CN207379913U - 一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，包括传感器光学模块、光源模块、采样模块和计算机，传感器光学模块与计算机相连；光源模块包括紫外灯、DCRⅢ可见‑近红外线光源和可见‑近红外光源，采样模块包括步进电机控制器、透射载物台、移动平台和步进电机，步进电机控制器与计算机连接，透射载物台设置在移动平台上，步进电机用于驱动移动平台和透射载物台以稳定速度平移；不同光源发射不同波长的光子至透射载物台上的棉花，光子经反射、吸收或透射后被传感器光学模块捕获形成棉花杂质的高光谱图像，并将高光谱图像传输给计算机。该检测装置能够方便快捷地进行棉花杂质的检测，且具有较高的检测精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及高光谱成像技术检测领域，特别是指一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置。
背景技术
一般而言，农林产品检测方法分为人工检测和机器检测。人工检测的标准主要依靠人眼识别，缺点是效率低、费时费力，且检测误差大，相较之，机器检测则可以避免上述问题，很好的达到预期效果。
高光谱成像技术是结合了成像技术和光谱技术的一门新技术，其在光谱维度上进行了更小的划分，因而其可以获得图像上每个点的光谱数据，及其任意一个光谱波段的图像信息，结合不同的被检物质其成分不同具有不同的光谱特性，为各类检测提供了更多的信息。
棉花是一种锦葵科棉属植物的种子纤维，成熟后的棉花为白色或白中带黄，其纤维素含量约为87％～90％，其为世界上最主要的经济作物之一，主要应用于棉品纺织和工业领域。棉花的品质，是决定棉花价值的一个关键指标，其杂质指标也是其定价的主要因素，此外残留杂质对棉花的价值造成了一定的影响，因而，对棉花中杂质的检测则尤为重要。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，利用该检测装置可对棉花中残留杂质进行有效检测。
基于上述目的，本实用新型提供的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，包括传感器光学模块、光源模块、采样模块和计算机，所述传感器光学模块包括第一光谱相机和第二光谱相机，所述第一光谱相机和所述第二光谱相机均与所述计算机相连；所述光源模块包括紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源和可见-近红外光源，所述采样模块包括步进电机控制器、透射载物台、移动平台和步进电机，所述步进电机控制器与所述计算机连接，用于控制所述步进电机转动，所述透射载物台设置在所述移动平台上，所述步进电机用于驱动所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度平移；
所述紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源或可见-近红外光源发射不同波长的光子至所述透射载物台上的棉花，光子经反射、吸收或透射后被所述第一光谱相机或所述第二光谱相机捕获形成棉花杂质的高光谱图像，并将高光谱图像传输给所述计算机，所述计算机对棉花杂质的高光谱图像进行数据处理，从而确定棉花杂质的种类。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源均设置在所述透射载物台的上方，所述可见-近红外光源设置在所述透射载物台的下方。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源的个数均为两个，且两个紫外灯和两个DCRⅢ可见-近红外线光源均设置在所述第一光谱相机和所述第二光谱相机的两侧。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述紫外灯设置在所述DCRⅢ可见-近红外线光源的上方，且所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源均以水平夹角为60°固定在所述第一光谱相机和所述第二光谱相机的两侧。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述第一光谱相机为可见-短波近红外光谱相机，所述第二光谱相机为近红外光谱相机；当所述光源模块为紫外灯或DCRⅢ可见-近红外线光源时，选择所述可见-短波近红外光谱相机采集棉花杂质的高光谱图像并传输给所述计算机；当所述光源模块为可见-近红外光源时，选择所述近红外光谱相机采集棉花杂质的高光谱图像并传输给所述计算机。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述第一光谱相机和所述第二光谱相机均包括透镜、CCD摄像头和棱镜-光栅-棱镜光学组件组成，所述紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源或可见-近红外光源发射不同波长的光子投射到棉花表面，光子经反射、吸收或透射后被所述透镜汇聚，并由所述棱镜-光栅-棱镜光学组件分散获得不同波长的反射强度线，作用在尾端的所述CCD摄像头，形成样本表面的一个条带的信息，并传输给所述计算机。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度垂直于所述棱镜-光栅-棱镜光学组件的光学主轴平移。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述移动平台为垂直升降平台，可以调节所述透射载物台与所述第一光谱相机和所述第二光谱相机之间的垂直距离。
