一种采用多相机成像模块的物料分选设备及方法与流程

本发明涉及一种采用多相机成像模块的物料分选设备及方法。

背景技术：

随着色选机在大米和杂粮分选上的大量应用，中国的色选机行业进入了快速成长期，生产厂家越来越多，品种规格越来越丰富，国产设备所占的份额也逐年增加。随着制造厂家的增多，色选机的功能也越来越全，从最早的单通道机型发展成多通道机型，从原来的灰度分选功能发展成色度分选、色差分选、形选等功能，从可见光识别发展成红外光、紫外光、激光识别等。尤其是最近几年，中国色选机行业发展更为迅猛，已经广泛应用在需要对固体颗粒物料进行色彩选别的加工工业，如粮食、农产品、矿石及塑料品加工工业等。在不合格产品与合格产品因粒度十分接近而无法用筛选设备分离，或者密度基本相同而无法用比重分选设备分离的场合，色选机却能进行有效的分离，其独特作用十分明显。

然而，目前主流的色选机常用的是单成像模块，即在垂直于色选机每一个料槽的前后两侧各放置一个单成像模块（单成像模块处于料槽的中垂线上），前后两个单成像模块分别负责对物料前后两面的信号进行采集。但是这种成像方式存在一些固有缺陷：它只能采集物料前后两面的一部分信号，会存在视觉盲区，从而导致物料的部分信息的丢失。例如，对于球状物料，当用单相机成像模块对其表面信号进行采集时，假设物料表面法线与物料相机连线之间的角度为β，那么当β较小时，即面对着相机的那部分物料表面的分辨率是比较高的，它的成像清晰可靠，当β较大时，即非面对着相机的那部分物料表面的分辨率是比较低的，它的成像比较模糊，当β很大（比如β接近90°）时，分辨率很低，相机已经无法有效识别采集到的信号。因此单相机成像模块只能有效采集球形物料球冠表面内的信号，前后两个单成像模块只能有效采集球状物料前后两个球冠表面内的信号，但这两个球冠表面的面积之和小于整个球表面的面积，这样就会存在一些视觉盲区。同理，色选机中常见的其他的一些颗粒状物料，或多或少都会存在一些视觉盲区。由于这样一些盲区的存在，就会导致一些物料的漏选，比如从正常玉米粒中剔除发霉玉米粒，因为霉点比较小，且霉点可以分布在玉米表面的各个地方，当霉点分布于盲区内时，相机将采集不到霉点信号，从而会被当做正常玉米粒而保留，导致漏选，降低了色选精度。

技术实现要素：

为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种采用多相机成像模块的物料分选设备及方法，通过合理的结构设计解决了现有技术下的物料分选设备的缺陷，分选准确度更高，更加安全可靠。

本发明的技术方案是：一种采用多相机成像模块的物料分选设备，包括依次设置的送料机构、成像系统、剔除装置和用于接收物料的接收装置，所述成像系统包括用于物料流正面图像采集的第一成像系统和用于物料流背面图像采集的第二成像系统，所述第一成像系统设有位于物料运行路径正面方向上的多个相机成像模块，所述第二成像系统设有位于物料运行路径背面方向上的多个相机成像模块，同一成像系统的多个相机成像模块可以平行，也可以不平行设置。

优选的，这种设备还设有照明系统，所述照明系统包括设置于物料运行路径正面方向上的第一照明系统和设置于物料运行路径背面方向上的第二照明系统。

优选的，所述第一照明系统和第二照明系统均采用红外光、紫外光或可见光光源。

优选的，所述送料机构包括送料振动器和设置于所述送料振动器末端的物料输送槽，所述物料输送槽与所述送料振动器存在预设夹角，所述物料输送槽的进料端高于其出料端。

优选的，所述剔除装置为气动执行机构或机械执行机构，所述气动执行机构设有高压高频气动电磁阀。

优选的，所述接收装置包括用于接收合格物料的第一接收装置和用于接收不合格物料的第二接收装置，所述第一接收装置的开口设置于物料的自然落点处，所述第二接收装置的开口设置于所述剔除装置的剔除方向。

优选的，所述相机成像模块包括镜头和设置于所述镜头后方的电路板，所述电路板连接有CCD芯片，所述CCD芯片与所述镜头之间设有间距。

优选的，所述采用多相机成像模块的物料分选设备还设有通讯相连的图像处理系统和控制系统，所述图像处理系统连接所述成像系统，所述控制系统连接所述剔除装置。

相应于上述采用多相机成像模块的物料分选设备，本发明还提供了一种采用多相机成像模块的物料分选方法，技术方案如下：

获取每个相机成像模块采集到的待分选物料的图像信息及红绿蓝 RGB 三种颜色信息；

将所述待分选物料的红绿蓝 RGB 颜色信息转换成色调-饱和度-明度 HSV信息或色调-饱和度-亮度HSL信息；

判断转换得到的待分选物料的色调-饱和度-明度信息中的色调值、饱和度值或明度值或色调-饱和度-亮度信息中的色调值、饱和度值或亮度值是否符合颜色预设条件，如果不符合，则输出剔除信号；

