劉學(xué)君，盧 浩,2，江 帆,2，李 京,2，戴 波

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引言

隨著危化品相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)危化品倉儲(chǔ)存在的問題逐漸顯現(xiàn)。為避免安全隱患，需要對?；穫}儲(chǔ)儲(chǔ)存時(shí)的堆垛情況進(jìn)行監(jiān)管。針對倉庫內(nèi)堆垛品的堆距、墻距、頂距、柱距、通道距五距原則，設(shè)計(jì)了危化品堆垛檢測的激光掃描定位裝置[1-2]。根據(jù)五距要求，確定5個(gè)報(bào)警檢測面。各掃描裝置實(shí)現(xiàn)對各個(gè)檢測平面的掃描，進(jìn)而得到各檢測面的二維數(shù)據(jù)[3]。

數(shù)據(jù)采集為掃描初始數(shù)據(jù)庫的建立及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有無障礙物遮擋、遮擋物尺寸還原等工作奠定基礎(chǔ)。所采集的數(shù)據(jù)直接影響后續(xù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算精度。由于激光掃描測量所測得的數(shù)據(jù)受到被測物體材質(zhì)、儀器測量角度、測量精度、邊緣效應(yīng)及外界環(huán)境的多重影響[4]，因而需要對掃描所獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1 掃描數(shù)據(jù)特點(diǎn)

所用激光測距儀為FTM-50A，測量裝置被固定于可旋轉(zhuǎn)的云臺上。采用由步進(jìn)電機(jī)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)及螺旋蝸桿組成的伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對選定監(jiān)測面的旋轉(zhuǎn)掃描并返回掃描點(diǎn)距離數(shù)據(jù)。通過對激光測距儀及編碼器返回?cái)?shù)據(jù)的處理，可以得到監(jiān)測面各個(gè)采樣點(diǎn)的角度及距離數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)坐標(biāo)如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)圖

掃描點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)可通過下式求得：

(1)

式中：x、y分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中單個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；D為該坐標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的激光測距儀所返回的距離數(shù)值；α為測得的坐標(biāo)點(diǎn)角度。

?；穫}儲(chǔ)激光掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有以下特征。

(1)排布相對規(guī)則。由于掃描的是倉庫內(nèi)部環(huán)境，掃描面多為墻面或化學(xué)品堆垛的某一邊，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)連線多為規(guī)則折線。

(2)存在“逸出值”?！耙莩鲋怠本唧w可表現(xiàn)為測得的距離值與真實(shí)值存在顯著的差別，也被稱為距離反常噪聲。激光探頭端的噪聲或掃描環(huán)境背景噪聲的峰值超出了實(shí)際掃描點(diǎn)的激光回波的峰值，出現(xiàn)了“逸出值”?！耙莩鲋怠敝饕梢韵?種原因產(chǎn)生。

①物體表面粗糙，激光照射時(shí)產(chǎn)生散斑，使得光路與實(shí)際距離差異較大。

②接收回波時(shí)，可能受散粒噪聲的影響。散粒噪聲和散斑噪聲的干擾導(dǎo)致距離測量值與真實(shí)值間存在巨大偏差。

(3)存在“失落信息點(diǎn)”?！笆湫畔Ⅻc(diǎn)”具體表現(xiàn)為設(shè)備測得的采樣點(diǎn)距離值為空白信息，產(chǎn)生的原因?yàn)椋杭す鉁y距儀沒有得到回波，脈沖發(fā)射通道上不存在反射表面(如天空等)，或者回波未能反射到測距儀上(如當(dāng)掃描至窗戶玻璃上時(shí))。

(4)具有“邊緣效應(yīng)”[5]。激光測距儀在掃描時(shí)所發(fā)出的激光會(huì)在掃描點(diǎn)處投射光斑。當(dāng)在不同目標(biāo)的交界處時(shí)，可能光斑的一部分在目標(biāo)內(nèi)部，另一部分在相鄰目標(biāo)處。來自這2個(gè)不同光斑點(diǎn)的反射能量最終都被系統(tǒng)接收，導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。

2 激光掃描數(shù)據(jù)處理算法

對激光掃描返回點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要集中在對“逸出值”及“失落信息點(diǎn)”的處理。掃描線數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)去除的方法,主要有直觀檢查法、曲線檢查法、弦高差方法、孤立點(diǎn)統(tǒng)計(jì)排異法、代數(shù)法等。此外，還可以借鑒數(shù)字圖像去噪的處理方法，將數(shù)據(jù)點(diǎn)視為灰度值來對待。常用的方法有均值濾波法、中值濾波法、自適應(yīng)濾波法等[6]。均值濾波雖簡單、常用，但相同的權(quán)值處理造成邊緣模糊，且沒有很好地利用被測點(diǎn)之間的相關(guān)性和位置信息。中值濾波具有較好的適用性，能有效抑制噪聲的非線性信號。

