CN113834425B - 用于在中心物流库中对物体进行三维测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于在中心物流库中对物体进行三维测量的方法和装置。提供了一种用于中心物流库的三维测量装置，包括机架、云台、一对相机，其中一个相机是彩色相机，以便于对目标物体进行平面采集，另一个是深度相机，以便于对目标物体进行深度采集，其中，相机通过云台可移动地安装到机架上，其中，三维测量装置配置成使得：云台能够保持不动，因此固定到云台的相机保持不动，以便于相机的采集；云台能够根据控制移动，因此固定到云台的相机随之移动，其中，云台配置成可在至少两个维度上转动。特别地，所述三维测量装置配置成实施根据本发明的用于中心物流库的三维测量方法。

Description

用于在中心物流库中对物体进行三维测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于在中心物流库中对物体、特别是大型物体进行三维测量的方法和装置。
背景技术
中心物流库是从外采入库到分发给下游经销商的重要环节。在中心物流库的场所中，通过需要对物体、特别是大型物体进行三维测量，例如测量其长、宽、高三个参数。相较于例如尺寸在大约30cm量级的小型物体，大型物体的尺寸可能在大约1m量级，甚至更大。
在常规的测量方法和装置中，测量装置在安装时进行相对于工作环境的一次性调节后进行固定。在测量装置包括相机的情况下，这里的调节例如可以涉及确定相机平面的定向性，例如在侧向测量的情况下的竖向性。随后，目标物体在相对固定的距离处接受三维测量。
然而，由于测量原理的不同，测量精度存在差异，而且例如来自相机的数据的处理和储存复杂性也不尽相同，一些现有的方案可能不适于中心物流库场景下的便利性、经济性要求。此外，由于相机可能的固有缺陷以及随着时间流逝而引发的磨损，初始固定的测量装置不再能够进行准确地检测，从而无法准确地测量物体的三维尺寸。在一些情况下，可能的是测量装置在内部进行自补偿，但是这种内部自补偿可能已不足以将误差限制到期望范围内。但是重新人工对测量装置解除固定进行再调节再固定将是费时费力的。
发明内容
因此，需要针对中心物流库提供对物体、特别是大型物体进行三维测量的方法和装置，其能够具有良好的自动控制、扩大的测量条件、提高的测量精度和降低的维护成本。
根据本发明的一些方面，提供了一种用于中心物流库的三维测量装置，包括机架、云台、一对相机，其中一个相机是彩色相机，以便于对目标物体进行平面采集，另一个是深度相机，以便于对目标物体进行深度采集，其中，相机通过云台可移动地安装到机架上，其中，三维测量装置配置成使得：云台能够保持不动，因此固定到云台的相机保持不动，以便于相机的采集；云台能够根据控制移动，因此固定到云台的相机随之移动，其中，云台配置成可在至少两个维度上转动。特别地，所述三维测量装置配置成实施根据本发明的用于中心物流库的三维测量方法。
根据本发明的一些实施例，相机以优选共面的相机平面基本在竖向上面向下的方式进行安装。换句话说，相机将从上方朝着下方对测量区域进行采集。因此，在这种情况下，云台在至少两个维度上的转动将大致对应于相对于竖向的四个转动方向(前后左右)。这种转动将调节相机平面的双水平性。优选地，相机平面定位成距目标物体所定位的测量区域的高度为大约2.5-3m。这种定向和/或位置的设置对于中心物流库场景是非常有利的，因为目标物体可能沿着一定方向抵达测量区域并且在完成测量后离开测量区域，这种配置不容易干扰物流运输，也不容易受到周围环境的干扰。
根据本发明的一些实施例，机架包括立柱和与立柱基本垂直连接的横柱，其中，云台安装到横柱上。优选地，立柱的底端固定到支撑面板或直接到地面上，横柱的内端固定到立柱的顶端，其中，云台安装到横柱的外端。这样，机架的立柱、横柱的设置以及云台与机架的连接带来了简单但是强健的支撑结构。
根据本发明的一些实施例，云台包括连接部分、第一维度操控部分、第二维度操控部分，其中，连接部分连接到机架、优选地连接到机架的横柱、特别是其外端，第一维度操控部分连接到第二维度操控部分和连接部分两者。相应地，相机连接到第二维度操控部分。实际上，第一维度操控部分、第二维度操控部分、相机形成级联的关系，这意味着第一维度操控部分的操作导致第二维度操控部分连同相机的共同运动，第二维度操控部分的操作导致相机的运动。云台在至少两个维度上的转动也分配到第一维度操控部分和第二维度操控部分，其中，第一维度操控部分实现上述四个转动方向中的两个(沿着一轴线的正反转动)，第二维度操控部分实现上述四个转动方向中的另外两个(沿着另一轴线的正反转动)。特别地，该两个轴线是大致彼此正交的，并且都大致平行于相机平面。
根据本发明的一些实施例，连接部分包括连接夹板层。第一维度操控部分包括：第一舵机；第一夹板层，第一舵机的机壳固定到其上；旋转层，第一舵机的转动输出端连接到其上。第二维度操控部分包括：第二舵机；第二夹板层，第二舵机的机壳固定到其上；摇臂部，第二舵机的转动输出端连接到其上。第一夹板层固定到连接夹板层，第二夹板层固定到旋转层，相机安装到摇臂部上。优选地，第一舵机和第二舵机的转动输出端以其轴线基本正交。优选地，连接夹板层、第一夹板层、旋转层、第二夹板层保持基本平行。这样，形成了多层布置的云台结构，其不仅可以容易地适应于舵机和/或相机等的尺寸，而且提供了较刚性的构造，从而确保了在两个维度上的操控的稳定性。
