（信号与信息处理专业论文）集料级配实时检测系统研究与实现.pdf

摘要 在沥青混合料生产现场，对集料的级配仅仅是单方面对各料仓的供料量进行控制， 并没有对集料级配进行快速的检测。这样可能会导致实际生产级配和设计级配偏离，从 而使得沥青混合料的力学性能以及路用性能下降，不能满足设计要求。因此，在沥青混 合料生产现场，需要对集料的级配组成进行实时检测，从而可以依据设计级配对各料仓 的供料量进行精确控制，使得生产级配不至于偏离设计级配太远。 本文将集料级配实时检测技术应用到沥青混合料生产现场中，首先通过不同设计方 案的实验效果对比分析，得出最优系统整体结构方案，从而确定采集系统所需的线阵相 机，红外激光器光源，数字图像采集卡，背景方案等。并详细的介绍了采集系统的实现 步骤。其次，文中介绍了一种图像去阴影的方法，从结构和使用方法上解决集料图像的 阴影问题，从而提高集料图像的质量。再次，根据不同模块的划分，分别介绍了集料级 配实时检测系统的整体架构设计，同时详细阐述了各个模块的功能。最后，在v c + + 6 0 集成开发环境下进行集料级配实时检测软件的编程，实现了集料的实时检测及集料图像 存储等功能。为了提高采集软件的效率，通过对非定时器方案，定时器方案，多线程方 案的比较，进一步完善集料级配实时检测软件的功能。 关键字：集料级配，v c + + 6 0 ，实时检测，多线程 a b s t r a c t a tt h ep r o d u c t i v es i t eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，a g g r e g a t e sg r a d a t i o ni so n l yu n i l a t e r a l c o n t r o lo ff e e dr a t ea c c o r d i n gt oe a c ho ft h es i l oi n s t e a do fr a p i dd e t e c t i o n ，t h a tm a yl e a dt o t h ed e v i a t i o no ft h ea c t u a lg r a d a t i o na n dt h ed e s i g n i n gg r a d a t i o nw h i c hm a k e st h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dp a v e m e n t sp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tm i x t u r ed e g r a d e ，a n dt h ed e s i g n i n g r e q u i r e m e n t sc a nn o tb em e t t h e r e f o r e ，a tt h ep r o d u c t i v es i t eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，t h e r e a l t i m ed e t e c t i o no fa g g r e g a t e sg r a d a t i o n ，w h i c hc a na c c u r a t e l yc o n t r o lf e e dr a t eo fv a r i o u s s i l oa c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gg r a d a t i o n ，m a k e st h ea c t u a lg r a d a t i o nc l o s e rt ot h ed e s i g n i n g g r a d a t i o n t h et e c h n o l o g yo fr e a l - t i m ed e t e c t i o no fa g g r e g a t eg r a d a t i o nt ot h ep r o d u c t i o ns i t eo ft h e a s p h a l tm i x t u r ew i l lb ea p p l i e di nt h ea r t i c l e f i r s to fa l l ，b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd i f f e r e n ts c h e m e s ，ac o n c l u s i o nt h a tt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e o p t i m a ls o l u t i o na n dd e t e r m i n e st h er e q u i r e dl i n e a rc a m e r a , i n f r a r e d l a s e rl i g h ts o u r c e ，d i g i t a l i m a g ec a p t u r ec a r d ，p