一种基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法与流程

本发明涉及图像处理以及自动化监测技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法。

背景技术：

在当今科技经济发展的新形势和地方发展的需求下，采矿技术的改革必须面向经济建设主战场，立足于中国采矿发展战略所必需的技术储备，解决采矿工业中的实际问题。目前采矿业的工作环境大多比较恶劣，高温、高压、多尘等环境极大的影响了工作人员的身体健康，突发的事故会导致大量人员伤亡，给公司带来大量的经济损失。目前，实际生产中主要依靠人工干预的方式，一直守护，手动来剔除运输带中的异样品，对人工的要求较高，特殊情况下需要关停运输带，极大的降低了生产效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法，该方法包括以下步骤：

s1、调节相机参数，包括采集的对比度，相机曝光和增益，实时采集激光线照射在传输带石头上的图像；并记录图像对应的时刻信息，以及传输带固定的运动速度；

s2、采用多线程对采集的图像进行色彩空间模型转换，将rgb颜色空间转换至lab颜色空间；

s3、对转换到lab颜色空间的图像进行通道拉伸变换处理，将l分量拉伸至0至100，a分量拉伸至0至255，b分量拉伸至0至255；

s4、根据激光器发射激光的颜色进行不同处理，激光的颜色包括红、绿、蓝，在通道拉伸变换后的图像上，通过加权系数提取增强通道的结果；

s5、对通道增强处理后的图像，通过模版差分与提取曲率特征，计算激光的中心位置，得到激光的单像素结果图；

s6、对单像素结果图进行投影变换，并去除噪点；

s7、对去噪后的单像素结果图遍历，获取激光线的图像二维坐标(x，y)；

s8、根据步骤s1获取到的图像对应的时刻信息，以及传输带固定的运动速度，计算出帧与帧之间的距离，即为运动方向上的距离；

s9、通过激光线变形规律和运动方向上的距离，将步骤s7中每一个图像二维坐标对应的点(x，y)转换为三维空间坐标(x，y，z)；

s10、根据所有点的三维空间坐标，采用pcl点云库进行三维点云管理，形成三维空间模型；

s11、对三维空间模型中的三维点云，进行空间点云滤波去除杂质；

s12、根据三维空间模型提取石头的高度和面积信息，通过设定的阈值进行比较，判断是否为目标形状的石头，并输出目标石头的坐标信息。

进一步地，本发明的步骤s4中进行通道增强处理的方法为：

根据不同激光颜色，增强通道提取的系数为：m0、m1，且m0+m1＝1；

对通道增强处理后的图像中的一点p(i，j)，对应lab通道的值分别为l、a、b；则处理增强通道结果为：p′(i，j)＝m1*a+m2*b。

进一步地，本发明的步骤s5中进行模板差分处理的方法为：

s51、对通道增强处理后的图像的m列进行模板差分，对该列的像素进行三阶后向差分，采用模版(3，-1，-1，-1)，对于当前点p(i，m)，出发处理的公式为：

s52、对该列上所有的f(i，m)，按i递增的方向形成一维数组fm，即差分曲线；

s53、对差分曲线fm进行曲率变换，找到最大波峰峰值fmax和最大波谷峰值fmin，两点在fm中下标分别为p、q；

s54、激光的中心位置为indexm＝(p+q)/2；

s55、利用每一列的中心位置(indexm，m)组成激光的单像素提取结果图。

进一步地，本发明的步骤s6中进行投影变换的方法为：

s61、对m×n的单像素结果图进行y方向上的投影，计算公式：

