УСТРОЙСТВО СОРТИРОВКИ ОБЪЕКТОВ ПО ВИЗУАЛЬНЫМ ПРИЗНАКАМ
DEVICE TO SORT OBJECTS TO VISUAL ATTRIBUTES

Изобретение относится к устройствам для сортировки объектов (частиц) на несколько категорий по визуально воспринимаемым признакам и может применяться в промышленности для сортировки алмазов по цвету.
Промышленная сортировка алмазов должна выполняться с высокой производительностью (несколько кристаллов в секунду), при этом устройство сортировки должно различать тончайшие оттенки цвета. Это требование вызвано тем, что наиболее дорогие ювелирные алмазы обладают малой цветовой насыщенностью. Кроме того, алмаз имеет высокий коэффициент преломления (2, 4), который приводит к появлению дифракции и бликов, искажающих оценки цвета, сделанные при наблюдении с разных ракурсов. Чрезвычайная твердость и большое разнообразие форм природных алмазов вызывают повышенный износ соприкасающихся с ними деталей и требуют сложных устройств поштучного извлечения алмазов и их распределения.
Известны устройства (патенты US 6013887, 11.01.2000; US 6784996, 31.08.2004; US 6884956, 26.04.2005) сортировки объектов по цвету, содержащие узел поштучной подачи, узел транспортировки, осветитель, фотоприемное устройство, приемные бункеры и управляющее устройство. Сортируемые объекты с лотка или ролика поштучно падают в зону регистрации. В процессе свободного падения в зоне объект освещается осветителем, а прошедший через объект и отраженный от него свет регистрируется с помощью фотоприемного устройства.
Управляющее устройство сравнивает с пороговыми значениями сигналы, полученные от фотоприемного устройства. В случае соответствия цветовых характеристик объекта заданным установкам он продолжает движение по своей траектории и попадает в первый приемный бункер, в случае несоответствия отклоняется специальным устройством во второй бункер.
Наличие фазы свободного падения объектов ограничивает применение указанных устройств для сортировки любых объектов на несколько категорий.
Во-первых, непрерывно нарастающая в свободном падении скорость полета усложняет конструкцию исполнительных механизмов устройства распределения, устанавливаемых вдоль траектории движения объекта. Вследствие увеличения скорости исследуемых объектов повышается их повреждаемость.
Во-вторых, разброс траекторий движения объектов в свободном падении приводит к увеличению размеров исполнительных механизмов. Кроме того, разброс требует увеличения поля зрения фотоприемного устройства, вследствие чего относительная величина полезной составляющей в регистрируемом сигнале снижается и соответственно снижается чувствительность.
И, наконец, время полета объектов от зоны регистрации до системы распределения и, следовательно, максимально возможное время принятия решения определяется фактически высотой устройства и не зависит от производительности сортировки. Этот недостаток ограничивает применение сложных алгоритмов, необходимых для разделения на несколько категорий.
Известны различные устройства сортировки (а.с. РФ 405606, 07.06.71; патент РФ 2132756, 10.07.99), в которых фаза полета отсутствует. В частности, фотоэлектронный сепаратор для сыпучих зерновых продуктов (патент РФ 2132756, 10.07.99) содержит корпус, на котором размещены цветоанализатор, связанный электрической цепью с бракеражным устройством, приемные бункеры для некондиционных и кондиционных по цвету частиц, а также расположенные один под другим загрузочный бункер и устройство для поштучной подачи частиц сыпучего зернового продукта от загрузочного бункера к цветоанализатору.
Сортируемый продукт засыпается в загрузочный бункер, под которым вращается горизонтальный диск со сквозными отверстиями - ячеями. Диск расположен вплотную к корпусу, который снизу перекрывает дно ячей. Находящиеся в бункере частицы продукта заполняют ячеи, в каждую из которых может разместиться только одна частица. Скользя по корпусу, частицы увлекаются от загрузочного бункера к цветоанализатору и далее к бракеражному устройству. При обнаружении в ячее некондиционной по цвету частицы цветоанализатор вырабатывает сигнал бракеражному устройству, которое управляет заслонкой, закрывающей вырез в корпусе. Через открытый вырез некондиционные частицы выпадают из ячей и попадают в соответствующий бункер.
