專利名稱：一種基于區(qū)間收斂的料倉料位檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及料倉料位的檢測。本發(fā)明具體涉及使用數(shù)字相機拍攝圖像并進行圖像 處理的方式進行料倉料位的非接觸式動態(tài)檢測。
背景技術(shù)：
料倉料位檢測是安全生產(chǎn)的重要措施。多年來人們采用各種方法對料倉料位進行 檢測。常用的檢測方法有重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式、回轉(zhuǎn)翼輪式、雷達式、超 聲波式、激光式、核子式等。其中重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式和回轉(zhuǎn)翼輪式屬于 接觸式測量方法，其余的為非接觸式測量方法。可以進行極限位置測量的方法有重錘式、 電極式、核子式和激光式?？蛇M行料位連續(xù)測量的方法有雷達式、超聲波式、機桿式、稱重 式、核子式、激光式等。采用圖像處理的方式進行深度測量應(yīng)用廣泛。目前采用的多是采用數(shù)字相機 自動對焦，直接拍攝圖像，然后經(jīng)過圖像處理進行深度、高度測量，具體見專利公開號為 CN1378086的發(fā)明專利。然而，針對于固體物料料倉，由于圖像拍攝環(huán)境特別惡劣，拍攝的圖 像存在以下特點(1)料倉粉塵濃度大、濕度大、照度低、拍攝圖像質(zhì)量差，并且相機難以實現(xiàn)自動聚
焦ο(2)料倉中照度波動頻繁，例如煤礦井下大型設(shè)備很多，電網(wǎng)擾動大，造成照度波動。(3)針對于一些特殊場合，例如煤礦井下煤倉，由于防爆要求，設(shè)備及照明功率應(yīng)
盡量小。因此，由于特殊的圖像環(huán)境，采用普通的圖像處理方式進行深度測量的方法既難 以滿足料倉料位測量的實時性、可靠性的要求，也難以實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的檢測。專利公開號為CN101270981是一種基于機器視覺的料位測量方法與裝置，提出了 針對煤礦井下料倉的料位檢測方法，然而這種方法可靠性難以保證，實際應(yīng)用效果不佳。技術(shù)問題由于料倉的圖像環(huán)境特殊，采用目前已有的方式，具有以下問題(1)數(shù)字相機難以自動對焦、拍得可靠的圖像；(2)根據(jù)此類圖像進行料位測量的方法可靠度、精度低；(3)由于料倉是一個封閉、半封閉的環(huán)境，設(shè)備運行情況的監(jiān)控和校驗困難，沒有 一個基于檢測系統(tǒng)的可靠度的自檢機制，系統(tǒng)可靠性無法得到保證，難以實際應(yīng)用。本發(fā)明采用使用數(shù)字相機拍攝圖像并進行圖像處理的方式進行料倉料位的非接 觸式動態(tài)檢測，針對于料倉環(huán)境提出了采用計算特征紋理圖像熵以及采用PCNN進行料位 計算的方法，檢測中圖像拍攝采用兩次分檔的方法，具有以下優(yōu)點(1)采用計算特征紋理圖像熵以及采用PCNN進行料位計算的方法降低了對圖像 質(zhì)量的要求，增強了對料倉惡劣的圖像環(huán)境的適應(yīng)能力；
(2)檢測中圖像拍攝采用兩次分檔的方法，增加了料位檢測的實時性與可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由數(shù)字相機、輔助照明、圖像處理三部分組成。數(shù)字相機數(shù)字相機應(yīng)安裝在料倉的頂部，避開料倉下料口及相關(guān)下料口的設(shè)施、以免被阻 擋拍攝角度(數(shù)字相機布置如圖1所示)。數(shù)字相機系統(tǒng)應(yīng)包含一個透明密封罩，一個密封 罩的除塵裝置及各自的固定裝置。