专利名称：一种皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学检测仪器技术领域，特别涉及一种皮棉杂质的双光源透反射成像 检测装置和相应技术。
背景技术：
棉花在采摘、晾晒和运输过程中会混入诸如化纤丝、头发丝、麻丝和塑料丝等异性 材料(俗称“三丝”)，杂质的存在会在后续的印染等工序中导致疵点等问题，降低棉花的品 级，对纺织行业造成较大的损失，因此棉花中杂质的分拣非常重要。目前中国对棉花中杂质 的剔除主要靠人工分拣，该方法劳动强度大，效率低下，满足不了现代企业的竞争需求。因 此，研究一种高效的棉花杂质实时检测装置具有很大的实际意义和应用价值。为有效检测棉花杂质，各国做了大量的研究。目前工业上主要采用CXD相机成像 法。如瑞士的 JOSSI 公司(DE29719245)，德国的 TRUETZSCHLER 公司(DE29622931)，中国的 大连贵友机电有限公司(CN2632101)，清华大学(CN101403703)等都有相关专利公开。CXD 相机成像法是通过CCD相机在线采集运动中棉花的图像，经过图像处理算法识别杂质，然 后喷除含有杂质的棉花。该方法最为关键的技术是图像采集和处理技术，主要的影响因素 为CCD相机、照明光源以及图像处理算法。目前工业上主要采用高速彩色CCD相机结合白 色光源检测技术。该方法的主要原理是利用皮棉和有色杂质成像特征差异，在某种色彩空 间有效地将这两者区分。这类方法可以有效地检测棉层表面和浅层的有色杂质，对于和棉 花颜色类似的白色杂质，如白色丙纶丝、白色塑料薄膜等检测效果不理想。近几年，科研工作者拓展了检测棉花杂质的光谱范围，利用棉花和杂质在X-ray、 近红外和中远红外的吸收和反射光谱差异检测杂质。然而这些方法所使用的设备比较昂 贵，限制了在工业检测中的应用。研究发现大部分白色杂质，如纸张和一些白色塑料薄膜、 白色编织袋等均含有增白剂，具有较强的荧光效应。当紫外光照射这些杂质时，在它们表面 会释放荧光(可见光范围内)。皮棉的荧光效应较弱，成像结果几乎全黑，增加了杂质和皮 棉的图像特征差异。因此，紫外激发荧光成像法可以用来检测大部分白色杂质。但是，紫外 激发荧光法并不能检测有色杂质。为同时检测系统中的有色和白色杂质，需要结合白光成 像和紫外激发荧光成像两种方法。专利CN200979531同时点亮白光和紫外光光源，由于白 光对紫外激发产生的荧光有很强的干扰，同时点亮紫外和白光光源可用来检测有色杂质， 但仍难以检测白色杂质。专利CN2928882考虑到白光对紫外激发荧光的干扰，只单独使用 紫外光源或白光光源。因此，该装置不能同时检测出有色和白色杂质。普通灯管不能在短时间内亮灭切换，因此只能利用光隔离的方法在空间上避免白 光对紫外激发荧光的干扰。专利CN101246128和CN2890101使用隔板将白光光源和紫外 光光源隔离起来，然后使用一套成像装置分别采集白光光源和紫外光光源照射下的成像结^ ο由于棉道是不断运动的，皮棉的状态也是不平整的，因此隔离机构不可能完全密 封，白光仍会对紫外激发荧光产生干扰。此外，上述专利CN101246128和CN2890101使用了两套CXD成像装置，成本较高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种皮棉杂质的双光源透反射 成像检测装置。本装置不但结构简单，成本低，效果显著，可提高皮棉杂质中有色和白色杂 质的的检测效率，还具有较强的通用性。 本发明提出的一种皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置，包括皮棉传输机构， 安装在皮棉传输平面两侧的两套检测机构，每套检测机构由一块透射光源、两块反射光源、 一组CCD相机阵列及与该CCD相机阵列相连的系统电路组成；该两套检测机构中的器件左 右相反设置，形成对皮棉的双面检测区域；每套检测机构的一块透射光源与皮棉传输平面 平行放置在皮棉传输平面的一侧，两块反射光源与皮棉传输平面呈一角度相对放置在皮棉 传输平面的另一侧；CCD相机阵列安装在两块反射光源之间与透射光源相面对；所述透射 光源和反射光源为含有白光和紫外光的双光谱光源；所述CCD相机阵列与系统电路相连； 系统电路与透射光源及反射光源相连，该系统电路输出光源驱动时序信号控制透射光源和 反射光源的交替开启和关闭。