CN111272784B - 一种煤和煤矸石的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种煤矸石检测方法，使用X射线发射器，接收器和一个深度相机，对深度相机获得的深度图进行处理获得深度相机可视范围内部分区域的厚度信息，选取若干点，对其厚度信息与利用X射线接收器获得的X射线的强度信息使用最小二乘法进行曲线拟合，根据拟合结果分辨目标物是煤块还是矸石。该方法借助煤矸石的X射线穿透特性来进行煤矸石的分辨，煤矸石的穿透特性与煤矸石的厚度具有一定的函数关系，采用深度相机来获得煤矸石的局部厚度信息，然后将多个目标点的厚度信息与其对应位置X射线的穿透信息相结合来求解目标的能量衰减系数来分辨煤或矸石。

Description

一种煤和煤矸石的检测方法
技术领域
本发明涉及矿石检测领域，具体为一种煤和煤矸石的检测方法。
背景技术
煤矸石是煤生产加工过程中排放的固体废物，是一种含碳量较低、比煤坚硬的岩石。为了提高煤的品质，良好的分辨煤和矸石是一件非常重要的事情。常用的分辨手法有使用视觉的方式，根据煤和矸石表面纹理的不同来分辨，但是易受表面灰尘和光线的影响，导致分辨错误的问题。还有的获取体积和质量来提取密度，以此来分辨，但是在获取体积的过程中需要使用多个深度相机，且计算繁琐，死角较多。有的采用一个X射线探测装置和一个RGB相机，通过RGB相机获得整体高度来计算衰减系数，但是此方法对不规则煤矸石块具有很大的局限性，容易获得错误的厚度信息。
发明内容
针对现有煤和矸石分辨方法容易出现错误以及分辨方法复杂的问题，本发明提供一种煤和煤矸石的检测方法，实现煤和煤矸石的快速准确的分辨。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种煤和煤矸石的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，确定世界坐标系、X射线探测装置坐标系和深度相机的坐标系，X射线探测装置的Z轴与世界坐标系的Z轴平行，深度相机的光轴与世界坐标系的Y轴平行；
步骤2，获取X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系，根据该转换关系和深度相机参数得到X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系的转换关系；
步骤3，根据X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系的位置转换关系，将深度相机获得的深度图转换至X射线探测装置坐标系中，然后获取X射线探测装置在XY平面探测范围内深度图的三维点，组成点集；
步骤4，将点集沿X轴分为多个子集，并获取每个子集中通过深度相机能够获得厚度信息的位置范围；
步骤5，将子集中所有的三维点约束到子集对应区域X坐标的中间值处，计算深度相机可见范围内二维剖面的采样点集，获取目标物在该子集区域X坐标中间值处Z轴方向的厚度；
步骤6，根据X射线接收图获得X射线探测装置坐标系XY平面上每个点对应的X射线强度信息；
步骤7，在深度相机可探测到厚度的坐标范围内随机选择k个坐标点，获得厚度信息和X射线强度信息，计算目标的强度衰减系数，并根据衰减系数进行煤块和煤矸石的判断。
优选的，步骤1中所述，所述世界坐标系的XY平面为传送带的平面，以传送带的运行方向为X轴的方向，Z轴方向垂直于传送带平面向上。
优选的，步骤1中所述X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系如下：
Figure BDA0002434210590000021
Figure BDA0002434210590000022
其中，Px为X射线探测装置坐标系中的一个点，px为Px在X射线接收图上的投影，kx，ky分别是X方向和Y方向上的比例系数。
优选的，步骤2中所述X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系之间的位置转换关系如下：
Px＝Pd+T
其中，P为世界中一个点，Px为P在X射线探测装置坐标系中的位置坐标，Pd为Px在深度相机坐标系中的位置坐标，T为坐标系之间的平移向量。
优选的，步骤3中获取点集的方法具体如下：
将深度相机获得的深度图转换成三维点云图，将三维点云图转换到X射线探测装置坐标系中，剔除X射线探测范围外以及贴近传送带平面的三维点，保留剩下的三维点，组成点集。