數(shù)字相機相關(guān)參數(shù)根據(jù)料倉尺寸及輔助照明強度選擇。輔助照明輔助照明采用一組射燈、其中一個鄰近數(shù)字相機設(shè)置，其余呈等分角度設(shè)置于煤 倉倉壁圓周上。光源采用單色光源，選擇波長較長的紅光或紅外光源。根據(jù)煤倉的實際尺 寸及環(huán)境選擇光源功率及射燈數(shù)量(輔助照明布置如圖2所示)。輔助照明主要針對例如煤礦井下煤倉這一類圖像環(huán)境特別惡劣的料倉的圖像特 點設(shè)計，料倉圖像成像有兩個主要難點，一是受生產(chǎn)條件約束，料倉環(huán)境存在粉塵濃度大、 濕度大的特點，造成照度衰減很快，且泛光不足；二是出于安全考慮，照明功率應(yīng)盡量低。采 用多角度照明設(shè)計，能有效克服以上困難。圖像處理包括(1)對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵的方法圖像熵處理流程圖如圖3所示。圖像熵計算方法(a)對圖像進行灰度拉伸由于這里圖像處理的目的是進行料位檢測，所以可以采用灰度圖像?；叶燃壊捎?8位灰度階。由于料倉圖像灰度往往分布不均衡，所以一般都要預(yù)先作灰度拉伸。方法如下當(dāng)灰度是離散值時，頻數(shù)近似代替概率值，即pr (rk) = nk/n 0 ^ rk ^ 1 k = 0,1, ......，1-1 ；式中1是灰度級的總數(shù)目，PJrk)是取第k級灰度值的概率，nk是圖像中出現(xiàn)第 k級灰度的次數(shù)，η是圖像中像素總數(shù)。s^r^ljLo^=Zjk=O Pr (γ,)ο1 k = 0,1,……，1-1;(b)對圖像進行微分運算記一幅圖像為X(l，j)，微分后的圖像記為Y(l，j)。則Y(l, j) = X(l, j)；Y(l, j) = X (1，j) -X (i-1，j)，(i > 1);在圖像中主要包含兩部分區(qū)域，以倉壁為主體的上部和以物料表面為主體的下 部，其中以物料表面為主體的下部由于光線反射的不規(guī)則，呈現(xiàn)亮、暗小區(qū)域混合而成，計 算后得到的圖像Y中，以倉壁為主體的上部灰度值趨近0值，以物料表面為主體的下部則得 到亮、暗小區(qū)域的邊界，其中這一部分將作為信息熵計算的主體。(c)對圖像進行二值分割
為了進一步清晰微分后的圖像，選取一個閾值將圖像背景與得到的小區(qū)域邊界進 行二值分割。得到圖像z(i，j)；(d)計算二值圖像的信息熵圖像熵H(P) =H(P) = -P1InP1-P0InP0 ；其中P1, P。，分別表示Z為1，0時的概率。(2)料位邊沿計算得到料位值的計算方法對于選取的P幅圖像，首先，將料位邊沿與各自對應(yīng)的料位刻度圖像對比， 得到一組P個料位值L1G = 1，...，P)，然后由下面的公式得到實際料位值L :L = (L1+L2+. · · +Lp)/ρ。料位刻度圖像獲得方法將深度為h的料倉以絕對誤差值A(chǔ)h為間隔劃分為w份， w = h/ Δ h，對應(yīng)w個檔位，相機鏡頭焦距對應(yīng)物距從第1個檔位開始，順序至第w個檔位， 按照下述方法進行拍攝相機鏡頭焦距對應(yīng)物距為第S個細分檔位時(S = 1,2,…，w)，在
內(nèi)空的料倉倉壁上設(shè)置標(biāo)尺，將標(biāo)尺逐次設(shè)置于(S-t* Δ h)、(S- (t-1) * Δ t!).....(S-Ah),
S、(S+Ah).....(S+(t-l)*At!)、(S+t*Ah)處，分別拍攝圖像，得到一組(2t+l)幅圖像，將
