本發(fā)明涉及大型料場堆料量控制領域，尤其涉及一種大型料場非接觸測量系統(tǒng)及方法。

背景技術：

工業(yè)領域中對大型原料場地散裝材料，如鐵砂礦、石灰礦、粉煤礦料堆的測量方式主要靠人工操作為主，特別是當大料場多品種的情況，料場測量工作非常的繁瑣，需要測量人員在現(xiàn)場對各料堆進行丈量并測繪料場料堆三維圖形供料場管理人員對原料的進出料管理，考慮到現(xiàn)場的操作規(guī)范和安全性，人員在測量的過程中需要停止堆取料操作，極大的影響了料場的工作效率，而且測量精度難以保證。這些特點和難點極大的制約了料場的自動化和信息化技術的實現(xiàn)。

目前對散裝料堆測量的技術方法存在兩種，一種采用激光測距方式來實現(xiàn)自動測量，另一種采用立體視覺測量的方法來實現(xiàn)料堆的測量。激光測距方式在料場測量應用中，由于激光技術在應用上存在裝置復雜，涉及復雜的驅動和俯仰機械結構設計，對工作環(huán)境要求苛刻，激光測距的支架不能有振動，否則嚴重影響測量精度，而且價格昂貴，應用存在較大局限性，特別是對于多品種非粉末原料多形式堆積方式的料場的測量，還存在測量技術方法上的難點；而立體視覺測量方式是一種新型非接觸測量技術，它根據(jù)兩個相機拍攝的圖像獲得圖像中公共區(qū)域特征點的三維坐標從而達到測量目的，但是該技術也存在一些問題，與現(xiàn)場的環(huán)境條件，特別是光照條件關聯(lián)性強，優(yōu)質光照條件下，成像清晰，技術可行性高，而在普通光照條件下，則技術可行性非常低。

在對此類型的專利技術文獻檢索中發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利號為200510026197.7的專利，專利名稱為：料場測量的計算機自動測量的視覺系統(tǒng)，該專利利用設置在料堆兩端面具有相應高度處的CCD攝像頭，作為高位視覺采集點，采集料堆全景圖像，設置在與堆取料機的行走底盤上面向料堆且隨堆取料機的縱向軌道行走的CCD攝像頭，在堆取料機上設置移動視覺采集點，所有的CCD攝像頭圖像信號通過各自的視頻電纜傳輸至圖像采集卡，圖像采集卡通過PCI總線與圖像處理前端連接，將各個CCD攝像頭的圖像信號再圖像處理前端中進行圖像的數(shù)字化信息表達，圖像處理前端輸出的數(shù)字化表達通過IEEE1394協(xié)議接口連接至上位計算機實現(xiàn)圖像信息的交互，實現(xiàn)并輸出被測料堆的三維幾何尺度。該發(fā)明在料場現(xiàn)場條件具備與料堆兩端面具有相應高度處的CCD攝像頭安裝位置，能夠采集料堆全景圖像，且料堆圖像拍照效果較好時，能夠有效實現(xiàn)料場的計算機自動測量，但是由于在實際現(xiàn)場往往會受到客觀環(huán)境條件的限制不具備這樣的全景圖像采集位置，那么該技術的實施將受到限制。

中國發(fā)明專利號為200910054129.X，發(fā)明名稱為：大型料場料堆視覺測量系統(tǒng)，該專利通過在堆取料機的行走底盤上面向料堆且隨堆取料機的縱向軌道行走的CCD攝像頭，相機光軸非平行安裝，采集料堆圖像，并將料堆圖像傳送至前端圖像處理器進行初步的處理，然后再通過光纖傳送至上位機服務器進行后續(xù)算法處理，獲得料堆的三維尺寸。該專利可以肯定的是在一定光照條件下，圖像采集效果較優(yōu)的情況下，能實現(xiàn)料場的自動測量，但是很難滿足全天候光照條件下，料場的全自動測量，這些難點需要設計一種全天候全自動測量技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種大型料場全天候測量系統(tǒng)及方法，采用激光光柵投影技術，圖像抓取設備采集的為光柵圖像，與自然光照關聯(lián)性小，有效的降低了光照因素對項目實現(xiàn)的影響，能夠實現(xiàn)全天候全自動非接觸測量，節(jié)約了勞動力，并且提高了工作效率，提高的料場自動化和信息化水平。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種大型料場全天候測量系統(tǒng)，包括：

