煤堆体积的计算方法及装置与流程

本发明涉及外形测量技术领域，具体而言，涉及一种煤堆体积的计算方法及装置。

背景技术：

在实际工作过程中，煤矿生产过程中产生大量堆放的原煤，因此需要对煤堆体积进行测量，从而掌握煤炭存量的具体数值，便于煤炭生产单位安排未来的生产、销售以及运输事务。相关技术中，煤堆体积的测量方法，大多依靠地面的光电设备，如根据激光测距原理来测量煤堆的参数，包括高和周长，并结合现有的经验模型对煤堆体积进行预估。然而采用这种方法对煤堆的体积进行测量的过程存在以下不足：

1.自动化程度低，需要一定的人工操作；

2.测量精度低，无法获得煤堆表面的精确形状，间接模型测量误差大。

针对上述相关技术中对煤堆的体积预估的精确度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种煤堆体积的计算方法及装置，以至少解决相关技术中对煤堆的体积预估的精确度低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种煤堆体积的计算方法，包括：采集待检测煤堆的图像序列，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件；确定图像序列中每张图像的像素坐标；通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标；基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，并通过三维模型计算待检测煤堆的体积。

进一步地，通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标包括：确定采集图像序列中相邻图像的对象的投影矩阵；根据图像序列中相邻图像的像素坐标和对象的投影矩阵计算待检测煤堆的三维坐标。

进一步地，在通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标之后，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型之前，方法还包括：确定图像序列中图像的数量；从图像中提取特征信息；通过图像的数量和特征信息对待检测煤堆的三维坐标进行修正，得到修正后的三维坐标；基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型包括：基于修正后的三维坐标构建待检测煤堆三维模型。

进一步地，通过三维模型计算待检测煤堆的体积包括：基于三维模型按照预设间距对待检测煤堆进行切片操作，其中，预设间距为对待检测煤堆切片的间隔距离；获取待检测煤堆的各个切片的面积；基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积。

进一步地，基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积包括：基于各个切片的面积和预设间距通过第一公式计算待检测煤堆的体积，其中，第一公式为：其中，V表示待检测煤堆的体积，△h表示预设间距，S表示切片的面积，m为正整数且m≦100。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种煤堆体积的计算装置，包括：采集单元，用于采集待检测煤堆的图像序列，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件；第一确定单元，用于确定图像序列中每张图像的像素坐标；第一计算单元，用于通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标；构建单元，用于基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型；第二计算单元，用于通过三维模型计算待检测煤堆的体积。

进一步地，第一计算单元包括：确定模块，用于确定采集图像序列中相邻图像的对象的投影矩阵；第一计算模块，用于根据图像序列中相邻图像的像素坐标和对象的投影矩阵计算待检测煤堆的三维坐标。

进一步地，装置还包括：第二确定单元，用于在通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标之后，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型之前，确定图像序列中图像的数量；提取单元，用于从图像中提取特征信息；修正单元，用于通过图像的数量和特征信息对待检测煤堆的三维坐标进行修正，得到修正后的三维坐标；构建单元包括：构建模块，用于基于修正后的三维坐标构建待检测煤堆三维模型。

进一步地，第二计算单元包括：切片模块，用于基于三维模型按照预设间距对待检测煤堆进行切片操作，其中，预设间距为对待检测煤堆切片的间隔距离；获取模块，用于获取待检测煤堆的各个切片的面积；第二计算模块，用于基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积。

进一步地，第二计算模块包括：计算子模块，用于基于各个切片的面积和预设间距通过第一公式计算待检测煤堆的体积，其中，第一公式为：其中，V表示待检测煤堆的体积，△h表示预设间距，S表示切片的面积，m为正整数且m≦100。

在本发明实施例中，在采集待检测煤堆的图像序列后，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件，确定图像序列中相邻图像的像素坐标，然后通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标，再基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，最后通过三维模型计算待检测煤堆的体积。在上述实施例中，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，通过三维模型计算待检测煤堆的体积，进而解决了相关技术中对煤堆的体积预估的精确度低的技术问题，从而达到了提升对煤堆的体积预估的精确度的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种煤堆体积的计算装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种煤堆体积的计算的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，采集待检测煤堆的图像序列，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件。