在本实用新型的其中一个实施例中，所述步进电机通过滚珠丝杠副驱动所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度平移。
从上面所述可以看出，本实用新型提供的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置中的光源模块包括紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源和可见-近红外光源三种光源，传感器光学模块包括第一光谱相机和第二光谱相机，在棉花检测中，可以根据不同的棉花杂质选择不同的光源、光谱相机，以及反射、透射或反射+透射的采集模式，能够更全面地检测出棉花中的各种杂质。本实用新型的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置能够方便快捷地进行棉花杂质的检测，且具有较高的检测精度。
附图说明
图1是本实用新型的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置的整体结构示意图；
图2是本实用新型的高光谱图像分析方法和流程图；
图3是本实用新型的棉花杂质像素分割效果图；
其中，1-传感器光学模块，11-第一光谱相机，12-第二光谱相机，111-透镜，112-CCD摄像头，113-棱镜-光栅-棱镜光学组件，2-光源模块，21-紫外灯，22-DCRⅢ可见-近红外线光源，23-可见-近红外光源，3-采样模块，31-步进电机控制器，32-透射载物台，33-移动平台，34-步进电机，4-计算机。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
不同成分的棉花杂质具有不同的光学特性，以特定的光源、光谱相机和带有透射光学玻璃的高精度移动平台，搭建形成可以采集棉花可见-近红外波段的反射和透射多模式高光谱图像的检测装置，采集疏松后棉花的光谱图像数据，采用高光谱图像降维和图像处理及分析方法处理光谱图像数据，分析杂质或杂质在梳棉中的吸收、漫反射和透射光谱特性，建立棉花杂质检测和识别算法。
作为一个实施例，本实用新型提供的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置的整体结构示意图如图1所示。
如图1所示，本实用新型提供的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，包括传感器光学模块1、光源模块2、采样模块3和计算机4，传感器光学模块1包括第一光谱相机11和第二光谱相机12，第一光谱相机11和第二光谱相机12均与计算机4相连；光源模块2包括紫外灯21、DCRⅢ可见-近红外线光源22和可见-近红外光源23，采样模块3包括步进电机控制器31、透射载物台32、移动平台33和步进电机34，步进电机控制器31与计算机4连接，用于控制步进电机34转动，透射载物台32设置在移动平台33上，步进电机34用于驱动移动平台33和透射载物台32以稳定速度平移；
所述紫外灯21、DCRⅢ可见-近红外线光源22或可见-近红外光源23发射不同波长的光子至透射载物台32上的棉花，光子经反射、吸收或透射后被第一光谱相机11或第二光谱相机12捕获形成棉花杂质的高光谱图像，并将高光谱图像传输给计算机4，计算机4对棉花杂质的高光谱图像进行数据处理，从而确定棉花杂质的种类。
在本实用新型的实施例中，通过计算机4控制透射载物台32的平移和图像采集。
优选的，传感器光学模块1、光源模块2、采样模块3均设置在封闭式实验箱内。
如图1所示，所述紫外灯21和所述DCRⅢ可见-近红外线光源22均设置在透射载物台32的上方，所述紫外灯21和所述DCRⅢ可见-近红外线光源22发射的光子至透射载物台32上的棉花样本，光子经反射、吸收后被第一光谱相机11或第二光谱相机12捕获形成高光谱图像，经数据线传输保存于计算机4中的硬盘。所述可见-近红外光源23设置在透射载物台32的下方，是为了采集透射近红外光谱图像，当可见-近红外光源23发射光在通过透射载物台32照射在棉花样本，部分透射的光子被第二光谱相机12捕获形成高光谱图像，经数据线传输保存于计算机4中的硬盘。
在本实用新型的实施例中，所述紫外灯21和所述DCRⅢ可见-近红外线光源22的个数均为两个，且两个紫外灯21和两个DCRⅢ可见-近红外线光源22均设置在第一光谱相机11和第二光谱相机12的两侧。优选的，所述紫外灯21设置在DCRⅢ可见-近红外线光源22的上方，且紫外灯21和DCRⅢ可见-近红外线光源22均以水平夹角为60°固定在第一光谱相机11和第二光谱相机12的两侧，能够使高光谱图像清晰。
