CN115615992A - 一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法 - Google Patents

一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其中包括如下步骤：S1、使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据；S2、获得待测耐火砖上表面点云，并进行点云滤波和点云筛选处理；S3、进行最小外接方向包围框处理，判断待测耐火砖的长宽尺寸是否合格；S4、进行拟合平面点云处理，计算上表面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；S5、获得参考面点云，并对参考面点云进行点云滤波处理；S6、计算参考面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；S7、对步骤S4与步骤S6中得到的正交距离进行作差处理，得到耐火砖的高度，并判断待测耐火砖的高度尺寸是否合格；S8、进一步判断待测耐火砖上表面的缺陷情况是否合格；S9、保存并输出检测结果。

Description

一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法
技术领域
本发明涉及机器视觉检测领域，尤其是涉及一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法。
背景技术
耐火砖能在高温下经受各种机械作用和物理化学变化，广泛用于冶金、化工、石油、发电等工业领域。因为其所应用的高温场景原因，对质量和尺寸等因素有着特殊的要求。近些年来，我国的耐火砖生产企业快速发展，耐火砖的市场竞争也日益激烈，众多企业纷纷提高生产技术和质检技术，实现生产和检测自动化，以提高企业竞争力。在耐火砖下线装箱之前，需要对耐火砖进行检测，以前通常都是采用人工检测的方式，依靠人工使用卷尺手动测量，肉眼评判缺陷，如耐火砖的缺角、缺边、裂纹、孔洞等，缺陷都是工人依靠经验判断，受主观影响较大，无法建立一个统一的评判标准，而且有可能会因为工作时间以及工作量，工人会在检测方面疲惫，以至于检测结果产生偏差，很有可能会对生产带来损失。近几年机器视觉技术快速发展，开始通过相机采集耐火砖的图像，并通过对图像进行后得到耐火砖的尺寸及缺陷，由于对图像处理是在二维中进行的，不能同时测量耐火砖的长宽高，也无法检测出缺边、裂纹、孔洞缺陷。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明采取的技术方案为：一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，包括如下步骤：
S1、使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据，采集时，使3D相机距离参考面预设高度，待测耐火砖放置在参考面上；
S2、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云，并对上表面点云进行点云滤波和点云筛选处理，得到处理后的上表面点云；
S3、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行最小外接方向包围框处理，得到的包围框的长宽即为待测耐火砖的长宽，并判断待测耐火砖的长宽尺寸是否合格，若合格则进入步骤S4，若不合格则若不合格则直接进入步骤S9；
S4、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行拟合平面点云处理，进一步计算上表面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；
S5、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云，并对参考面点云进行点云滤波处理；
S6、对步骤S5中处理后的参考面点云进行拟合点云处理，进一步计算参考面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；
S7、对步骤S4中得到的正交距离与步骤S6中得到的正交距离进行作差处理，得到耐火砖的高度，并判断待测耐火砖的高度尺寸是否合格，若合格则进入步骤S8，若不合格则直接进入步骤S9；
S8、根据步骤S2中得到的处理后的上表面点云，进一步判断待测耐火砖上表面的缺陷情况是否合格；
S9、保存并输出检测结果。
在一些实施例中，在步骤S1前，还包括步骤S0：预设检测标准，预设的检测标准包括耐火砖长宽高尺寸允许范围。
在一些实施例中，在步骤S1中，使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据时，使3D相机距离参考面865mm。
在一些实施例中，在步骤S2中，对采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在750mm-830mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S2中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的上表面点云去除毛刺；
点云筛选的具体步骤为对经过点云滤波后的上表面点云求所有点Z值的均值M，进一步筛选出Z值在M-1.2mm到M+1.2mm范围内的上表面点云。
在一些实施例中，在步骤S3中，进行最小外接方向包围框处理的步骤具体包括：
首先，计算包围框的方向向量：
Figure BDA0003814893840000041