r o g r a m so fb a c k g r o u n di sd r a w n a tt h es a m et i m e ，t h eu s a g eo ft h e c o l l e c t i o ns y s t e mi si l l u s t r a t e d s e c o n d l y , am e t h o do fr e m o v i n gs h a d o wf r o mt h ei m a g ei s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft h es h a d o wo ft h ei m a g eb yc h a n g i n gt h e s t r u c t u r ea n dt h eu s a g et oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ei m a g e t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ep a r t i t i o n o fd i f f e r e n tm o d u l e s ，r e s p e c t i v e l y , t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r ed e s i g n i n go ft h es y s t e mo ft h e r e a l t i m ed e t e c t i o na n de l a b o r a t e st h ef u n c t i o n so fe a c hm o d u l ea l ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , t oc o ll e c ti m a g ea n dt os a v ei m a g ea r ea c h i e v e di nt h ee n v k o n m e n to ft h ev c + + 6 0 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o l l e c t i o ns o t t w a r e ，b y c o m p a r i n go ft h en o n - t i m e r , t h et i m e rp r o g r a ma n dm u l t i - t h r e a dp r o g r a m ，t h ef u n c t i o no f a c q u i s i t i o ns o f t w a r eo f t h er e a l t i m ed e t e c t i o no f a g g r e g a t eg r a d a t i o ni si m p r o v e df u r t h e r k e y w o r d s ：a g g r e g a t eg r a d a t i o n , v c + + 6 0 ，r e a l t i m ed e t e c t i o n , m u l t i t h r e a d 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 集料级配实时检测的背景与意义 本文选题来源于交通部西部交通建设科技项目。由于目前高速公路路面以沥青路面 为主。在沥青路面材料组成中，集料的用料量最大，所占成本也最多【2 】。近年来，在我 国道路沥青生产技术不断提高的同时，随着改性沥青的广泛应用，沥青路面成为我国城 市道路和高等级公路的主要路面形式。路面质量问题是沥青路面建设过程中一个主要问 题，它对道路运输的行车安全性和经济性有很大程度的影响。路面质量问题主要表现在 路面的起伏，较严重的会出现车辙、坑洞和裂缝，直接影响行驶安全，容易发生交通事 故，而且机动车轮胎磨损严重，增加耗油量，限制行驶速度，不能到达最初的设计要求 和使用寿命，导致很大程度上提高了运输成本和道路建设后期投入1 3 j 。通过对相同阶段 完成的沥青路面的长期研究，大多数局部路面会有不同程度的破坏。在相同的载荷作用， 自然环境等条件下，结构和材料设计相同的路面发生局部损坏问题是由路面性能不一致 产生的。因此，路面局部损坏是由于铺筑路面的沥青混合料不均匀造成的，即沥青混合 料的离析问题成为解决控制路面质量问题的关键【4 j 。 在沥青混合料的生产现场，集料级配仅仅是从拌合楼单方面对供料量进行控制，并 没有对集料级配进行实时检测。这样经常会导致实际的生产级配与设计级配偏离太大， 从而使混合料的力学性能以及路用性能下降，不能满足设计要求。因此，亟需一种在沥 青混合料的生产过程中对集料级配进行实时在线检测，并依据设计级配对供料量进行精 确控制的技术，从而避免生产级配与设计级配产生较大偏离的现象。而针对沥青混合料 生产过程进行集料级配实时检测的图像采集系统则是检测系统性能优劣的关键所在。 现有技术中，针对集料级配检测的图像采集方法为：以成型后的沥青混合料路面取 芯试件作为图像采集对象，在实验室环境对试件材料进行数字化成像【l 】。