CN110940826B - 一种水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：利用图像采集装置获取烟丝在水平管中运动的连续图像，通过图像间烟丝颗粒的配准，计算烟丝移动距离，从而计算烟丝运动速度；所述图像采集装置包括连接在水平管密相烟丝气力输送管道中的透明材质方形管道、补光装置、图像拍摄装置、上位机控制系统。本发明的有益效果在于：1、可实现气力输送过程中烟丝速度的定量、精确测量；2、可以定量对管道气力输送过程中管道内烟丝流场进行分析；3、可以用来定量分析气力输送过程中烟丝造碎程度与风速的关系；4、可以用来定量检测和指导生产现场气力输送过程中气流速度；5、本发明为多相流速度检测提供了一个新的方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平管道中密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度的快速、精确测定方法，该方法对气力输送过程中烟丝流场分析有显著意义。
背景技术
在卷烟生产过程中广泛运用到气力输送设备来输送烟丝，特别是卷烟机的气力送丝系统，几乎是卷烟厂必不可少的设备之一。在实际生产过程中，一般由负压驱动气流运动，由气流带动烟丝从喂料端输送到目标端。烟丝的运动速度与气流速度密切相关，如果气流速度太小可能造成烟丝在管道内沉积，从而引发管道堵塞；如果气流速度太大，可能造成烟丝在管道内的碰撞、摩擦，从而造成烟丝大量造碎和管道的严重磨损。因此，对于管道内烟丝运动速度的定量检测，显得尤为重要。
但是，由于在气力输送过程中，烟丝存在运动速度快、运动方向不确定、自身不断旋转等问题，精确测定烟丝在管道内的运动速度存在一定难度。南华大学的曾蕾在《粒子图像测速(PIV)技术在烟丝流量检测中的研究》一文中提到烟丝流速的测量，论文采用了添加示踪颗粒的方法来检测烟丝流速，该方法在实际生产中可操作性不强，另外，论文中只给出了技术路线，没有进行实际验证。段俐和康琦等在《PIV技术的粒子图像处理方法》一文中对积相关法与减相关法在粒子图像测速技术的图像配准过程中的计算效果进行了比较，但该论文中处理对象为球形颗粒，不考虑颗粒的形状特征和自旋特征，与烟丝这种特殊物料存在一定差异。所以，当前烟草行业尚没有一种成熟的技术或设备可以快速、准确地检测气力输送管道中烟丝的速度。为解决这一问题提出本发明。
发明内容
本发明的目的正是基于上述现有技术状况而提出的一种水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，利用该方法可实现烟丝在水平管气力输送过程中运动速度的精确、快速检测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，主要利用图像采集装置获取烟丝在水平管中运动的连续图像，通过图像间烟丝颗粒的配准，计算烟丝移动距离，从而计算烟丝运动速度；所述图像采集装置包括连接在水平管密相烟丝气力输送管道中的透明材质方形管道、补光装置、图像拍摄装置、上位机控制系统，其中上位机控制系统中包含两个功能模块，一是图像拍摄装置控制模块，二是烟丝速度计算模块。
所述烟丝图像采集装置直接接装在气力输送烟丝的水平管道中使用，透明材质的方形管道两端分别与气力输送烟丝的水平管道密封连接，如果二者截面不匹配，则需要转换接头来连接。
具体步骤如下：
I.将图像拍摄装置设置在垂直于水平透明方形管道方向的位置，补光装置设置于水平方形管道另外一侧与图像采拍摄装置相平行的位置；
所示图像拍摄装置设置在垂直于水平透明方形管道方向0.93m的位置，该0.93m距离是指管道中心线至镜头的距离。方形管道的边长根据其应用的烟丝输送管道尺寸而确定，计算方形管道边长时应保证其截面积与烟丝输送管道截面积的水力半径相同边长优选0.133m。所述透明材质是指玻璃、有机玻璃或高分子材质。方形管道两端分别与气力输送烟丝的水平管道密封连接，如果二者截面不匹配，则需要转换接头来连接。
图像拍摄装置配有1280*860分辨率的图像采集传感器和焦距为90mm光圈可调的镜头，可以实现高速图像采集，图像采集速率最高可达1981fps，而且采集速率可调。