根据本发明的一些实施例，彩色相机包括面阵的(即，二维)和/或广角的相机，和/或，深度相机包括基于结构光的深度摄像头。
根据本发明的一些实施例，三维测量装置配置成至少部分地接受远程操控。
根据本发明的一些方面，提供了一种用于中心物流库的三维测量方法，包括调节步骤和测量步骤，其中，测量步骤包括：准备好进行三维测量，利用固定地安装在云台上的彩色相机和深度相机分别对目标物体进行平面采集和深度采集，基于采集的信息计算目标物体的三维尺寸；其中，调节步骤包括在至少两个维度上转动彩色相机和深度相机固定到其上的云台，以便达到经调节的基准位置；其中，调节步骤包括利用标准件的调节，所述利用标准件的调节包括以下动作：使云台在第一维度和第二维度上转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的位置；从这个位置开始，改变云台在第一维度和第二维度中的至少一个上的位置；确定置于测量区域中的标准件的三维测量尺寸；重复改变云台位置和确定三维测量尺寸的子步骤，以便至少基于表征三维测量尺寸和标准件实际尺寸的差异的损失函数或其梯度的衍生函数确立经调节的基准位置。优选地，标准件在相机正下方和/或是1mx1mx1m的标准立方体。
根据本发明的一些实施例，在损失函数或其梯度的衍生函数的值处于预定范围内的情况下，确立经调节的基准位置，从而完成了利用标准件的调节。优选地，在利用标准件的调节中确立了经调节的基准位置的情况下，记录云台在第一维度和第二维度上所处的第一当前角度和第二当前角度。这里的第一当前角度和第二当前角度是有意义的，例如可用于下述无参照物的调节。
根据本发明的一些实施例，其中，在给定重复次数或调节时间后，当损失函数或其梯度的衍生函数的值超出预定范围时，利用标准件的调节终止，和/或，通知进行人工调节。换句话说，利用标准件的调节优选地不会无休止地进行下去。
根据本发明的一些实施例，每次使云台在第一维度和第二维度中的一个上改变限定的步进。因此，云台每次仅在一个自由度上改变。优选地，所述步进为1/4096度。这样云台以允许的最小转动幅度如单动地运动，可能有利地避免超调的发生。
根据本发明的一些实施例，在每次云台改变位置后，将本次改变前的损失函数或其梯度的衍生函数的值与本次的值进行比较，如果本次改变导致所述值上升，则下次改变使云台沿同一维度但在与本次改变相反的方向移动至少两个步进。因此，通过比较，可以显明地确认云台在给定维度上的调节是否是有效的。
根据本发明的一些实施例，在损失函数或其梯度的衍生函数的值具有非上升趋势的情况下，每次云台改变位置在第一维度和第二维度上交替进行。因此，通过交替，确保云台在两个维度上都可以获得有效的调节。
根据本发明的一些实施例，损失函数是标准件实际尺寸和三维测量尺寸的加权二次距，其中，加权系数是正的。特别优选的是，损失函数的梯度的衍生函数包括或是损失函数的梯度的每一维变量的平方和。因此，这样的衍生函数可以在利用标准件的调节的上述步骤中使用。申请人注意到，这样可以更显著地判断调节方向的正确性，并且可能避免所得值的局部振荡。
根据本发明的一些实施例，调节步骤还包括无参照物的调节，所述无参照物的调节包括以下动作：使云台沿着第一维度转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的第一位置，由此确定云台与该第一维度相关联的第一角度；使云台沿着第二维度转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的第二位置，由此确定云台与该第二维度相关联的第二角度。优选地，云台在第一维度和第二维度上的转动为0°-180°的范围。优选地，比较所确定的关联角度与预定角度的差异(例如以判断是否不同或超出阈值)，以便确立经调节的基准位置。
根据本发明的一些实施例，无参照物的调节和利用标准件的调节可以独立地进行，也可以耦合地进行。优选地，无参照物的调节执行为在利用标准件的调节之前，在无参照物的调节中确立了经调节的基准位置的情况下，不再执行后续的利用标准件的调节。另一方面，在无参照物的调节中关联角度与预定角度不同或差异超出阈值的情况下，转而进行利用标准件的调节。由此，可能在沿着一个维度的角度差异判断后就转到利用标准件的调节，那么在利用标准件的调节中，云台可能只需要在另一维度上达到距测量区域的测量高度最小值的位置即可，因为该一个维度的角度差异判断前已经在该一个维度上达到距测量区域的测量高度最小值的位置。优选地，第一预定角度、第二预定角度是初始限定的角度，和/或，由在利用标准件的调节中确立了经调节的基准位置的情况下所记录的云台在第一维度和第二维度上所处的第一当前角度和第二当前角度更新。即，利用标准件的调节中表征经调节的基准位置的云台与两个维度相关联的两个角度可以用于更新无参照物的调节中使用的预定角度。
根据本发明的一些实施例，调节步骤可以具有以下情形中的一个或多个：在对目标物体进行测量之前进行；在评估计算目标物体的三维尺寸后发起；包括在准备好进行三维测量的子步骤中。