剔除装置接收剔除信号后，将不符合分选条件的物料剔除。

优选的，采用多相机成像模块的物料分选方法中，所述图像信息中各微小面元的计算方法如下：

上式中，R为圆形物料的半径；

μ为镜头到物料中心的垂直距离（物距）；

ν为镜头到CCD面的垂直距离（像距）；

β为镜头与物料中心连线和物料半径的夹角；

为微小面元对物料中心所张的角度；

α为该微小面元与物料半径的夹角。

本发明的有益效果为：

本发明在单相机成像模块的基础上，在单相机成像模块的左侧或右侧增加一个或多个相机成像模块；或者是在单相机成像模块的上方或下方增加一个或多个相机成像模块，甚至更为复杂的，可以在现有的单相机成像模块的上侧或者下侧或者左侧或者右侧加入一个或者多个相机成像模块，从而增大了物料两侧的分辨率和探测范围，使得色选机获取的物料表面信息更加全面，减小了视觉盲区，提高了色选精度。

本发明结构简单，实用方便，能够显著提高物料分选设备的分选效率，相比于传统技术的物料分选设备更加快捷高效。

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明另一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明单个相机成像模块的结构示意图；

图4是本发明的分析原理图；

图5是本发明的一种具体实施方式下的成像分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1-3，本发明提供了一种采用多相机成像模块的物料分选设备，包括沿物料移动方向依次设置的送料机构、成像系统、剔除装置5和用于接收物料的接收装置，所述送料机构包括送料振动器1和设置于所述送料振动器末端的物料输送槽2，所述物料输送槽与所述送料振动器存在预设夹角，使得所述物料输送槽的进料端高于出料端，给待检物料提供一个加速下滑的通道，物料在所述送料振动器的振动下向所述物料输送槽均匀输送，通常所述物料输送槽设有盖板或弹性盖板，使得物料被限制在一个平面内输送，并能够在重力的作用下加速到特定的速度，使得待检物料脱离物料输送槽后形成均匀的且不重叠的物料流；

所述成像系统包括设置于物料运行路径正面方向上的（能够拍摄物料流的正面的）第一成像系统和设置于物料运行路径背面方向上的（能够拍摄物料流的背面的）第二成像系统，所述第一成像系统和第二成像系统均包含多个相机成像模块，同一成像系统的多个相机成像模块平行或不平行设置（例如上下方向上呈品字形设置），所述成像系统用于接受物料表面信息并发送给图像处理系统和控制系统；

所述采用多相机成像模块的物料分选设备还设有照明系统，所述照明系统包括设置于物料运行路径正面方向上的（能够照射物料流正面的）第一照明系统3.1和设置于物料运行路径背面方向上的（能够照射物料流背面的）第二照明系统3.2，两个照明系统分别对准物料的前后看点区域以均匀照亮物料；

所述剔除装置可以采用气动执行机构或机械执行机构，所述气动执行机构设有高压高频气动电磁阀，通过射出气流将不合格物料吹离正常的物料流；所述接收装置包括用于接收合格物料的第一接收装置6.1和用于接收不合格物料的第二接收装置6.2，所述第一接收装置的开口设置于物料的自然落点处，所述第二接收装置的开口设置于所述剔除装置的剔除方向。

所述相机成像模块包括镜头7和设置于所述镜头后方的电路板9，所述电路板连接有CCD芯片8，所述CCD芯片与所述镜头之间设有间距，其中镜头用于接受物料表面信息，并聚焦于所述CCD芯片上，所述CCD芯片和电路板将镜头聚焦过来的物料信息进行光电转化，并传送给图像处理和控制系统。

所述采用多相机成像模块的物料分选设备还设有通讯相连的图像处理系统和控制系统，所述图像处理系统连接所述成像系统，所述控制系统连接所述剔除装置。

如图1所示，作为本发明的一种实施方式，同一成像系统的多个相机成像模块左右平行设置，第一成像系统包括单相机成像模块4.1a和另一个单相机成像模块4.1b，第二成像系统包括在单相机成像模块4.2a和另一个单相机成像模块4.2b，单相机成像模块4.1a、4.1b平行放置，4.2a、4.2b平行放置。

下面具体说明本实施例中在左右水平方向上增加一个相机成像模块从而提高分辨率的原理。

如图4所示，物料处于相机的看点上，假设物料为圆形，其半径为R，镜头与物料中心连线和物料半径的夹角为β，镜头到物料中心的垂直距离为μ（物距），镜头到CCD面的垂直距离为ν（像距）。此时在物料表面上取一个微小的面元AC，该面元对物料中心所张的角度为，该面元与物料半径的夹角为α，在三角形OAB中，应用几何定理可以得到：

