一种基于三维点云的谷物容积扫描装置、方法及系统与流程

1.本发明涉及谷物体积测量技术领域，特别是涉及一种基于三维点云的谷物容积扫描装置、方法及系统。


背景技术：

2.随着相机成本越来越低，二维图像的处理技术被广泛应用，但二维信息无法反应物体在三维空间的特征属性，因此越来越多地采用三维点云测量技术处理图像。目前，三维点云的测量技术已被应用到考古、逆向工程、先进机械制造、林业调查、农业科研中。
3.在农业领域中，对于谷物（大豆、玉米、小麦、水稻、油菜籽、高粱等）籽粒的物性（体积、容积、质量、容重等）研究或测量，大都采用固定容积的容器来判断定量的谷物容积。在改变谷物的数量后需要使用新的容器，因此造成了极大的成本浪费和使用不方便，并且人工读取数据的方式会造成较大的随机误差。而若是在粮食仓储测量方面采用固定式商用激光雷达，则会导致成本高、无法移动等问题。
4.现有技术中，尚不存在应用于实验室或者家用少量谷物容积测量的、基于三维点云的主动式谷物容积扫描装置，因此，亟需一种基于三维点云的谷物容积扫描方法、系统及装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于三维点云的谷物容积扫描装置、方法及系统，通过三维点云技术，实现对实验室或者家用少量谷物的容积测量，降低测量成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于三维点云的谷物容积扫描装置，包括激光发射组件、图像获取组件、运行组件、主支架以及控制组件；所述运行组件设置在所述主支架上；所述激光发射组件设置在所述运行组件上，所述激光发射组件用于向谷物发射激光；所述图像获取组件设置在所述激光发射组件上，所述图像获取组件用于获取激光照射谷物的图像；所述控制组件分别与所述运行组件、所述图像获取组件连接，所述控制组件用于输出控制指令，以控制所述运行组件运行，以及接收并处理所述图像获取组件上传的激光照射谷物的图像。
7.可选地，所述运行组件包括移动部件以及设置在所述移动部件上的电机；所述激光发射组件设置在所述移动部件上；所述移动部件设置在所述主支架上，所述移动部件用于在所述电机的转动下，带动所述激光发射组件在所述主支架上移动。
8.可选地，所述移动部件包括同步带、轨道以及设置在所述轨道上的滑台；所述轨道设置在所述主支架上；
所述电机设置在所述滑台上，所述电机通过所述同步带带动所述滑台移动；所述激光发射组件设置在所述滑台上。
9.可选地，所述控制组件包括第一控制部件以及与所述第一控制部件连接的驱动控制部件；所述驱动控制部件设置在所述主支架上，所述驱动控制部件还与所述运行组件连接，所述驱动控制部件用于在所述第一控制部件输出的驱动指令的控制下，驱动所述运行组件；所述第一控制部件还用于接收并处理所述图像获取组件上传的激光照射谷物的图像。
10.为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：一种基于三维点云的谷物容积扫描方法，包括：根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标；所述当前x轴坐标的方向为所述运行组件的当前行进方向；根据谷物图像计算多个激光中心点的坐标；所述谷物图像为当前时刻激光照射谷物的图像；所述激光中心点为激光线在谷物深度方向的中心点；根据所述激光中心点的坐标以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标；判断所述当前行进距离是否小于行进总距离，得到第一结果；若所述第一结果为所述当前行进距离大于或等于所述行进总距离，那么根据多个所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标计算谷物容积；若所述第一结果为所述当前行进距离小于所述行进总距离，那么将所述当前行进距离更新为下一时刻行进距离，并返回所述根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标的步骤。
11.可选地，所述根据谷物图像计算多个激光中心点的坐标，具体包括：根据谷物图像得到谷物灰度图像矩阵；根据公式计算得到激光中心点第一坐标；其中，c为激光中心点第一坐标，x
i
为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标，为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标的和；为所述谷物灰度图像矩阵中灰度值大于或者等于第一设定阈值的点的个数和，i0为第一设定阈值，为所述谷物灰度图像矩阵上的点的灰度值；对激多个所述激光中心点第一坐标进行插值处理，得到多个激光中心点的坐标。
12.可选地，所述根据所述激光中心点的坐标以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标，具体包括：标定图像获取组件，得到图像坐标系与世界坐标系的变换关系；根据所述激光中心点的坐标、所述变换关系以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标。
