一種面向礦物泡沫浮選的嵌入式泡沫流速測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種面向礦物泡沫浮選的泡沫流速測量系統及方法。本發明構建了嵌入式浮選泡沫采集平臺，以工業攝像機獲取礦物浮選過程中泡沫圖像為基礎，針對采集到的圖像在DSP處理器內完成圖像的預處理，利用當前幀和參考幀中圖像塊的相關性分析方法提取了泡沫速度特征。本發明所闡述的嵌入式解決方案通過分析泡沫圖像得到泡沫速度特征，作為一種生產狀態重要的參考指標，可實時反映生產狀況，具有體積小、成本低、功耗低、可靠性高，特別適用于選礦廠等環境惡劣、難以測量泡沫流速的工業現場。
【專利說明】一種面向礦物泡沬浮選的嵌入式泡沬流速測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于嵌入式圖像處理領域，具體涉及一種面向礦物泡沫浮選的泡沫流速測量系統及測量方法。
【背景技術】
[0002]礦物浮選是礦物加工中應用最廣泛的一種選礦方法，通過極其復雜的物理化學反應過程進行礦化起泡。應用礦物浮選是為了提高原礦品位，達到礦物還原冶煉的要求。多年來礦物浮選主要靠技術工人通過觀察浮選槽中泡沫的特征，手動調節浮選操作，而調節過程由于人員的輪換以及調節的主觀性，不能對泡沫特征進行準確的判斷，從而導致操作的主觀性和隨意性較大，使得浮選過程難以處于最優生產狀態。
[0003]浮選過程中產生形態和大小不等的各種氣泡來攜帶礦粒，浮選泡沫是包含有氣、液、固的三相復雜體，流動性強，容易破裂。浮選過程中泡沫流速是一個重要的指標。泡沫流速能夠直接反映礦物浮選過程中礦物泡沫的狀態及液位的信息，而礦物泡沫狀態與礦物的浮選產品品位直接相關，泡沫的液位則直接決定了工況正常與否以及所需礦物的有效回收。由于泡沫位于浮選過程中礦漿表面，含有大量細小的礦物顆粒，傳統的流速傳感器只能測量礦漿的流速，很難直接測量泡沫的流速，采用機器視覺方法是可行的方案。浮選過程往往環境較惡劣，各種噪音、電磁波、震動和粉塵等污染使得傳統的計算機很難應用在浮選流速測量上，而嵌入式DSP具有實時性好、抗干擾能力強和能耗低的優點，非常適合用來設計專用的泡沫流速測量系統。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于解決礦物浮選過程中泡沫流速難以用傳統流速傳感器測量的問題，提出了一種用于礦物浮選過程中的嵌入式泡沫流速測量系統及方法。
[0005]本發明的技術方案是，一種面向礦物泡沫浮選的嵌入式泡沫流速測量系統，包括嵌入式視頻處理模塊、光源、工業攝像機、交換機、計算機和浮選槽，所述的光源設置于浮選槽上方，所述的工業攝像機與光源平行安裝且與光源高度相同，所述的嵌入式視頻處理模塊、交換機和計算機依次通信串聯。
[0006]一種使用上述裝置的面向礦物泡沫浮選的嵌入式泡沫流速測量方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一:光源照射泡沫表面，工業攝像機拍攝PAL制式視頻，并將視頻傳輸至視頻解碼單元；
[0008]步驟二:視頻解碼單元將模擬圖像信息轉換成數字圖像數據，并存儲到SDRAM中；
[0009]步驟三:對存儲到SDRAM中的圖像數據進行處理，得出泡沫流速；
[0010]步驟四:將得到的泡沫流速通過網口傳輸到上位機數據庫中。
[0011]所述的一種方法，所述的步驟三的步驟包括:
[0012]步驟(I):將SDRAM存儲的當前幀和前一幀圖像進行灰度化處理，并將灰度化后的兩幀圖像存儲在SDRAM中；
[0013]步驟(2):對轉換后的灰度圖像采用直方圖均衡化增強圖像對比度，統計圖像中每個灰度級的像素出現的概率并通過對其均勻處理的變換函數對圖像進行灰度變換,最終得到直方圖均衡化后的圖像；