该方式仅仅对 成型后的沥青混合料路面取芯试件在实验室的环境进行图像采集，而非对沥青混合料生 产现场的集料级配环节进行图像的采集，不能实时获取集料级配过程的图像数据。对路 面钻心取样造成了路面的损坏，需要对路面进行二次修复，既加重了检测人员的劳动强 度又不符合无损检测的宗旨。由于图像采集对象为路面取芯试件，试件运输的成本较高， 同时其图像分析和处理的结果受检测对象影响较大。 针对上述问题，论文应用一种无损集料级配实时检测方法。该方法通过采集沥青混 第一章绪论 合料生产过程中传送带上下落集料的数字图像，实现对沥青混合料生产过程的实时监 测，并将集料图像信息存储到计算机硬盘上，从而使检测人员比较高效的控制生产过程。 由于在沥青混合料的生产现场，集料下落的速度很快，要采集到清晰的动态集料就 要求相机的曝光时间很短，这就导致了相机所采集到的集料图像灰度值偏暗、对比度差。 而不同时间的日光强度差异较大，图像采集系统往往得不到光强恒定的入射光，导致所 采集到的集料图像无法保持灰度值的稳定性和图像背景的均匀性，不利于其后的图像处 理和分析。 同时，生产过程中很多情况下的下落集料流过于厚重，导致采集到的图像中集料颗 粒互相遮挡不利于图像颗粒的分离，颗粒的数目越多所要处理的数据量越大，对计算机 硬件性能及软件运行效率要求越高，相应的检测技术成本就会提高。 再者，由于拍摄的是实际运动中的集料颗粒，在拍摄高速运动物体时为了提高图像 的清晰度要求相机的扫描速率要相当高。同时由于实际生产中集料颗粒类型的多样性， 粒径越小的颗粒其下落拍摄过程中为减小误差所要求的拍摄频率越高。解决这一问题最 为经济有效的方式便是设法降低集料的下落速度。因此，研究一种有效的用于集料级配 实时检测系统及其采集方法有着重要的意义。 1 2 集料级配在国内外研究现状及发展动态分析 目前，国内外针对集料级配组成的检测几乎全都以沥青混合料或者沥青路面试件为 检测目标，传统的检测方法是分散多步骤式的，主要是依靠机械及手工方式，而且无法 一次性检测出沥青混合料的各组成成分的含量。如对沥青混合料中沥青含量的检测使用 离心式抽提仪、回流式抽提仪等，对沥青混合料中集料的检测则需使用摇筛机等，通过 抽提或者燃烧的方法先去除混合料中沥青的含量，通过筛分过程得到集料的级配1 5 j 。抽 提所用的有机溶剂可能会对人体造成伤害，燃烧会给环境带来污染，并且两者所用的设 备体积庞大，费用较高，检测结果受检测者水平的影响较大，受检测样品差异影响较大。 由于检测的环节位于沥青混合料生成之后，即使检测出偏差，也只是对混合后的结果给 出评价指标，无法在沥青混合料生产过程中对集料级配环节进行有效的干预和控制。 而以沥青路面试件为检测目标的沥青的比例及各种矿质材料( 即集料) 的级配组成 变化是在对沥青路面的离析程度判别中完成。这种方法的缺点是无法在沥青混合料的生 产现场及时发现矿质混合料的级配组成变化更无法及时的进行控制和干预，造成资源的 浪费。甚至有些针对沥青路面离析程度判别的方法根本无法给出矿质混合料的级配组 2 长安大学硕士学位论文 成。如：直观观察法、红外线摄像法、铺砂法、核子密度仪法、探地雷达法等【4 】。 目前，国内外利用数字图像针对集料个体的具体特征进行了一些研究，但这些研究 共同的特点是以具体的集料个体为研究对象，针对矿质混合料在沥青混合料生产现场的 级配组成检测问题并得到没有解决。如： 2 0 0 1 年，美国伊利诺斯州立大学的c h e t a n ab r a o 采用基于3 d 图像的分析技术来 确定粗集料的形状以及尺寸特性，并指出扁平颗粒、细长颗粒以及针片状颗粒含量、棱 角性、集料级配是最为关键的集料特征，建立了集料分析系统( u i a i a ) ，设定了集料 图像获取集料的空间信息，研究了图像分析技术进而应用此系统开发了集料特征的测定 方法以获取扁平、细长、针片状颗粒，提出了棱角性的形态学指标，从而提供了一种自 动确定粗集料尺寸和形状特征的方法【6 j 。 2 0 0 2 年美国路易斯安那州立大学的t o n g y a np a n 研究了集料图像的获取及处理原 则，对2 5 0 0 个集料颗粒的形态学指标进行了测定，对筛孔尺寸与集料颗粒的尺寸进行 了比较分析，对同类型不同粒径以及不同类型的集料棱角性进行了分析，并应用v i s u a l b a s i c 编程工具对细集料的图像处理系统进行了代码实现。 2 0 0 2 年美国德克萨斯州立大学的h y o u n g k w a l lk i m 对集料的尺寸、形状、棱角性以 及纹理等关键特征作了描述，并指出它们是影响集料强度、耐久性以及适用性的重要影 响因素，应用基于激光的集料扫描系统( l a s s ) 研究了3 d 图像获取技术，开发了集料 颗粒分割与测量算法，应用基于小波变换的多分辨率分析技术建立了集料特征的3 d 描 述子，而后进行了一系列验证测试1 7 1 。 2 0 0 4 年德克萨斯州立大学与美国联邦公路局和德克萨斯交通局合作开发了集料图 像系统。德克萨斯州立大学的t a l e bm u s t a f aa lr o u s a n 对集料的形状、棱角性以及纹理 对集料强度和性能的影响作了描述，应用梯度方法和小波变换方法对集料的棱角性以及 纹理分别进行了量化，并对a i m s 进行了改进，对应用a i m s 处理的结果与传统测试结 果进行了比较分析，进一步提出了基于集料特征分布的新的集料分类方法学 8 】。 