CN111044419A - 一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，包括：图像采集模块，用于获得颗粒在不同角度下的视频图像；颗粒定位模块，用于定位该颗粒在下落过程中每一帧图像的位置区域，并将视频分帧，得到颗粒下落若干张图像；图像二值化模块，用于将原始图像转化二值图像；颗粒轮廓分割模块，用于从二值图像中分割出颗粒轮廓；三维厚度计算模块，用于处理图像得到颗粒在不同角度下的片面厚度，并获得颗粒的三维真实厚度；投影面积计算模块，用于得到机制砂颗粒的投影面积；级配统计模块，结合机制砂颗粒的真实厚度与投影面积得到单颗粒体积，利用颗粒体积之和得到机制砂的级配参数。本发明能够减小由于仅依靠二维图像测量三维颗粒造成的检测误差。
Description
技术领域
本发明涉及机制砂级配检测领域，特别涉及一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统。
背景技术
各项工程建设离不开砂子，砂子主要由天然砂和机制砂构成。天然砂资源有限，我国对天然砂开采限制极为严格。机制砂作为天然砂的主要替代品，具有容易获得，资源再利用和保护环境等特点，因此成为广泛使用的材料。机制砂由石头破碎而成，其形态质量不稳定，在工程中砂子的级配对工程建筑的耐用性和强度会造成很大影响，并且，测量机制砂级配能够优化水泥配方，有效降低水泥成本。因此在实际工程中，机制砂的级配测量十分重要。
发明内容
本发明的主要目的在于克服图像法的级配检测误差，提出一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，能够减小由于仅依靠二维图像计算三维颗粒粒径造成的检测误差。
本发明采用如下技术方案：
一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，包括图像采集模块、颗粒定位模块、图像二值化模块、颗粒轮廓分割模块、三维厚度计算模块、投影面积计算模块和级配统计模块。
所述图像采集模块通过机械分散让机制砂在下落过程中翻滚起来，然后利用相机对颗粒在下落过程进行视频拍摄，得到颗粒在不同角度状态下的视频图像。
所述图像采集模块，包括振动给料单元、分散单元、背光源和工业相机。所述振动给料单元由振动器和进料斗构成，振动器按照设定的频率振动进料斗，使得进料斗中的砂料可以均匀进入测量区域。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述分散单元内采用多层折流板的机械结构将机制砂分散并且使颗粒在下落过程开始翻转。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述背光源为平行LED光源，位于颗粒落料一侧，用于给图像采集环境提供的稳定光源。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述工业相机平行于背光源，垂直于机制砂下落方向，在测量时工业相机以视频拍摄的模式对颗粒下落过程进行拍摄，使得相机能够对颗粒下落过程中进行完整拍摄，采集到颗粒在不同种角度状态和下落路径。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述颗粒定位模块包括颗粒定位单元和视频分帧单元；所述颗粒定位单元通过对颗粒下落的视频进行分析，得到颗粒的下落路径，进而在视频中进行颗粒定位，得到该颗粒在下落过程中在每一帧图像上的位置区域。所述视频分帧单元通过对该颗粒下落过程中的视频进行处理，按帧率从视频中提取图像，得到该颗粒下落过程中3张及以上图像。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述图像二值化模块包括中值滤波单元和阈值分割单元。所述中值滤波单元将图像的每个像素用3×3邻域(以当前像素为中心的正方形区域)像素中值代替，用于消除原图像中的噪声对数据稳定性的影响；所述阈值分割单元用于得到二值图像，其阈值设为200，算法计算公式如下：
其中g(x,y)为变化后的像素点颜色，f(x,y)为原图的像素的颜色，T为阈值。可根据实际工况调整阈值。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述颗粒轮廓分割模块通过扫描二值图像中的非零像素点，将像素点中心相连成为颗粒轮廓。所述颗粒轮廓分割模块，仅提取颗粒外轮廓。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述三维厚度计算模块包括片面厚度计算单元和真实厚度计算单元。所述片面厚度计算单元用于处理对一个颗粒采集到的不同图像，利用图像中的颗粒轮廓和投影面积得到颗粒的片面厚度。由于对同一个颗粒采集了多种角度状态的图像，因此根据多张图像可以得到多个片面厚度。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述片面厚度为等效椭圆Feret短径，其算法为任取两平行线与轮廓相切，平行线之间距离的最大值为最大Feret径；取颗粒轮廓的投影面积，构造一个等面积大小的椭圆形，同时取轮廓的最大Feret径为椭圆的长轴，则椭圆的短轴为等效椭圆Feret短径。其计算公式为：