根据本发明的一些实施例，在利用彩色相机对目标物体进行平面采集后，基于二维采集的结果确定目标物体的像素区域；在利用深度相机对目标物体进行深度采集后，基于深度采集的结果确定目标物体的缩放率；基于确定的结果，计算目标物体的三维尺寸。
根据本发明的一些实施例，在目标物体的厚度小于由相机所限定的相机平面距目标物体所定位的测量区域的高度的3％、2％、1％时，在计算目标物体的三维尺寸时，目标物体的平面二维尺寸计算与高度一维尺寸计算解耦。
根据本发明的一些实施例，方法的至少一些步骤通过在远程进行操控。
根据本发明的一些实施例，彩色相机包括面阵的(即，二维)和/或广角的相机，和/或，深度相机包括基于结构光的深度摄像头。
根据本发明的一些方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实施根据本发明的用于中心物流库的三维测量方法。
附图说明
图1示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置的示例性模块示意图。
图2示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置的示例性局部示意图。
图3示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置的示例性分解示意图。
图4A-4C示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置的示例性云台的平面图。
图5A-5C示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置的示例性舵机的平面图。
图6示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的测量步骤的流程图。
图7示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的测量原理的示例性图示。
图8示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。
图9示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。
图10示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。
具体实施方式
参考附图描述本发明，在附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所描绘和描述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。还将理解，本文公开的实施例可以以任何方式和/或组合来组合可以提供许多另外的实施例。
除非另有定义，本公开中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在上述描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。
为了便于说明，在各附图中，相同的附图标记指代相同或类似的模块、单元和/或部件，并且附图中的各部分不一定按比例绘制。
在常规的测量方法和装置中，维护通常都是人工操作的并且测量环境常常受限于特定的区域，一般而言，测量精度在±5％的误差量级。根据本发明，提供了用于中心物流库的三维测量方法和装置，其可以进行自动调节，经由远程操控来进行维护，并且对测量环境具有良好的适应性，经过测试，测量精度可以达到±2％或甚至更佳的误差量级。
参考图1，示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置1的示例性模块示意图。如图所示，用于中心物流库的三维测量装置1包括机架10、云台20、一对相机30a、30b。这对相机30a、30b通过云台20可移动地安装到机架10上。三维测量装置1配置成使得：云台20能够保持不动，因此固定到云台20的相机30a、30b保持不动，以便于相机30a、30b的采集；云台20能够根据控制移动，因此固定到云台20的相机30a、30b随之移动，其中，云台20配置成可在至少两个维度上转动。特别地，三维测量装置1配置成实施根据本发明的用于中心物流库的三维测量方法，如下具体描述。在本发明中，这对相机30a、30b可以分别是彩色相机和深度相机。彩色相机配置成对目标物体进行平面采集，深度相机配置成对目标物体进行深度采集。三维测量装置1还可包括其他部分，包括但不限于电源模块、控制模块、通信模块等。
参考图2，示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置1的示例性局部示意图。实际上，该图示出了特定的定向。具体地，相机30a、30b以优选共面的相机平面300基本在竖向上面向下的方式进行安装。因此，相机30a、30b将从上方朝着下方对测量区域R进行采集。相应地，在图示的实施例中，云台20在至少两个维度上的转动将大致对应于相对于竖向的四个转动方向(例如，沿着纸面的两个方向和进出纸面的两个方向)。这种转动将调节相机平面的双水平性。虽然测量区域R示出为属于地面2的一部分，但是在未示出的其他实施例中，测量区域R可以不同地设置，作为非限制性示例，测量区域R可以属于位于地面2上方的平台的一部分。优选地，相机平面300定位成距目标物体所定位的测量区域R的高度H为大约2.5-3m。
