CN114627020A - 一种曲面工件反光噪点去除方法 - Google Patents

一种曲面工件反光噪点去除方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种曲面工件反光噪点去除方法，利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，三维视觉传感器包括相机和打光部件，记录相机、打光部件的空间位置坐标OC、Op；利用点云拟合曲面、计算中轴线；在中轴线上任取一点A，获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点；求取交点B、C之间的中点；记直线AM与实测曲面中轴线所在的平面为特征面；分别计算点云中的各个点到特征面的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪；本方法利用相机和打光部件分别与曲面工件中轴线之间的几何关系，剔除反光区域的噪点，计算简单，实时性高。

Description

一种曲面工件反光噪点去除方法
技术领域
本发明涉及点云处理领域，具体涉及一种曲面工件反光噪点去除方法。
背景技术
在制造领域及建筑领域中，曲面是一种十分常见的型面，为了准确获取曲面物体的三维特征，需要采集曲面点云，由于曲面的特殊性，其表面容易产生反光噪点，特别是金属曲面或者需要光源辅助照明的情况，曲面工件上的反光区域更为明显；这就使得采集到的点云夹杂着大量的噪声干扰，影响图像质量。现有技术中，通常采用灰度阈值方法去除噪点，此方法需要额外采集灰度图像，对灰度图像进行搜索处理，将曝光度过大的点标记为反光噪点，再将这些二维点映射到到点云中，剔除点云中的噪声；该方法处理过程耗时长，不利于对点云的实时处理。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种曲面工件反光噪点去除方法，由于曲面工件的反光区域集中在朝向打光部件的一侧，本方法利用相机和打光部件分别与曲面工件中轴线之间的几何关系，剔除反光区域的噪点，具有计算简单，定位快速，实时性高的特点。
技术方案如下：
一种曲面工件反光噪点去除方法，所述曲面工件的表面为柱面或者锥面，利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，所述三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，所述打光部件用于照亮曲面工件，所述相机用于采集曲面工件图像；记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理所述曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算所述实测曲面的中轴线；
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
求取交点B、C之间的中点M；
S3、标记过点A、点M的直线为直线AM，直线AM与实测曲面中轴线所在的平面为特征面；
分别计算点云中的各个点到特征面的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
当曲面工件的表面为柱面时，上述方法的步骤S3可以进行以下变形：
一种曲面工件反光噪点去除方法，所述曲面工件的表面为柱面，利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，所述三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，所述打光部件用于照亮曲面工件，所述相机用于采集曲面工件图像；记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理所述曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算所述实测曲面的中轴线，记中轴线的方向向量为
Figure BDA0003552693260000021
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
求取交点B、C之间的中点M；
S3、过点A作沿向量
Figure BDA0003552693260000031
的直线，计算该直线与实测曲面的交点K；过交点K作与所述中轴线平行的特征直线L；
分别计算点云中的各个点到特征直线L的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
进一步，当三维视觉传感器中存在多部相机时，空间位置坐标OC为其中一部相机在全局坐标系中的坐标；
当所述三维视觉传感器为结构光视觉传感器时，所述打光部件为投影仪，空间位置坐标Op为投影仪在全局坐标系中的坐标；
当所述三维视觉传感器为双目视觉传感器，所述打光部件为外加光源，空间位置坐标Op为外加光源在全局坐标系中的坐标。
为了提高计算效率，优选，根据曲面工件的理论几何中心、理论高度设定工件的中间区域，提取处于中间区域范围内的点云，进行步骤S1；
点A取中轴线的中心点。
进一步，所述曲面工件的表面为柱面，步骤S2中，交点B的计算方法为：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ和柱面的理论半径计算点A与点B之间的距离值Δd；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000032
移动Δd，获得点B的位置坐标；其中，其中，向量
Figure BDA0003552693260000033
表示点OC到点A的方向向量。
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1和柱面的理论半径计算点A与点C之间的距离值Δd1；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000041
移动Δd1，获得点C的位置坐标。其中，向量
Figure BDA0003552693260000042
表示点OP到点A的方向向量。
进一步，步骤S3中，交点K的计算方法为：获取过点A、沿向量
Figure BDA0003552693260000043
向直线与中轴线之间的夹角θ2；利用夹角θ2和柱面的理论半径计算点A与点K之间的距离值Δd2；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000044
多动Δd2，获得点K的位置坐标。其中，向量
Figure BDA0003552693260000045
表示点A到点M的方向向量。