本发明技术特点和有益效果1、本发明装置的成像方式为同时透射和反射成像，光源为白光LED阵列和特定光 谱波段的紫外光LED阵列组成的组合光源。通过短时间内切换两种LED阵列光源，得到皮 棉和杂质在两种光谱光源的成像特征，提高了皮棉和多种杂质的成像差异，为后续图像处 理提供了很大便利。本发明只需要一套成像检测装置就可以得到白光和紫外激发荧光两种 成像结果，可同时检测皮棉中的有色和白色杂质，结构简单，大大节约系统成本。2、本发明中白光成像结果中有色杂质和皮棉特征差异明显，紫外激发荧光成像结 果中白色杂质和皮棉特征差异明显。本发明提出的双光源透反射成像检测装置可以有效地 采集白光和紫外光透反射光源照射下的成像结果，提高皮棉杂质的检测效率。棉层正反面 均使用透射和反射光源照射成像，可提高整体检测能力。针对普通荧光灯管响应慢、寿命短 等缺点，本发明的照明光源选用高速响应高寿命的LED光源。LED的启动时间为ns量级，可 快速点亮和熄灭。LED的使用寿命一般都在50000小时以上。3、本发明不仅可以有效提取有色杂质，还可以提取大部分白色杂质，特别是含有 荧光增白剂的化学纤维。本发明具有较强的通用性，本发明不仅可以应用在皮棉杂质的检 测，适当改进传输机构后可以应用在其它种类纤维(如羊毛纤维、麻纤维等)中杂质检测， 烟草(包括烟丝)中杂质检测，茶叶中杂质检测，谷物(包括大米、小麦)以及面粉中杂质 检测，咖啡豆、可可豆以及粉末中杂质的检测，肉食中杂质检测等等。
图1为皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置实施例结构示意图；图2为本发明实施例中组合光源安装示意图；图3为本发明实施例中白光和紫外光LED的发光光谱；图4为本发明实施例中系统电路框图；图5为本发明实施例中白光和紫外光图像处理方法流程框图6为本发明实施例中图像采集处理和时序控制示意图。
具体实施例方式为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图及实施例作进一步描述。图1为皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置实施例结构示意图，该装置包括安 装在壳体100内的由进棉口 5，罗拉6，出棉口 1组成的皮棉传输机构；由透射光源2，反射光 源4，CCD面阵相机阵列3，以及安装在电气控制柜200内的系统电路201组成的检测机构。所述的皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置的最上端为进棉口 5，进棉口下端 连接有第一组罗拉6，该罗拉下方依次间隔地装有第二、三组罗拉，第三组罗拉下方连接有 出棉口 1，三组罗拉等距排列，三组罗拉之间分别用皮带轮相连接，实现同步转动；在第一 组罗拉和第二组罗拉之间区域，以及第二组罗拉和第三组罗拉之间区域分别安装有一套检 测机构，该两套检测机构中的器件左右相反设置，形成对皮棉的双面(正反面)检测区域。 每套检测机构中的光源由一块透射光源2和两块反射光源4组成，该检测机构中的两块反 射光源4安装在罗拉的一侧，一块透射光源2安装在罗拉的另一侧，由多个CCD相机纵向排 列组成的CXD相机阵列3安装在两块反射光源4之间与透射光源2相面对；两块反射光源 与皮棉传输平面呈一角度(例如30-60度)相对放置，以使从皮棉反射回的光能被CCD相 机阵列接收到，同时也使与CCD相机阵列相面对放置的透射光源透过皮棉的光能被CCD相 机阵列接收到。所述的系统电路201安装在壳体100外部独立的电气控制柜200中。CCD 相机阵列3的视频输出通过视频线20引出，与系统电路201的视频输入口 2011相连。系 统电路201的光源驱动输出口 2012与透射光源及反射光源通过电缆21相连，系统电路201 输出的光源驱动时序信号控制透射光源2和反射光源4中白光和紫外光源的交替开启和关 闭。本发明中罗拉之间的间隔形成被测皮棉101的传输通道，罗拉6之间的间隔略小 于被测皮棉的厚度，保证能对进入该组罗拉的被测皮棉起到夹持作用，本实施例中，被测皮 棉厚度在10-30mm之间(蓬松状态)，罗拉的间隔为5mm。三组罗拉等距排列，两组罗拉之 间的间距为250mm。