参考图3，示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置1的示例性分解示意图。下面分别描述机架10、云台20的配置，为清楚起见未示出相机30a、30b，其在后文详细描述。
机架10包括立柱101、横柱102，其中，立柱101、横柱102基本垂直连接。那么云台20将安装到横柱102上。在图示的实施例中，立柱101的底端固定到支撑面板103，横柱102的内端固定到立柱101的顶端。那么云台20将安装到横柱102的外端。需要指出的是，立柱101、横柱102和云台20还可能具有其他的连接形式、连接位置等，作为非限制性示例，支撑面板103可能具有除图示以外的矩形的其他形状，或者，立柱102可能直接固定到地面2而不使用支撑面板103，或者，立柱101和横柱102可能以其中间而非端部位置进行连接。
云台20包括连接部分200、第一维度操控部分201、第二维度操控部分202，它们在图示中从左侧向右侧排布。连接部分200连接到机架10，即云台20通过其连接部分200连接到机架10。在图示的实施例中，连接部分200连接到机架10的横柱102，具体是横柱102的外端。第一维度操控部分201连接到第二维度操控部分202和连接部分200两者。相应地，未示出的相机30a、30b连接到第二维度操控部分202。这样，第一维度操控部分201、第二维度操控部分202、相机30a、30b形成级联的关系，因此第一维度操控部分201的操作导致第二维度操控部分202连同相机30a、30b的共同运动，第二维度操控部分202的操作导致相机30a、30b的运动。云台20在至少两个维度上的转动将分配到第一维度操控部分201和第二维度操控部分202。具体地，第一维度操控部分201实现上述四个转动方向中的两个(例如，进出纸面的正反转动)，第二维度操控部分202实现上述四个转动方向中的另外两个(沿着纸面的正反转动)。因此，第一维度操控部分201和第二维度操控部分202操控的维度是大致彼此正交的，转动的轴线大致平行于相机平面300。
下面分别描述云台20的各部分的细节配置。
连接部分200包括连接夹板层2000。在图示的实施例中，连接夹板层2000形成为矩形，但是也可以具有其他适当的形状。连接夹板层2000中设置有孔2000-1(示出仅其中一些)，例如用于与横柱102的固定连接和/或与第一维度操控部分201的固定连接。
第一维度操控部分201包括第一舵机2010、第一夹板层2011、旋转层2012。第一舵机2010的机壳固定到第一夹板层2011，并且第一舵机2010的转动输出端连接到旋转层2012。在图示的示例中，第一夹板层2011、旋转层2012形成为圆形，但是也可以具有其他适当的形状。第一夹板层2011固定到连接夹板层2000，这优选地通过连接杆2011-1进行，特别是与至少一些孔2000-1对准地固定。旋转层2012中设置有孔2012-1(示出仅其中一些)，例如用于与转动输出端的固定连接和/或与第二维度操控部分202的固定连接。
第二维度操控部分202包括第二舵机2020、第二夹板层2021、摇臂部2012。第二舵机2020的机壳固定到第二夹板层2021，并且第二舵机2020的转动输出端连接到摇臂部2012。在图示的示例中，第二夹板层2021形成为圆形、摇臂部2012形成为C形，但是也可以具有其他适当的形状。第二夹板层2021固定到旋转层2012，这优选地通过连接杆2021-1进行，特别是与至少一些孔2012-1对准地固定。
未示出的相机30a、30b将安装到摇臂部2012上。优选地，第一舵机2010和第二舵机2020的转动输出端以其轴线基本正交。实际上，这两个轴线可以对应于上述的第一维度操控部分201的一轴线和第二维度操控部分202的另一轴线。
优选地，连接夹板层2000、第一夹板层2011、旋转层2012、第二夹板层2021保持基本平行，并且优选地关于各自中心纵向轴线(如图所示大致从左)往右延伸大致对准。这样，形成了多层布置的云台结构，其紧凑而稳定。
参考4A-4C，示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置1的示例性云台20的平面图。
从图4A-4B可见云台20的示例性侧视图。特别是云台20的第二操控部分202的舵机2020通过中间托架2023间接地安装到第二夹板层2021。从图4C可见第一夹板层2011的连接孔2011-2，其例如接收连接杆2011-1的一端。第一夹板层2011还设置有一大致矩形的开口2011-3，第一舵机2010的机壳将部分地穿过该开口并进行固定。需要指出的是，这里仅示出可能的示例，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，云台20的各部分可以以适当的方式直接或间接地连接。
