CN110913102A - 用于矾花采集及识别的图像处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于矾花采集及识别的图像处理装置，包括：图像采集模块、图像识别模块与具有透明窗口的防护装置，图像采集模块与图像识别模块密封安装于防护装置内，图像采集模块透光透明窗口采集矾花图像；图像识别模块，其连接图像采集模块，用于预处理矾花图像，并提取矾花轮廓，根据计算的矾花轮廓面积、周长、等效直径确定当前水下矾花的总体分布及形态情况。本发明通过将图像采集模块与图像识别模块集成在防护装置内，避免了采集与识别分离造成的矾花识别效果不佳，能够直观了解水下矾花当前状态，便于后续加药调整；同时，对使用环境要求低，便于连续实时采集并识别水中矾花的状态，减少人工投入，降低劳动强度和成本。

Description

用于矾花采集及识别的图像处理装置

技术领域

本发明涉及水处理与图像处理技术领域，特别是涉及一种用于矾花采集及识别的图像处理装置。

背景技术

混凝沉淀工艺是水处理过程中一个十分重要的环节，反应效果的好坏直接关系到出水水质和处理成本，不论是自来水、生活污水还是各类工业废水的处理均需应用到混凝沉淀工艺。混凝沉淀工艺是指通过向水中投加适量的混凝剂，破坏水中胶体颗粒及细微悬浮物的稳定性使其团聚，在絮凝剂的捕捉作用以及一定的水力条件下，形成絮凝体(水处理中一般称为矾花)，并使之从水中分离的过程。

然而，现有的矾花采集和识别分离，水下摄像头实时采集图像传输到后台，后台采用图像识别算法解析该图像数据识别矾花。一方面，由于原始图像数据较大，增加了传输负担；另一方面，图像识别依赖于图像数据，如果对原始图像压缩，也会造成图像失真，影响后续图像识别效果。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于矾花采集及识别的图像处理装置，用于解决现有技术中矾花采集和识别分离，引起识别效果不佳的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第一方面提供一种用于矾花采集及识别的图像处理装置，包括：图像采集模块、图像识别模块与具有透明窗口的防护装置，所述图像采集模块与图像识别模块密封安装于所述防护装置内，所述图像采集模块透光透明窗口采集矾花图像；所述图像识别模块，其连接所述图像采集模块，用于预处理所述矾花图像，并提取所述矾花轮廓，根据计算的所述矾花轮廓面积、周长、等效直径确定当前水下矾花的总体分布及形态情况。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述图像识别模块还用于根据所述矾花方差、倾斜度、峰度、熵、分形维数确定所述矾花处于何种状态，从而判定是否加药。

在所述第一方面的某些实施方式中，采用限制对比度的自适应直方图阈值均衡化所述矾花图像，调整所述矾花图像亮度实现二值化转换的预处理。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述图像采集模块包括工业相机与补光灯，所述补光灯设置于所述工业相机的镜头外围。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述工业相机的镜头为定焦镜头，且所述工业相机的像素大于或等于500万。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述镜头的焦距为16毫米或25毫米或32毫米。

在所述第一方面的某些实施方式中，还包括套管，所述套管的第一端与图像采集模块连接，套管的第二端与透明窗口紧贴，所述补光灯安装在防护装置内，所述补光灯为环形补光灯，且补光灯套装在套管的第二端上，并与透明窗口紧贴。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述套管为圆筒形，且套管的两端分别与图像采集模块的镜头和补光灯卡接，所述套管的内径与图像采集器的镜头的外径相等，所述套管的外径与补光灯的内径相等。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述图像识别模块还包括通信单元，所述通信单元连接后台服务器。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述防护装置为圆筒形，其内径大于所述环形补光灯外径。