在本实用新型的实施例中的光源模块2包括紫外灯21、DCRⅢ可见-近红外线光源22和可见-近红外光源23，紫外灯21适用于所有含有荧光物质的杂质，例如含荧光的白色、透明丙纶丝、塑料绳等异性纤维；DCRⅢ可见-近红外光源22是为了采集400-1000nm波段的可见近红外高光谱图像，主要可以用于植物性杂质(例如棉花中的叶子、苞叶、铃壳、茎秆或棉籽壳等)、着色较深的毛发、碎布、丙纶丝、有色尼龙绳等异性纤维；可见-近红外光源23是为了采集800-2500nm近红外高光谱图像，主要适用于不含荧光的着色较浅的异性纤维，诸如白色毛发、白色和透明丙纶丝、透明地膜等异性纤维。因此，在本实用新型的实施例中，光源模块2包括三种光源，能够更全面地检测出棉花中的杂质。
可选的，所述第一光谱相机11为可见-短波近红外光谱相机，所述第二光谱相机12为近红外光谱相机，当光源模块2为紫外灯21或DCRⅢ可见-近红外线光源22时，选择可见-短波近红外光谱相机采集棉花杂质的光谱图像并传输给计算机4，当光源模块2为可见-近红外光源23时，选择近红外光谱相机采集棉花杂质的光谱图像并传输给计算机4。
在本实用新型的实施例的棉花杂质检测装置中，不同的光源使用不同的光谱相机，DCRⅢ可见-近红外光源22的有效波段较窄，在400-1000nm有效，适用可见短波近红外光谱相机，而可见-近红外光源23的波长较宽，在800-2500nm更有效，在可见短波近红外光谱下，虽然光子效应尚可，但其效应不能很好用于可见光谱相机的成像，更适用于近红外光谱相机。紫外灯21发射的光子波长大约在200-450nm有效，照射到棉花或者杂质上后，与荧光物质发生荧光光学效应，其散射或反射的光子波长已经变为400-500nm，或者更大，所以只需要可见短波近红外光谱相机就可以捕获，成像。
在棉花检测时，可以选择不同的光源、光谱相机，以及漫反射、透射或漫反射+透射的采集模式。在成像过程中，可以使用单一光谱对应单一的光谱相机，例如使用紫外灯21或DCRⅢ可见-近红外线光源22，和可见-短波近红外光谱相机时，为漫反射的采集模式；当使用可见-近红外光源23和近红外光谱相机时，为透射的采集模式；当同时开启两种光源时(例如紫外灯21和可见-近红外光源23，或者DCRⅢ可见-近红外线光源22和可见-近红外光源23)，并同时使用可见-短波近红外光谱相机和近红外光谱相机时，为漫反射+透射的采集模式。当同时使用可见-短波近红外光谱相机和近红外光谱相机时，可见-短波近红外光谱相机和近红外光谱相机并列设置，并均与计算机4连接。
所述第一光谱相机11和所述第二光谱相机12均包括透镜111、CCD摄像头112和棱镜-光栅-棱镜光学组件113组成，所述紫外灯21、DCRⅢ可见-近红外线光源22或可见-近红外光源23发射不同波长的光子投射到棉花表面，光子经反射、吸收或透射后被透镜111汇聚，并由棱镜-光栅-棱镜光学组件113分散获得不同波长的反射强度线，作用在尾端的CCD摄像头112，形成样本表面的一个条带的信息，并传输给所述计算机4。
优选的，所述移动平台33和所述透射载物台32以稳定速度垂直于棱镜-光栅-棱镜光学组件113的光学主轴平移。所述第一光谱相机11和所述第二光谱相机12的成像原理为：当检测对象(棉花)以固定的速度垂直于棱镜-光栅-棱镜光学组件113的光学主轴平移，检测对象在光源的照射下，反射光束或透射光束通过透镜111进入棱镜-光栅-棱镜光学组件113，被色散后投射到棱镜-光栅-棱镜光学组件113尾端的CCD摄像头112，从而使反射光束或透射光束经过色散后形成连续波段光的多条平行反射强度线。因此，随着检测对象的移动，对象表面的条带被成像后存储，从而实现对整个目标的成像。
所述移动平台33为垂直升降平台，可以调节所述透射载物台32与第一光谱相机11和第二光谱相机12之间的垂直距离，通过垂直升降平台调整棉花与第一光谱相机11和第二光谱相机12之间的垂直距离，优选的，透镜111的镜头到棉花表面的距离为460mm，使第一光谱相机11和第二光谱相机12采集的高光谱图像能够满足检测的要求。
优选的，所述步进电机34通过滚珠丝杠副驱动移动平台33和透射载物台32以稳定速度平移，优选的，移动平台33的平移速度为0.575mm/s，步进电机34与滚珠丝杠副可通过联轴器连接。
所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置的使用方法：在棉花检测时，可以选择不同的光源、光谱相机，以及漫反射、透射或漫反射+透射的采集模式。当选择好光源、光谱相机和采集模式后，开启和调整光源紫外灯21(或DCRⅢ可见-近红外线光源22、可见-近红外光源23)，并运行30分钟至稳定发光状态，开启、调整和设定第一光谱相机11或第二光谱相机12的工作参数，空运行30分钟，而后将疏松后的棉花放置于透射载物台32，通过计算机4发出指令至步进电机控制器31，驱动步进电机34转动，经滚珠丝杠副驱动移动平台33和透射载物台32以稳定速度平移，光源紫外灯21(或DCRⅢ可见-近红外线光源22、可见-近红外光源23)发射不同波长的光子至疏松后的棉花，光子经反射、吸收或透射后被第一光谱相机11或第二光谱相机2捕获形成可见-近红外光的高光谱图像，经数据线传输保存于计算机4的硬盘。
光谱图像分析流程和方法：
数据分析流程如图2所示。原始高光谱图像采用白板校正，提取特征波段图像和每个像素的光谱信息；使用平滑、中值滤波等预处理方法处理波段图像和像素光谱；使用波段图像，采用边界提取或灰度阈值分割获取疑似杂质的区域，并结合形态学中的膨胀和收缩等操作获得目标分割区域；使用像素光谱，采用判别分析等分类方法判别每个像素的类型(棉花为0，杂质为1)，重构分割图像；采用形态学或阈值分类，后处理分割后的二值图像，剔除一些噪点或伪区域；基于棉花中实际杂质目标位置和像素空间区域，对比后处理二值图像，统计判别分割后的区域是否是杂质，确定杂质的识别和检测率。
