CN108906661A - 多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选 - Google Patents

多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，运用了材料在红外光谱上的异同来区分建筑垃圾中的有机物与无机物，并且采用FPGA的强大并行计算能力和COMS图像传感器快速采集图像的技术，结合皮带、红外光源、喷嘴组成一个建筑垃圾分选的系统：皮带传送装置传送物料，位于工业相机的下方，物料先后经过第一、第二个相机，由于有机物和无机物对红外光吸收程度不同，在相机外用上不同的光学薄膜得到不同的波段的红外成像，FPGA对采集的图像处理、判断其是否为有机物或者无机物并将指令传送给喷嘴，在皮带传送装置的出料端由喷嘴完成对物料的筛选。本发明解决了传统建筑垃圾处理过程中分选各种物料的难题。

Description

多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选
技术领域
本发明涉及光电视觉分选技术领域，尤其涉及在识别建筑行业固废中，使用 多频段红外光谱技术，具体为多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分 选。
背景技术
随着中国经济的快速稳定发展，近些年建设事业也蓬勃发展起来，建筑业繁 荣发展反过来促进经济的发展。今年来中国城市化进程的不断加快，大量的建筑 不仅在向城市周边新区出现，同时老城区也面临着拆迁改造的问题。在这个过程 中，虽然城市面貌得到了提升，人民的生活水平得到了提高，但同时也产生大量 的建筑垃圾。建筑固废的垃圾虽然没有生活垃圾污染严重，却有着不可小视的潜 在危害，大量的建筑固废不仅影响城市环境、浪费土地资源，还会造成巨大的能 源和资源的浪费。
传统处理建筑垃圾固废中，绝大部分建筑垃圾未经任何处理，便运往郊外或 乡村，露天堆放或者填埋，耗用大量的征用土地费、垃圾清运费等建设经费，同 时清运和堆放过程中的遗撒和粉尘、灰砂飞扬等问题又造成了污染。部分建筑垃 圾处理只是简单的将垃圾进行分类，分选效果不明显，效率低下。
发明内容
本发明针对目前建筑垃圾粗放的的处理方式，同时是为了弥补现有建筑垃圾 处理手段不足，提供一种多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选方 法，来解决现有大量建筑垃圾难处理的问题；相比于现有处理建筑垃圾技术，本 发明根据红外光照射在物质表明产生不同的红外光谱原理来进行物质的分选，准 确的识别出固废中所需要分离的物质，将无机物(建筑固废中主要是瓷砖，混凝 土，红砖)从垃圾中分选出来，通过后续的流程工艺可以制作出相应的产品或者 骨料，也就是将建筑垃圾资源化再利用，很大程度上简化了建筑垃圾解决了建筑 垃圾占地，污染环境的难题，同时变废为宝为城镇建设提供原材料。
本发明的技术方案如下：
多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，包括有运输装 置、红外接收处理装置、红外发生装置、物料筛选装置，其特征在于：所述的运 输装置为皮带传送装置；所述的红外信号处理装置为由FPGA和COMS图像传 感器组成的工业相机，所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的上方 并且有前后两个相同的相机，相机镜头表面光学薄膜，可以选择特定波段的红外 光；所述的红外发生装置为一排白炽灯，悬置于所述相机之间，均匀的照射在 所述的两个相机可见的范围之内；所述的物料筛选装置包括有喷嘴、气阀和气 源等辅助设置。
所述的FPGA对所述COMS图像传感器进行驱动控制、进行光谱采集处理 和对有机物与无机物红外普进行判别，所述的CMOS图像传感器对通过所述皮 带传送装置出料端的物料进行高帧频的红外光采集，并将采集的红外光信息输 出至所述FPGA，所述的FPGA输出指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作。
多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选方法，其特征在于：具 体包括以下步骤：
(1)、对所述分选系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对所述测 量系统的各个装置进行精准的安装，同时设置所述工业相机的工作参数；
(2)、所述的照明系统用的是白炽灯，其包含着丰富各种波段的光线，光 谱曲线稳定，并且相机的光谱特征响应在各个波段稳定，整体结构性能稳定；
(3)、当由所述皮带传送装置传送的物料刚接触到第一个相机时，由于相机 表明光学薄膜，此时能够采集的物体其红外光谱在1300纳米到1355纳米波长， 此时可以得到在该波段上采集图像的平均灰度值；
(4)、当所述皮带传送装置传送的物料经过第一个相机到达第二个相机时， 第二相机同样记录物体其红外光谱在1685纳米到1725纳米波长段，第二个相机 在该波段上采集图像的平均灰度值；
(5)、由所述皮带传送装置的运行速度、物料经过第二个相机到皮带的距离， 可以计算出物料到筛选装置的时间；
(6)、物料到达喷嘴时，由合实验中实际得出的无机物(这里主要指建筑垃 圾中的瓷砖，混凝土，红砖)，有机物(这里主要指建筑垃圾中的塑料，丝织品， 木材)红外光谱特性得到的无机物于有机物在两个相机成像上的差别来区分两 者，最后由FPGA做出判决，将判决结果传送到筛选装置；
(7)、物料进过筛选装置后，可以将有机物和无机物分离，进行后续的处理。
所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在 于：所述的FPGA的型号为EP4CE55F23I7。
