本发明涉及一种应用于矿石粒度检测领域的智能视觉技术，具体为一种基于智能视觉的高性能矿石粒度视觉检测系统。
背景技术：
采矿是国民经济重要基础产业之一，我国目前拥有近万座金属矿山，在矿产资源探查、挖掘和选矿生产的过程中普遍存在粗放开发、资源浪费、综合利用率低、安全环境等突出问题，同时矿业增长主要依靠要素投入，采选矿整体技术水平提升缓慢。解决这些问题的唯一途径就是实现矿业生产和管理的智能化，只有选择信息化与自动化融合发展的路径，促进采选矿自动化，提升传统矿业的信息化水平，才能保障高效采选与生产安全，实现跨越式发展。
矿山机械制造是指用于各种固体矿物及石料的开采和洗选的机械设备及其配套设备制造，包括建井设备、采掘凿岩设备、矿山提升设备、矿物破碎粉末设备、矿物筛分洗选设备的制造。矿山机械设备主要用于煤矿、金属矿及非金属矿等矿石的开采和浮选等作业。矿山机械设备在交通、铁道、建筑、水利、电力和国防等基本建设中也有大量应用。矿山机械在经济建设、科技进步和社会发展中占有十分重要的地位和作用，矿山机械制造业是国家建立独立工业体系的基础，也是衡量一个国家工业实力的重要标志，属于国民经济的支柱行业。矿山机械设备直接关系到我国金属、非金属和煤炭资源的开发利用，其先进性和现代化，在一定程度上反映了一个国家的工业化水平，也决定了矿山资源科学开发和综合利用的水平，对国民经济的发展期重要作用。
按选矿流程可分为破碎机械、粉磨机械、筛分设备机械、分选机械和脱水机械等。选矿是在所采集的矿物原料中，根据各种矿物物理性质、物理化学性质和化学性质的差异，选出有用矿物的过程。破碎机械常用的有颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和反击式破碎机等；粉磨机械中使用最广的是筒式磨机，包括棒磨机、球磨机、砾磨机和自磨机等；筛分机械中常用的有惯性振动筛和共振筛；水力分级机和机械分级机是湿式分级作业中广泛使用的分级机械。
智能生产首先采集生产过程人、机器、物料相应的实时状态信息，使整个生产过程相关因素智能化。从上世纪末期，美国、加拿大、南非等国的研究机构就开始尝试利用智能视觉技术对矿石粒度进行检测分析；近年来，国内一些高校、科研院所等研究机构也开始进行矿石粒度视觉检测分析的研究，但目前国内成功应用的案例很少，而且检测分析的数据准确性普遍不好，与矿山生产设备破碎机相连形成闭环控制的技术尚未见报道。
采用普通摄像机作为传感器的矿石粒度检测仪无法解决矿石粒度信息检测分析不准确的问题：⑴、矿石破碎过程中洒水工艺在矿石表面形成水斑导致了二维图像灰度值产生巨大变化，很多时候系统会将一块矿石检测确定为多块矿石；⑵、传送带上的一块矿石因为形状、姿态、光照等不同导致了二维图像灰度值产生巨大变化，很多时候系统会将一块矿石检测确定为两块会多块矿石；⑶、传送带上的两块或多块矿石因为紧密接触或色度相近导致了二维图像灰度值变化不大，很多时候系统会将它们检测确定为一块矿石。另外，现有矿石粒度检测分析研究也是一种概率性分析技术或产品，不能同时给出矿石多少的数量信息。
技术实现要素：
针对现有技术中矿石粒度检测设备准确性不高、与矿山生产设备破碎机没有相连形成闭环控制以及不能同时给出矿石多少的数量信息等不足，本发明要解决的问题是提供一种精确、全面的一种基于智能视觉的高性能矿石粒度视觉检测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种基于智能视觉的高性能矿石粒度视觉检测系统，检测步骤如下：
在矿石传送带上方安装高速、高清摄像机；
通过摄像机拍摄两幅传送带上的破碎矿石图像，其中第一幅为普通图像，第二幅为带结构光图像；
将上述两幅图像信息传递给系统主机进行检测，分割出矿石颗粒并提取矿石粒度信息进行统计、分析，并输出至矿石破碎机的主控制器；
矿石破碎机的主控制器根据生产工艺要求调整矿石破碎机各项控制参数并按新的控制参数运行；
