Способ определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле Российский патент 2024 года по МПК G01B11/02 G01N33/46 G01F17/00 

Изобретение относится к способам определения объема лесоматериалов круглого поперечного сечения (бревен) в штабеле на основе изображений, полученных стереоскопической камерой, и может быть применено для автоматического измерения количества и размеров бревен в штабеле при заготовке и обработке лесоматериалов.

В качестве прототипа выбран способ определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле, заключающийся в том, что сначала на торцах бревен размещают эталоны размера, посредством камеры получают изображение штабеля бревен, полученное изображение вводят в ЭВМ и производят его обработку. Обработку изображения в ЭВМ производят следующим образом: определяют контуры торцов бревен, контуры эталонов на изображении, определяют площадь эталонов, сравнивают полученную площадь каждого эталона с его реальной площадью и на основании данного сравнения вычисляют коэффициент подобия, с учетом коэффициента подобия, а также с учетом особенностей оптики камеры, посредством которой было получено изображение штабеля, определяют истинные размеры торцов бревен, на основании определенных размеров, а также на основании известной длины бревен определяют их объем в штабеле. [RU 2362164 C2, дата публикации: 20.07.2009 г.]

Недостатком известного способа определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения является высокая трудоемкость и длительность его выполнения, обусловленная необходимостью установки эталонов на торцы бревен и ввода полученного камерой изображения в ЭВМ для его последующей обработки, что впоследствии также снижает точность производимых измерений.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости повышения эффективности способа определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле электронным вычислительным устройством, а также снижении трудоемкости и времени, затрачиваемого на данный процесс, и повышении безопасности данного процесса для пользователя.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле заключается в том, что:

- получают стереоизображения торцевой и боковой сторон штабеля;

- на основе полученных стереоизображений торцевой и боковой сторон штабеля строят пространственную модель каждого бревна в штабеле, для чего:

- на основе стереоизображения торцевой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют количество бревен и торцевой диаметр каждого бревна;

- на основе стереоизображения боковой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют контур штабеля и длину средней линии его боковой стороны;

- на основе длины средней линии боковой стороны штабеля определяют среднюю длину бревен в штабеле;

- на основе торцевого диаметра каждого бревна определяют ориентацию каждого бревна;

- определяют объем построенной пространственной модели бревна;

- на основе количества содержащихся в штабеле бревен и объема пространственной модели каждого из них определяют объем находящегося в штабеле лесоматериала.

Стереоскопическая камера обеспечивает построение изображения с пространственной глубиной с помощью двух идентичных объективов, размещенных на расстоянии стереобазы друг от друга. В качестве электронного вычислительного устройства может быть представлен модуль обработки данных самой стереоскопической камеры, либо может быть задействован вычислительный блок любого другого устройства, в том числе планшетного компьютера, смартфона, персонального компьютера, сервера и др.

Стереоизображение представляет собой стереопару плоских изображений одной и той же сцены, полученных под разным углом смещения. Стереоизображения могут получать путем установки стереоскопической камеры посредством устройств крепления камеры или за счет фиксации на неподвижных объектах. Порядок получения стереоизображения торцевой и боковой сторон штабеля на технический результат влияния не имеет.

Объем лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле определяют на основе количества содержащихся в нем бревен и объема каждого из них. Объем каждого бревна определяют на основе его пространственной модели, которую строят на основе стереоизображений торцевой и боковой сторон штабеля.

Для этого посредством нейронной сети на одном из снимков стереоизображения торцевой поверхности штабеля определяют контуры торцов каждого бревна, а также максимальный диаметр торца каждого бревна на снимке в пикселях. Получение максимального диаметра торца дает наиболее релевантную информацию об этой величине, поскольку компенсирует искажение проекции при съемке под углом, что влияет на точность определения объема лесоматериала в штабеле.

Поскольку на полученном стереоизображении все объекты представлены в виде группы пикселей, то пиксельные размеры максимального диаметра торца каждого бревна преобразуют в линейные. Для этого сначала всю площадь обоих снимков стереоизображения разбивают на отдельные участки, например на равные прямоугольники с тем же соотношением сторон, что и у всего кадра.

Затем определяют величину пиксельного разнесения участков стереоизображения, для чего сначала между выбранными соответствующими друг другу участками вычисляют взаимную корреляционную функцию (ВКФ) и определяют сдвиг максимума ВКФ относительно ее центра, соответствующий расстояниям от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности, получая при этом искомую условную поверхность торца штабеля, характеризующую совокупность торцов всех бревен. После этого определяют расстояние от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля. Для этого используют полученную ранее величину пиксельного разнесения участков стереоизображения, величину углового размера пикселя матрицы и величину стереобазы стереокамеры. Под величиной углового размера (угловым разрешением) пикселя матрицы подразумевается отношение полного угла зрения камеры к ее разрешению по соответствующей оси. Под стереобазой подразумевается расстояние между оптическими центрами объективов стереоскопической камеры, сведения о котором содержатся в технической документации к используемой стереоскопической камере.

