CN109682445B - 基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，包括以下步骤：(1)摄像头对输送带及输送带支撑装置进行实时监控，通过摄像头获取视频单帧图像，并将图像传送到图像处理装置，进而识别图像中选定的输送带支撑装置并计算输送带支撑装置的形变量；(2)根据相对输送量计算函数，以及输送带支撑装置的形变量，确定此时输送带运载的物料的相对输送量。本发明通过单目摄像头监控检测支撑装置的形变量以及对形变量与相对输送量的转换关系建模，实现了通过视频监控完成带式输送机的输送量的测量，节约了时间，提高了效率，测量精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种物料输送量的测量方法，尤其是涉及一种基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法。
背景技术
输送带，皮带输送机在农业、工矿企业和交通运输业中广泛用于输送各种固体块状和粉料状物料或成件物品，输送带能连续化、高效率、大倾角运输，输送带操作安全，输送带使用简便，维修容易，运费低廉，并能缩短运输距离，降低工程造价，节省人力物力。
但是目前对于输送带物料的输送，一般都是在输送前或输送后进行测重，直接在输送带上进行测重难以实现，通过摄像头配合计算机对物料的图像进行采集时，就会因为光线以及物料颜色产生误差，不能准确测量物料重量。
发明内容
本发明提供了一种基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，解决了根据视频监控分析带式输送机的物料输送量测量的问题，其技术方案如下所述：
一种基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，包括以下步骤：
(1)摄像头对输送带及输送带支撑装置进行实时监控，通过摄像头获取视频单帧图像，并将图像传送到图像处理装置，进而识别图像中选定的输送带支撑装置并计算输送带支撑装置的形变量；
(3)根据相对输送量计算函数，以及输送带支撑装置的形变量，确定此时输送带运载的物料的相对输送量。
进一步的，步骤(1)中，摄像头的视场能够完全覆盖输送带和输送带支撑装置区域，且摄像头中线位于输送带的纵向中心线上。
进一步的，步骤(2)中的相对输送量计算函数R为
R＝(x-Min)/(Max-Min)
其中，x是输送带支撑装置的形变量，输送带在空载和满载时的形变量分别为Min和Max。
其中，Min和Max的数值确定步骤包括：
1)通过摄像头获取视频单帧图像，并将图像传送到图像处理装置，进而识别图像中选定的输送带支撑装置并计算输送带支撑装置的形变量，保存当前帧的形变量；
2)在一段较长时间T内，依次获取摄像头每帧图像，计算输送带支撑装置的形变量x并保存，直至输送带稳定地经过从空载到满载等不同输送量情形；
3)计算该摄像头对应的输送带支撑装置形变量的统计分布，根据统计分布确定Min和Max的值，并根据统计分布估计形变量与相对输送量的转换函数；
4)输出相对输送量计算函数。
进一步的，步骤3)中，将形变量统计分布的0.5％分位数和99.5％分位数作为Min和Max的值。
此外，物料重量和输送带支撑装置的形变量的关系根据胡克定律为如下公式：
F＝k·x
F是物料重量，k是劲度系数，x是输送带支撑装置的形变量。
根据相对输送量计算函数R、劲度系数k，以及当前输送带支撑装置的形变量，能够确定此时输送带运载的物料的相对输送量。
进一步的，输送带运行达到一定时间后，输送带支撑装置出现塑性变形并导致输送带在空载情况下的形变量偏高，需要对Min值进行修正，包括以下步骤：
1)在训练阶段，当输送带处在停止状态且空载时，通过随机抽样方法提取N张包含输送带区域的灰度图作为训练数据集，并提取训练数据集图像的LBP纹理特征；
2)在测试阶段，当输送带停止时，提取当前视频的帧图像输送带区域的LBP纹理特征，计算该纹理特征与训练集纹理特征的卡方距离，比较距离最小值与设定阈值的大小，若该距离小于阈值，则更新Min为当前帧的形变量。
其中，输送带支撑装置包括托辊和支架。
所述基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法通过单目摄像头监控检测支撑装置的形变量以及对形变量与相对输送量的转换关系建模，实现了通过视频监控完成带式输送机的输送量的测量，节约了时间，提高了效率，测量精确。
附图说明
图1是本发明利用到的输送监控装置；
图2是本发明的估计支撑装置形变量与相对输送量的转换函数的步骤示意图；
图3是本发明求得输送带当前时刻、当前观测位置的相对输送量的步骤示意图；
图4是对Min进行校正的步骤流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明在输送带1的正上方安装一个摄像头4，摄像头对输送带及输送带支撑装置的托辊2和支架3进行实时监控，并通过光纤6将视频信号传输到图像处理装置进行分析处理，图像处理装置采用计算机5。摄像头4的视场能够完全覆盖输送带和支撑装置区域，且摄像头中线位于输送带1的纵向中心线上。输送带支撑装置在本文也简称支撑装置。
本发明基于单目视觉的输送带瞬时相对输送量测量方法，包括三个方面。
一、估计支撑装置形变量与相对输送量的转换函数
本发明方法的重点是检测支撑装置的形变量以及对形变量与相对输送量的转换关系建模。支撑装置与输送带相连，受物料重量的影响会发生肉眼难以观察到的弹性形变，根据胡克定律，支撑装置的弹性形变可用如下公式表示：
F＝k·x
F是物料重量，k是劲度系数，x是形变量。固定摄像头通过连续长时间监控可以记录支撑装置的微小形变，通过计算机视觉技术可以检测到该形变量大小。
假定输送带在空载和满载时的形变量分别为Min和Max，则可通过如下公式计算输送带当前时刻、当前观测位置的相对输送量R：
R＝(x-Min)/(Max-Min)