此組圖像進行圖像處理后可得到對應(yīng)于第S個細分檔位的料位刻度圖像；按照上述方法可 以得到整個料倉共w個細分檔位的料位刻度圖像，形成全料倉的料位刻度圖像組?；趨^(qū)間收斂的料倉料位檢測方法，包括以下幾個步驟(1)劃分粗分檔將深度為h的料倉粗分為N等份(粗分檔)，按照物距對應(yīng)劃分的檔位，采用程序 控制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝圖像，得到對應(yīng)劃分檔位的一組N幅圖像；(2)確定收斂區(qū)間對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵，選擇熵值較大的K幅圖像(1 < K < N)，記這K幅圖像對應(yīng)的檔位中最小的檔位為Ni，最大的檔位為Nj，則確定了一個收 斂區(qū)間[Ni, NjJ0(3)劃分細分檔將區(qū)間[Ni，Nj]細分為M等份(細分檔)，按照物距對應(yīng)劃分的檔位，采用程序控 制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝圖像，得到對應(yīng)劃分檔位的一組M幅圖像；(4)邊沿檢測并計算料位值對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵，選取熵值較大的P幅圖像，采 用料位邊沿檢測算法計算得到料位邊沿，并計算得到料位值。粗分檔N、細分檔M的選取方法細分檔位根據(jù)料倉料位檢測的絕對誤差值要求設(shè)置，即取細分檔的檔位間距等于 絕對誤差值；粗分檔根據(jù)料倉料位檢測的滿量程實際距離及對于檢測的速度要求設(shè)置，粗 分檔檔位間距一般為細分檔檔位間距的整數(shù)倍。收斂區(qū)間[Ni, Nj]的邊界點Ni，Nj的取值由粗分檔拍攝的圖像確定的收斂區(qū)間[Ni，Nj]，Ni與Nj所對應(yīng)的圖像的圖像熵值 的比值(用較小熵值比較大的熵值)應(yīng)大于規(guī)定的比值?？煽啃苑治隹煽啃苑治?
根據(jù)圖像熵分布的特點，在粗分檔拍攝的圖像中，確定了一個收斂區(qū)間[Ni，Nj]； 其中取值時，M與Nj所對應(yīng)的圖像的圖像熵值的比值(用較小熵值比較大的熵值)應(yīng)大 于規(guī)定的比值kl。Kl根據(jù)料倉圖像環(huán)境取值，與料倉的物料種類、料倉照度、濕度、粉塵濃 度等環(huán)境參數(shù)有關(guān)。Kl 一般應(yīng)大于0.8。如果不能滿足此條件，說明此次拍攝過程中，系統(tǒng) 工作出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)不可用。需要重新拍攝圖像，如果問題依然沒有解決，說明系統(tǒng)可能存 在硬件故障，需檢修。可靠性分析1程序流程如圖4所示?？煽啃苑治? 計細分檔拍攝的圖像為Bi，B2......B10，選取Bi，B2......BlO中熵值較大P幅
圖像進行料位檢測，得到料位值(記為M(i)，i = 1,2,...,P)之間誤差應(yīng)小于項目要求的 最小誤差Y*，且位于其對應(yīng)的檔位區(qū)間內(nèi)?？煽啃苑治?程序流程如圖5所示。系統(tǒng)工作流程首先，料倉高度記為h，所要求料位檢測絕對誤差值記為d，分檔分為細分檔和粗 分檔兩種方式。將料倉料位的滿量程粗分為N等份(粗分檔)，按照物距對應(yīng)劃分的檔位， 采用程序控制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝圖像，得到對應(yīng)劃分檔位的一組N幅圖像， 對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵，對于采用這種方法拍攝的圖像，相機焦 距越靠近料位處，拍攝的圖像越清晰，圖像熵越大，選擇熵值較大的K幅圖像(1 < K < N)， 記這K幅圖像對應(yīng)的檔位中最小的檔位為Ni，最大的檔位為Nj，確定了一個收斂區(qū)間[Ni， Nj]，則這個區(qū)間應(yīng)包含實際料位值；將區(qū)間[Ni，Nj]細分為M等份(細分檔)，按照物距對 