一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法
【專利摘要】本發(fā)明所述一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法，基于圖像處理的體積測量技術(shù)，相機標定，圖像采集，圖像預處理：通過濾波進行圖像預處理，去除圖像中的干擾信息，圖像二值化處理，圖像像素點和圖形高度計算，物體底面積計算，體積計算。解決了目前需要通過接觸物體才能測出物體體積的困難，也解決了目前在經(jīng)圖像處理到計算體積中需要對圖像進行三維重構(gòu)、生成物體三維數(shù)據(jù)點、測量時間長等問題，同時也解決了CT斷層掃描、激光掃描等測試設(shè)備價格昂貴的問題。利用該裝置對復雜表面物體的體積進行測量，具有測量速度快、精度高、操作方便等優(yōu)點。
【專利說明】一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法
[0001 ]本專利申請為分案申請，原申請的申請日為2014年7月16日，專利申請?zhí)枮?201410338608.5，發(fā)明創(chuàng)造名稱為:一種復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及物體體積測量領(lǐng)域，尤其涉及一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著社會和工業(yè)的快速發(fā)展，體積測量已經(jīng)成為很多工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，只有高精度、高速度、應(yīng)用范圍廣的體積測量裝置才能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。
[0004]目前，國內(nèi)在這個問題上的研究方法主要采用排水法、超聲波測體積、CT斷層三維圖像恢復和激光掃描測體積。排水法對于醫(yī)藥、化工等不能浸水的物體便無法檢測，并且測量過程不便;超聲波測體積、CT斷層三維圖像恢復和激光掃描測體積測量結(jié)果雖然準確，但由于其儀器價格昂貴，操作復雜，因此不適合推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供了一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法，能夠測量多種形狀不規(guī)則、表面存在凹陷的物體的體積，測量速度快、精度高、操作方便，適合推廣到多種需要體積測量的行業(yè)中。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]—種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法，包括以下步驟:
[0008]I)相機標定:采用傳統(tǒng)相機標定法，用尺寸已知的標定物放在標定板上，并將標定板放在旋轉(zhuǎn)平臺的中心，用三臺攝像頭分別拍攝標定板，通過計算機得出每臺攝像機拍攝標定物的像素，再求三臺攝像頭拍攝標定物的平均像素，從而確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系；
[0009]2)圖像采集:將被測物體放置在旋轉(zhuǎn)平臺的中心，LabVIEW程序和MATLAB程序通過調(diào)用攝像頭，進行圖像讀取、采集，并將圖片保存至指定的文件夾中；
[0010]3)圖像預處理:通過濾波進行圖像處理，去除圖像中的干擾信息；
[0011 ] 4)圖像二值化處理:將采集到的圖像進行二值化處理；
[0012]5)圖像像素點和圖形高度計算:通過拍攝被測物體，通過LabVIEW程序得出被測物體的側(cè)面圖的像素，通過LabVIEW程序，找出圖像中垂直方向中距離最大的點的像素距離，即可以求出被測物體的高，從而得出圖形高度；
[0013]6)物體底面積計算:通過三臺攝像頭拍攝出的3組，每組400張的物體側(cè)面圖的圖像，求出這1200張圖像的平均像素值，并運用圖形的割補和微元原理將底面為復雜表面的多邊形轉(zhuǎn)化為規(guī)則的圖形進行計算；
[0014]7)體積計算:通過得出轉(zhuǎn)化后的物體底面積和高，從而利用體積計算公式進行體積計算。