美国h o r i b a 公司的c a m s i z e r 数字图像处理颗粒尺寸与形状分析器是一个为模拟 颗粒分布于颗粒形状测量的紧凑的实验室设备，提供了对粒径在3 0i ii n 到3 0 m m 的干 燥、易流动的多数颗粒材料及粉末的颗粒尺寸与形状的快速准确分析。这一仪器主要应 用于实验室，距离工程应用还有待进一步研究。 国内方面，基于当前沥青混合料的设计和生产现状，通过对s u p e rp a v e 沥青混合料 体积组成设计特征存在的问题进行研究分析，华南理工大学的张肖宁教授提出了一种基 第一章绪论 于数字图像处理的沥青混合料体积组成特性分析方法【9 l 。 哈尔滨工业大学的李智，根据沥青混合料的自身特点探索了有效的图像处理技术， 包括沥青混合料图像的获取、初步分析、增强处理、颗粒分析等技术，在此基础上提出 利用参数颗粒主轴方向评价压实后的混合料结构稳定状态，并用实验的方法验证了采用 数字图像处理技术评价沥青混合料组成结构的可行性【1 0 】。 以上对基于图像的集料特征的自动检测技术的研究，提出了不少集料颗粒的形态学 特征，并应用所开发的图像处理系统对集料的形态学特征进行了测定，但其都是在特定 的前提下，针对特定的集料的特定特征进行检测。有的仅针对粗集料，有的仅针对细集 料；有的仅针对集料形状特征进行检测，有的仅对棱角性进行检测，都没有涉及对集料 的粒径分布的检测，而这也是反映集料级配质量的一个重要指标。有些研究仅仅是将图 像处理技术作为一种验证手段，而对数字图像处理技术并没有结合集料及混合料的检测 进行深入的研究。除此以外，其检测精度也有待进一步提高。而且所有的检测方法及技 术全部局限于实验室的环境内，无法在真正的意义上在沥青混合料的生产现场针对集料 级配的质量进行检测并针对检测结果进行干预和控制。所以，研究一种能够在沥青混合 料生产现场中对集料级配的质量进行快速检测的方法对于提高沥青混合料的质量、沥青 路面的性能尤为重要。 1 3 集料级配实时检测的作用和意义 实时检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对 象的有关信息而实时地对一些参量进行定性检查和定量测型1 1 】。通常是指在生产、实验 等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。 对工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、监测，对确保安全 生产、保证产品质量、提高产品合格率、降低能源和原材料消耗、提高企业的劳动生产 率和经济效益是必不可少的。 对集料特征进行精确、客观、量化的检测和测定以及提高给定结构材料的性能都具 有重要的意义。如具有良好棱角以及粗糙纹理的集料更易于互相嵌挤形成骨架结构，提 高沥青混合料的力学性能。然而过去对集料的检测大多依靠人工检测方法，对于检测人 员的要求较高，且检测结果因检测人员的主观因素差异性较大。 因此，在沥青混合料的生产过程中，需要对集料级配进行在线实时检测，从而可以 依据设计级配对供料量进行精确控制，使得生产级配不至于偏离设计级太远。 4 长安大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 1 4 1 论文主要研究内容 在数字图像处理技术日趋成熟的大背景下，本课题利用该技术实现了集料级配实时 检测的一种方法。本文主要研究内容如下： 一、根据对施工现场的实地考察，针对不同环境情况的分析，本文阐述了集料级配 实时检测系统的整体系统架构设计，包括图像获取系统设计，# l - j j n 光源部分设计，去阴 影方法设计，集料分离设计等。 二、集料级配实时检测系统采集软件功能实现。图像实时采集模块，图像单张保存 模块，图像多张连续保存模块，停止采集模块，服务器和客户端模块等。 1 4 2 论文组织结构 本文章节安排如下： 第一章：介绍论文的背景和实际意义，国内外发展情况，并对集料级配实时检测的 重要性进行阐述。 第二章：根据集料级配实时检测系统结构设计要求，通过比较各设计方案的优缺点， 分析各系统装置的适用领域，最后确定系统硬件装置方案。 第三章：根据系统设计中遇到的图像阴影问题，通过不同方法改造系统装置，解决 设计过程中遇到的阴影问题，最终确定系统装置方案。 第四章：利用第二章和第三章得出的结论，与传统的集料级配实时检测方法进行比 较，提出论文的系统方案，并对各部分功能进行说明，同时阐述实现步骤。 第五章：详细说明了实现图像采集功能的三种方案，并根据图像采集软件的使用情 况，采用不同的方法实现图像采集功能，从而提高集料级配实时检测系统软件的性能和 效率。 第六章：详细说明了集料级配实时检测系统软件的功能模块，同时，介绍了模块的 功能和实现方法。 1 5 本章小结 本章叙述了“集料级配实时检测系统研究设计 的背景和意义，对其国内外研究现 状及发展动态进行分析，同时，强调了实时检测的作用和实际意义，最后说明了本文的 主要内容和组织结构。 