應(yīng)劃分的檔位，采用程序控制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝圖像，得到對應(yīng)劃分檔位的 一組M幅圖像，對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵，則這一組圖像的熵值應(yīng) 該比較接近，由于料倉的料位往往不是平面，每次落料后呈現(xiàn)出的特征變化很大，因此造成 圖像的熵值并不能準(zhǔn)確反映料位，所以不能簡單的將熵值最大的圖像的位置處作為最接近 料位的檔位。這時選取熵值較大的P幅圖像，采用PCNN的方法，計算得到料位邊沿，然后根 據(jù)預(yù)制的圖像刻度背景圖像，得到一組P個料位值1^(1 = 1，...，P)，然后由下面的公式得 到實際料位值L L=Ef=, L/P，然后繼續(xù)進行下一輪檢測。料倉料位測量系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。
圖1數(shù)字相機布置2輔助照明布置3圖像熵處理流程4可靠性分析1程序流程圖5可靠性分析2程序流程圖6料倉料位測量系統(tǒng)工作流程圖
具體實施例方式本發(fā)明結(jié)合實施例參見附圖進一步說明如下
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以煤礦井下煤倉為例，煤倉高度40m，直徑8m，檢測絕對誤差值為0. 5m。最低料倉 限位值為細。設(shè)定細分檔位lm，粗分檔為細。數(shù)字相機選用程序調(diào)節(jié)鏡頭焦距，輔助照明采用 8個射燈。在檢測之前，預(yù)制料位刻度背景圖像。將深度為40m的料倉以絕對誤差值Δ h = 0. 5m為間隔劃分為w份，w = h/ Δ h = 80，對應(yīng)w個檔位，相機鏡頭焦距對應(yīng)物距從第1個檔位開始，順序至第w個檔位，按照下 述方法進行拍攝相機鏡頭焦距對應(yīng)物距為第S個細分檔位時(S = 1,2,…，w)，在內(nèi)空
的料倉倉壁上設(shè)置標(biāo)尺，將標(biāo)尺逐次設(shè)置于(S_t*Ati)、(S-(t-l)*Ah).....(S-Ah), S,
(S+Ah).....(S+(t-l)*At!)、(S+t*Ah)處(這里 t = 4)，分別拍攝圖像，得到一組(2t+l
=9)幅圖像，將此組圖像進行圖像處理后可得到對應(yīng)于第S個細分檔位的料位刻度圖像； 按照上述方法可以得到整個料倉共w個細分檔位的料位刻度圖像，形成全料倉的料位刻度 圖像組。選取kl = 0. 8，絕對誤差值=0. 25m。選取k = 3，P = 4。參見附圖1，描述了數(shù)字相機系統(tǒng)的安裝位置，數(shù)字相機系統(tǒng)應(yīng)安裝在料倉的頂 部，盡量靠近料倉壁，避開料倉下料口及相關(guān)下料口的設(shè)施、以免被阻擋拍攝角度。數(shù)字相 機系統(tǒng)應(yīng)包含一個透明密封罩，一個密封罩的除塵裝置及各自的固定裝置，裝置還應(yīng)滿足 應(yīng)用場合的安全要求，如在煤礦井下煤倉使用本發(fā)明時，本發(fā)明所使用的裝置還應(yīng)滿足煤 礦井下電氣防爆要求。參見附圖2，描述了輔助照明的安裝，輔助照明系統(tǒng)采用一組射燈、其中一個鄰近 數(shù)字相機設(shè)置，其余呈等分角度設(shè)置于煤倉倉壁圓周上。光源采用單色光源，選擇波長較長 的紅光或紅外光源。根據(jù)煤倉的實際尺寸及環(huán)境選擇光源功率及射燈數(shù)量。附圖2描述了 8個射燈的情形。如在煤礦井下煤倉使用本發(fā)明時，本發(fā)明所使用的裝置還應(yīng)滿足煤礦井下 電氣防爆要求。