Это устройство имеет следующие недостатки, не позволяющие его использовать для сортировки алмазов.
Для кристаллов, имеющих разнообразную форму, невозможно подобрать размер ячей в диске, обеспечивающий их уверенное поштучное извлечение из бункера. Кроме того, острые ребра находящихся в бункере алмазов будут повреждать края ячей, снижая срок службы устройства.
Размещение сортируемых объектов в глубине профилированного углубления ограничивает объем оптических и размерных характеристик, доступных для исследования, делает невозможной «бестеневую» подсветку с разных сторон. В результате снижается точность сортировки, необходимая для распределения алмазов на несколько категорий.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство (а.с. №405606, опубликовано 05.11.1973 г., Бюл. №45) для сортировки по цвету и счета грены тутового шелкопряда. В указанном устройстве транспортировка объектов осуществляется с помощью гладкого горизонтального диска. Автомат для сортировки по цвету и счета предметов состоит из бункера, горизонтального транспортирующего диска, устройства поштучной подачи предметов к фотоэлектронному блоку и механизма сброса предметов в емкости (приемные бункеры). Грены, высыпающиеся из бункера на поверхность транспортирующего диска, устройством поштучной подачи перемещаются с меньшего радиуса диска на больший радиус, за счет чего растягиваются на диске в цепочку по одной, чем обеспечивается снижение погрешности сортировки и счета.
Недостатком устройства является отсутствие средств контроля точного положения сортируемых частиц. Без таких средств принятие решения и направление объекта в бункер назначения должно производиться практически одновременно с регистрацией его цветовых характеристик. При необходимости сортировать на несколько категорий это обстоятельство существенно усложняет конструкцию устройства распределения, требует применения быстродействующих алгоритмов распознавания цвета.
Кроме того, указанное устройство не обеспечивает высокой точности определения цвета, необходимой для сортировки объектов с малой цветовой насыщенностью.
Заявляемое устройство направлено на решение задачи высокопроизводительной сортировки объектов на несколько категорий.
При осуществлении предлагаемого устройства будет получен следующий технический результат:
- возможность промышленной сортировки по цвету частиц в виде кристаллов или обломков произвольной формы, обладающих малой цветовой насыщенностью и высокой отражательной способностью, в частности, алмазов;
- увеличение числа сортируемых категорий и уменьшение количества ошибок сортировки при обеспечении высокой скорости сортировки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявляемое устройство имеет следующую совокупность существенных признаков.
По аналогии с прототипом устройство содержит бункер, горизонтальный транспортирующий диск с приводом, фотоэлектронный блок, приемные бункеры и узел сброса сортируемых объектов в приемные бункеры. Сортируемые объекты выстраиваются в цепочку с помощью средств поштучной подачи и удерживаются на транспортирующем диске силами трения.
Устройство имеет следующие отличительные признаки, обеспечивающие получение технического результата.
По краю транспортирующего диска в устройстве предусмотрено сменное кольцо, на фоне которого фотоэлектронный блок (цветоанализатор) просматривает сортируемые объекты. Это позволяет повысить точность сортировки объектов с определенными свойствами путем установки фонового кольца нужного цвета и текстуры.
В устройство введен оптоэлектронный датчик, определяющий точное положение каждого объекта на диске, что наряду с шаговым приводом транспортирующего диска позволило упростить устройство распределения, расположив устройства сброса объектов в приемные бункеры вдоль по ходу движения транспортирующего диска.
Вместо интегральной оценки цвета объектов в предлагаемом устройстве производится анализ каждой точки зарегистрированного изображения, который позволяет исключить из общей оценки цвета фон, а также те точки изображения, цвет и насыщенность которых нехарактерны для анализируемого объекта. В результате повышается точность и достоверность определения цвета.
На фиг.1 приведен общий вид предлагаемого устройства.
На фиг.2 показан фрагмент алгоритма определения цвета.