运行新控制参数后的被破碎矿石重新出现在摄像机画面里，实现矿石破碎机的闭环控制。
分割出矿石颗粒并提取矿石粒度信息包括以下步骤：
利用智能视觉技术对第一幅图像的二维图像数据进行处理及矿石颗粒分割；
利用智能视觉技术对第二幅图像即结构光图像进行边缘提取，在系统预先标定的情况下，根据传送带速度及图像处理的边缘拟合技术进行两幅图像的配准；
用结构光图像判断传送带是否为空；
用结构光图像修正水斑干扰；
用结构光图像修正多分矿石；
用结构光图像修正少分矿石；
用结构光图像测量矿石数量；
提取所有矿石粒度信息。
用结构光图像判断传送带是否为空，具体为：
如果带结构光的第二幅矿石图像的各条结构光曲线与事先定义的空传送带的各条结构光曲线重合，则判定为空传送带，否则判定为散布着矿石的传送带。
用结构光图像修正水斑干扰，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似水斑的两块或多块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析；
如果结构光在该区域是一条直线或多段连续的折线，则可将这些洒水的一块的矿石检测确定为一块矿石。
用结构光图像修正少分矿石，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似多块矿石的矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，如果结构光在该区域为多段断续的折线，则确定为两块或多块矿石。
用结构光图像修正多分矿石，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似为一块矿石的两块或多块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，如果结构光在该区域是一条直线或多段连续的折线，则确定为一块矿石。
用结构光图像测量矿石数量，具体为：
直接利用第二幅带结构光的矿石图像检测出传送带上矿石的三维信息，计算出传送带上经过矿石的体积值，并按比重换算成重量。
疑似水斑的两块或多块矿石为：一块小矿石形心在另一块大矿石形状内的两块或多块矿石。
疑似一块矿石的两块或多块矿石为：边界相邻部分重合的两块或多块矿石。
疑似多块矿石为：矿石图像区域内有弱边缘线的矿石；弱边缘线是指在图像非边缘线部分，差分图像值大于等于设定阈值m的n％且小于m，定义为弱边缘，经过噪声处理滤除孤立弱边缘点后，可连接在一起的弱边缘点构成弱边缘线。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明方法采用高速、高清摄像机加结构光作为传感器，可以有效解决采用普通摄像机作为传感器只能采集到二维图像信息的矿石粒度分析仪无法区分破损或有水渍的空空如也的传送带和散布着矿石的传送带导致的对矿石粒度信息检测分析不准确的问题。
2.本发明方法采用高速、高清摄像机加结构光作为传感器，可以有效解决采用普通摄像机作为传感器的矿石粒度检测仪无法解决的矿石粒度信息检测分析不准确的问题，采用二维半的图像处理技术可以精确检测确定：(1)表面有水斑的一块矿石仍是一块矿石；(2)形状、姿态以及光照不同的一块矿石仍是一块矿石；(3)接触紧密或色度相近的两块或多块矿石仍是两块或多块矿石，因此本发明有效提升了矿石粒度分析仪的检测、分析准确性。
3.本发明方法采用高速、高清摄像机加结构光作为传感器，可以有效解决采用普通摄像机作为传感器只能采集到二维图像信息的矿石粒度分析仪无法计量传送带上的矿石数量(体积或重量)问题。
4.本发明方法采用rs485串行通讯方式通过plc与矿石破碎机主控制器通讯，随时上报传送带上矿石多少和大小统计信息，以便破碎机主控制器根据生产工艺要求控制破碎机各项控制参数，从而提高选矿效率，降低能耗，最大限度利用矿产资源。