优选的，步骤4中厚度信息的获取方法如下：
在每个子集
Figure BDA0002434210590000031
获取
Figure BDA0002434210590000032
和
Figure BDA0002434210590000033
的Y坐标
Figure BDA0002434210590000034
和
Figure BDA0002434210590000035
得到厚度信息在Y轴上的最大范围为
Figure BDA0002434210590000036
其中，
Figure BDA0002434210590000037
和
Figure BDA0002434210590000038
为Z坐标最大和最小的点，
Figure BDA0002434210590000039
和
Figure BDA00024342105900000310
分别为
Figure BDA00024342105900000311
和
Figure BDA00024342105900000312
的Y坐标值。
优选的，步骤5所述的方法具体如下：
首先，将
Figure BDA00024342105900000313
中所有的点约束至X坐标为(2i-1)xmax/(2t)这一列，同时在Z轴上以单位厘米为间隔，在Z轴上的每个单位厘米处通过线性插值法求取每个点的Y的坐标值，得到二维剖面的采样点集；
然后，在每个
Figure BDA00024342105900000314
中，在Y轴上给定一个采样间隔，则Y坐标的取值从小到大可以为0,y1 i,y2 i…yn i，其中
Figure BDA00024342105900000315
对于任意一个
Figure BDA00024342105900000316
统计经约束后的YZ平面内Y坐标小于yj i的点的个数，点的个数即为XY平面上坐标值为((2i-1)xmax/(2t),yj i)处的厚度，即目标物在该点位置的厚度。
优选的，步骤6中所述获得X射线强度信息的方法如下：
令X射线的初始强度为X0,则穿透厚度为h的目标之后的射线的强度XT为
XT＝X0e-uh
其中u随物体的属性不同有不同的取值；
X射线探测图中的亮度信息与X射线探测装置接收到的X射线强度成正比，其系数为Kr，用X(a,b)表示X射线接收图在像素坐标为(a,b)位置的像素值，则通过X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系，获像素坐标所对应的X射线探测装置坐标系中的坐标，同时其X射线强度为KrX(a,b)。
优选的，步骤7中所述煤块和煤矸石的判断的方法如下：
采用最小二乘法计算目标的能量衰减系数，
Figure BDA0002434210590000041
其中X0是X射线的初始强度，XT是由X射线探测装置获得的经衰减的X射线强度，u代表目标物的衰减系数，h代表目标物的厚度；
将衰减函数写成如下形式
Hr＝b
其中
Figure BDA0002434210590000042
b＝[xs1 … xsk]T，thi代表第i个点的厚度值，xsi代表第i个点经衰减后的X射线强度值，
Figure BDA0002434210590000043
其中H和b都是已知量，易得
r＝(HTH)-1HTb
拟合结果u是r向量的第二个元素，将拟合得到的u值与u在目标为煤或煤矸石时的实测值求差并取绝对值，取绝对值小的为目标的分辨结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种煤矸石检测方法，使用X射线发射器，接收器和一个深度相机，通过部分点厚度信息和X射线的能量信息来获得目标的能量衰减系数，计算量小而且不受死角的影响，对多个随机点采用最小二乘法来拟合参数，具有较高的可信度。相对于使用表面特征的方法对灰尘干扰具有较大的鲁棒性，由于煤或矸石的不同位置在X光下的穿透特性是相同的，所以通过深度相机侧视的方法，计算传感器坐标关系，获得能够准确获得厚度的区域，随机采点计算穿透特性，不受环境对煤块或者煤矸石的表面特性的影响。相对于使用RGB相机进行高度获取的方法，该方法能够应对各种不规则的煤或矸石块。相比于对石块进行体积建模的方法，该方法使用简单，而且不受死角的影响。
附图说明
图1为本发明坐标系关系图；
图2为本发明分块示意图；
图3为本发明约束前的点云示意图；