II.启动气力送丝系统，启动烟丝喂料装置，通过上位机控制系统中的图像拍摄装置控制模块启动图像拍摄装置，设置图像采集速率为1500fps，并将图像存储到计算机指定地址；
III.启动上位机控制系统中烟丝速度计算模块，在获取的图像文件夹中，任意选取相邻两张图像进行计算，计算过程主要分为两部分：
(1)图像配准，即在两张图像中寻找重复出现的目标烟丝，该方法主要包含以下内容：
1)读取两幅图像，如图2所示：
2)图像预处理，采用5*5的模板对两幅图像进行中值滤波、反白处理和二值化处理，如图3所示；
3)采用5*5的模板对预处理后的图像进行腐蚀，使弱连接的区域断开，再采用50的阈值进行开运算，去除微颗粒，如图4所示；
4)对每两幅图像分别提取其独立区域单元，如图5所示；
5)构造每一个独立区域单元的不变矩向量M：
根据MING-KUEI HU的论文《Visual Pattern Recognition by MomentInvariants》，定义每一个独立区域单元的p+q阶中心距为：
归一化的中心距定义为：
ηpq＝μpq/(μ00 ρ)，其中
利用二阶和三阶归一化中心矩构造了7个不变矩：
M1＝η20+η02
M2＝(η20-η02)2+4η11 2
M3＝(η30-3η12)2+(3η21-η03)2
M4＝(η30+η12)2+(η21+η03)2
M5＝(η30-3η12)(η30+η12)((η30+η12)2-3(η21+η03)2)+(3η21-η03)(η21+η03)(3(η30+η12)2-(η21+η03)2)
M6＝(η20-η02)((η30+η12)2-(η21+η03)2)+4η11(η30+η12)(η21+η03)
M7＝(3η21-η03)(η30+η12)((η30+η12)2-3(η21+η03)2)-(η30-3η12)(η21+η03)(3(η30+η12)2-(η21+η03)2)
用以上M1-M7构成的特征向量M(M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7)对图像的旋转、平移和缩放具有不变性；
6)设相邻两幅图像任意独立区域单元的特征向量分别为Mi和Mj，两个向量间的欧氏距离为：
设两幅图像分别有n1、n2个独立区域单元，则认为，对于任意Mi，有
dis(Mi，Mj)＝Min[dis(Mi，M1)，dis(Mi，M2)，dis(Mi，M3)...dis(Mi，Mn2)]
则认为特征向量Mj所代表的独立区域单元与Mi所代表的独立区域单元最相似。
7)理论上，以上配准方法存在误配准的可能性，即便第二幅图像中不存在与第一幅图像中特征向量为Mi的独立区域相匹配的独立区域，仍能在第二幅图像中寻找到与Mi欧氏距离最小的特征向量。为解决这一问题，根据实验经验，设定某一阈值L，只有当如下两个条件(1)和(2)同时满足时，才认为Mi和Mj所代表的独立区域可以配准，即认为两个独立区域中的烟丝为同一条烟丝：
dis(Mi，Mj)＝Min[dis(Mi，M1)，dis(Mi，M2)，dis(Mi，M3)...dis(Mi，Mn2)]
(1)
dis(Mi，Mj)＜L (2)
8)图像配准以后，用两幅图像中相匹配的同一条烟丝坐标相减，即可得到在t时间内该烟丝在像素坐标系下的位移，如图6所示，；
(2)相机标定，采用张正友标定法，对图像采集装置进行标定，并取得其内参矩阵：
可以得到：
其中(u，v)表示在像素坐标系中的坐标，(xc，yc)表示在相机坐标系中的坐标，zc表示镜头到管道的距离，矩阵变换后可以得到：
设相邻两幅图像中互相配准的两个区域其左边界坐标分别为(xc，yc)和(x′c，y′c)，则该烟丝在x和y方向的位移可以分别表示为：
设图像采集帧频为F帧/s，则该烟丝在x和y方向的速度可以分别表示为：
vx＝FSx (5)
vy＝FSy (6)。
本发明的有益效果在于：
1.本发明可以实现气力输送过程中烟丝速度的定量、精确测量；
2.本发明可以定对管道气力输送过程中管道内烟丝流场进行量分析；
