一种颗粒物的粒径检测方法与流程

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种颗粒物的粒径检测方法，特别涉及一种重叠颗粒物的粒径检测方法。

背景技术：

泥沙是由地球表面物质经不同的物理、化学作用而产生的。在海岸、河流等水环境中，泥沙是指在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑。在海岸工程与水利工程中，例如港口建设、航道维护、防波堤构建、围海造陆、桥梁架设、大坝开筑、涵洞开挖等，泥沙运动是必须考虑和了解的环境因素之一，因为泥沙运动导致水底地貌的優蚀、稳定或淤积，由此带来水库和航道的淤积、河道及海岸线的演变、桥墩与防波堤等水工建筑物根底部的淘刷等问题。因此，泥沙相关的研究是海岸工程和水利工程研究领域的一个重要的基础性研究课题。

泥沙颗粒的主要参数及性质有粒径大小、形状、容重、矿物成分、化学特性等，其中粒径大小是表征泥沙颗粒物理性质的重要参数之一，影响了泥沙的起动、输移和沉降等运动状态因此，在泥沙研究中，颗粒物粒径是研究的基础和前提。随着研究的开展，泥沙粒径的测量方法不断的改进和发展。百年来，人们总结或发明了量测法(尺量法和筛分法)、沉降法、激光法等不同的传统泥沙粒径测量方法。但是各种传统方法因为测量原理和操作方式的不同，在测量精度、适用范围、仪器成本或测量时长等方面存在一定的差异。各传统方法都有自身的缺陷和矛盾，尤其是测量的精度与成本之间，一直是对立的两面，有着不可调和的矛盾。

传统粒径分析方法的测量原理可分为两类。一类是对颗粒物粒径的直接测量，例如尺量法和筛分法；一类是对颗粒物粒径的间接测量，通过测量与颗粒物粒径相关的物理量来推算颗粒物的粒径，例如沉降法是通过测量泥沙在水介质中的沉降速度来推算泥沙粒径，激光法是通过测量泥沙对光线的衍射角度来推算泥沙粒径。因测量原理和器材的限制，各传统方法有着不同的粒径测量范围，采用直接测量方式的尺量法和筛分法适用于较大的泥沙颗粒，采用间接测量方式的沉降法和激光法适用于较小的泥沙颗粒成本较大。

经过多年的发展，虽然各种传统的泥沙粒径测量分析方法得到了长足的改进和完善，不断的扩大了粒径测量范围、提高了粒径测量精度，但是各传统方法仍然存在着不可避免的缺陷和矛盾。

在各种传统方法中，尺量法测量成本最低，但是消耗时间最长、人工操作复杂，测量精度受人为因素的影响最大，仅适用于大粒径泥沙颗粒；筛分法测量成本较低，但是测量步骤繁琐，测量结果只能指出泥沙大小介于上下两筛孔之间，即只能知道大小的范围，而不知其绝对值，且受到振筛时间的影响，适用于大于0.06mm粒径的较大泥沙颗粒；沉降法测量精度高、操作筒单、重复性强，但是测量速度慢、测量成本高、对外部条件要求高，适用于0.02mm粒径的较小泥沙颗粒；

激光法测量测量精度高、测量速度快、操作简单、自动化程度高、重复性强，但是测量成本比沉降法更高，对外部条件要求更高。无法做到大面积推广和使用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在上述问题，本发明提供一种既方便快捷、成本低廉，又有着较高测算精度、较广适用范围的基于图像分析的颗粒物数字粒径分析方法，并能推广应用于河流、海岸等野外实地考察之中，实现对卵石、砾石、砂粒等泥沙颗粒物中值粒径的快速、准确测量。本发明可以快速对沙粒(特别是重叠沙粒)径进行区间测量，一方面可以对于制沙的质量进行监控，另一方面可以对于沙的用途进行归类。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种颗粒物的粒径检测方法，包括：

步骤1：对散开的颗粒物进行拍摄，并进行图像分析；

步骤2：提取图像中的灰度值信号曲线；

步骤3：一维连续小波变换；进行小波能量计算；绘制小波能量谱曲线；

步骤4：重复步骤3，得到不同方向的小波能量谱曲线，并对不同方向的小波能量谱曲线进行叠加，得到随尺度变化的小波能量谱曲线；

步骤5：对小波能量谱曲线进行归一化处理；

步骤6：获得颗粒物的粒径值。

更进一步的，所述一维连续小波变换的计算对象是图像中单条直线上随像素点位置变换的灰度值信号曲线。

更进一步的，将毎个尺度对应的所有小波能量进行求和，即得到随尺度变化的小波能量谱曲线。

更进一步的，步骤1中，所述图像分析为blob分析。

更进一步的，blob分析后，对于相邻图像根据沙粒特性凸凹多边形算法再次分割。

更进一步的，所述颗粒物具有外凸的性状，整幅图像呈现出明暗交替的纹理特征，即亮区域为若干个相对独立的小片区，中间间隔着相对连续的黑暗区域。

更进一步的，步骤1之前还包括：

步骤0-1：将颗粒物样本置于料仓内，可控地使颗粒物样本下落到振动盘上，在振动盘上刷平料面；

步骤0-2：控制振动盘以可变的周期频率振动；

步骤0-3：检测沙粒性状，当沙粒性状为凹性状或线性状时，判断散开失败，重新散开，直至沙粒性状为凸性状时，进入步骤1。

更进一步的，采用线扫或者面扫拼接的方法进行拍摄，由plc带动相机进行阵列拍摄。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

