(57)【要約】【課題】粉粒体の粒度分布を撮像画像の画像処理により解析する粒度分布計測方法および装置であって、計測精度の高い粉粒体の粒度分布計測方法および装置を提供することにある。【解決手段】撮像された画像を2次元フーリエ変換を施しスペクトル分布を調べ、低周波帯域および高周波帯域での平均パワーの比から原料状態を判断し、原料状態による対象画像の分類を行ない、分類された各々の画像データごとに画像処理パラメータを設定する。【選択図】図１
2006126061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉粒体の充填状況をカメラにて撮像する画像撮影工程と、
得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値を求め、求めた低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比で定義されるスペクトル偏在度を算出するスペクトル偏在度算出工程と、
算出したスペクトル偏在度に基づき対象画像を分類する画像分類工程と、
分類された画像ごとに、フィルタリング処理および2値化処理を行った後、各粒径範囲での粒子数のカウントを行い、予め用意した所定の検量線を用いて粒度分布を算出する粒度分布算出工程とを有することを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、
前記画像分類工程は、前記スペクトル偏在度と所定の閾値とを比較することにより行うことを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２項に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、
前記画像撮影工程は、粉粒体がカメラ下部に搬送された時に、カメラによる画像撮像および閃光照明装置による閃光照明を同時起動することによって撮像することを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、
前記粉粒体は、石炭粒子であることを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法。
【請求項５】
搬送中の粉粒体を撮像装置により撮像し、画像処理によりその粒度分布を計測する装置において、
前記粉粒体の撮像照明を行う閃光照明装置と、
該閃光照明装置と前記撮像装置とを制御する制御装置と、
撮像された画像を充填状態により分類し、分類された画像ごとに画像処理し粒度分布解析する粒度分布解析装置とを有することを特徴とする粒度分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉粒体の粒度分布を撮像画像の画像処理により解析する粒度分布計測方法および装置に関するものであり、特にコークス製造における石炭の粒度分布計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉粒状の工業用原料を扱う製造工程は、産業上種々見られる。例えば、鉄鋼業などでよく見られるコークスの製造工程は、原料（石炭）荷役貯蔵、石炭処理、乾留、コークス処理、化成品処理の各工程より成り立っている。この工程の中で、石炭処理工程は、各種銘柄の石炭を良質コークスが得られるように適量に配合し、粉砕する工程である。通常原料炭として入荷する石炭は、粉炭であるが、その粒度は、銘柄によって相当に異なっている。コークス化性の点からとくに不活性物質の石炭は、できる限り細かくすることが好ましく、コークス強度の向上が期待できる。
【０００３】
しかしながら一方では必要以上に細粒化すると、コークス炉に装入する段階で嵩密度低下をおこし、生産性低下の原因となるとともに、装入作業時の粉塵飛散やコークス炉窯内でのカーボン付着トラブルをひきおこす結果となる。両者を満足させる最適な粒度範囲を見出す必要があるが、通常3mm以下が80%前後になるように管理されている。石炭粒度の従来の代表的な測定方法として、サンプリングロボットで石炭を採取し、乾燥後に粒径別に篩い分け、秤量することにより粒度分布を求める方法がある。このサンプリング篩い分け方法を用いることにより精度良く粒度分布を求めることができるが、測定頻度の制約（1日に数回程度）からリアルタイムに石炭粒度管理・粉砕機の回転数制御を行うことは困難であるとともに、サンプリングロボット装置自体も高価であるという問題があった。
【０００４】
このほか、ＣＣＤカメラ等により撮像された石炭画像から画像処理技術により粒度分布を求める方法がある。従来からの画像処理による石炭粒度分布測定における画像取り込み方法として、例えば、粒状物質をブロアにより飛散させ飛散状態を画像としてとりこむ方法である特開昭６０−１４６１３１号公報（特許文献１）や、篩いで細粒を分離後に落下するコークスを撮像する方法である特開平５−２３１８２１号公報（特許文献２）の開示がある。また、移動中の物体表面と撮像装置との距離を一定にさせる方法である特開２００２−２２１４８１号公報（特許文献３）等、撮像画像の精度を向上させる方法が考えられている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１ないし特許文献３で示される方法は、いずれも移動中の粉粒体をＣＣＤカメラ等の撮像装置により画像として撮像するものであり、カメラのシャッターが開いている間、粉粒体が移動するため撮像される画像は横流れとなり、ぼやけた画像となるという問題点がある。
