CN104006743A - 一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统及方法，包括：飞行器、数码相机和处理器，飞行器上设有GPS定位装置、雷达高度计、电子罗盘和数码相机，控制器控制飞行器和接收数码相机所拍摄数据，控制器将数码相机拍摄的数据输入处理器，处理器计算被拍摄堆料的体积。本系统测量精确、操作简捷、成本低廉，具有普民、创新等优势，无需专人操作，现场人员根据使用说明，经几次现场实操就能使用，测量系统安全环保，无噪音、辐射污染，可到达操作员日常无法到达的位置进行测量，无需借助大型设备当载体来测量，价格低廉，易普及推广。
Description
技术领域
本发明涉及大型物料堆体的体积测量，尤其是一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统及测量方法。
背景技术
伴随生产力水平和自动控制要求不断提高，工业生产逐渐进入微利时代，生产中对耗材的控制(即物质料堆进行体积、质量评估)就成为了企业经营的关键环节，然而原材料存量巨大、种类繁多都是不可避免的客观因素，例如基建时产生的土方、钢铁厂的原料堆、煤炭煤矿的原煤储运堆、矿山采矿的矿堆、港口码头等。这些料堆的堆料和取料大部分是由斗轮堆取料机、飞机式堆取料机、龙门式堆取料机等来完成。由于散体物料堆积表面不规则、堆积面积大，要准确测量其体积的难度就显而易见了。在此背景下，企业对于料堆体积精确测量的迫切需求就促成了许多大同小异的盘点方式。其中，最为传统的是人工检尺测量法，实践中发现此方法不仅费时、费力(需要将料堆人为平整成规则体)，而且主观性强，难以客观准确的反映材料的存储情况以达到控制生产成本的目的。随着技术发展，现今广泛应用的是激光测量技术。该方法比较科学、准确，客观上有所进步，但仍受到测量操作繁琐、价格昂贵、精度达不到工业要求等诸多缺陷，因此难以普及。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题，提出一种测量精确、操作简捷、成本低廉的堆料测量系统。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，包括：飞行器、数码相机和处理器，其中，所述飞行器上设有GPS定位装置、雷达高度计、电子罗盘和数码相机，该系统还包括控制飞行器和接收数码相机所拍摄数据的控制器，控制器将数码相机拍摄的数据输入处理器，所述处理器通过计算拟合出被拍摄堆料的体积。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中所述飞行器为民用飞行器。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中所述飞行器为AR.Drone2.0型民用飞行器。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中所述飞行器还包括加速度计和陀螺仪。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中数码相机拍摄的数据是包含三维坐标的图像数据。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中处理器包括数码相机定标模块，图像数据输入接口，图像匹配模块，图像外参矩阵计算模块，三维数据计算模块，三维图像拟合模块以及体积计算模块。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，包括如下步骤：
1)标定数码相机内部参数据矩阵；
2)控制数码相机置于飞行器上拍摄被测堆料照片；
3)按预设拍摄顺序编号将所拍摄的照片输入处理器；
4)求解所输入的图像数据的外参矩阵；
5)利用三角测量法得到三维数据，保存所述三维数据；
6)生成煤堆三维模型；
7)坐标引擎根据已知的模型多点相对坐标，计算出三维模型体积标量；
8)通过计算体积数学公式，计算煤堆三维模型体积，显示煤堆体积，保存数据。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，其中在上述步骤3)后还包括将输入的多个图像进行多图图像匹配，并保存精确匹配数据的步骤。
本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，其中在上述步骤6)后还包括利用预设标尺数据对三维模型尺寸比例进行微调，生成精准尺寸的煤堆三维模型的步骤。
本发明的有益效果是：测量精确、操作简捷、成本低廉，具有普民、创新等优势，无需专人操作，现场人员根据使用说明，经几次现场实操就能使用，测量系统安全环保，无噪音、辐射污染，可到达操作员日常无法到达的位置进行测量，无需借助大型设备当载体来测量，价格低廉，易普及推广。其作为高新技术生产力必将替代传统测量系统并逐步发展趋向多元化、多功能化，从而更好地为指导生产经营、促进工业精细化生产提供可靠地第一手生产资料，因此其具有良好的市场潜力和不可估量的市场价值。
附图说明：
图1是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统盘煤实施例飞行器的示意图；
图2是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统盘煤实施例煤堆的示意图；
图3是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统盘煤实施例控制器的示意图；
图4是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统盘煤实施例处理器的示意图。
图5是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法盘煤实施例的流程图。
具体实施方式
图1-4本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统盘煤实施例的示意图。图1-4中所测量的堆料是燃煤堆，所述堆料测量系统，包括飞行器1、数码相机2，要测量的堆料是燃煤堆3，控制器4和处理器5。其中，所述飞行器1上设有GPS定位装置、雷达高度计、电子罗盘和数码相机2，该系统还包括控制飞行器1和接收数码相机2所拍摄数据的控制器4，控制器4控制飞行器1按预设路线飞行，数码相机2内参数固定不变，到达预设拍摄位置后悬停拍摄，再飞向下一位置，图片直接保存在控制器4上存取。控制器4将数码相机2拍摄的数据输入处理器5，煤堆三维模型重构是将多张煤堆照片导入处理器5，处理器5经过图片匹配处理模块、三维重构处理模块处理，显示料堆三维模型。根据料堆三维模型、预设参考标尺进行微调后，计算出料堆的准确体积。
