羅小燕，林龍飛，蔡改貧

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000)

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基于圖像處理的礦石粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)

羅小燕，林龍飛，蔡改貧

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000)

針對(duì)鎢礦石破碎領(lǐng)域中急需解決的粒度在線檢測(cè)問題，以CCD攝像組件為檢測(cè)元件獲得礦石顆粒的圖像，采用分水嶺算法對(duì)顆粒圖形進(jìn)行分割，在提取并分析圖形顆粒的相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，通過建立不同大小的檢測(cè)算子對(duì)分割后的顆粒圖像采用擊中與擊不中的分析與統(tǒng)計(jì)，得到被測(cè)礦石的粒度分布，采用MTALAB和LABVIEW的混合編程方式開發(fā)了粒度檢測(cè)系統(tǒng)程序。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，檢測(cè)系統(tǒng)的分析結(jié)果與實(shí)際粒度分布情況具有較好的一致性，可以滿足礦石顆粒的在線檢測(cè)需要。

粒度分布；在線檢測(cè)；分水嶺算法；擊中與擊不中變換；混合編程

0 引言

礦石的粒度分布是評(píng)價(jià)破碎效果的一項(xiàng)重要依據(jù)，粒度參數(shù)主要包括面積、周長(zhǎng)、粒徑和體積等[1]。目前大多采用低效、離線的人工篩分檢測(cè)法確定碎后粒度分布，難以保證選礦生產(chǎn)需要。

近年來數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸應(yīng)用于各種粒度分析儀所獲取的圖像處理中[2]。這種非接觸式粒度檢測(cè)方法可以有效克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，且能很好的適應(yīng)碎磨工序的惡劣工況，因此，通過在傳送帶上方安裝機(jī)器視覺裝置，利用數(shù)字圖像技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理等軟測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)連續(xù)地進(jìn)行在線粒度測(cè)量及自動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是礦石粒度測(cè)量的有效手段。

1 礦石粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)組成

礦石粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由CCD攝像機(jī)組件、支架、光源、擋板、計(jì)算機(jī)以及礦石傳送帶等組成。CCD攝像機(jī)架設(shè)在傳送皮帶上方，與計(jì)算機(jī)直接相連，通過已經(jīng)編寫好的圖像采集程序，完成進(jìn)行顆粒圖像的采集；光源用于給物料表面提供均勻光照，排除外界光源對(duì)圖像采集效果的影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

礦石粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要包括圖像采集與處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。

圖1 礦石粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像采集模塊通過MTALAB圖像采集工具箱控制CCD攝像組件實(shí)現(xiàn)視頻的預(yù)覽，并連續(xù)采集礦石顆粒的圖像。圖像處理模塊采用圖像處理技術(shù)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行粒度檢測(cè)。數(shù)據(jù)顯示模塊要實(shí)現(xiàn)粒度顯示與控制輸出等功能。

2 圖像采集與處理系統(tǒng)

2.1 圖像采集

圖像采集與處理系統(tǒng)利用3103UC數(shù)字?jǐn)z像完成圖像數(shù)據(jù)采集。調(diào)整CCD攝像頭的高度和攝像頭的焦距，可以調(diào)整圖像拍攝范圍的大小；由于CCD攝像組件與計(jì)算機(jī)直接相連，所以通過MTALAB圖像采集工具可以實(shí)現(xiàn)圖像的在線采集。

2.2 圖像處理

由于傳送帶上的礦石為粘連堆積狀態(tài)，形態(tài)復(fù)雜，且處于高粉塵環(huán)境，目標(biāo)與背景區(qū)分度差。因此，本文對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度化、中值濾波和形態(tài)重構(gòu)等預(yù)處理[3]，圖像處理系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 圖像處理系統(tǒng)流程圖

