CN101968453B

CN101968453B - 一种棉花中白色及无色异物的偏振检测方法及装置

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Publication number: CN101968453B
Application number: CN2009102500148A
Authority: CN
Inventors: 韩绍坤; 赵文; 蔺建旺; 金宏健; 尹中信; 贺见紫
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: CN101968453A

Abstract

本发明涉及一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法及装置，属于光学检测仪器技术领域。本发明的一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法，是通过多个偏振相机依次获取混杂了白色及无色异物的棉花两个表面、多个方向的幅度图像，再将获取的幅度图像送入计算机中的偏振度图像计算模块，以获得混杂了白色及无色异物的棉花的偏振度图像，并运用数字图像处理技术加强棉花与异物的灰度差，通过图像识别技术，识别并定位出白色及无色异物。

Description

一种棉花中白色及无色异物的偏振检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法及装置，属于光学检测仪器技术领域。

背景技术

棉花在采摘，晾晒，运输过程中会混入大量很难识别的无色异物，异物的存在会在后续的印染等工序中导致瑕疵点等问题，降低棉花的品级，对纺织业造成比较大的损失，因此对棉花中异物的分拣显得非常重要。目前我国对棉花中异物的分拣主要靠人工分拣，但效率和效果都受人的个体影响，为了提高效率，研发高效的棉花中异物实时分拣装置具有重要意义。

国内外开展了一些相关技术的研究。主要集中在计算机视觉检测方法上。可归类为以下四种：

一、利用高分辨率的彩色CCD相机检测异物。这种方法只是提高有色异物的检测精度，对于与棉花颜色相近的无色透明塑料，丙纶丝等白色及无色异物检测效果不理想。

二、利用X光断层扫描检测无色异物。此方法对检测无色异物虽具有一定的效果，但由于此系统价格昂贵，异物检测率低等因素，在国内推广较为困难。

三、利用红外热成像方法检测无色异物。该方法所采用的热成像设备价格昂贵，而且需要对棉花连续加工与冷却，检测速度较慢而产量较低，不具有实际推广价值。

四、利用超声波成像技术检测无色异物。超声波成像市场范围小，且成像分辨率低下，对头发丝等细小异物的检测不理想。

但是以上四种方法对棉花中白色及无色异物的检出率都较低。本发明采用的偏振成像技术是结合偏振辐射成像技术和偏振测量技术，获得待测目标的偏振参数的灰度值，这样可以增强所获取待测目标的信息量。偏振信息是不同于辐射信息的物体信息的另一种表征，相同辐射的物体可能有不同的偏振度，因而使用偏振成像技术可以分辨普通图像难以分辨的颜色和反射率相近的物体，因此，偏振成像探测技术无论在军事上还是在民用上都有广泛的应用前景。不过目前该技术主要应用在探测和识别低对比度伪装和伪装的人造目标、探测阴影里的低对比度目标、探测和识别伪装的士兵、军车以及飞机、舰船的探测和识别等，而在棉花检测领域还没有相关应用及检测装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有棉花检测技术对白色及无色异物检出率低及设备价格昂贵的不足，提供一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法及装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法，是通过多个偏振相机依次获取混杂了无色异物的棉花两个表面、多个方向的幅度图像，再将获取的幅度图像送入计算机中的偏振度图像计算模块，以获得混杂了白色及无色异物的棉花的偏振度图像，再运用数字图像处理技术加强棉花与异物的灰度差，通过图像识别技术，识别并定位出异物。

具体步骤如下：

步骤1、输入棉花

将带有异物的蓬松棉花由输送装置形成一定厚度，一定宽度的扁平状，输入由偏振相机及白光LED组成的检测视场中；

步骤2、照明

由白光LED组成的面阵光源对棉花被检测的部位照明。

步骤3、获取幅度图像

左右多个偏振相机在可编程门阵列(FPGA)的控制下分别采集各个方向的幅度图像。各个偏振相机中偏振片透振轴与相机中心轴夹角由选择的相机个数决定：θ_j-1＝θ_j-2+180°/j(j≥2，θ₀＝0°)，其中0，...，θ_j-1为对应相机的偏振片透振轴与相机中心轴夹角，j为单侧相机的个数。

步骤4、获取偏振度图像及识别图像特征

将获得的左右各个方向的幅度图像分别输入到偏振度图像计算模块，得到混杂了白色及无色异物的棉花的偏振信息灰度图像，再通过图像处理和图像识别与定位模块，计算出异物位置，并把最终位置信息送至喷嘴控制器。

