轮廓图形进行区域标识处理且每根原木轮廓给予不同的编号后，切割并分别存储各轮廓的图像，依次进行边缘提取识别，对轮廓边缘进行干涉验证，将最大不干涉区域作为原木端面轮廓边界点的坐标值。
本发明的有益效果是：
1.本发明应用坐标变换来获得标准定位位置在世界坐标系的绝对定位位置，以及利用“警戒区域”来判断定位是否完成，从而极大地降低了定位完成与否的判断难度。
2.将处理结果输出到可视化界面，以提高视觉定位的可视化程度，极大地提高了人工操作的便利性。
3.该系统可以实现对货场中不同规格原木堆垛材积的数据材积，构建数字化智慧货仓。
4.在使用抱机进行原木装车销售时，可以方便的获得材积，提高销售效率，减少不必要的人工检量损耗。
附图说明
图1是本发明的双目区域视差测距原理图。
图2是本发明的实时双目测距系统示意图。
图3是本发明的X-Z平面投影图。
图4是本发明的同步曝光示意图。
图5是本发明的快速匹配算法示意图。
图6是本发明的原木堆垛材积解算系统及交互系统示意图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明构思的实施例，在附图中示出实施例的示例。附图不必按比例绘制。在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以实现对本发明的构思的透彻理解。然而，应理解的是，本领域普通技术人员可以在没有这些具体细节的情况下实践发明构思。在其它情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件、电路和网络，以免不必要地模糊实施例的各个方面。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1、图2和图3，本发明通过使用两个摄像头，同步采集原木堆垛的端面图像信息，利用双目区域视差原理，获得木材端面与成像平面的距离信息，并结合识别图像中的木材端面轮廓，计算出长短尺径，并建立该堆垛的端面ID矩阵。具体是构建双目立体视觉系统,将左右两个相机平行放置，点O1和X1Y1Z1组成的直角坐标系为左摄像机坐标系，点O2和X2Y2Z2组成的直角坐标系为右摄像机坐标系，x1y1z1为左图像坐标系，x2y2z2为右图像坐标系。设在双目相机坐标系下,P点的坐标为(X,Y,Z),左图像坐标系下坐标为(x1,y),右图像坐标系下的坐标为(x2,y)。P点在X-Z平面的投影如图2所示，根据左右相机LR与空间P点的空间位置关系，可以得到
其中Z为原木端面与相机平面标距离，B为已知的左右相机的基线距离，x2-x1为P点在左右两个相机成像平面上视差。
参考图4-6，本发明的原木堆垛动态检尺方法，其具体步骤为：
Step1：两台相机固定在同一高度的竖直面上，可以使成像平面共面，但是由于装配误差以及透镜畸变的影响，需要通过双目视觉系统的标定,确定两台相机各自的内参数及其之间的相对位置关系，对图像进行预处理，实现图像行对准,提高极线几何约束下的匹配质量。
使用单平面棋盘格的双目标定方法，得到双目成像系统的内外参数及重投影矩阵，作为系统配置参数固化。
标定原理及方法：假设在世界坐标系中存在一点P(Xw,Yw,Zw)，其在相机坐标系来表示这点(Xc,Yc,Zc)，将坐标扩展为齐次坐标，则两者的转换关系如下所示：
其中，R、T分别代表旋转矩阵和平移向量。
在使用所述棋盘格标定板对双目系统标定时，标定板中角点在世界坐标系下的位置坐标为Pw(Xw,Yw,Zw)，左相机的转换矩阵为Rl、Tl，右相机的转换矩阵为Rr、Tr，左右相机在世界坐标系下的位置坐标分别为Pl、Pr，则
双目系统中右相机相对于左相机的旋转、平移转换矩阵分别为R、T，则右相机的主点相对于左相机主点Pr＝R·Pl+T，可以得到
因此利用最小二乘法，采用多幅图像分别计算转换矩阵，最后选取误差最小的最优解，可以得到双目相机的转换矩阵。
Step2：将双目成像系统固定在云台底座上，以保证双目系统的测量精度，其中所述双目测量系统包含：
双目检尺成像系统，包括左右两个成像相机，可选用两个高分辨率摄像头固定于云台底座上，用于同步采集原木堆垛的端面图像信息；
照明补光系统，包含同步曝光模块，可同时获得视场内原木端面的左右视点图像，为成像系统补足光源，提高图像信息采集的精确度；
端面轮廓提取模块，通过对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面，获得每个原木端面的尺径数值；
距离解算模块，对采集到的每个图像原木端面尺径进行解算，并构建堆垛两侧的全景原木端面编号矩阵，通过设置在堆垛侧面的相机采集原木材长。