將原圖(如圖3(a))預(yù)處理后，對(duì)重構(gòu)圖像進(jìn)行多尺度形態(tài)學(xué)梯度化、計(jì)算極大值及閾值分割(如圖3(b))處理。將閾值分割圖像距離變換后，進(jìn)行第一次分水嶺分割，將分割后的圖像結(jié)合極大值圖像，采用強(qiáng)制最小技術(shù)對(duì)梯度圖像進(jìn)行修改，對(duì)修改后的梯度圖像進(jìn)行第二次分水嶺分割，分割效果如圖3(c)所示。

(a)原圖

(b)閾值分割

(c)標(biāo)記分水嶺分割效果

2.3 顆粒參數(shù)的提取

在顆粒特征中，顆粒面積、周長(zhǎng)、當(dāng)量直徑、形狀因子是顆粒的重要信息，通過分析這些參數(shù)可以完成顆粒的檢測(cè)。固定攝像機(jī)高度后對(duì)采集的圖像進(jìn)行像素標(biāo)定，根據(jù)實(shí)際測(cè)量單位和像素的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到顆粒圖像中每個(gè)顆粒實(shí)際的幾何特征參數(shù)。

利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中一種重要的圖像分析方法擊中與擊不中變換，可以同時(shí)探測(cè)圖像的內(nèi)部和外部，常被用于解決目標(biāo)圖像識(shí)別等形態(tài)學(xué)模式識(shí)別等問題[4-6]。A被B擊中或擊不中變換用符號(hào)表示，擊中與擊不中變換定義為：

A?B=(AΘB1)∩(AcΘB2)

(1)

式中:B1、B2為結(jié)構(gòu)元素，一個(gè)用于探測(cè)圖像內(nèi)部，另一個(gè)用于探測(cè)圖像外部；AC為圖像A的補(bǔ)集Θ為形態(tài)學(xué)腐蝕運(yùn)算。

擊中與擊不中變換原理如圖4所示，設(shè)原二值圖像中像素為1的元素為礦石顆粒，像素為0的元素為背景部分，建立矩形算子B1和B2對(duì)二值圖像進(jìn)行擊中與擊不中變換，變換結(jié)果如圖4(d)所示，共包含兩個(gè)相應(yīng)大小的礦石顆粒。根據(jù)像素的標(biāo)定結(jié)果，建立不同大小的檢測(cè)算子對(duì)分割后的二值圖像進(jìn)行進(jìn)行擊中與擊不中變換，通過統(tǒng)計(jì)變換結(jié)果的擊中次數(shù)，即可統(tǒng)計(jì)不同粒度的顆粒個(gè)數(shù)。

3 輸出與顯示系統(tǒng)

3.1 MATLAB 與LABVIEW混合編程

本系統(tǒng)采用MATLAB 7.0和LABVIEW 8.6軟件混合編程方式完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示與儲(chǔ)存。在LABVIEW中通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用圖像處理M文件，實(shí)現(xiàn)LABVIEW和MATLAB 的無縫鏈接，從而完成LABVIEW對(duì)M文件的調(diào)用，并利用LABVIEW進(jìn)行操作界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、調(diào)用等操作。

(a)原二值圖

(b)結(jié)構(gòu)元素B1

(c) 結(jié)構(gòu)元素B2

(d)擊中與擊不中變換結(jié)果

3.2 圖像調(diào)用

在圖像處理部分，首先通過文件路徑輸入控件控制待處理圖像的路徑，連接讀取bmp文件控件和繪制平化像素控件，將原始圖像顯示在界面上[7-9]。選擇函數(shù)>>數(shù)學(xué)>>腳本與公式模板中的MATLAB Script，就將該節(jié)點(diǎn)添加到了框圖程序中。然后直接在該節(jié)點(diǎn)的框圖中寫入MATLAB圖像處理程序，在對(duì)話框中導(dǎo)入腳本文件，再添加輸入輸出口并設(shè)定其數(shù)據(jù)類型即可完成調(diào)用腳本文件。

3.3 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)