步骤5、压力喷嘴除杂

将多个压力喷嘴组成一定间隔的线列。喷嘴控制器根据图像识别与定位模块传送的异物的空间位置信息控制对应该位置的压力喷嘴用喷气将异物喷除。

步骤6、输出异物

被喷出的异物及少量棉花被收集至杂物箱内。

步骤7、输出清洁棉

未被喷出的清洁棉花通过管道输送到净棉收集箱中。

本发明一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测装置包括偏振成像装置、棉花通道、喷嘴线阵列、异物分离箱、净棉收集箱、电气控制柜和驱动电路；其中，

偏振成像装置包括白光LED阵列光源、多个偏振相机、视频线和屏蔽干扰光的暗箱。偏振相机可以通过在普通数码相机前加装一个已知透振方向的偏振片获得，加在左右两侧各个相机上的偏振片性能相同，且透振方向与相机中心轴夹角分别为0，...，θ_j-1，白光LED阵列光源、多个偏振相机都置于屏蔽干扰光的暗箱中，视频线与偏振相机的视频输出口连接。

棉花通道是由棉花吸入通道、棉花传输通道以及左右两块石英玻璃窗构成。

喷嘴线阵列为呈线阵分布在棉花通道中多个喷嘴结构及电磁阀构成，喷嘴作用力轴心线与斜坡通道垂直，喷嘴对面的通道开一小孔，由此小孔将异物及少量棉花喷至异物分离箱。每个喷嘴由电磁阀控制启停。

异物分离箱安装在喷嘴线阵列的对面，主要用来收集被高压喷嘴喷出的带有异物的棉花

净棉收集箱安装在棉花通道的底部，主要用来收集不含异物的棉花。

电气控制柜包含图像处理电路，喷嘴控制电路以及显示器。图像处理电路包括偏振度图像计算模块，图像处理模块及图像识别与定位模块。喷嘴控制电路接收图像处理电路的定位信号并转换为对应喷嘴的驱动信号发送到驱动电路。显示器用于显示偏振相机采集的混有异物的棉花的偏振度图像。

驱动电路主要根据电气柜输出的控制信号，驱动相应的喷嘴上的电磁阀开启，从而喷出高压气流，对含有异性纤维的棉花进行喷除。

本装置的连接关系为：该装置最上端为棉花吸入通道，经过蓬松后的棉花被送入吸入通道，其后端是棉花传输通道，棉花传输通道中部左右两侧安装两块石英玻璃窗；同时，石英玻璃窗位于偏振成像装置内，偏振成像装置中的器件左右相反设置，构成正反双面检测区域，偏振成像装置中的两套光源组由安装在光源箱的白光光源组成，多个偏振相机组成的相机阵列安装在与垂直方向成一定角度的位置，视频线一端与偏振相机相连，另一端连接电气控制柜；棉花通道下端的一侧安装由多个空气喷嘴纵向排列组成的空气喷嘴阵列，喷嘴对面开一小孔，该小孔与异物分离箱连接，喷嘴另一端通过驱动电路与电气控制柜连接；棉花传输通道的底端与净棉收集箱连接；图像处理电路，喷嘴控制电路以及显示器安装在壳体外部独立的电气控制柜中，偏振相机阵列的视频输出通过视频线引出，与电气控制柜中的图像处理电路的视频输入口连接，图像处理电路的视频输出口与显示器连接，图像处理电路与喷嘴控制电路通过主机接口实现电气连接。

有益效果

本发明所提出的偏振成像检测方法是利用辐射成像技术和偏振测量技术的原理，获得待测目标的偏振参数的灰度值，明显增强了棉花与白色及无色异物的灰度差异，能得到异物清晰的图像特征，特别适用于棉花中白色及无色异物的检测。装置设计优化，成像部件集中在偏振检测成像装置中而成为独立的图像采集单元；倾斜式喷嘴、网孔式喷口可提高喷除效率；本发明还具有很强的通用性，只需要改变光源波长及相应偏振片，并对软件做适当修改，就可用于其它类型的杂质检测。

