张一杨

(唐山学院智能与信息工程学院,河北 唐山063000)

1 引言

随着社会的发展,对能源的需求越来越大,煤炭是支撑我们生活所需的主要能源之一,我国的煤炭储备量较大,采集和运输时,需要提高采集运输设备的自动化水平,以增加煤炭资源的日产量。由于煤炭的运输环境复杂,运输距离较远,我国使用较多的是带式传送机,传送带是带式传送机的主要功能核心设备,其质量直接决定煤炭运输工作的质量,传送带一旦发生撕裂,将带来不可估计的损失,所以解决传送带的纵向撕裂的问题对于减少煤炭运输中的损失具有重要的意义。

传送目前关于传送带撕裂自动检测的方法按照接触方式类型不同分为两种方式,分别是接触式和非接触式。利用称重传感器、压敏电阻等传感器件的属于接触式检测系统;利用超声波、X光等无线检测的属于非接触式检测系统。国内外对传送带纵向撕裂自动检测方法的研究,早期多采用接触式,这种检测系统实时性较强,但由于可靠性较差,经常出现误报或漏报的现象,所以目非接触式检测方法的研究较多。

本文采用CCD摄像机采集传送带图像,利用数字图像处理技术对图像进行预处理,特征提取,达到检测和识别传送带撕裂故障的目的,提高煤炭生产中运输过程的可靠性。

2 系统工作原理

将CCD摄像机安装在下方,利用光源以一定角度照射为输送带表面加光,CCD相机采集传送带图像并将图像传送到上位机,利用上位机中运行的图像检测软件对采集到的传送带图像信号进行处理和识别,包括传送带图像的灰度化、传送带图像的滤波、传送带图像的分割和传送带撕裂图像的特征提取及识别。

图1 检测系统原理图

图像识别过程通过在预处理和图像分割的基础上提取到撕裂图像的特征量,最终达到撕裂图像识别的目的。

3 图像预处理

由于煤炭运输环境的特殊性,CCD摄像机采集到的图像质量较低,为了能够有效的将纵向撕裂图像和传送带图像分离,结合各种噪声、煤尘、抖动、光照等干扰因素,需要对采集到的传送带图像进行预处理,为后续图像处理和特征提取及识别打下基础。

3.1 彩色图像灰度化

为了便简便图像运算,提高系统运行的实时度,需要将采集到的图像转换为灰度图像。

图2 灰度图

3.2 图像的平滑

由于传送带在传送煤炭的过程中,CCD摄像机安装在传送带的下方,由于煤炭运环境十分恶劣,煤尘较多,采集到的图像中出现粉尘颗粒、镜头斑点以及产生多余的点和线,主要表现为孤立的群点和孤立线。另外,由于系统检测距离远,在CCD传感器、传输信道以及图像解码过程中会产生黑白相间的亮暗点。

图像平滑的是为了减少图像噪声。图像噪声来自于多方面,有系统外部干扰,也有系统内部的干扰,如摄像机的热噪声等。图像平滑算法包括空域法和频域法两种,工程中要求实时性较强,所以常用空域法。常用的空域法滤波有邻域平均法、中值滤波等,前者滤波后往往丢失图像的边缘信息,后者可以有效地滤除噪声,又对图像的边缘有较好的保护。中值滤波是按照像素值的大小进行排序,生成单调上升(或下降)的为二维数据序列。二维中值滤波输出为：

g(x,y)＝med{ f( x－k,y－l),(k,l∈w)}其中,f(x,y),g(x,y)分别为原始图像和处理后图像。W为二维模板,通常为2∗2,3∗3区域,也可以是不同的形状,如线状,圆形,十字形,圆环形等。

图3 中值滤波

3.3 图像分割

图像的分割处理就是将目标图像和背景图像用不同的值表示,即图像上的像素点的灰度置为0或255。二值化后的图像数据量较小便于运算、图像的构成比较简单,可对其进行进一步滤波,有效的去除图像中的主要噪声。图像分割的方法有很多,常见的包括双峰法、迭代法、最大类间方差法等,本文采用迭代法进行阈值分割。迭代算法是基于逼近的思想,其主要步骤如下：

(1)选择一个初始估计阈值T(图像的平均灰度)。

(2)用阈值T对图像进行分割,产生两组像素：M1由灰度值大于T的像素组成,M2由小于等于T像素组成。

(3)计算M1和M2的灰度平均值k1和k2。

(4)计算一个新的阈值：T＝(k1＋k2)/2。

(5)重复步骤2和4,直到连续迭代中的T值间的差小于一个预定义参数为止。然后再用阈值分割对图像进行分割得到二值灰度图像。效果如图4所示。

图4 迭代法阈值分割

3.4 计算裂纹特征量

经过图像分割后,获得检测所需目标区域,利用模式识别方法提取目标区域的特征。本文在对纵向撕裂裂纹采用提取目标图像面积作为特征量。区域面积的定义如下：

其中,当该像素在形状范围内,即 (x,y)∈S,I(x ,y)＝1而其他情况下为0;ΔA为一个像素的大小。计算纵向撕裂裂纹区域面积,其实质为计算图像中像素值为1的像素的数目。以特征图像的面积为特征量进行传送带撕裂图像的识别。

4 总结

本文以工业生产中煤炭传送为背景,总结了传送带纵向撕裂故障产生的原因,比较了国内外针对传送带纵向撕裂的自动检测方法,结合数字图像处理技术对传送带纵向撕裂在线检测系统的总结构和原理进行了研究和设计,根据实验结果确定了传送带图像预处理方法和特征提取及识别方法,利用CCD工业摄像机采集传送带图像,经过图像的灰度化,中值滤波以及迭代法阈值分割得到了黑白二值图像,以撕裂图像的面积作为特征量,最后计算目标图像面积实现纵向撕裂图像识别和报警的功能。

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