LABVIEW通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用M文件對(duì)圖像進(jìn)行處理后，可以得到鎢礦石的顆粒特征參數(shù)，由于LABVIEW在界面設(shè)計(jì)上比MATLAB更有優(yōu)勢(shì)，所以，完成M文件調(diào)用后，即數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)入了LABVIEW，將MATLAB Script接入波形圖控件完成了顯示功能[7-9]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過模擬實(shí)際生產(chǎn)條件，對(duì)-5 mm、5～6 mm、6～8 mm、8～9 mm、9～10 mm和+10 mm大小的顆粒進(jìn)行像素標(biāo)定后，建立檢測(cè)算子大小分別為13、15、17、20、22和24進(jìn)行10次粒度檢測(cè)，計(jì)算累積誤差率：

(2)

式中：Pr為粒級(jí)范圍在r內(nèi)的累積誤差率；S為該粒級(jí)范圍內(nèi)篩分的顆粒個(gè)數(shù)；J為該粒級(jí)范圍內(nèi)檢測(cè)的顆粒個(gè)數(shù)；N為一次實(shí)驗(yàn)篩分的總個(gè)數(shù)；i為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

將檢測(cè)結(jié)果與篩分結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，當(dāng)?shù)V石顆粒在5 mm以下時(shí)，檢測(cè)誤差大，當(dāng)顆粒粒徑越大時(shí)，檢測(cè)誤差越小，且各粒級(jí)

表1 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

10次檢測(cè)的累積誤差率在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明通過所建立的檢測(cè)算子，能夠較準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)每個(gè)粒級(jí)的礦石顆粒個(gè)數(shù)。

5 結(jié)論

(1)利用CCD攝像組件為檢測(cè)元件獲得礦石顆粒的圖像并結(jié)合閾值分割算法的標(biāo)記分水嶺算法來有效分割粘連的顆粒，利用擊中擊不中變換完成了礦石顆粒的快速檢測(cè)和顆粒參數(shù)的提取，實(shí)現(xiàn)了礦石粒度的自動(dòng)化檢測(cè)和數(shù)據(jù)的綜合性分析。

(2)利用MATLAB 與LABVIEW進(jìn)行混合編程的方法可以同時(shí)發(fā)揮LABVIEW界面設(shè)計(jì)良好和MATLAB語言簡(jiǎn)潔及對(duì)圖片及矩陣的強(qiáng)大處理功能。

(3)礦石檢測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的篩分結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了礦石粒度檢測(cè)方法的可行性。利用該檢測(cè)系統(tǒng)，可以為磨機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)控制以及充分發(fā)揮磨機(jī)的最大效能提供有效的途徑。

[1] 張國(guó)英,邱波,劉冠洲,等.基于圖像的原礦碎石粒度檢測(cè)與分析系統(tǒng).冶金自動(dòng)化,2012,36(3):63-67.

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Ore Particle Size Online Detecting System Based on Image Processing

LUO Xiao-yan ,LIN Long-fei ,CAI Gai-pin

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

In the field of tungsten ore crushing,detecting the particle size online is a key problem.A new detecting system was proposed in this paper.It got the particle image of ore particles by CCD camera and used the watershed algorithm to segment the granule shape.Based on extraction and analysis of information graphics particles,through the analysis and statistics detection operator to establish different size of particles after image segmentation and the hitting/missing transformation,particle size distribution was obtained.The ore mixed programming with MATLAB and LABVIEW developed a program for detecting system size.The experiment shows that the results of detection system have good consistency with the actual size distribution and it can satisfy the online detection of the ore particles need.

particle size distribution; online detecting; watershed algorithm; hit/miss transformation; mixed programming

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51464017)；江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目(KJLD13045)

2014-10-08 收修改稿日期：2015-02-03

TP391

A

1002-1841(2015)07-0063-02

羅小燕(1967—)，副教授，碩士生導(dǎo)師,碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)與控制。E：mail:LXY9416@163.com。