3.本发明可以用来定量分析气力输送过程中烟丝造碎程度与风速的关系；
4.本发明可以用来定量检测和指导生产现场气力输送过程中气流速度；
5.本发明为多相流速度检测提供了一个新的方向。
附图说明
图1为发明采用的图像采集装置的结构示意图，
图中：1.方形管道，2.补光平行光源，3.图像拍摄装置，4.数据线，5.上位机控制系统。
图2为所选取的两幅烟丝照片的原始图像；
图3为对原始图像的图像预处理结果；
图4为对预处理后的图像进行腐蚀、开运算后的图像；
图5为图像中独立的烟丝区域单元。
图6为烟丝图像配准及其位移。
图7为随机两张相邻图像。
具体实施方式
本发明以下结合附图(实施例)做进一步描述：
如图1所示：本发明主要包括以下几个部分：
第1部分为方形透明管道，其截面是正方形。
第2部分为补光装置，该装置采用平行光源，置于透明管道背面，其几何中心与图像采集装置镜头光轴在同一条直线上。
第3部分为图像拍摄装置，该装置拍摄帧率可调，采集的图像分辨率为1280*860。
第4部分为数据线，连接图像拍摄装置与上位机控制系统，采用RS-422通信协议进行数据传输。
第5部分为上位机控制系统，上位机控制系统中包含两个功能模块，一是图像拍摄装置控制模块，二是烟丝速度计算模块。上位机控制系统采用RS-422通信协议与图像拍摄装置通信，通过拍摄装置控制模块启动图像拍摄装置，可以控制图像拍摄装置启动和停止，设置图像采集帧率，控制图像数据的传输和存储；上位机控制系统中的烟丝速度计算模块采用图像处理技术对采集到的图像进行处理，其中图像处理算法可实现两幅图像中同一条烟丝的识别和配准，并自动计算两幅图像在像素坐标系下的位移，并转化为烟丝在管道中的位移，除以两幅图像采集的时间差，即为烟丝运动速度。
气力输送系统启动以后，烟丝在气流的推动下通过方形管1，在上位机系统5中控制图像采集装置3开始拍摄，在平行光源2的照射下，烟丝图像被图像采集装置3采集到，并通过数据线4传输到上位机控制系统5，存放在指定地址中。启动上位机控制系统5中的烟丝速度计算模块，自动读取图像、测定管道内烟丝运动速度，并统计管道径向烟丝速度分布情况。
上述装置的具体使用步骤如下：
1.在上位机控制系统5中的拍摄装置控制模块中设置图像拍摄装置3的图像采集速率和图像储存地址；
2.打开平行光源2，启动气力输送系统和喂料装置开始喂料；
3.在上位机控制系统5中的拍摄装置控制模块中控制图像拍摄装置3开始拍摄；
4.烟丝在气流的推动下通过方形管1，采集到的图像通过数据线4传输到上位机控制系统5，并存放在指定地址中；
5.启动上位机控制系统5中的烟丝速度计算模块，自动读取图像、测定管道内烟丝运动速度，并统计管道径向烟丝速度分布情况。
实施例一
启动气力输送系统和喂料系统，调节风机频率，使管道风速稳定在22±1m/s，设定图像采集帧率为1600fps，物距为0.93m，喂料速度为100kg/h，随机截取其中两张相邻的图像进行处理，处理结果如图7所示：
由图7可以看出，随机两张图像共寻找到8组匹配烟丝，其像素位移如表1所示：
表1匹配烟丝在x和y方向的像素位移
已知相机标定内参矩阵为
以第一组匹配烟丝为例，由公式(3)(4)(5)(6)可得，其x和y方向的速度为：
以此类推，可得以上8组匹配烟丝在x和y方向的速度，如表2所示：
表2匹配烟丝在x和y方向的速度
实施例二
由实施例一的方法，调节风机频率，使管道内风速分别为22±1m/s、19±1m/s、17±1m/s。其他条件不变，三种风速下分别采集图像，每个风速下采集2000张图像。对采集的图像进行处理，在管道径向由上边向下，每隔1cm取1个点分析管道径向烟丝速度分布，得出结果如表3所示：
表3管道径向烟丝速度分布(m/s)
Claims (6)
1.一种水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：利用图像采集装置获取烟丝在水平管中运动的连续图像，通过图像间烟丝颗粒的配准，计算烟丝移动距离，从而计算烟丝运动速度；所述图像采集装置包括连接在水平管密相烟丝气力输送管道中的透明材质方形管道、补光装置、图像拍摄装置、上位机控制系统，其中上位机控制系统中包含两个功能模块，一是图像拍摄装置控制模块，二是烟丝速度计算模块，具体步骤如下：
