專利名稱：一種棉花異纖剔除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電一體化及自動(dòng)化領(lǐng)域，具體涉及一種采用CCD面陣相機(jī)陣列及GPU并行處理技術(shù)的棉花異纖剔除裝置。
背景技術(shù)：
棉花在采摘、晾曬、扎花及運(yùn)輸過程中不可避免的會(huì)混入諸如頭發(fā)絲、麻絲、羽毛、紙片等異性纖維(俗稱“三絲”)，異纖纖維的混入造成棉紡制品的質(zhì)量下降，給企業(yè)造成巨大的損失，故棉花異性纖維的清除是紡織品工藝中不可或缺的步驟。隨著機(jī)器視覺及自動(dòng)化檢測技術(shù)的發(fā)展，棉花自動(dòng)異纖清除裝置也隨之產(chǎn)生?，F(xiàn)有的基于機(jī)器視覺的棉花異纖剔除裝置絕大部分采用的都是線陣CCD相機(jī)，線陣相機(jī)價(jià)格昂貴、需要專有的圖像采集卡及電源，同時(shí)線陣相機(jī)的鏡頭體積很大、價(jià)格昂貴且鏡頭焦距較大使得物距很遠(yuǎn)從而使圖像采集單元占用很大的空間；其次圖像處理部分單元或采用專用的硬件方式來實(shí)現(xiàn)圖像處理(典型的是DSP及FPGA)，這勢(shì)必造成開發(fā)難度的加大，或采用降低棉流運(yùn)動(dòng)速度及簡化圖像處理算法的方式來滿足在線檢測的需求，這都不太滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有棉花異纖剔除裝置的不足，本實(shí)用新型對(duì)現(xiàn)有棉花異纖剔除裝置進(jìn)行了一些改進(jìn)，采用多個(gè)面陣CCD相機(jī)陣列作為圖像采集單元，采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)作為圖像處理單元，其中GPU負(fù)責(zé)圖像算法的運(yùn)算，而CPU則輔助GPU完成運(yùn)算及完成圖像采集、顯示等控制相關(guān)的操作，GPU和CPU各自做它們擅長的事情，使圖像處理速度及處理效果都能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:包括檢測通道、圖像采集單元、圖像處理單元、執(zhí)行單元和電磁閥；圖像采集單元由面陣CCD相機(jī)陣列、前向照明光源、背向照明光源組成；前向照明光源與面陣相機(jī)陣列位于檢測通道的同一側(cè)，背向照明光源位于檢測通道的另一側(cè)且正對(duì)著相機(jī)陣列；前向照明光源由上下兩部分組成且與檢測通道的軸向成四十五度角設(shè)置，前向照明光源和背向照明光源都由四根高亮的高頻熒光燈組成；面陣相機(jī)陣列位于前向照明光源上下兩部分的正中間；采集到的圖像數(shù)據(jù)通過USB線傳送至圖像處理單元中；圖像處理單元將圖像處理結(jié)果輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳送給執(zhí)行單元的單片機(jī)，單片機(jī)控制相應(yīng)電磁閥的開啟與關(guān)閉。面陣CCD相機(jī)陣列通過螺栓固定在相機(jī)固定底座鋼板上，相機(jī)固定底座鋼板上設(shè)有兩條與螺母等寬度的縫隙，面陣CCD相機(jī)在縫隙中自由移動(dòng)；相機(jī)固定底座鋼板通過螺栓安裝在高度自由調(diào)整的鋼條支架上，這樣相機(jī)陣列能夠根據(jù)需要拍攝的面積靈活調(diào)整左右位置及上下高度，同時(shí)選用可變焦的面陣相機(jī)鏡頭，使每個(gè)相機(jī)拍攝到的圖像面積能根據(jù)需要靈活的調(diào)整，這樣能非常方便的使相鄰相機(jī)拍攝的視場剛好相交，不致于產(chǎn)生重疊。為了能同時(shí)拍攝檢測通道兩個(gè)表面的圖像，在檢測通道的兩邊都安裝了圖像采集單元。采集到的圖像數(shù)據(jù)直接通過USB線傳送至圖像處理單元中。圖像處理單元采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)作為圖像處理單元，GPU處理圖像數(shù)據(jù)的算法，CPU輔助GPU完成運(yùn)算及控制。圖像處理單元通過在普通工控機(jī)里安裝高性能的顯卡組成，采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)并行的處理采集到的圖像數(shù)據(jù)，極大地縮短圖像處理時(shí)間，滿足工業(yè)現(xiàn)場在線高速檢測的要求。本實(shí)用新型的有益效果如下:1、本實(shí)用新型的相機(jī)采用面陣(XD相機(jī)陣列，相機(jī)成本低，相機(jī)只需通過USB與PC機(jī)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要額外配置電源，且面陣相機(jī)的鏡頭體積小、價(jià)格便宜、焦距小可使相機(jī)離拍攝面很近，使得整個(gè)圖像采集單元的成本及占用的空間都顯著下降。2、本實(shí)用新型的圖像處理單元采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)架，GPU通過并行處理圖像數(shù)據(jù)，大大縮短了圖像處理算法的時(shí)間，CPU能更專注于控制方面的內(nèi)容，使裝置既滿足實(shí)時(shí)性的要求又能滿足異纖雜質(zhì)識(shí)別率的要求。

