基于双目立体视觉的动态体积测量系统.

基于双目立体视觉的动态体积测量系统
王畅1，赵彩霞2，韩毅1
1. 长安大学汽车学院，陕西西安（710064）
2. 长安大学电控学院，陕西西安（710064）
E-mail ：wangchang0905@
摘要：以双目立体视觉为基础，设计了一种动态体积测量系统。

系统主要应用于粉末状药物的流散性分析。

系统中采用三台数字式CCD 摄像机对被测物进行图像采集，利用Visual C++.net以及OpenGL 对测量过程中所得到图像进行三维重构，还原物体的三维形状，同时得到在每个测量时刻药堆的体积, 实现了对药堆的连续非接触式测量。

关键词：双目立体视觉；非接触式测量；三维重构
中图分类号：TP29 文献标识码：A
1. 引言
药品生产过程中，药物的流散性直接影响到药品自动压装的生产工艺。

本文设计了一种用于动态测量粉末状药物体积的非接触式测量系统，通过药堆体积随时间增长的关系曲线来判断药物的流散性能。

系统模拟药品的填装过程，采用一个玻璃漏斗，下面安装一个透明量杯。

药品从漏斗下落时，安装在量杯周围的摄像机对量杯底部的药堆进行实时图像采集，通过图像处理及三维重构得到采集过程被测对象的形状和体积。

2. 系统构成
系统的主要测量对象是粉末状药物或者其他粉末状物质，在药物下落过程中，药堆的体积不断增长。

系统中的三台数字摄像机从三个不同角度对药堆进行图像采集，对采集到的图像进行三维重构后得到特定时刻序列上的三维形状及体积。

图1是系统的组成图。

图1：系统组成图
2.1计算机
系统中采用两台计算机分工协作，一台用于控制系统的工作，另外一台用于图像处理及
三维重构。

三维重构对计算机的性能有很高的要求，特别是对CPU 的运算速度和内存大小有很高要求。

对三幅图像进行三维重构时运算量非常大，普通计算机运算起来耗时长，以Pentium 4，2.6G 的CPU ，512MB 内存进行运算时需要5分钟左右，同时容易造成死机。

为了提高处理速度以及稳定性, 图像处理计算机采用了Intel Corel Q6600四核处理器，主频为
2.4G ，内存大小为4G 。

用该计算机对一帧图像进行重构只需5秒左右。

2.2摄像机系统
与普遍应用的图像采集系统不同，本系统中没有采用图像采集卡采集图像。

系统中所选用的摄像机是数字式的，三台数字式摄像机输出数字图像，经千兆以太网交换机与计算机的千兆网卡相连。

系统中采用德国BASLER scA1000-30gm数字式黑白摄像机。

该摄像机采用3/1〞SONY CCD芯片，分辨率为1034×779，采集频率为30帧每秒。

摄像机内置了千兆以太网输出端口，使用六类网线进行数据传输时，传输速率能够达到320MB/s，在采集速度为30帧每秒的情况下能够很好的满足系统要求。

摄像机镜头采用computar M1214-MP 2/3〞镜头，焦距为12mm ，手动调节光圈。

系统中的三台摄像机在空间以120°对称安装，摄像机俯拍角度为18.4°，镜头离地高度为175mm 。

图2是单个摄像机的安装示意图。

图2：摄像机安装示意图
2.3同步外触发
三维重构要求原始图像是在同一时刻对被测对象从三个不同方向采集得到的，因此，为了保证三个摄像机的采集时刻保持一致，需要引入同步触发信号。

系统中，自行设计开发了基于555定时器的同步信号触发器，该触发器输出信号的频率在1MHZ 到31MHZ 范围内可调，通过改变可变电阻R w 的值可以实现触发信号频率的调节。

图3是同步信号触发器的电路原理图。

图3：同步信号触发器电路原理图
3. 图像采集
系统工作时，被测药物从量杯上方下落至杯底，在杯底逐渐堆积成长。

在这个过程中，系统中的三台数字摄像机从空间对称120°方向对药堆进行图像采集，采集速度根据需求可以在1-31帧每秒的范围内调整。

采集到的图像经千兆以太网交换机传输至图像处理计算机，保存在内存中。

图4是图像采集的流程图。

图4：图像采集流程图
4. 多目立体视觉
多目立体视觉的基础是双目立体视觉。

从多个不同的视角方向对同一物体进行拍摄，利用空间几何成像原理构造出物体不同位置之间的差异，获取物体的立体信息[1]。

具体的实现办法是采用多台性能，参数完全一样的摄像机，将摄像机固定在预先设计的位置，然后由摄像机对被测物进行图像采集。

多目立体视觉主要有以下几个步骤[2]。

4.1图像采集
系统设计时，考虑到需要精确测量药堆体积，因此采用三台摄像机从三个不同方向对被被测物进行拍摄，三个摄像机相互组成三个处理单元，每个处理单元利用双目立体视觉原理对被测物进行处理。

