CN110648345A - 一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法及系统，是通过由光场相机、线性激光器、速度传感器和信息处理计算机组成的检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带速度计算得到烟丝的体积流量。本发明的优点是：为非接触式、无损测量，不影响烟丝物料的正常输送，检测系统简单，避免了传统视觉检测技术需使用两台或者多台摄像机而导致的系统复杂性，且具有瞬时性以及可视化的特点，测量准确度高。

Description

一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法及系统

技术领域

本发明属于物料输送流量检测领域，具体涉及一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法及系统。

背景技术

烟丝输送是卷烟加工过程必不可少的环节,输送的方式主要有皮带送丝、夹带送丝、风力送丝等。实践证明，在烟丝以皮带输送时,送丝造碎最小，可有效降低卷烟加工消耗，因而广泛应用于卷烟工艺中。为了保障各工序加工的稳定性，通常需要对输送烟丝的流量进行测量控制，目前烟草行业主要使用电子皮带秤和核子称两种类型，其中由于核子称存在辐射风险逐步被电子皮带秤替代。电子皮带秤属于称重工具，主要对散状物料进行动态计量，能够在不影响物料流动的基础上，将皮带输送机上物料瞬时流量与累积的流量测量出来。电子皮带秤作为重要的配比、控制、计量设备，广泛应用于烟叶加工、叶丝、梗丝、膨胀丝、薄片丝等工艺段。为保证电子皮带秤测量的准确性，通常需要注意以下环节，一是安装位置要在输送机皮带张力变化不大的地方安装秤体，且不能出现伸缩、接头和纵梁拼接处；二是合理选择设备安装环境，最大限度减少温度、湿度、振动及电磁干扰等造成的影响。

虽然电子皮带秤相对精度较高，但在实际使用过程中容易受到多种因素的影响，主要包括称重秤架托辊运动灵活性、径向跳动程度等，因此需要对称重托辊转动进行定期检查。在电子皮带秤称重托辊长期运行过程中，容易导致出现破损失圆、转动不灵活等问题，从而会极大增加电子皮带秤皮带运行阻力，让计量出现测量偏差，因此电子皮带秤的定期维护和标定成为其稳定运行的重要因素，实际使用中存在的诸多不确定因素影响了其测量的精度。

近年来，因变频技术调速平稳、瞬态稳定性高、节能等比较优势，国内外研究学者纷纷提出了基于输送带实时负荷的带式输送机变频调速控制方法。为使输送带运行在最佳负荷状态，烟丝物料瞬时流量成为调节带式输送机运行速度的重要指标。但在皮带速度不断变化的条件下，电子皮带秤计量精度易受真实物料分布不均、断续等因素影响。同时，带式输送机系统结构复杂，带速调节不当会直接影响系统各机械部件使用寿命和运行安全，需要较大的安装空间，在一些空间狭小的区域应用受限。随着带式输送机向高带速、大运量方向发展，实时、准确的物料流瞬时流量检测方法对于保障带式输送机系统生产安全，同时切实提高系统生产效率具有重要意义。

光学测量技术以其柔性大、结构简单、低成本和高精度等优点，逐渐被用于输煤量或煤堆体积等物料非接触式测量，包括视觉检测和激光测量两种。基于视觉检测方法虽具有可行性，但该系统采集终端基于双目视觉原理，需要用到两台工业数字摄像机、增加了系统的复杂性。此外图像处理速度因受纹理特征提取、摄像机标定等复杂算法限制而无法满足带式输送机物料流量实时采集与测量的要求。激光三维测量技术是一种高效率、高精度测得物料堆体体积有效监测方法。但二维激光扫描仪需通过扫描获得运动皮带上的物料点云数据需要一定扫描时间，瞬时性不好。对不同输送带进行测量前需要手动设定激光扫描仪的扫描起始角度与终止角度，自动化程度不高。不同物质的激光反射率不同，黑色物质反射率低，测量误差大。二维激光扫描仪安装时必须保证扫描平面与水平面垂直，否则对重复测量精度有较大影响。因此安装过程难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法及系统。

为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法，是通过由光场相机、线性激光器、速度传感器和信息处理计算机组成的检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量。

