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(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

研究與設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化技術(shù)的整車木材直徑尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)研究

宋揚(yáng)揚(yáng)，羅璟，袁銳波，劉貝貝

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

針對(duì)傳統(tǒng)木材直徑檢測(cè)存在的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)出采用機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、激光掃描和工業(yè)相機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)手段對(duì)整車木材直徑尺寸進(jìn)行快速測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于木材運(yùn)輸、加工等行業(yè)，對(duì)整車裝載的木材進(jìn)行直徑尺寸測(cè)量。木材(車載)直徑的自動(dòng)化快速測(cè)量可以減少人為因素的干擾，提高木材交易的公平性。木材整車直徑測(cè)量與人工估計(jì)或單根測(cè)量相比，能有效提高檢測(cè)效率。

木材直徑；激光掃描；圖像處理；快速測(cè)量

目前，木材加工企業(yè)等對(duì)整車木材進(jìn)行檢測(cè)的方法是稱重和人工估測(cè)木材平均直徑。由于木材含水率不同，采用稱重法對(duì)木材體積的檢測(cè)存在很大誤差，而人工估測(cè)木材的直徑也同樣不準(zhǔn)確(因整車木材堆積體量大，不可能在短時(shí)間內(nèi)逐一單獨(dú)估測(cè)木材直徑)。

整車木材測(cè)量面臨的問題主要是天氣情況的干擾(戶外測(cè)量)及木材本身特征的影響，如木材截面的不規(guī)則性、木材砍伐時(shí)根部過大等，從整車裝車的情況看，很難把伸展在車體兩側(cè)的木材按照截面對(duì)應(yīng)起來，這對(duì)木材直徑的估測(cè)影響很大。因此，本文提出了對(duì)整車木材直徑尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的研究。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)直徑測(cè)量的理論及應(yīng)用已有大量的研究。其中，華中科技大學(xué)李燾[1]詳細(xì)分析了一種基于ARM微控制器和線陣CCD的鋼絲直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所黃見洪等[2]提出了一種利用菲涅爾衍射效應(yīng)精確測(cè)量工件直徑的方法，中國(guó)民航大學(xué)于之靖等[3]設(shè)計(jì)引入了一字線狀激光作為目標(biāo)檢測(cè)光源，搭建光學(xué)直徑測(cè)量系統(tǒng)，浙江大學(xué)涂瑾等[4]針對(duì)單晶硅生長(zhǎng)過程中的直徑測(cè)量，提出一種基于CCD 攝像頭的不完整圓直徑測(cè)量算法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔建文等[5]為了提高光學(xué)衍射法細(xì)圓柱體直徑測(cè)量精度，用遞歸法建立了更加精確的改進(jìn)模型，南昌大學(xué)曾紹平等[6]研究了基于成像的火車輪對(duì)直徑測(cè)量的一種檢測(cè)技術(shù)，西安交通大學(xué)桑波等[7]研制了一種高精度在線測(cè)量大尺寸回轉(zhuǎn)體工件直徑及圓度誤差的差動(dòng)型激光多普勒大直徑測(cè)量系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)黃偉成等[8]根據(jù)直徑精密測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集及傳送的直徑測(cè)量系統(tǒng)。

1 直徑測(cè)量影響因素

1.1圖像處理因素

由于木材本身存在彎曲、傾斜、圓兜、凹兜、偏斜、偏枯、雙心、外夾皮等許多缺陷，使得被檢測(cè)木材的截面形狀呈現(xiàn)為不標(biāo)準(zhǔn)的圓形，因此對(duì)木材直徑測(cè)量時(shí)需要對(duì)木材截面進(jìn)行圓度擬合，而且擬合精度對(duì)木材直接測(cè)量的影響很大。相對(duì)來說，測(cè)量木材的周長(zhǎng)影響較小。

1.2 木材堆積方式因素

根據(jù)一般木材尺寸的檢測(cè)要求，通常是檢測(cè)木材小端的直徑和長(zhǎng)度，然后推算出整個(gè)木材的基本尺寸。但對(duì)于制板廠來說，木材彎曲的情況較多，且直徑大小差異較大，長(zhǎng)短也同樣存在差異，這在木材檢測(cè)過程中對(duì)直徑推算影響較大。按照檢測(cè)木材小頭直徑和木材長(zhǎng)度的方法來檢測(cè)整車木材直徑存在大小頭推算問題，因?yàn)樵谘b車時(shí)為增加裝載量往往需要將木材大小頭交叉擺放，這對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)來說整車同時(shí)檢測(cè)很難做到木材的大頭和小頭一一對(duì)應(yīng)，因此需要采用一種統(tǒng)計(jì)的方法來估算木材直徑。

1.3 光照因素

對(duì)于室外檢測(cè)來說，光照的影響也比較大，隨著晴天、雨天、白天、晚上的變換，光照的變化較大，對(duì)檢測(cè)軟件的魯棒性要求很高。在可能的情況下，木材檢測(cè)應(yīng)盡量在棚式室內(nèi)進(jìn)行，這樣便于控制光照的變化。