本发明采用正、反双面检测棉层，第一组罗拉和第二组罗拉之间为正面检测区域， 第二组罗拉和第三组罗拉之间为反面检测区域，正、反面检测区域各有一套检测机构(即 一套检测机构的CCD相机阵列3处于皮棉的正面；另一套检测机构CCD相机阵列3处于皮 棉的反面)，每套检测机构中的透射光源2置于皮棉的一侧且与皮棉传输平面平行；本实施 例中反射光源4置于皮棉的另一侧且与皮棉传输平面呈45度相对放置，并以检测区域中 间位置为分界面上下对称放置；C⑶相机阵列3位于反射光源一侧，安装在两块反射光源之 间。对于透射光源，由于正对CXD相机阵列3安置，当视场范围内没有被测皮棉的情况下， 透射光源即为图像背景，为提高检测效果本实施例在透射光源2的正面安装均光板8，对透 射光源进行均光，消除透射光源光管形状的影响。并且在均光板正面粘帖8255型透明细磨 砂玻璃纸7，消除反射光源光管在透射光源均光板上的投影对图像背景产生的影响。透射和 反射光源均为含有白光LED和紫外光LED阵列的组合光源9，组合光源9的白光和紫外光 LED采用等间隔方式安装在底板10上。为了提高检测效率，通过系统电路201的光源驱动 时序信号切换组合光源9含有的两种发光光谱的LED阵列，短时间内分别采集白光和紫外光LED阵列光源照射下的图像。本实施例中，检测面幅为1. 2m,单个面阵CCD相机(TK-C1481BEC，Japan)的视场 大小设置为IOOmmX 75mm，单面采用12个面阵CXD相机组成CXD相机阵列3。本发明通过测试实际混入皮棉的白色样品的荧光光谱，得到350-390nm波段是检 测白色杂质的最优光谱波段(370nm附近最佳)。只要紫外光源的发射光谱和该最优波段 有交集，就可以达到比较好的检测效果。但是紫外光成像结果中有色杂质和皮棉差异很小。 白光是宽光谱光源，包括所有有色杂质的最优检测光谱波段。因此，为同时检测有色和白色 杂质，需要综合两种光源的成像结果。本发明的实验结果表明，光学成像法检测皮棉杂质需要使用透射光源平衡成像背 景，透射光源光强的选择对检测效果有重要影响。当透射光源的光强比反射光源的光强较 强时，成像结果中杂质和皮棉的特征差异更明显。但增加透射光源光强会增加图像灰度的 方差，影响成像质量。因此若取得较好的成像质量，需要根据现场情况进行调整，一般透反 射光强比应在1 1到10 1的范围之内，最好在1 1到5 1之间。本实施例中选择 透反射光强比为2 1。组合光源9包括普通白光LED阵列91和中心波长为385nm的紫外光LED阵列92 组合而成。白光LED阵列91用来检测有色杂质，紫外光LED阵列92用来检测含有荧光增 白剂的白色杂质，白光LED阵列91和紫外光LED阵列92间隔有序排列。图2给出了一种组合光源9的典型安装方式。组合光源9由白光LED阵列91和 紫外光LED阵列92组成。由于紫外激发的荧光比较微弱，而白光反射光的光强较强，所以 紫外光LED的数量比白光LED要多一些。紫外光LED和白光LED数量之比并不唯一，若取 得较好的成像质量，需要根据现场情况进行调整，一般组合光源中紫外光LED和白光LED的 数量之比应在1 1到10 1的范围之内，最好在1 1到5 1之间。本实施例中，紫 外光LED和白光LED阵列的数量之比为10 3。子单元90包括10个紫外光LED和3个白 光LED，组合光源9为子单元90的不断重复。图3(a)和图3(b)分别为白光LED和紫外光LED的发光光谱。白光LED的发射光谱 较宽，紫外光LED的中心波长为385nm。本发明的紫外光LED的中心波长要求在350-390nm 之间。白光LED阵列91的成像结果中，有色杂质(如黑色头发丝和红色丙纶丝)特征明显； 紫外光LED阵列92的成像结果中，白色杂质(如白色编织丝、白色丙纶丝和白色碎纸片) 特征明显。综合两种成像结果，可以有效识别有色和白色杂质。本发明研究得到，白光对紫外激发荧光成像有较大干扰，同时点亮两种光源对于 有色杂质的检测尚可接受，但是对于白色杂质的检测并不理想，实际使用时需要避免白光 对紫外激发荧光的干扰。本发明提出的双光源透反射成像检测装置，可在短时刻内快速切 换两种光谱的LED阵列光源，在时间上避免了白光对荧光成像的干扰，既能满足生产要求， 又比较经济。本发明选择LED阵列作为成像光源。LED的启动时间为ns量级，通过时序控 制，可以在短时间内实现两种光谱LED阵列光源的切换。此外，LED的使用寿命较长，一般 都在50000小时以上。图4是本实施例中系统电路201的结构框图。本实施例的系统电路由图像采集处 理和时序控制电路，及光源驱动电路组成。图像采集处理和时序控制电路与光源驱动电路 通过电缆相连。