进一步，步骤S3中，将与特征直线L距离值小于预设值的点记为反光噪点，具体为：记点云中的任一点ph到点K的方向向量为
Figure BDA0003552693260000046
求取以向量
Figure BDA0003552693260000047
特征直线L为边的平行四边形的面积，再将该面积值除去特征直线L所在边的长度值，得到点ph与特征直线L的距离。
进一步，所述曲面工件的表面为锥面，步骤S2中，交点B的计算方法如下：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点B之间的距离值Δd；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000048
移动Δd，获得点B的位置坐标；
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点C之间的距离值Δd1；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000049
移动Δd1，获得点C的位置坐标。
优选，步骤S3中，预设值取值
Figure BDA00035526932600000410
R表示在点A处、工件的理论半径。
本发明的有益效果：本方法无需利用灰度图进行阈值分析，而是直接利用相机和打光部件分别与曲面工件中轴线之间的几何关系，计算交汇在曲面中轴线上的出射光线分别与曲面的交点B、C，进而获得特征面或特征直线，利用其查找反光区域对应在曲面上的位置、将特征面或特征直线附近的点删除，剔除反光区域的噪点，本方法设计巧妙、计算简单，能够快速定位噪声点云位置，从而实现快速点云噪声筛除。
附图说明
图1为实施例1中对表面为柱面的工件进行去噪的立体结构示意图；
图2为实施例1中对表面为柱面的工件进行去噪的平面结构示意图；
图3为实施例1中螺柱的灰度图；
图4为实施例1中螺柱侧表面点云示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
一种曲面工件反光噪点去除方法，本实施例以表面为柱面的工件(如螺柱、金属杆或者局部呈柱面的工件)为例，进行示例性阐述：
利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，打光部件用于照亮曲面工件，相机用于采集曲面工件图像；如图1所示，记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算实测曲面的中轴线(螺柱/金属杆中轴线)；
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
如图2所示，求取交点B、C之间的中点M；
步骤S3采用方式一或者方式二进行，具体的：
方式一：S3、标记过点A、点M的直线为直线AM，直线AM与实测曲面中轴线所在的平面为特征面；
分别计算点云中的各个点到特征面的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
方式二：S3、过点A作沿向量
Figure BDA0003552693260000061
的直线，计算该直线与实测曲面的交点K；过交点K作与所述中轴线平行的特征直线L；
分别计算点云中的各个点到特征直线L的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
其中，预设值取值
Figure BDA0003552693260000062
R表示工件的理论半径。
为了提高计算效率，在步骤S1之前，先根据曲面工件的理论几何中心、理论高度设定工件的中间区域，提取处于中间区域范围内的点云，再利用中间区域范围内的点云进行步骤S1；再步骤S1中，点A取中轴线的中心点。
更具体的，步骤S2中，交点B的计算方法为：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ和柱面的理论半径计算点A与点B之间的距离值Δd；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000063
移动Δd，获得点B的位置坐标；
交点B(xB，yB，zB)具体解算如下：
Figure BDA0003552693260000064
Figure BDA0003552693260000065
Figure BDA0003552693260000071
其中，R表示柱面的理论半径，
Figure BDA0003552693260000072
表示中轴线的方向向量；
Figure BDA0003552693260000073
表示点OC到点A的方向向量；
Figure BDA0003552693260000074
表示向量
Figure BDA0003552693260000075
的模，
Figure BDA0003552693260000076
分别表示
Figure BDA0003552693260000077
在x，y，z坐标轴方向上的分量；为了便于理解，将向量
Figure BDA0003552693260000078
写为向量
Figure BDA0003552693260000079
将点A(xA，yA，zA)沿向量
Figure BDA00035526932600000710
移动Δd，获得点B的位置坐标；
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1和柱面的理论半径计算点A与点C之间的距离值Δd1；将点A沿向量
Figure BDA00035526932600000711
移动Δd1，获得点C的位置坐标。
交点C(xC，yC，zC)的具体解算如下：
Figure BDA00035526932600000712
Figure BDA00035526932600000713
Figure BDA00035526932600000714
其中，
Figure BDA00035526932600000715
表示点OP到点A的方向向量，
Figure BDA00035526932600000716
表示向量
Figure BDA00035526932600000717
的模，
Figure BDA00035526932600000718
分别表示
Figure BDA00035526932600000719
在x，y，z坐标轴方向上的分量；为了便于理解，将向量
Figure BDA00035526932600000720
写为向量
Figure BDA00035526932600000721
将点A(xA，yA，zA)沿向量
Figure BDA00035526932600000722
移动Δd1，获得点C的位置坐标。
方式二的步骤S3中，交点K的计算方法为：获取过点A、沿向量