其中，形变量Min和Max通过基于统计的方法建模得到，具体将在后续内容进行介绍。
通过计算机视觉技术检测支撑装置形变量的过程如下所述：确定检测目标，提取图像特征，特征匹配和目标定位，计算形变量。
本方法采用边缘检测算法提取图像特征，采用模板匹配算法进行特征匹配和目标定位。定位到目标后，将当前目标与皮带中心位置的像素坐标的绝对差作为支撑装置的当前形变量x。
边缘检测(Edge Detection)用于提取图像低层次边缘特征，是图像处理、计算机视觉应用的基础，常用边缘检测算子包括Canny算子、Sobel算子等。
模板匹配(template matching)是一种在图像中寻找与给定图像模板相匹配的子图像的技术，是图像处理中最基本、最常用的匹配方法。
基于以上计算形变量的方法，参照图2所示流程可求得形变量与相对输送量转换函数R。具体步骤为：在一段较长时间T内，依次获取摄像头每帧图像，计算形变量x并保存，直至输送带稳定地经过从空载到满载等不同输送量情形。计算保存的形变量的统计分布，根据统计分布确定Min和Max的值。由于上述支撑装置形变量的检测过程可能出现误差，保存的形变量的最大和最小值可能是异常值，因此本方法将形变量统计分布的0.5％分位数和99.5％分位数作为Min和Max的估计值。由此可确定相对输送量的计算函数R。
二、根据相对输送量的计算函数R计算相对输送量
根据上述弹性形变公式和相对输送量计算公式可知，物料重量F和R与形变量x均为线性关系，因此F和R也具有线性关系，R的大小可较好的反映物料重量大小。
参照图3，在已知相对输送量计算函数后，通过上面所述方法计算每帧图像的形变量，根据相对输送量计算公式可求得输送带当前时刻、当前观测位置的相对输送量R。
三、相对输送量计算函数的校正
输送带运行达到一定时间后，支撑装置可能出现一定程度的塑性变形，导致输送带在空载情况下的形变量偏高，需对Min进行校正。参照图4，校正过程分类两个阶段：
1、在训练阶段，当输送带处在停止状态且空载时，通过随机抽样方法提取N张包含输送带区域的灰度图作为训练数据集，并提取训练数据集图像的LBP纹理特征。
2、在测试阶段，当输送带停止时，提取当前视频图像输送带区域的LBP纹理特征，计算该纹理特征与训练集纹理特征的卡方距离，比较距离最小值与设定阈值的大小，若该距离小于阈值，则更新Min为当前帧的形变量。
LBP(Local Binary Pattern，局部二值模式)是一种用来描述图像局部纹理特征的算子；它具有旋转不变性和灰度不变性等显著的优点。用于纹理特征提取。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何使用单目计算机视觉技术识别支撑装置形变测量输送量的方法都应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，包括以下步骤：
(1)摄像头对输送带及输送带支撑装置进行实时监控，通过摄像头获取视频单帧图像，并将图像传送到图像处理装置，进而识别图像中选定的输送带支撑装置并计算输送带支撑装置的形变量；
(2)根据相对输送量计算函数，以及输送带支撑装置的形变量，确定此时输送带运载的物料的相对输送量；
所述相对输送量计算函数R为：
R＝(x–Min)/(Max–Min)
其中，x是输送带支撑装置的形变量，输送带在空载和满载时的形变量分别为Min和Max；
所述Min和Max的数值确定步骤包括：
1)通过摄像头获取视频单帧图像，并将图像传送到图像处理装置，进而识别图像中选定的输送带支撑装置并计算输送带支撑装置的形变量，保存当前帧的形变量；
2)在一段较长时间T内，依次获取摄像头每帧图像，计算输送带支撑装置的形变量x并保存，直至输送带稳定地经过从空载到满载不同输送量情形；
3)计算该摄像头对应的输送带支撑装置形变量的统计分布，根据统计分布确定Min和Max的值，并根据统计分布估计形变量与相对输送量的转换函数；
4)输出相对输送量计算函数；
输送带运行达到一定时间后，输送带支撑装置出现塑性变形并导致输送带在空载情况下的形变量偏高，需要对Min值进行修正，包括以下步骤：
S1：在训练阶段，当输送带处在停止状态且空载时，通过随机抽样方法提取N张包含输送带区域的灰度图作为训练数据集，并提取训练数据集图像的LBP纹理特征；
S2：在测试阶段，当输送带停止时，提取当前视频的帧图像输送带区域的LBP纹理特征，计算该纹理特征与训练集纹理特征的卡方距离，比较距离最小值与设定阈值的大小，若该距离小于阈值，则更新Min为当前帧的形变量。
2.根据权利要求1所述的基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，其特征在于：步骤(1)中，摄像头的视场能够完全覆盖输送带和输送带支撑装置区域，且摄像头中线位于输送带的纵向中心线上。
3.根据权利要求1所述的基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，其特征在于：步骤3)中，将形变量统计分布的0.5％分位数和99.5％分位数作为Min和Max的值。
4.根据权利要求1所述的基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，其特征在于：物料重量和输送带支撑装置的形变量的关系根据胡克定律为如下公式：
F＝k·x
F是物料重量，k是劲度系数，x是输送带支撑装置的形变量。
5.根据权利要求4所述的基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，其特征在于：根据相对输送量计算函数R、劲度系数k，以及当前输送带支撑装置的形变量，能够确定此时输送带运载的物料的相对输送量。
6.根据权利要求1所述的基于视频分析的带式输送机瞬时相对输送量测量方法，其特征在于：输送带支撑装置包括托辊和支架。
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