圖1是本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的相機(jī)陣列安裝結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實(shí)用新型的相機(jī)陣列拍攝視場示意圖。圖4是本實(shí)用新型的裝置工作框圖。圖5是本實(shí)用新型的CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)的示意圖。圖中，1，入棉口 ；2，檢測通道；3，剔除區(qū)域；4，出棉口 ；5，棉流管道；6，背向照明光源；7，前向照明光源；8，面陣CCD相機(jī)陣列；9，圖像處理單元；10，執(zhí)行單元；11，電磁閥；12，高壓儲(chǔ)氣罐；13，異纖收集箱；14，風(fēng)機(jī)；15，相機(jī)固定底座鋼板；16，安裝縫隙；17，底座鋼板安裝螺孔；18，面陣相機(jī)；19，相機(jī)鏡頭；20，相機(jī)底座；21，相機(jī)固定螺孔。
具體實(shí)施方式
從圖1可以看出本實(shí)用新型的具體工作過程。本實(shí)用新型的工作過程如下:含有異性纖維的棉花首先經(jīng)過開松后，形成約10_厚的棉層從入棉口 I進(jìn)入棉花異纖檢測通道5中，在牽引風(fēng)機(jī)14的作用下棉層高速通過檢測區(qū)域2，面陣CCD相機(jī)陣列8在高亮度照明光源6和7的照射下拍攝棉流圖像，圖像數(shù)據(jù)通過USB線送到由CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)組成的圖像處理單元9中，經(jīng)9中的高性能GPU快速并行處理后，再將檢測到的異纖雜質(zhì)結(jié)果通過USB接口傳送到噴嘴控制電路10的單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)檢測區(qū)與除雜區(qū)的距離和棉流運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過一定延時(shí)后，控制對(duì)應(yīng)的電磁閥11開啟一段時(shí)間，高壓儲(chǔ)氣罐12中的高壓氣體噴出將對(duì)應(yīng)位置的異性纖維清除，異性纖維被吹入雜質(zhì)搜集箱13中，當(dāng)雜質(zhì)收集箱13中的異性纖維達(dá)到一定量后再被一同清理掉，而不含異纖纖維的棉花則從出棉口 4進(jìn)入下一道工序，從而完成棉花異性纖維的在線快速自動(dòng)清除。本實(shí)用新型的圖像采集單元采用面陣C⑶相機(jī)陣列8，為滿足工業(yè)現(xiàn)場幅寬及異纖雜質(zhì)分辨率的要求，一般需要4個(gè)面陣相機(jī)橫向排列。由圖2的面陣CCD相機(jī)陣列8的相機(jī)陣列安裝結(jié)構(gòu)圖可以看出:相機(jī)固定底座鋼板15和兩個(gè)狹長的安裝縫隙16，這樣面陣相機(jī)18在安裝的過程中就可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行左右的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)拍攝寬度的調(diào)整，相機(jī)通過相機(jī)底座20的相機(jī)固定螺孔21經(jīng)安裝縫隙16由螺絲固定在相機(jī)固定底座鋼板15上，這樣就實(shí)現(xiàn)了安裝時(shí)的靈活調(diào)試以及工作時(shí)的穩(wěn)定牢固，相機(jī)鏡頭19選用焦距較小的可變焦鏡頭實(shí)現(xiàn)拍攝區(qū)域大小的調(diào)整，而整個(gè)底座鋼板通過四周的底座鋼板安裝螺孔17由螺絲固定在高度可調(diào)的支架上，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境的靈活調(diào)整，滿足不同條件的需要。相機(jī)拍攝的圖像區(qū)域示意圖如圖3所示，使每個(gè)相機(jī)的拍攝區(qū)域緊密相接，避免漏拍的現(xiàn)象發(fā)生。如圖4所示，當(dāng)棉流高速地從圖像采集窗口流過時(shí)，高速的面陣(XD相機(jī)采集棉花圖像，這里假設(shè)面陣相機(jī)為640*480個(gè)像素點(diǎn)，拍攝寬度為2(T30cm，為滿足工業(yè)現(xiàn)場1.2m幅寬的需求，采用4個(gè)面陣相機(jī)并排組合的方式如圖2所示，這樣4個(gè)相機(jī)同時(shí)將1.2m寬的棉流圖像采集到，然后經(jīng)USB線將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)內(nèi)存中，由于面陣相機(jī)一次就完成一幀圖像的采集，所以對(duì)光照的均勻性及亮度均提出了很高的要求；每一幀圖像所拍攝的高度也是有要求的，假設(shè)面陣相機(jī)每秒能夠采集60幀的圖像數(shù)據(jù)，則每幀圖像花費(fèi)平均時(shí)間為1/60=16.7ms,設(shè)棉流的速度為10m/s,為了使棉花不出現(xiàn)漏拍的情況,則每巾貞圖像所拍攝棉花的高度至少為16.7cm,由于相機(jī)的像素為640*480，為滿足比例關(guān)系，當(dāng)拍攝的寬度為30cm時(shí)高度為22.5cm，可通過適當(dāng)減小寬度使拍攝圖像的高度在17cm左右，這樣就能夠滿足棉流拍攝的連續(xù)性而不出現(xiàn)漏拍的現(xiàn)象，且相鄰上下幀圖像只出現(xiàn)小部分的重疊區(qū)域。由于每幀圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間間隔平均為16.7ms，為了不出現(xiàn)數(shù)據(jù)的泄漏，必須使每幀圖像數(shù)據(jù)得到及時(shí)的處理，故每幀圖像數(shù)據(jù)的處理算法總的時(shí)間不能超過16.7ms，對(duì)大數(shù)據(jù)量進(jìn)行快速地運(yùn)算處理，這也是當(dāng)前各裝置的最大瓶頸。