Затем строят полиномиальную трехмерную аппроксимацию условной поверхности торца штабеля по известному в математике методу наименьших квадратов (МНК). Следует отметить, что аппроксимация может быть осуществлена любыми другими методами, базисами функций и с использованием иных критериев.

На основе полученного полинома путем подстановки в него известных координат центра каждого бревна определяют расстояние от центра матрицы стереоскопической камеры до центра торца каждого бревна. Полученную величину расстояния затем используют для определения диаметра торца каждого бревна. Для этого, используя величину углового размера пикселя матрицы и величину стереобазы камеры, сначала определяют эквивалентный пиксельный размер расстояния от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля. Величину данного размера, а также величину стереобазы камеры затем используют для определения калибровочного коэффициента для выбранной точки, который с учетом известной величины пиксельных размеров диаметра каждого обнаруженного бревна позволяет определить диаметр его торца.

Затем на основе стереоизображения боковой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют контур штабеля и длину его средней линии. Длину средней линии определяют на основе величины угла между оптической осью объектива камеры, которой получено изображение, и направлениями на концы средней линии, посредством применения, например теоремы косинусов. Полученную длину средней линии принимают равной средней длине бревен в штабеле, которую затем используют для определения объема каждого бревна.

Поскольку бревна имеют коническую, а не цилиндрическую форму, то для повышения точности определения их объема в штабеле определяют их ориентацию в пространстве. Для этого используют данные о диаметре торца каждого бревна, который сравнивают со среднеарифметическим диаметром находящихся в штабеле бревен. В случае если диаметр торца бревна превышает среднеарифметический, то данный торец регистрируют в качестве комля, а в случае если не превышает, то его регистрируют в качестве вершины бревна.

Затем, принимая, что пространственная модель каждого бревна имеет форму усеченного конуса, а также при учете его ориентации в пространстве и известной величины сбега диаметра бревна от вершины к комлю, определяют объем полученной пространственной модели бревна. Полученную величину объема пространственных моделей затем используют для определения общего объема лесоматериала в штабеле.

В основе используемых нейронных сетей могут лежать математические модели, предварительно обученные на выборках, обеспечивающих распознавание контуров торцов бревен, а также контуров штабелей. Для повышения точности определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле в качестве нейронных сетей могут применяться нечеткие нейронные сети.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что: получают стереоизображение торцевой и изображение боковой сторон штабеля; на основе полученных стереоизображений торцевой и боковой сторон штабеля строят пространственную модель каждого бревна в штабеле, для чего: на основе стереоизображения торцевой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют количество и торцевой диаметр каждого бревна, на основе стереоизображения боковой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют контур штабеля и длину его средней линии, на основе длины средней линии штабеля определяют среднюю длину бревен, а на основе торцевого диаметра каждого бревна определяют ориентацию каждого бревна в штабеле. Построенная пространственная модель каждого бревна позволяет определить его объем, а на основе количества содержащихся в штабеле бревен и объема пространственной модели каждого из них определяют объем находящегося в штабеле лесоматериала.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения электронным вычислительным устройством, а также снижение трудоемкости и времени, затрачиваемого на данный процесс, и повышение безопасности данного процесса для пользователя, тем самым повышается эффективность способа определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники не известен предложенный авторами настоящего изобретения способ определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле, основанный на построении пространственной модели каждого бревна в штабеле, учитывающей при этом их ориентацию, и позволяющей с высокой точностью определить объем лесоматериалов в штабеле только на основе стереоизображений торцевой и боковой поверхности штабеля.

Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Алгоритм определения электронным вычислительным устройством объема лесоматериалов круглого поперечного сечения в штабеле.

Фиг. 2 - Схематическое изображение съемки торцевой стороны штабеля лесоматериалов круглого поперечного сечения, размещенного в кузове лесовоза, стереоскопической камерой.

Фиг. 3 - Пример определения количества и торцевых диаметров всех обнаруженных на полученном стереоизображении бревен.

Фиг. 4 - Схематическое изображение съемки боковой стороны штабеля лесоматериалов круглого поперечного сечения.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Система для определения объема лесоматериалов круглого поперечного сечения включает находящуюся в руках пользователя или установленную на штативе стереоскопическую камеру 100 и вычислительный блок электронного устройства.

