ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ДЛЯ АНАЛИЗА ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ

Полезная модель относится к цифровой обработке изображений, устройствам автоматического измерения параметров окатышей для управления производством окомковывания железной руды.
Известно устройство определения гранулометрического состава сыпучего материала (патент на полезную модель 63258), недостаток устройства заключается в сложности конструкции, необходимости изменения устройства конвейера с окатышами для их просеивания и деления на фракции, а также длительности процесса измерения параметров и вторичности (из-за косвенных измерения) измеряемых признаков;
Наиболее близким к полезной модели является устройство технического зрения для измерений (патент США 5519763), содержащее видеодатчик, модуль ввода изображения (digitizer), видеопроцессор, измеряющее распределение света рабочей сцены для последующего нахождения на основе специальных масок изображений искомых элементов (окатышей) и определении их геометрических характеристик.
Недостатком устройства является отсутствие специального осветителя для получения качественных изображений окатышей; получение изображений с единственной позиции из-за использования единственного видеодатчика, осложняющее измерения; использование методов сегментации, затрудняющих обнаружение частично перекрывающихся окатышей; отсутствие возможности фокусировки на различные глубины нахождения окатышей.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения параметров окатышей бесконтактно в реальном масштабе времени без изменения механических частей системы производства окатышей, а также измерение параметров окатышей на различной глубине.
Задача решается тем, что в устройство, содержащее видеодатчик, дополнительно введены первый и второй инфракрасные осветители, светосильный объектив, контроллер объектива, приемно-передающее радиоустройство с функцией оцифровывания изображения (далее РПУ-К), передающая антенна, приемная антенна, радиоприемное устройство (РПУ), системная шина, модуль выделения контуров, модуль сегментации, модуль обнаружения окатышей, модуль измерения геометрических параметров, модуль измерения текстурных параметров, ОЗУ, контроллер, модуль передачи данных, причем светосильный объектив конструктивно соединен с видеодатчиком, светосильный объектив, а также первый и второй осветители направлены на область падения с грохота окатышей, выход контроллера объектива подключен к светосильному объективу для управления фокусировкой и диафрагменным числом светосильного объектива, выход видеодатчика подключен к входу РПУ-К, выход РПУ-К подключен к передающей антенне, групповой выход РПУ-К подключен к групповому входу контроллера объектив, антенна совместно с РПУ-К осуществляют передачу видеоизображения рабочей сцены и управляющих команд по беспроводному каналу на частоте 2.4ГГц на приемную антенну, подключенную к входу РПУ, групповой вход-выход РПУ соединен с первым групповым входом-выходом системной шины (СШ), второй групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля выделения контуров, четвертый групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля сегментации, пятый групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля обнаружения окатышей, седьмой групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля измерения геометрических параметров, восьмой групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля измерения текстурных параметров, третий групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом ОЗУ, шестой групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом контроллера, девятый групповой вход-выход СШ соединен с групповым входом-выходом модуля передачи данных, групповой выход модуля передачи данных предназначен для выдачи результатов расчета параметров окатышей.
Изобретение может быть использовано для автоматического управления процессом окомковывания окатышей.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема интеллектуальной системы технического зрения реального времени для анализа гранулометрического состава железорудных окатышей.
Интеллектуальная система технического зрения реального времени для анализа гранулометрического состава железорудных окатышей содержит видеодатчик 3, первый 1 и второй 6 инфракрасные осветители, светосильный объектив 2, контроллер объектива 7, приемно-передаюшее радиоустройство с функцией оцифровывания изображения (РПУ-К) 4, передающую антенну 5, приемную антенну 8, радиоприемное устройство (РПУ) 9, системную шину 10, модуль выделения контуров 11, модуль сегментации 12, модуль обнаружения окатышей 13, модуль измерения геометрических параметров 14, модуль измерения текстурных параметров 15, ОЗУ 16, контроллер 17, модуль передачи данных 18; причем светосильный объектив 2 конструктивно соединен с видеодатчиком 3, светосильный объектив 2, а также первый 1 и второй 6 осветители направлены на область падения с грохота окатышей, выход контроллера объектива 7 подключен к светосильному объективу 2 для управления фокусировкой и диафрагменным числом светосильного объектива 2, выход видеодатчика 3 подключен к входу РПУ-К 4, выход РПУ-К подключен к передающей антенне 5, групповой выход РПУ-К 4 подключен к групповому входу контроллера объектив 7, антенна 5 совместно с РПУ-К 4 осуществляют передачу видеоизображения рабочей сцены и управляющих команд по беспроводному каналу на частоте 2.4ГГц на приемную антенну 8, подключенную ко входу РПУ 9, групповой вход-выход РПУ 9 соединен с первым групповым входом-выходом системной шины (СШ) 10, второй групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля выделения контуров 11, четвертый групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля сегментации 12, пятый групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля обнаружения окатышей 13, седьмой групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля измерения геометрических параметров 14, восьмой групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля измерения текстурных параметров 15, третий групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом ОЗУ 16, шестой групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом контроллера 17, девятый групповой вход-выход СШ 10 соединен с групповым входом-выходом модуля передачи данных 18, групповой выход модуля передачи данных 18 предназначен для выдачи результатов расчета параметров окатышей.