本實(shí)用新型采用了 CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)作為圖像處理單元，由GPU負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的算法處理，而CPU輔助GPU完成運(yùn)算及做其他控制方面的任務(wù)。由于GPU含有成百上千個(gè)處理核心，能同時(shí)并行處理大量的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)具有大量并行運(yùn)算的圖像處理算法具有很好的加速效果，能提高幾十甚至上百倍的速度。如圖5所示，CPU將4個(gè)面陣相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)一起傳送到GPU顯存里，經(jīng)GPU并行處理后將處理結(jié)果傳回到主機(jī)內(nèi)存中，CPU根據(jù)圖像處理結(jié)果輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳送給執(zhí)行單元的單片機(jī)，單片機(jī)控制相應(yīng)電磁閥的開啟與關(guān)閉從而將異性纖維連同少量棉花纖維一同剔除掉，實(shí)現(xiàn)棉花異纖的在線清除，提高棉紡織品的質(zhì)量。由于GPU對(duì)并行算法才有很好的加速效果，而對(duì)大量的串行算法無法起到加速的效果，故對(duì)棉花異纖清除的整個(gè)算法也是有一定要求的，必須尋求適合GPU運(yùn)算的算法，而一些經(jīng)典的圖像處理算法就必須放棄。
權(quán)利要求1.一種棉花異纖剔除裝置，其特征在于，包括檢測通道(2)、圖像采集單元、圖像處理單元、執(zhí)行單元(10)和電磁閥(11);圖像采集單元由面陣C⑶相機(jī)陣列(8)、前向照明光源(7)、背向照明光源(6)組成；前向照明光源(7)與面陣C⑶相機(jī)陣列(8)位于檢測通道(2)的同一側(cè)，背向照明光源(6)位于檢測通道(2)的另一側(cè)且正對(duì)著面陣C⑶相機(jī)陣列(8)；前向照明光源(7)由上下兩部分組成且與檢測通道的軸向成四十五度角設(shè)置，前向照明光源(7)和背向照明光源(6)都由四根高亮的高頻熒光燈組成；面陣CCD相機(jī)陣列(8)位于前向照明光源(7)上下兩部分的正中間；采集到的圖像數(shù)據(jù)通過USB線傳送至圖像處理單元(9)中；圖像處理單元(9)將圖像處理結(jié)果輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳送給執(zhí)行單元(10)的單片機(jī)，單片機(jī)控制相應(yīng)電磁閥(11)的開啟與關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種棉花異纖剔除裝置，其特征在于，所述圖像處理單元(9)采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)作為圖像處理單元，GPU處理圖像數(shù)據(jù)的算法，CPU輔助GPU完成運(yùn)算及控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種棉花異纖剔除裝置，其特征在于，所述面陣CCD相機(jī)陣列(8)通過相機(jī)固定螺孔(21)固定在相機(jī)固定底座鋼板(15)上,相機(jī)固定底座鋼板(15)上設(shè)有兩條與螺母等寬度的安裝縫隙(16)，面陣CCD相機(jī)在安裝縫隙(16)中自由移動(dòng)；相機(jī)固定底座鋼板(15)通過底座鋼板安裝螺孔(17)安裝在高度自由調(diào)整的鋼條支架上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及紡織自動(dòng)化儀器技術(shù)領(lǐng)域中的一種棉花異纖剔除裝置，包括多個(gè)面陣CCD相機(jī)組成的圖像采集單元(8)，CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)組成的圖像處理單元(9)及雜質(zhì)剔除執(zhí)行單元(10)和其他輔助單元。通過采用多個(gè)面陣CCD相機(jī)組成的陣列既滿足了對(duì)雜質(zhì)分辨率的要求同時(shí)又降低了相機(jī)的成本，相機(jī)接口更簡單；采用CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)組成的圖像處理單元，GPU并行進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的處理，而CPU負(fù)責(zé)輔助GPU完成運(yùn)算以及其他顯示和控制方面的任務(wù)，這樣使CPU和GPU各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，使整個(gè)裝置能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場對(duì)實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求。
文檔編號(hào)G01N21/89GK202921575SQ201220224190
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者熊湘, 張榮標(biāo) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)