[0015]進一步，所述圖像采集裝置包括旋轉(zhuǎn)平臺、機械臂、三臺互成120度的攝像頭、背景幕和輔助光源，旋轉(zhuǎn)平臺由步進電機控制，三臺攝像頭放置在機械臂上并垂直照向旋轉(zhuǎn)平臺的中心，背景幕與旋轉(zhuǎn)平臺相垂直，使攝像頭拍攝被測物體時，拍攝到的畫面中充滿背景圖像，輔助光源放置在攝像頭與被測物體中間的上方，輔助拍攝。
[0016]進一步，所述輔助光源采用由白熾燈配備燈光擴散片組成。
[0017]進一步，所述旋轉(zhuǎn)平臺由步進電機控制。
[0018]進一步，所述攝像頭采用SunTimeFX30攝像頭(CCD配鏡頭)，每秒鐘拍攝30張圖片，旋轉(zhuǎn)平臺每旋轉(zhuǎn)0.9度，攝像頭拍取一張圖像，從而和攝像頭的拍攝進行匹配，旋轉(zhuǎn)平臺一秒鐘旋轉(zhuǎn)了 30*0.9度，旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)一周共需要40/3秒，則每臺攝像頭完成400張圖片的拍攝需要40/3秒。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0020]本發(fā)明基于圖像處理的體積測量技術(shù)，有別于現(xiàn)有的排水法、超聲波測量、接觸傳感、CT斷層掃描和激光掃描等測量技術(shù)。設(shè)計出一種可以測量復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量裝置，該裝置由旋轉(zhuǎn)平臺、步進電機、攝像機、背景幕、光源、計算機等部分組成。利用裝置中三個互成120度的攝像頭對放置在旋轉(zhuǎn)平臺上的物體進行圖像采集，旋轉(zhuǎn)平臺利用步進電機進行旋轉(zhuǎn)控制，采集圖像的程序與控制步進電機的程序同步，當物體每旋轉(zhuǎn)0.9度，攝像機拍攝一張照片，因此物體旋轉(zhuǎn)一周時每臺攝像機采集到了 400張圖片，計算機將攝像機采集到的圖片實時保存至指定位置，通過計算機里的LABVIEW程序和MATLAB程序調(diào)用進行圖像的預處理、圖像二值化處理、圖像像素點和圖形高度計算、物體底面積計算等步驟，最終求得其體積。解決了目前需要通過接觸物體才能測出物體體積的困難，也解決了目前在經(jīng)圖像處理到計算體積中需要對圖像進行三維重構(gòu)、生成物體三維數(shù)據(jù)點、測量時間長等問題，同時也解決了CT斷層掃描、激光掃描等測試設(shè)備價格昂貴的問題。利用該裝置對復雜表面物體的體積進行測量，具有測量速度快、精度高、操作方便等優(yōu)點。
[0021]本發(fā)明測量過程只需要旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)一周，就可以得出物體的體積，操作方便、精度高、測量時間短。
[0022]同時，還具有以下優(yōu)點:
[0023]1.旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計巧妙，配備光源設(shè)計和背景幕設(shè)置，受外界環(huán)境因素影響較小。
[0024]2.測量精度高，誤差數(shù)量級小。
[0025]3.測量時間短，只需要少于15秒的時間就能完成一次測量。
[0026]4.受物體顏色干擾較小，只要改變背景幕的顏色就可以測量多種顏色的物體。
[0027]5.使用方便，測量過程操作簡單，適合大范圍推廣。
【附圖說明】
[0028]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制，在附圖中:
[0029]圖1為體積測量裝置的整體俯視圖。
[0030]圖2為圖像處理、體積計算流程。
[0031]圖3為相機標定板。
[0032]通過測量標定板中單位面積(如Icm2)的圖像的像素值，得到灰度圖像面積與其像素點之間的線性關(guān)系。
[0033]圖4為濾波前后對比圖。
[0034]圖5為不規(guī)則物體和復雜表面物體濾波前的頻譜圖。
[0035]圖6為不規(guī)則物體和復雜表面物體濾波后的頻譜圖。
[0036]圖7為原始圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。
[0037]圖8為三臺攝像頭從不同位置同時拍攝測量物體的圖片。
[0038]圖9為復雜表面物體的正視圖。
[0039]圖10為不規(guī)則物體的正視圖。
[0040]圖11為程序?qū)Σ杉降膹碗s表面物體的視圖面積和高度進行計算。
[0041]圖12為程序?qū)Σ杉降牟灰?guī)則形狀物體的視圖面積和高度進行計算。