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 2 1 集料级配实时检测采集系统相机的选定 2 1 1 集料级配实时检测系统选用面阵相机方案 l 、面阵相机介绍： 所谓c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，即为电荷耦合器件，是一种半导体非平衡态器 件，具有光电转换、存贮、自扫描转移、输出功能，能够把光学信号转化为数字信号l l 2 1 。 面阵c c d 的结构相对复杂，由大量光敏区域排列成一个方阵，并按照一定形式连 接成一个器件。通过面阵相机采集到的图像即为二维图像信息，可以将一幅完整的图像 直观的测量出来。即利用面阵相机内c c d 芯片的矩形阵面感光区域，进行面扫描，从 而实现对被测物体的整体成像i l3 1 。集料级配实时检测系统应用的面阵相机如图2 1 所示。 图2 1 面阵相机实物图 2 、面阵相机的应用领域： 面阵c c d 作为一种目前常用的图像传感器，由于面阵c c d 性能不断提高，其制造 成本不断降低，使面阵c c d 在工业生产领域的广泛应用成为可能。面阵c c d 能够同时 获取基片两个方向的信息，获取到的图像信息量较大，为基片的基本尺寸及偏差分析提 供了足够的信息，为像素细分以达到要求的检测精度打下良好的基础。目前计算机应用 6 长安大学硕上学位论文 技术已经达到很高的成熟程度，高性能的处理器可以使大量数据的图像处理在瞬时完 成，这样可以在短时间内完成规定测量精度要求。 3 、面阵相机在集料级配实时检测系统中的不足： 集料级配实时检测系统选用面阵相机的型号为b a s l e rp i o n e e rp i a l 0 0 0 4 8 9 m 。利用 此类型面阵相机和大功率直流l e d 光源组合方式获取集料图像信息，在光源亮度足够 好的情况下，集料图像的效果比较理想。然而在实际生产过程中，日光的强弱变化将导 致光源亮度的不稳定性，即外界的光线变化直接影响到集料图像获取的效果。 其次，由于采集的集料处于下落运动状态，所以要获取动态的图像信息，面阵相机 并不能很好的发挥自身的优势。同时，也不能够使面阵相机各性能达到最优的效果。综 上所述，在满足集料级配实时采集系统要求的同时，欲得到更好的集料图像信息，通过 使用线阵相机进行实验来对比效果。 2 1 2 集料级配实时检测系统选用线阵相机方案 线阵c c d 是一种新型的半导体成像器件，是在大规模集成电路工艺基础上研制而 成的m o s 型集成电路芯片，对它施加特定的时序脉冲时，其存储的电荷就能够在线阵 c c d 内作定向的传输而实现自扫描。随着半导体技术的迅猛发展，其技术研究取得了 惊人的进步【1 5 l 。 l 、线阵相机应用领域： 第一、线阵相机测量的视野区域为细长的带状，要求待测的目标物体特征分布在直 线上，例如，适用于本集料级配实时检测系统应用现场的传送带上的集料检测问题。第 二、线阵相机测量需要一定的视野或精度。在这种情况下，就需要用激发装置多次激发 相机，进行连续多次拍照，可以对其图像的每一行进行处理，再将拍下的多幅“条 形 图像，合并成一张完整的图像。此外，在使用线阵型相机时，必须用可以支持线阵型相 机的图像采集卡。综上所述，线阵c c d 在产品尺寸测量和分类、条形码、非接触尺寸 测量等许多领域应用广泛【1 6 l 。集料级配实时检测系统使用的线阵相机为a t m e la v i i v a s m 2 。该型号线阵相机实物图和内部结构示意图分别如图2 2 ，2 3 所示： 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 图2 2 线阵相机实物图 v 图2 3 线阵相机内部结构示意图 2 、线阵相机特点： 线阵相机结构简单，成本较低，获取的图像虽然也是二维的，但是表现为细长的图 像，长度可以达到几k 的大小，而宽度却只有几个像素而已。线阵相机能够实现高分辨 率和高扫描频率，测量的精确度可以达到微米级，是由于其传感器只有一行感光元素， 同时其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以 做的相对较大【1 4 1 。 2 1 3 集料级配实时检测系统面阵相机和线阵相机的比较 l 、从帧数的角度分析，线阵c c d 的像元总数虽然少于面阵c c d ，但是线阵c c d 的一维像元数远远大于面阵c c d ，所以线阵c c d 的帧数相对较高，像元的尺寸更具灵 活性【1 7 1 。 2 、从内部结构角度分析，线阵c c d 具有位置反馈和扫描机构等环节，其中扫描机 构中的扫描方向坐标是由高精度的光栅提供的，因此，在扫描方向上，线阵c c d 获取 到的图像精度更高【1 剐。 囵 长安大学硕士学位论文 综上所述，线阵c c d 在获取动态图像方面的应用比较广泛，其具有的图像高分辨 率和大视场等优点是其他c c d 不能代替的。通过不同方案的实验效果分析，对线阵相 机和面阵相机进行比较，同时针对集料级配实时检测系统要求而言，线阵相机有一定的 适用性和合理性。首先，从线阵相机和面阵相机的适用领域来看，线阵相机对运动物体 的图像获取效果比较理想，与实际生产中的集料下落运动情况相符，能够将线阵相机的 优势充分的发挥出来。其次，与面阵相机和大功率直流l e d 光源组合的方案相比，线 阵相机和红外激光光源组合的图像获取装置更具稳定性和高效性。根据对线阵相机的光 谱响应曲线和面阵相机的光谱响应曲线的比较，同时本集料级配实时采集系统使用的是 红外激光光源，并且红外线波长6 7 0 1 1 0 0 n m 之间，可以得出，线阵相机和红外激光光 源组合的图像获取装置的方案更适合应用于本课题。