Устройство работает следующим образом.
Первый 1 и второй 6 осветители устанавливают по обе стороны от светосильного объектива 2 и направляют на область падения с грохота окатышей. Первый 1 и второй 6 осветители в своей совокупности обеспечивают квазиравномерное освещение в ближнем инфракрасном диапазоне спектра в области падения окатышей.
Изображение падающих окатышей поступает через светосильный объектив 2 на видеодатчик 3.
Светосильный объектив (а не объектив с малой относительной диафрагмой) требуется для достижения двух целей:
- пространственной селекции окатышей за счет фокусировки на выбранную область падения окатышей, что обеспечивает получение изображения не только спереди расположенных окатышей, но и на небольшом удалении в глубине области падения;
- достаточности «собирания» светового потока для обеспечения малой выдержки работы видеодатчика 3 с целью получения малошумящего изображения окатышей без эффекта размытия, обусловленного быстрым движением при падении.
Объектив должен быть с диафрагменным числом не менее 2.8. Могут быть использованы объективы Canon «17-35 мм, 2,8», «50 мм, 1,2», «50 мм, 1,4», «70-200 мм, 2,8», «300 мм, 2,8»
Видеодатчик 3 преобразует распределение освещенности рабочей сцены в аналоговый электрический сигнал и со своего выхода подает его на вход РПУ-К 4, где сигнал проходит аналого-цифровое преобразование для преобразования в цифровую форму. РПУ-К оцифрованное изображение преобразует в радиосигнал и передает со своего выхода на вход передающей антенны 5.
Приемная антенна 8 получает переданное через передающую антенну 5 изображение и подает его на вход РПУ 9, которое через свой групповой вход-выход подает его на первый групповой вход-выход СШ 10. Далее изображение поступает через третий групповой вход-выход СШ 10 на групповой вход-выход ОЗУ 16, где хранится для обработки.
Контроллер 17 выполняет функции арбитра - координирует работу всех подключенных к СШ 10 модулей, а также вычислительно несложные операции по обработке изображения.
Модуль выделения контуров 11 через свой групповой вход-выход и второй групповой вход выход СШ 10 считывает из ОЗУ 16 последовательно области изображения размером 3×3 пиксела и производит получение дифференцированного изображения, которое записывается через СШ 10 в ОЗУ 16.
Дифференцированное изображение далее обрабатывает контроллер 17:
- формирует контуры как последовательности близко расположенных точек дифференцированного изображения и записывает совокупность контуров в ОЗУ 16;
- определяет резкость изображения по выборочным значениям в центральной области дифференцированного изображения.
В результате определения резкости контроллер 17 через свой групповой вход-выход, шестой групповой вход-выход СШ 10, первый групповой вход-выход СШ 10, групповой вход-выход РПУ 9, приемную антенну 8, передающую антенну 9, групповой выход РПУ-К 4, групповой вход контроллера объектива 7 подает управляющую команду для коррекции резкости. Контроллер 7 изменяет на своем выходе значение сигнала для изменения резкости светосильного объектива 2 и светосильный объектив 2 изменяет резкость для получения наиболее четкого изображения.
