專(zhuān)利名稱(chēng)：異性纖維分揀系統(tǒng)中用視頻測(cè)速的棉流速度在線估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)檢測(cè)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(shí)別并分揀出異性纖維(如人和動(dòng)物的毛發(fā)、 丙綸絲、塑料等)的過(guò)程。在棉紡行業(yè)中，異性纖維分揀是一道很重要的工序。基于機(jī)器視 覺(jué)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(jī) (一般為線陣相機(jī))對(duì)透明通道中的棉流進(jìn)行在線的拍攝，將攝得的圖像送入計(jì)算機(jī)，通過(guò) 專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)軟件識(shí)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(shí)時(shí)間并驅(qū)動(dòng)相 應(yīng)的電磁閥將異性纖維吹出。其中棉流速度估計(jì)的準(zhǔn)確與否直接影響異性纖維的吹出率，不 準(zhǔn)確的棉流速度估計(jì)會(huì)造成電磁閥動(dòng)作的提前或滯后，使檢測(cè)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(fēng)速估算出來(lái)的，風(fēng)速可由送風(fēng)設(shè)備控制或管道中 的風(fēng)速測(cè)量設(shè)備提供，在風(fēng)速的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)小于1的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(如0.78)即為棉流速度。 這種棉流速度估計(jì)方法簡(jiǎn)單易用，可適用于風(fēng)速比較平穩(wěn)時(shí)的棉流速度估計(jì)，但在實(shí)際工業(yè) 應(yīng)用中，管道中的風(fēng)速往往并不穩(wěn)定，且對(duì)于不同的棉花品種，用于估計(jì)棉流速度的經(jīng)驗(yàn)系 數(shù)一般是不一樣的，所以使用傳統(tǒng)方法很難得到準(zhǔn)確的棉流速度的估計(jì)。視頻測(cè)速是"智能交通領(lǐng)域"的一個(gè)研究熱點(diǎn)(童劍軍，說(shuō)說(shuō)視頻測(cè)速，中國(guó)交通信息 產(chǎn)業(yè)，2006，第9期，36-38頁(yè))，盡管視頻交通測(cè)速有其優(yōu)點(diǎn)，但存在一些困難，限制了實(shí) 際應(yīng)用。本發(fā)明將視頻測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于異性纖維分揀系統(tǒng)。相對(duì)于智能交通領(lǐng)域中的視頻測(cè) 速，將視頻測(cè)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(jī) 采集視頻信號(hào)；3、相機(jī)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(jì)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(yùn)動(dòng)方向放置的兩架相隔設(shè)定 距離S的線陣相機(jī)(1)和(2)，對(duì)作變速直線運(yùn)動(dòng)的棉流在設(shè)定的相等的時(shí)間內(nèi)采集到有部分重疊的兩幅圖像，對(duì)所述兩個(gè)線陣相機(jī)(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(jìn)行分割，分割成若干棉流子圖，標(biāo)志為Sl(f,JC)和S2(f，;c)， x為與所述相機(jī)(l)或(2)對(duì)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(gè)數(shù)，m最小為l,最大為所述相機(jī)(1)或(2)的有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，f為所述相機(jī) (1)或(2)對(duì)應(yīng)的拍攝到所述棉流橫截線的時(shí)間；歩驟(2 )，線陣相機(jī)(1 )和(2 )分別地拍攝到的棉流子圖x)和S2(/， x)輸入一個(gè)計(jì) 算機(jī)；歩驟(3)，計(jì)算機(jī)按下式計(jì)算所述棉流子圖S10,x)和對(duì)應(yīng)不同延時(shí)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(gè)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(gè)數(shù)；歩驟(4)，找出曲線/(A,)中的最大值/(Ar)，該最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)延Ar即為棉流上同一點(diǎn)分別通過(guò)所述兩架相機(jī)(1 )和(2)時(shí)所需的時(shí)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(shí)刻己經(jīng)估 計(jì)出的棉流速度v。按下式估計(jì)下一時(shí)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(dòng)時(shí)的測(cè)定風(fēng)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(dāng)前時(shí)刻 棉流速度v隨子圖變量p變化的曲線，p二l,…,w，即為當(dāng)前時(shí)刻棉流速度的空間分布曲線。用視頻測(cè)速的棉流速度在線估計(jì)方法具有速度跟蹤實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，不需額外添加硬件設(shè)備等 優(yōu)點(diǎn)。在我們的系統(tǒng)中，不使用在線測(cè)速方法的平均誤吹率為90%，使用在線測(cè)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(jì)無(wú)異纖棉 團(tuán)數(shù)占總吹出棉團(tuán)數(shù)的比例。