式(1)中，Ci,j为包围框方向向量矩阵，AM为整个点云的面积，Ak为第k个三角形的面积，mi k为i分量下第k个三角形的质心，pi k、qi k、ri k分别为i分量下第k个三角形的三个顶点，mi M为i分量下点云的质心的加权平均值，进一步的采用如下公式(2)计算包围框的中心：
Figure BDA0003814893840000042
式(2)中，C为包围框的中心，
Figure BDA0003814893840000043
为在点云投影到v0方向向量的最小值，
Figure BDA0003814893840000044
为点云投影到v0方向向量的最大值，v0、v1、v2为3个方向的方向向量，进一步的采用如下公式(3)计算包围框的半长、半宽、半高：
Figure BDA0003814893840000045
式中
Figure BDA0003814893840000046
为k方向的半长，
Figure BDA0003814893840000047
为在点云投影到k方向向量的最小值，
Figure BDA0003814893840000048
为点云投影到k方向向量的最大值。
在一些实施例中，在步骤S4中与步骤S6中，拟合点云处理均指利用最小二乘法来寻找数据的最佳匹配函数，以保证所有数据点到拟合平面的平均距离最小。
在一些实施例中，在步骤S5中，对点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在865mm-1000mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S5中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的参考面点云去除毛刺。
在一些实施例中，步骤S0中，预设的检测标准还包括缺陷点数阈值及缺陷数量允许值控制参数。
在一些实施例中，在步骤S8中，具体包括如下步骤：
S81、求得步骤S2中得到的处理后的上表面点云的中心相对于坐标系原点X、Y、Z偏移值以及X、Y、Z方向的旋转偏移量；
S82、根据步骤S81中求得的结果，将上表面点云仿射变换回坐标系原点；
S83、对步骤S82中仿射变换后的上表面点云根据高度值筛选出有缺陷部分点云，进一步根据预设的缺陷点数阈值对有缺陷点云进行缺陷过滤；
S84、判断步骤S83中得到的缺陷数量是否超过预设的缺陷数量允许值，若没有超过则判定为合格，否则判定为不合格。
在一些实施例中，在步骤S83中，根据高度值筛选出有缺陷部分点云时，筛选出Z值大于1mm的点；
进行缺陷过滤时，对筛选出的有缺陷部分点云进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，进一步根据用户设定点数阈值进行缺陷过滤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，通过3D相机采集耐火砖的点云数据，并对点云数据进行处理得到耐火砖的尺寸及缺陷，减少了工人的工作量，同时提高了测量精度，降低企业生产成本，解决了现有的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法无法同时测量出长宽高以及检测出各类缺陷的问题。
附图说明
图1为本发明提供的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
参照图1所示，本发明提供了一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，包括如下步骤：
S1、使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据，采集时，使3D相机距离参考面预设高度，待测耐火砖放置在参考面上。
S2、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云，并对上表面点云进行点云滤波和点云筛选处理，得到处理后的上表面点云。
S3、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行最小外接方向包围框处理，得到的包围框的长宽即为待测耐火砖的长宽，并判断待测耐火砖的长宽尺寸是否合格，若合格则进入步骤S4，若不合格则若不合格则直接进入步骤S9。
S4、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行拟合平面点云处理，进一步计算上表面的拟合平面与坐标系原点的正交距离。
S5、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云，并对参考面点云进行点云滤波处理。
S6、对步骤S5中处理后的参考面点云进行拟合点云处理，进一步计算参考面的拟合平面与坐标系原点的正交距离。
S7、对步骤S4中得到的正交距离与步骤S6中得到的正交距离进行作差处理，得到耐火砖的高度，并判断待测耐火砖的高度尺寸是否合格，若合格则进入步骤S8，若不合格则直接进入步骤S9。
S8、根据步骤S2中得到的处理后的上表面点云，进一步判断待测耐火砖上表面的缺陷情况是否合格。
S9、保存并输出检测结果。
进一步地，在步骤S1前，还包括步骤S0：预设检测标准，预设的检测标准包括耐火砖长宽高尺寸允许范围。可以理解的是，耐火砖长宽高尺寸允许范围指标准耐火砖长宽高尺寸允许范围；当所选的待测耐火砖长宽高尺寸超过此设定范围，则为不合格品。
进一步地，在步骤S1中，使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据时，使3D相机距离参考面865mm。