13.为达上述目的，本发明还提供了如下方案：一种基于三维点云的谷物容积扫描系统，包括：当前x轴坐标获取模块，用于根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标；所述当前x轴坐标的方向为所述运行组件的当前行进方向；激光中心点坐标计算模块，用于根据谷物图像计算多个激光中心点的坐标；所述谷物图像为当前时刻激光照射谷物的图像；所述激光中心点为激光线在谷物深度方向的中心点；世界坐标确定模块，用于根据所述激光中心点的坐标以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标；判断模块，用于判断所述当前行进距离是否小于行进总距离，得到第一结果；容积计算模块，用于当所述第一结果为所述当前行进距离大于或等于所述行进总距离时，根据多个所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标计算谷物容积；行进距离更新模块，用于当所述第一结果为所述当前行进距离小于所述行进总距离时，将所述当前行进距离更新为下一时刻行进距离，并返回所述当前x轴坐标获取模块。
14.可选地，所述激光中心点坐标计算模块，具体包括：灰度图像矩阵确定子模块，用于根据谷物图像得到谷物灰度图像矩阵；中心点坐标计算子模块，用于根据公式计算得到激光中心点第一坐标；其中，c为激光中心点第一坐标，x
i
为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标，为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标的和；为所述谷物灰度图像矩阵中灰度值大于或者等于第一设定阈值的点的个数和，i0为第一设定阈值，为所述谷物灰度图像矩阵上的点的灰度值；激光中心点确定子模块，用于对多个所述激光中心点第一坐标进行插值处理，得到多个激光中心点的坐标。
15.可选地，所述世界坐标确定模块，具体包括：变换关系确定子模块，用于标定图像获取组件，得到图像坐标系与世界坐标系的变换关系；世界坐标确定子模块，用于根据所述激光中心点的坐标、所述变换关系以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标。
16.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过控制组件控制运行组件运行，激光发射组件设置在图像获取组件上。当运行组件运行时，带动激光发射组件运行，从而使激光照射可移动调节，同时设置在激光发射组件上的图像获取组件获取激光照射谷物的图像，并将谷物图像上传至控制组件，由控制组件对图像进行处理。本发明的装置结构简单，便携可移动，降低了测量成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明基于三维点云的谷物容积扫描装置的结构示意图；图2为本发明基于三维点云的谷物容积扫描方法的流程图；图3为本发明基于三维点云的谷物容积扫描系统的结构示意图。
19.符号说明：1—电机驱动器，2—控制卡，3—t型轨道，4—滑台，5—主支架，6—电机，7—相机，8—线激光传感器。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明的目的是提供一种基于三维点云的谷物容积扫描装置、方法及系统，通过激光发射组件向谷物发射激光，再由图像获取组件获得激光照射谷物的图像，控制部件对上述图像进行处理得到谷物体积，本发明的装置简单，便于携带和移动，成本低；且由于使用机器计算测量谷物容积，精度更高。
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.实施例一如图1所示，本实施例提供了一种基于三维点云的谷物容积扫描装置，包括激光发射组件、图像获取组件、运行组件、主支架5以及控制组件；所述运行组件设置在所述主支架上；所述激光发射组件设置在所述运行组件上，所述激光发射组件用于向谷物发射激光；所述图像获取组件设置在所述激光发射组件上，所述图像获取组件用于获取激光照射谷物的图像；所述控制组件分别与所述运行组件、所述图像获取组件连接，所述控制组件用于输出控制指令，以控制所述运行组件运行，以及接收并处理所述图像获取组件上传的激光照射谷物的图像。
24.具体地，所述运行组件包括移动部件以及设置在所述移动部件上的电机6，优选地，电机6为步进电机。所述激光发射组件设置在所述移动部件上；所述移动部件设置在所述主支架5上，所述移动部件用于在所述电机6的转动下，带动所述激光发射组件在所述主支架5上移动。
25.本实施例中，由于图像获取组件设置在激光发射组件上，在激光发射组件随移动部件移动时，图像获取组件跟随激光发射组件一同移动，且在移动过程中，电机6、激光发射组件以及图像获取组件的相对位置不变。