[0014]步驟(3):選取當前幀的前一幀圖像為參考幀，將參考幀和當前幀圖像以像素為基本單位劃分為64*64大小子區域，分別對參考幀和當前幀的子區域在水平和垂直方向灰度投影并對相同子區域進行相關運算，得到當前幀所有子區域相對于參考幀水平和垂直方向的運動矢量；在所有子區域運動矢量的基礎上，根據六參數仿射模型和最小二乘法計算當前幀相對于參考幀的全局運動矢量；由計算得到的水平和垂直兩個方向的運動矢量能夠計算出最終的泡沫移動速度，連續計算一秒鐘內所有25幀圖像中泡沫的速度，求取平均速度即為流速。
[0015]本發明的技術效果在于，通過嵌入式設備測得的泡沫流速，有效的解決了礦物浮選過程中泡沫流速難以測定的問題，測量精度能夠達到工業現場要求。本發明解決了傳統流速傳感器難以測量礦物浮選過程中泡沫流速的問題，具有體積小、成本低的特點。本發明采用平臺為DM642的嵌入式系統，能夠很好的在現場具有較強震動、酸霧腐蝕、電磁干擾的環境下工作，保證了測量的準確性和可靠性。本發明針對嵌入式系統的特點設計了專用的算法，即分塊投影匹配算法。投影算法較傳統的塊匹配算法減少了算法的時間消耗，而分塊求取運動矢量并根據攝像機模型求解全局矢量的方法提高了計算的精確度，能夠滿足現場泡沫流速測量中對實時性和測量精度的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是礦物浮選流速測量方法硬件結構示意圖；
[0017]圖2是嵌入式視頻處理模塊的硬件結構圖；
[0018]圖3是泡沫流速測量算法流程圖；
[0019]其中I為嵌入式視頻處理模塊、2為光源、3為工業攝像機、4為同軸電纜、5為路由器、6為上位計算機、7為泡沫層、8為浮選槽、9為泡沫槽。
【具體實施方式】
[0020]礦物浮選泡沫流速測量系統硬件結構如圖1所示，主要由嵌入式視頻處理模塊1、光源2、工業攝像機3、同軸電纜4、用于通信數據交換傳輸的路由器5和上位計算機6構成。浮選槽是礦漿與藥物混合反應發生的場所，細化泡沫，使得礦物粘合泡沫之上，浮到礦漿面并形成礦化泡沫，其表面是泡沫產生最多的區域，具有良好的隔離性。泡沫槽是盛放由刮板在浮選槽表面刮出的礦化泡沫的器皿，能夠進一步提高礦漿中含礦量，為下一步精選提供品位更高的礦漿。泡沫槽是盛放浮選槽表面刮出的礦化泡沫的容器。工業CCD攝像機3垂直安裝在浮選槽上方，與嵌入式視頻處理模塊通過視頻輸出線相連接。嵌入式視頻處理模塊選用TI公司的DM642作為核心處理芯片，視頻解碼部分選用A/D視頻輸入芯片TVP5158，配置總線選用芯片PCF8584作為I2C總線控制器，SDRAM存儲器采用型號為HY57V283220T的內存芯片。板上還提供Mc ASP與PCI總線用于芯片之間數據的傳輸。攝像機與浮選槽8表面泡沫的垂直高度為70-110cm。系統光源2選用200W的高頻熒光燈，與攝像機3的水平距離為5-lOcm，保證攝像機采集圖像所需的充足穩定的光照。攝像機3實時采集泡沫層7的圖像并傳輸到嵌入式視頻處理模塊上的TVP5158視頻解碼單元，并通過解碼芯片將模擬視頻信號轉換為YUV的數字圖像信號，存儲在嵌入式視頻處理模塊的SDRAM中。DM642的核心處理芯片根據流速測量算法對SDRAM中存儲的多幀數字圖像進行處理，最終得到當前浮選槽8中礦漿的流速。嵌入式視頻處理模塊利用以太網將計算得到的實時礦漿流速數據通過同軸電纜4傳輸到選礦廠的內部路由器5上，最終傳輸到終端處理計算機6并存儲到數據庫中。
[0021]泡沫流速測量方法具體實現如下:
[0022]對嵌入式視頻處理模塊上型號為HY57V283220T的SDRAM中存儲的多幀泡沫圖像，提取當前幀和前一幀兩幀圖像，對兩幀圖像進行灰度化處理。由于工業攝像機采集的視頻信號由嵌入式視頻處理模塊上的視頻解碼單元TVP5158轉換后的格式為YUV，而亮度信號Y可以直接表征每一幀圖像的像素的灰度值，從而直接存儲單幀圖像像素的Y值完成對圖像的灰度化處理。DM642內部硬件結構如圖2所示，視頻解碼單元TVP5158解碼后得到的Y值通過視頻傳輸接口傳輸到DM642內部的以太網控制器中，以太網控制器通過EMIF接口將單幀Y值數據存儲在SDRAM內存中，DM642中的C64x內核將要計算的數據提取到高速二級緩存及一級緩存中并將計算完成后的結果存儲在SDRAM內。泡沫流速的計算需在DM642內核中以流水線方式完成若干次數據處理，最終計算結果存儲在SDRAM中。
[0023]對灰度化處理后的兩幀圖像進行直方圖均衡化處理。直方圖均衡化是使原直方圖變換為具有均勻密度分布的直方圖，然后按該直方圖調整原圖像的一種圖像處理技術，能夠增強圖像全局對比。變換函數T(r)是原圖像的累積分布函數并滿足條件:(l)T(r)在O ^ r ^ I范圍內是單值單增的函數；(2)對I有O≤T(r)≤ I。設N為待處理幀圖像中像素的總數，nk為第k級灰度的像素數，rk表示第k個灰度級，則該幀灰度級為rk的像素出現概率P(rk)的計算方法見公式(I)，對其直方圖均衡化后的像素的灰度值Sk見公式(2)。直方圖均衡化后的圖像數據存儲在SDRAM中的特定內存區域，不同幀圖像存儲的內存段不同，存儲的圖像數據僅限于最新兩幀。
【權利要求】
1.一種面向礦物泡沫浮選的嵌入式泡沫流速測量系統，其特征在于，包括嵌入式視頻處理模塊、用于照射浮選槽內泡沫的光源、用于拍攝浮選槽內泡沫圖像的工業攝像機、上位計算機和浮選槽，所述的光源設置于浮選槽上方，所述的工業攝像機與光源平行安裝且與光源高度相同，所述的嵌入式視頻處理模塊與計算機通信連接，所述的嵌入式視頻處理模塊包括處理器、視頻解碼單元和存儲單元，所述的處理器分別與視頻解碼單元和存儲單元通信連接，所述的視頻解碼單元通信連接工業攝像機，處理器通信連接至上位計算機。
2.一種使用上述裝置的面向礦物泡沫浮選的嵌入式泡沫流速測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:光源照射泡沫表面，工業攝像機拍攝被照射的泡沫表面并輸出PAL制式視頻傳輸至視頻解碼單元； 步驟二:視頻解碼單元將模擬圖像信息轉換成數字圖像數據，并存儲到SDRAM中； 步驟三:處理器對存儲到SDRAM中的圖像數據進行處理，得出泡沫流速； 步驟四:將得到的泡沫流速傳輸到上位計算機的數據庫中。
3.根據權利要求2所述的一種方法，其特征在于，所述的步驟三中的圖像數據處理步驟包括: 步驟(I):將SDRAM存儲的當前幀和前一幀圖像進行灰度化處理，并將灰度化后的兩幀圖像存儲在SDRAM中； 步驟(2):對轉換后的灰度圖像采用直方圖均衡化增強圖像對比度，統計圖像中每個灰度級的像素出現的概率并通過對其均勻處理的變換函數對圖像進行灰度變換，最終得到直方圖均衡化后的圖像； 步驟(3):選取當前幀的前一幀圖像為參考幀，將參考幀和當前幀圖像以像素為基本單位劃分為64*64大小子區域，分別對參考幀和當前幀的子區域在水平和垂直方向灰度投影并對相同子區域進行相關運算，得到當前幀所有子區域相對于參考幀水平和垂直方向的運動矢量；在所有子區域運動矢量的基礎上，根據六參數仿射模型和最小二乘法計算當前幀相對于參考幀的全局運動矢量；由計算得到的水平和垂直兩個方向的運動矢量能夠計算出最終的泡沫移動速度，連續計算一秒鐘內所有25幀圖像中泡沫的速度，求取平均速度即為流速。
【文檔編號】G01P5/22GK103604946SQ201310209572
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2013年5月30日
【發明者】陽春華, 蔡耀儀, 徐德剛, 桂衛華, 胡峻, 黃天正, 朱軍, 王曉麗 申請人:中南大學