中国科技信息2023年6期

基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术研究

洪桂杰 费宇明

杭州灵瞳科技有限公司

摘要：本文基于高精度TOF相机，研究了拆跺码垛技术。该技术旨在通过TOF相机获取物体的精确三维信息，并结合图像处理和算法设计，实现对堆叠在一起的跺码进行自动拆垛。通过对TOF相机进行标定和校准，得到准确的深度信息。然后，利用图像处理方法提取跺码的形状和位置信息，并设计算法对跺码进行分割和拆垛操作。实验结果表明，基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术能够实现快速、准确和可靠的跺码拆垛。

关键字：TOF相机、拆跺码垛、图像处理、算法设计

引言：随着物流行业的快速发展，自动化仓储系统在实现高效、精确的货物处理方面起着重要作用。跺码（pallet）作为一种常见的货物运输和存储方式，广泛应用于仓储物流中。然而，对于堆叠在一起的跺码进行拆垛操作仍然是一个具有挑战性的任务。

传统的跺码拆垛技术主要依赖于结构光三维相机或视觉传感器获取物体的信息，并通过算法对跺码进行识别和分割。然而，由于传感器的成本和算法的复杂性，这些方法在实际应用中存在一定的局限性。

1. TOF相机的标定和校准

   TOF相机的标定和校准是基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术研究中的重要环节。在实现精确的深度测量和三维信息获取之前，必须对TOF相机进行准确的标定和校准。标定和校准过程涉及到相机内部参数和外部姿态的确定，以及相机与物体之间的准确对应关系的建立。

TOF相机的标定和校准工作对于后续的拆跺码垛操作至关重要。准确的标定和校准可以提供高精度的深度信息和准确的三维空间位置，为后续的图像处理和算法设计提供可靠的数据基础。通过有效的标定和校准，可以最大程度地提高拆跺码垛技术的准确性、效率和可靠性，进一步推动自动化仓储系统的发展和应用。

TOF相机的标定和校准是确保拆跺码垛技术的高精度和可靠性的基础。准确的标定和校准过程可以消除TOF相机的系统误差和畸变，从而提高深度测量的准确性和稳定性。

在标定过程中，需要注意选择合适的标定板或校准物体，其特征应具有丰富度和高对比度，以便于提取和匹配。同时，需要采集足够多的标定数据，覆盖相机视野的不同位置和角度，以获得全面的标定结果。

1.1标定相机的内部参数

在标定过程中，首先需要确定相机的内部参数，例如焦距、主点位置、畸变系数等。这可以通过利用已知的标定板或特定的校准物体进行相机标定来实现。标定板上具有已知尺寸和几何形状的特征点，通过在不同位置和角度下拍摄标定板并提取特征点，可以计算出相机的内部参数。

对于TOF相机的内部参数标定，常用的方法包括棋盘格标定和球面标定等。棋盘格标定方法通过在不同位置和角度下拍摄标定板，并提取标定板上的角点来计算内部参数。球面标定方法则利用球面标定物体，通过球面的几何关系来计算内部参数。根据实际需求和相机特性，选择适合的标定方法进行准确的内部参数标定。

1.2 对相机的外部姿态进行校准

外部姿态包括相机的位置和方向，即相机坐标系与世界坐标系之间的转换关系。在拆跺码垛应用中，通常是机械手与相机之间的标定，也称为手眼标定。通常使用已知空间位置的校准物体进行相机的姿态校准。通过在不同位置和角度下拍摄校准物体，并通过图像处理和计算方法来计算相机的外部姿态参数。

对于外部姿态的校准，可以采用多种方法，如基于点云配准、基于特征匹配的姿态估计等。这些方法通过在不同位置和角度下拍摄校准物体，并与已知的参考坐标系进行匹配，从而计算出相机的外部姿态参数。

1.3建立相机与物体之间的准确对应关系

在完成内部参数和外部姿态的标定后，还需要建立相机与物体之间的准确对应关系。这可以通过将已知尺寸和位置的物体放置在相机视野中，然后利用TOF相机获取物体的深度信息，并与实际测量值进行比较和校正来实现。通过对多个物体的测量和校正，可以建立相机深度测量的准确模型。