[0042]圖1中，I——測量承載平臺；2——旋轉(zhuǎn)平臺；
[0043]3--攝像頭;4--背景蒂；
[0044]5一一機械臂;6一一輔助光源。
【具體實施方式】
[0045]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0046]實施例1
[0047]如圖1至12所示，本發(fā)明實施例提供一種測量復雜表面的物體體積測量裝置，實現(xiàn)復雜表面的物體體積測量，比如表面有一些凸起或凹陷，具體原理如下所示:
[0048]本實施例采用3臺SunTimeFX30彩色1/4〃CCD圖像傳感器對圖像進行采集，其工作電壓為5V，工作電流400mA，有效像素為680H*480V，掃描方式為逐行掃描，是臺灣顯泰實業(yè)USB2.0CM0S/CCD高速系列產(chǎn)品，采用SONY高端CCD感光芯片，具有色彩還原性好，圖像質(zhì)量高，靈敏度高等特點，該產(chǎn)品為全局曝光方式輸出圖像，適用于拍動態(tài)圖像。該攝像頭3符合我們的拍攝要求，為物體體積測量提供高精度的原始數(shù)據(jù)。
[0049]由于我們使用LabVIEW程序控制旋轉(zhuǎn)平臺2每旋轉(zhuǎn)0.9度就讓攝像頭3拍取一張圖像，由于120度不是0.9度的整數(shù)倍數(shù)，所以我們將三個攝像頭3的角度間隔設(shè)置為120度，從而保證三臺攝像機拍攝被測物體一周所拍攝的3組，每組400張圖像是完全不同的三組圖像，這樣的角度設(shè)置相當于我們將步進電機的旋轉(zhuǎn)角度減小到0.3度，這樣的設(shè)置使我們的測量時間變成原來的三分這一，測量精度提高到原來的三倍。
[0050]我們使用的SunTimeFX30攝像頭3每秒鐘最多拍攝30張圖片，所以我們控制旋轉(zhuǎn)平臺2以0.9度為旋轉(zhuǎn)間隔，一秒鐘轉(zhuǎn)動30次0.9度，從而和攝像頭3的拍攝進行匹配，旋轉(zhuǎn)一周共需要40/3秒，則我們每臺攝像頭3完成400張圖片的拍攝也需要40/3秒。
[0051]輔助光源6設(shè)計采用由顯色性好的白熾燈配備燈光擴散鏡片組成，并調(diào)節(jié)輔助光源6的角度，使輔助光源6的光線均勻地照射到被測物體上，使我們拍攝出的圖像中的干擾信息較少，提高我們體積測量的準確性。
[0052]拍攝背景采用與待測物體顏色有較大差異的單顏色背景，這樣能夠為接下來的圖像處理提供便利性，進一步使我們的測量精度得到提高。
[0053]參照圖1，體積測量裝置由測量承載平臺1、旋轉(zhuǎn)平臺2、步進電機、機械臂5、三個互成120度的工業(yè)攝像頭3、背景幕4、輔助光源6等組成。具體是:旋轉(zhuǎn)平臺2由步進電機控制，三個工業(yè)攝像頭3放置在機械臂5上并垂直照向旋轉(zhuǎn)平臺2的中心，背景幕4與旋轉(zhuǎn)平臺2相垂直，使攝像頭3拍攝被測物體時，拍攝到的畫面中充滿背景圖像，輔助光源6采用由顯色性好的白熾燈配備燈光擴散片組成，放置在攝像頭3與被測物體中間的上方，輔助拍攝。
[0054]參照圖2，圖像處理、體積計算流程包括相機標定、圖像采集、圖像預處理、圖像二值化、計算圖像像素點(面積和高度)、將不規(guī)則圖形轉(zhuǎn)化為規(guī)則圖形、求得體積、累加平均等部分組成。流程圖中，步驟01為相機的標定，建立灰度圖像像素點與面積的關(guān)系；步驟02為圖像的采集;步驟03為圖像在計算機程序中的預處理，經(jīng)過濾波后去除圖形中的干擾信息；步驟04是將預處理后的RGB圖像進行二值化處理，得到圖像的灰度圖；步驟05是計算機的LABVIEW程序根據(jù)灰度圖像對圖像像素點進行計算(面積和高度)；步驟06為采用割補的思想和方法將不規(guī)則物體的圖像轉(zhuǎn)化為規(guī)則的物體圖像;步驟07是對轉(zhuǎn)化后的規(guī)則物體的體積進行計算;步驟08為計算機主機對三臺分計算機求得的體積進行累加平均，最終得出體積的最佳值。
[0055]相機標定:我們使用的是傳統(tǒng)標定法，首先制作尺寸已知的標定物，并將標定物放在標定板上，標定板參照圖3。再將標定板放置在旋轉(zhuǎn)平臺2的中心點，并正對著攝像頭3，將三個攝像頭3分別對標定板進行拍攝，并將三個攝像頭3求出的標定物的像素進行平均處理，從而得出較為準確的標定板中標定物的像素點，從而得出標定物像素點與實際物理長度的線性關(guān)系。為接下來的體積測量提供基本保障。