参考图5A-5C，示出了根据本发明的一些实施例的三维测量装置1的示例性舵机2010、2020的平面图。特别是舵机2010、2020包括位置/角度检测器或和位置/角度检测器(例如，电位计、编码器等)结合使用，从而给出舵机旋转位置/角度的信息。从图5C看出示例性舵机2010、2020与上图4C的第一夹板层2011的配合关系。需要指出的是，这里仅示出可能的示例，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，舵机2010、2020可以具有其他的构造。
在本发明中优选的是，彩色相机包括面阵的(即，二维)和/或广角的相机，和/或，深度相机包括基于结构光的深度摄像头。首先，这种配置避免了使用激光扫描方法和装置来增加设备成本。而且，相比于其他可能的深度测量技术，结构光在本发明的应用场景中具有明显的优势。
对于结构光的深度测量技术，通常适合于在近距离场景下(0.3m-5m)，精度较高。在1m内，精度可以做到1mm，甚至可用于3D的人脸识别。在1m-5m的距离误差也可以控制在毫米级。分辨率较高，环境光影响小，功耗低。虽然远距离误差增加很快，精度差，但是考虑到本发明的优选测量距离和测量对象，这种缺点并不突显。
对于TOF(飞行时间)的深度测量技术，由于其误差是按百分比计算的，例如大约是2％左右，所以在远距离和其他方案相比，精度要高出很多，并且响应时间快。然而，目前的TOF的深度测量技术，设备分辨率都比较低，大多都是QVGA。百分比的精度误差在近距离是相对较差的，因此并不适合。
对于双目视觉的深度测量技术，其精度高，分辨率高，但是容易受到光照影响，算法难度相较复杂，导致响应速度较慢，帧率低，***资源需求大，因此并不适合。
在上述装置中，装置配置成至少部分地接受远程操控。
参考图6，其示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的测量步骤的流程图。优选地，根据本发明的三维测量装置1配置成执行如图6所示的流程，基本上包括如下步骤：601，准备好进行三维测量；602，利用彩色相机和深度相机分别对目标物体进行平面采集和深度采集；603，基于采集的信息计算目标物体的三维尺寸。需要注意的是，虽然这里将基于彩色相机和深度相机的采集一起描述，但是采集过程可以是分开地串行地进行的，即一个相机的采集跟随在另一个相机的采集之后。可选地，在计算目标物体的三维尺寸之后对其进行评估，例如人工评估。
参考图7，其示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的测量原理的示例性图示。
参考图7，相机平面基本在竖向上面向下，其原点用附图标记O表示，物体具有顶点A、D、E、F(如大致立方形)，放置在测量区域内，其中，相机平面(如原点O)到测量区域的距离(如高度)为H，相机平面(如原点O)到物体上表面的距离(如高度)为h，测量区域的像素尺寸为L(相应地事先给定或标定出测量区域的实际尺寸为Lreal)，物体的像素尺寸为线段BC。实际上，物体的真实像素尺寸为线段AD。在测量物体如图所示的维度尺寸时，进行如下计算：
其中，可以将定义为高度比(缩放比)。
当物体高度较高时，表征偏差的线段BE、FC的像素尺寸不可忽略，因此物体的维度尺寸如上计算。另一方面，当物体高度较低时，表征偏差的线段BE、FC可能可以忽略不计，换句话说，缩放比小于1但接近于1，这时物体的维度尺寸可以如下计算：
因此，在例如薄板型的目标物体(如厚度小于高度H的3％、2％、1％)等时，在计算目标物体的三维尺寸时，目标物体的平面二维尺寸计算与高度一维尺寸计算解耦。
实际上，上述关于测量区域R的表征(像素尺寸、实际尺寸等)可以利用以预定模式设置在测量区域R内的标线，例如为已知尺寸的标线框。目标物体的像素区域基于二维采集的结果确定，因此可以确定目标物体的像素尺寸。类似地，标线(例如，标线框)的像素区域基于二维采集的结果确定，因此可以确定标线的预定模式在像素上的表征(例如，标线框的像素尺寸)。因此，获得上述计算式。
需要指出的是，以上虽然根据图7的示例性图示描述了对物体的一个平面维度的尺寸的计算，清楚的是相同的构思也可适用于与其正交的另一平面维度的尺寸的计算，以及可能的其它非正交平面维度的尺寸的计算。
从理论来讲，基于深度摄像头的采集信息进行散点建模即可得到物体的长宽高信息。例如，(3D)结构光技术本身可用于在5m以内近距离精度要求在毫米级的立体视觉。但是，考虑到本发明的综合性应用环境和条件，不光需要考虑能够实现物体三维的测量，还要考虑在实际应用便于数据处理等因素。通常进行的这种建模缺乏直观性且不利于存档。相比之下，基于深度摄像头主要获得高度信息(由此获得所谓的缩放比)，结合基于二维相机的信息，进行如上所述的测量计算是特别有利的，采集的结果可以直观地观察，便于记录，而且数据处理可以是简单便利的。这与通常的观念不同。
根据本发明的一些实施例，只有在测量高度时(例如，二维相机可能无法获得高度信息)，才会使用深度相机。那么在深度相机包括基于结构光的深度摄像头的情况下，结构光仅用于测量深度/高度(例如，物体的、测量区域的)。当然，本领域技术人员熟知对基于二维采集的结果进行适当处理，包括但不限于透视矫正、透视补偿、二值化、边缘识别等。