所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在 于：所述的CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300。
所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在 于：所述的光学薄膜型号为：NB-1330-025，BP-1705-020。
所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在 于：所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的正上方，前后两个相机处 于同一水平面且安装在同一个FPGA系统中，相机视角应与白炽灯所覆盖的范围 一致，相机光谱特性响应稳定。
所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在 于：所述的红外发生装置使用的并排的小白炽灯，于相机镜头在同一水平面，在 照明系统中，白炽灯的红外光谱特性稳定。
上述方案中，物料在所述的皮带传送装置上需要进行离散的非堆叠式排 放，物料之间须有一定的间隔，在传送过程物料都是稳定不发生滚动。
本发明的工作原理和工作过程如下：
皮带传送装置传送物料(建筑垃圾)以一定速度经过双相机红外光线采集区 域，相机采集数据之后根据两次采集的红外图像的平均灰度值，与设定阈值比较： 若两次灰度值相对大小在给定的阈值范围则判定为无机物，否则为有机物，再由 FAGA将指令传送给皮带末端的气阀喷嘴来决定是否将物料吹走。
本发明的有益效果：
1、本发明的工业相机采用高速相机，在相机视角范围内可以至少达到每秒800帧的速度，假设皮带以1m/s速度经过相机时，相机对物料捕捉的精度可以 达到毫米级，满足了大部分物料选择要求。
2、本发明采用一个系统同时加载两个相机来采集不同波段的红外光图像， 相比单相机更加准确，同时充分利用芯片资源。
3、本发明采用的双摄像头结构，采用同一个物料在不同波段下的成像的相 对值来判别，很大程度不依赖物料的形状和大小。
4、本发明是针对传统建筑垃圾分选困难的背景下提出了多频段红外成像建 筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，很大程度上解决了当前分选建筑垃圾设 备复杂，精度不高的问题，同时本发明本着低成本高效率的原则，使得建筑垃圾 分选的在实际工程中大规模的运用成为可能。
附图说明
图1为本发明系统立体结构示意图。
图2为本发明分选建筑垃圾工作原理图。
图3为本发明关于有机物红外光谱。
图4为本发明关于无机物红外光谱。
具体实施方式
如图1所示，多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，包 括有运输装置、红外采集装置、激光发生装置、物料筛选装置，运输装置为分选 机上的皮带传送装置，包括有驱动轮1和传送带2；红外采集装置为由FPGA和 COMS图像传感器组成的工业相机4，工业相机4有两个分别悬置于皮带传送装 置出料端的前后；在工业相机4镜头前加上了一种光学薄膜7，该薄膜可以选择 让需要通过红外通过，屏蔽其他不需要的光，激光发生装置为长条形白炽灯5， 白炽灯灯光包含着丰富的红外光，悬置于皮带传送装置上方以及两个相机之间， 投射灯光，照射在皮带传送装置出料端的表面，且与工业相机4放在同一水平 面；物料筛选装置主要包括有喷嘴6、气阀和气源；
FPGA对COMS图像传感器进行驱动控制、进行图像处理，并输出分选结 果至喷嘴6处，CMOS图像传感器对通过皮带传送装置出料端的物料进行高帧 频的信号采集，并将采集的红外信息输出至FPGA，FAGA将处理的结果输出指 令至气阀，控制喷嘴6动作。
多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选如图2所示，具体实施 包括以下步骤：
(1)、对测量系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对测量系统的 各个装置进行精准的安装，如图2所示，同时设置工业相机4的工作参数；
如图3和图4所示分别在实验室中测得有机物和无机物的红外光谱(A:木 材B:塑料C:丝织品D:谷物E:陶瓷片F:红砖G:地砖H:混凝土水泥块)观察 其红外光谱我们可以得出以下结论：
1、总的特征是，有机物的吸光度值在近红外波长范围内前段低，后段高， 而无机物的吸光度值正好相反：是前段高，后段低。
2、在特定的波段范围内，无机物与有机物呈现着差异：在1330nm和1700nm 范围内有机物的吸光度会相差很大，无机物变化幅度很小，对应到相机采集的灰 度图像的平均灰度值，这是分选两者的主要依据。
3、每种特定的物料都有特定对应的近红外光谱。在一定的光照环境下、一 定的测量距离下，每种物料对应的光谱形态(包括峰值等)都是特定的。把测得 的未知物料的近红外光谱图和存储的光谱图进行采样比较，就可以判明被测物料 的相关种类及特性。
在这里我们只考虑将建筑垃圾分为有机物和无机物，见下表1：
表1建筑垃圾特定波段吸光度
所有建筑垃圾分别经过相机一、相机二，则有：
经过相机一，相机一采集的为1330波段范围的红外光，此时可以算出相机 采集到图像的平均灰度值，同理，经过第二个相机采集到同一个物体的平均灰度 值。
(2)、当由皮带传送装置传送的物料3未接触到第一个相机时，此时处于t0 时刻，皮带前进速度为v，t1时刻经过第一个相机，两个相机相聚距离为L1， 第一个相机所能接收的红外光波段为1300nm到1355nm范围，采集到图像的平 均灰度值记为K1，进入第二个相机；