其中b为等效椭圆Feret短径，A为投影面积，feretmax为最大Feret径。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述真实厚度计算单元取多个片面厚度的平均值作为机制砂颗粒的真实厚度。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述投影面积计算模块通过填充轮廓曲线内部的区域，并对曲线内部区域的像素点进行统计得到像素点个数，结合像素分辨率得到投影面积大小。投影面积计算模块用于处理不同轮廓曲线得到颗粒在不同状态下的投影体积，对颗粒在所有角度状态下的投影体积取平均值作为颗粒的最终投影面积。
在上述的技术方案基础上，进一步的，所述级配统计模块用于统计在颗粒的不同厚度区间内，各厚度区间的颗粒体积之和占总体积之比，其中单个颗粒的体积为颗粒厚度与投影面积的乘积。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，可以通过二维图像测出机制砂颗粒的真实厚度与投影面积，进而计算出机制砂的级配参数，其级配检测精度符合工程实际要求，本发明可以应用于机制砂级配测量领域，能够提升检测精度。
附图说明
图1为本发明一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统的结构流程图；
图2为本发明一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统的详细流程图；
图3为本发明一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统的结构示意图；
图4为利用二维图片颗粒拟合三维颗粒厚度示意图；
图5为工业相机采集到的视频截图以及对视频进行分帧提取后的颗粒图片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，发明一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，包括图像采集模块10、颗粒定位模块20、图像二值化模块30、颗粒轮廓分割模块40、三维厚度计算模块50、投影面积计算模块60和级配统计模块70。所述图像采集模块10通过机械分散让机制砂在下落过程中翻滚起来，然后利用相机对颗粒的下落过程进行视频拍摄，得到颗粒在不同角度状态下的视频图像。所述颗粒定位模块20处理颗粒的下落视频，得到该颗粒在下落过程中每一帧图像的坐标位置，并将视频分帧，得到颗粒下落过程中3张及以上图像。所述图像二值化模块30将图像转化为二值图像；所述颗粒轮廓分割模块40从二值图像中提取颗粒轮廓；所述三维厚度计算模块50处理轮廓得到颗粒在不同角度下的片面厚度，然后利用片面厚度得到机制砂的真实厚度；所述投影面积计算模块60用于得到机制砂颗粒的投影面积；所述级配统计模块70结合机制砂颗粒的真实厚度与投影面积得到单颗粒体积，利用颗粒体积之和得到机制砂整体的级配参数。
参见图2和图3所示，所述图像采集模块10，包括振动给料单元11、分散单元12、背光源13和工业相机14。所述振动给料单元11于给测量区域提供稳定的进料，所述分散单元12内采用多层折流板的机械结构将机制砂分散并且使颗粒在下落过程开始翻转，背光源13用于提供图像采集环境的稳定亮度，工业相机14用于在机制砂颗粒下落过程中进行视频拍摄，视频中储存了颗粒在不同角度状态下的图像，并将图像送至图3所示的图像处理系统中进行处理，所述颗粒定位模块20、图像二值化模块30、颗粒轮廓分割模块40、三维厚度计算模块50、投影面积计算模块60和级配统计模块70设置在所述图像处理系统，具体可以通过计算机终端实现。
所述颗粒定位模块20的工作流程图如图5所示，包括颗粒定位单元21和视频分帧单元22，对颗粒下落的视频进行分析，每次仅分析一个颗粒。首先得到一个颗粒的下落曲线，进而在视频中进行颗粒定位，得到该颗粒在下落过程中在每一帧图像上的位置区域。随后进行视频分帧处理，通过对该颗粒下落过程中的视频进行处理，按帧率从视频中提取图像，得到该颗粒下落过程中3张及以上图像。
所述图像二值化模块30的工作流程图如图2所示，包括中值滤波单元31和阈值分割单元32，首先使用中值滤波进行图片降噪，然后通过阈值分割的方法，将输入的机制砂图像转化为黑白二值图像。
所述颗粒轮廓分割模块40的工作流程图如图2所示，通过对二值图像中的颗粒轮廓进行提取，得到颗粒的轮廓曲线。具体方法为通过扫描二值图像中的非零像素点，将像素点中心相连成为颗粒轮廓。所述颗粒轮廓分割模块，仅提取颗粒外轮廓。
所述三维厚度计算模块50的工作流程图如图4所示，包括片面厚度计算单元51和真实厚度计算单元52，对机制砂颗粒在不同角度状态下获取的多张图片进行片面厚度计算，计算方法对每个颗粒进行单独处理。首先为得到轮廓的等效椭圆Feret短径作为颗粒厚度，具体算法为任取两平行线与轮廓相切，平行线之间距离的最大值为最大Feret径；取颗粒轮廓的投影面积，构造一个等面积大小的椭圆形，同时取轮廓的最大Feret径为椭圆的长轴，则椭圆的短轴为等效椭圆Feret短径。其计算公式为：
其中b为等效椭圆Feret短径，A为投影面积，feretmax为最大Feret径。对多个片面厚度取平均值得到机制砂的真实厚度。
所述投影面积计算模块60的工作流程图如图2所示，所述投影面积计算模块通过填充轮廓曲线内部的区域，并对曲线内部区域的像素点进行统计得到像素点个数，结合像素分辨率得到投影面积大小。投影面积计算模块用于处理不同轮廓曲线得到颗粒在不同状态下的投影体积，对颗粒在所有角度状态下的投影体积取平均值作为颗粒的最终投影面积。