Устройство сортировки объектов по визуальным признакам, например алмазов (фиг.1), содержит узел поштучной подачи, включающий загрузочный бункер 1 и вибролоток 2 (устройство поштучной подачи объектов); транспортирующий диск 3 со съемным кольцом 4 заданного цвета, приводимый во вращение шаговым двигателем; фотоэлектронный блок, состоящий из осветителя 5 и регистрирующей цветной видеокамеры 6, подключенной к ЭВМ 7; устройства 8 для сброса объектов в бункеры; приемные бункеры 9; направляющую 10, выстраивающую объекты в однорядную цепочку; датчик положения объекта 11 и управляющее устройство 12.
Заявляемое устройство сортировки работает следующим образом. Сортируемые частицы извлекаются из загрузочного бункера 1 с помощью вибролотка 2. Для поддержания заданной производительности на сходе с вибролотка 2 устанавливается датчик 11, контролирующий падение частиц. После того как очередная частица начинает падение, вибрации лотка 2 прекращаются. Продолжительность паузы между вибрациями определяется заданной производительностью и корректируется устройством управления 12 в зависимости от интервалов между последними сброшенными частицами.
Частицы материала по одной падают с вибролотка 2 на транспортирующий диск 3. Расположенная на пути движения частиц направляющая 10 изменяет траекторию падающих частиц, направляя их вдоль движения диска. Скорость частиц и скорость диска выравниваются, что уменьшает отскоки и сокращает время успокоения частиц. Одновременно направляющая 10 выстраивает частицы на кольце 4, зафиксированном на диске 3, в тонкую однорядную цепь. При этом направляющая смещает частицы с меньшего радиуса транспортирующего диска на больший, в результате чего расстояние между частицами увеличивается. Далее, частицы, неподвижные относительно фонового кольца 4, движутся вместе с ним. Скорость вращения диска выбирается так, чтобы не было смещения объектов из-за центробежной силы.
Точное положение частицы на кольце 4 определяется с помощью оптоэлектронного датчика 11, который срабатывает в момент прохождения частицы мимо него. Вращение транспортирующего диска 3 перемещает частицы мимо фоторегистрирующего узла и далее мимо приемных бункеров. Положение каждой частицы относительно датчика 11 в любой момент может быть определено путем подсчета выполненных шагов шагового двигателя. Когда частица доходит до заданного приемного бункера, включается соответствующее устройство сброса 8, сбрасывающее ее в бункер. Скребок, расположенный напротив последнего бункера, сбрасывает с кольца 4 все неотсортированные частицы.
Для регистрации изображения объекта производится внешний запуск цветной видеокамеры 6, подключенной к ЭВМ 7, а затем кратковременное включение осветителя 5. Подсветка производится в тот момент, когда центр объекта находится в центре поля зрения видеокамеры. Равномерное освещение объекта обеспечивается расположением нескольких осветительных элементов по кольцу или сфере вокруг анализируемого объекта. В качестве элементов осветителя 5 могут использоваться лампы или светодиоды, имеющие в спектре излучения спектральные составляющие, соответствующие красному (R), зеленому (G) и синему (5) цвету. Подсветка объекта снизу осуществляется лучами, рассеянными поверхностью специально подобранного фонового кольца 4.
Регистрация изображений алмазов осуществляется в рассеянном свете на белом матовом фоне, как это рекомендовано при ручной сортировке алмазов. Равномерные оптические свойства по всей поверхности кольца 4, получаемые благодаря отсутствию выступов или канавок, обеспечивают регистрацию алмазов при минимальных искажениях цвета. Такое техническое решение обеспечивает необходимое повышение точности определения цвета алмазов и увеличение числа различимых градаций по цвету.
Зарегистрированное видеокамерой 6 изображение оцифровывается и переносится в память контроллера видеокамеры (фреймграббера) или непосредственно в оперативную память ЭВМ 7. При получении изображения ЭВМ начинает процедуру обработки, в результате которой определяет, в какой из приемных бункеров 9 должен попасть анализируемый объект.
В заявляемом устройстве применен алгоритм обработки изображений, повышающий точность определения цвета и соответственно качество сортировки. Отличительным признаком алгоритма, влияющим на достижение технического результата, является наличие дополнительных этапов, позволяющих исключить из процесса обработки нехарактерные (малоинформативные) точки изображения.
