[发明专利]基于GPU的物料堆的体积测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种基于GPU的物料堆的体积测量方法，其特征在于，控制器的一端连接激光测距仪、行程传感器和旋转传感器，另一端连接计算机系统；通过激光测距仪、行程传感器和旋转传感器来获取被测目标的表面形态，得到目标表面三维坐标数据，通过控制器连接到计算机系统；

激光测距仪凭借旋转平台在煤场周围随行车运动对堆体连续作定点扫描，旋转平台旋转时测量物料堆表面到激光扫描仪安装位置的距离和旋转传感器测得的角度信息，测得的被测目标的距离和旋转传感器测得的角度信息形成物料堆横向截面的二维数据；斗轮机沿物料场纵向行进通过行程传感器得到位置信息，激光扫描仪测得的距离数据、旋转传感器测得的角度数据与行程传感器所获得的位置信息相匹配形成物料堆的若干点的三维坐标数据，输入控制器，通过光纤，传输到远程计算机，进行后期数据处理或管理；

所述的基于GPU的物料堆的体积测量方法，远程计算机的后期数据处理为：

(一)根据采样数据建立模型

1)、将采样数据进行重新排序

采集的数据每行的个数是不定的，而且由于是根据固定角度采样的，那么采集的点的顺序也是不确定的，所以采集进来的每行数据都要进行排序，也就是y分量排序；

2)、将数据进行网格化

由于行与行之间，所采集的数据在y分量上并不是完全对应的，那么要进行网格化，在两行之间，就要建立行间完全对应关系，所有行线段的两个端点不变，并且插点的动作也要在线段范围之内进行；插点的方法是如果当前线段上一个检测点的y分量值在和它相邻线段内部存在y分量值与之相等的一个点，那么就要在相邻线段内插入一点，这个点的x分量为此线段的x分量，y分量为检测点的y分量，z分量为这个点所在线段处的z分量线性插值结果；

3)、数据处理

通过应用软件Directx建立网格化的数据结构体Mesh，里面填充经过网格化后的数据，这个Mesh的结构为：

这个结构分别为点的位置、法线、纹理坐标以及归一化的高度，高度归一化的方法为当前点的z分量除以所有z分量的最大值所得到的结果；

(二)根据模型计算体积结果

1)、设备的创建

在创建Direct3D设备时，为了提高计算结果的精度，采用GPU高精度浮点运算模式和顶点软运算模式，并且作为储存结果的深度Surface，使用可锁定的32位浮点模式；

2)、模型的渲染

采用shader方法进行渲染，渲染所采用俯视角度，使用正交摄像机，并且工程的宽高分别为采集数据x分量与y分量的跨度；在顶点shader中定义输出分量包含高度分量，然后把每个顶点上的高度分量传出；这样在像素sharder中经过GPU的光栅化步骤，自动插值出每个像素的高度分量，然后把这个分量输出到深度缓冲区中；

3)、总体积计算

把深度surface锁定，取得里面的结果，深度surface长为a宽为b，那么深度缓冲区中共有a*b个二次采样点，这些采样点对应采集数据的x分量跨度Lx与y分量跨度Ly，那么求出每个采样点对应的面积s：

s＝(Lx*Ly)/(a*b)

又由于每个点的高度为归一化的值，那么总体积的计算公式为：

V=Σk=1a*bh*hmax*s;]]>

4)、将物料堆进行分堆并计算子体积

在实际物料存放时，会按照物料的不同而分堆存放；在数据采集后，根据测量数据将物料堆进行分割，并计算各个分堆的体积；

采用快速分组算法，首先建立一个数组，此数组用于记录子组的信息，包括最大值、最小值、体积累计；另外建立一个结果缓冲，用于记录每个深度点与子组对应关系；按扫描线顺序遍历所有深度点，当遍历到一个非边缘点d时，当点d高度大于最小值δ时，按顺序在缓冲组对应位置点的左侧、左上、上、右上点，当其中有点具有组索引时，表明此点与其它点相接，后面具有组索引的各点的组索引和当前对应点的组索引赋值为此组索引，且这些组索引所指向的组信息进行合并，而当这些点都不存在组索引时，那么表明此点与其它点不相接，此对应点的组索引为新组索引；

当此点为边缘点时，则按实际情况减少比较所需的点；所以这种分组方法只在遍历深度surface一次，复杂度为a*b。

2.如权利要求1所述的基于GPU的物料堆的体积测量方法，其特征在于，计算结果的直观表示方法为：

1)、平面高度JPG图

在体积计算完成后，会生成一张JPG图片；

2)、立体的AVI动画

在体积计算完成后，还会生成三个AVI动画，一个带贴图的煤堆、用深浅色描述高度的模型以及模型线框图；

3)、用于三维软件的模型文件

程序输出一个用于三维建模软件或模型显式软件的一个DirectX格式的三维线框模型。