此方案不仅解决了图像获取过程中 图像质量的问题，而且利用红外激光光源可以实现光照亮度不受外界自然光干扰。 2 2 集料级配实时检测采集系统光源的选定 2 2 1 集料级配实时检测系统选用l e d 光源方案 l e d ( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ) 照明，即是发光二极管照明，是一种半导体固体发 光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出 过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、蓝、绿、青、紫、白色等颜色的光1 9 】。 大功率直流l e d 光源在应用中有其自身的优点：使用寿命长，如果我们按照正常 情况下使用，其寿命可以在2 0 年以上；省电、降低使用成本，l e d 一般使用直流电， 用低电压带来高光效能；利于环保，根据l e d 光源的发光原理，不难发现，它不用浪 费太多热能，不会产生有毒气体，不易损坏，是一种环保产品；环境适应能力佳，l e d 只要在温度- 4 0 - 8 5 ，湿度小于6 5 的情况下都可以正常安全的使用，适合在各种 条件的环境使用，应用广泛【2 0 1 。 在利用大功率直流l e d 光源的实验中，需要的光照区域在一定的范围内，对此类 光源提供的光照区域存在一定程度的浪费。同时，为了得到效果比较好的光照亮度，可 以增加l e d 光源的数量，但是并不能增加光照距离，与此同时，产生热量的释放也是 要考虑的一个重要问题。考虑到生产现场的实际应用，日光的照射对大功率直流l e d 光源也会有一定的影响。 集料级配实时采集系统应用的大功率直流l e d 光源( 1 5 0 w ，4 0 l u x ) 如图2 4 所 示： 9 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 图2 4 大功率直流l e d 光源实物图 2 2 2 集料级配实时检测系统选用红外激光器方案 自然光对集料图像的采集的干扰比较大，容易造成采集的集料数字图像含有噪声， 灰度不均匀。图2 5 和图2 6 分别为线阵相机的光谱响应曲线和面阵相机的光谱响应曲 线，而红外线波长6 7 0 - - - - 1 1 0 0 n m 之间，且为不可见光【2 3 1 ，不难得出，红外激光器很容 易达到线阵相机的感光需要，本集料级配实时检测系统采用红外激光光源，能保证全天 候获得良好的光照效果，也可以消除自然光对图像质量的干扰。同时也可以设计出相应 的配套方案，因此使用红外激光器作为光照光源具有可行性。红外激光光源实物图如图 2 7 所示。 图2 5 线阵相机的光谱响应曲线 1 0 长安人学硕： 二学位论文 厂一 ， ， 7 、 ， | 3 0 04 0 05 0 0 6 0 07 0 08 0 0 9 0 0 1 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 6 面阵相机的光谱响应曲线 图2 7 红外激光光源实物图 为了保证红外激光光源能够达到良好的效果，本集料级配实时检测系统在红外激光 器的前端加上滤光片。即能够衰减光的强度、改变光谱成分的光学元件，亦可衰减光强 度，改变光谱成分或限定振动面的光学零件。例如，红色滤光片就是只让红光通过的一 种滤光片，它是在塑料片或者玻璃片的基础上，加入了某种特殊的染料制造而成的，由 于染料的作用，使得分子结构发生特殊的变化，折射率也随之产生改变，进而达到让某 些色光通过的目的。红外激光器形成的夜视光斑如图2 8 所示。 5 惦蚰 强 s 辐 侣伯 o o o 0 o o 0 o o o o goit山芒霉6。l】墨 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 图2 8 红外激光器夜视光斑 因此，根据滤光片的性质，在本集料级配实时检测系统中，将红外激光器的前端安 装一个红外滤光片，就是为了进一步改善红外激光器的光照性能。使光照效果满足线阵 相机感光要求，保证图像获取的光照环境达到实际操作的要求。 2 3 集料级配实时检测采集系统背景的选定 2 3 1 集料级配实时检测系统选用普通光滑面作为背景方案 使用该背景的初步设想是，首先，光滑面对集料的下落状态影响比较小。其次，光 滑面的反光效果好，能够保证光源的亮度被充分利用。 然而，在实际试验过程中，采集到的图像不是很理想，图像呈现出的只有面积比较 大的反光部分。经过分析，由于光滑面的设计方案存在比较严重的镜面反射的问题。镜 面反射是光照区域亮度非常大，从而不能很好的显示下落集料的图像信息。因此，后续 实验考虑使用能消除镜面反射的物体为背景。 2 3 2 集料级配实时检测系统选用白色作为背景颜色方案 该方案实验过程中，利用白布作为背景模拟白色背景，使用白布可以解决上述的镜 面反射造成的影响，可以实现漫反射的基本要求。由于白色背景和下落集料的颜色对比 明显，采集到的图像比较清晰，集料图像的质量比较理想，能够清晰的观察到集料图像 轮廓，效果图如图2 9 所示。由于光源照射面积较大，集料下落过程中必然会在背景上 留下阴影。