图4为本发明约束后的点云示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种煤和煤矸石的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，确定世界坐标系和X射线探测装置坐标系，并获取X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系。
首先，确定世界坐标系，以传送带所在的平面为XY轴所组成的平面，以传送带的运行方向为X轴的方向，展开右手直角坐标系，Z轴方向垂直于传送带平面向上。
令X射线探测装置沿Z轴的反方向发射X射线，X射线探测装置坐标系中的XY平面与世界坐标系中的XY平面重合，且X轴和Y轴的方向与世界坐标系相同，Z轴方向也为垂直传送带向上，原点为X射线接收图的原点。
具体为，X射线接收图上的点是X射线探测装置坐标系中点的正投影，令Px为X射线探测装置坐标系中的一个点，其在X射线接收图上的投影为px，其为OXY平面上的投影变换，与Px的Z坐标无关。
令Px＝[P1 P2 P3]T，Px沿Z轴在OXY平面上的平行投影为
Figure BDA0002434210590000061
Figure BDA0002434210590000062
令px＝[p1 p2]T，则转换关系如下：
Figure BDA0002434210590000063
其中，
Figure BDA0002434210590000064
kx，ky分别是X方向和Y方向上的比例系数。
选择两个宽度适合高度不同的小棒垂直放置在传送带上的不同位置，保证两个小棒的X坐标和Y坐标不同。测出两个小棒沿X轴的距离cx以及沿Y轴上的距离cy。
取n张同时具有两根短棒的X射线接收图，每一张图将会存在两个明显的点块，每一个点块对应一根短棒。对每个点块的X坐标和Y坐标取均值，以此来获取短棒的位置，第i张图像两个点的横坐标差和纵坐标差分别为
Figure BDA0002434210590000071
和
Figure BDA0002434210590000072
据此可以计算出的kx和ky分别是
Figure BDA0002434210590000073
Figure BDA0002434210590000074
步骤2，根据要求放置深度相机，获得X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系之间的位置转换关系。
令深度相机的光轴方向为世界坐标系Y轴方向，且深度相机坐标系中X轴与Z轴的方向与世界坐标系相同。
具体如图1所示，图中省略了X射线探测装置坐标系，其中OXYZ代表世界坐标系，O′X′Y′Z′为深度相机坐标系，S为深度相机的相平面，其与OXZ平面平行。X射线探测装置的坐标系与世界坐标系不存在旋转关系，仅存在X轴和Y轴上的偏移。
令P为世界中一个点，Px为其在X射线探测装置坐标系中的位置坐标，Pd为其在深度相机坐标系中的位置坐标。则Px与Pd之间转换关系
Px＝Pd+T (4)
其中T＝[t1 t2 t3]T，在三维坐标系中仅仅需要一个点就可以解出T，为了提高结果的准确性，采用多点的平均值。
深度相机的内参数一般是已知的，根据深度相机的内参数以及深度信息可以恢复出深度图中的点在深度相机坐标系中的三维坐标。
令dx和dy分别为从相平面到图像像素点的采样间距，即两个相邻像素点在像平面上的X轴和Y轴上的距离。本例子中相平面与OXZ平面平行，所以将其置为dx和dz。令(u0,v0)为主点的坐标，f为相机焦距，kd为深度图中的像素值与实际深度的比值。
若Pd代表相机坐标系中的点P在其相平面上的一个投影点，其Z坐标为f。其在深度图中的对应点为pd，用Md表示Pd在相机坐标系的坐标，Md＝[X Z f]T。用md表示pd在深度图上的位置坐标，md＝[x z]T。
Figure BDA0002434210590000081
Figure BDA0002434210590000082
为md的齐次形式。为了方便计算，用
Figure BDA0002434210590000083
来表示Pd的坐标信息。
Figure BDA0002434210590000084
Figure BDA0002434210590000085
用D来表示深度图，D(pd)表示点pd的像素值，则点P的深度及其Y坐标的值为PY＝kdD(pd)，点P在相机坐标系下的横坐标PX和纵坐标PZ分别为