在所述第一方面的某些实施方式中，还包括供电模块，分别连接图像采集模块、图像识别模块为其供电。

在所述第一方面的某些实施方式中，所述供电模块为锂电池，所述锂电池连接无线充电接收线圈，所述无线充电接收线圈粘接在所述防护装置内。

如上所述，本发明的用于矾花采集及识别的图像处理装置，具有以下有益效果：

通过将图像采集模块与图像识别模块集成在防护装置内，避免了采集与识别分离造成的矾花识别效果不佳，能够直观了解水下矾花当前状态，便于后续加药调整；同时，对使用环境要求低，便于连续实时采集并识别水中矾花的状态，减少人工投入，降低劳动强度和成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的用于矾花采集及识别的图像处理装置结构框图；

图2显示为本发明实施例提供的用于矾花采集及识别的图像处理装置结构示意图。

零件标号说明：

1 图像采集模块；

2 图像识别模块；

3 电源模块；

4 防护装置；

11 工业相机；

12 镜头；

13 套管；

14 补光灯；

5 透明窗口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为本发明实施例提供的用于矾花采集及识别的图像处理装置结构框图，包括：

图像采集模块1、图像识别模块2与具有透明窗口的防护装置4，所述图像采集模块1与图像识别模块2密封安装于所述防护装置4内，所述图像采集模块1透光透明窗口采集矾花图像；所述图像识别模块2，其连接所述图像采集模块1，用于预处理所述矾花图像，并提取所述矾花轮廓，根据计算的所述矾花轮廓面积、周长、等效直径确定当前水下矾花的总体分布及形态情况。

在此，通过工业摄像头等图像采集装置对需要进行智能加药处理的区域，例如工厂废水处理区域等场景进行图像采集，获取对应的实时图像信息(矾花图像)，图像识别模块2采用单片微型控制器搭载以下算法处理所述矾花图像。

在本实施例中，图像识别模块2需要对水池中的图像进行实时分析，输入图像为水下工业相机采集到的视频图像。将从视频流读出来的原图，进行如下处理：将视频流图片进行限制对比度的自适应直方图阈值均衡化，传统的直方图均衡对于那种包含明显较亮或较暗区域的图像来说，往往不能起到显著的增强效果。而此处使用的限制对比度的自适应直方图阈值均衡化对对比度进行了限制，通过计算图像每一个显著区域的直方图，来重新分布图像的亮度值，因此它更适合于用来改善图像的局部对比度，以及增强图像边缘信息，利于分割。

之后，在另一实施例中，调整图像亮度，进行类型转换，以此进行自适应二值化。在图像处理应用中二值化操作是一个很常用的处理方式，例如，零器件图片的处理、文本图片和验证码图片中字符的提取、车牌识别中的字符分割，以及视频图像中的运动目标检测中的前景分割。此处使用的是局部自适应阈值，是根据像素的邻域块的像素值分布来确定该像素位置上的二值化阈值，这样做的好处在于每个像素位置处的二值化阈值不是固定不变的，而是由其周围邻域像素的分布来决定的。亮度较高的图像区域的二值化阈值通常会较高，而亮度较低的图像区域的二值化阈值则会相适应地变小。不同亮度、对比度、纹理的局部图像区域将会拥有相对应的局部二值化阈值。

最后，提取矾花轮廓，实现目标矾花与水背景分割，使得画面简洁明了，从而能够让现场操作人员更加直观地了解现场水下矾花实时状况。

在本实施例中，图像识别模块2得到图像相关信息后，通过分析处理相关参数，计算出轮廓面积、周长、等效直径，这些数据可以作为水下矾花的直观表现；通过一系列计算处理还能够得到总面积、黑色面积占比、矾花平均面积、矾花平均周长、矾花平均等效直径，通过以上计算结果可直接清晰准确地知晓当前水下矾花的总体分布及形态情况；通过一系列计算处理还能够得到方差、倾斜度、峰度、熵、分形维数。