2 測(cè)量方法設(shè)計(jì)

首先對(duì)車載木材的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行攝像，獲得側(cè)面圖像后采用分水嶺算法和基于共生矩陣的紋理分割理論對(duì)圖像進(jìn)行分割，將木材端面與背景分割開來。然后通過連通域分析，將單獨(dú)的木材端面分割出來，對(duì)于完整的端面采用Hough圓變化直接擬合出端面直徑，對(duì)于不完整的端面，需建立基于貝葉斯決策理論的分類器和基于馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)的上下文分類器，并對(duì)前期建立的木材端面圖形庫(kù)以機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行端面直徑擬合，此類方法主要針對(duì)枯朽嚴(yán)重的木材。

測(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行木材直徑測(cè)量時(shí)的工作原理與卡尺測(cè)量相似，測(cè)量探頭在稱板及測(cè)量桿的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，與木材直徑處接觸定位。測(cè)量系統(tǒng)記錄測(cè)量稱的位置，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)同時(shí)記錄瞄準(zhǔn)誤差，然后將測(cè)量探頭移動(dòng)到木材被測(cè)直徑的另一端并使測(cè)量探頭與木材接觸定位，再次記下測(cè)量稱板的位置與瞄準(zhǔn)誤差，則被測(cè)木材直徑的計(jì)算公式為：

D=S2-S1+(δ1+δ2)(內(nèi)徑測(cè)量)

D=S2-S1+d+(δ1+δ2)(外徑測(cè)量)

式中：D為被測(cè)木材直徑；d為測(cè)量探頭直徑；S1和S2為測(cè)量稱板的2次定位值；δ1和δ2為2次瞄準(zhǔn)誤差。

2.1 激光掃描

傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取主要有兩種方法：一種是單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)的方法，如：GPS高精度定位、三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量、全站儀系統(tǒng)測(cè)量，以及光學(xué)攝影測(cè)量原理的近景攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等；另一種是面采集方法，即通過對(duì)攝影測(cè)量、遙感獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)[9]，這種方法雖然能一次性獲取大量點(diǎn)的空間信息，但必須花大量時(shí)間進(jìn)行影像處理。

圖1所示為應(yīng)用光三角原理進(jìn)行激光掃描測(cè)量。

圖1 光三角原理激光掃描測(cè)量

2.2 圖像采集及識(shí)別

圖像識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理，以識(shí)別出各種不同模式目標(biāo)和對(duì)像的技術(shù)。圖像識(shí)別技術(shù)的定義十分廣泛，主要指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)采用數(shù)字技術(shù)方法對(duì)系統(tǒng)前端獲取的圖像按照特定的目的原則進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

木材現(xiàn)場(chǎng)稱重檢測(cè)狀態(tài)如圖2所示。木材裝車時(shí)為保證最大裝載量，木材的大頭和小頭通常為交錯(cuò)擺放。

圖2 木材稱重測(cè)狀態(tài)

根據(jù)現(xiàn)有木材裝車的特點(diǎn)需要在木材稱重處兩側(cè)安裝測(cè)量裝置，如圖3所示。兩側(cè)測(cè)量裝置相同，包括激光掃描裝置、輔助光源、工業(yè)相機(jī)(CCD)及支架等。激光掃描裝置的工作原理是偏轉(zhuǎn)光束通過透鏡、復(fù)合透鏡或拋物面鏡后，轉(zhuǎn)變成平行傳輸光束后對(duì)物體進(jìn)行掃描[10]。人眼見到這樣的光束是一條紅線，此紅線的高度和長(zhǎng)度確定了掃描場(chǎng)或檢測(cè)范圍?？紤]不同光照條件下日光對(duì)檢測(cè)的干擾，檢測(cè)系統(tǒng)還需要輔助光源(如使用藍(lán)光光源形成單調(diào)背景)，而激光則需選用另外一種顏色(如紅色激光)，在工業(yè)相機(jī)的鏡頭上加裝濾光片可保證只有特定光譜的光透過，達(dá)到凈化背景的目的。輔助光源采用高亮LED，考慮輔助光源的功率，光源要離木材很近，但這樣可能會(huì)影響激光旋轉(zhuǎn)掃描的角度，所以在設(shè)計(jì)激光掃描裝置時(shí)通?？紤]兩種方案，一種是旋轉(zhuǎn)掃描，另一種是水平掃描。旋轉(zhuǎn)掃描采用水平旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)，水平掃描則考慮采用同步帶或同步鏈進(jìn)行牽引。

圖3 檢測(cè)裝置安裝示意圖

3.1 激光掃描檢測(cè)