其中，f(i，j)表示单像素结果图的第i列第j行；

s62、通过对投影后的灰度值曲线搜索，找到激光线所在区域的左右边界ymin和ymax；

s63、将图像中纵坐标在0～ymin和ymax～n之间区域的灰度值全部置为零，去除噪点。

进一步地，本发明的步骤s7中进行单像素结果图遍历获取图像二维坐标的方法为：

s71、对单像素结果图按列进行遍历，每列最多只有一个不为零的值；

s72、对第i列进行遍历时，记录不为零的值对应的行号为j；

s73、将(i，j)存入数组，继续下一列的遍历，直到将整幅图搜索完毕，则图像二维坐标获取完成。

进一步地，本发明的步骤s8中计算帧与帧之间距离的方法为：

s81、系统采集的上一帧图像的时刻为t0，获取当前帧图像的时刻为t1，传输带轴的固定运动速度为v0；则运动方向上的距离为：δd＝(t1-t0)*v0。

进一步地，本发明的步骤s9中将二维坐标转换为三维空间坐标的方法为：

s91、激光安装与相机成θ角，当前激光线的标定值为hbase，相机的像素解析度为pixel，当前需要转换点的二维坐标为(x0，y0)，转换成功后的坐标为(x，y，z)；

s92、则当前点在运动方向上的坐标为x＝δd；

s93、则当前点的坐标y＝x0；

s94、则当前点的高度z＝((hbase-y0)*pixel)/tanθ；

s95、(x0，y0)转换成功后的坐标为(x，y，z)。

进一步地，本发明的步骤s12中提取石头的高度和面积信息，以及设定阈值进行比较判断的方法为：

s121、设定高度阈值ht，筛选整个点云空间数据，当前点a坐标为(x0，y0，z0)；

s122、若z0大于ht，则将点a的x0，y0存储在深度图m中，对应的灰度值为z0；若z0小于ht，则不做处理；

s123、在深度图m中进行连通域检测，将连通域面积大于阈值st的面积块标记；

s124、将标记好的面积块的中心位置输出，并在三维点云上把对应的点加伪彩显示。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法，能够在传送带高速运转的同时在线实时检测石头面积信息；能够检测高速通过激光线和高速相机的石头的面积信息；本发明专利硬件简单，不需要人工进行操作，非常简便；能够将测量的目标矿石信息实时反馈给目标石头抓取机器，以此实时抓取目标石头，保证生产线的顺利进行；解决了在恶劣环境下人员不能长时间值守的问题；解决了突发事故导致的人员伤亡问题；解决了遇到异样品后，导致后续工序无法继续运行的问题，解决了生产效率低的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例基于激光扫描的传输带石头在线分拣算法的流程图；

图2为本发明实施例相机实时采集的激光成像图；

图3为本发明实施例lab色彩空间转换图；

图4为本发明实施例对图3进行通道拉伸和增强处理结果图；

图5为本发明实施例在图4基础上计算的某列差分曲线图；

图6为本发明实施例在图5基础上激光单像素提取结果；

图7为本发明实施例凸包检测输入图；

图8为在图7基础上检测算法识别目标石头的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法法，包括：激光发射器、工业高速相机、计算机、采集系统支架；相机垂直向下安装，激光与相机安装成β角度；激光照射到传输带表面，相机通过回调实时采集成像结果，通过串口线传输到计算机应用程序；应用采用多线程对数据进行实时处理；对处理结果进行分析比对，在终端输出检测结果。

