專利名稱：異性纖維分揀系統(tǒng)中用視頻測速的棉流速度在線估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于機器視覺的工業(yè)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景-所謂異性纖維分揀主要是指從大量棉花中識別并分揀出異性纖維(如人和動物的毛發(fā)、 丙綸絲、塑料等)的過程。在棉紡行業(yè)中，異性纖維分揀是一道很重要的工序?；跈C器視 覺原理的異性纖維分揀系統(tǒng)是目前使用的一種主要的方法。異性纖維分揀系統(tǒng)使用高速相機 (一般為線陣相機)對透明通道中的棉流進行在線的拍攝，將攝得的圖像送入計算機，通過 專用的計算機軟件識別出異性纖維并確定其位置，最后根據(jù)棉流速度確定延時時間并驅(qū)動相 應(yīng)的電磁閥將異性纖維吹出。其中棉流速度估計的準確與否直接影響異性纖維的吹出率，不 準確的棉流速度估計會造成電磁閥動作的提前或滯后，使檢測出的異性纖維被漏吹。在現(xiàn)有 的系統(tǒng)中，棉流速度一般是根據(jù)管道中的風速估算出來的，風速可由送風設(shè)備控制或管道中 的風速測量設(shè)備提供，在風速的基礎(chǔ)上乘以一個小于1的經(jīng)驗系數(shù)(如0.78)即為棉流速度。 這種棉流速度估計方法簡單易用，可適用于風速比較平穩(wěn)時的棉流速度估計，但在實際工業(yè) 應(yīng)用中，管道中的風速往往并不穩(wěn)定，且對于不同的棉花品種，用于估計棉流速度的經(jīng)驗系 數(shù)一般是不一樣的，所以使用傳統(tǒng)方法很難得到準確的棉流速度的估計。視頻測速是"智能交通領(lǐng)域"的一個研究熱點(童劍軍，說說視頻測速，中國交通信息 產(chǎn)業(yè)，2006，第9期，36-38頁)，盡管視頻交通測速有其優(yōu)點，但存在一些困難，限制了實 際應(yīng)用。本發(fā)明將視頻測速技術(shù)應(yīng)用于異性纖維分揀系統(tǒng)。相對于智能交通領(lǐng)域中的視頻測 速，將視頻測速技術(shù)應(yīng)用于異性纖維分揀系統(tǒng)存在如下優(yōu)越條件1、光照穩(wěn)定；2、雙相機 采集視頻信號；3、相機位置固定；4、不需要成像空間和物理空間之間的轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的的目的在于提出一種異性纖維精確分揀用的棉流速度在線估計方法。 本發(fā)明的特征在于，該方法依次含有以下步驟歩驟(1)，在棉流通道一側(cè)垂直于該通道寬度方向與棉流運動方向放置的兩架相隔設(shè)定 距離S的線陣相機(1)和(2)，對作變速直線運動的棉流在設(shè)定的相等的時間內(nèi)采集到有部分重疊的兩幅圖像，對所述兩個線陣相機(1)和(2)所采集的兩幅棉流圖像沿垂直于棉流橫截線的方向進行分割，分割成若干棉流子圖，標志為Sl(f,JC)和S2(f，;c)， x為與所述相機(l)或(2)對應(yīng)的棉流橫截線上的空間位置，xe^且"，…J^,…U構(gòu)成完整的棉流橫截線，m為子圖的個數(shù)，m最小為l,最大為所述相機(1)或(2)的有效觀測點數(shù)，f為所述相機 (1)或(2)對應(yīng)的拍攝到所述棉流橫截線的時間；歩驟(2 )，線陣相機(1 )和(2 )分別地拍攝到的棉流子圖x)和S2(/， x)輸入一個計 算機；歩驟(3)，計算機按下式計算所述棉流子圖S10,x)和對應(yīng)不同延時AZ下的棉流子圖 S2(,，x)之間的相似性，得到一條隨A,變化的相似程度的曲線/(A/);Zx) — ,wl)(5"20 + ， X) — 2)] !Z ;c)-附l]2 J] [S2(/ + A,， x) — w2]2 Afe《Af,，A^…,AfJ ， fz為Af的個數(shù)，為設(shè)定值，"> 0, wl為Sl(")的均值，用下述公式表示為不同A/下S2(; + Af，x)的均值，用下述公式表示式中，Z為棉流子圖的象素的個數(shù)；歩驟(4)，找出曲線/(A,)中的最大值/(Ar)，該最大值所對應(yīng)的時延Ar即為棉流上同一點分別通過所述兩架相機(1 )和(2)時所需的時間；歩驟(5)，相隔設(shè)定的速度分析間隔/里，/為任意大于零的數(shù)，根據(jù)前一時刻己經(jīng)估 計出的棉流速度v。