一對固定安裝在堆取料機上的圖像抓取設備；所述圖像抓取設備設置有一個信號輸入口和兩個信號輸出口；

一與圖像抓取設備的信號輸入口相接通的圖像抓取觸發(fā)器；

一固定安裝在堆取料機上的激光光柵發(fā)射器；

一與激光光柵發(fā)射器的控制口相連通的激光發(fā)射控制器；

所述圖像抓取設備其中一個信號輸出口與激光發(fā)射控制器的輸入口連通，所述圖像抓取設備另一個信號輸出口與圖像數(shù)據(jù)處理器相連；圖像抓取設備捕捉經激光光柵發(fā)射器發(fā)射的激光光柵投影后的料堆圖像，并將該料堆圖像送入到圖像數(shù)據(jù)處理器內進行處理。

一對所述的圖像抓取設備的光心處于同一水平面并且兩個光軸互相平行，所述圖像抓取觸發(fā)器同步觸發(fā)一對圖像抓取設備。

所述的圖像抓取設備為工業(yè)攝像機。

一種大型料場全天候測量方法，包括以下步驟：

S1：圖像抓取觸發(fā)器通過堆取料機的當前走行位置輸出觸發(fā)信號到一對圖像抓取設備；

S2：一對圖像抓取設備根據(jù)圖像抓取觸發(fā)器的信號發(fā)送激光發(fā)射信號到激光發(fā)射控制器；

S3：激光發(fā)射控制器控制激光光柵發(fā)射器發(fā)射激光光柵的同時，一對圖像抓取設備同步捕捉經激光光柵發(fā)射器發(fā)射的激光光柵投影后的料堆圖像；

S4：料堆圖像送入圖像數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理后得到料堆的三維信息，根據(jù)料堆的三維信息即可得到料堆的體積。

以激光光柵發(fā)射器發(fā)射出的激光光柵能夠投影到的料堆一側為料堆的正投側，無法投影到的料堆一側為料堆的背投側；所述步驟S4中，圖像數(shù)據(jù)處理器對料堆圖像進行數(shù)據(jù)處理的具體步驟為，

步驟一、對料堆圖像進行降噪、濾波和增強的預處理工作得到圖像數(shù)據(jù)；

步驟二、對圖像抓取設備位置、圖像抓取設備幾何模型及參數(shù)進行初始化；

步驟三、對預處理后得到的圖像數(shù)據(jù)進行畸變校正、極線校正，得到一對圖像抓取設備所成圖像的特征點對應關系；

步驟四、對圖像數(shù)據(jù)進行特征分割、特征匹配，將投影到料堆上的激光光柵圖像分割出來后離散為特征點，然后尋找相似程度最高的一對圖像抓取設備的圖像數(shù)據(jù)中的匹配點對；

步驟五、當計算料堆正投側時，利用匹配點對通過三維坐標計算得到該次料堆圖像對應料堆的正投側三維坐標信息；

當計算料堆背投側時，通過背投側三維信息估計計算得到該次料堆圖像對應料堆的背投側三維坐標信息。

所述步驟二中，圖像抓取設備位置初始化是通過測量手段建立固定安裝位置的圖像抓取設備坐標系與料場已知確定的世界基坐標系之間的轉換關系，來實現(xiàn)圖像抓取設備外參數(shù)的標定、圖像抓取設備幾何模型和參數(shù)進行初始化；圖像抓取設備幾何模型及參數(shù)初始化是通過建立計算機顯示圖像坐標系、歸一化虛成像平面坐標系與圖像抓取設備坐標系之間的轉換關系來實現(xiàn)圖像抓取設備內參數(shù)的標定；根據(jù)圖像抓取設備內參數(shù)和圖像抓取設備外參數(shù)標定，建立圖像坐標系二維坐標點到料場世界基坐標系的三維坐標點的轉換關系。

所述步驟三中，圖像數(shù)據(jù)的畸變校正是通過畸變方程的求逆運算將受徑向和切向畸變影響后的點坐標校正為無畸變的坐標，消除畸變后的圖像點更加真實；極線校正是根據(jù)極線幾何原理將同一物點對應的一對圖像抓取設備的圖像平面的極線都變成水平平行線或者垂直平行線，從而使得同一物點在兩個圖像抓取設備的成像點行對準或者列對準；圖像數(shù)據(jù)先經過畸變校正，再經過極線校正后，待匹配的一對圖像抓取設備成像平面上的點，具有相同的縱坐標或者橫坐標。