在本实施例中，可选的，各种参数的算法可用如下的公式来表示。灰度图像方差即为矾花图像的方差，表示随机变量围绕中心值的散布程度。计算公式为：

灰度图像倾斜度即表示随机变量与中心分布的不对称程度，向右倾斜，值为正，向左值为负。计算公式为：

灰度图像峰度即为峰度又称峰态系数，表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数。计算公式为：

熵值即图像熵，即一幅图像的信息熵，信息熵简单来说就是把信息进行了量化。通过熵的大小表示信息的混乱程度。一般情况下，图像中包涵的信息量多，熵值越大。计算公式为：

平均等效直径即为轮廓分析图中所有轮廓的平均等效直径，计算公式为：

矾花灰度图像的分形维数包含了矾花密实度等信息，可以用来表示絮凝效果，它的变化可以反映矾花的形成过程及其规律。其计算流程为：

A＝αLDf

其中，A为矾花的投影面积，L为投影的最大长度，α为比例常数，Df为矾花在二维空间的分形维数，对公式去对数:

lnA＝DflnL+lnα

采集所有矾花对应的面积A和周长P，分别去对数后利用最小二乘法对这些数据进行拟合，得到相应直线，此直线斜率为这个处理时间周期内的分形维数。

需要说明的是，采用上述方式，前端图像处理装置直接采集矾花图像并识别所述矾花图像的当前状态，而后台服务器通过了解当前矾花图像的状态，利用混凝加药系统内的混凝沉淀单元操作中人工识别、人工决策过程的电脑模拟、系统替代，实现具有高效感知、自动控制特点的智能化管理。其中，机器视觉将代替人眼对混凝过程中矾花特性进行实时监测和分析具有可靠性高、功率小、运行成本低、实时性强等特点，有助于规范管理、节能降耗、减员增效；能够保障出水水质，实现混凝单元减员化、无人化，减少总体加药量，消除日常安全隐患。

在另一实施例中，防护装置4可以采用圆筒形结构，采用圆筒形结构便于进行密封，图像采集模块1与图像识别模块2安装在密封的防护装置4内，该防护装置的材料优选为复合材料，例如，不锈钢或有机玻璃，使得密封后的防护等级大于或等于IP67，其中，图像采集模块1包括图2中的工业相机11、镜头12、套管13与补光灯14等。防护装置4上设有透明窗口5，透明窗口5设置在防护装置4的前端，图像采集模块1透过透明窗口5采集矾花图像，并通过补光灯14提供用于外部图像照明的光源，通过设置补光灯5降低对图像采集环境的要求，避免受到环境亮度的影响，便于图像采集器能够在连续不断的采集图像，提高了效率透明窗口5可以采用玻璃或塑料等透明材料，既能保证防护装置4内部的密封性，又能使得防护装置4内部的图像采集模块1采集清晰的矾花图像。图2中工业相机1的镜头12为定焦镜头，且工业相机的像素大于或等于500万，保证了图像的清晰度。镜头12的焦距可以为14～18毫米或为23～27毫米或30～34毫米，例如镜头12的焦距为16毫米或为25毫米或为32毫米，镜头3采用定焦镜头，并采用合适的焦距有利于清晰地采集水下矾花的图像，为后期水处理的效果做好准备。

在此，图像识别模块2还包括通信单元，所述通信单元连接后台服务器，需要说明的是，通信单元(有线传输，例如同轴线缆或光缆，或，无线通信模块，例如5G模块)上传至后台服务器，直接在前端采集矾花图像并识别矾花图像当前的状态，向后台服务器输出参考数据即可，减少了原始图像数据实时传输的烦恼。

如图2所示，在一实施例中，补光灯14可以设置在防护装置4的内部，安装在防护装置4内部的补光灯14为LED环形补光灯，采用环形补光灯，既能保证均匀照明，又能避免影响图像采集器采集图像。防护装置4内还安装有套管13，套管13的形状与镜头12的形状相匹配，套管13的长度大于或等于图像采集模块的镜头12的最小工作距离，套管13的长度可以为10mm～15mm，通过在防护装置4内部的镜头和补光灯之间设置套管13来保证镜头12能够正常拍摄，保证图像的清晰度。套管13为圆筒形，套管13的两端分别与镜头12和补光灯14套装卡接，套管13的内径与镜头12的外径相等，套管13的外径与补光灯14的内径相等，使得套管13的第一端套装在镜头12卡住固定，套管13的第二端与透明窗口5紧贴，并通过粘接方式无缝粘接，提高稳固性。补光灯14套装固定在套管13的第二端上，且补光灯14远离镜头12的一侧与透明窗口5紧贴，装配简单方便，补光灯功率为12W及以上，确保其补光光源稳定充足。将补光灯14设置在防护装置4内，减少外部环境对各零部件的影响和干扰，延长设备的使用寿命，降低故障率。