PX＝XPY/f (6)
PZ＝ZPY/f (7)
获取n对同时具有两根小棒的X射线探测图和深度图，对于X射线探测图，对每个点块的X坐标和Y坐标取均值，以此获取短棒在X射线探测图中的位置坐标。然后通过X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系(公式1)将其转化到X射线探测装置坐标系。
令每个短棒的位置坐标为其最高点的位置，则其在X射线探测装置坐标系中的Z坐标为短棒的高度。用XW＝[xwx xwy xwz]T表示小棒在X射线探测装置的位置坐标。
对于深度图，图中存在两个平行的类矩形区域，对于每一张深度图的每一个类矩形块，首先将类矩形块中的每个点通过式(5),(6),(7)转化为相机坐标系中的三维点，然后对该区域中的所有点的X坐标，Y坐标和Z坐标分别取均值，获得小棒的中点在相机坐标系的位置坐标。将其Z坐标乘以2获得最高点的位置坐标，用DW＝[dwx dwy dwz]T表示小棒的最高点在深度相机坐标系中的位置坐标。
对n对图像相继执行以上操作后可以获得2n个点对，通过同一张图上的两个小棒的位置差异可以对其进行区分，然后T可以通过如下公式(8)计算
Figure BDA0002434210590000091
步骤3，通过式(5),(6),(7)将深度相机获得的深度图转化为深度相机坐标系中的三维点云图，然后通过式(4)将其转化到X射线探测装置坐标系中。根据X射线接收图的大小以及kx和ky获得X射线探测装置在XY平面上的探测范围[(xmin,ymin),(xmax,ymax)]，显然xmin,＝0，ymin＝0。并在转换过程中将超出X射线探测范围外以及贴近传送带平面的三维点剔除，留下剩下的点，组成点集Cp。
步骤4，在X轴上选择合适的间隔t,将Cp划分为xmax/t个区域，每个区域为Cp的一个子集，用
Figure BDA0002434210590000092
表示，i∈[1,t]，如图2所示。
图3是
Figure BDA0002434210590000093
中未处理前的点的位置。在每一个
Figure BDA0002434210590000094
中，找到其中Z坐标最大和最小的点
Figure BDA0002434210590000095
和
Figure BDA0002434210590000096
步骤5，获取每个子集
Figure BDA0002434210590000097
中通过深度相机可获得厚度信息的位置范围。
为了获取厚度，必须同时观测到相同深度下的最高点和最低点，在每个子集
Figure BDA0002434210590000098
获取
Figure BDA0002434210590000099
和
Figure BDA00024342105900000910
的Y坐标
Figure BDA00024342105900000911
和
Figure BDA00024342105900000912
则可观测到厚度信息在Y轴上的最大范围为
Figure BDA00024342105900000913
简单起见，令Y的最小值
Figure BDA00024342105900000914
即可以获得Y轴上
Figure BDA00024342105900000915
范围内的厚度。
步骤6，将
Figure BDA0002434210590000101
中所有的点约束到该区域X坐标范围的中间值处，即X坐标为(2i-1)xmax/(2t)这一列，同时在Z轴上以单位厘米为间隔，在Z轴上的每个单位厘米处通过线性插值法求取每个点的Y的坐标值，结果如图4所示。此时在每一个
Figure BDA0002434210590000102
中，X坐标固定，Z坐标具有相同的单位间隔，实际上得到为一个深度相机可见范围内的一个二维剖面的采样点集，即为图4中XZ平面上的投影。
步骤7，在每个
Figure BDA0002434210590000103
中，在Y轴上给定一个采样间隔，则Y坐标的取值从小到大可以为0,y1 i,y2 i…yn i。其中
Figure BDA0002434210590000104
对于任意一个
Figure BDA0002434210590000105
统计经约束后的YZ平面内Y坐标小于yj i的点的个数，点的个数即为XY平面上坐标值为((2i-1)xmax/(2t),yj i)处的厚度，即目标物在该点处沿Z轴上的厚度。