附图说明

图1本发明一种棉花中白色及无色异物的偏振检测方法的程序框图；

图2本发明一种棉花中白色及无色异物的偏振检测装置的结构示意图；

图3本发明的偏振相机结构示意图；

图4本发明的偏振度图像计算模块；

图中，1-棉花吸入通道、2-棉花传输通道、3-棉花通道、4-石英玻璃窗、5-白光光源、6-偏振成像装置、7-偏振相机组、8-屏蔽干扰光的暗箱、9-异物分离箱、10-净棉收集箱、11-电气控制柜、12-驱动电路、13-视频线、14-出棉口、15-喷嘴线阵列。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清晰，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图2所示，本实施例中的一种棉花中白色及无色异物偏振成像检测装置包括偏振成像装置6、棉花通道3、喷嘴线阵列15、异物分离箱9、净棉收集箱10和电气控制柜11。考虑到性能和价格因素，本实施例采用两侧各三个偏振相机进行偏振成像检测。

所述的偏振成像装置6包括两组白光LED面阵光源5，偏振相机7及屏蔽干扰光的暗箱8，其中白光LED面阵光源5分别为棉花通道的左右两个表面提供45°的斜入射光；六个偏振相机7分别固定在与垂直方向成45°的位置，六个偏振相机(如图3所示)是由在普通相机的前端放置六个性能相同的偏振片制成，其中左右两边的偏振片与透振轴的夹角分别为0°，60°，120°，用以获得三个不同透振方向的幅度图像；将获得的图像信息通过视频线13送入电气控制柜11中的偏振度图像计算模块(如图4所示)，得到反应棉花及异性纤维偏振信息的灰度图像，再通过图像识别与定位模块计算出异物位置；电气控制柜11中的图像识别与定位模块将异物的位置信息传送给驱动电路12，驱动电路12根据给定的信号驱动相应的喷嘴的开启，由此将混有白色及无色异物的棉花喷除。

所述的棉花通道3包括棉花吸入通道1、棉花传输通道2、石英玻璃窗4和出棉口14；将带有异物的蓬松棉花压成一定厚度，一定宽度的扁平状，通过气流由棉花吸入通道吸入到棉花传输通道中，通过控制气流来控制棉花在棉花传输通道中的传输速度，当混有白色及无色异物的棉花进入到石英玻璃窗所在区域时，白光LED面阵光源透过石英玻璃窗对棉花进行照明，出棉口主要用来使干净的棉花进入净棉收集箱。

电气控制柜11由图像处理电路，喷嘴控制电路及显示器组成，偏振相机采集的图像信号通过视频线与图像处理电路相连，图像处理电路包括图像计算模块，图像处理模块及图像识别与定位模块。喷嘴控制电路主要用来将控制信号传到驱动电路，驱动电路主要用来驱动相对应的喷嘴开启，显示器主要用来显示实时采集的混有白色及无色异物的棉花的偏振度图像。

所述的喷嘴线阵列15位于棉花通道3下端，在一定宽度的棉花通道中横向排列一定个数的喷嘴，每一个喷嘴对应一定的棉花区域，喷嘴与水平方向成一定角度，每个喷嘴的起停有电磁阀控制。驱动电路12根据图像识别与定位模块给出的信息，计算异物坐标信息，并将指令发送给相应的电磁阀，由电磁阀启动相应喷嘴，将对应的异物剔除。

所述的偏振度图像计算模块位于电气控制柜中，其原理如图4所示，整个过程如下：FPGA分别采集三个偏振相机的三路幅度图像信号，并将图像信号分别存入外部存储器RAM中，然后再送入FPGA中完成偏振度图像的计算，最后将偏振度图像的数据通过USB接口传送到系统计算机中。

本发明的工作流程图如图1所示，整个流程大致如下：膨松的棉花由棉花输送装置送入入棉口，当棉花进入偏振成像区域时，三个偏振相机在FPGA的控制下完成三路幅度图像信号的采集，经偏振度图像获取模块得到反映棉花及异物偏振信息的灰度图像，再经过图像处理与定位，得到异物的具体位置，最后将位置信号传递给喷嘴控制器，由喷嘴控制器控制相应的喷嘴，将含有白色及无色异物的棉花剔除。

Claims

1.一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测方法，其特征在于：通过多个偏振相机依次获取混杂了白色及无色异物的棉花两个表面、多个方向的幅度图像，再将获取的幅度图像送入计算机中的偏振度图像计算模块，以获得混杂了异物的棉花的偏振度图像，并运用数字图像处理技术加强棉花与白色及无色异物的灰度差，通过图像识别技术，识别并定位出异物；