Step3：利用同步曝光模块，获得视场内原木端面的左右视点图像，使用快速立体匹配算法找到原木端面轮廓边缘上同一位置的像素点,计算该点在左右图像平面中横坐标的差值作为视差。根据原木端面的连通性，采用块匹配算法，有效避免由于阴影、原木缺陷等影响造成虚假匹配点,并引入顺序约束，提高匹配精度。
所述的快速匹配算法原理如下：经过极线校正的左右图像(以做图像为基准)中每个像素对应的视差值可构成的视差图D。根据几何原理可知，上图中P点在右图像中的坐标xr和P点在空间中的实际位置与右相机光轴之间的距离x-b的比值，与相机焦距f与点P距相机焦点距离z的比值相同，即：
同理
可以得到
通过立体匹配算法得到P点的视差xl-xr，就可以获得P点在空间中的位置(焦距和双目相机基线b为系统已标定参数)
立体匹配就是从右图像中找到左图像中像素点的匹配点，由于原木端面为近圆形较规则形状，将双目校正后的行对准图像作为基准图像，对局部图像进行相关性计算，有效降低计算迭代次数，快速实现端面轮廓的视差计算。同时为了避免由于光照阴影、原木缺陷等影响造成虚假匹配点,将四周轮廓点作为检索约束域,限定了特征点在扫描时出现的顺序保持一致,以提高匹配精度。
Step4：原木轮廓的提取中,使用了基于最大熵阈值分割的图像分割算法,实现了原木图像的自动化分割,提高了图像分割算法在复杂环境下的适应性。由于原木自重的影响，堆垛过程中每根原木之间的空隙很小，因此在进行原木端面轮廓检测时，首先基于原木端面与背景之间的灰度差异，对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面。然后对分割后的轮廓图形进行区域标识处理且每根原木轮廓给予不同的编号后，切割并分别存储各轮廓的图像，依次进行边缘提取识别，对轮廓边缘进行干涉验证，将最大不干涉区域作为原木端面轮廓边界点的坐标值。
Step5：原木端面边界点的椭圆拟合以离散边界点的最大内切圆的圆心作为轮廓的中心，其直径作为拟合端面椭圆的短径和斜率初始值，以边界点作为约束，利用最小二乘法进行椭圆拟合，计算原木检尺径。
Step6：首先沿着原木堆垛的一侧(定为A侧)平行运动，实时采集并解算每个原木端面的尺径并构建堆垛A侧的全景原木端面ID矩阵Aij；原木端面ID矩阵是一个动态二位数组，下标i,j用来表征该原木在堆垛A面所处的位置，数值为1或0，1表示该位置有一根原木，0表示该位置为空。
Step7：在该堆垛侧面使用双目测量系统的高分辨率摄像头计算获得材长(同等长度的原木对堆放在一起)。
Step8：在原木堆垛A侧的对面(定为B侧)进行同样的测量，由于A侧与B侧是对立面，因此在A侧建立的原木端面ID矩阵只需要进行镜面翻转就可得到B侧端面ID矩阵Bij＝Ai(m-j)；
Step9：比较原木两个端面的尺径大小，将较小尺径作为该原木端面的测定尺径，结合该堆垛的材长，查询原木材积表即可获得符合国家标准的规定原木材积数据；
Step10：对原木端面ID矩阵的所有材积进行累计，即可获得该堆垛的总材积量。原木端面ID矩阵即表征了原木在堆垛中的排列顺序，同时也可作为计量原木根数的依据。Vij是位置在i行j列的材积，Iij用来表征该位置是否有原木，若为0表示该位置用来作为构建原木端面ID矩阵的占位符。
如图6所示，将所有材积累计得出的结果汇总为原木材积表，可在液晶显示屏的用户界面上进行显示结果，并将结果上传储存在智慧货仓数据管理系统之中，所述的数据管理系统的储存介质可选只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，可通过下载或复制保存到本地设备的存储器中。
本发明通过使用两个摄像头，同步采集原木堆垛的端面图像信息，利用双目区域视差原理，获得木材端面与成像平面的距离信息，并结合识别图像中的木材端面轮廓，计算出长短尺径，并建立该堆垛的端面ID矩阵。使用该双目成像系统完成一个端面的尺径测量和原木堆积位置矩阵后，使用同样的方法对另一个端面进行测量检尺，同样计算出每个原木的端面尺径，鉴于两个端面的中原木堆积位置矩阵为镜像关系，可以获得每根原木两端的尺径，进而自动判断出单根原木的小头端，再在堆垛侧面通过立体视觉获得原木堆的材长，结合尺径和材长通过数字原木材积专家系统计算出符合GB/T 4814-2013原木材积表规定的原木材积。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统，其特征在于包括双目测量系统，用以采集原木堆垛的端面图像信息和获得木材端面与成像平面的距离信息，计算出长短尺径，并建立该堆垛两侧的端面编号矩阵；还包含综合显示控制系统，用以生成原木材的基本信息并与外接货仓数据管理系统、用户显示系统进行交互，其中所述双目测量系统包含：
双目检尺成像系统，包括左右两个成像相机，固定于云台底座上，用于同步采集原木堆垛的端面图像信息；
照明补光系统，包含同步曝光模块，可同时获得视场内原木端面的左右视点图像，为成像系统补足光源，提高图像信息采集的精确度；