此时，白色背景和集料的阴影也存在明显的颜色对比，这样给后续的图像处 理增加一定的复杂度。为了保证后续图像处理软件部分的效率，本集料级配实时检测系 统中采用其他颜色作为背景。 1 2 长安大学硕：t 学位论文 图2 9 白色背景效果图 2 3 3 集料级配实时检测系统选用黑色作为背景颜色方案 由于在利用白布作为背景的方案中，能够比较好的解决镜面反射的问题，因此，在 该方案中，使用黑布作为模拟背景。相对以白色为背景的方案，虽然黑色背景和下落集 料的颜色对比不是十分明显，采集到的图像信息中，依然能够比较好的实现背景和下落 集料的区分。与其它方案不同的是，该种方案中，背景颜色比下落集料的颜色更暗，但 图像的效果比较理想，能够满足实际的要求。 通过实验，分析获取的图像信息，可以发现，该方案不仅解决了镜面反射的问题， 而且也在很大程度上消除了阴影对图像效果的影响。因为以黑色作为背景能将阴影部分 有效的“吸收 ，效果图如图2 1 0 所示。这样，在保证图像质量满足实际需要的同时， 为下一步图像处理工作打下了良好的基础，从而提高集料级配实时检测系统设计研究软 件实现工作的效率。 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 图2 1 0 黑色背景效果图 2 4 集料级配实时检测采集系统图像采集卡的选定 图像采集卡( i m a g ec a p t u r ec a r d ) ，又可称为图像捕捉卡，是一种可以获取数字化 视频图像信息，并将其存储和播放出来的硬件设备【2 1 1 。其功能是将图像信号采集到电脑 中，以数据文件的形式保存在计算机硬盘上，它是进行图像处理必不可少的硬件设备吲。 图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。由于图像信号具有很高的传输 速度，普通的传输接口达不到这样的速度要求，只有使用图像采集卡才能实现图像信号 的传输【2 4 1 。 根据生产现场的实际情况，并且通过实验效果分析，集料级配实时检测系统中使用 的图像采集卡为m a t r o xs o l i o sc a m e r a l i n k 图像采集卡，实物图如图2 1 1 所示。 量吵 图2 1 l 图像采集卡实物图 1 4 长安大学硕士学位论文 2 5 集料级配实时检测图像获取装置整体方案的选定 2 5 1 集料级配实时检测系统采用l e d 光源和面阵相机组合方案 l 、直射式光源方案 所谓直射式光源方案，即将相机和光源放置在背景的同一侧，利用背景反射光给相 机提供所需要的光照亮度。直射式光源方案结构设计图和实物图如图2 1 2 和图2 1 3 所 示。该方案的采集设备和传送机械设备存在一定的距离，相对可以避免机械设备震动产 生的影响。 网定芷絮 f 落的啦 缀传芘带 图2 1 2 直射式光源方案结构设计图 1 5 第二章集料级配实时检测系统硬件装置选择方案 图2 1 3 直射式光源方案结构实物图 利用直射式光源方案，采集到的下落集料图像信息效果图如图2 1 4 所示。 图2 1 4 直射式光源方案图像效果图 通过对图像效果图的分析，直射式光照集料图像中体现的集料图像信息细节比较丰 富、具体，直观效果比较好，但图像对比度比较差，集料在下落过程中没有充分分离， 不易区分单个集料的特征，给后续的集料图像处理的过程带来一定的难度。 2 、背摄式光源方案 所谓背摄式光源方案，即将相机和光源放置在背景的两侧，利用从背景透过的光给 1 6 长安人学硕1 ：学位论文 相机提供必要的亮度，背摄式光源方案结构原理图如图2 1 5 所示。由于相机和光源在不 同的位置上，给相机和光源的调节过程带来一定的难度，同时，当传送带正常运行的时 候，光源所在的问题不免存在一定的震动。 图2 1 5 背摄式光源结构示意图 利用背射式光源方案，通过实验得到的下落集料图像效果图如图2 1 6 所示。 图2 1 6 背射式光源方案图像效果图 从得到的图像分析，利用背摄式光源进行图像获取，得到的图像黑白分明，下落集 料图像和背景的对比度比较好，应用直射式光源方案时存在的阴影问题，能得到部分改 善。针对图像处理工作来说，此方案能改善图像的效果，更利于图像分析，石料粒径检 1 7 第二章集科级配实时检测系统硬件装置选择方案 测。但是，该方案中仍然存在不易区分单个集料信息的问题，因此，该方案有待进一步 的提高。 3 、应用直射式光源和背摄式光源的对比分析： 背摄式光源方案相对于直射式光源方案来说，在实验效果上有一定的改善。在实验 室环境中，方案实施效果能够在一定程度上满足后续工作的要求。但是，这两种光源照 射方案对环境要求比较高，如果将此类方案应用于实际生产现场，那么还需要对方案做 进一步改善，从而提高适用性。 此类方案欲在施工现场的应用，首先，设法改善现场的光照情况，从生产现场采集 到的图像中，可以发现，现场图像边缘清晰、但图像灰度偏暗，因此，设法在石料下落 面后加可漫反射的白色背景，提高相机摄入的光通量，从而提高图像质量。如果利用外 加的光源，为了保证不受外界日光的影响，屏蔽掉外部光源，即在传送带外围加遮光罩。 其次，从生产现场的图像中，集料颗粒下落较为集中，不利于图像分析工作的展开。 可以通过改变集料的下落方式，控制集料的采样流量，使集中下落的集料颗粒尽量分离， 从而改善相机视场内下落集料的采集环境。 