本实施例中所述飞行器为AR.Drone2.0型民用飞行器。所述飞行器1中还包括加速度计和陀螺仪。数码相机2拍摄的数据是包含三维坐标的图像数据。其中处理器包括用于将数码相机初步参数标定的数码相机定标模块，将上述数码相机拍摄的图像数据输入处理器的图像数据输入接口，将所输入的图像进行图像匹配的图像匹配模块，用于计算图像我不参数的图像外参矩阵计算模块，用于利用三角测量方法计算三维数据的三维数据计算模块，根据得到的三维数据进行煤堆模型拟合的三维图像拟合模块以及体积计算模块，用于根据拟合出的三维图像模型计算实际被测物料的体积，并显示保存该结果。
本发明的工作过程是：控制器4遥控飞行器1，飞到预设拍摄位置，应用数码相机2拍摄照片，传回现场拍摄的照片到控制器4内，飞行器1飞行结束后，将所拍摄的多张照片通过无线或者有线传输，发送至处理器5，本实施例中处理器5是便携式计算机，所述数据导入三维重构处理模块，生成料堆三维模型；在处理器5中预设了煤堆3的参考标尺参数，可精准获取该标尺的高度、X轴、Y轴数据，所以根据此标尺在三维模型中占的像素点间距坐标，可对整个料堆三维模型尺寸比例进行修正、微调，得出精准尺寸三维模型；有了精准三维料堆模型，坐标引擎根据已知的模型多点相对坐标，计算出体积标量，通过计算体积数学公式，计算出料堆体积，显示准确煤堆体积，实现盘煤功能。本发明的技术方案用低成本的盘煤设备，实现大于3％高精度的大型煤堆体积测量功能。
本堆料测量系统利用民用无人遥感飞行器采集高清准确的图像数据及三维坐标，通过计算拟合呈现三维图像并能藉此出具原料的实际剩余量和一定时间内的耗材量，为工业生产提供准确的经营管理数据。提高企业的管理水平和经济效益。本系统利用航拍器的雷达高度计、电子罗盘。GPS实现精密定轨和悬停拍摄，取代了繁琐的固定起重装置，大幅降低了投资成本和系统的复杂程度，提高了系统的便携性。用自动化控制取代了人工操作，在提高续航能力的基础上实现预设自动化，以控制航拍并赋予飞行器误轨自检功能，提高导轨精度。同时，系统可以改用微波调频雷达，进一步提高测量精度。
如图5所示是本发明基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法盘煤实施例的流程图。本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，包括如下步骤：
1)标定数码相机内部参数据矩阵；
2)将数码相机置于飞行器上拍摄被测堆料照片；
3)按预设拍摄顺序编号将所拍摄的照片输入处理器；
4)求解所输入的图像数据的外参矩阵；
5)利用三角测量法求三维数据，保存三维数据；
6)生成煤堆三维模型；
7)坐标引擎根据已知的模型多点相对坐标，计算出三维模型体积标量；
8)通过计算体积数学公式，计算煤堆三维模型体积，显示煤堆体积，保存数据。
本实施例中数码相机拍摄的照片是固定型号定焦单反相机拍摄的照片，相机内部参数基本固定不变，并且使用同一相机拍摄的照片，只需标定一次内参，以后不必重复此步骤。说明一下内参矩阵和外参矩阵
其中在上述步骤3)后还包括将输入的多个图像进行多图图像匹配，并保存精确匹配数据的步骤，精确匹配后还可以进行手动修正。在上述步骤6)后还包括利用预设标尺数据对三维模型尺寸比例进行微调，生成精准尺寸的煤堆三维模型的步骤。
上述实施例仅为说明本发明之原理及其功效，并非限制本发明，本发明的堆料测量系统还可以用于广泛的大型物料堆的测量上；因此，习于此技术之人士对上述实施例进行修改及变化仍不脱本烦恼之精神。本烦恼已具备产业上利用性、新颖性及进步性，并符合发明专利要件，爰依法提起申请。
Claims (9)
1.一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，包括：飞行器、数码相机和处理器，其特征在于所述飞行器上设有GPS定位装置、雷达高度计、电子罗盘和数码相机，该系统还包括控制飞行器和接收数码相机所拍摄数据的控制器，控制器将数码相机拍摄的数据输入处理器，所述处理器通过计算拟合出被拍摄堆料的体积。
2.根据权利要求1所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其特征在于所述飞行器为民用飞行器。
3.根据权利要求3所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其特征在于所述飞行器为AR.Drone2.0型民用飞行器。
4.根据权利要求1或2所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其特征在于所述飞行器还包括加速度计和陀螺仪。
5.根据权利要求1或2所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其特征在于数码相机拍摄的数据是包含三维坐标的图像数据。
6.根据权利要求1所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其特征在于本发明一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量系统，其中处理器包括数码相机定标模块，图像数据输入接口，图像匹配模块，图像外参矩阵计算模块，三维数据计算模块，三维图像拟合模块以及体积计算模块。
7.一种基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，包括如下步骤：
1)标定数码相机内部参数据矩阵；
2)将数码相机置于飞行器上拍摄被测堆料照片；
3)按预设拍摄顺序编号将所拍摄的照片输入处理器；
4)求解所输入的图像数据的外参矩阵；
5)利用三角测量法得到三维数据，保存三维数据；
6)生成煤堆三维模型；
7)坐标引擎根据已知的模型多点相对坐标，计算出三维模型体积标量；
8)通过计算体积数学公式，计算煤堆三维模型体积，显示煤堆体积，保存数据。
8.根据权利要求7所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，其特征在于在上述步骤3)后还包括将输入的多个图像进行多图图像匹配，并保存精确匹配数据的步骤。
9.根据权利要求7和8所述的基于数码照片三维重构料堆模型的堆料测量方法，其特征在于在上述步骤6)后还包括利用预设标尺数据对三维模型尺寸比例进行微调，生成精准尺寸的煤堆三维模型的步骤。
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