步骤8，对所有的区域统一处理，则可以得到深度相机可视区域内的部分点厚度。对结果进行双边滤波，来滤除部分奇异点。
步骤9，根据X射线接收图获得X射线探测装置坐标系XY平面上每个点对应的X射线能量信息。
X射线的强度随着待穿透物体的厚度呈指数衰减。令X射线的初始强度为X0,则穿透厚度为h的目标之后的射线的强度XT为
XT＝X0e-uh (9)
其中u随物体的属性不同有不同的取值。
X射线探测图中的亮度信息与X射线探测装置接收到的X射线强度成正比，其系数为Kr一般是已知的，用X(a,b)表示X射线接收图在像素坐标为(a,b)位置的像素值，则通过公式(1)可以获得其所对应的X射线探测器中的坐标，同时其X射线强度为KrX(a,b)。
步骤10，在可探测到厚度的坐标范围内随机选择k个坐标点，获得每个坐标点处的厚度信息thm和X射线强度信息xsm，m∈[1,k]。采用最小二乘法计算目标的能量衰减系数。并根据衰减系数进行判断煤块和煤矸石。
对式(9)取对数可得
Figure BDA0002434210590000111
将衰减函数写成如下形式
Hr＝b
其中
Figure BDA0002434210590000112
b＝[xs1 … xsk]T，thi代表第i个点的厚度值，xsi代表第i个点经衰减后的X射线强度值。
Figure BDA0002434210590000113
其中H和b都是已知量，易得
r＝(HTH)-1HTb
拟合结果u是r向量的第二个元素，将经拟合得到的u值与u的在目标为煤或矸石时的实测值求差并取绝对值，取绝对值小的为目标的分辨结果。
本发明提供的一种煤矸石检测方法，按照要求固定深度相机，获得深度相机坐标系和X射线探测装置坐标系之间的位置关系。对深度相机获得的深度图进行处理获得深度相机可视范围内部分区域的厚度信息。选取若干点，对其厚度信息与利用X射线接收器获得的X射线的强度信息使用最小二乘法进行曲线拟合，根据拟合结果分辨目标物是煤块还是矸石。该方法借助煤矸石的X射线穿透特性来进行煤矸石的分辨。煤矸石的穿透特性与煤矸石的厚度具有一定的函数关系，采用深度相机来获得煤矸石的局部厚度信息，然后将多个目标点的厚度信息与其对应位置X射线的穿透信息相结合来求解目标的能量衰减系数来分辨煤或矸石。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定世界坐标系、X射线探测装置坐标系和深度相机的坐标系，X射线探测装置的Z轴与世界坐标系的Z轴平行，深度相机的光轴与世界坐标系的Y轴平行；
步骤2，获取X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系，根据该转换关系和深度相机参数得到X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系的转换关系；
步骤3，根据X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系的位置转换关系，将深度相机获得的深度图转换至X射线探测装置坐标系中，然后获取X射线探测装置在XY平面探测范围内深度图的三维点，组成点集Cp；
步骤4，将点集沿X轴分为多个子集，并获取每个子集中通过深度相机能够获得厚度信息的位置范围；
步骤5，将子集
Figure FDA0002999984200000011
中所有的三维点约束到子集对应区域X坐标的中间值处，计算深度相机可见范围内二维剖面的采样点集，获取目标物在该子集区域X坐标中间值处Z轴方向的厚度；
将
Figure FDA0002999984200000012
中所有的点约束至X坐标为(2i-1)xmax/(2t)这一列，同时在Z轴上以单位厘米为间隔，在Z轴上的每个单位厘米处通过线性插值法求取每个点的Y的坐标值，得到二维剖面的采样点集；
然后，在每个
Figure FDA0002999984200000013
中，在Y轴上给定一个采样间隔，则Y坐标的取值从小到大可以为0，y1 i，y2 i…yn i，其中
Figure FDA0002999984200000014
对于任意一个yj i，统计经约束后的YZ平面内Y坐标小于yj i的点的个数，点的个数即为XY平面上坐标值为((2i-1)xmax/(2t)，yj i)处的厚度，即目标物在该点位置的厚度；
对所有的区域统一处理，则可以得到深度相机可视区域内的部分点厚度，对结果进行双边滤波，来滤除部分奇异点；
步骤6，根据X射线接收图获得X射线探测装置坐标系XY平面上每个点对应的X射线强度信息；