(3)、皮带运送物料3到第二个相机下，此时运动的时间有其关系可以知 道：
此时要求皮带运送物料过程中尽量不能发生抖动，并且物料在皮带上不会滚 动，从t1时刻到t2时刻才能保证相机看到的是同一个物料。此时第二个相机为 主相机所能接收的红外光波段为1685nm到1725nm范围，采集到图像的平均灰 度值记为K2。
(4)、由皮带传送装置传送的物料3到达皮带边缘，此时于第二个相机的 距离为L2，此时应有：
从第二个相机到皮带的距离就影响到气阀延迟时间，也就是相机中的 FAGA发送指令到气阀6过后，气阀延迟执行指令的时间。
(5)、当由皮带传送装置传送的物料3离开皮带2做平抛运动，到达C点 之后，在相机测得物料3的灰度均值分别为K1、K2，如果两个值相差不大(在 设定的阈值范围T内)则认为该物质为无机物，否则为有机物。此时气阀得到 指令，由之前两个相机标定的有机物和无机物来决定是否将物料吹走，如果需要 将物料吹走，此时气阀打开给与物料一个反方向的作用力，物料沿着轨迹G2运 动，如果不选择则沿着轨迹G1运动。
本发明中，FPGA的型号为EP4CE55F23I7，具有高性能、低功耗的特点。
CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300，具有高敏感度、低功耗、高 分辨率的特点。
工业相机4悬置于皮带传送装置出料端的正上方，总共分前后两个相机，第 一个相机专门接收波长段为1300nm到1355nm范围的红外光，第二个相机专门 接收波长段为1685nm到1725nm范围的红外光，使用同一个系统的两个相机来 识别建筑垃圾。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化 或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，包括有运输装置、红外接收处理装置、红外发生装置、物料筛选装置，其特征在于：所述的运输装置为皮带传送装置；所述的红外信号处理装置为由FPGA和COMS图像传感器组成的工业相机，所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的上方并且有前后两个相同的相机，相机镜头表面光学薄膜，可以选择特定波段的红外光；所述的红外发生装置为一排白炽灯，悬置于所述相机之间，均匀的照射在所述的两个相机可见的范围之内；所述的物料筛选装置包括有喷嘴、气阀和气源等辅助设置；
所述的FPGA对所述COMS图像传感器进行驱动控制、进行光谱采集处理和对有机物与无机物红外普进行判别，所述的CMOS图像传感器对通过所述皮带传送装置出料端的物料进行高帧频的红外光采集，并将采集的红外光信息输出至所述FPGA；所述的FPGA输出指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作。
2.多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）、对所述分选系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对所述测量系统的各个装置进行精准的安装，同时设置所述工业相机的工作参数；
（2）、所述的照明系统用的是白炽灯，其包含着丰富各种波段的光线，光谱曲线稳定，并且相机的光谱特征响应在各个波段稳定，整体结构性能稳定；
（3）、当由所述皮带传送装置传送的物料刚接触到第一个相机时，由于相机表明光学薄膜，此时能够采集的物体其红外光谱在1300纳米到1355纳米波长，此时可以得到在该波段上采集图像的平均灰度值；
（4）、当所述皮带传送装置传送的物料经过第一个相机到达第二个相机时，第二相机同样记录物体其红外光谱在1685纳米到1725纳米波长段，第二个相机在该波段上采集图像的平均灰度值；
（5）、由所述皮带传送装置的运行速度、物料经过第二个相机到皮带的距离，可以计算出物料到筛选装置的时间；
（6）、物料到达喷嘴时，由合实验中实际得出的无机物（这里主要指建筑垃圾中的瓷砖，混凝土，红砖），有机物（这里主要指建筑垃圾中的塑料，丝织品，木材）红外光谱特性得到的无机物于有机物在两个相机成像上的差别来区分两者，最后由FPGA做出判决，将判决结果传送到筛选装置；
（7）、物料进过筛选装置后，可以将有机物和无机物分离，进行后续的处理。
3.根据权利要求1所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在于：所述的FPGA的型号为EP4CE55F23I7。
4.根据权利要求1所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在于：所述的CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300。
5.根据权利要求1所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在于：所述的光学薄膜型号为：NB-1330-025，BP-1705-020。
6.所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在于：所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的正上方，前后两个相机处于同一水平面且安装在同一个FPGA系统中，相机视角应与白炽灯所覆盖的范围一致，相机光谱特性响应稳定。
7.所述的多频段红外成像建筑垃圾有机物和无机物识别与分选系统，其特征在于：所述的红外发生装置使用的并排的小白炽灯，于相机镜头在同一水平面，在照明系统中，白炽灯的红外光谱特性稳定。
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