在本发明中，三维测量方法包括调节步骤，所述调节步骤包括通过转动相机30a、30b随动地固定到其上的云台20，以便达到经调节的基准位置。在这个过程中，相机30a、30b随着云台10移动，因此相机平面300的定向发生改变。优选地，根据本发明的三维测量装置1配置成执行所述调节步骤。优选地，调节可以在对目标物体进行采集之前进行(因此，可以包括在上述步骤601中)，也可以在评估计算目标物体的三维尺寸后发起，例如人工发起。
调节步骤包括实施一种或多种调节的方案：利用标准件的调节和/或无参照物的调节。
参考图8，其示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。优选地，根据本发明的三维测量装置1配置成执行这里的调节步骤。这里的调节步骤基本上包括如下步骤：801，使云台20沿着第一维度转动(例如，0°-180°范围)，基于深度相机的采集确认达到距测量区域R的测量高度最小值的第一位置，由此确定云台20与该第一维度相关联的第一角度；802，比较第一角度与第一预定角度的差异；803，使云台20沿着第二维度转动(例如，0°-180°范围)，基于深度相机的采集确认达到距测量区域R的测量高度最小值的第二位置，由此确定云台20与该第二维度相关联的第二角度；804，比较第二角度与第二预定角度的差异；805，确立经调节的基准位置。在图示的实施例中，虽然将比较描述为在每次确定后都进行，但是可以理解的是，比较可以在完成所有确定后一起进行。这里，第一、第二预定角度可以是在三维测量装置1初始安装配置时限定的角度，也可以如下所述是在利用标准件的调节获得的角度。当与预定角度的差异处于预定范围内时，认为完成了无参照物的调节。然而，当与预定角度的差异超出预定范围时，这种无参照物的调节可能无法满足需求。那么，可能的是在关于一个维度的比较得到负面的结果的情况下，无参照物的调节提前(例如，关于另一个维度的转动和/或比较不再进行)终止，和/或，转而进行利用标准件的调节。
参考图9，其示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。优选地，根据本发明的三维测量装置1配置成执行这里的调节步骤。这里的调节步骤基本上包括如下步骤：901，使云台20在第一维度和第二维度上均达到距测量区域R的测量高度最小值的位置，从而确定云台的粗位置(例如，在相机以相机平面基本在竖向上面向下的情况中相机平面的粗水平位置)；902，从这个粗位置开始改变云台在第一维度和第二维度中的至少一个上的位置(例如，通过改变角度，特别是舵机的操作)；903，确定置于测量区域R中(例如，在相机正下方)的标准件(例如，1mx1mx1m的标准立方体)的三维测量尺寸；重复902、903，以便至少基于表征三维测量尺寸和标准件实际尺寸的差异的损失函数或其梯度的衍生函数确立904经调节的基准位置。例如，在损失函数或其梯度的衍生函数的值处于预定范围内的情况下确立经调节的基准位置，认为完成了利用标准件的调节。然而，当损失函数或其梯度的衍生函数的值超出预定范围时，这种标准件的调节可能无法满足需求。那么，可能的是在一定次数或一定时间仍得到负面的结果的情况下，利用标准件的调节终止，和/或，通知进行人工调节。
值得注意的是，可以发现上述利用标准件的调节中的达到粗位置的动作与上述无参照物的调节中的转动动作是类似的，不过不再需要进行无参照物的调节中的比较动作。实际上，根据本发明的一些实施例，这两种调节可以至少在一些步骤上耦合。当然，在其他实施例中，各调节可独立地进行。
根据本发明的一些实施例，每次使云台在第一维度和第二维度中的一个上改变限定的最小转动幅度(步进)，例如1/4096度。
根据本发明的一些实施例，在每次云台改变位置后，将本次改变前的损失函数或其梯度的衍生函数的值与本次的进行比较，如果本次改变无法使所述值下降(以及可能的保持不变)，则下次改变使云台沿同一维度但在与本次改变相反的方向移动至少两个步进。
根据本发明的一些实施例，在损失函数或其梯度的衍生函数的值正确下降的情况下，每次云台改变位置在第一维度和第二维度上交替进行。
例如，在一个非限制性示例中，云台可能以如下模式移动(其中，第一维度的两个方向用w+、w-表示，第二维度的两个方向用l+、l-表示)：
w->l+>l->l->w->l->w->l->w-
其中，l+后面跟随的两个l-体现了上述改变换向的过程。
根据本发明的一些实施例，损失函数优选为：
loss＝a1*(x-x0)2+a2*(y-y0)2+a3*(z-z0)2
其中，a1-a3是正系数，x0，y0，z0是标准件实际尺寸(例如，1mx1mx1m)，x，y，z是三维测量尺寸。
损失函数的梯度可以计算为：
那么在上述优选损失函数的情况下，梯度可以计算为：
根据本发明的一些实施例，特别优选的是在步骤904中使用损失函数的梯度的每一维变量的平方和(即，所谓的损失函数的梯度的衍生函数)。
当然，本领域技术人员知晓其它形式的损失函数及其梯度。