令X射线的初始强度为X0，则穿透厚度为h的目标之后的射线的强度XT为
XT＝X0e-uh
其中u随物体的属性不同有不同的取值；
X射线探测图中的亮度信息与X射线探测装置接收到的X射线强度成正比，其系数为Kr，用X(a，b)表示X射线接收图在像素坐标为(a，b)位置的像素值，则通过X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系，获像素坐标所对应的X射线探测装置坐标系中的坐标，同时其X射线强度为KrX(a，b)；
步骤7，在深度相机可探测到厚度的坐标范围内随机选择k个坐标点，获得厚度信息和X射线强度信息，计算目标的强度衰减系数，并根据衰减系数进行煤块和煤矸石的判断；
采用最小二乘法计算目标的能量衰减系数，
Figure FDA0002999984200000021
其中X0是X射线的初始强度，XT是由X射线探测装置获得的经衰减的X射线强度，u代表目标物的衰减系数，h代表目标物的厚度；
将衰减函数写成如下形式
Hr＝b
其中
Figure FDA0002999984200000031
b＝[xs1 … xsk]T，thi代表第i个点的厚度值，xsi代表第i个点经衰减后的X射线强度值，
Figure FDA0002999984200000032
其中H和b都是已知量，易得
r＝(HTH)-1HTb
拟合结果u是r向量的第二个元素，将拟合得到的u值与u在目标为煤或煤矸石时的实测值求差并取绝对值，取绝对值小的为目标的分辨结果。
2.根据权利要求1所述的一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，步骤1中所述世界坐标系的XY平面为传送带的平面，以传送带的运行方向为X轴的方向，Z轴方向垂直于传送带平面向上。
3.根据权利要求1所述的一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，步骤1中所述X射线接收图的图像坐标系与X射线探测装置坐标系的转换关系如下：
Figure FDA0002999984200000033
Figure FDA0002999984200000034
其中，Px为X射线探测装置坐标系中的一个点，px为Px在X射线接收图上的投影，kx，ky分别是X方向和Y方向上的比例系数。
4.根据权利要求3所述的一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，步骤2中所述X射线探测装置坐标系和深度相机坐标系之间的位置转换关系如下：
Px＝Pd+T
其中，P为世界坐标系中一个点，Px为P在X射线探测装置坐标系中的位置坐标，Pd为Px在深度相机坐标系中的位置坐标，T为坐标系之间的平移向量。
5.根据权利要求4所述的一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，步骤3中获取点集的方法具体如下：
将深度相机获得的深度图转换成三维点云图，将三维点云图转换到X射线探测装置坐标系中，剔除X射线探测范围外以及贴近传送带平面的三维点，保留剩下的三维点，组成点集。
6.根据权利要求5所述的一种煤和煤矸石的检测方法，其特征在于，步骤4中厚度信息的获取方法如下：
在每个子集
Figure FDA0002999984200000041
获取
Figure FDA0002999984200000042
和
Figure FDA0002999984200000043
的Y坐标
Figure FDA0002999984200000044
和
Figure FDA0002999984200000045
得到厚度信息在Y轴上的最大范围为
Figure FDA0002999984200000046
其中，
Figure FDA0002999984200000047
和
Figure FDA0002999984200000048
为Z坐标最大和最小的点，
Figure FDA0002999984200000049
和
Figure FDA00029999842000000410
分别为
Figure FDA00029999842000000411
和
Figure FDA00029999842000000412
的Y坐标值。
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