在三维重构阶段将三个部分按照空间120°夹角关系进行组合，将被测物体还原。

图5是利用双目立体视觉原理，采用三台摄像机进行图像采集的示意图。

图5 图像采集示意图
4.2摄像机标定
摄像机标定的目的是确定被测物体在空间坐标系和计算机坐标系中的相互关系。

在测量过程中，这种相互关系通过坐标变换来完成。

对于空间某一点，摄像机标定的过程是得到该点在计算机坐标系中的坐标。

从被测物的三维世界坐标(Xf , Yf , Zf 到计算机图像坐标(x，y 的变换过程如下[3]：
1. 从物体三维世界坐标(Xf , Yf , Zf 到摄像机三维坐标(a,b,c的变换。

f f f X a
b S Y Q
c Z ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=•+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ (1
其中，S 为3 ×3的旋转变换矩阵，Q 为3 ×1的平移矢量。

2．摄像机三维坐标(a,b,c在理想的小孔成像模型下经投影变换至图像坐标(Xv ,Y v 。

v a X f
c
= v b Y f c = （2） 3．考虑摄像机透镜的径向畸变因素，将理想图像坐标(Xv ,Y v 转换成实际图像坐标(Xd ,Y d 。

21(1 d v X X kr −=+
21(1 d v Y Y kr −=+ (3
其中r =
表示图像中心O i 到实际图像坐标(Xd ,Y d 的距离；k 表示透镜径向畸变
系数。

4．实际图像坐标(Xd ,Y d 到计算机图像坐标(x，y 的变换：
0d x x X N u =+
0d y y Y N v =+ (4
4.3三维重构
由左右两台摄像机采集被测物体在同一时刻的两幅图像，得到左，右两组坐标值。

将摄像机的内，外参数值和左，右坐标值代入式(1,联立两方程，求得物体各点的世界坐标(Xf , Yf , Z f 。

得到各点的世界坐标后，利用OpenGL 三维物理引擎实现物体的三维重建[4]。

在Visual C++.net开发环境下采集物体各点的三维坐标值，然后调用OPENGL 软件中的点绘制命令GL_POINTS来绘制三维点，在事先设计好的正方体空间中进行物体的三维重构。

测量系统需要测量堆积物的体积，在三维重构时采用了雕刻算法。

雕刻算法是指模拟雕刻过程，在正方体内对每个像素点进行运算，如果该点在实际图像中没有对应点，那么认为该点是空的，因此将该点去除。

对整个正方体运算完成之后得到的就是物体重构出来的三维图像，如图6所示。

a. 原始图像
b. 重构图像
图6：原始图像及三维重构图像
5．体积计算
三维重构完成之后，控制程序将统计正方体内有效像素的个数[5]。

程序中所采用正方体的边长为100mm ，正方体体积为1000cm 3。

图像采集时，去除边缘的无用像素，将采集分
辨率设置为 700×700×700，则在三维重钩图像中每个像素所代表的体积为 2.91545×10-3 mm3。

统计三维重钩图像中的有效像素点的个数，将个数乘以单个像素的体积得到被测物体的体积，精度为 1×10-3 mm3。

图像采集过程一般在 30s 左右，将采集到的图片保存在计算机内存中，然后以帧为单位进行三维重钩和体积计算[6]。

体积和时间的关系曲线如图 7 所示。

图 7 体积与时间关系曲线图 6. 结论本系统利用双目立体视觉原理，通过图像采集的方式实现了
对被测物体的非接触式测量。

系统主要用于对无固定形状粉末状物质的动态体积测量。

通过动态的体积测量能够得到被测物体流散性能的相关参数，引入质量之后还能得到物体的密度信息，在医药，建筑，军工行业有很好的应用前景。

系统的主要参数如下：采集速度：1-30 帧/秒图像采集最大分辨率：1034×779 三维重构速度：5s/帧体积计算精度：1×10-3 mm3 体积测量误差：≤2% [7] -6-
参考文献 [1].任晨丽，仲思东.小视场多目立体测量系
统的研究[J].计算机工程与应用,2006;08:65-67 [2].隋婧,金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].计算机应用,2004,10:4-6 [3].张可.基于双目立体视觉原理的自由曲面三维重构[D].武汉,华中科技大学，2005;11：18-23 [4].潘萌,曲道奎,徐方等.基于OpenGL 的真空机器人三维图像仿真[J].微计算机信息, 2007,12-2:237-239 [5].李国华,许增朴,于德敏等.基于机器视觉的面包体积及形状测量系统的研究[J]. 天津科技大
学学报,2004,03:25-28 [6].Morimoto M, Fujii K.A Portable 3D Scanner Based on Structured Light and Stereo Camera[C] Proceedings of International Symposium on communications and Information technology,Beijing,China: IEEEPress,2005:569-572 [7].邓志东,牛建军,张竞丹.基于立体视觉的三维建模方法[J].系统仿真学报，2007，07：3258-3262 Dynamic Measure System For Bulk Based On Binocular Stereoscopic Vision Wang Chang, Zhao Caixia, Han Yi Chang’an University, Xi’an (700064 Abstract Based on Binocular Stereoscopic Vision, a Dynamic measure system for bulk is established, the main using fields of this system is measure flowability of powder as medicament. Three digital CCD cameras collect the images of the powder, then using Visual C++.net and OpenGL to get the three-dimension shape of objects being measured. This system can get the bulk of powder at each sampling time, it realized non-contact measuring for stack of powders. Keywords: Binocular Stereoscopic Vision; Non-contact measure; Three dimension reconstruction -7-。