基于圖像處理技術(shù)的顆粒檢測系統(tǒng)

苑瑋琦 暴吉寧 李立奇

(沈陽工業(yè)大學(xué)視覺檢測技術(shù)研究所，沈陽 110870)

顆粒粒度是顆粒類物質(zhì)的重要質(zhì)量指標(biāo),其準(zhǔn)確的測量對顆粒后續(xù)加工的許多技術(shù)性能和實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。目前，在農(nóng)業(yè)上，顆粒檢測系統(tǒng)可以用來檢測大米在裝袋之前是否合格；在地質(zhì)學(xué)上，顆粒檢測系統(tǒng)可以用來檢測沙土在外力沖擊及擠壓等情況下的應(yīng)力反應(yīng)等。顆粒檢測工業(yè)將成為21世紀(jì)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一[1,2]。目前對顆粒粒度的檢測大多采用篩分法、顯微鏡法及沉降法等，這些方法存在測量準(zhǔn)確度低、測量復(fù)雜及代表性差等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像的處理與分析理論及其配套技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，機(jī)器視覺技術(shù)在顆粒檢測系統(tǒng)中已經(jīng)有了應(yīng)用[3]。基于圖像處理技術(shù)的顆粒檢測有了很大進(jìn)展，可以有效克服以上方法的不足，得到合理準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，同時(shí)也代表了粒度檢測的發(fā)展方向。

以鋼砂顆粒作為主要研究對象，選用顆粒樣本的直徑在50～500μm。采用高分辨率的線陣CCD相機(jī)和工業(yè)顯微放大鏡頭，實(shí)現(xiàn)了在高分辨率下對動態(tài)粉體顆粒的拍攝和自動識別的目的。眾所周知，用線陣相機(jī)拍攝的圖像，其傳輸速度較快，清晰度高，并且獲得的圖片所含顆粒數(shù)目較多，滿足實(shí)驗(yàn)對顆粒粒徑分析的要求。同時(shí)，采用DSP處理器自動控制相機(jī)工作，設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的圖像識別系統(tǒng)。

顆粒檢測系統(tǒng)主要由光源、干法分散進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)、光學(xué)工業(yè)放大鏡頭、線陣相機(jī)、圖像處理器(TMS320DM648開發(fā)板)、顯示屏和震動開關(guān)組成，如圖1所示。

圖1 顆粒檢測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的工作流程：光源、相機(jī)、處理器上電后，分散進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)開始進(jìn)料，進(jìn)而使震動開關(guān)發(fā)送有效信號觸發(fā)DSP工作，DSP發(fā)送控制信息控制線陣相機(jī)開始采集圖片，采集到的圖片經(jīng)過圖像處理技術(shù)的分析和處理，最后檢測出圖片的顆粒粒度。

1.1 光源

在實(shí)驗(yàn)中選擇LED燈制成的光源，這是因?yàn)椋河蔁晒鉄糁瞥傻墓庠戳炼群头€(wěn)定性都很差；由鹵素?zé)糁瞥傻墓庠措m然亮度夠用，但使用壽命較短；而相對來說，LED燈制成的光源使用壽命長且亮度穩(wěn)定。又由于實(shí)驗(yàn)需要直射光，因此制成了條形的LED光源，如圖2所示。

圖2 自制的條形LED光源

1.2 顆粒拍攝方向

系統(tǒng)的目的是對大量的顆粒樣本進(jìn)行處理分析，為了減少大量顆粒的粘連現(xiàn)象，所以需要顆粒運(yùn)動起來。設(shè)計(jì)采用使顆粒豎直下落的方式，在其在下落的過程中進(jìn)行拍攝，如圖3所示，這種方式很好地解決了顆粒粘連問題，為此購進(jìn)了型號為BT-900的干法分散進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)。

圖3 豎直下落的拍攝方式

1.3 相機(jī)

由于設(shè)計(jì)選擇了豎直下落的拍攝方式，在下落的過程中顆粒做自由落體運(yùn)動，而且顆粒本身的檢測范圍在50～500μm之間，體積很小，所以選擇了適合拍攝高速運(yùn)動物體的相機(jī)——線陣相機(jī)。與面陣相機(jī)相比，它具有較高的掃描頻率和分辨率，可以對顆粒進(jìn)行逐行掃描，最后將拍得的圖像進(jìn)行處理。所以對線陣相機(jī)來說，行頻(Hz)是一個(gè)重要參數(shù)，指每秒在屏幕上從左到右掃描的次數(shù)，它的數(shù)值越大拍攝的圖像分辨率越高，穩(wěn)定性越好。

本次設(shè)計(jì)選擇了顆粒在做自由落體下降到15mm時(shí)進(jìn)行拍攝，由自由落體公式可知：

Vt2=2gh

(1)

其中g(shù)取9.8m/s2，則顆粒在h=15mm時(shí)的速度Vt為542mm/s。在這里，設(shè)每個(gè)顆粒需要5個(gè)像素表示，每個(gè)顆粒的大小最小為50μm，則視覺精度為50/5=0.01mm/像素。又因?yàn)橛校?/p>

Vt/S=L

(2)