进一步地，在步骤S2中，对采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在750mm-830mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S2中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的上表面点云去除毛刺；
点云筛选的具体步骤为对经过点云滤波后的上表面点云求所有点Z值的均值M，进一步筛选出Z值在M-1.2mm到M+1.2mm范围内的上表面点云。
进一步地，在步骤S3中，进行最小外接方向包围框处理的步骤具体包括：
首先，计算包围框的方向向量：
Figure BDA0003814893840000091
式(1)中，Ci,j为包围框方向向量矩阵，AM为整个点云的面积，Ak为第k个三角形的面积，mi k为i分量下第k个三角形的质心，pi k、qi k、ri k分别为i分量下第k个三角形的三个顶点，mi M为i分量下点云的质心的加权平均值，进一步的采用如下公式(2)计算包围框的中心：
Figure BDA0003814893840000092
式(2)中，C为包围框的中心，
Figure BDA0003814893840000093
为在点云投影到v0方向向量的最小值，
Figure BDA0003814893840000094
为点云投影到v0方向向量的最大值，v0、v1、v2为3个方向的方向向量，进一步的采用如下公式(3)计算包围框的半长、半宽、半高：
Figure BDA0003814893840000095
式中
Figure BDA0003814893840000096
为k方向的半长，
Figure BDA0003814893840000097
为在点云投影到k方向向量的最小值，
Figure BDA0003814893840000098
为点云投影到k方向向量的最大值。
进一步地，在步骤S4中与步骤S6中，拟合点云处理均指利用最小二乘法来寻找数据的最佳匹配函数，以保证所有数据点到拟合平面的平均距离最小。
进一步地，在步骤S5中，对点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在865mm-1000mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S5中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的参考面点云去除毛刺。
进一步地，步骤S0中，预设的检测标准还包括缺陷点数阈值及缺陷数量允许值控制参数。其中，缺陷点数阈值是根据用户具体要求设定，用于缺陷过滤；当所选的待检测耐火砖缺陷点云点的数量大于设定的阈值时，则为缺陷；否则，不是缺陷。缺陷数量允许值是指缺角、缺边、裂纹、孔洞这四类缺陷之和的最大值；当所选择的待检测耐火砖的这四类缺陷数量之和小于该允许值时，则为合格；否则为不合格。在步骤S0中，根据耐火砖规格尺寸和用户要求，可创建个性化检测标准。
进一步地，在步骤S8中，具体包括如下步骤：
S81、求得步骤S2中得到的处理后的上表面点云的中心相对于坐标系原点X、Y、Z偏移值以及X、Y、Z方向的旋转偏移量；
S82、根据步骤S81中求得的结果，将上表面点云仿射变换回坐标系原点；
S83、对步骤S82中仿射变换后的上表面点云根据高度值筛选出有缺陷部分点云，进一步根据预设的缺陷点数阈值对有缺陷点云进行缺陷过滤；
S84、判断步骤S83中得到的缺陷数量是否超过预设的缺陷数量允许值，若没有超过则判定为合格，否则判定为不合格。
进一步地，在步骤S83中，根据高度值筛选出有缺陷部分点云时，筛选出Z值大于1mm的点；
进行缺陷过滤时，对筛选出的有缺陷部分点云进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，进一步根据用户设定点数阈值进行缺陷过滤。
另外，步骤S9中，其中，保存检测结果具体是指将检测结果(包括实测值、允许值范围、缺陷数量及不合格原因等信息)存入数据库文件；输出检测结果具体是指将检测结果按约定协议，以Modbus通讯协议等方式发送到接收端。
本发明通过上述方案，可实现多种几何外观缺陷的同时检测，缺陷类型包括尺寸偏差、缺角、缺边、裂纹及孔洞；且测量精度高，缺陷最小尺寸可达0.5mm，运行速度快。另外，本发明中，通过最小外接方向包围框对上表面点云处理得到耐火砖的长宽尺寸、拟合上表面点云及参考面点云并最正交距离进行作差处理得到高度、调平上表面并根据高度筛选出缺陷，具有更高的检测精度。
综上，本发明提供的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，通过3D相机采集耐火砖的点云数据，并对点云数据进行处理得到耐火砖的尺寸及缺陷，减少了工人的工作量，同时提高了测量精度，降低企业生产成本，解决了现有的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法无法同时测量出长宽高以及检测出各类缺陷的问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据，采集时，使3D相机距离参考面预设高度，待测耐火砖放置在参考面上；
S2、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云，并对上表面点云进行点云滤波和点云筛选处理，得到处理后的上表面点云；
S3、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行最小外接方向包围框处理，得到的包围框的长宽即为待测耐火砖的长宽，并判断待测耐火砖的长宽尺寸是否合格，若合格则进入步骤S4，若不合格则若不合格则直接进入步骤S9；
S4、对步骤S2中得到的处理后的上表面点云进行拟合平面点云处理，进一步计算上表面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；