按下式估計下一時刻的速度v <formula>formula see original document page 2</formula> a為0至l」1之間的任意值，v的初始值為啟動時的測定風速；步驟(6)，按照歩驟(2)-歩驟(5)所述的方法處理完所有的棉流子圖，得到當前時刻 棉流速度v隨子圖變量p變化的曲線，p二l,…,w，即為當前時刻棉流速度的空間分布曲線。用視頻測速的棉流速度在線估計方法具有速度跟蹤實時準確，不需額外添加硬件設(shè)備等 優(yōu)點。在我們的系統(tǒng)中，不使用在線測速方法的平均誤吹率為90%，使用在線測速方法后平 均誤吹率降低至50%，這里所述的平均誤吹率是每班次檢查50次的吹出情況，統(tǒng)計無異纖棉 團數(shù)占總吹出棉團數(shù)的比例。


圖l、本發(fā)明給出的視頻測速技術(shù)流程圖。圖2、信號采集系統(tǒng)示意圖。圖3、棉流圖象，(a)相機l采集；(b)相機2采集。 圖4、 一段時間的在線估計得到的速度曲線。
具體實施方式
-針對現(xiàn)有異性纖維分揀系統(tǒng)采用風速間接確定棉流速度存在的缺陷，本項發(fā)明利用視頻 測速技術(shù)直接確定棉流速度?，F(xiàn)有的異性纖維分揀系統(tǒng)采用兩架或四架線陣相機，本項發(fā)明 只需要利用棉流方向不同觀測點的視頻信號進行計算機處理來提取棉流速度信息，所以不需 要增加或改變系統(tǒng)的硬件部分。沿棉流方向一前一后安裝兩架線陣相機， 一架線陣相機每個 時刻只獲取通過棉流的一條橫截線(一般和棉流方向垂直或近似垂直)，即得到的一個1維信 號，多個時刻組合起來，就得到在該段時刻通過相機檢測點的棉流圖象，即得到一個2維信 號。對前后放置的兩架相機采集得到的棉流圖象(或由棉流圖象提取的特征)進行匹配對比， 估計出當前通過第一架相機的棉流在多少時間后通過第二架相機，就可以得到當前棉流的同 一點通過兩架相機的時間差。由于兩架相機在棉流上的檢測點是已知的，即他們之間的距離 是固定且已知的，所以就可以得到當前棉流速度的估計。通過高速采集的棉流視頻，實時更 新棉流速度的估計，實現(xiàn)在線棉流速度估計。利用實時估計的棉流速度，在發(fā)現(xiàn)棉流中的異 性纖維時，在線確定電磁閥的執(zhí)行時間，實現(xiàn)精確的異性纖維分揀。下面給出本發(fā)明的一種實施方式。我們將本發(fā)明應(yīng)用于一個實際的異性纖維分揀系統(tǒng)中， 棉流信號采集系統(tǒng)示意圖如圖2所示。通過兩架相機的虛線和棉流通道的交叉點為他們的觀 測點。圖3a和3b分別給出了相機l和2在設(shè)定的時間段內(nèi)采集的棉流圖象，采集時間長度 為0.32秒。x軸對應(yīng)棉流通道寬度，為80cm。相機間距離為5cm。從圖3可以看出，相機1 采集到的某一團棉花圖象，在一定時間后就會出現(xiàn)在相機2采集的圖象中。記兩架相機采集的棉流圖象對應(yīng)的子圖標志為M(f,x)和S2(w)，,為時間，x為對應(yīng)相機的棉流橫截線的空間位置。利用互相關(guān)系數(shù)構(gòu)造一個圖像相似性度量/如下<formula>formula see original document page 7</formula>式中，nd,m2分另U為51(f，x)和S2("Af,x)的均值，<formula>formula see original document page 7</formula>為時延。計算S1(W)和對應(yīng)不同時延A 的圖像S2(" A,，x)之間的相似性，得到一個隨變化的相似性度量曲線/(")。設(shè)對應(yīng)時延Ar的./(Ar)為/(AO曲線中的最大值，則棉流上同一點通過 兩架相機的時延為A7。利用圖3給出的棉流圖象可以估計得到Ar-7臘，則得到該點估計速度為<formula>formula see original document page 7</formula>考慮到噪聲等影響因素，且通過棉流通道空氣速度測量發(fā)現(xiàn)，可以認為氣流速度不會劇烈突變，即可以認為棉流速度不會突變，設(shè)定非負的速度更新因子為《=0.88，速度分析時間 間隔/ <formula>formula see original document page 7</formula>，采用如下速度更新公式<formula>formula see original document page 7</formula>式中，v。為前一時刻估計速度。圖4給出了一段時間在線估計得到的速度曲線。