因为物料的尺寸一般不大于10mm，而色选机的物像距在几百毫米，物料的尺寸相对于物像距很小，因此物料尺寸可近似理解为一个点，故在考虑色选机的物像放大率时，可认为物距为一常数，物像放大率也是一个常数。因此通过几何关系可以推导出物料上A、B两点的像点位置，从而可以由它们之间的相对关系得到微小面元的像的大小：

参考色选机的具体结构和物料的尺寸，假设物料的半径R=5mm，物距μ=580mm，像距v=55mm，物料表面上所取面元为=1°，将相机摆在以下的两个位置上：一个相机在物料的正前方，此时β=0°；另一个相机摆在物料的侧前方，它与第一个相机相距314/2=157mm，经过计算此时β=13.9°，两个相机平行放置。在°≤α≤90°的范围内，两个相机针对面元=1°所成像的大小如图5所示。

从上面的分析可得，物料正前方的那个相机看到的物料是左右对称的，物料中间的分辨率最高，两端逐渐降低，在±90°的两个位置上分辨率降为0；物料侧前方的那个相机看到的物料是非对称的，物料的左侧看到的更多，右侧看到的更少，在=13.9°的位置上分辨率最高，在-76.6°和103.4°两个位置上分辨率为0，说明了在物料侧前方加入了另一个相机成像模块后改善了物料左侧的分辨率和探测范围，可以提供更多物料表面信号，减小视觉盲区。

同理，我们可以在原来单相机成像模块的右侧加入另一个相机成像模块来改善物料右侧的分辨率和探测范围。

如图2所示，作为本发明的另一种实施方式，可以在原单相机成像模块的上侧或者下侧加入另一个相机成像模块来改善物料上侧或者下侧的分辨率和探测范围，如在单相机成像模块4.1a的下方加入了一个单相机成像模块4.1c，在单相机成像模块4.2a的下方加入了一个单相机成像模块4.2c，单相机成像模块4.1a、4.1c上下放置， 4.2a、4.2c上下放置，从而改变了物料上下方向的分辨率，提高了分选精度。

所述物料分选设备进行物料分选的过程如下：

将物料输送到送料振动器上，送料振动器通过向前上方的往复振动，将物料不断地向前上方抛出、落下，使得物料不断地向前运动，并且逐渐分散均匀，最终进入物料输送槽；物料在光滑的物料输送槽内，受重力作用，沿物料输送槽向下逐渐加速运动，到达物料输送槽末端时，速度增加到一定程度，通常在1—5m/s的范围，对于特定长度的料槽，同一类物料的速度基本一致，并且由于物料速度增加使得送料振动器上堆叠的物料在物料输送槽的末端基本上不重叠，并呈单层分布状态，并且物料之间存在着一定的间隙；当物料脱离料槽末端后，采用第一照明系统和第二照明系统进行前后照明，然后利用第一相机成像系统和第二相机成像系统采集物料的图像，得到的物料图像通过图像处理系统的处理，判断出合格物料和不合格物料，然后由控制系统控制剔除装置，将不合格的物料剔除，被剔除的物料落入第二接收装置，合格品落入第一接收装置，由此实现物料的分选。

作为本发明的另一种实施方式，在所述物料输送槽的末端可设有横棱或毛糙面，使得圆形物料在从所述物料输送槽滑出时进行翻转运动，从而使得成像系统在物料运行方向的单侧即可通过连续拍照，采集到物料不同表面的图像，最后完成对整个物料全部表面积的图像采集，且不存在任何盲点，由于设置了前后两套成像系统，只要在连续拍照区域内，物料能够翻转45°，就可以实现对全部表面的图像采集，这个较小角度的翻转通过较小的横棱或横向毛糙面即可实现且不妨碍或影响物料的正常流动轨迹，而在45°范围内能够实现对物料瑕疵的有效识别，因此通常情况下对同一物料颗粒进行两次拍摄即可，在此情况下，同一成像系统的相机成像模块可以为三个且左右对称地分布在同一水平线上，通过三个相机成像模块实现左右方向上的无死角成像，通过物料颗粒翻转实现在旋转方向上无死角成像，由此实现了高质量的分选。另外，在进行物料颗粒翻转的情况下，也可以省略掉一个方向上的成像系统和照明系统，由此不仅简化了整个设备的内部结构，而且降低了设备造价，节约能源。

同时，作为本发明的其他实施方式，所述成像系统的第一成像系统和第二成像系统对准不同的看点位置，如第二成像系统的看点位置低于第一成像系统的看点位置之后，并在第一成像系统和第二成像系统后均设有剔除装置，设备工作时先由第一成像系统进行图像采集和图像处理，然后由设置于第一成像系统后的第一剔除装置将不合格产品剔除，然后由第二成像系统和第二剔除装置进行二次剔除，减少了图像处理系统的瞬时数据处理量，提高了设备的运行速度和分选精确度。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。