【０００６】
そこで発明者らは鮮明な撮像画像を得るべく、特願２００３−４２４１１１号（特許文献４）の出願にて、閃光照明装置を用いた方法を提案している。また発明者らは、保持体上の粉粒体の充填状態を自動で検出する方法である特願２００３−４３３３３１号（特許文献５）の出願を行っている。
【特許文献１】特開昭６０−１４６１３１号公報
【特許文献２】特開平５−２３１８２１号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１４８１号公報
【特許文献４】特願２００３−４２４１１１号
【特許文献５】特願２００３−４３３３３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献４および特許文献５で示される方法を用いて石炭の粒径分布計測しても、前述のサンプリング篩い分け方法による粒度分布測定のように精度良く粒度分布を求めることができないという問題点がある。図５に、サンプリング篩い分け方法と従来方法との粒度分布計測結果の比較の一例を示す。図は、3mm以下の粒径の石炭の重量%の篩い分け分類による実測値と画像処理による計測値との比較（サンプリング点数は、61点）であり、相関係数も０．４６３７と相当バラツキがあるものである。この理由には、石炭の各銘柄に起因する石炭性状の違い、もしくは石炭の含有水分量などによる石炭状態の違いが、画像処理による粒度分布計測精度に影響を与えていると推測される。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、粉粒体の粒度分布を撮像画像の画像処理により解析する粒度分布計測方法および装置であって、計測精度の高い粉粒体の粒度分布計測方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、粉粒体の充填状況をカメラにて撮像する画像撮影工程と、得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値を求め、求めた低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比で定義されるスペクトル偏在度を算出するスペクトル偏在度算出工程と、算出したスペクトル偏在度に基づき対象画像を分類する画像分類工程と、分類された画像ごとに、フィルタリング処理および2値化処理を行った後、各粒径範囲での粒子数のカウントを行い、予め用意した所定の検量線を用いて粒度分布を算出する粒度分布算出工程とを有することを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法である。
【００１０】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、前記画像分類工程は、前記スペクトル偏在度と所定の閾値とを比較することにより行うことを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法である。
【００１１】
また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２項に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、前記画像撮影工程は、粉粒体がカメラ下部に搬送された時に、カメラによる画像撮像および閃光照明装置による閃光照明を同時起動することによって撮像することを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法である。
【００１２】
また本発明の請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の粉粒体の粒度分布計測方法において、前記粉粒体は、石炭粒子であることを特徴とする粉粒体の粒度分布計測方法である。
【００１３】
さらに本発明の請求項４に係る発明は、搬送中の粉粒体を撮像装置により撮像し、画像処理によりその粒度分布を計測する装置において、前記粉粒体の撮像照明を行う閃光照明装置と、該閃光照明装置と前記撮像装置とを制御する制御装置と、撮像された画像を充填状態により分類し、分類された画像ごとに画像処理し粒度分布解析する粒度分布解析装置とを有することを特徴とする粒度分布計測装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、撮像された画像を2次元フーリエ変換を施しスペクトル分布を調べ、低周波帯域および高周波帯域での平均パワーの比から原料状態を判断し、原料状態による対象画像の分類を行ない、分類された各々の画像データごとに画像処理パラメータを設定するようにしたので、粉粒体の粒度分布解析結果の格段の精度向上が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。図２は、ベルトコンベア上の石炭粒子粒度分布計測装置の構成の一例を示す図である。図中、１はＣＣＤカメラ、２は閃光照明装置、３は閃光照明用電源、４は粒度分布解析装置、５は制御装置、６は石炭、および７はベルトコンベアをそれぞれ示している。本粒度分布計測装置は、ベルトコンベア７上の石炭５を撮像するＣＣＤカメラ１、撮像照明を行う閃光照明装置２、この閃光照明装置２用の閃光照明用電源３、画像撮像と閃光照明起動タイミングを制御する制御装置５、および撮像された石炭画像を収集し粒度分布解析を行う粒度分布解析装置４で構成されている。