圖l、本發(fā)明給出的視頻測(cè)速技術(shù)流程圖。圖2、信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖。圖3、棉流圖象，(a)相機(jī)l采集；(b)相機(jī)2采集。 圖4、 一段時(shí)間的在線估計(jì)得到的速度曲線。
具體實(shí)施方式
-針對(duì)現(xiàn)有異性纖維分揀系統(tǒng)采用風(fēng)速間接確定棉流速度存在的缺陷，本項(xiàng)發(fā)明利用視頻 測(cè)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(jī)，本項(xiàng)發(fā)明 只需要利用棉流方向不同觀測(cè)點(diǎn)的視頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理來(lái)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(jī)， 一架線陣相機(jī)每個(gè) 時(shí)刻只獲取通過(guò)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(gè)1維信 號(hào)，多個(gè)時(shí)刻組合起來(lái)，就得到在該段時(shí)刻通過(guò)相機(jī)檢測(cè)點(diǎn)的棉流圖象，即得到一個(gè)2維信 號(hào)。對(duì)前后放置的兩架相機(jī)采集得到的棉流圖象(或由棉流圖象提取的特征)進(jìn)行匹配對(duì)比， 估計(jì)出當(dāng)前通過(guò)第一架相機(jī)的棉流在多少時(shí)間后通過(guò)第二架相機(jī)，就可以得到當(dāng)前棉流的同 一點(diǎn)通過(guò)兩架相機(jī)的時(shí)間差。由于兩架相機(jī)在棉流上的檢測(cè)點(diǎn)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(dāng)前棉流速度的估計(jì)。通過(guò)高速采集的棉流視頻，實(shí)時(shí)更 新棉流速度的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)在線棉流速度估計(jì)。利用實(shí)時(shí)估計(jì)的棉流速度，在發(fā)現(xiàn)棉流中的異 性纖維時(shí)，在線確定電磁閥的執(zhí)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確的異性纖維分揀。下面給出本發(fā)明的一種實(shí)施方式。我們將本發(fā)明應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際的異性纖維分揀系統(tǒng)中， 棉流信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖如圖2所示。通過(guò)兩架相機(jī)的虛線和棉流通道的交叉點(diǎn)為他們的觀 測(cè)點(diǎn)。圖3a和3b分別給出了相機(jī)l和2在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)采集的棉流圖象，采集時(shí)間長(zhǎng)度 為0.32秒。x軸對(duì)應(yīng)棉流通道寬度，為80cm。相機(jī)間距離為5cm。從圖3可以看出，相機(jī)1 采集到的某一團(tuán)棉花圖象，在一定時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)在相機(jī)2采集的圖象中。記兩架相機(jī)采集的棉流圖象對(duì)應(yīng)的子圖標(biāo)志為M(f,x)和S2(w)，,為時(shí)間，x為對(duì)應(yīng)相機(jī)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(gè)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(shí)延。計(jì)算S1(W)和對(duì)應(yīng)不同時(shí)延A 的圖像S2(" A,，x)之間的相似性，得到一個(gè)隨變化的相似性度量曲線/(")。設(shè)對(duì)應(yīng)時(shí)延Ar的./(Ar)為/(AO曲線中的最大值，則棉流上同一點(diǎn)通過(guò) 兩架相機(jī)的時(shí)延為A7。利用圖3給出的棉流圖象可以估計(jì)得到Ar-7臘，則得到該點(diǎn)估計(jì)速度為<formula>formula see original document page 7</formula>考慮到噪聲等影響因素，且通過(guò)棉流通道空氣速度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，可以認(rèn)為氣流速度不會(huì)劇烈突變，即可以認(rèn)為棉流速度不會(huì)突變，設(shè)定非負(fù)的速度更新因子為《=0.88，速度分析時(shí)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(shí)刻估計(jì)速度。圖4給出了一段時(shí)間在線估計(jì)得到的速度曲線。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1. 使用沿棉流方向一前一后安裝的兩架線陣相機(jī)高速采集棉流視頻信號(hào)，利用棉流圖 象(或由棉流圖象提取的特征)進(jìn)行匹配，得到當(dāng)前棉流的同一點(diǎn)通過(guò)兩架相機(jī)的時(shí)間差， 利用兩架線陣相機(jī)在棉流上的觀測(cè)點(diǎn)距離估計(jì)棉流速度。