26.优选地，所述移动部件包括同步带、轨道以及设置在所述轨道上的滑台4。具体地，
轨道为t型轨道3，所述轨道设置在所述主支架5上；所述电机6设置在所述滑台4上，所述电机6通过所述同步带带动所述滑台4移动；所述激光发射组件设置在所述滑台4上。具体地，电机6设置在滑台4的左侧上方，而滑台4的右侧则设置激光发射组件中的激光安装支架。
27.激光发射组件还包括线激光传感器8，线激光传感器8设置在激光安装支架上，具体为：线激光传感器8垂直安装在激光安装支架上，且线激光传感器8的激光波长为650nm。
28.进一步地，图像获取组件包括相机7以及相机安装支架，相机安装支架设置在激光安装支架上。具体地，相机安装支架安装在激光安装支架的最尾部，且相机安装支架能够上下调节。相机7设置在相机安装支架上，相机7拍摄激光照射谷物的图像。具体地，相机7以与水平面48
°
的方式安装在相机安装支架上。
29.在本实施例中，所述控制组件包括第一控制部件以及与所述第一控制部件连接的驱动控制部件；所述驱动控制部件设置在所述主支架上，所述驱动控制部件还与所述运行组件连接，所述驱动控制部件用于在所述第一控制部件输出的驱动指令的控制下，驱动所述运行组件；所述第一控制部件还用于接收并处理所述图像获取组件上传的激光照射谷物的图像。
30.具体地，所述驱动控制部件包括控制卡2以及电机驱动器1，且控制卡2和电机驱动器1分别独立设置在主支架5上。当第一控制部件输出驱动控制指令，控制卡2接收上述驱动控制指令，控制卡2根据驱动控制指令向电机驱动器1发送脉冲数据，以控制步进电机的步进距离，同时步进电机带动线激光传感器8和相机7同步运动。在上述运动过程中，线激光传感器8在步进电机的不同位移下，发射激光线照射在谷物的不同位置，同时相机7采集激光线所在的图像，并将采集到的图像上传至第一控制部件进行数据处理。
31.进一步地，控制卡2为arduino控制卡。
32.实施例二如图2所示，本实施例提供一种基于三维点云的谷物容积扫描方法，应用于实施例一提供的基于三维点云的谷物容积扫描装置，具体包括：步骤100，根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标；所述当前x轴坐标的方向为所述运行组件的当前行进方向。
33.具体地，谷物放置在线激光传感器8照射扫描区域内，现以运行组件的行进方向为x轴方向，即以滑台在t型轨道上的移动方向为x轴方向，谷物垂直深度方向为z轴方向，y轴方向与x轴方向、z轴方向均垂直，且线激光传感器8照射扫描区域内的谷物产生的线激光扫描面与y轴方向平行，从而建立世界坐标系。本实施例中，以运行组件中滑台开始运行的位置为坐标原点，x轴的单位长度为电机的步进距离。
34.步骤101，根据谷物图像计算多个激光中心点的坐标；所述谷物图像为当前时刻激光照射谷物的图像；所述激光中心点为激光线在谷物深度方向的中心点。
35.具体地，步骤101包括：步骤1011，根据谷物图像得到谷物灰度图像矩阵。具体包括：提取所述谷物图像中激光照射的色值，并进行灰度处理得到谷物灰度图像；将所述谷物灰度图像转换为谷物灰度图像矩阵。
36.步骤1012，根据公式计算得到激光中心点第一坐标。其中，c为
激光中心点第一坐标，x
i
为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标，为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标的和；为所述谷物灰度图像矩阵中灰度值大于或者等于第一设定阈值的点的个数和，i0为第一设定阈值，为所述谷物灰度图像矩阵上的点的灰度值。其中，i0为定值，其范围在100
‑
200。
37.具体地，以所采集的谷物图像中谷物深度方向建立z1轴，以所采集的谷物图像中谷物宽度方向建立y1轴，从而建立图像坐标系。由于采用的线激光传感器发射线激光，线激光传感器位于谷物上方，在谷物表面照射出与y轴方向平行的线激光，在所获取的谷物图像中，线激光与y1轴方向平行，且在y1轴的每一列方向上，由于谷物分布不均导致激光点阈值大小不一，因此，提取激光线在y1轴方向的每一列的中心点坐标，能够提高谷物测量点的在图像坐标系中的坐标精度。
38.步骤1013，对多个所述激光中心点第一坐标进行插值处理，得到多个激光中心点的坐标。具体地，由于相机噪点或者物体表面的不规则会出现缺失的点，缺失的点会造成计算体积偏小，因此对谷物灰度图像矩阵中提取的激光线在z1轴方向的中心坐标点采用cubic
‑
hermite插值法对图像中的二维提取坐标进行插值，进而得到谷物图像中谷物截面的完整激光线的坐标。。
39.步骤102，根据所述激光中心点的坐标以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标。
40.具体地，步骤102包括：步骤1021，标定图像获取组件，得到图像坐标系与世界坐标系的变换关系。具体地，利用棋盘格的标定板对谷物实际堆积的高度和宽度与相机采集图片中的高度和宽度进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系的变换关系。