式中L——相機(jī)的行頻；

S——視覺檢測精度。

所以，此時(shí)的相機(jī)的行頻為542/0.01=54.2kHz。

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)選用SG14-01K80型線陣相機(jī)[4]，其分辨率為1 024，行頻為68kHz，像元大小為14μm，靶面大小為14.336mm，鏡頭接口為F口，數(shù)據(jù)接口為千兆網(wǎng)口，數(shù)據(jù)格式為8bit，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

1.4 光學(xué)放大鏡頭

在鏡頭的選擇問題上，要注意以下參數(shù)：鏡頭的成像尺寸、鏡頭的分辨率、鏡頭焦距和視野角度、鏡頭工作距離、鏡頭接口。

綜合各種因素，本次實(shí)驗(yàn)選用了Navitar Zoom 6000定焦鏡頭(1-6232、1-62922)。這款工業(yè)鏡頭的接口為F口，與選用的相機(jī)接口相匹配；靶面大小為30mm；放大倍數(shù)在1.4～9.0之間可調(diào)；工作距離為92mm，防止了顆粒下落過程中，顆粒的粉塵附著鏡頭，影響圖片的質(zhì)量；視場范圍為3.3～21.0mm，垂直視場范圍為2.475～15.750mm；鏡頭分辨率為213線對。

1.5 處理器

本次設(shè)計(jì)選用了以TMS320DM648處理器為核心的開發(fā)板[5,6]。TMS320DM648屬于DaVinci系列DSP芯片，主要應(yīng)用于智能視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器及機(jī)器視覺等領(lǐng)域。DM648采用C64x+內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1.1GHz，并且代碼與C64x完全兼容。

1.6 顯示器

本次設(shè)計(jì)選用LQ035NC111模擬液晶顯示屏，分辨率為320×240，滿足實(shí)驗(yàn)要求，可自動調(diào)節(jié)亮度，自帶驅(qū)動板，可直接連線使用。由于實(shí)驗(yàn)使用視頻編碼芯片SAA7105H，其輸出格式為S-Video的模擬信號，但目前市面上的液晶顯示屏只支持RCA信號(復(fù)合信號)，所以在視頻編碼器芯片和顯示器之間使用了S-Video信號轉(zhuǎn)RCA信號的信號線。

2 圖像處理過程與結(jié)果

硬件系統(tǒng)組裝完畢后，對顆粒樣品進(jìn)行了圖像采集，采集的顆粒圖像如圖4所示。

圖4 采集到的顆粒圖像

采集到的圖像要進(jìn)行相關(guān)處理，首先將圖像進(jìn)行邊緣檢測、圖像填充，使圖像的背景與目標(biāo)物的對比更為清晰，改善圖像的質(zhì)量；再把質(zhì)量改善后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)的腐蝕和膨脹處理；最后經(jīng)過連通域處理手段，統(tǒng)計(jì)圖像中顆粒的個(gè)數(shù)，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算處理得出顆粒的面積與直徑。具體步驟為：

a. 在邊緣檢測中，采用基于canny算子的邊緣檢測方法對圖像進(jìn)行處理[7]，盡可能多地標(biāo)識出顆粒圖像中的實(shí)際邊緣；

b. 在邊緣檢測的基礎(chǔ)上，對圖像進(jìn)行填充，并將背景設(shè)置為白色，顆粒設(shè)置為黑色；

c. 對顆粒圖像進(jìn)行觀察后，利用形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算——開運(yùn)算(先腐蝕，后膨脹)，對圖像進(jìn)行處理，從而達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的[8]。

處理后的圖像效果如圖5～7所示。

圖5 邊緣檢測效果

圖6 圖像填充效果一

圖7 圖像填充效果二

再通過統(tǒng)計(jì)顆粒內(nèi)部的像素個(gè)數(shù)求出顆粒的面積，然后根據(jù)面積與直徑的關(guān)系，求出編號分別為0，1，…，22顆粒直徑分別為43、43、11、52、54、

24、19、23、33、14、17、46、24、23、25、29、33、20、36、44、38、45、19像素。可以看出，顆粒粒度的平均直徑D≈32像素，而像素大小由相機(jī)和鏡頭決定。鏡頭在放大倍率為1.4倍時(shí)的視場為21mm，也就是說拍攝21mm寬度的圖像映射到30mm的靶面上。而選用的線陣相機(jī)靶面為14.336mm，所以采集到的是實(shí)際視場寬度為10.035 2mm的圖像。這時(shí)圖像的檢測精度為10.0352/1024=0.0098≈0.01mm，即相機(jī)的一個(gè)像素點(diǎn)約表示實(shí)際圖片的大小為10.035 2μm，由此得出顆粒的實(shí)際直徑D實(shí)際=321.1264μm。

3 結(jié)束語

介紹了基于機(jī)器視覺檢測技術(shù)的顆粒粒度檢測系統(tǒng)。通過選用的鏡頭和相機(jī)，再選擇一個(gè)合理的位置后，對經(jīng)過進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)做自由落體運(yùn)動的顆粒進(jìn)行圖像采集，在采集的過程中，需要自制的光源對采集的顆粒進(jìn)行照明，獲得效果較好的顆粒圖片，然后經(jīng)過相關(guān)的圖像處理技術(shù)最終獲得顆粒樣品的相關(guān)信息。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，可對直徑?0～550μm的顆粒進(jìn)行采集和處理，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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