Блок-схема алгоритма представлена на фиг.2. Цифрами 1÷5 помечены дополнительные операции обработки, отличающие данное устройство от прототипа и рассмотренных аналогов.
Все точки изображения рассматриваются на принадлежность к одному из следующих типов: точки фона, блики, дефекты объекта и точки, цвет которых искажен дифракцией на гранях кристаллов. Точки указанных типов исключаются из дальнейшей обработки, остальные точки считаются принадлежащими объекту и правильно характеризующими его цвет.
ф
ф
ф
Проверка 1 (фиг.2) позволяет определить, является ли анализируемая точка точкой фона. Для этого на этапе калибровки фотоэлектронного узла запоминается фоновое изображение, регистрируемое без объекта. При проверке 1 (фиг.2) модули разностей цветовых координат (R, G, B) текущей точки (i) и соответствующей точки фонового изображения (R, G, B) сравниваются с заданными порогами r, g и b. Точка изображения, изменившая свой цвет незначительно
,
i
i
i
считается точкой фона, она специальным образом помечается, например ей присваивается нулевое значение (R=0, G=0, B=0).
max
min
Проверки 2 и 3 позволяют выявить на изображении точки, яркость которых выше или ниже пределов, заданных значениями (RGB) и (RGB). Такие точки считаются соответственно бликами и дефектами кристаллов. Они помечаются аналогично точкам фона.
i
min
max
min
max
Проверка 4 помечает точки, цвет которых искажен вследствие дифракции света на гранях алмаза. Цветовой тон точки (длина волны λ) вычисляется с использованием цветового треугольника (локуса) [1] путем интерполяции между табличными значениями. Помечаются точки, цветовой тон которых лежит за пределами (λ÷λ). Пороги по длине волны λ и λ подбираются в зависимости от типа сортируемого сырья на этапе настройки на конечный продукт.
ср
Точки, помеченные на этапах 1÷4, на этапе 5 из дальнейшего анализа исключаются. По оставшимся n точкам выполняется процедура определения среднего значения цветовых координат (RGB) сортируемого объекта:
, ,
Эти значения используются для определения цвета объекта, который представляется в устройстве тремя характеристиками: доминирующей длиной волны λ, насыщенностью s и яркостью I. Характеристики цвета, получаемые устройством после исключения малоинформативных точек, приближаются к реальным значениям, хорошо согласуются с оценками экспертов.
Определение бункера назначения для объекта производится на основе сравнения измеренных характеристик с пороговыми значениями. Эта процедура присутствует в любом из сортирующих устройств и здесь не раскрывается, а на фиг.2 обобщенно показана нижним прямоугольником.
0
0
0
0
1
2
k
Заявляемое устройство позволяет выполнять сортировку по любой из трех измеренных характеристик (λ, s или I) или по их совокупности. В частности, для сортировки алмазов можно применить трехступенчатую проверку: сначала отделить темные алмазы (I<I), оставшиеся кристаллы разделить на желтые (λ<λ) и коричневые (λ≥λ) и, наконец, в каждой из цветовых групп разделить кристаллы по насыщенности, сравнивая s с порогами s, s, s, …, s. Сортировка по размеру кристаллов возможна с использованием количества точек n, остающихся на изображении после исключения точек фона. В результате сравнения с порогами ЭВМ определяет номер бункера назначения для объекта.
Управление устройствами сброса 8 построено с использованием циклически опрашиваемой памяти, число ячеек которой равно числу позиций транспортирующего диска. На каждом шаге вращения диска считывается соответствующая данному шагу ячейка памяти. При наличии в выбранной ячейке установленных бит запускаются подключенные к этим битам исполнительные устройства сброса, после чего ячейка обнуляется.
Установка в памяти нужных бит выполняется микроконтроллером устройства управления 12 следующим образом. Получив из ЭВМ 7 номер бункера назначения для обработанной частицы, управляющее устройство вычисляет позицию диска, в которой частица должна быть сброшена в бункер. Для этого к номеру позиции, в которой осуществлялась подсветка данного объекта, добавляется известное число шагов от позиции подсветки до нужного бункера (расстояния до каждого бункера хранятся в памяти управляющего устройства). Используя номер позиции сброса как адрес памяти, микроконтроллер устройства управления устанавливает в ней бит, соответствующий номеру бункера назначения.