附图说明
图1为本发明矿石粒度视觉检测仪系统拓扑图；
图2为本发明矿石粒度视觉检测仪软件流程示意图；
图3a为本发明中空传送带结构光示意图；
图3b为本发明中有矿石的传送带结构光示意图；
图4a为本发明中小圆点是水斑的结构光示意图；
图4b为本发明中小圆点是矿石的结构光示意图；
图5a为本发明中摄像机拍摄的一块石头两个面一明一暗的二维图像俯视图；
图5b为本发明中摄像机拍摄的一块石头两个面一明一暗的二维图像主视图；
图5c为本发明中一块石头两个面一明一暗的结构光图；
图5d为本发明中摄像机拍摄的两块石头两个面一明一暗的二维图像俯视图；
图5e为本发明中摄像机拍摄的两块石头两个面一明一暗的二维图像主视图；
图5f为本发明中两块石头两个面一明一暗的结构光图；
图6a为本发明中摄像机拍摄的一块石头两个面明暗相近的二维图像俯视图；
图6b为本发明中摄像机拍摄的一块石头两个面明暗相近的二维图像主视图；
图6c为本发明中一块石头两个面明暗相近的结构光图；
图6d为本发明中摄像机拍摄的两块石头两个面明暗相近的二维图像俯视图；
图6e为本发明中摄像机拍摄的两块石头两个面明暗相近的二维图像主视图；
图6f为本发明中两块石头两个面明暗相近的结构光图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种基于智能视觉的高性能矿石粒度视觉检测系统，通过以下步骤实现矿石粒度视觉检测：
1)在矿石传送带上方安装高速、高清摄像机；
2)通过摄像机拍摄两幅传送带上的破碎矿石图像，其中第一幅为普通图像，第二幅为带结构光图像；
3)将上述两幅图像信息传递给系统主机进行检测，分割出矿石颗粒并提取矿石粒度信息进行统计、分析，并输出至矿石破碎机的主控制器；
4)矿石破碎机的主控制器根据生产工艺要求调整矿石破碎机各项控制参数并按新的控制参数运行；
5)运行新控制参数后的被破碎矿石重新出现在摄像机画面里，实现矿石破碎机的闭环控制。
本发明中，系统主机采用plc通过rs485串行通讯方式与矿石破碎机的主控制器进行通讯连接，随时上报传送带上矿石多少和大小统计信息，以便破碎机主控制器根据生产工艺要求控制破碎机各项控制参数，实现闭环控制，从而提高选矿效率，降低能耗，最大限度利用矿产资源。
如图2所示，步骤3)中，分割出矿石颗粒并提取矿石粒度信息包括以下步骤：
301)利用智能视觉技术对第一幅图像的二维图像数据进行处理及矿石颗粒分割；
302)利用智能视觉技术对第二幅图像即结构光图像进行边缘提取，在系统预先标定的情况下，根据传送带速度及图像处理的边缘拟合技术进行两幅图像的配准；
303)用结构光图像判断传送带是否为空；
304)用结构光图像修正水斑干扰；
305)用结构光图像修正多分矿石；
306)用结构光图像修正少分矿石；
307)用结构光图像测量矿石数量；
308)提取所有矿石粒度信息。
本实施例中，处理主机(图1中的计算机)首先接收一幅没有结构光照射的传送带上破碎矿石图像，即第一幅图像；
处理主机顺序接收一幅有结构光照射的传送带上破碎矿石图像，即第二幅图像；
利用智能视觉技术对第一幅图像的二维图像数据进行处理及矿石颗粒分割；
利用智能视觉技术对第二幅图像进行边缘提取，根据传送带速度及图像处理的边缘拟合进行两幅图像的配准；
利用第二幅的带结构光图像数据利用智能视觉技术对第一幅的矿石颗粒分割结果进行修正，最终得到矿石颗粒分割结果并进行统计、分析和结果输出；
矿石粒度信息通过plc传递给矿石破碎机并控制破碎机；
破碎机调整后矿石破碎效果重新出现在摄像机画面里。
步骤303)中，用结构光图像判断传送带是否为空，具体为：如果带结构光的第二幅矿石图像的各条结构光曲线与事先定义的空传送带的各条结构光曲线基本重合，则认为是散布着矿石的传送带。