【００１６】
ベルトコンベア７上の石炭７がＣＣＤカメラ１下部に搬送された時に、ＣＣＤカメラ１による画像撮像および閃光照明装置２による閃光照明の同時起動を、制御装置５により可能にしている。このようにして撮像された石炭画像は、粒度分布解析を行なう粒度分布解析装置４へ取り込まれ、粒度分布解析を行ない、解析結果を表示する。
【００１７】
しかしながら、粒度分布解析のためにＣＣＤカメラを用いて撮像された石炭の画像は、石炭の銘柄による粒径分布の違いあるいは石炭の含有水分量により大きく異なった性質を持っているため、この石炭の性質を無視して粒度分布解析を行なうと誤差を生じる場合がある。例えば、大粒径の石炭が多く存在する石炭の画像を粒度分布解析を行なう場合、小粒径の石炭が多く存在する石炭の画像で調整された画像処理パラメータを用いて、画像解析処理を行なうと粒度分布解析結果に大きな誤差を生じる。そのため、本発明は、撮像された石炭の画像が、大粒径の石炭もしくは小粒径の石炭に分類されるのかを画像処理により認識することで、それぞれの画像に対応した画像処理パラメータを用いて、画像処理を行ない粒度分布解析結果の高精度化を目指すものである。
【００１８】
図１は、本発明による粒度分布計測の処理フローの一例を示す図である。先ず、ステップＳ１００にて、ＣＣＤカメラ直下に対象とする石炭粒子が搬送されたときに閃光照明が発光するようにして、石炭画像の撮影を行う。次に、ステップＳ１０１にて、撮影した画像を粒度分布解析装置へ解析用画像入力として転送する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０２にて、この画像に対してスペクトル偏在度の算出を行う。ここでは、先ず2次元フーリエ変換を施して、スペクトル解析を行う。2次元フーリエ変換によるスペクトル解析は、ある方向で1次元フーリエ変換を行い、その結果について更に直交する方向で1次元フーリエ変換を行うことで容易に実施することができる。1次元フーリエ変換としては、例えばよく知られているCooleyとTurkeyによるFFT(Fast Fourier Transform)を使用すればよい。
【００２０】
以上の2次元フーリエ変換によるスペクトル解析を終了すれば、次に、スペクトル偏在度の算出ステップに移る。ここでは、ベルトコンベアの表面性状の露出に従う画像のパワースペクトルの変化を周波数空間にて特徴づける指標、スペクトル偏在度を導入している。
【００２１】
図３は、水平方向と垂直方向の周波数空間でのスペクトル分布と領域設定を示す図であり、図での濃淡はパワーの弱強を、中心部が低周波域で周辺部が高周波域を、それぞれ表している。このステップでは、先ず図３の上部に右上がりの斜線で示す高周波域Bと、右下がりの斜線で示す低周波域Aとの二つの領域を定義する。
【００２２】
ここで領域Aには、直流成分とその最近傍の領域は含めないようにする。この領域Aの内部に白抜きで示した領域のスペクトルには、明るさのオフセットと照明系に起因するゆるやかな輝度のうねりに関するものがある場合が多く、背景となるコンベア表面に起因するスペクトルと異なる要因による可能性があるためである。また、領域Bについても、領域Aから連続的に領域Bを定義するのではなく、間に白抜きの部分である緩衝領域を設けた方が、後述するスペクトル偏在度による粉粒体の検出能が高まる。
【００２３】
次に、領域Aおよび領域Bについて、それぞれパワーの平均EAおよびEBを計算する。さらに、計算されたEA（低周波帯域Aでのパワーの平均）およびEB（高周波帯域Bでのパワーの平均）を用いて、以下の（１）式でスペクトル偏在度RFを算出する。
【００２４】
RF  =  EA／EB      ……………（１）
スペクトル偏在度RFが大きいほどスペクトルは低周波域に偏っており、スペクトル偏在度RFが小さいほどスペクトルは周波数空間全域に広がっていることとなる。すなわち、スペクトル偏在度RFが大きいほどベルトコンベア表面の露出の程度が大きく、スペクトル偏在度RFが小さいほど粉粒体の充填の程度が大きい密な充填である。なお、図３に示した帯域の領域設定は、コークス製造に使用される石炭について適用される一例であり、実際には背景となるベルトコンベア等の保持体と粉粒体の表面性状の違いに応じて、適宜設定を変えるべきものである。
【００２５】
スペクトル偏在度が求まれば、次ステップＳ１０３で算出したスペクトル偏在度に基づき対象画像を分類する。分類の一例として、ここでは所定の閾値と比較することにより分類する例を示しており、「スペクトル偏在度＞閾値」かどうかを判断している。スペクトル偏在度が閾値より小さければ、粉粒体が充填している（充填  大）と判断し、逆の場合であれば、粉粒体が充填していない（充填  小）と判断する。この場合の判断基準も、上述の帯域の領域設定で述べたように、保持体と粉粒体の表面性状の違いに応じて、適宜変えるべきものである。