41.步骤1022，根据所述激光中心点的坐标、所述变换关系以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下坐标。具体地，计算公式为：其中，（x,y,z）为谷物测量点在世界坐标系的坐标，（u，v）为谷物测量点在谷物图像上对应的坐标，f为变换关系。
42.在本实施例中，将获得的多个谷物测量点在世界坐标系下的坐标存入数据库。
43.步骤103，判断所述当前行进距离是否小于行进总距离，得到第一结果。
44.步骤104，若所述第一结果为所述当前行进距离大于或等于所述行进总距离，即运行组件已运行至终点，那么根据多个所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标计算谷物容积。
45.具体地，谷物容积的计算公式为：
其中，、、分别为当前时刻采集的三维点云坐标距离上一个三维点云坐标在世界坐标系下x轴、y轴、z轴的相对距离。进一步地，所述三维点云坐标为谷物测量点在世界坐标系下坐标。
46.步骤105，若所述第一结果为所述当前行进距离小于所述行进总距离，那么将所述当前行进距离更新为下一时刻行进距离，并返回所述根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标的步骤。
47.优选地，本实施例基于三维点云的谷物容积扫描方法在步骤105之后还包括：根据多个测量点在世界坐标系下的坐标，通过三角剖分方法将谷物的三维点云可视化。
48.实施例三如图3所示，本实施例提供一种基于三维点云的谷物容积扫描系统，包括：当前x轴坐标获取模块200，用于根据运行组件的当前行进距离确定谷物测量点的当前x轴坐标；所述当前x轴坐标的方向为所述运行组件的当前行进方向。
49.激光中心点坐标计算模块201，用于根据谷物图像计算多个激光中心点的坐标；所述谷物图像为当前时刻激光照射谷物的图像；所述激光中心点为激光线在谷物垂直深度方向的中心点。
50.具体地，所述激光中心点坐标计算模块，包括：灰度图像矩阵确定子模块，用于根据谷物图像得到谷物灰度图像矩阵。
51.中心点坐标计算子模块，用于根据公式计算得到激光中心点第一坐标。其中，c为激光中心点第一坐标，x
i
为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标，为所述谷物灰度图像矩阵上灰度值大于或者等于第一设定阈值的点在谷物深度方向的坐标的和；为所述谷物灰度图像矩阵中灰度值大于或者等于第一设定阈值的点的个数和，i0为第一设定阈值，为所述谷物灰度图像矩阵上的点的灰度值。
52.激光中心点确定子模块，用于对多个所述激光中心点第一坐标进行插值处理，得到多个激光中心点的坐标。
53.世界坐标确定模块202，用于根据所述激光中心点的坐标以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标。
54.具体地，所述世界坐标确定模块202包括：变换关系确定子模块，用于标定图像获取组件，得到图像坐标系与世界坐标系的变换关系。
55.世界坐标确定子模块，用于根据所述激光中心点的坐标、所述变换关系以及所述谷物测量点的当前x轴坐标计算所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标。
56.判断模块203，用于判断所述当前行进距离是否小于行进总距离，得到第一结果。
57.容积计算模块204，用于当所述第一结果为所述当前行进距离大于或等于所述行进总距离时，根据多个所述谷物测量点在世界坐标系下的坐标计算谷物容积。
58.行进距离更新模块205，用于当所述第一结果为所述当前行进距离小于所述行进总距离时，将所述当前行进距离更新为下一时刻行进距离，并返回所述当前x轴坐标获取模
块。
59.在本实施例提供的基于三维点云的谷物容积扫描系统，内置于实施例一基于三维点云的谷物容积扫描装置的第一控制部件内。在系统工作前，需要进行谷物容积扫描系统初始化，电机的步进距离初始化，行进总距离初始化，相机串口初始化，arduino控制卡初始化以及用于存储谷物测量点的世界坐标的数据库初始化，以避免上次的谷物容积测量影响本次测量。并且，在行进总距离初始化时，可针对不同的使用环境，人为设定行进总距离，使得谷物容积检测更为灵活可控。
60.相对于现有技术，本发明还具有以下优点：本发明利用控制电路控制机械的运动，然后使用相机采集数据，实现了扫描区域的三维扫描，由于装置组装简单，便携可移动，能够降低测量成本；并且采用机器计算测量，提高检测精度，能够适用于实验室高精度检测或者个人粮食仓储容积检测。本发明还可用于小于500mm
×
500mm
×
500mm的谷物的表型扫描或者体积获取。
61.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
62.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。