本發(fā)明具有如下特點1. 使用沿棉流方向一前一后安裝的兩架線陣相機高速采集棉流視頻信號，利用棉流圖 象(或由棉流圖象提取的特征)進行匹配，得到當前棉流的同一點通過兩架相機的時間差， 利用兩架線陣相機在棉流上的觀測點距離估計棉流速度。2. 利用前一時刻估計得到的棉流速度，結(jié)合當前估計的棉流速度，實現(xiàn)自適應(yīng)的在線棉流速度更新，提高了速度估計的魯棒性。3. 將得到的棉流圖象沿與棉流方向垂直的方向進行空間劃分，對劃分后的每個子圖象 分別進行第1和2特點中給出的棉流速度估計，得到棉流速度的空間分布，適應(yīng)棉流速度在 通道空間上存在變化的情況。4. 在實際中，根據(jù)棉流通道中棉流速度空間變化情況設(shè)定子圖個數(shù)，子圖個數(shù)最少為l個，最多為線陣相機的有效觀測點數(shù)。5. 通過設(shè)定合適的速度分析的時間間隔，在速度跟蹤能力和計算量之間進行折衷。一 般棉流速度不會突變，可以采用較大的時間分析間隔。6. 兩架相機可以安裝在棉流通道的同一側(cè)，也可以分別安裝在棉流通道的兩側(cè)。7. 兩架相機可以采用相同或不同的照明光源。8. 估計得到的實時棉流速度被用來在線確定電磁閥的執(zhí)行時間，實現(xiàn)精確的異性纖維 分揀。
權(quán)利要求
1. 異性纖維分揀系統(tǒng)中用視頻測速的棉流速度在線估計方法，其特征在于，該方法依次含有以下步驟步驟(1)，在棉流通道一側(cè)垂直于該通道寬度方向與棉流運動方向放置的兩架相隔設(shè)定距離S的線陣相機(1)和(2)，對作變速直線運動的棉流在設(shè)定的相等的時間內(nèi)采集到有部分重疊的兩幅圖像，對所述兩個線陣相機(1)和(2)所采集的兩幅棉流圖像沿垂直于棉流橫截線的方向進行分割，分割成若干棉流子圖，標志為S1(t，x)和S2(t，x)，x為與所述相機(1)或(2)對應(yīng)的棉流橫截線上的空間位置，x∈Xp且{X1，…Xp，…Xm}構(gòu)成完整的棉流橫截線，m為子圖的個數(shù)，m最小為1，最大為所述相機(1)或(2)的有效觀測點數(shù)，t為所述相機(1)或(2)對應(yīng)的拍攝到所述棉流橫截線的時間；步驟(2)，線陣相機(1)和(2)分別地拍攝到的棉流子圖S1(t，x)和S2(t，x)輸入一個計算機；步驟(3)，計算機按下式計算所述棉流子圖S1(t，x)和對應(yīng)不同延時Δt下的棉流子圖S2(t，x)之間的相似性，得到一條隨Δt變化的相似程度的曲線f(Δt)；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&Delta;t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi> </mrow></munder><mo>[</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mn>1</mn> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mn>2</mn> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>&Delta;t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <msqrt><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi> </mrow></munder><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>S</mi><mn>1</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>m</mi><mn>1</mn><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi> </mrow></munder><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>S</mi><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&Delta;t</mi> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>m</mi><mn