張一楊

(唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院,河北 唐山063000)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,對(duì)能源的需求越來(lái)越大,煤炭是支撐我們生活所需的主要能源之一,我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)備量較大,采集和運(yùn)輸時(shí),需要提高采集運(yùn)輸設(shè)備的自動(dòng)化水平,以增加煤炭資源的日產(chǎn)量。由于煤炭的運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜,運(yùn)輸距離較遠(yuǎn),我國(guó)使用較多的是帶式傳送機(jī),傳送帶是帶式傳送機(jī)的主要功能核心設(shè)備,其質(zhì)量直接決定煤炭運(yùn)輸工作的質(zhì)量,傳送帶一旦發(fā)生撕裂,將帶來(lái)不可估計(jì)的損失,所以解決傳送帶的縱向撕裂的問(wèn)題對(duì)于減少煤炭運(yùn)輸中的損失具有重要的意義。

傳送目前關(guān)于傳送帶撕裂自動(dòng)檢測(cè)的方法按照接觸方式類型不同分為兩種方式,分別是接觸式和非接觸式。利用稱重傳感器、壓敏電阻等傳感器件的屬于接觸式檢測(cè)系統(tǒng);利用超聲波、X光等無(wú)線檢測(cè)的屬于非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)傳送帶縱向撕裂自動(dòng)檢測(cè)方法的研究,早期多采用接觸式,這種檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較強(qiáng),但由于可靠性較差,經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)的現(xiàn)象,所以目非接觸式檢測(cè)方法的研究較多。

本文采用CCD攝像機(jī)采集傳送帶圖像,利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,特征提取,達(dá)到檢測(cè)和識(shí)別傳送帶撕裂故障的目的,提高煤炭生產(chǎn)中運(yùn)輸過(guò)程的可靠性。

2 系統(tǒng)工作原理

將CCD攝像機(jī)安裝在下方,利用光源以一定角度照射為輸送帶表面加光,CCD相機(jī)采集傳送帶圖像并將圖像傳送到上位機(jī),利用上位機(jī)中運(yùn)行的圖像檢測(cè)軟件對(duì)采集到的傳送帶圖像信號(hào)進(jìn)行處理和識(shí)別,包括傳送帶圖像的灰度化、傳送帶圖像的濾波、傳送帶圖像的分割和傳送帶撕裂圖像的特征提取及識(shí)別。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

圖像識(shí)別過(guò)程通過(guò)在預(yù)處理和圖像分割的基礎(chǔ)上提取到撕裂圖像的特征量,最終達(dá)到撕裂圖像識(shí)別的目的。

3 圖像預(yù)處理

由于煤炭運(yùn)輸環(huán)境的特殊性,CCD攝像機(jī)采集到的圖像質(zhì)量較低,為了能夠有效的將縱向撕裂圖像和傳送帶圖像分離,結(jié)合各種噪聲、煤塵、抖動(dòng)、光照等干擾因素,需要對(duì)采集到的傳送帶圖像進(jìn)行預(yù)處理,為后續(xù)圖像處理和特征提取及識(shí)別打下基礎(chǔ)。

3.1 彩色圖像灰度化

為了便簡(jiǎn)便圖像運(yùn)算,提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)度,需要將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

圖2 灰度圖

3.2 圖像的平滑

由于傳送帶在傳送煤炭的過(guò)程中,CCD攝像機(jī)安裝在傳送帶的下方,由于煤炭運(yùn)環(huán)境十分惡劣,煤塵較多,采集到的圖像中出現(xiàn)粉塵顆粒、鏡頭斑點(diǎn)以及產(chǎn)生多余的點(diǎn)和線,主要表現(xiàn)為孤立的群點(diǎn)和孤立線。另外,由于系統(tǒng)檢測(cè)距離遠(yuǎn),在CCD傳感器、傳輸信道以及圖像解碼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生黑白相間的亮暗點(diǎn)。