所述步驟四中，圖像數(shù)據(jù)的特征分割為將投影到料堆上的激光光柵圖像分割出來；分隔出來的激光光柵圖像通過特征匹配為離散的特征點，根據(jù)步驟三得到的特征點對應關系通過計算特征點的鄰域向量的相似程度在非坐標系圖像抓取設備的成像圖像上尋找特征點的匹配點，從而可以尋找獲得相似程度最高的匹配點對；所述的非坐標系圖像抓取設備是指在圖像抓取設備標定參數(shù)獲取的過程中，沒有作為圖像抓取設備坐標系所使用的圖像抓取設備。

所述步驟五中，當進行料堆正投側計算時，根據(jù)匹配點對獲得該特征點對的視差，然后再根據(jù)圖像抓取設備幾何模型獲得的視差、圖像抓取設備內外參數(shù)與三維坐標之間的轉換關系，最終獲得當前激光光柵特征匹配點對所對應的實際料堆點的三維空間坐標。

所述步驟五中，當進行料堆背投側計算時，先利用匹配點對通過三維坐標計算得到該次料堆圖像對應料堆的正投側三維坐標信息；然后根據(jù)正投側三維坐標信息中最高點的三維坐標，以及貝塞爾曲線理論，模擬擬合出背投側的料堆三維坐標曲線，并獲得相應的背投側三維坐標信息。

所述步驟S4之后還包括對每次得到的料堆三維坐標信息進行拼接計算獲得最終整個料場的三維信息數(shù)據(jù)的步驟。

本發(fā)明大型料場全天候測量系統(tǒng)及方法采用了激光光柵投影的方式，將激光光柵投影到正投側當前料堆上，然后通過雙目形式的圖像抓取設備采集投影后的激光光柵圖像，有效的降低了光照因素對項目實現(xiàn)的影響，然后對采集后的激光光柵圖像進行算法處理，獲取堆取料機正投側當前走形位置處的光柵投影料堆表面的三維坐標信息；當只有一側設置堆取料機軌道，在背投側料堆基本不存在堆取料機操作作業(yè)的情況下，利用貝塞爾曲線擬合的方式將背投側的當前走形位置處的表面曲線進行擬合，獲取背投側料堆曲線三維坐標，最后將堆取料機在料場走形軌道上所有采集位置的正投側和背投側料堆表面三維坐標信息進行拼接融合，獲取最終整個料場的三維測量結果；當兩側都有堆取料機時，料堆兩側全都采用實測方式取得三維坐標。

本發(fā)明采用激光光柵投影技術，圖像抓取設備采集的為光柵圖像，與自然光照關聯(lián)性小，有效的降低了光照因素對項目實現(xiàn)的影響，能夠實現(xiàn)全天候全自動非接觸測量，并且不影響堆取料機的正常工作，最大限度的降低了勞動強度，節(jié)約了勞動力，并且提高了工作效率，提高的料場自動化和信息化水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大型料場全天候測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖；

圖2為本發(fā)明大型料場全天候測量系統(tǒng)實施例1中的布置示意圖；

圖3為本發(fā)明大型料場全天候測量系統(tǒng)實施例2中的布置示意圖；

圖4為本發(fā)明大型料場全天候測量方法的控制流程框圖；

圖5為本發(fā)明大型料場全天候測量方法中利用各個模塊對料堆圖像進行數(shù)據(jù)處理的流程框圖；

圖中：1圖像抓取設備、2激光光柵發(fā)射器、3堆取料機、4料堆、5軌道、6正投側、7背投側。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明表述的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

如圖1、2所示，一種大型料場全天候測量系統(tǒng)，包括一對圖像抓取設備1和一激光光柵發(fā)射器2，一對所述的圖像抓取設備1固定安裝在堆取料機3上；圖像抓取設備1設置有一個信號輸入口和兩個信號輸出口；圖像抓取設備1的信號輸入口連接有圖像抓取觸發(fā)器，圖像抓取觸發(fā)器輸出控制信號對圖像抓取設備1進行控制，在本實施例中，所述的圖像抓取設備1為工業(yè)攝像機；所述激光光柵發(fā)射器2固定安裝在堆取料機3上，所述激光光柵發(fā)射器2的控制口由激光發(fā)射控制器輸出控制信號進行控制；