輔助照明系統(tǒng)主要針對例如煤礦井下煤倉這一類圖像環(huán)境特別惡劣的料倉的圖 像特點設(shè)計，料倉圖像成像有兩個主要難點，一是受生產(chǎn)條件約束，料倉環(huán)境存在粉塵濃度 大、濕度大的特點，造成照度衰減很快，且泛光不足；二是出于安全考慮，照明功率應(yīng)盡量 低。采用多角度照明設(shè)計，能有效克服以上困難。參見附圖3，描述了本發(fā)明檢測方法的特征圖像圖像熵計算方法，首先對圖像進行 預(yù)處理運算，包括以下步驟灰度拉伸、微分計算、二值分割，然后再計算其圖像熵。料位檢測流程圖如圖6所示。開始檢測時，首先，101，可以得到一組10幅圖像，順序進行102，103，然后判斷 104，記三個熵值最小的為Z1，最大的為Z2，k’ = Z1/Z2，則當(dāng)k’ > kl時，則驗證通過，說明 拍攝的圖像可靠，系統(tǒng)工作正常，此時清零驗證標(biāo)志位，進行下一步流程，當(dāng)k’ < = kl時， 說明拍攝的圖像不可靠，系統(tǒng)工作不正常，此時驗證標(biāo)志位應(yīng)為零，首先將驗證標(biāo)志位置 位，然后判斷105，當(dāng)標(biāo)志位Xl為1時，重新執(zhí)行101、102、103過程后，再次進入104，如果 此次系統(tǒng)的異常只是偶然的干擾引起的，則此時應(yīng)恢復(fù)正常，則k’ > kl，驗證能夠通過，如 果是出現(xiàn)了系統(tǒng)的功能性故障，則驗證不能通過，判斷驗證標(biāo)志位時，標(biāo)志位為1，則進行故障報警。 當(dāng)104驗證通過后，進行106，在一次分檔確定的料位檢測區(qū)間內(nèi)按照細分檔逐次 拍攝圖像，可以得到一組9幅圖像，順序進行107、108，采用PCNN的方法進行料位的邊沿檢 測，然后與對應(yīng)檔位處的料位刻度圖像對比得到料位值。最后判斷109，分析得到的P (P = 4)個料位值，計算差值，誤差應(yīng)小于所要求的精度值，如果驗證通過則繼續(xù)驗證料位值是否 處于對應(yīng)的檔位處，通過則說明圖像可靠，系統(tǒng)工作正常，此時清零驗證標(biāo)志位，進行下一 步流程。以上兩個判斷任何一個不通過則置位標(biāo)志位XI，然后判斷105，當(dāng)標(biāo)志位Xl為1 時，重新執(zhí)行101，102，103，104，106，107，108，109，如果此次系統(tǒng)的異常只是偶然的干擾引 起的，則此時應(yīng)恢復(fù)正常，驗證能夠通過，如果是出現(xiàn)了系統(tǒng)的功能性故障，則驗證不能通 過，判斷驗證標(biāo)志位時，標(biāo)志位為1，則進行故障報警。當(dāng)通過109后，執(zhí)行110，求均值輸出 料倉料位值，然后繼續(xù)進行下一輪檢測。
權(quán)利要求
1.一種基于區(qū)間收斂的料倉料位檢測方法，其特征在于將深度為h的料倉粗分為N 等份(粗分檔)，按照物距對應(yīng)劃分的檔位，采用程序控制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝 圖像，得到對應(yīng)劃分檔位的一組N幅圖像，對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像 熵，選擇熵值較大的K幅圖像(1 < K < N)，記這K幅圖像對應(yīng)的檔位中最小的檔位為Ni， 最大的檔位為Nj，則確定了一個收斂區(qū)間[Ni，Nj]；將區(qū)間[Ni，Nj]細分為M等份(細分 檔)，按照物距對應(yīng)劃分的檔位，采用程序控制方式調(diào)節(jié)數(shù)字相機鏡頭焦距拍攝圖像，得到 對應(yīng)劃分檔位的一組M幅圖像，對圖像進行預(yù)處理后分別計算每幅圖像的圖像熵，選取熵 值較大的P幅圖像，采用料位邊沿檢測算法計算得到料位邊沿，并計算得到料位值。