所述级配统计模块70的工作流程图如图2所示，级配统计模块用于统计在颗粒的不同厚度区间内，各厚度区间的颗粒体积之和占总体积之比，其中单个颗粒的体积为颗粒厚度与投影面积的乘积。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，包括图像采集模块(10)、颗粒定位模块(20)、图像二值化模块(30)、颗粒轮廓分割模块(40)、三维厚度计算模块(50)、投影面积计算模块(60)和级配统计模块(70)；所述图像采集模块(10)通过机械分散让机制砂在下落过程中翻滚起来，然后利用相机对颗粒的下落过程进行视频拍摄，得到颗粒在不同角度状态下的视频图像；所述颗粒定位模块(20)处理所述图像采集模块(10)获得的颗粒视频图像，得到颗粒在下落过程中每一帧图像的位置区域，并将视频分帧，得到颗粒下落过程中的3张及以上图像；所述图像二值化模块(30)将所述颗粒定位模块(20)中获得的图像转化为二值图像；所述颗粒轮廓分割模块(40)从二值图像中提取颗粒轮廓；所述三维厚度计算模块(50)处理颗粒轮廓得到颗粒在不同角度下的片面厚度，然后利用片面厚度得到颗粒的真实厚度；所述投影面积计算模块(60)用于得到机制砂颗粒的投影面积；所述级配统计模块(70)结合机制砂颗粒的真实厚度与投影面积得到单颗粒体积，利用颗粒体积之和得到机制砂整体的级配参数。
2.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述图像采集模块(10)包括振动给料单元(11)、分散单元(12)、背光源(13)和工业相机(14)；所述振动给料单元(11)用于给测量区域提供稳定的进料；所述分散单元(12)用于使机制砂在下落过程中翻转；所述背光源(13)用于提供图像采集环境的稳定亮度；所述工业相机用于在机制砂颗粒的下落过程中进行视频拍摄，视频中储存了颗粒在不同角度状态下的图像和下落路径。
3.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述振动给料单元(11)以设定频率振动，使得机制砂均匀进料，用于给测量区域提供稳定的进料。
4.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述分散单元(12)内采用多层折流板的机械结构将机制砂分散并且使颗粒在下落过程中进行翻转。
5.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述背光源(13)为平行LED光源，位于颗粒落料一侧，用于给图像采集环境提供的稳定光源。
6.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述工业相机(14)平行于背光源，垂直于机制砂下落方向，在测量时工业相机以视频拍摄的模式对颗粒下落过程进行拍摄，使得相机能够对颗粒下落过程中进行完整拍摄，采集到颗粒在不同种角度状态和下落路径。
7.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述颗粒定位模块(20)，包括颗粒定位单元(21)和视频分帧单元(22)；所述颗粒定位单元(21)通过对颗粒下落的视频进行分析，得到颗粒的下落路径，进而在视频中进行颗粒定位，得到该颗粒在下落过程中在每一帧图像上的位置区域；所述视频分帧单元(22)通过对该颗粒下落过程中的视频进行处理，按帧率从视频中提取图像，得到该颗粒下落过程中3张及以上图像。
8.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述图像二值化模块(30)，包括中值滤波单元(31)和阈值分割单元(32)；所述中值滤波单元(31)用于去除图像噪声，将图像的每个像素用3×3邻域像素中值代替；所述阈值分割单元(32)用于将图像转化为黑白二值图像。
9.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述颗粒轮廓分割模块(40)，通过扫描二值图像中的非零像素点，将像素点中心相连成为颗粒轮廓并进行提取，得到各个颗粒的轮廓曲线；所述颗粒轮廓分割模块(40)仅获得颗粒外轮廓。
10.根据权利要求1所述一种基于二维动态图像法的机制砂级配测量系统，其特征在于，所述三维厚度计算模块(50)，包括片面厚度计算单元(51)和真实厚度计算单元(52)；所述片面厚度计算(51)用于处理对一个颗粒采集到的不同图像，利用图像中的颗粒轮廓和投影面积得到颗粒的片面厚度；由于对同一个颗粒采集了多种角度状态的图像，因此根据多张图像得到多个片面厚度；所述真实厚度计算单元(52)用于对同一个颗粒的多个片面厚度取平均值。
11.根据权利要求1所述的一种基于二维动态图像法的机制砂三维形态参数及级配测量方法，其特征在于：所述投影面积计算模块(60)用于处理不同颗粒的轮廓曲线得到颗粒在不同状态下的投影体积，对所有投影体积取平均值作为颗粒的最终投影面积。
12.根据权利要求1所述的一种基于二维动态图像法的机制砂三维形态参数及级配测量方法，其特征在于：所述级配统计模块(70)用于统计在颗粒的不同厚度大小区间内，各厚度区间的颗粒体积之和占所有颗粒的体积之比，其中单个颗粒的体积计算方法为颗粒厚度与投影面积的乘积。
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