所述圖像抓取設備1其中一個信號輸出口與激光發(fā)射控制器的輸入口連通，所述圖像抓取設備1另一個信號輸出口與圖像數(shù)據(jù)處理器相連；圖像抓取設備1的鏡頭前安裝與激光光柵發(fā)射器2發(fā)射的激光波段對應的光學帶通濾鏡，圖像抓取設備1捕捉經激光光柵發(fā)射器2發(fā)射的激光光柵在料堆4上投影后的料堆圖像，并將該料堆圖像送入到圖像數(shù)據(jù)處理器內進行處理。

本發(fā)明可以進一步描述為，一對所述的圖像抓取設備1的光心處于同一水平面并且兩個光軸互相平行，所述圖像抓取觸發(fā)器同步觸發(fā)一對圖像抓取設備1；通常情況下，所述激光光柵發(fā)射器2設置在一對圖像抓取設備1之間；這樣安裝，一對圖像抓取設備1具有較大的公共視場范圍。

在本實施例中，料堆4只有一側設置有軌道5，因此堆取料機1只會在料堆4的一側取料，因此將安裝有大型料場全天候測量系統(tǒng)的一側料堆作為料堆4的正投側6，大型料場全天候測量系統(tǒng)照射不到的一側料堆作為料堆4的背投側7；正投側數(shù)據(jù)由實測數(shù)據(jù)計算得到，背投側數(shù)據(jù)根據(jù)正投側數(shù)據(jù)進行擬合得到，將正投側數(shù)據(jù)和背投側數(shù)據(jù)拼接后得到整個料堆的三維數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對料堆體積的控制。

如圖4所示，一種大型料場全天候測量方法，在本實施例中，采用一套大型料場全天候測量系統(tǒng)，只實際測量料堆一側作為正投側的三維信息，料堆的另一側作為背投側，背投側的三維信息通過背投側三維信息估計計算得，然后結合正投側和背投側的三維信息得到料堆的體積，具體包括以下步驟：

S1：圖像抓取觸發(fā)器通過堆取料機的當前走行位置輸出觸發(fā)信號到一對圖像抓取設備；

S2：一對圖像抓取設備根據(jù)圖像抓取觸發(fā)器的信號發(fā)送激光發(fā)射信號到激光發(fā)射控制器；

S3：激光發(fā)射控制器控制激光光柵發(fā)射器發(fā)射激光光柵的同時，一對圖像抓取設備同步捕捉經激光光柵發(fā)射器發(fā)射的激光光柵投影后的料堆圖像；該圖像必須要被一對圖像抓取設備同步采集到，此圖像采集過程才算成功；

S4：料堆圖像送入圖像數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理后得到料堆的三維信息，根據(jù)料堆的三維信息即可得到料堆的體積。

以激光光柵發(fā)射器發(fā)射出的激光光柵能夠投影到的料堆一側為料堆的正投側，無法投影到的料堆一側為料堆的背投側；圖像數(shù)據(jù)處理器對料堆圖像進行數(shù)據(jù)處理的具體步驟為，

步驟一、對料堆圖像進行降噪、濾波和增強的預處理工作得到圖像數(shù)據(jù)；

工控機圖像預處理模塊接收圖像抓取設備拍攝的料堆圖像，并對料堆圖像進行初步的處理，主要承擔對接收的料堆圖像進行降噪、濾波和增強處理；

步驟二、對圖像抓取設備位置、圖像抓取設備幾何模型及參數(shù)進行初始化；

圖像抓取設備位置初始化是通過測量手段建立固定安裝位置的圖像抓取設備坐標系與料場已知確定的世界基坐標系之間的轉換關系，來實現(xiàn)圖像抓取設備外參數(shù)的標定、圖像抓取設備幾何模型和參數(shù)進行初始化；初始測量時利用堆取料機當前位置信息，即相對于料場的起始位置的坐標信息，與圖像抓取設備在堆取料機中的安裝位置及安裝角度，獲取圖像抓取設備相對于料場起始的世界基坐標系的轉換關系；