【００２６】
図4は、スペクトル偏在度の大小と原料状態の違いの一例を示す図である。図の右側の原料（ｂ）は、左側の通常原料状態（ａ）と比較して、団子状態となっている。このため、高周波帯域の信号が減少し、スペクトル偏在度が小さくなっている。図の上部には、下部の画像に示した横線上すなわち画像横方向での各々の輝度レベルの変化をそれぞれ表わしている。この輝度レベルを比較すると、（ａ）で撮像された画像の方が鮮明化されている分だけ陰影の差が大きく出ているため、これが輝度レベルの大きな変化として表れている。そして、信号としては、（ａ）の方がより高周波成分の多い信号であることが確認できる。このように、原料状態の性質を捉えることのできるスペクトル偏在度を用いて画像処理フローを分岐させる。
【００２７】
図１のフローに戻って、スペクトル偏在度が大きいすなわち原料の充填具合が小さい場合は、左側のフローを経て、逆にスペクトル偏在度が小さいすなわち原料の充填具合が大きい場合は、右側のフローを経ることになる。この例では、説明を簡単にするために一つの閾値で２分割にしているが、より測定精度を上げるには、多段分割すなわち複数の閾値を設定するようにするとよい。
【００２８】
ステップＳ１０３以降の分岐後のフロー（「Ｓ１１０〜Ｓ１１４」と「Ｓ１２０〜Ｓ１２４」）の処理内容は同様であるので、図の右側のみ説明するものとする。スペクトル偏在度が小さいと判断された画像は、ステップＳ１２０でフィルタリング（Ｂ）処理が施される。フィルタリング処理そのものは左右同じであるが、フィルタリングの仕様が異なる。例えば、左側のスペクトル偏在度が小さい、すなわち原料の充填具合が大きい画像には、フィルタリングの回数を少なめにして、できるだけボカさない処理を行う。
【００２９】
フィルタリングされた画像を、2値化処理（Ｓ１２１）後、２値化画像内の石炭粒子すべてについて各々の面積を算出する粒子カウント（Ｓ１２２）を行う。この後、全粒子の各々の面積から重量換算することにより粒度分布を算出し、さらに、あらかじめ実測値（手分析、自動ロボット）を用いて作成された検量線を用いて、先に求めた粒度分布を補正する（Ｓ１２３）。この時使用する検量線は、スペクトル偏在度の閾値以下以上で分類された検量線を事前に作成しておく。粒度分布算出の結果は、表示装置へ、または、粉砕機回転数制御に利用するために粉砕機へとデータ転送（Ｓ１２４）される。
【００３０】
本発明を用いて得られた粒度分布計測結果の一例を、図６に示す。用いた画像データは、比較のため前述の「発明が解決しようとする課題」で示した図５と同じものである。すなわち、スペクトル偏在度を用いた分類を行なわずに全ての画像を同一の画像処理パラメータを用いて粒度分布解析を行なった結果が、図５である。
【００３１】
図５では、3mm以下の粒径の石炭の重量%の篩い分け分類による実測値と画像処理による計測値との相関係数が０．４６３７と相当バラツキがあったものが、本発明を適用した図６（ａ）のスペクトル偏在度が大きい場合には、相関係数が０．９３１６へと、図６（ｂ）のスペクトル偏在度が小さい場合には、相関係数が０．５１６５へ精度が向上していることが判る。スペクトル偏在度が小さい領域を、さらに細かく分割することにより、更なる精度向上が期待できる。
【００３２】
このように、スペクトル偏在度を用いた分類を行ない、それぞれ対応した検量線を設定することにより粒度分布解析結果の精度向上が可能となる。また、スペクトル偏在度を用いた分類を行なった後、2値化パラメータ等他の画像処理パラメータも変化させることにより、更なる粒度分布解析結果の精度向上も可能となる。
【００３３】
なお、検出対象はこれまで説明した石炭とは別に、鉱石、石灰石、コークス、プラスチック粉、トナーなどの工業原料・製品や農産物・薬などの各種粉粒体にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による粒度分布計測の処理フローの一例を示す図である。
【図２】粒度分布計測装置の構成の一例を示す図である。
【図３】水平方向と垂直方向の周波数空間でのスペクトル分布と領域設定を示す図である。
【図４】スペクトル偏在度の大小と原料状態の違いの一例を示す図である。
【図５】サンプリング篩い分け方法と従来方法との粒度分布計測結果の比較の一例を示す図である。
【図６】本発明を用いて得られた粒度分布計測結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ＣＣＤカメラ 
２    閃光照明装置
３    閃光照明用電源
４    粒度分布解析装置
５    制御装置
６    石炭
７    ベルトコンベア
【図１】
2006126061.tif 000003
【図２】
2006126061.tif 000004
【図３】
2006126061.tif 000005
【図４】
2006126061.tif 000006
【図５】
2006126061.tif 000007
【図６】
2006126061.tif 000008