参考图10，其示出了根据本发明的一些实施例的三维测量方法的调节步骤的流程图。优选地，根据本发明的三维测量装置1配置成执行这里的调节步骤。这里的调节步骤基本上包括无参照物的调节1001、利用标准件的调节1002以及可能的通知进行人工调节1003。无参照物的调节1001包括与步骤801-805类似的步骤1001-1至1001-5。1000表示确立经调节的基准位置。如图所示，当比较步骤1001-2、1001-4得到负面的结果时，都转到利用标准件的调节1002。这里，利用标准件的调节1002未示出具体步骤，但是清楚的是，关于粗位置的确定(参考步骤901)，云台20实际上已经在两个维度中的一个或两个中达到距测量区域R的测量高度最小值的位置。因此，关于粗位置的确定，云台20可能不再需要转动或者只需要在剩余维度上达到距测量区域的测量高度最小值的位置即可。接下来，若利用标准件的调节1002得到正面的结果，则可以确立1000经调节的基准位置。优选地，无参照物的调节中使用的预定角度可以更新为利用标准件的调节中表征经调节的基准位置的云台20与两个维度相关联的两个角度。若利用标准件的调节1002得到负面的结果，则指示上述调节都失败了。根据本发明的一些实施例，方法可以包括通知进行人工调节，例如以便在上述调节仍可能无法满足预期目的情况下进行维护。
在上述方法中，方法的至少一些步骤通过在远程进行操控，例如上述的测量和/或调节均可通过远程操控。
要指出的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，方法步骤不是必须按照所描绘的序列来进行。
通过利用本发明的用于中心物流库的三维测量装置和三维测方法，将测量精度提高了大约三个百分点，且因为自调节而较不受限，灵活适应于实际测量环境，优选地采用结构光技术而优于如TOF、双目等技术，并且还提供了远程操控的可能性。
以上是对本发明的说明，而不应被解释为对本发明的限制。虽然已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将容易地理解，在不实质上脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，在示例性实施例中可以进行许多修改。因此，所有这些修改旨在被包括在如权利要求中所限定的本发明的范围内。本发明由所附权利要求限定，其中包括权利要求的等同形式。

Claims (25)

1.一种用于中心物流库的三维测量方法，包括调节步骤和测量步骤，其特征在于，测量步骤包括：
准备好进行三维测量，
利用固定地安装在云台上的彩色相机和深度相机分别对目标物体进行平面采集和深度采集，
基于采集的信息计算目标物体的三维尺寸；
其中，调节步骤包括在至少两个维度上转动彩色相机和深度相机固定到其上的云台，以便达到经调节的基准位置；
其中，调节步骤包括利用标准件的调节，所述利用标准件的调节包括以下动作：
a.使云台在第一维度和第二维度上转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的位置；
b.从这个位置开始，改变云台在第一维度和第二维度中的至少一个上的位置；
c.确定置于测量区域中的标准件的三维测量尺寸；
d.重复改变云台位置和确定三维测量尺寸的子步骤b、c，以便至少基于表征三维测量尺寸和标准件实际尺寸的差异的损失函数或其梯度的衍生函数确立经调节的基准位置；
其中，损失函数定义为：
loss＝a1*(x-x0)2+a2*(y-y0)2+a3*(z-z0)2；
其中，a1-a3是正系数，x0，y0，z0是标准件实际尺寸，x，y，z是三维测量尺寸。
2.根据权利要求1所述的三维测量方法，其特征在于，在损失函数或其梯度的衍生函数的值处于预定范围内的情况下，确立经调节的基准位置，从而完成了利用标准件的调节。
3.根据权利要求2所述的三维测量方法，其特征在于，在利用标准件的调节中确立了经调节的基准位置的情况下，记录云台在第一维度和第二维度上所处的第一当前角度和第二当前角度。
4.根据权利要求1所述的三维测量方法，其特征在于，在给定重复次数或调节时间后，当损失函数或其梯度的衍生函数的值超出预定范围时，利用标准件的调节终止，和/或，通知进行人工调节。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，每次使云台在第一维度和第二维度中的一个上改变限定的步进。
6.根据权利要求5所述的三维测量方法，其特征在于，所述步进为1/4096度。
7.根据权利要求5所述的三维测量方法，其特征在于，在每次云台改变位置后，将本次改变前的损失函数或其梯度的衍生函数的值与本次的值进行比较，如果本次改变导致所述值上升，则下次改变使云台沿同一维度但在与本次改变相反的方向移动至少两个步进。
8.根据权利要求7所述的三维测量方法，其特征在于，在损失函数或其梯度的衍生函数的值具有非上升趋势的情况下，每次云台改变位置在第一维度和第二维度上交替进行。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，损失函数的梯度为：
其中，在步骤d中使用的是损失函数的梯度的每一维变量的平方和。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，调节步骤还包括无参照物的调节，所述无参照物的调节包括以下动作：