步骤S104，确定图像序列中每张图像的像素坐标。

步骤S106，通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标。

步骤S108，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，并通过三维模型计算待检测煤堆的体积。

通过上述步骤，在采集待检测煤堆的图像序列后，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件，确定图像序列中相邻图像的像素坐标，然后通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标，再基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，最后通过三维模型计算待检测煤堆的体积。在上述实施例中，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，通过三维模型计算待检测煤堆的体积，进而解决了相关技术中对煤堆的体积预估的精确度低的技术问题，从而达到了提升对煤堆的体积预估的精确度的技术效果。

在步骤S102提供的技术方案中，采用采集待检测煤堆的图像序列的对象，例如，无人机搭载相机设备，获取待检测煤堆的图像序列，保持无人机飞行高度不变。图像分辨率4000×3000pixel，通过飞行速度和飞行轨迹控制，使图像序列中2张相邻图像的重叠部分满足预设条件，例如，重叠部分不少于50％。其中，图像序列为不同时间、不同方位对待检测煤堆依序连续获取的系列图像。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法中，通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标包括：确定采集图像序列中相邻图像的对象的投影矩阵；根据图像序列中相邻图像的像素坐标和对象的投影矩阵计算待检测煤堆的三维坐标。

具体地，待检测煤堆上点的三维坐标可由图像序列上相邻图像的像素坐标与采集到的图像序列中相邻图像的对象(如相机)的投影矩阵来计算。其中，投影矩阵通过下述公式(1)计算：

其中，在公式(1)中，Xi表示物体点(即待检测煤堆上的点)的三维坐标，(ui,vi,1)，(ui',vi',1)表示物体点在两个相邻图像上的投影点(相当于上述的像素坐标)，P11，P12，P13表示投影矩阵P1的行向量，P21，P22，P23分别表示投影矩阵P2的行向量。

可选地，物体点(即待检测煤堆上的点)的三维坐标Xi，在两个图像上的投影点为：(ui,vi,1)，(ui',vi',1)，P1＝A[I/0]和P2＝A'[R/t]为拍摄两张图像时相机的投影矩阵，其中I为单位矩阵。P11，P12，P13为投影矩阵P1的行向量，P21，P22，P23分别对应投影矩阵P2的行向量。内参矩阵A可从相机的出厂参数查找，旋转向量R和平移向量t可通过对本质矩阵E进行SVD分解获得，本质矩阵E由内参矩阵A和两张图像上对应点的几何关系计算。

其中，SVD(Singular Value Decomposition，即奇异值分解)是线性代数中一种重要的矩阵分解，是矩阵分析中一种重要的矩阵分解，是矩阵分析中正规矩阵酉对角化的推广，在信号处理、统计学等领域有重要的应用。

可选地，为了提高计算出的待检测煤堆的三维坐标的精度，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法中，在通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标之后，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型之前，方法还包括：确定图像序列中图像的数量；从图像中提取特征信息；通过图像的数量和特征信息对待检测煤堆的三维坐标进行修正，得到修正后的三维坐标；基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型包括：基于修正后的三维坐标构建待检测煤堆三维模型。

需要说明的是，在本申请中的图像中提取特征信息，特征信息可以为图像上的特征点等等。

为了整体提高煤堆上的三维点云(即待检测煤堆的三维坐标)的重建精度，使用如下公式(2)对重建误差最小化：

其中，在公式(2)中，表示图像序列中图像的数量，X(i)表示3D点能够投影到第i个图像上的集合，d(ij)表示欧式距离，Radij表示投影点与对应图像点的差值，具体地，Radij可通过如下公式(3)计算：

Rad_ij＝m_ij-u_ij (3)

其中，在公式(3)中，m_ij表示在图像序列中图像上提取的特征点，u_ij为3D点在图像上的投影点，u＝h(X',θ'),其中X'表示空间内的三维点，θ'为数码相机参数，假