圖像平滑的是為了減少圖像噪聲。圖像噪聲來(lái)自于多方面,有系統(tǒng)外部干擾,也有系統(tǒng)內(nèi)部的干擾,如攝像機(jī)的熱噪聲等。圖像平滑算法包括空域法和頻域法兩種,工程中要求實(shí)時(shí)性較強(qiáng),所以常用空域法。常用的空域法濾波有鄰域平均法、中值濾波等,前者濾波后往往丟失圖像的邊緣信息,后者可以有效地濾除噪聲,又對(duì)圖像的邊緣有較好的保護(hù)。中值濾波是按照像素值的大小進(jìn)行排序,生成單調(diào)上升(或下降)的為二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為：

g(x,y)＝med{ f( x－k,y－l),(k,l∈w)}其中,f(x,y),g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W為二維模板,通常為2?2,3?3區(qū)域,也可以是不同的形狀,如線狀,圓形,十字形,圓環(huán)形等。

圖3 中值濾波

3.3 圖像分割

圖像的分割處理就是將目標(biāo)圖像和背景圖像用不同的值表示,即圖像上的像素點(diǎn)的灰度置為0或255。二值化后的圖像數(shù)據(jù)量較小便于運(yùn)算、圖像的構(gòu)成比較簡(jiǎn)單,可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步濾波,有效的去除圖像中的主要噪聲。圖像分割的方法有很多,常見(jiàn)的包括雙峰法、迭代法、最大類間方差法等,本文采用迭代法進(jìn)行閾值分割。迭代算法是基于逼近的思想,其主要步驟如下：

(1)選擇一個(gè)初始估計(jì)閾值T(圖像的平均灰度)。

(2)用閾值T對(duì)圖像進(jìn)行分割,產(chǎn)生兩組像素：M1由灰度值大于T的像素組成,M2由小于等于T像素組成。

(3)計(jì)算M1和M2的灰度平均值k1和k2。

(4)計(jì)算一個(gè)新的閾值：T＝(k1＋k2)/2。

(5)重復(fù)步驟2和4,直到連續(xù)迭代中的T值間的差小于一個(gè)預(yù)定義參數(shù)為止。然后再用閾值分割對(duì)圖像進(jìn)行分割得到二值灰度圖像。效果如圖4所示。

圖4 迭代法閾值分割

3.4 計(jì)算裂紋特征量

經(jīng)過(guò)圖像分割后,獲得檢測(cè)所需目標(biāo)區(qū)域,利用模式識(shí)別方法提取目標(biāo)區(qū)域的特征。本文在對(duì)縱向撕裂裂紋采用提取目標(biāo)圖像面積作為特征量。區(qū)域面積的定義如下：

其中,當(dāng)該像素在形狀范圍內(nèi),即 (x,y)∈S,I(x ,y)＝1而其他情況下為0;ΔA為一個(gè)像素的大小。計(jì)算縱向撕裂裂紋區(qū)域面積,其實(shí)質(zhì)為計(jì)算圖像中像素值為1的像素的數(shù)目。以特征圖像的面積為特征量進(jìn)行傳送帶撕裂圖像的識(shí)別。

4 總結(jié)

本文以工業(yè)生產(chǎn)中煤炭傳送為背景,總結(jié)了傳送帶縱向撕裂故障產(chǎn)生的原因,比較了國(guó)內(nèi)外針對(duì)傳送帶縱向撕裂的自動(dòng)檢測(cè)方法,結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)傳送帶縱向撕裂在線檢測(cè)系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了傳送帶圖像預(yù)處理方法和特征提取及識(shí)別方法,利用CCD工業(yè)攝像機(jī)采集傳送帶圖像,經(jīng)過(guò)圖像的灰度化,中值濾波以及迭代法閾值分割得到了黑白二值圖像,以撕裂圖像的面積作為特征量,最后計(jì)算目標(biāo)圖像面積實(shí)現(xiàn)縱向撕裂圖像識(shí)別和報(bào)警的功能。

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