Модуль сегментации 12 получает через свой групповой вход-выход, четвертый групповой вход-выход СШ 10, третий групповой вход-выход СШ 10 изображение из ОЗУ 16 и выполняет сегментацию изображения, в результате которой формируется сегментированное изображение с областями, предположительно являющимися центрами окатышей. Сегментированное изображение записывается в ОЗУ 16. Процесс записи сегментированного изображения в ОЗУ 16 аналогичен рассмотренному выше процессу записи дифференцированного изображения.
Далее после вычисления дифференцированного, сегментированного изображения и совокупности контуров, хранящихся в ОЗУ 16 обнаружитель 13, анализирует через свой групповой вход-выход, пятый групповой вход-выход СШ 10, третий групповой вход-выход СШ 10, групповой вход-выход ОЗУ 16 в ОЗУ 16 посредством нахождения вблизи центров сегментированных объектов контуров и подтверждает или опровергает нахождение окатышей на изображении, как ранее сегментированных областей.
Таким образом, на данном этапе на изображении определено множество окатышей, ограниченных контурами из совокупности контуров.
Измеритель параметров 14 последовательно считывает из ОЗУ 16 параметры контуров каждого окатыша, фокусное расстояние объектива, размер приемника изображения видеодатчика 3 в метрах и пикселах и вычисляет геометрический размер каждого окатыша в метрах и записывает полученный параметры в ОЗУ 16.
Измеритель текстур 15 посредством сравнения с набором эталонных текстур, отображающих параметры окатышей различной плотности, изображения каждого окатыша определяет плотность каждого окатыша. Затем измеритель текстур 15 вычисляет массу каждого окатыша как произведение его плотности на объем. Объем измеритель текстур 15 вычисляет с допущением об эллипсоидной форме каждого окатыша при ранее определенных измерителем параметров 14 геометрических размерах окатыша.
На заключительной стадии обработки вычисления параметров процесса окомковывания контроллер 17 «строит» гистограмму распределения масс, размеров и количества окатышей.
Модуль передачи 18 через свой групповой вход-выход считывает параметры процесса окомковывания с 9 группового входа-выхода СШ 10 и через групповой вход-выход передает полученные парамеры для вышестоящей обработки или управления процессом окомковывания.
Рассмотрим параметры входящих в состав системы технического зрения модулей.
Параметры светосильного объектива 2 указаны выше. Первый 1 и второй 6 осветители представляют собой инфракрасные прожекторы ПИК-42, также может быть использована совокупность светодиодов.
Видеодатчик должен обеспечивать получение изображения размером не менее 800×600 при частоте кадров не менее 5 Гц. Такими параметрами обладают большинство современных веб- и беспроводных камер, например, Logitech 9000 Pro, WiFi-Camera WT340. Выдержка видеодатчика должна находиться в диапазоне от 1/120 до 1/500 секунды и определяется мощностью осветителей.
В качестве РПУ-К может быть использован серийно выпускаемый модуль WiFi.
Авторами в качестве видеодатчика и РПУ-К использована WiFi-Camera WT340, которая в едином корпусе содержит видеодатчик и передатчик на частоте 2,4ГГц.
Контроллер объектива 7 должен быть той же марки, что и объектив -Canon и также производится серийно.
Передающая 5 и приемная 8 антенны представляют собой в простейшем случае провод или тонкий металлический штырь длинной 10-20 см.
В качестве РПУ 9 может быть использован или серийный WiFi приемник с выходом USB, или приемник из комплекта WiFi-Camera WT340.
Модули выделения контуров 11, сегментации 12, обнаружения 13, измерения параметров 14, измерения текстур 15 целесообразно выполнить на едином кристалле программируемой логической интегральной схемы, которые представлены более 20 лет широчайшим ассортиментом, например Xilinx Spartan серии 4 с логической емкостью не менее 10000 слайсов и быстродействием на один логический вентиль не более 1 нс.
Контроллер 17 может быть цифровым сигнальным процессором или быстродействующим микроконтроллером типа Atmel.
ОЗУ 16 целесообразно использовать статическое с емкостью не менее в четыре раза превышающей размер кадра изображения, т.е. от 16 до 32 Мб.
Модуль передачи 18 является выходным устройством и может представлять собой сетевую плату, беспроводный перадатчик или любой другой модуль, обеепчивающий передачу параметров по заданному протоколу.
Полезная модель может быть использована для автоматического управления процессом окомковывания окатышей и обеспечивает в реальном масштабе времени за счет параллельного выполнения операций измерение параметров процесса окомковывания окатышей.