S5、对步骤S1中采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云，并对参考面点云进行点云滤波处理；
S6、对步骤S5中处理后的参考面点云进行拟合点云处理，进一步计算参考面的拟合平面与坐标系原点的正交距离；
S7、对步骤S4中得到的正交距离与步骤S6中得到的正交距离进行作差处理，得到耐火砖的高度，并判断待测耐火砖的高度尺寸是否合格，若合格则进入步骤S8，若不合格则直接进入步骤S9；
S8、根据步骤S2中得到的处理后的上表面点云，进一步判断待测耐火砖上表面的缺陷情况是否合格；
S9、保存并输出检测结果。
2.根据权利要求1所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S1前，还包括步骤S0：预设检测标准，预设的检测标准包括耐火砖长宽高尺寸允许范围。
3.根据权利要求2所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S1中，使用3D相机采集待测耐火砖的点云数据时，使3D相机距离参考面865mm。
4.根据权利要求3所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S2中，对采集到的点云数据根据Z值进行筛选处理，获得待测耐火砖上表面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在750mm-830mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S2中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的上表面点云去除毛刺；
点云筛选的具体步骤为对经过点云滤波后的上表面点云求所有点Z值的均值M，进一步筛选出Z值在M-1.2mm到M+1.2mm范围内的上表面点云。
5.根据权利要求4所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S3中，进行最小外接方向包围框处理的步骤具体包括：
首先，计算包围框的方向向量：
Figure FDA0003814893830000031
式(1)中，Ci,j为包围框方向向量矩阵，AM为整个点云的面积，Ak为第k个三角形的面积，mi k为i分量下第k个三角形的质心，pi k、qi k、ri k分别为i分量下第k个三角形的三个顶点，mi M为i分量下点云的质心的加权平均值，进一步的采用如下公式(2)计算包围框的中心：
Figure FDA0003814893830000032
式(2)中，C为包围框的中心，
Figure FDA0003814893830000033
为在点云投影到v0方向向量的最小值，
Figure FDA0003814893830000034
为点云投影到v0方向向量的最大值，v0、v1、v2为3个方向的方向向量，进一步的采用如下公式(3)计算包围框的半长、半宽、半高：
Figure FDA0003814893830000035
式中
Figure FDA0003814893830000041
为k方向的半长，
Figure FDA0003814893830000042
为在点云投影到k方向向量的最小值，
Figure FDA0003814893830000043
为点云投影到k方向向量的最大值。
6.根据权利要求5所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S4中与步骤S6中，拟合点云处理均指利用最小二乘法来寻找数据的最佳匹配函数，以保证所有数据点到拟合平面的平均距离最小。
7.根据权利要求6所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S5中，对点云数据根据Z值进行筛选处理，获得参考面点云的步骤具体包括：
先筛选出Z值在865mm-1000mm的点，进一步对筛选出的点进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，根据点云区域点的数量将干扰点云去除掉；
在步骤S5中，点云滤波的具体步骤为采用最多1.5mm距离内的点数对得到的参考面点云去除毛刺。
8.根据权利要求2所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，步骤S0中，预设的检测标准还包括缺陷点数阈值及缺陷数量允许值控制参数。
9.根据权利要求8所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S8中，具体包括如下步骤：
S81、求得步骤S2中得到的处理后的上表面点云的中心相对于坐标系原点X、Y、Z偏移值以及X、Y、Z方向的旋转偏移量；
S82、根据步骤S81中求得的结果，将上表面点云仿射变换回坐标系原点；
S83、对步骤S82中仿射变换后的上表面点云根据高度值筛选出有缺陷部分点云，进一步根据预设的缺陷点数阈值对有缺陷点云进行缺陷过滤；
S84、判断步骤S83中得到的缺陷数量是否超过预设的缺陷数量允许值，若没有超过则判定为合格，否则判定为不合格。
10.根据权利要求9所述的耐火砖尺寸测量及缺陷检测方法，其特征在于，在步骤S83中，根据高度值筛选出有缺陷部分点云时，筛选出Z值大于1mm的点；
进行缺陷过滤时，对筛选出的有缺陷部分点云进行断开连通域处理，其中两个点之间的距离超过1mm则被认定为不同的连通域，进一步根据用户设定点数阈值进行缺陷过滤。
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