大功率直流l e d 光源和面阵相机组合方案中，通过对面阵相机采集的图像进行分 析，图像比较清晰，颗粒的轮廓清楚。光源能够满足黑夜条件下的光照，在仅靠光源的 实验中，图像清晰可见。对光源的调整，亦可利用相机自身的增益和曝光时间控制。但 图像质量不能在现场各种光照条件下保持恒定。 2 5 2 集料级配实时检测系统采用红外激光器和线阵相机组合方案 大功率直流l e d 光源和面阵相机组合方案得到的图像效果比较理想，在实验环境 下，基本上满足各项要求，但是，将此方案应用到生产现场还有一定的困难。所以，本 集料级配实时检测系统设计研究设计了红外激光器和线阵数字相机组合方案来提高系 统的实用功能。 首先，红外激光光源可以作为光源使用，可以从根本上改善日光对光源光照的干扰。 如果前段加上特定波长的滤镜，那么可以做到成像质量恒定，不受外界光源影响，可以 不用加遮光罩。在降低生产设备的改造难度的同时，依然能够达到集料级配实时检测系 统的要求。 其次，根据线阵相机的光谱响应曲线，线阵相机对8 0 8 n m 附近波段的响应灵敏度比 较理想，成像效果较好，更利于对集料图像进行下一步处理。可见，红外激光器和线阵 1 8 长安大学硕：i 二学位论文 数字相机组合方案，能够充分发挥各系统装置的优势，提高系统装置的使用效率，最大 程度上使相机和光源处于最佳的工作状态。 再次，如果采用线阵相机，从生产现场的情况考虑，要想延长距离，需要加装专用 光纤模块，系统成本会略有上升。但是，相对大功率直流l e d 光源和面阵相机组合方 案，本方案仍具有自身的优势，是一个效率高，效果理想，适用性强的方案。 综上所述，集料级配实时检测系统硬件包括线阵相机，红外激光光源，漫反射背景 等装置，硬件整体实物图如图4 2 所示，采集效果图如图2 1 7 所示。 2 6 本章小结 图2 1 7 采用红外激光器和线阵相机组合方案效果图 本章介绍了集料级配实时检测系统需要的各装置，通过反复的实验，设计出不同的 方案进行效果分析，对比后得出最佳方案，从而确定采集系统所需的相机、光源等装置。 1 9 第三章集料级配实时检测系统的图像去阴影方法研究 第三章集料级配实时检测系统的图像去阴影方法研究 3 1 集料级配实时检测系统图像去阴影方法整体设计结构 在集料级配实时检测系统设计过程中，下落集料图像信息的阴影是必须重视的问 题，阴影改变了集料图像的颜色和亮度信息，影响采集到的集料图像的效果，阴影边缘 也会导致集料颗粒图像分割划分不准确，甚至出现集料颗粒图像边缘划分错误，从而对 后续的图像处理效率也有一定的影响。所以将集料级配实时检测系统实验中应用的去阴 影的方法加以说明。集料级配实时检测的图像去阴影采集系统设计图如图3 1 所示： 1 2 图3 1 集料级配实时检测图像去阴影采集系统设计图 从设计图中不难发现，利用该装置所采集到的图像由于激光器的光照范围过于广 泛，以及集料下落面与背景板间存在距离，造成采集到的图像中含有下落集料在漫反射 板上所出现的阴影，阴影是由于物体的遮挡形成的，较本来的图像信息都有所改变，其 具有两个特征：第一，阴影区域比非阴影区域具有较低的亮度信息。第二，阴影区域会 长安人学硕一】二学位论文 增加原图像的色度和饱和度信息。从而严重影响了采集到的图像质量。在处理这种图像 时，集料颗粒实体与集料阴影的区分非常困难，同时图像阴影的去除过程会影响图像识 别的效率，从而使原本时间复杂度就很高的图像处理和识别算法很难保证检测的实时 性。 集 车呈页! 童 阴影拿+ 岁粒 阴1 i 集料颞粒 图3 2 白色背景阴影效果图 阴影 ： 妻料颢粒 阴影 图3 3 黑色背景阴影效果图 对上述现有技术存在的缺陷或不足，本文提供了一种用于集料级配实时检测的图像 去阴影采集装置，该装置利用倾斜的挡料板减缓集料下落的速度，并通过设置挡料板上 的透光缝克服采集图像中存在集料的阴影的缺陷，从而获取较高清晰度的图像资料，在 一定程度上满足实时检测需求。 为了解决上述问题，本文设计一种基于数字图像的集料级配实时检测装置，包括线 阵相机2 、防尘机箱3 、红外线激光器4 ，防尘机箱3 位于一级传送带l 的正下方，线阵 相机2 和红外线激光器4 安置在防尘机箱3 内的同一水平高度，线阵相机2 的镜头前 i c m 8 c m 处安装有滤光装置1 2 ，滤光装置1 2 采用带通滤光片1 5 ，线阵相机2 通过数据 线连接到外部计算机6 ，数据连接线上设置有数据线中继装置7 ；防尘机箱3 的后部安 装有散热风扇1 4 。 装置还包括挡料板8 ，挡料板8 安装在一级传送带l 的末端的下方，挡料板8 与一 级传送带1 的垂直距离为2 0 c m ，挡料板8 与一级传送带1 所处平面的夹角为3 0 0 。挡料 板8 的宽度略宽于传送带的宽度，挡料板8 的长度为5 0 c m ；挡料板8 的底端1 5 c m 处有 一道宽度为2 m m 透光缝9 。挡料板8 的下端向防尘机箱3 的反方向倾斜使得挡料板8 2 1 第三章集料级配实时检测系统的图像去阴影方法研究 形成一个斜面；挡料板用来控制集料从挡料板和漫反射背景板之间下落。 挡料板8 的另一边有漫反射板1 0 ；漫反射板1 0 竖直安放并与挡料板8 的下端不接 触，漫反射板1 0 上端安装有漫反射板距离调节杆1 2 ，挡料板8 上端安装有挡料板距离 控制杆1 3 ，漫反射板距离调节杆1 2 、挡料板距离控制杆1 3 均能够伸缩，从而分别带动 漫反射板1 0 和挡料板