具体包括以下步骤：

步骤一、构建基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测系统，包括光场相机、线型激光器、速度传感器以及信息处理计算机；烟丝物料通过输送带进行输送，光场相机和线型激光器安装在物料输送带上方，且二者均垂直指向下方烟丝物料，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器安装在输送带滚轮处，用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量；

步骤二、将光场相机采集的光场信息用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向。其中，光场相机中的微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，光场相机中的CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置；

步骤三、对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作；通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像

如下式所示，

步骤四、通过对极平面图像进行边缘检测(即利用边缘检测算法对图像中的纹理线进行边缘检测)，然后进行直线检测，获得纹理线斜率，其中，通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，采用霍夫变换(Hough Transform)进行直线检测，并获得纹理线斜率k，边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，横向和纵向算子的表达式分别为：

步骤五、纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离：

(此公式的依据是相似三角形)

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径；

则虚拟成像面到主透镜(即光场相机中的主透镜)的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离；

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定高度零点(就是参考位置点，类似于海平面高度设为零)所在位置，得到被测对象高度h；

步骤六、对所获取的烟丝表面光场图像进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)；在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)；

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度；

步骤七、对计算得到的烟丝截面高度H_i进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律；其中，函数拟合采用傅里叶级数拟合，滤波公式为

步骤八、设输送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，光场相机采样帧率为n_f，计算烟丝体积流量Q；

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过的总体积V：

总采样帧数

采样时间间隔

离散化得V：

测量时间T内平均体积流量：

本发明用于上述方法的检测系统，包括光场相机、线型激光器、速度传感器以及信息处理计算机构成；光场相机和线型激光器安装在物料输送带上方，且二者光轴均垂直于输送带运行方向，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器安装在输送带滚轮处，用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量。

所述线性激光器其光斑直径为0.1mm，激光器激发频率高于1000Hz。

本发明的有益效果如下：

1、该检测方法为非接触式、无损测量，不影响烟丝物料的正常输送，该方法系统简单，单个相机即可实现皮带上物料截面检测，避免了传统视觉检测技术需使用两台或者多台工业数字摄像机而导致的系统复杂性和多台摄像机复杂标定的限制。

2、与激光扫描测距方法相比，该检测方法具有瞬时性的特点，所测得截面高度均为同一时刻的测量结果，测量准确度高。

3、该方法同时具有可视化的优点，除了测量烟丝体积流量，还可以用于观察烟丝颗粒表面状态。

附图说明

图1为测量系统示意图；

图2光场四维信息表征示意图，其中a为点光源进入光场相机后光线传播示意图，b为点光源的光场点扩散示意图；

图3为极平面图像示意图；

图4为激光照射区域烟丝光场图像；

图5为烟丝高度图；

图6为烟丝高度测量结果原始图。

图7为烟丝高度滤波后结果图。

图8为烟丝高度拟合后结果图。

图9为烟丝高度测量结果与真实高度对比图。

图10为通过测量截面的烟丝体积图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

具体包括以下几个步骤：

步骤一、构建如图1所示基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测系统，烟丝物料通过传送带进行输送，在物料传送带上方，安装有光场相机和线型激光器，二者均垂直指向下方烟丝物料，光场相机作用是采集烟丝颗粒的光场信息以实现皮带上某一横截面上烟丝高度检测，线型激光器的作用是增强烟丝颗粒表面纹理，以提高检测的准确度；在传送带滚轮处安装有速度传感器，用以实时测量传送带前进速度；信息处理计算机的作用是接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据传送带的前进速度计算得到烟丝的体积流量。

步骤二、光场相机采集的光场信息可用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，如图2(a)所示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向。其中，微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置，图2(b)给出了记录四维光场信息的原始光场图像示例，在此示例中包含3×3个微透镜，每个微透镜下的覆盖的像素数为5×5。

步骤三、对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作，光场可视化是指固定两个维度，将四维光场投影为二维图像，从而对光场进行观察。通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像

过程如下式所示。

以图2(b)中虚线部分为例，将第2列微透镜的每个微透镜下覆盖像素的第3行像素依次提取，从左到右排列，得到的极平面图像E_2，3(v，y)如图3所示，图3中既包含光线的空间信息，也包含着光线的角度信息，纹理线(图3中绿色区域)的斜率k可以映射出该点的深度信息。