В качестве устройств сброса 8 объектов могут использоваться механические отсекатели или набор форсунок, управляемых пневмоклапанами, к которым подведен сжатый воздух. В последнем случае объекты сдуваются с кольца 4 в бункеры 9 струей сжатого воздуха.
Заявляемое устройство реализовано в виде автомата сортировки алмазов по цвету «АРЦ-10». Ряд таких устройств используется в ЕСО АЛРОСА для промышленной сортировки алмазов. Автоматы настроены на выполнение сортировки со скоростью 3 алмаза в секунду. Автомат позволяет сортировать частицы размером от 1,5 до 5 мм. Распределение осуществляется на 10 бункеров. Дополнительный бункер используется для неотсортированных алмазов.
3
Бункер имеет объем 1 дм. Вибролоток 2 установлен перпендикулярно образующей транспортирующего диска 3. Падение алмазов с лотка на диск контролируется оптодатчиком типа НОА1404. Необходимое качество поштучной подачи алмазов обеспечивается за счет использования выходного сигнала датчика в системе управления вибролотком.
Кольцо 4 выполнено из белого («молочного») оргстекла марки Makloron.
Фигурная направляющая 10 закрепляется на несущей конструкции диска. Она изготовлена из фторопласта, имеет свободу вертикального перемещения и фактически "плавает" на кольце 4. Выстроенные в цепочку частицы располагаются на окружности диаметром 230 мм. Время полного оборота транспортирующего диска составляет 8-10 с.
Движение частиц, перемещаемых диском, осуществляется в «коридоре», образованном двумя неподвижными вертикальными стенками, расположенными над диском. Внешняя стенка имеет отверстия с каналами, ведущими к приемным бункерам. Напротив отверстий (на внутренней стенке) расположены сопла форсунок, сдувающих объекты с кольца 4. Сверху коридор закрыт прозрачной крышкой, препятствующей потере алмазов при их случайных отскоках.
Устройство сброса объектов в бункеры представляет собой пустотелый диск с установленными пневмоклапанами и форсунками. Внутренняя полость форсуночного диска служит ресивером, снижая колебания давления при одновременном срабатывании нескольких форсунок.
В фотоэлектронном блоке используется цветная видеокамера «Видеоскан-415/Ц-2001», подключенная к ЭВМ. В видеокамере установлен объектив с фокусным расстоянием 36 мм и относительным отверстием 1:1,5. Поле зрения камеры составляет 8×8 мм. Осветитель содержит 4 «белых» светодиода типа EP2012W, освещающих на кольце круг диаметром около 15 мм.
Зарегистрированное камерой изображение в цифровом виде передается во фреймграббер VS-2001, установленный в слот шины PCI персонального компьютера. В устройстве используется компьютер AMD Sempron, процессор LE 110, рабочая частота 1,9 ГГц. Программное обеспечение автомата сортировки работает в операционной системе Windows ХР.
Устройство управления реализовано на базе микроконтроллера ATMega-128. Связь между компьютером и устройством управления осуществляется по каналу USB. Устройство управления имеет возможность установки и контроля параметров подачи и регистрации (производительность, амплитуда и частота вибраций вибролотка, скорость вращения диска, длительность вспышки, время экспозиции).
Сортирующий автомат работает в конвейерном режиме, одновременно выполняя несколько элементарных операций: устройство сброса сбрасывает очередной объект в бункер назначения, микропроцессор вычисляет позицию сброса для следующего объекта, компьютер обрабатывает изображение и определяет бункер назначения для третьего объекта, камера регистрирует изображение четвертого объекта. На диске может одновременно находиться более 20 сортируемых частиц. Работа конвейера синхронизируется с вращением транспортирующего диска. В конвейерном режиме производительность сортировки определяется не суммарным временем всех операций, а временем исполнения самой продолжительной из них и может достигать 5 объектов в секунду.
Литература
1. Джадд Д., Вышецки Г. «Цвет в науке и технике»: пер. с англ. М., Мир, 1978. - 592 с.