[發(fā)明專利]基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111429504B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃玉春;張秋蘭;楊星宇
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G06T7/62
• 分類號: G06T7/62;G01F17/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張宇

本發(fā)明公開了一種基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法及系統(tǒng)，屬于港口與礦山自動化領(lǐng)域。首先利用激光器掃描得到物料堆場景的三維點云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，基于點云的空間方向曲率，提取得到物料堆的坡頂區(qū)域，實現(xiàn)物料堆的定位。以物料堆的坡頂區(qū)域作為種子點，進(jìn)行區(qū)域生長，以提取得到整個物料堆，由于場景中不同物料堆可能會存在相互接觸的情況，因此提出了一種競爭生長策略，解決生長過程中物料堆重疊區(qū)域歸屬的不確定性問題。最后本發(fā)明在提取得到的物料堆點的基礎(chǔ)上，進(jìn)行物料堆表面三角網(wǎng)構(gòu)建，以計算物料堆的體積。對于各種不同的場景，本發(fā)明具有較高的魯棒性和準(zhǔn)確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于港口與礦山自動化領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著電力需求的快速增長，煤礦、電廠等在煤炭開采和運輸過程中形成了大量的煤堆，往往占用大量空間。建筑業(yè)需要大量的沙子，在港口和砂礦會有大量的沙子堆積。在糧倉或貨運站也會堆放大豆、大米等糧堆。對煤堆、沙丘、糧堆、集裝箱等物料堆進(jìn)行定量測量是科學(xué)儲存、運輸管理和作業(yè)過程中安全庫存維護(hù)的關(guān)鍵。因此，對物料堆的高度、體積等參數(shù)進(jìn)行定量測量，可以實現(xiàn)對庫存的合理規(guī)劃和管理。

利用全站儀等傳統(tǒng)的大地測量方法獲取沙丘信息耗時、費力且精度低，因此需要采取更有效和可靠的體積測量方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法及系統(tǒng)，由此解決利用全站儀等傳統(tǒng)的大地測量方法獲取沙丘信息耗時、費力且精度低的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法，包括：

(1)獲取物料堆的三維點云數(shù)據(jù)，將所述三維點云數(shù)據(jù)歸一化到目標(biāo)坐標(biāo)系，并使所述目標(biāo)坐標(biāo)系的z軸垂直于地面，得到目標(biāo)點云；

(2)基于所述目標(biāo)點云的空間方向曲率，提取得到所述物料堆的坡頂點；

(3)以所述物料堆的坡頂點作為種子點，進(jìn)行區(qū)域生長，以提取得到整個所述物料堆；

(4)基于提取得到的物料堆點，進(jìn)行物料堆表面三角網(wǎng)構(gòu)建，基于構(gòu)建的所述物料堆表面三角網(wǎng)得到所述物料堆的體積。

優(yōu)選地，步驟(1)包括：

(1.1)獲取不同掃描位置和掃描方向的覆蓋程度不同的各組三維點云數(shù)據(jù)，其中，每組所述三維點云數(shù)據(jù)之間具有重疊區(qū)域，且所述重疊區(qū)域中具有同名點；

(1.2)對于任意相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域內(nèi)同名點的對應(yīng)關(guān)系，得到該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)分別所屬的兩個坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，進(jìn)而將該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)歸一化到目標(biāo)坐標(biāo)系，以實現(xiàn)所有三維點云數(shù)據(jù)的拼接；

(1.3)對拼接后的三維點云數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，使得所述目標(biāo)坐標(biāo)系的z軸垂直于地面，所述目標(biāo)坐標(biāo)系的x軸和y軸分別指向物料堆場景的邊界。

優(yōu)選地，步驟(1.3)包括：

利用拼接后的三維點云數(shù)據(jù)中的地面點擬合出地面的單位法向量作為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)之后的z軸的方向，并在底面沿著點云邊界提取單位法向量作為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)之后的x軸的方向，將所述地面的單位法向量與邊界提取的單位法向量作外積得到坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)之后的y軸的單位方向向量。

優(yōu)選地，步驟(2)包括：

(2.1)按照xoy平面設(shè)定的間隔在所述目標(biāo)點云空間中生成格網(wǎng)，將每個格網(wǎng)范圍內(nèi)的所有點的坐標(biāo)平均值作為體素化后中心點的坐標(biāo)，以所得到的中心點作為體素化點云；

(2.2)計算所述體素化點云中各表面點在多個尺度和多個方向的方向曲率；