本文結(jié)合中值濾波和線性濾波的優(yōu)點(diǎn)，首先對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，濾除孤立的噪聲點(diǎn)；然后對存在大量噪聲點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線型性去噪并預(yù)測消失值，從而完成奇異點(diǎn)的處理[7]。

算法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 算法數(shù)據(jù)處理流程圖

3 中值濾波處理“逸出值”數(shù)據(jù)

中值濾波是基于非線性濾波的一種濾波方法。根據(jù)排序和統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，中值濾波方法能夠很好地抑制噪聲，得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。中值濾波可以應(yīng)用于圖像和數(shù)據(jù)。根據(jù)圖像的像素進(jìn)行排序和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)值進(jìn)行排序和分析。

標(biāo)準(zhǔn)中值濾波(standard median filter,SMF)的基本原理是對數(shù)字圖像或1組數(shù)據(jù)中的各點(diǎn)進(jìn)行排序，找出排序后的中間值，最后用中間數(shù)值代替這個(gè)點(diǎn)的實(shí)際值。根據(jù)這種方法，對這個(gè)數(shù)字圖像或者數(shù)據(jù)組進(jìn)行排序并代替[8]。數(shù)據(jù)處理過程如下。

設(shè)一組數(shù)據(jù)(數(shù)字圖像或者數(shù)字序列組)是{x1,x2,…,xn}，將n個(gè)數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小排序，排序后數(shù)組為{y1,y2,…,yn}，則：

(2)

式中：y為中間值。

中值濾波原理如圖3所示。

圖3 中值濾波原理圖

運(yùn)用中值濾波對激光掃描數(shù)據(jù)濾波。濾波前，從圖像中能觀察到偏離真實(shí)值的“逸出值”的存在；經(jīng)中值濾波處理后，去除了“逸出值”，保證了原有數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

4 擬合“失落信息點(diǎn)”數(shù)據(jù)

在?；穫}庫的掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)中，存在大量失落信息點(diǎn)，如果使用中值濾波，則必須增大濾波的閾值，這樣就造成對孤立的噪聲點(diǎn)的過濾效果不佳。針對大量失落信息點(diǎn)的情況，采用最小二乘擬合法，通過對失落信息點(diǎn)前后點(diǎn)的情況進(jìn)行擬合，預(yù)測失落信息點(diǎn)的值。

綜合?；穫}儲(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選用直線擬合進(jìn)行失落信息點(diǎn)數(shù)據(jù)補(bǔ)足。設(shè)x和y的函數(shù)關(guān)系為：

y=a0+a1x

(3)

式中：a0為截距；a1為斜率。

對于等精度測量所得到的N組數(shù)據(jù)(xi,yi),i=1,2,…,N。采用最小二乘法將觀測數(shù)據(jù)擬合為直線，進(jìn)而補(bǔ)足失落點(diǎn)數(shù)據(jù)。采用最小二乘法估計(jì)參數(shù)時(shí)，要求觀測值yi的加權(quán)平方和為最小。

(4)

(5)

利用所得的a0、a1，對失落信息點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)足[9]。

掃描面可能是由多個(gè)直線段所組成的折線，這需要進(jìn)行基于最小二乘法的分段擬合[9]。

最小二乘法的分段擬合思路是給定一個(gè)角度閾值。假設(shè)擬合出的線段起點(diǎn)為S(XS，YS)，終點(diǎn)為E(XE，YE)，下一個(gè)要擬合的點(diǎn)為N(XN,YN)，則S、E、N這3點(diǎn)間的距離可以通過計(jì)算求得。根據(jù)余弦定理，NE連線與SE直線的延長線夾角α可通過下式求得：

(6)

若α小于給定角度閾值，則認(rèn)為N在SE的延長線上。將其作為新的E點(diǎn)重新進(jìn)行線性擬合，直到計(jì)算結(jié)果大于給定閾值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[10-11]。

最小二乘法處理前后對比如圖4所示。

圖4(a)所示為擬合前掃描數(shù)據(jù)，圖中的空白區(qū)域表示激光掃描設(shè)備由于掃描到玻璃而無返回?cái)?shù)值的區(qū)域；圖4(b)為最小二乘法處理的數(shù)據(jù)，玻璃無返回值處的數(shù)據(jù)被擬合線段補(bǔ)齊且保留了兩端的輪廓線，與試驗(yàn)室實(shí)際測量的玻璃處位置相符，避免了無返回值區(qū)域的“失落信息點(diǎn)”對監(jiān)測結(jié)果的影響。

圖4 最小二乘法處理前后對比圖

5 結(jié)束語

對于倉儲(chǔ)碼垛五距定位監(jiān)控設(shè)備，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確度對設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要。本文提出了倉儲(chǔ)環(huán)境下定位點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中值濾波和最小二乘法聯(lián)合去噪算法。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效地去除掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的逸出和消失等奇異點(diǎn)，既保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又保證了監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確度與可靠性。

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