步骤四、通过对图3所示极平面图像进行边缘检测，然后进行直线检测，获得纹理线斜率，其方法是：首先通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，其中，边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，包括横向算子S_x和纵向算子S_y，其表达式为：

获取边缘之后，利用霍夫变换(Hough Transform)检测直线，并得到纹理线斜率k。

步骤五、纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离l_s′CCD：

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径。

则虚拟成像面到主透镜的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离。

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定高度零点所在位置，得到被测对象高度h。

步骤六、根据上述高度计算流程，对所获取的烟丝表面光场图像(如图4所示)进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)，如图5所示。在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)。

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度。

在工业模拟装置中测得的烟丝截面高度如图6所示。

步骤七、对计算得到的烟丝截面高度进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律。由于光线不均匀等因素，会造成个别点深度识别错误，导致局部区域高度方向上的剧烈变化。因此，为了将提取的轮廓尽可能接近于真实值，需要对这些测量数据进行预处理，将个别误差点进行舍弃。

首先引入如下滤波规则：对于横截面不同位置烟丝高度H_i，当某一点与相邻左右两点相比异常尖锐，既相对于左邻点很高又相对于右邻点很高，并且与左右两点的差值之和超过规定阈值M时，这个点将会被判定为误差点，应当进行处理。处理方法为用左右两点的算术平均值替换此误差点，即为：

经过两次滤波处理后，图像中的尖锐点被消除，如图7所示。

为使截面更加平滑，更加接近于真实变化趋势，进行函数拟合。对获取结果进行傅里叶级数拟合，结果如图8所示。由此，我们便从光场原始图像中提取出了深度信息，并且重新构建出了被激光束照射位置的截面轮廓。

为评价重建轮廓的误差，人工测量了真实截面高度，与该方法所重建轮廓作了对比，如图9所示，经计算，测量误差仅为5％。

步骤八、为获取烟丝体积流量信息，还需要测量传送皮带前进速度。设传送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，光场相机的采样帧率为n_f，进一步计算烟丝体积流量Q。

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过体积V：

总采样帧数

采样时间间隔

离散化得V：

图10为[t₀,t₀+2Δt)时间段内烟丝通过测量面的体积，每个采样点的截面高度代表其后采样间隔Δt内所有时刻的截面高度。

测量时间T内平均体积流量：

Claims (4)

1.一种基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法，其特征在于：是通过由光场相机、线性激光器、速度传感器和信息处理计算机组成的检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量。

2.根据权利要求1所述的基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、构建基于光场成像的输送带上烟丝物料流量检测系统，包括光场相机、线型激光器、速度传感器以及信息处理计算机；烟丝物料通过输送带进行输送，光场相机和线型激光器安装在物料输送带上方，且二者均垂直指向下方烟丝物料，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器安装在输送带滚轮处，用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量；

步骤二、将光场相机采集的光场信息用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向。其中，光场相机中的微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，光场相机中的CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置；

步骤三、对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作；通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像如下式所示，

步骤四、通过对极平面图像进行边缘检测，然后进行直线检测，获得纹理线斜率，其中，通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，采用霍夫变换(Hough Transform)进行直线检测，并获得纹理线斜率k，边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，横向和纵向算子的表达式分别为：

步骤五、纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离：

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径；

则虚拟成像面到主透镜的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离；

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定基线零点所在位置，得到被测对象高度h；

步骤六、对所获取的烟丝表面光场图像进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)；在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)；

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度；

步骤七、对计算得到的烟丝截面高度H_i进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律；其中，函数拟合采用傅里叶级数拟合，滤波公式为

步骤八、设输送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，光场相机采样帧率为n_f，计算烟丝体积流量Q；

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过的总体积V：

总采样帧数采样时间间隔

离散化得V：

测量时间T内平均体积流量：

3.一种用于权利要求1或2所述方法的检测系统，其特征在于：包括光场相机、线型激光器、速度传感器以及信息处理计算机构成；光场相机和线型激光器安装在物料输送带上方，且二者光轴均垂直于输送带运行方向，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器安装在输送带滚轮处，用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量。

4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于：所述线性激光器其光斑直径为0.1mm，激光器激发频率高于1000Hz。

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