以上述分析方法，最终获得杂质识别结果，其中白色丙纶丝、透明丙纶丝、白色猪毛、透明聚乙烯地膜碎片等杂质识别均超过75％，杂质目标分割示例见图3。
由上述内容可知，本实用新型提供的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置中的光源模块包括紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源和可见-近红外光源三种光源，传感器光学模块包括第一光谱相机和第二光谱相机，在棉花检测中，可以根据不同的棉花杂质选择不同的光源、光谱相机，以及反射、透射或反射+透射的采集模式，能够更全面地检测出棉花中的各种杂质。本实用新型的一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置能够方便快捷地进行棉花杂质的检测，且具有较高的检测精度。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，包括传感器光学模块、光源模块、采样模块和计算机，所述传感器光学模块包括第一光谱相机和第二光谱相机，所述第一光谱相机和所述第二光谱相机均与所述计算机相连；所述光源模块包括紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源和可见-近红外光源，所述采样模块包括步进电机控制器、透射载物台、移动平台和步进电机，所述步进电机控制器与所述计算机连接，用于控制所述步进电机转动，所述透射载物台设置在所述移动平台上，所述步进电机用于驱动所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度平移；
所述紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源或可见-近红外光源发射不同波长的光子至所述透射载物台上的棉花，光子经反射、吸收或透射后被所述第一光谱相机或所述第二光谱相机捕获形成棉花杂质的高光谱图像，并将高光谱图像传输给所述计算机，所述计算机对棉花杂质的高光谱图像进行数据处理，从而确定棉花杂质的种类。
2.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源均设置在所述透射载物台的上方，所述可见-近红外光源设置在所述透射载物台的下方。
3.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源的个数均为两个，且两个紫外灯和两个DCRⅢ可见-近红外线光源均设置在所述第一光谱相机和所述第二光谱相机的两侧。
4.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述紫外灯设置在所述DCRⅢ可见-近红外线光源的上方，且所述紫外灯和所述DCRⅢ可见-近红外线光源均以水平夹角为60°固定在所述第一光谱相机和所述第二光谱相机的两侧。
5.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述第一光谱相机为可见-短波近红外光谱相机，所述第二光谱相机为近红外光谱相机；当所述光源模块为紫外灯或DCRⅢ可见-近红外线光源时，选择所述可见-短波近红外光谱相机采集棉花杂质的高光谱图像并传输给所述计算机；当所述光源模块为可见-近红外光源时，选择所述近红外光谱相机采集棉花杂质的高光谱图像并传输给所述计算机。
6.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述第一光谱相机和所述第二光谱相机均包括透镜、CCD摄像头和棱镜-光栅-棱镜光学组件组成，所述紫外灯、DCRⅢ可见-近红外线光源或可见-近红外光源发射不同波长的光子投射到棉花表面，光子经反射、吸收或透射后被所述透镜汇聚，并由所述棱镜-光栅-棱镜光学组件分散获得不同波长的反射强度线，作用在尾端的所述CCD摄像头，形成样本表面的一个条带的信息，并传输给所述计算机。
7.根据权利要求6所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度垂直于所述棱镜-光栅-棱镜光学组件的光学主轴平移。
8.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述移动平台为垂直升降平台，可以调节所述透射载物台与所述第一光谱相机和所述第二光谱相机之间的垂直距离。
9.根据权利要求1所述的基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置，其特征在于，所述步进电机通过滚珠丝杠副驱动所述移动平台和所述透射载物台以稳定速度平移。
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2017
- 2017-10-19 CN CN201721351825.3U patent/CN207379913U/zh not_active Expired - Fee Related
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