[0056]圖像采集通過LabVIEW程序調(diào)用攝像頭3，并進行圖像實時采集，同時將采集到的圖像保存在指定的文件夾中，為接下來的體積計算提供原始數(shù)據(jù)。
[0057]圖像預處理主要是將圖像中的干擾信息進行處理，消除圖像中的無用信息，恢復有用的真實信息，從而為接下來的數(shù)據(jù)處理提供更為準確的原始數(shù)據(jù)。我們將攝像頭3拍攝的圖像進行濾波處理，從而將無用的信息進行消除，濾波前后的對比圖參照圖4，濾波前、后的頻譜圖參照圖5、6。
[0058]圖像二值化處理是將我們攝像頭3拍攝到的圖像轉(zhuǎn)化為黑白圖像，從而為接下來的圖像處理提供方便。圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像參照圖7。
[0059]計算圖像像素點(面積和高度)是通過LabVIEW程序計算拍攝到的圖像的像素點，再與我們的標定物進行比對，得出正視圖的實際面積。并通過LabVIEW程序測量出被測物體的高度的像素點，并與我們的標定物進行比對，從而得出被測物體的實際高度。
[0060]將不規(guī)則圖形轉(zhuǎn)化為規(guī)則圖形是運用割補和微元的思想，將不規(guī)則的物體轉(zhuǎn)化成體積相同的規(guī)則物體，例如轉(zhuǎn)化為棱錐、圓柱等。從而利用棱錐、圓柱的體積計算公式進行計算，從而得出不規(guī)則物體的體積。
[0061]體積計算是通過攝像頭3拍攝被測物體一周所獲得的400張圖像進行處理，得出每張圖像的像素點和高度，從而將不規(guī)則物體轉(zhuǎn)化成體積相同的規(guī)則物體，并利用規(guī)則物體的體積計算公式進行計算，從而得出單個攝像頭3測量出的物體體積。
[0062]累加平均是將三個攝像頭3得出的被測的物體的體積進行平均處理，從而得出準確度最高的體積測量結(jié)果。
[0063]測量前，我們調(diào)節(jié)測量裝置，調(diào)節(jié)好三個機械臂5，使三個機械臂5之間的夾角為120度并使每臺攝像頭3對準旋轉(zhuǎn)平臺2的中心，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺2水平、并使攝像頭3平行于旋轉(zhuǎn)平臺2、打開輔助光源6，使輔助光源6的光線均勻地照向被測物體。并將復雜表面物體放在旋轉(zhuǎn)平臺2的中間，方便進行體積測量。
[0064]通過LabVIEW程序控制步進電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)，同時控制三臺攝像頭3同時拍攝被測物體，當旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)0.9度時，每臺攝像機拍攝I張圖片，并將拍攝的圖片保存到我們指定的文件夾中，為體積計算提供原始數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)一周后，每臺攝像頭3總共拍攝了 400張圖片，三個攝像頭3共拍攝到不同拍攝位置的1200張圖片。三臺攝像頭3從不同位置同時拍攝被測物體的圖像參照圖8。
[0065]將這1200張圖片進行預處理，進行濾波處理，從而消除圖像中的無用信息，恢復有用的真實信息，從而提高體積測量的精度。并將經(jīng)過預處理的圖像進行二值化處理，為接下來的數(shù)據(jù)處理提供方便。
[0066]通過LabVIEW程序計算出被測物體正視圖的像素，利用割補和微元的思想求出1200張不同角度的被測物體的正視圖的平均像素值，從而得出被測物體正視圖的平均像素值，經(jīng)過與標定板像素值的對比換算，得出被測物體正視圖的實際面積。由于我們是將拍攝到的正式圖像素進行平均處理，所以我們實際上是將不規(guī)則物體裝換成體積相同的規(guī)則物體，從而利用規(guī)則物體的體積計算公式進行體積計算。不規(guī)則物體的正視圖參照圖9。
[0067]實施例2
[0068]本發(fā)明實施例提供一種不規(guī)則形狀物體的體積測量裝置，實現(xiàn)不規(guī)則形狀物體的體積測量，具體原理如下所示:
[0069]測量前，我們調(diào)節(jié)測量裝置，調(diào)節(jié)好三個機械臂5，使三個機械臂5之間的夾角為120度并使每臺攝像頭3對準旋轉(zhuǎn)平臺2的中心，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺2水平、并使攝像頭3平行于旋轉(zhuǎn)平臺2、打開輔助光源6，使輔助光源6的光線均勻地照向被測物體。并將復雜表面物體放在旋轉(zhuǎn)平臺2的中間，方便進行體積測量。