由于矿石传送带在矿石抛落的频繁砸击下以及在传送矿石的长时间磨损下，加上矿石传送带上十分有可能的水渍，在只有二维灰度信息的普通摄像机成像时很有可能形成斑驳的图像信息，对只有二维灰度信息的普通摄像机而言无法分清这些斑驳的图像信息到底是空空如也的传送带还是散布着矿石的传送带，导致了对矿石粒度信息检测分析不准确的问题。本发明直接采用第二幅带结构光的矿石图像进行是否是空传送带判定，虽然矿石传送带在矿石抛落的频繁砸击下以及在传送矿石的长时间磨损下，加上矿石传送带上十分有可能的水渍，但其在空间上的位置变化不大，如果带结构光的第二幅矿石图像的各条结构光曲线与事先定义的空传送带的各条结构光曲线十分相近，则可以精确的是空空如也但可能有破损或水渍的传送带，否则就是散布着矿石的传送带，见图3a(空传送带)、3b(散布矿石的传送带)所示。
步骤304)中，用结构光图像修正水斑干扰，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似水斑的两块或多块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析；
如果结构光在该区域是一条直线或多段连续的折线，则可将这些洒水的一块的矿石检测确定为一块矿石。
矿石破碎过程中为降尘普遍有自动洒水工艺，水滴不可能很均匀。对只有二维(x轴、y轴)图像灰度信息的第一幅图像来说，由于矿石表面有水部分和无水部分灰度值可能差别很大，用只有图像灰度信息的二维图像处理方法很可能将这些本是一块的矿石检测确定为多块矿石。本发明采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，在根据传送带速度及图像处理的边缘拟合进行两幅图像的配准后，对疑似水斑(一块小矿石形心在另一块大矿石形状内)的两块或多块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，如果结构光在该区域是一条直线或多段连续的折线，则可将这些洒水的一块的矿石检测确定为一块矿石，如图4a(疑似水斑下结构光纤)～4b(摄像机看到的是两块矿石而非水斑的结构光纤，是水斑就是一条直线)所示。
步骤305)中，用结构光图像修正多分矿石，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似为一块矿石的两块或多块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，如果结构光在该区域是一条直线或多段连续的折线，则确定为一块矿石。
外观形状各式各样的破碎矿石是被随机抛落到矿石传送带上，每块矿石在传送带上的形状、姿态各不相同，如果一块矿石面向普通摄像机方向的表面不是一个平面甚至非常有可能就是一块矿石的两面，由于光照及矿石表面色度的不同，对只有灰度的二维图像信息处理来说，很可能将这些本是一块的矿石检测确定为两块或多块矿石。本发明采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，在根据传送带速度及图像处理的边缘拟合进行两幅图像的配准后，对疑似一块矿石的两块或多块矿石(边界相邻部分重合的两块或多块矿石)的矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，虽然每块矿石在传送带上的形状、姿态各不相同，但如果是一块矿石其结构光在该区域很可能是一条直线或多段连续的折线，则可将这些形状、姿态各不相同的被智能视觉算法分割为多块矿石检测确定为一块矿石，如图5a～5f所示，其中：5a、5c、5e是一块矿石，传统方法将其分割为两块矿石，本发明可纠正为一块矿石；5b、5d、5f是确实两块矿石，纠正后仍为两块矿石。
步骤306)中，用结构光图像修正少分矿石，具体为：