2. 利用前一時(shí)刻估計(jì)得到的棉流速度，結(jié)合當(dāng)前估計(jì)的棉流速度，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的在線棉流速度更新，提高了速度估計(jì)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(jìn)行空間劃分，對(duì)劃分后的每個(gè)子圖象 分別進(jìn)行第1和2特點(diǎn)中給出的棉流速度估計(jì)，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(shí)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(gè)數(shù)，子圖個(gè)數(shù)最少為l個(gè)，最多為線陣相機(jī)的有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)。5. 通過(guò)設(shè)定合適的速度分析的時(shí)間間隔，在速度跟蹤能力和計(jì)算量之間進(jìn)行折衷。一 般棉流速度不會(huì)突變，可以采用較大的時(shí)間分析間隔。6. 兩架相機(jī)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(jī)可以采用相同或不同的照明光源。8. 估計(jì)得到的實(shí)時(shí)棉流速度被用來(lái)在線確定電磁閥的執(zhí)行時(shí)間，實(shí)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(cè)速的棉流速度在線估計(jì)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(yùn)動(dòng)方向放置的兩架相隔設(shè)定距離S的線陣相機(jī)(1)和(2)，對(duì)作變速直線運(yùn)動(dòng)的棉流在設(shè)定的相等的時(shí)間內(nèi)采集到有部分重疊的兩幅圖像，對(duì)所述兩個(gè)線陣相機(jī)(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(jìn)行分割，分割成若干棉流子圖，標(biāo)志為S1(t，x)和S2(t，x)，x為與所述相機(jī)(1)或(2)對(duì)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(gè)數(shù)，m最小為1，最大為所述相機(jī)(1)或(2)的有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，t為所述相機(jī)(1)或(2)對(duì)應(yīng)的拍攝到所述棉流橫截線的時(shí)間；步驟(2)，線陣相機(jī)(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(gè)計(jì)算機(jī)；步驟(3)，計(jì)算機(jī)按下式計(jì)算所述棉流子圖S1(t，x)和對(duì)應(yīng)不同延時(shí)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(gè)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(gè)數(shù)；步驟(4)，找出曲線f(Δt)中的最大值f(ΔT)，該最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)延ΔT即為棉流上同一點(diǎn)分別通過(guò)所述兩架相機(jī)(1)和(2)時(shí)所需的時(shí)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(shí)刻已經(jīng)估計(jì)出的棉流速度v0按下式估計(jì)下一時(shí)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(dòng)時(shí)的測(cè)定風(fēng)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(dāng)前時(shí)刻棉流速度v隨子圖變量p變化的曲線，p＝1，…，m，即為當(dāng)前時(shí)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(jī)器視覺(jué)的工業(yè)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，利用兩個(gè)相隔設(shè)定距離的線陣相機(jī)，對(duì)沿著在通道中作變速直線運(yùn)動(dòng)的棉流在設(shè)定的相等采樣時(shí)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(duì)每一個(gè)子圖，用計(jì)算機(jī)求出線陣1攝取的子圖像和對(duì)應(yīng)不同時(shí)延Δt的線陣相機(jī)2之間的相似性，得到一個(gè)隨Δt變化的相似度曲線f(Δt)，求出對(duì)應(yīng)于曲線f(Δt)中最大值f(ΔT)所對(duì)應(yīng)的間延ΔT，即為棉流上同一點(diǎn)通過(guò)兩架線陣相機(jī)時(shí)的時(shí)延，再根據(jù)兩個(gè)線陣相機(jī)之間的設(shè)定距離，在設(shè)定采樣時(shí)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(shí)現(xiàn)棉流中異性纖維的精確分揀。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101281208SQ20071006519
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:清華大學(xué);鄭州紡機(jī)自控設(shè)備有限公司