Способ определения объема лесоматериалов круглого поперечного сечения осуществляют следующим образом.

После укладки бревен 110 в кузов лесовоза и формирования штабеля 120 лесоматериалов напротив торцов бревен 110, а затем напротив боковой стороны штабеля 120 устанавливают стереоскопическую камеру 100 и на этапе 200 получают стереоизображения торцевой и боковой сторон штабеля 120 лесоматериала, которые затем обрабатывают посредством вычислительного блока.

На этапе 300 определяют количество бревен 110 и торцевой диаметр каждого из них. Для этого посредством вычислительного блока и содержащейся в нем нейронной сети проводят анализ стереоизображения торцевой стороны штабеля 120.

Для этого сначала определяют максимальный торцевой диаметр каждого бревна 110 в пикселях, затем переводят пиксельные размеры максимального диаметра каждого бревна 110 в метрические. Для этого всю площадь стереопары изображений разбивают на равные прямоугольники с тем же соотношением сторон, что и у всего кадра. Методом наименьших квадратов вычисляют взаимную корреляционную функцию (ВКФ) между соответствующими друг другу участками изображений стереопары и за счет этого получают условную поверхность торца штабеля 120.

Сдвиг максимума ВКФ относительно центра соответствует пиксельному разнесению ΔР участков изображений стереопары. Его переводят в расстояние от центра матрицы стереоскопической камеры до полученной условной поверхности торца штабеля 120, используя для этого следующее выражение:

ΔL - величина стереобазы камеры;

α_р - величина углового размера пикселя матрицы камеры, который вычисляют, как отношение полного угла зрения камеры к ее разрешению по соответствующей оси.

После этого посредством построения полиномиальной трехмерной аппроксимации условной поверхности торца штабеля 120 определяют расстояние между условной поверхностью торца штабеля 120 и центром матрицы стереоскопической камеры. В полученный полином, аппроксимирующий условную поверхность, подставляют известные координаты центров торцов бревен 110, определяя за счет этого расстояние между центром матрицы стереоскопической камеры и центром торца каждого бревна 110.

Для определения торцевого диаметра бревна 110 вычисляют эквивалентное пиксельное расстояние ΔР' от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля 120:

ΔL - величина стереобазы камеры;

α_р - величина углового размера пикселя матрицы камеры.

На основе величины ΔР' определяют калибровочный коэффициент d для данной точки, используя для этого следующее выражение:

ΔL - величина стереобазы камеры;

ΔР' - эквивалентное пиксельное разнесение для данной точки.

На основе полученного калибровочного коэффициента d определяют метрические диаметры D_б всех обнаруженных бревен, используя для этого выражение:

D_б=d⋅Р_k, где:

P_k - пиксельные размеры диаметра бревна.

На этапе 400 определяют среднюю длину бревен 110. Для этого посредством вычислительного блока и содержащейся в нем нейронной сети проводят анализ стереоизображения боковой стороны штабеля 120 и определяют его контур. По полученному контуру строят среднюю линию 130 боковой стороны штабеля, разделяющую ее ребра на равные друг другу пары отрезков 132 и 134, а также 136 и 138, и определяют расстояния от центра матрицы стереоскопической камеры до концов средней линии 130, используя для этого следующие выражения:

где:

α_nn=180-β_nn-γ_nn,

β_nn и γ_nn - соответствующие углы между оптическими осями камер и направлением на конец средней линии, определяемые исходя из знания углового разрешения камер. Затем, используя теорему косинусов, определяют длину средней линии:

ζ - угол между нормалью камеры и направлениями на концы средней линии.

Полученную длину средней линии принимают равной средней длине бревен 110.

На этапе 500 определяют ориентацию каждого бревна 110 в штабеле 120. Для этого определяют среднеарифметический диаметр всех бревен 110 в штабеле 120 и сравнивают с полученным среднеарифметическим диаметром величину торцевого диаметра каждого бревна 110. В случае, если диаметр торца бревна 110 превышает полученное число, то данный торец бревна 110 регистрируют в качестве комля, а в случае, если не превышает, то его регистрируют в качестве вершины бревна 110. Принимая, что форма бревна 110 имеет форму усеченного конуса и с учетом известной величины среднего сгона бревна 110, составляющей 8 мм на 1 м длины бревна 110, определяют оба радиуса усеченного конуса R1 и R2, лежащего в основе пространственной модели бревна 110, при этом величину R2 определяют, как:

R2±8×L, где:

L - длина бревна,

положительное «+» значение выбирается в том случае, если R2 является вершиной бревна 110, а отрицательное «-» выбирается в том случае, если R2 является комлем.