在另一实施例中，补光灯14可以安装在防护装置4的外部(图未示)，补光灯14通过螺栓8与防护装置4的前端连接形成整体；或者补光灯14设置在水中其它位置(图未示)，与防护装置4独立设置。当补光灯14与防护装置4连接时，补光灯14与透明窗口5正对设置，补光灯14为平板式补光灯。补光灯14设置在防护装置4的外部，减少了零部件数量，简化了结构，更换维护简单方便，防护装置4的内径与图像采集模块1的最大外径相等即可，使得图像采集模块1既能装入保护仓内，又能避免图像采集模块1晃动。

在一些具体示例中，还包括电源模块3，分别连接图像采集模块1、图像识别模块2为其供电，确保防护装置内各个模块能够正常运行。所述供电模块优选为锂电池，所述锂电池连接无线充电接收线圈，所述无线充电接收线圈粘接在所述防护装置内，采用无线充电形式补充电能，避免了有线供电容易导致的线路损坏，以及随机布点时所导致的管线铺设费用，节约大量人力物力财力。另外，为了防止无线充电线圈信号传输的屏蔽作用，该防护装置可采用ABS工程塑料。还有，所述电源模块3还可为线缆方式连接，即，采用线缆方式实现供电。

综上所述，本发明通过将图像采集模块与图像识别模块集成在防护装置内，避免了采集与识别分离造成的矾花识别效果不佳，能够直观了解水下矾花当前状态，便于后续加药调整同时，对使用环境要求低，便于连续实时采集并识别水中矾花的状态，减少人工投入，降低劳动强度和成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，包括：图像采集模块、图像识别模块与具有透明窗口的防护装置，所述图像采集模块与图像识别模块密封安装于所述防护装置内，所述图像采集模块透光透明窗口采集矾花图像；所述图像识别模块，其连接所述图像采集模块，用于预处理所述矾花图像，并提取所述矾花轮廓，根据计算的所述矾花轮廓面积、周长、等效直径确定当前水下矾花的总体分布及形态情况。

2.根据权利要求1所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述图像识别模块还用于根据所述矾花方差、倾斜度、峰度、熵、分形维数确定所述矾花处于何种状态，从而判定是否加药。

3.根据权利要求1所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，采用限制对比度的自适应直方图阈值均衡化所述矾花图像，调整所述矾花图像亮度实现二值化转换的预处理。

4.根据权利要求1所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述图像采集模块包括工业相机与补光灯，所述补光灯设置于所述工业相机的镜头外围。

5.根据权利要求4所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述工业相机的镜头为定焦镜头，且所述工业相机的像素大于或等于500万。

6.根据权利要求4或5所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，还包括套管，所述套管的第一端与图像采集模块连接，套管的第二端与透明窗口紧贴，所述补光灯安装在防护装置内，所述补光灯为环形补光灯，且补光灯套装在套管的第二端上，并与透明窗口紧贴。

7.根据权利要求6所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述套管为圆筒形，且套管的两端分别与图像采集模块的镜头和补光灯卡接，所述套管的内径与图像采集器的镜头的外径相等，所述套管的外径与补光灯的内径相等。

8.根据权利要求1所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述图像识别模块还包括通信单元，所述通信单元连接后台服务器。

9.根据权利要求1所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，还包括供电模块，分别连接图像采集模块、图像识别模块为其供电。

10.根据权利要求9所述的用于矾花采集及识别的图像处理装置，其特征在于，所述供电模块为锂电池，所述锂电池连接无线充电接收线圈，所述无线充电接收线圈粘接在所述防护装置内。

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