光源驱动电路直接与白光、紫外光光源通过电缆相连。图像采集处理和时序控制电路用于采集皮棉原始图像并产生切换双光谱LED阵列光源的控制指令，光源驱动 电路通过光耦接收控制指令后，驱动LED阵列光源。 本实施例的图像采集处理和时序控制电路包括视频输入口，视频解码模块(采用 芯片TVP5150)，核心处理器(采用芯片TMS320DM642)及固化在其中的图像处理程序，存储 器模块(包括2片32MB的SDRAM芯片MT48LC8M32B2和IM的FLASH芯片AN29LV800)，视 频编码模块(采用芯片SAA7121)，电源模块(采用芯片TPS54310产生1. 4V的核心电压和 3. 3V的I/O电压，采用芯片TPS79518产生1. 8V的视频电压)和匹配电路(由总线开关组 成，采用芯片74CBT3245)组成；该核心处理器分别与视频解码模块、存储器模块、视频编码 模块、电源模块和匹配电路相连；视频输入口与视频编码模块相连；该图像处理程序用于 别处理白光和紫外光成像结果，然后将两种结果合并在一起作为系统检测结果。本实施例的光源驱动电路包括与图像采集处理和时序控制电路的匹配电路相连 的两个光耦(采用芯片PS2501)，分别与两个光耦相连的两个达林顿管(采用芯片TIP142) 和同时与两个达林顿管相连的光源驱动输出口，白光和紫外光光源各对应一套光耦和达林 顿管。本实施例的图像采集处理和时序控制电路和光源驱动电路的工作原理为面 阵CXD相机采集到的视频信号通过视频输入口被送入视频解码芯片TVP5150进行解码处 理，得到的数字视频信号在同步信号的控制下送入核心处理器TMS320DM642的视频口。 TMS320DM642芯片的视频口可以在同步信号的配合下，自动以EDMA方式保存视频数据。通 过固化在核心处理器中的图像处理程序对保存的视频数据进行处理，提取出杂质特征，再 经过视频编码芯片SAA7121编码后送出显示。同时，TMS320DM642芯片通过IO 口产生切换 LED阵列光源的控制指令，经过光耦PS2501后，达林顿管TIP142产生开启和关闭白光或紫 外光LED阵列所对应的驱动电流，通过光源驱动输出口发送给透射和反射光源。为提取皮棉中的有色和白色杂质，需要融合白光和紫外光成像结果。图5为本发 明实施例中白光和紫外光图像处理方法；包括以下步骤1)分别对白光图像和紫外光图像进行图像分割由于白光成像结果背景比较复 杂，首先对其进行二维小波变换，分成高频和低频分量；高频分量含有更多的杂质信息，对 其进行图像分割处理得到白光图像处理结果；紫外激发荧光成像结果背景简单，可以直接 进行图像分割处理得到紫外光图像处理结果；图像处理的色彩空间可以选择灰度空间，也 可以选择其它色彩空间；2)将两幅图像处理得到的结果合并在一起，经过连通域算法，滤除图像中的噪声 干扰；3)对滤除噪声后的图像从形态学角度(被检对象骨架的长度和长宽比)判断是否 属于杂质，得到最终的杂质检测结果。上述包含的具体方法及根据该方法编制的流程均为本领域常规技术。 本发明的系统电路对图像采集处理和时序控制如图6所示，图中箭头所示为皮棉 运动方向。在不同时刻T0-T3，系统电路201只对同一区域采样。因为皮棉是不断运动的， 采集到的每帧图像都不相同。31-33分别为T1-T3时刻系统电路201采集CXD相机的图像， 单个CXD相机采集的图像大小设置为IOOmmX75mm。系统电路201输出的时序信号控制透 射光源2和反射光源4中白光和紫外光源的交替开启和关闭。本实施例的时序流程如下
(I)TO时刻关闭所有光源，初始化系统，所有操作在Tl时刻之前完成；(2) Tl时刻，打开透射光源2和反射光源4的白光LED阵列91。系统电路201采集CXD相机阵列3白光图像31并处理，所有操作在T2时刻之前完成；(3) T2时刻，关闭白光LED阵列91，打开透射光源2和反射光源4的紫外光LED阵 列92。系统电路201采集CXD相机阵列3紫外光图像32并处理，所有操作在T3时刻之前 完成；(4)T3时刻，转到流程2，此时采集的图像为33，如此循环下去。本实施例中，图像采集为PAL制式，每隔40ms产生一个中断。以该中断为时间基 准，白光和紫外光图像采集和处理时间在4个周期(160ms)内完成。因此图像采集和光源 的时序控制中的Tl和T2，以及T2和T3的时间间隔均为160ms。Tl和T3时刻使用的光源 均为白光LED阵列91，为避免产生图像采集死区。