激光掃描檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 激光掃描檢測(cè)原理

激光系統(tǒng)將激光束投向被檢測(cè)木材表面，然后反射到帶濾波器的工業(yè)相機(jī)(CCD)上成像，如果是點(diǎn)激光則只能呈現(xiàn)光點(diǎn)，如果是線激光則會(huì)呈現(xiàn)光線。點(diǎn)光源掃描如果想生成激光線必須使用電子掃描或者機(jī)械掃描，考慮到成本問題，點(diǎn)光源激光不適用于木材檢測(cè)。線光源掃描可采用成線激光器，其價(jià)格較低，掃描時(shí)通過激光器前端放置特殊定制的鏡頭可呈多種圖案(包括成線)，這種方案可以呈現(xiàn)非常多的圖形，精度也能夠滿足木材檢測(cè)的使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 自動(dòng)圖像識(shí)別

自動(dòng)圖像識(shí)別的過程分為圖像輸入、預(yù)處理、特征提取和匹配4個(gè)步驟。其中預(yù)處理又分為圖像分割、圖像增強(qiáng)、二值化和細(xì)化4個(gè)部分。

將采集的圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，以減少后續(xù)算法的復(fù)雜度，提高對(duì)圖片處理的效率。為充分利用圖片信息進(jìn)行特征提取，需將圖片和背景分離，從而提高處理速度和提取精度。圖像特征提取完成后將輸入的測(cè)試圖像特征與保存的模板特征進(jìn)行圖像匹配。

對(duì)于同一幅圖片，可將其分為背景區(qū)、不可恢復(fù)區(qū)、清晰區(qū)和可恢復(fù)區(qū)四個(gè)區(qū)域。圖像分割就是去除前兩類區(qū)域而保留后兩類區(qū)域，所謂的三級(jí)分割是指第一級(jí)先分割出背景區(qū)域，第二級(jí)從中分割出模糊區(qū)域，第三級(jí)再?gòu)哪：齾^(qū)域中分割出不可恢復(fù)的部分。經(jīng)過這三個(gè)步驟既可以節(jié)約時(shí)間又可以提高分割的可靠性。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1實(shí)施環(huán)境

在帶有Windows操作系統(tǒng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上開發(fā)應(yīng)用程序，基于微軟公司的Visual Studio.Net平臺(tái)，開發(fā)語言為Visual C#，圖像開發(fā)平臺(tái)為Halcon10，數(shù)據(jù)庫(kù)為Excel 2003。

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

為保證該系統(tǒng)的可行性，采用標(biāo)尺+單反相機(jī)的方式，對(duì)模擬堆積的木材進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試。

4.2.1 圖像采集

黑天條件下用單反相機(jī)拍攝的堆積木材圖像如圖5所示。

圖5 黑天條件下單反相機(jī)拍攝的堆積木材

4.2.2 圖像處理

將采集的照片用圖像識(shí)別軟件進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6～圖14所示。

圖6 圖像處理過程(a)

圖7 圖像處理過程(b)

圖8 圖像處理過程(c)

圖9 圖像處理過程(d)

圖10 圖像處理過程(e)

圖11 圖像處理過程(f)

圖12 圖像處理過程(g)

圖13 圖像處理過程(h)

圖14 使用軟件對(duì)圖像的處理結(jié)果

5 結(jié)論

采用激光掃描+工業(yè)相機(jī)的方案檢測(cè)木材具有一定的可行性，可較好地分辨出類圓端面木材的直徑，能夠得到較好的原始分辨圖像。進(jìn)一步采用光源強(qiáng)化、圓度指標(biāo)細(xì)化、復(fù)合識(shí)別、二次強(qiáng)化及智能算法等手段，可以更好地識(shí)別木材直徑并進(jìn)行快速測(cè)量。

從檢測(cè)情況看，有部分木材識(shí)別效果不理想，原因如下：

(1)光照條件不好使木材堆積的截面相近，相鄰木材的端部圖像不易分割，使用圓度指標(biāo)分割時(shí)會(huì)將部分形狀圓度較低的圖像去除，影響了檢測(cè)效果。

(2)圓度指標(biāo)較為粗疏，網(wǎng)格細(xì)分不夠。

[1] 李 燾，周云飛.基于線陣CCD的鋼絲直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(18)：4228-4231.

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

ResearchonRapidMeasurementSystemofWoodDiameterinVehiclebasedonAutomationTechnology

SONGYang-yang，LUOJing，YUANRui-bo，LIUBei-bei

(Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China)

In view of the problems with the traditional wood diameter detection technology，a rapid measurement system for the wood diameter in the vehicle by adopting such automatic technology means as machine vision，machine learning，laser scanning and industrial cameras.The system can measure the diameter of the wood loaded in the whole vehicle，which is suitable for wood transportation，wood processing and other industries.Automated rapid measurement of the diameter of wood(vehicle-mounted)can reduce the interference of human factors and improve the fairness of timber trade.The results show that the measurement of whole vehicle wood can improve the detection efficiency compared with the manual estimation and single measurement.

wood diameter；laser scanning；image processing；fast measurement

TP274

A

2095-2953(2017)12-0028-05

2017-08-02

宋揚(yáng)揚(yáng)(1992-)，男，河南人，在讀碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究，E-mail：337083382@qq.com。