该方法包括以下步骤：

s1、调节相机参数，提高采集的对比度，降低相机曝光和增益，实时采集激光线照射在传输带石头上的图像；并记录图像对应的时刻信息，以及传输带固定的运动速度；

s2、采用多线程对采集的图像进行色彩空间模型转换，将rgb颜色空间转换至lab颜色空间；

s3、对转换到lab颜色空间的图像进行通道拉伸变换处理，将l分量拉伸至0至100，a分量拉伸至0至255，b分量拉伸至0至255；

s4、根据激光器发射激光的颜色进行不同处理，激光的颜色包括红、绿、蓝，在通道拉伸变换后的图像上，通过加权系数提取增强通道的结果；

步骤s4中进行通道增强处理的方法为：

根据不同激光颜色，增强通道提取的系数为：m0、m1，且m0+m1＝1；

对通道增强处理后的图像中的一点p(i，j)，对应lab通道的值分别为1、a、b；则处理增强通道结果为：p′(i，j)＝m1*a+m2*b。

s5、对通道增强处理后的图像，通过模版差分与提取曲率特征，计算激光的中心位置，得到激光的单像素结果图；

步骤s5中进行模板差分处理的方法为：

s51、对通道增强处理后的图像的m列进行模板差分，对该列的像素进行三阶后向差分，采用模版(3，-1，-1，-1)，对于当前点p(i，m)，出发处理的公式为：

s52、对该列上所有的f(i，m)，按i递增的方向形成一维数组fm，即差分曲线；

s53、对差分曲线fm进行曲率变换，找到最大波峰峰值fmax和最大波谷峰值fmin，两点在fm中下标分别为p、q；

s54、激光的中心位置为indexm＝(p+q)/2；

s55、利用每一列的中心位置(indexm，m)组成激光的单像素提取结果图。

s6、对单像素结果图进行投影变换，去除噪点；

步骤s6中进行投影变换的方法为：

s61、对m×n的单像素结果图进行y方向上的投影，计算公式：

其中，f(i，j)表示单像素结果图的第i列第j行；

s62、通过对投影后的灰度值曲线搜索，找到激光线所在区域的左右边界ymin和ymax；

s63、将图像中纵坐标在0～ymin和ymax～n之间区域的灰度值全部置为零，去除噪点。

s7、对去噪后的单像素结果图遍历，获取激光线的图像二维坐标(x，y)；

步骤s7中进行单像素结果图遍历获取图像二维坐标的方法为：

s71、对单像素结果图按列进行遍历，每列最多只有一个不为零的值；

s72、对第i列进行遍历时，记录不为零的值对应的行号为j；

s73、将(i，j)存入数组，继续下一列的遍历，直到将整幅图搜索完毕，则图像二维坐标获取完成。

s8、根据步骤s1获取到的图像对应的时刻信息，以及传输带固定的运动速度，计算出帧与帧之间的距离，即为运动方向上的距离；

步骤s8中计算帧与帧之间距离的方法为：

s81、系统采集的上一帧图像的时刻为t0，获取当前帧图像的时刻为t1，传输带轴的固定运动速度为v0；则运动方向上的距离为：δd＝(t1-t0)*v0。

s9、通过激光线变形规律和运动方向上的距离，将步骤s7中每一个图像二维坐标对应的点(x，y)转换为三维空间坐标(x，y，z)；

步骤s9中将二维坐标转换为三维空间坐标的方法为：

s91、激光安装与相机成θ角，当前激光线的标定值为hbase，相机的像素解析度为pixel，当前需要转换点的二维坐标为(x0，y0)，转换成功后的坐标为(x，y，z)；

s92、则当前点在运动方向上的坐标为x＝δd；

s93、则当前点的坐标y＝x0；

s94、则当前点的高度z＝((hbase-y0)*pixel)/tanθ；

s95、(x0，y0)转换成功后的坐标为(x，y，z)。

s10、根据所有点的三维空间坐标，采用pcl点云库进行三维点云管理，形成三维空间模型；

s11、对三维空间模型中的三维点云，进行空间点云滤波去除杂质；

s12、根据三维空间模型提取石头的高度和面积信息，通过设定的阈值进行比较，判断是否为目标形状的石头，并输出目标石头的坐标信息。

步骤s12中提取石头的高度和面积信息，以及设定阈值进行比较判断的方法为：

s121、设定高度阈值ht，筛选整个点云空间数据，当前点a坐标为(x0，y0，z0)；

s122、若z0大于ht，则将点a的x0，y0存储在深度图m中，对应的灰度值为z0；若z0小于ht，则不做处理；

s123、在深度图m中进行连通域检测，将连通域面积大于阈值st的面积块标记；

s124、将标记好的面积块的中心位置输出，并在三维点云上把对应的点加伪彩显示。

本发明提出的基于激光扫描的传输带石头在线分拣方法，具有以下优点：

1、能够在传送带高速运转的同时在线实时检测矿石面积信息；

2、能够检测高速通过激光线和高速相机的矿石的面积信息；硬件简单，不需要人工进行操作，非常简便；

3、能够将测量的目标矿石信息实时反馈给目标矿石抓取机器，以此实时抓取目标矿石，保证生产线的顺利进行。

4、解决了在恶劣环境下人员不能长时间值守的问题；

5、解决了突发事故导致的人员伤亡问题；

6、解决了遇到异样品后，导致后续工序无法继续运行的问题，解决了生产效率低的问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。