[0070]通過LabVIEW程序控制步進電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)，同時控制三臺攝像頭3同時拍攝被測物體，當旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)0.9度時，每臺攝像機拍攝I張圖片，并將拍攝的圖片保存到我們指定的文件夾中，為體積計算提供原始數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)平臺2旋轉(zhuǎn)一周后，每臺攝像頭3總共拍攝了 400張圖片，三個攝像頭3共拍攝到不同拍攝位置的1200張圖片。
[0071]將這1200張圖片進行預處理，進行濾波處理，從而消除圖像中的無用信息，恢復有用的真實信息，從而提高體積測量的精度。并將經(jīng)過預處理的圖像進行二值化處理，為接下來的數(shù)據(jù)處理提供方便。
[0072]通過LabVIEW程序計算出被測物體正視圖的像素，進而求出1200張不同角度的被測物體的正視圖的平均像素值，從而得出被測物體正視圖的平均像素值，經(jīng)過與標定板像素值的對比換算，得出被測物體正視圖的實際面積。利用割補和微元的思想，我們將不規(guī)則物體裝換成體積相同的規(guī)則物體，從而利用規(guī)則物體的體積計算公式進行體積計算。復雜表面物體的正視圖參照圖10。
[0073]最后應(yīng)說明的是:以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)相機標定:采用傳統(tǒng)相機標定法，用尺寸已知的標定物放在標定板上，并將標定板放在旋轉(zhuǎn)平臺的中心，用三臺攝像頭分別拍攝標定板，通過計算機得出每臺攝像機拍攝標定物的像素，再求三臺攝像頭拍攝標定物的平均像素，從而確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系； 2)圖像采集:將被測物體放置在旋轉(zhuǎn)平臺的中心，LabVIEW程序和MATLAB程序通過調(diào)用攝像頭，進行圖像讀取、采集，并將圖片保存至指定的文件夾中； 3)圖像預處理:通過濾波進行圖像處理，去除圖像中的干擾信息； 4)圖像二值化處理:將采集到的圖像進行二值化處理； 5)圖像像素點和圖形高度計算:通過拍攝被測物體，通過LabVIEW程序得出被測物體的側(cè)面圖的像素，通過LabVIEW程序，找出圖像中垂直方向中距離最大的點的像素距離，即可以求出被測物體的高，從而得出圖形高度； 6)物體底面積計算:通過三臺攝像頭拍攝出的3組，每組400張的物體側(cè)面圖的圖像，求出這1200張圖像的平均像素值，并運用圖形的割補和微元原理將底面為復雜表面的多邊形轉(zhuǎn)化為規(guī)則的圖形進行計算； 7)體積計算:通過得出轉(zhuǎn)化后的物體底面積和高，從而利用體積計算公式進行體積計算； 所述圖像采集裝置包括旋轉(zhuǎn)平臺、機械臂、三臺互成120度的攝像頭、背景幕和輔助光源，旋轉(zhuǎn)平臺由步進電機控制，三臺攝像頭放置在機械臂上并垂直照向旋轉(zhuǎn)平臺的中心，背景幕與旋轉(zhuǎn)平臺相垂直，使攝像頭拍攝被測物體時，拍攝到的畫面中充滿背景圖像，輔助光源放置在攝像頭與被測物體中間的上方，輔助拍攝，所述旋轉(zhuǎn)平臺由步進電機控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種改進的復雜表面和不規(guī)則物體體積的非接觸光學測量方法，其特征在于，所述攝像頭采用SunTime FX30攝像頭，每秒鐘拍攝30張圖片，旋轉(zhuǎn)平臺每旋轉(zhuǎn)0.9度，攝像頭拍取一張圖像，從而和攝像頭的拍攝進行匹配，旋轉(zhuǎn)平臺一秒鐘旋轉(zhuǎn)了30*0.9度，旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)一周共需要40/3秒，則每臺攝像頭完成400張圖片的拍攝需要40/3秒。
【文檔編號】G01B11/00GK106017325SQ201610607687
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年7月16日
【發(fā)明人】林楚濤, 陳培宏, 曹輝, 鐘土基, 梁佩瑩, 羅夢嬋
【申請人】佛山科學技術(shù)學院