Ⅰ.将图像拍摄装置设置在垂直于水平透明方形管道方向的位置，补光装置设置于水平方形管道另外一侧与图像采集装置相平行的位置；
Ⅱ.启动气力送丝系统，启动烟丝喂料装置，通过上位机控制系统中的图像拍摄装置控制模块启动图像拍摄装置，设置图像采集速率为1500fps，并将图像存储到计算机指定地址；
Ⅲ.启动上位机控制系统中的烟丝速度计算模块，在获取的图像文件夹中，任意选取相邻两张图像进行计算，计算过程主要分为两部分：
（1）图像配准，即在两张图像中寻找重复出现的目标烟丝，该方法主要包含以下内容：
1）读取两幅图像；
2）图像预处理，采用5*5的模板对两幅图像进行中值滤波、反白处理和二值化处理；
3）采用5*5的模板对预处理后的图像进行腐蚀，使弱连接的区域断开，再采用50的阈值进行开运算，去除微颗粒；
4）对每两幅图像分别提取其独立区域单元；
5）构造每一个独立区域单元的不变矩向量M：
定义每一个独立区域单元的p+q阶中心距为：
归一化的中心距定义为：
利用二阶和三阶归一化中心矩构造了7个不变矩：
用以上M1-M7构成的特征向量M（M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7）对图像的旋转、平移和缩放具有不变性；
6）设相邻两幅图像任意独立区域单元的特征向量分别为
和
，两个向量间的欧氏距离为:
设两幅图像分别有n1、n2个独立区域单元，则认为，对于任意
，有
则认为特征向量
所代表的独立区域单元与
所代表的独立区域单元最相似；
7）理论上，以上配准方法存在误配准的可能性，即便第二幅图像中不存在与第一幅图像中特征向量为
的独立区域相匹配的独立区域，仍能在第二幅图像中寻找到与
欧氏距离最小的特征向量；为解决这一问题，根据实验经验，设定某一阈值L，只有当如下两个条件（1）和（2）同时满足时，才认为
和
所代表的独立区域可以配准，即认为两个独立区域中的烟丝为同一条烟丝：
8）图像配准以后，用两幅图像中相匹配的同一条烟丝坐标相减，即可得到在t时间内该烟丝在像素坐标系下的位移；
（2）相机标定，采用张正友标定法，对图像采集装置进行标定，并取得其内参矩阵：
可以得到：
其中
表示在像素坐标系中的坐标，
表示在相机坐标系中的坐标，
表示镜头到管道的距离，矩阵变换后可以得到：
设相邻两幅图像中互相配准的两个区域其左边界坐标分别为
和
，则该烟丝在x和y方向的位移可以分别表示为：
设图像采集帧频为F帧/s，则该烟丝在x和y方向的速度可以分别表示为：
。
2.根据权利要求1所述的水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：所述图像拍摄装置设置在垂直于水平透明方形管道方向0.93m的位置，该0.93m距离是指管道中心线至镜头的距离。
3.根据权利要求1所述的水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：图像拍摄装置配有1280*860分辨率的图像采集传感器和焦距为90mm光圈可调的镜头，可以实现高速图像采集，图像采集速率最高可达1981fps，而且采集速率可调。
4.根据权利要求1所述的水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：方形管道的截面为正方形，正方形的边长根据其应用的烟丝输送管道尺寸而确定，计算方形管道边长时应保证其截面积与烟丝输送管道截面积相同。
5.根据权利要求1所述的水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：所述透明材质是指玻璃、高分子材质。
6.根据权利要求1所述的水平管密相烟丝气力输送过程中烟丝运动速度检测方法，其特征在于：所述图像采集装置直接接装在气力输送烟丝的水平管道中使用，透明材质的方形管道两端分别与气力输送烟丝的水平管道密封连接，如果二者截面不匹配，则需要转换接头来连接。
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