圖像抓取設備幾何模型及參數(shù)初始化是通過建立計算機顯示圖像坐標系、歸一化虛成像平面坐標系與圖像抓取設備坐標系之間的轉換關系來實現(xiàn)圖像抓取設備內參數(shù)的標定；根據(jù)圖像抓取設備內參數(shù)和圖像抓取設備外參數(shù)標定，建立圖像坐標系二維坐標點到料場世界基坐標系的三維坐標點的轉換關系；

步驟三、對預處理后得到的圖像數(shù)據(jù)進行畸變校正、極線校正，得到一對圖像抓取設備所成圖像的特征點對應關系；

圖像數(shù)據(jù)的畸變校正是通過畸變方程的求逆運算將受徑向和切向畸變影響后的點坐標校正為無畸變的坐標，消除畸變后的圖像點更加真實；極線校正是根據(jù)極線幾何原理將同一物點對應的一對圖像抓取設備的圖像平面的極線都變成水平平行線或者垂直平行線，從而使得同一物點在兩個圖像抓取設備的成像點行對準或者列對準；圖像數(shù)據(jù)先經過畸變校正，再經過極線校正后，待匹配的一對圖像抓取設備成像平面上的點，具有相同的縱坐標或者橫坐標。

步驟四、對圖像數(shù)據(jù)進行特征分割、特征匹配，將投影到料堆上的激光光柵圖像分割出來后離散為特征點，然后尋找相似程度最高的一對圖像抓取設備的圖像數(shù)據(jù)中的匹配點對；

圖像數(shù)據(jù)的特征分割為將投影到料堆上的激光光柵圖像分割出來；分隔出來的激光光柵圖像通過特征匹配為離散的特征點，根據(jù)步驟三得到的特征點對應關系通過計算特征點的鄰域向量的相似程度在非坐標系圖像抓取設備的成像圖像上尋找特征點的匹配點，從而可以尋找獲得相似程度最高的匹配點對；所述的非坐標系圖像抓取設備是指在圖像抓取設備標定參數(shù)獲取的過程中，沒有作為圖像抓取設備坐標系所使用的圖像抓取設備。

步驟五、當計算料堆正投側時，利用匹配點對通過三維坐標計算得到該次料堆圖像對應料堆的正投側三維坐標信息；

當計算料堆背投側時，通過背投側三維信息估計計算得到該次料堆圖像對應料堆的背投側三維坐標信息；

當進行料堆正投側計算時，根據(jù)匹配點對獲得該特征點對的視差，然后再根據(jù)圖像抓取設備幾何模型獲得的視差、圖像抓取設備內外參數(shù)與三維坐標之間的轉換關系，最終獲得當前激光光柵特征匹配點對所對應的實際料堆點的三維空間坐標。

當進行料堆背投側計算時，先利用匹配點對通過三維坐標計算得到該次料堆圖像對應料堆的正投側三維坐標信息；然后根據(jù)正投側三維坐標信息中最高點的三維坐標，利用料堆頂部點和底部點以及料堆堆料的安息角度，以及貝塞爾曲線理論，采用貝塞爾二階曲線擬合方法，將背投側的料堆的三維曲線進行擬合，從而估算出背側料堆的該截面的料堆三維曲線，進而將該三維曲線進行離散獲得對應三維坐標點，獲得相應的背投側三維坐標信息；

本實施例中為只有單側的軌道，因此計算出正投側和背投側的三維坐標信息后，對兩者進行拼接得到整個料堆的三維坐標信息。

S5：對每次得到的料堆三維坐標信息進行拼接計算獲得最終整個料場的三維信息數(shù)據(jù)的步驟;

料場拼接模塊將整個料場所有位置激光光柵投影處的料堆的表面的三維坐標進行拼接融合，拼接融合方法主要采用插值算法，將離散點的截面曲線，插值近似連續(xù)點的截面曲線，相鄰點之間曲線方程相同，再通過三維顯示的方式進行連續(xù)展現(xiàn)。

實施例2

如圖3所示，一種大型料場全天候測量方法，實施例2和實施例1的區(qū)別在于，在料堆4的兩側都設置有堆取料機3進行取料，因此兩側都具有本發(fā)明中的大型料場全天候測量系統(tǒng)，料堆4的兩側都為正投側，因此在所述步驟S4的步驟五中，料堆兩側都為正投側，利用匹配點對通過三維坐標計算得到該次料堆圖像對應料堆的正投側三維坐標信息。