На этапе 600 строят пространственную модель каждого бревна 110. Поскольку пространственная модель имеет форму усеченного конуса, то ее объем определяют по известной формуле для определения объема усеченного конуса:

На этапе 700 определяют общий объем лесоматериала в штабеле 120 путем суммирования объема всех полученных пространственных моделей бревен 110.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения электронным вычислительным устройством, а также снижении трудоемкости и времени, затрачиваемого на данный процесс, и повышении безопасности данного процесса для пользователя, тем самым повышается эффективность способа определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле.

Изобретение относится к способам определения объема лесоматериалов круглого поперечного сечения (бревен) в штабеле на основе изображений, полученных стереоскопической камерой. Сущность изобретения заключается в том, что определение объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле осуществляют на основе пространственной модели каждого бревна в штабеле, построенной на основе стереоизображений торцевой и боковой сторон штабеля. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле электронным вычислительным устройством, а также снижении трудоемкости и времени, затрачиваемого на данный процесс, и повышении безопасности данного процесса для пользователя. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения объема лесоматериала круглого поперечного сечения в штабеле, заключающийся в том, что:

– получают стереоизображения торцевой и боковой сторон штабеля;

– на основе полученных стереоизображений торцевой и боковой сторон штабеля строят пространственную модель каждого бревна в штабеле, для чего:

– на основе стереоизображения торцевой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют количество бревен и торцевой диаметр каждого бревна;

– на основе стереоизображения боковой стороны штабеля посредством нейронной сети определяют контур штабеля и длину средней линии его боковой стороны;

– на основе длины средней линии боковой стороны штабеля определяют среднюю длину бревен в штабеле;

– на основе торцевого диаметра каждого бревна определяют ориентацию каждого бревна;

– определяют объем построенной пространственной модели бревна;

– на основе количества содержащихся в штабеле бревен и объема пространственной модели каждого из них определяют объем находящегося в штабеле лесоматериала.

2. Способ по п. 1, при выполнении которого для определения количества бревен и торцевого диаметра каждого бревна посредством нейронной сети определяют контуры торцов каждого бревна, а также максимальный диаметр торца каждого бревна на снимке в пикселях, который затем преобразуют в линейные размеры.

3. Способ по п. 2, при выполнении которого для преобразования пиксельного максимального диаметра торца каждого бревна в линейные размеры всю площадь обоих снимков стереоизображения разбивают на отдельные участки и определяют величину пиксельного разнесения участков стереоизображения.

4. Способ по п. 3, при выполнении которого определение величины пиксельного разнесения участков стереоизображения осуществляют на основе сдвига максимума взаимной корреляционной функции (ВКФ), который используют для получения условной поверхности торца штабеля.

5. Способ по п. 4, при выполнении которого определяют расстояние от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля, для чего используют полученную величину пиксельного разнесения участков стереоизображения, величину углового размера пикселя матрицы и величину стереобазы стереокамеры.

6. Способ по п. 5, при выполнении которого путем полиномиальной трехмерной аппроксимации условной поверхности торца штабеля и подстановки в полученный полином координат центра каждого бревна определяют расстояние от центра матрицы стереоскопической камеры до центра торца каждого бревна.

7. Способ по п. 6, при выполнении которого на основе величины расстояния от центра матрицы стереоскопической камеры до центра торца каждого бревна, углового размера пикселя матрицы и стереобазы камеры определяют эквивалентный пиксельный размер расстояния от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля.

8. Способ по п. 7, при выполнении которого на основе эквивалентного пиксельного размера расстояния от центра матрицы стереоскопической камеры до условной поверхности торца штабеля и величины стереобазы камеры определяют калибровочный коэффициент для выбранной точки.

9. Способ по п. 1, при выполнении которого длину средней линии боковой поверхности штабеля определяют на основе величины угла между оптической осью объектива камеры, которой получено стереоизображение, и направлениями на концы средней линии.

10. Способ по п. 1, при выполнении которого ориентацию каждого бревна в штабеле определяют путем сравнения диаметра торца каждого бревна со среднеарифметическим диаметром находящихся в штабеле бревен, и в случае если диаметр торца бревна превышает среднеарифметический, то данный торец регистрируют в качестве комля, а в случае если не превышает, то его регистрируют в качестве вершины бревна.

11. Способ по п. 1, при выполнении которого построенная пространственная модель бревна имеет форму усеченного конуса.

12. Способ по п. 1, при выполнении которого применяют нечеткие нейронные сети.