采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，即两幅图像配准后，对疑似多块矿石的矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，如果结构光在该区域为多段断续的折线，则确定为两块或多块矿石。
外观形状各式各样的破碎矿石是被随机抛落到矿石传送带上，两块或多块矿石紧密凑在一起且色度相近，对只有灰度的二维(x轴、y轴)图像信息处理来说，很可能将这些两块或多块矿石检测确定为一块矿石。本发明采用第二幅带结构光的矿石图像对第一幅矿石图像分割结果进行修正，在根据传送带速度及图像处理的边缘拟合进行两幅图像的配准后，对疑似多块矿石(一块矿石图像区域内有弱边缘线被检出)的这块矿石进行校验，用该矿石区域图像中结构光的线性度进行分析，虽然这些矿石紧密凑在一起且色度相近，但如果是多块矿石其结构光在该区域很可能是多段断续的折线，则可将这些紧密凑在一起且色度相近的矿石区分开来确定为两块或多块矿石，如图5a～5f所示，其中：6b、6d、6f是两块矿石，传统方法将其分割为一矿石，本发明可纠正为两块矿石；6a、6c、6e是一块矿石，纠正后仍为一块矿石。
所述弱边缘线是指：在图像处理检测边缘的图像差分时，差分图像值大于等于设定阈值m的定义为边缘，经过噪声处理滤除孤立边缘点后，可连接在一起的边缘点构成边缘线，图像其余部分为非边缘线；在图像非边缘线部分，差分图像值大于等于设定阈值m的n％且小于m，定义为弱边缘，经过噪声处理滤除孤立弱边缘点后，可连接在一起的弱边缘点构成弱边缘线。
例如：图像正常灰度值在0到255，本实施例中，图像差分(如右点图像值减左点图像值)阈值m定义为64，差分值大于等于64是边缘点，去除孤立点噪声后，连成线的就是边缘线，有些图像的差分值虽然不到64，但差分值还不小，如32(阈值的50％即n＝50)以上,则定义图像差分值在32至64之间的是弱边界点，去除孤立点噪声，连成线的就是弱边缘线。
步骤307)中，用结构光图像测量矿石数量，具体为：
直接利用第二幅带结构光的矿石图像检测出传送带上矿石的三维信息，计算出传送带上经过矿石的体积值，并按比重换算成重量。
采用普通摄像机作传感器的矿石粒度检测仪只可检测到传送带上矿石的二维(x轴、y轴)灰度信息，因为没有检测到厚度(z轴、或称厚度、高度)信息，因此只可求传送带上经过矿石的面积值(x轴、y轴)不可计算其体积(按比重可换算成重量)值(x轴、y轴、z轴)。本发明直接采用第二幅带结构光的矿石图像进行传送带上矿石数量(体积、重量)计算，由于第二幅带结构光的矿石图像可以检测出传送带上矿石的三维(x轴、y轴、z轴)立体信息(因只包含部分第三维信息，属于二维半的图像处理技术)，因此可以计算出传送带上经过矿石的大约体积值(x轴、y轴、z轴)并按比重可换算成重量，而且结构光线越密集经过矿石的体积值和重量值计算精度越高。本发明方法提升了对矿石粒度信息检测分析的准确性。
本发明是一种基于智能视觉的高性能矿石粒度视觉检测仪，它对矿石粒度信息的检测分析的准确性很高，还可检测分析传送带上破碎矿石的多少即体积或重量，与矿山生产设备破碎机相连形成闭环控制。矿石粒度信息是矿山生产最优控制的主要指标，采用智能视觉技术在线、实时、自动检测、分析矿石粒度信息，能及时反馈与调节破碎机等选矿设备的参数，从而提高选矿效率，降低能耗，最大限度利用矿产资源。矿石粒度视觉检测仪的研制及推广应用对于矿业发展具有重大意义，可产生良好的社会经济效益。利用先进控制、现代信息技术改造传统矿业，对于实现我国采选矿生产高效、节能、环保、安全显得十分必要。智能生产技术为解决当前采选矿生产突出问题提供了最佳解决方案，自动化与信息化的融合将带来矿业生产技术的革命。矿石粒度视觉检测仪实现生产过程实时优化控制、生产要素安全监测、设备节能运行，为不同的需求提供智能服务，创造一个安全、高效、节能、环保的矿业生产环境。