端面轮廓提取模块，通过对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面，获得每个原木端面的尺径数值；
距离解算模块，对采集到的每个图像原木端面尺径进行解算，并构建堆垛两侧的全景原木端面编号矩阵，通过设置在堆垛侧面的相机采集原木材长。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统，其特征在于所述的综合显示控制系统包括：
统计模块，用于对采集到的原木端面尺径和原木材长进行统计体积计算，获得原木材积表；
用户显示界面模块，将采集与计算结果显示；
货仓数据管理系统，用于储存原木材积数据，并连接有打印模块，可对检尺单进行打印；
人机接口模块，对原木材积表进行人工编辑、修正、录入、等其他人机交互操作。
3.根据权利要求2所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统，其特征在于所述的用户显示界面模块为液晶显示屏，所述的人机接口模块可对原木材积表进行下载、复制、录入、编辑等操作。
4.根据权利要求2所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺系统，其特征在于所述的货仓数据管理系统的具有数据储存功能，包括只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，并且可以外接打印机对包括原木材积表在内的数据信息进行打印形成检尺单。
5.一种基于权利要求1所述的基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：成像系统标定，系统使用了两个相机摄像机构成成像系统，采用单平面棋盘格的双目标定方法，得到双目成像系统的内外参数及重投影矩阵，作为系统配置参数固化；
S2：将双目成像系统固定在云台底座上，以保证双目系统的测量精度；
S3：获取原木图像并计算视差，利用同步曝光模块，获得视场内原木端面的左右视点图像，使用快速立体匹配算法找到原木端面轮廓边缘上同一位置的像素点, 计算该点在左右图像平面中横坐标的差值作为视差；
S4：使用基于最大熵阈值分割的图像分割算法对原木轮廓的提取；
S5：计算原木检尺径，原木端面边界点的椭圆拟合以离散边界点的最大内切圆的圆心作为轮廓的中心，其直径作为拟合端面椭圆的短径和斜率初始值，以边界点作为约束，利用最小二乘法进行椭圆拟合，计算原木检尺径；
S6：沿着原木堆垛的一侧（设为A侧）平行运动，实时采集并解算每个原木端面的尺径并构建堆垛A侧的全景原木端面ID矩阵
；
S7：在该堆垛侧面使用双目测量系统计算获得材长（同等长度的原木对堆放在一起）；
S8：在原木堆垛的对面B侧进行同样的测量，由于A侧与B侧是对立面，因此在A侧建立的原木端面ID矩阵只需要进行镜面翻转就可得到B侧端面ID矩阵；
S9：比较原木两个端面的尺径大小，将较小尺径作为该原木端面的测定尺径，结合该堆垛的材长，查询原木材积表即可获得符合国家标准的规定原木材积数据；
S10：对原木端面ID矩阵的所有材积进行累计，即可获得该堆垛的总材积量。
6.根据权利要求5所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺的方法，其特征在于所述步骤S1中的双目成像系统由移动设置在堆垛对向两侧的高分辨率摄像头组成进行成像。
7.根据权利要求5所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺的方法，其特征在于所述步骤S3中的同步曝光模块包括使用左右相机的同步触发图像传感器进行曝光。
8.根据权利要求5所述的一种基于双目区域视差的原木堆垛动态检尺的方法，其特征在于所述步骤S4中对于原木轮廓提取方式为首先基于原木端面与背景之间的灰度差异，对原木端面图像每一点的灰度值与直方图特性中提取的最大熵阈值进行比较，分割出所需要的原木端面；然后对分割后的轮廓图形进行区域标识处理且每根原木轮廓给予不同的编号后，切割并分别存储各轮廓的图像，依次进行边缘提取识别，对轮廓边缘进行干涉验证，将最大不干涉区域作为原木端面轮廓边界点的坐标值。
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|---|---|---|---|---|
| CN114166121A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-11 | 福建工程学院 | 基于四边标尺的原木检尺方法 |
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