a、采用颗粒物分散平铺、背景打光等方式，能精准的匀勒出泥沙颗粒的形状，并实现对粒径大小的快速测算。

b、在采用机器视觉的基础上使用统计学的方法，对于视觉拍摄的图片进行处理和统计。

c、对于散开的物体的测量较为容易，对于沙粒聚集的图像需要进行连续小波变换，通过小波能量谱曲线的重叠方法进行对于沙粒聚集的直径进行测量，能够快捷的计算出重叠沙粒的个数和粒径大小。

d、由于视觉检测时无接触的。所以可以解决传统方法带来的诸多问题。且可见光视觉设备相对激光设备有着价格相对较低，拌匀和二次开发能力强等特点。

附图说明

图1是实施例的方法流程图；

图2是0.06mm-0.15mm区间颗粒样本图片；

图3是0.15mm-0.3mm区间颗粒样本图片；

图4是0.3mm-0.6mm区间颗粒样本图片；

图5是0.6mm-1.28mm区间颗粒样本图片；

图6是1.18mm-2.36mm区间颗粒样本图片；

图7是小波能量谱曲线叠加步骤的方法流程图；

图8是blob分析后的形态学处理图；

图9是根据沙粒特性凸凹多边形算法再次分割图；

图10是统计学方法原理图；

图11是基于opengl的三维建模图；

图12是在某一方向上连续小波变换曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种如图1所示的颗粒物的粒径检测方法，本实施例中采用的颗粒物样本为沙粒样本，该方法的步骤包括：

步骤1：上料。准备一上下端均开口且带有刻度的料仓，料仓的上端为颗粒物样本的入口，其下端放置一个振动盘，抓取颗粒物样本置于料仓内，设计一个阀门，可控制颗粒物样本的下落时间和一次下落的量，当阀门触发后，料仓里的颗粒物样本下落到振动盘上，料仓下料后，自带一个毛刷刷平料面；

步骤2：振动盘震动。控制振动盘以可变的周期频率振动，以适应不同类型的物料；

步骤3：视觉检测散开。检测沙粒性状，当沙粒性状为凹性状或线性状时，判断散开失败，重新散开，直至沙粒性状为凸性状时，进入步骤4。

步骤4：拍摄。对散开的颗粒物进行拍摄，并进行图像分析。本实施例优选采用线扫或者面扫拼接办法进行拍摄，由plc带动相机进行阵列拍摄。当采用0.75远心镜头光学放大、200万像素相机拍摄时，图2-6分别是0.06mm-0.15mm区间图片(图2)、0.15mm-0.3mm区间图片(图3)、0.3mm-0.6mm区间图片(图4)、0.6mm-1.28mm区间图片(图5)、1.18mm-2.36mm区间图片(图6)。

步骤5：粒径识别。该步骤的方法流程如图7所示。包括：

步骤5-1：进行blob图像分析，分析结果如图8所示。blob图像分析后，还可以对于相邻图像根据沙粒特性凸凹多边形算法再次分割，如图9所示；

步骤5-2：提取图像中的灰度值信号曲线；

对于无遮挡的情况，采用统计学方法即可得到沙粒粒径，如图10所示。在光源环境下，泥沙堆积体的图像上，泥沙颗粒的表面上凸，光照充分，呈明亮状态；泥沙颗粒的间隙下凹，光照不足，呈黑暗状态。于是整张图像上会呈现出明暗交替的纹理特征：明亮区域为若干个相对独立的小片区，中间间隔着相对连续的黑暗区域。每一个明亮片区的大小都由泥沙颗粒的大小决定，因此图像上明暗交替的变化规律与泥沙颗粒的粒径存在关联。从图像上提取出的灰度值信号，能最为直观的反映图像上的明暗变化。利用不同的统计学算法对灰度值信号进行分析后，就能捕捉到与泥沙粒径。在建模中也不难获得重叠沙粒直接的阈值，如图11所示；

步骤5-3：一维连续小波变换；进行小波能量计算；绘制小波能量谱曲线，如图12所示；

一维连续小波变换的计算对象是图像中单条直线上随像素点位置变换的灰度值信号曲线。由于单条直线经过泥沙颗粒的位置随机且不可控，由此得到的灰度值信号受直线穿过的颗粒物部位、间隙、纹理等诸多因素的影响。当直线穿过颗粒物“腹部”较多、灰度值信号的波动由粒径主导时，如图中的红色直线，穿过7颗颗粒物的“腹部”，整条直线上灰度值每一次波动的周期皆接近于颗粒粒径，由此得到的计算结果便能反映颗粒物的粒径信息，图中小波能量谱曲线上唯一峰值所对应的尺度与颗粒物在图像上的粒径十分接近。但在一张图像上，这种“完美”穿过颗粒物腹部的直线仅占少数，绝大多数直线如图中的蓝色直线一样，仅穿过较少颗粒物的腹部，直线上绝大部分空间由颗粒的边缘弦长和间隙阴影占据。此时灰度值的波动并非完全由粒径在空间坐标的原始信号(灰度值)分布与这一尺度的小波相似程度较高，也就表示在原始信号上该尺度的信号出现概率较高；黑色区域则表示小波能量低，在原始信号上该尺度的信号出现概率较低。

步骤5-4：重复步骤5-3，得到不同方向的小波能量谱曲线，并对不同方向每个尺度的小波能量谱曲线进行叠加求和，即可得到随尺度变化的小波能量谱曲线；

步骤5-5：对小波能量谱曲线进行归一化处理；

步骤5-6：获得颗粒物的粒径值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。