Figure BDA00035526932600000723
的直线与中轴线之间的夹角θ2；利用夹角θ2和柱面的理论半径计算点A与点K之间的距离值Δd2；将点A(xA，yA，zA)沿向量
Figure BDA00035526932600000724
移动Δd2，获得点K的位置坐标。
交点K(xK，yK，zK)具体解算如下：
Figure BDA00035526932600000725
Figure BDA0003552693260000081
Figure BDA0003552693260000082
其中，R表示柱面的理论半径，
Figure BDA0003552693260000083
定示向量
Figure BDA0003552693260000084
的模，
Figure BDA0003552693260000085
分别表示向量
Figure BDA0003552693260000086
在x，y，z坐标轴方向上的分量。
方式二的步骤S3中，将与特征直线L距离值小于预设值的点记为反光噪点，具体为：记点云中的任一点ph到点K的方向向量为
Figure BDA0003552693260000087
求取以向量
Figure BDA0003552693260000088
特征直线L为边的平行四边形的面积
Figure BDA0003552693260000089
再将该面积值除去特征直线L所在边的长度值
Figure BDA00035526932600000810
得到点ph与特征直线L的距离。
更具体的，解算过程为：计算点云中的任一点ph与特征直线L的距离值Qh：
Figure BDA00035526932600000811
其中，
Figure BDA00035526932600000812
表示点ph到点K的方向向量。
本方法既可以用于结构光视觉传感器，也可以用于双目视觉传感器；
当三维视觉传感器为结构光视觉传感器时，打光部件为投影仪，空间位置坐标Op为投影仪在全局坐标系中的坐标；
当三维视觉传感器为双目视觉传感器，打光部件为外加光源，空间位置坐标Op为外加光源在全局坐标系中的坐标。
当三维视觉传感器中存在多部相机时，空间位置坐标OC为其中一部相机在全局坐标系中的坐标。
本实施例以结构光视觉传感器(三维扫描传感器：利用投影仪向被测物表面投射结构光，再由相机采集图像，获取点云)为例，传感器采集螺柱侧表面点云如图3所示，经过本方法处理后，根据特征面或特征直线判断得出需要去除的噪点区域，如图4所示。本方法能够高效定位稠密点云中反光噪点所在的区域，实现对噪点的准确剔除。
实施例2
一种曲面工件反光噪点去除方法，本实施例以表面为锥面的曲面工件(如圆锥型、圆台型工件或者局部呈锥面的工件)为例，进行示例性阐述：
利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，打光部件用于照亮曲面工件，相机用于采集曲面工件图像；记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算实测曲面的中轴线；
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
求取交点B、C之间的中点M；
S3、标记过点A、点M的直线为直线AM，直线AM与实测曲面中轴线所在的平面为特征面；
分别计算点云中的各个点到特征面的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
其中，预设值取值
Figure BDA0003552693260000091
R表示在点A处、工件的理论半径。
为了提高计算效率，在步骤S1之前，先根据曲面工件的理论几何中心、理论高度设定工件的中间区域，提取处于中间区域范围内的点云，再利用中间区域范围内的点云进行步骤S1；再步骤S1中，点A取中轴线的中心点。
更具体的，步骤S2中，交点B的计算方法如下：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点B之间的距离值Δd；将点A沿向量
Figure BDA0003552693260000101
移动Δd，获得点B的位置坐标；
交点B(xB，yB，zB)具体解算如下：
Figure BDA0003552693260000102
Figure BDA0003552693260000103
Figure BDA0003552693260000104
其中，R表示在点A(xA，yA，zA)处锥面的理论半径，
Figure BDA0003552693260000105
表示中轴线的方向向量，
Figure BDA0003552693260000106
表示点OC到点A的方向向量，
Figure BDA0003552693260000107
表示向量
Figure BDA0003552693260000108
的模，
Figure BDA0003552693260000109
分别表示
Figure BDA00035526932600001010
在x，y，z坐标轴方向上的分量；θ工件为锥面母线与中轴线的理论夹角；为了便于理解，将向量
Figure BDA00035526932600001011
写为向量
Figure BDA00035526932600001012
将点A(xA，yA，zA)沿向量
Figure BDA00035526932600001013
移动Δd，获得点B的位置坐标；
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点C之间的距离值Δd1；将点A沿向量
Figure BDA00035526932600001014
移动Δd1，获得点C的位置坐标。
交点C(xC，yC，zC)具体解算如下：
Figure BDA00035526932600001015
Figure BDA00035526932600001016
Figure BDA0003552693260000111
其中，
Figure BDA0003552693260000112
表示点OP到点A的方向向量，
Figure BDA0003552693260000113
表示向量
Figure BDA0003552693260000114
的模，
Figure BDA0003552693260000115
分别表示
Figure BDA0003552693260000116
在x，y，z坐标轴方向上的分量。为了便于理解，将向量
Figure BDA0003552693260000117
写为向量
Figure BDA0003552693260000118
将点A(xA，yA，zA)沿向量
Figure BDA0003552693260000119
移动Δd1，获得点C的位置坐标。
本方法既可以用于结构光视觉传感器，也可以用于双目视觉传感器，直接利用双目立体视觉获取被测物表面点云；