采集的图像31和33重叠宽度d应不少 于 IOmm0紫外光LED —般会发射蓝紫色光谱，该光谱对成像质量会产生一定影响。为提高 检测质量，本发明在上述实施例的结构的基础上，可以在CCD相机阵列前添加滤光片，来除 去蓝紫色光谱的影响。滤光片的截止波长一般宜选择为420-450nm之间，既避免紫外光LED 发射的蓝紫色光谱的干扰，又避免对所激发出的荧光光谱的产生干扰。此外，还可以在透射光源2和反射光源4前添加偏振片，在CXD相机阵列3前添加 检偏片。透过透明杂质的光会发生干涉，使得透明杂质表面呈现彩色。利用显色偏振原理 可以检测透明皮棉杂质。以进一步提高检测质量。
权利要求
一种皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置，包括皮棉传输机构，安装在皮棉传输平面两侧的两套检测机构，每套检测机构由一块透射光源、两块反射光源、一组CCD相机阵列及与该CCD相机阵列相连的系统电路组成；该两套检测机构中的器件左右相反设置，形成对皮棉的双面检测区域；每套检测机构的一块透射光源与皮棉传输平面平行放置在皮棉传输平面的一侧，两块反射光源与皮棉传输平面呈一角度相对放置在皮棉传输平面的另一侧；CCD相机阵列安装在两块反射光源之间与透射光源相面对；所述透射和反射光源为含有白光和紫外光的双光谱光源；所述CCD相机阵列与系统电路相连；系统电路与透射光源及反射光源相连，该系统电路输出光源驱动时序信号控制白光和紫外光源的交替开启和关闭。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双光谱光源为含有白光LED和紫外光 LED阵列的组合光源，该紫外光LED包含350-390nm波段的紫外光。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述组合光源中紫外光LED阵列的数量与白 光LED阵列的数量之比为1 1到10 1的范围之内。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透射光源的光强与反射光源的光强之 比为1 1到10 1的范围之内。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透射光源的正面安装均光板，对透射光 源进行均光，并且在均光板正面粘帖透明细磨砂玻璃纸，以消除反射光源在透射光源均光 板上的投影对图像背景产生的影响。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述系统电路由图像采集处理和时序控制 电路，及光源驱动电路组成；该图像采集处理和时序控制电路包括核心处理器，分别与该核 心处理器相连的视频解码模块、存储器模块、视频编码模块、电源模块和匹配电路；与视频 编码模块相连的视频输入口，以及固化在核心处理器中的图像处理程序，该图像处理程序 用于处理白光和紫外光成像结果，然后将两种结果合并在一起作为系统检测结果。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在所述CCD相机阵列前添加滤光片。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在所述透射光源和反射光源前添加 偏振片，在CCD相机阵列前添加检偏片。
全文摘要
本发明涉及一种皮棉杂质的双光源透反射成像检测装置，属于光学检测仪器技术领域；包括皮棉传输机构，安装在皮棉传输平面两侧的两套检测机构，每套检测机构由一块透射光源、两块反射光源、一组CCD相机阵列及与该CCD相机阵列相连的系统电路组成；每套检测机构的一块透射光源与皮棉传输平面平行放置在皮棉传输平面的一侧，两块反射光源与皮棉传输平面呈一角度相对放置在皮棉传输平面的另一侧；CCD相机阵列安装在两块反射光源之间与透射光源相面对；所述透射和反射光源为含有白光和紫外光的双光谱光源；本装置不但结构简单，成本低，效果显著，可提高皮棉杂质中有色和白色杂质的的检测效率，还具有较强的通用性。
文档编号G01N21/89GK101806751SQ201010116870
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者丁天怀, 周飞, 彭波, 瞿鑫 申请人:清华大学