A.使云台沿着第一维度转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的第一位置，由此确定云台与该第一维度相关联的第一角度；
B.比较第一角度与第一预定角度的差异；
C.使云台沿着第二维度转动，基于深度相机的采集确认达到距测量区域的测量高度最小值的第二位置，由此确定云台与该第二维度相关联的第二角度；
D.比较第二角度与第二预定角度的差异；
E.当与预定角度的差异处于预定范围内时，确立经调节的基准位置，从而完成了无参照物的调节。
11.根据权利要求10所述的三维测量方法，其特征在于，无参照物的调节执行为在利用标准件的调节之前，在无参照物的调节中确立了经调节的基准位置的情况下，不再执行后续的利用标准件的调节。
12.根据权利要求10所述的三维测量方法，其特征在于，当在步骤B和D的任一个中与预定角度的差异超出预定范围时，无参照物的调节提前终止，和/或，转而进行利用标准件的调节，其中，使云台在尚未达到距测量区域的测量高度最小值的位置的维度上达到距测量区域的测量高度最小值的位置，以便达到与执行步骤a相同的状态，并且由此执行利用标准件的调节的其余步骤。
13.根据权利要求10所述的三维测量方法，其特征在于，第一预定角度、第二预定角度是初始限定的角度，和/或，由在利用标准件的调节中确立了经调节的基准位置的情况下所记录的云台在第一维度和第二维度上所处的第一当前角度和第二当前角度更新。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，调节步骤在对目标物体进行测量之前进行，和/或，在评估计算目标物体的三维尺寸后发起，和/或，包括在准备好进行三维测量的子步骤中。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，在利用彩色相机对目标物体进行平面采集后，基于二维采集的结果确定目标物体的像素区域；在利用深度相机对目标物体进行深度采集后，基于深度采集的结果确定目标物体的缩放率；基于确定的结果，计算目标物体的三维尺寸。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，在目标物体的厚度小于由相机所限定的相机平面距目标物体所定位的测量区域的高度的3％时，在计算目标物体的三维尺寸时，目标物体的平面二维尺寸计算与高度一维尺寸计算解耦。
17.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，方法的至少一些步骤通过在远程进行操控。
18.根据权利要求1-4中任一项所述的三维测量方法，其特征在于，所述彩色相机包括面阵的和/或广角的相机，和/或所述深度相机包括基于结构光的深度摄像头。
19.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实施根据权利要求1-18中任一项所述的用于中心物流库的三维测量方法。
20.一种用于中心物流库的三维测量装置，其特征在于，包括机架、云台、一对相机，其中一个相机是彩色相机，以便于对目标物体进行平面采集，另一个是深度相机，以便于对目标物体进行深度采集，其中，相机通过云台可移动地安装到机架上，其中，三维测量装置配置成使得：云台能够保持不动，因此固定到云台的相机保持不动，以便于相机的采集；云台能够根据控制移动，因此固定到云台的相机随之移动，其中，云台配置成可在至少两个维度上转动，
所述三维测量装置配置成实施根据权利要求1-18中任一项所述的用于中心物流库的三维测量方法。
21.根据权利要求20所述的三维测量装置，其特征在于，相机以相机平面基本在竖向上面向下的方式进行安装，和/或，相机平面定位成距目标物体所定位的测量区域的高度为2.5-3m。
22.根据权利要求20所述的三维测量装置，其特征在于，机架包括立柱和与立柱基本垂直连接的横柱，其中，云台安装到横柱上。
23.根据权利要求20所述的三维测量装置，其特征在于，云台包括连接部分、第一维度操控部分和第二维度操控部分，其中，所述连接部分连接到机架，所述第一维度操控部分连接到第二维度操控部分和连接部分两者，所述相机连接到第二维度操控部分，其中，连接部分包括连接夹板层，
第一维度操控部分包括：第一舵机、第一夹板层和旋转层，第一舵机的机壳固定到所述第一夹板层上，第一舵机的转动输出端连接到所述旋转层上，
第二维度操控部分包括：第二舵机、第二夹板层和摇臂部，第二舵机的机壳固定到所述第二夹板层上；第二舵机的转动输出端连接到所述摇臂部上，
第一夹板层固定到所述连接夹板层，第二夹板层固定到所述旋转层，相机安装到摇臂部上。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的三维测量装置，其特征在于，所述彩色相机包括面阵的和/或广角的相机，和/或所述深度相机包括基于结构光的深度摄像头。
25.根据权利要求20-23中任一项所述的三维测量装置，其特征在于，三维测量装置配置成至少部分地接受远程操控。
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