在标定和校准完成后，需要对得到的参数进行验证和精度评估。通过采集一系列具有已知尺寸和位置的物体，并利用标定和校准得到的参数进行深度测量，与实际值进行比较。通过评估测量误差和精度指标，可以验证标定和校准的准确性和可靠性，并进行必要的调整和优化。

2. 跺码形状和位置信息提取

跺码形状和位置信息的提取是基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术研究中的关键环节。通过TOF相机获取的深度图像数据，结合图像处理和分析方法，可以实现对跺码的形状和位置信息的准确提取。

2.1利用TOF相机获取的深度图像数据

可以通过对图像进行预处理和滤波，消除噪声和伪影，以获得清晰、准确的深度信息。这可以采用一系列图像处理技术，如平滑滤波、边缘检测和深度补偿等。通过分析深度图像数据，可以利用形状识别和分割算法提取跺码的形状信息。其中，形状识别可以通过检测跺码的边界和轮廓来实现。通过应用边缘检测和轮廓提取算法，可以识别出跺码的边界，并得到跺码的几何形状，如矩形、圆形等。同时，还可以利用形状特征提取算法，如角度、长宽比等，来进一步描述和量化跺码的形状信息。

2.2通过图像处理方法提取跺码的位置信息

通过检测跺码的中心位置和边界点的位置，可以计算出跺码在相机坐标系下的位置。这可以利用几何变换和标定参数来实现。通过相机的标定参数，可以将图像中的像素坐标转换为三维空间中的真实坐标，从而得到跺码的位置信息。

在跺码形状和位置信息提取过程中，还需要考虑跺码的堆叠情况和遮挡问题。对于堆叠的跺码，可以采用分层分割和形状匹配等方法来识别和分离不同层次的跺码。而对于部分遮挡的跺码，可以利用边缘补偿和形状填充等技术来进行形状和位置的修正和补偿。

通过以上的跺码形状和位置信息提取方法，可以获取到跺码在三维空间中的精确形状和位置信息。这为后续的跺码拆垛操作提供了准确的数据基础。同时，通过对跺码的形状和位置信息进行分析和处理，还可以实现对跺码堆叠状态的判断和分析，为后续的算法设计和决策提供依据。因此，跺码形状和位置信息的准确

3. 实验验证与性能评估

实验验证与性能评估是基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术研究中不可或缺的环节。通过进行一系列实验，可以验证所提出的技术在实际应用场景中的可行性和有效性，并对其性能进行评估和比较。

3.1验证技术的可行性

为了验证技术的可行性，可以设计合适的实验场景和跺码堆叠情况。在实验中，可以利用TOF相机采集跺码的深度图像数据，并通过所提出的算法和方法进行形状和位置信息的提取。通过比较实际测量结果和已知的跺码形状和位置，可以评估技术在准确性方面的表现。

3.2评估技术的性能

同时，为了评估技术的性能，可以考虑多个指标进行综合评估。其中，精度是一个关键指标，可以通过计算测量误差和真实值之间的差异来衡量。此外，还可以考虑技术的稳定性和重复性，通过多次实验的结果进行统计和分析，评估技术在不同条件下的一致性和稳定性。

3.3进行与传统方法的对比实验

可以进行与传统方法的对比实验，评估所提出技术的优势和改进之处。传统方法可以包括基于视觉的方法或其他深度传感器的方法。通过与传统方法的对比，可以量化新方法在拆跺码垛任务中的改进幅度和性能优势。

3.4考虑实际应用中的效率和实时性

通过评估技术的处理速度和实时性能，可以判断其在实际工业生产中的可用性和适用性。这可以通过测量处理时间、帧率和响应时间等指标来实现在实验验证和性能评估过程中，应考虑样本量的充分性和实验条件的多样性。通过涵盖不同尺寸、形状和堆叠方式的跺码样本，以及模拟实际工业环境中的不同条件和干扰因素，可以更全面地评估技术的性能和鲁棒性。

通过实验验证与性能评估，可以得出对基于高精度TOF相机的拆跺码垛技术的客观评价和结论。这不仅可以验证技术的可行性和有效性，还可以为后续的技术改进和应用推广提供依据，从而推动拆跺码垛技术的进一步发展和应用。

参考文献 

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