设X'＝X+δX+…，θ'＝θ+δθ'+…，由taylor展开式可得如下公式：

保留上述公式(4)的线性部分带入上述公式(3)可得如下公式(5)：

上述公式(5)可以通过LM法求解，从而计算出煤堆上三维点云的精确坐标。

需要说明的是，上述的LM(Levenberg-Marquardt，即列文伯格-马夸尔特法)是使用广泛的非线性最小二乘算法，利用梯度求最大(小)值的算法。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法中，通过三维模型计算待检测煤堆的体积包括：基于三维模型按照预设间距对待检测煤堆进行切片操作，其中，预设间距为对待检测煤堆切片的间隔距离；获取待检测煤堆的各个切片的面积；基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法中，基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积包括：基于各个切片的面积和预设间距通过第一公式计算待检测煤堆的体积，其中，第一公式为：其中，V表示待检测煤堆的体积，△h表示预设间距，S表示切片的面积，m为正整数且m≦100。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算方法中，采用Poisson(即泊松分布)法由三维点云重建煤堆三维网格表面，然后采用积分法计算煤堆三维模型的体积，具体方法为，沿着煤堆高度方向对煤堆三维模型进行切片操作，设煤堆高度为h,切片间隔Δh＝h/100，切片的面积为S，则煤堆体积V可由下式计算：

本发明实施例还提供了一种煤堆体积的计算装置，需要说明的是，本发明实施例的煤堆体积的计算装置可以用于执行本发明实施例所提供的用于煤堆体积的计算方法。以下对本发明实施例提供的煤堆体积的计算装置进行介绍。

图2是根据本发明实施例的一种煤堆体积的计算装置的示意图，如图2所示，该装置可以包括：采集单元21、第一确定单元23、第一计算单元25，构建单元27和第二计算单元29。

具体地，采集单元21，用于采集待检测煤堆的图像序列，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件。

第一确定单元23，用于确定图像序列中相邻图像的像素坐标。

第一计算单元25，用于通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标。

构建单元27，用于基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型。

第二计算单元29，用于基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，并通过三维模型计算待检测煤堆的体积。

在本发明实施例的一种煤堆体积的计算装置中，通过采集单元21采集待检测煤堆的图像序列，其中，图像序列中相邻图像的重叠部分满足预设条件；第一确定单元23确定图像序列中每张图像的像素坐标；第一计算单元25通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标；构建单元27基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型；第二计算单元29基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆的三维模型，并通过三维模型计算待检测煤堆的体积，进而解决了相关技术中对煤堆的体积预估的精确度低的技术问题，从而达到了提升对煤堆的体积预估的精确度的技术效果。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算装置中，第一计算单元25包括：确定模块，用于确定采集图像序列中相邻图像的对象的投影矩阵；第一计算模块，用于根据图像序列中相邻图像的像素坐标和对象的投影矩阵计算待检测煤堆的三维坐标。

可选地，在本发明实施例的一种煤堆体积的计算装置中，该装置还包括：第二确定单元，用于在通过图像序列中相邻图像的像素坐标计算待检测煤堆的三维坐标之后，基于待检测煤堆的三维坐标构建待检测煤堆三维模型之前，确定图像序列中图像的数量；提取单元，用于从图像中提取特征信息；修正单元，用于通过图像的数量和特征信息对待检测煤堆的三维坐标进行修正，得到修正后的三维坐标；构建单元包括：构建模块，用于基于修正后的三维坐标构建待检测煤堆三维模型。

可选地，第二计算单元29包括：切片模块，用于基于三维模型按照预设间距对待检测煤堆进行切片操作，其中，预设间距为对待检测煤堆切片的间隔距离；获取模块，用于获取待检测煤堆的各个切片的面积；第二计算模块，用于基于各个切片的面积和预设间距计算待检测煤堆的体积。

可选地，第二计算模块包括：计算子模块，用于基于各个切片的面积和预设间距通过第一公式计算待检测煤堆的体积，其中，第一公式为：其中，V表示待检测煤堆的体积，△h表示预设间距，S表示切片的面积，m为正整数且m≦100。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。