大型煤堆体积测量中光斑中心读取方法研究

　　1　引　　言

　　基于光学原理的三维形状测量,由于其具有非接触、高精度、易于自动控制等优点,日益受到人们的重视。常见的光学三维测量方法有:傅里叶变换法、相位测量法、莫尔条纹法、光学三角测量法等。这些方法已广泛用于机器视觉、三维造型、自动加工及工业检测等领域。在工业领域,由于基于点光源的激光扫描法的鲁棒性和数据处理的简单性而获得广泛应用。

　　在激光扫描大型三维曲面测量中,三维曲面某一点的高度是由该点在CCD表面所成像点(光斑)的位置决定的。因此,激光光斑位置的准确确定是决定其测量分辨率的关键因素。如果光斑图像在像面上占用多个像素区域,在光斑图像光强分布均匀的情况下,使用恰当的算法,可以使光斑中心定位准确度达到亚像素级[1]。但是,在一些大型三维曲面测量中,由于测距范　　围变化很大,激光光斑存在散斑,加之被测目标反射特性的变化,造成CCD摄像机采集到的光斑信号强度分布极不均匀,严重影响了深度分辨率。此时,上述方法不再适用,为此,本文提出了基于Hough变换的激光光斑中心读取方法,在火电厂煤场存煤体积自动检测系统中应用,取得了较好的效果。

　　2　系统构成及测量原理

　　2.1　系统构成

　　本系统的设计思想,是把整个煤场按一定的分割方案进行扫描测出能反映煤堆形状的各个点的高度,进而拟合出煤堆的三维曲面形状,求出整个煤场的存煤体积。其系统构成如图1[2]所示。它是集光、机、电于一体的自动检测系统,主要由激光源、图像采集系统、二维转台扫描及控制系统、机械光学调整机构及工控机组成。

　　2.2　工作原理

　　大部分三维形状测量采用光栅法,它的优点是可以省去复杂的机械扫描及控制系统。在本应用中,由于测量距离较远,测量面积较一般应用中大的多,加之煤对光的吸收性极强,故要求光强非常高,因此,本系统采用了点光源的激光扫描技术。由计算机控制二维转台对煤场进行自动扫描,采集图像信息,同时计算被测点高度。扫描完成后由计算机拟合煤堆表面形状,并求出存煤体积。

　　系统采用半导体激光泵浦全固体绿激光器作为光源,CCD摄像机读取激光斑点位置,激光器和摄像机均安装在二维转台台面上,整套装置安装在煤场一侧高度为H的测量塔上,其对煤堆上某一确定点P的高度测量原理如图2所示。

　　由相似三角形可知物点P到激光器的距离S为:

　　这样,由计算机控制二维转台对煤场逐点扫描测出煤堆高度,即可求出整个煤场的存煤量。

　　3　影响测量精度的主要因素