当三维视觉传感器为结构光视觉传感器时，打光部件为投影仪，空间位置坐标Op为投影仪在全局坐标系中的坐标；
当三维视觉传感器为双目视觉传感器，打光部件为外加光源，空间位置坐标Op为外加光源在全局坐标系中的坐标。
当三维视觉传感器中存在多部相机时，空间位置坐标OC为其中一部相机在全局坐标系中的坐标。
本方法表面为锥面的圆锥型、圆台型工件时，依然能够高效定位工件侧表面点云中反光噪点所在的区域，实现对噪点的准确剔除。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (9)

1.一种曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于，所述曲面工件的表面为柱面或者锥面，利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，所述三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，所述打光部件用于照亮曲面工件，所述相机用于采集曲面工件图像；记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理所述曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算所述实测曲面的中轴线；
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
求取交点B、C之间的中点M；
S3、标记过点A、点M的直线为直线AM，直线AM与实测曲面中轴线所在的平面为特征面；
分别计算点云中的各个点到特征面的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
2.一种曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于，所述曲面工件的表面为柱面，利用三维视觉传感器获取曲面工件点云，所述三维视觉传感器包括相机和打光部件，二者相对位置固定，所述打光部件用于照亮曲面工件，所述相机用于采集曲面工件图像；记录相机、打光部件对应在全局坐标系中的空间位置坐标OC、Op；
通过以下步骤，处理所述曲面工件点云：
S1、利用点云拟合曲面、记为实测曲面；计算所述实测曲面的中轴线；
在中轴线的中间区域上任取一点，记为点A，获取点A的空间位置坐标；
S2、获取过点OC、点A的直线与过点Op、点A的直线分别与实测曲面的交点B、C；
求取交点B、C之间的中点M；
S3、过点A作沿向量
Figure FDA0003552693250000021
的直线，计算该直线与实测曲面的交点K；过交点K作与所述中轴线平行的特征直线L；
分别计算点云中的各个点到特征直线L的距离，将距离值小于预设值的点记为反光噪点并剔除，保留其他点云，完成对点云的去噪。
3.如权利要求1或2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：当三维视觉传感器中存在多部相机时，空间位置坐标OC为其中一部相机在全局坐标系中的坐标；
当所述三维视觉传感器为结构光视觉传感器时，所述打光部件为投影仪，空间位置坐标Op为投影仪在全局坐标系中的坐标；
当所述三维视觉传感器为双目视觉传感器，所述打光部件为外加光源，空间位置坐标Op为外加光源在全局坐标系中的坐标。
4.如权利要求1或2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：根据曲面工件的理论几何中心、理论高度设定工件的中间区域，提取处于中间区域范围内的点云，进行步骤S1；
点A取中轴线的中心点。
5.如权利要求1或2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：所述曲面工件的表面为柱面，步骤S2中，交点B的计算方法为：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ和柱面的理论半径计算点A与点B之间的距离值△d；将点A沿向量
Figure FDA0003552693250000022
移动△d，获得点B的位置坐标；
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1和柱面的理论半径计算点A与点C之间的距离值△d1；将点A沿向量
Figure FDA0003552693250000031
移动△d1，获得点C的位置坐标。
6.如权利要求2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：步骤S3中，交点K的计算方法为：获取过点A、沿向量
Figure FDA0003552693250000032
的直线与中轴线之间的夹角θ2；利用夹角θ2和柱面的理论半径计算点A与点K之间的距离值△d2；将点A沿向量
Figure FDA0003552693250000033
移动△d2，获得点K的位置坐标。
7.如权利要求2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：步骤S3中，将与特征直线L距离值小于预设值的点记为反光噪点，具体为：
记点云中的任一点ph到点K的方向向量为
Figure FDA0003552693250000034
求取以向量
Figure FDA0003552693250000035
特征直线L为边的平行四边形的面积，再将该面积值除去特征直线L所在边的长度值，得到点ph与特征直线L的距离。
8.如权利要求1所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：所述曲面工件的表面为锥面，步骤S2中，交点B的计算方法如下：计算过点OC、点A的直线与中轴线之间的夹角θ；利用夹角θ、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点B之间的距离值△d；将点A沿向量
Figure FDA0003552693250000036
移动△d，获得点B的位置坐标；
交点C的计算方法为：计算过点OP、点A的直线与中轴线之间的夹角θ1；利用夹角θ1、锥面母线与中轴线的理论夹角以及在点A处锥面的理论半径，计算点A与点C之间的距离值△d1；将点A沿向量
Figure FDA0003552693250000037
移动△d1，获得点C的位置坐标。
9.如权利要求1或2所述曲面工件反光噪点去除方法，其特征在于：步骤S3中，预设值取值
Figure FDA0003552693250000038
R表示在点A处曲面工件的理论半径。
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