具体步骤如下：

步骤1、棉花输入

将带有异物的蓬松棉花由输送装置形成一定厚度，一定宽度的扁平状，送到由偏振相机及白光LED组成的检测视场中；

步骤2、照明

由白光LED组成的面阵光源直接对棉花被检测的部位照明；

步骤3、幅度图像的获取

左右多个偏振相机在可编程门阵列(FPGA)的控制下分别采集各个方向的幅度图像；各个偏振相机中偏振片透振轴与相机中心轴夹角由选择的相机个数决定：θ_j-1＝θ_j-2+180°/j，j≥2，θ₀＝0°，其中0，...，θ_j-1为对应相机的偏振片透振轴与相机中心轴夹角，j为单侧相机的个数；

步骤4、获取偏振度图像及识别图像特征

将获得的左右各个方向的幅度图像分别输入到计算机中偏振度图像计算模块，得到混杂了白色及无色异物的棉花的偏振信息灰度图像，再通过计算机中的图像处理和图像识别模块，计算出异物的位置，并把最终位置信息送至喷嘴控制器；

步骤5、压力喷嘴除杂

将多个压力喷嘴组成一定间隔的线列；喷嘴控制器根据计算机传送的异性纤维的空间位置信息控制对应该位置的压力喷嘴用喷气将异物喷除；

步骤6、异物输出

被喷出的异物及少量棉花被收集至杂物箱内；

步骤7、清洁棉输出

未被喷出的清洁棉花通过管道输送到净棉收集箱中。

2.一种棉花中白色及无色异物的偏振成像检测装置，其特征在于：包括偏振成像装置、棉花通道、喷嘴线阵列、异物分离箱、净棉收集箱、电气控制柜和驱动电路；其中，

偏振成像装置包括白光LED阵列光源、多个偏振相机、视频线和屏蔽干扰光的暗箱；偏振相机通过在普通数码相机前加装一个已知透振方向的偏振片获得，加在左右两侧各个相机上的偏振片性能相同，其中，各个偏振相机中偏振片透振轴与相机中心轴夹角由选择的相机个数决定：θ_j-1＝θ_j-2+180°/j，j≥2，θ₀＝0°，其中0，...，θ_j-1为对应相机的偏振片透振轴与相机中心轴夹角，j为单侧相机的个数；

棉花通道是由棉花吸入通道、棉花传输通道以及左右两块石英玻璃窗构成；

喷嘴线阵列为呈线阵分布在棉花通道中多个喷嘴结构及电磁阀构成，喷嘴作用力轴心线与斜坡通道垂直，喷嘴对面的通道开一小孔，由此小孔将异物及少量棉花喷至异物分离箱；每个喷嘴由电磁阀控制启停；

异物分离箱安装在喷嘴线阵列的对面，主要用来收集被高压喷嘴喷出的带有异物的棉花；

净棉收集箱安装在棉花通道的底部，主要用来收集不含异物的棉花；

电气控制柜包含图像处理电路，喷嘴控制电路以及显示器；图像处理电路包括偏振度图像计算模块，图像处理模块及图像识别与定位模块；喷嘴控制电路接收图像处理电路的定位信号并转换为对应喷嘴的驱动信号发送到驱动电路；显示器用于显示偏振相机采集的混有异物的棉花的偏振度图像；

驱动电路主要根据电气柜输出的控制信号，驱动相应的喷嘴上的电磁阀开启，从而喷出高压气流，对含有异物的棉花进行喷除；

其连接关系为：该装置最上端为棉花吸入通道，经过蓬松后的棉花被送入吸入通道，其后端是棉花传输通道，棉花传输通道中部左右两侧安装两块石英玻璃窗；同时，石英玻璃窗位于偏振成像装置内，偏振成像装置中的器件左右相反设置，构成正反双面检测区域，偏振成像装置中的两套光源组由安装在光源箱的白光光源组成，由白光LED组成的面阵光源直接对棉花被检测的部位照明，多个偏振相机组成的相机阵列安装在与垂直方向成一定角度的位置，视频输出线一端与偏振相机相连，另一端连接电气控制柜；棉花通道下端的一侧安装由多个空气喷嘴纵向排列组成的空气喷嘴阵列，喷嘴对面开一小孔，该小孔与异物分离箱连接，喷嘴另一端通过驱动电路与电气控制柜连接；棉花传输通道的底端与净棉收集箱连接；图像处理电路，喷嘴控制电路以及显示器安装在壳体外部独立的电气控制柜中，偏振相机阵列的视频输出通过视频输出线引出，与电气控制柜中的图像处理电路的视频输入口连接，图像处理电路的视频输出口与显示器连接，图像处理电路与喷嘴控制电路通过主机接口实现电气连接。