2.如權(quán)利要求1所述的檢測方法，先對圖像進行預(yù)處理，再對預(yù)處理后的圖像計算圖 像熵的計算方法，其特征在于首先對圖像進行預(yù)處理運算，包括以下步驟灰度拉伸、微 分計算、二值分割，然后再計算其圖像熵。
3.如權(quán)利要求1所述的檢測方法，料位邊沿檢測算法，其特征在于對細分檔拍攝得到 的料倉料位圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理后，進行PCNN邊沿檢測，得到區(qū)域邊沿，即為料位邊沿。
4.如權(quán)利要求1所述的檢測方法，根據(jù)料位邊沿計算得到料位值的計算方法，其特征 在于對于選取的P幅圖像，首先，將料位邊沿與各自對應(yīng)的料位刻度圖像對比，得到一組P 個料位值L1G = 1，· · ·，P)，然后由下面的公式得到實際料位值L :L = (L1+L2+. · · +Lp)/ρ。
5.如權(quán)利要求4所述的檢測方法，料位刻度圖像獲得方法，其特征在于將深度為h的 料倉以絕對誤差值A(chǔ)h為間隔劃分為w份，w = h/Δ h，對應(yīng)w個檔位，相機鏡頭焦距對應(yīng)物 距從第1個檔位開始，順序至第w個檔位，按照下述方法進行拍攝相機鏡頭焦距對應(yīng)物距 為第S個細分檔位時(S = 1,2,…，w)，在內(nèi)空的料倉倉壁上設(shè)置標(biāo)尺，將標(biāo)尺逐次設(shè)置于 (S-t* Δ h)、(S- (t-1) * Δ ti)、· · ·、(S- Δ ti)、S、(S+ Δ ti)、· · ·、(S+ (t_l) * Δ h)、(S+t* Δ h)處， 分別拍攝圖像，得到一組Ot+1)幅圖像，將此組圖像進行圖像處理后可得到對應(yīng)于第S個 細分檔位的料位刻度圖像；按照上述方法可以得到整個料倉共w個細分檔位的料位刻度圖 像，形成全料倉的料位刻度圖像組。
6.如權(quán)利要求1所述的檢測方法，粗分檔和細分檔的劃分方法，其特征在于細分檔 位根據(jù)料倉料位檢測的絕對誤差值A(chǔ)h要求設(shè)置，即取細分檔的檔位間距等于絕對誤差值 Δ h ；粗分檔根據(jù)料倉深度h和對檢測的速度要求設(shè)置，粗分檔檔位間距為細分檔檔位間距 的整數(shù)倍。
7.如權(quán)利要求1所述的檢測方法，收斂區(qū)間[Ni，Nj]的邊界點Ni，Nj的取值，其特征 在于由粗分檔拍攝的圖像確定的收斂區(qū)間[Ni，Nj]，Ni與Nj所對應(yīng)的圖像的圖像熵值的 比值(用較小熵值比較大的熵值)應(yīng)大于規(guī)定的比值。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于數(shù)字相機、輔助照明設(shè)備，采用圖像處理方式的對料倉料位進行連續(xù)檢測的方法。本發(fā)明通過兩次分檔的方式拍攝圖像，針對圖像特點進行圖像的預(yù)處理，計算處理后圖像的圖像熵，一次分檔(粗分檔)圖像經(jīng)過處理分析后得到逼近區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)二次分檔(細分檔)拍攝圖像，計算預(yù)處理后圖像的圖像熵，選出適合的圖像進行圖像料位線檢測，得到料位線，計算后得到料倉料位值。
文檔編號G01F23/00GK102116659SQ20101051115
公開日2011年7月6日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者孫繼平, 趙春鵬 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)