>2</mn><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt></mfrac> </mrow>]]></math></maths>Δt∈{Δt1，Δt2，…，Δtn}，n為Δt的個數(shù)，為設(shè)定值，n＞0，m1為S1(t，x)的均值，用下述公式表示<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>m</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi></mfrac><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi> </mrow></munder><mi>S</mi><mn>1</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>m2為不同Δt下S2(t+Δt，x)的均值，用下述公式表示<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>m</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi></mfrac><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>x</mi> </mrow></munder><mi>S</mi><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&Delta;t</mi> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中，L為棉流子圖的象素的個數(shù)；步驟(4)，找出曲線f(Δt)中的最大值f(ΔT)，該最大值所對應(yīng)的時延ΔT即為棉流上同一點分別通過所述兩架相機(1)和(2)時所需的時間；步驟(5)，相隔設(shè)定的速度分析間隔I里，I為任意大于零的數(shù)，根據(jù)前一時刻已經(jīng)估計出的棉流速度v0按下式估計下一時刻的速度v<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><msub> <mi>&alpha;v</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mi>S</mi> <mi>&Delta;T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2007100651920003C1.tif" wi="35" he="8" top= "46" left = "56" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>α為0到1之間的任意值，v的初始值為啟動時的測定風速；步驟(6)，按照步驟(2)-步驟(5)所述的方法處理完所有的棉流子圖，得到當前時刻棉流速度v隨子圖變量p變化的曲線，p＝1，…，m，即為當前時刻棉流速度的空間分布曲線。
全文摘要
本發(fā)明屬于基于機器視覺的工業(yè)檢測技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，利用兩個相隔設(shè)定距離的線陣相機，對沿著在通道中作變速直線運動的棉流在設(shè)定的相等采樣時段內(nèi)分別提取棉流有部分重疊的圖像，并將其沿垂直于棉流橫截線方向分割成若干棉流子圖，對每一個子圖，用計算機求出線陣1攝取的子圖像和對應(yīng)不同時延Δt的線陣相機2之間的相似性，得到一個隨Δt變化的相似度曲線f(Δt)，求出對應(yīng)于曲線f(Δt)中最大值f(ΔT)所對應(yīng)的間延ΔT，即為棉流上同一點通過兩架線陣相機時的時延，再根據(jù)兩個線陣相機之間的設(shè)定距離，在設(shè)定采樣時延內(nèi)棉流速度不發(fā)生突變的條件下，便得到棉流沿棉流橫截線分布的在線速度。本發(fā)明可用于實現(xiàn)棉流中異性纖維的精確分揀。
文檔編號G06T7/00GK101281208SQ20071006519
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者磊 劉, 雷 張, 陸文凱 申請人:清華大學(xué);鄭州紡機自控設(shè)備有限公司