基于机器视觉的工矿现场粉尘实时监测.pdf

第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo1 ． 4 3 NO ． 3 M a r ．2 O 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 6 1 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 1 4 谢鹏程 ， 陈青山， 李响． 基于机器视觉 的工矿现场粉尘实时监测[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 6 1 6 5 ． 基于机器视觉的工矿现场粉 谢 鹏程 ， 陈青 山 ， 李响 ， I 、 - n - 实时监测 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 1 0 0 1 9 2 摘要 针对 传 统粉 尘监 测 方法 实 时性 差 、 覆 盖 面不 全 的 问题 ， 提 出了 2种 基 于机 器视 觉 的工 矿现 场 粉 尘 实 时监 测 系统 设计 方案 ， 即基 于单 目视 觉的粉 尘监 测 系统 和基 于双 目视 觉 的粉 尘监 测 系统 。基 于单 目视 觉 的粉 尘监 测 系统采 用 帧差 法 、 腐 蚀膨 胀 算法 等 实现 对视 场 内粉 尘 目标 的快 速识 别 ； 基 于双 目视 觉的粉 尘监 测 系统在 单 目视 觉粉 尘监 测 系统 的基础 上 ， 利 用标 定靶 ， 通过 空间 三 维重 建 实现粉 尘定 位 。 实验 结果 表 明 ， 基 于单 目视 觉的 粉 尘监测 系统可 以捕捉 粉 尘 团生成 的过程 ， 实时 处理速 率 为 4帧／ s ； 而基 于双 目视 觉 的粉 尘监 测 系统可 以进 一步 测量 粉 尘 团位 置信 息 ， 定位误 差在 1 0 以 内。 关键词 粉尘监测；机器视觉；单 目视觉；双 目视觉；三维定位 中图分 类 号 TD 7 1 4 ． 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 一 O 2 2 8 1 7 O 4 网络出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 1 5 ． 0 1 4 ． h t ml Re a l t i me d u s t mo n i t o r i n g f o r i n d u s t r i a l s i t e b a s e d o n ma c h i n e v i s i o n XI E Pe n g c h e n g， CHEN Qi n g s h a n ，LI Xi a n g S c h o o l o f I n s t r u me n t S c i e n c e a n d Op t o El e c t r o n i c s En g i n e e r i n g ，Be i j i n g I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y，Be i j i n g 1 0 0 1 9 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms o f p o o r r e a l t i me p e r f o r ma n c e a n d i n c o mp l e t e c o v e r a g e o f t r a d i t i o n a l d u s t mon i t o r i ng me t ho d s，t wo ki n ds o f de s i g n s c he m e o f du s t mo ni t or i n g s y s t e m b a s e d o n ma c h i ne v i s i o n we r e p r o p o s e d ，n a me l y d u s t mo n i t o r i n g s y s t e ms b a s e d o n mo n o c u l a r v i s i o n a n d b i n o c u l a r v i s i o n．Th e d u s t mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n mo n o c u l a r v i s i o n u s e s f r a me d i f f e r e n c e me t h o d a n d c o r r o s i o n e x p a n s i o n a l g o r i t hm t o r e a l i z e r a pi d r e c og ni t i on of t he du s t t a r ge t i n t he f i e l d o f v i e w ．Ba s e d o n m o no c ul a r v i s i o n，t he d u s t mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n b i n o c u l a r v i s i o n u s e s c a l i b r a t i o n t a r g e t a n d t h r e e d i me n s i o n a l s p a c e r e c o n s t r u c t i o n t o a c h i e v e d u s t p o s i t i o n i n g．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e d u s t mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d on mon oc ul a r vi s i on c a n c a p t ur e f or ma t i o n pr o c e s s of d us t c l us t e r，a nd t he r e a l t i me p r oc e s s i n g r a t e i s f o u r f r a me s p e r s e c o n d；t h e d u s t mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n b i n o c u l a r v i s i o n c a n f u r t h e r me a s u r e t h e p os i t i on i n f o r m a t i on o f du s t c l u s t e r s ，a nd po s i t i o ni n g e r r o r i s l e s s t h a n 1 0 ． Ke y wo r d s du s t m o ni t or i n g； ma c h i ne vi s i on； m o no c u l a r v i s i on； b i n o c ul a r v i s i o n；t h r e e - d i me ns i o na 】】 oe a 1 i z a t i o n 0 引言 粉 尘 对 人 体 、 生 产 、环 境 、生 态 平 衡 都 有 影 响。粉尘会造成空气污染 ， 引起尘肺病等职业病 ； 还 会加速工厂机器设备某些部件 的磨损 ， 降低机器的 寿命和精度 ； 粉尘弥漫在车间会降低可见度 ， 作业现 场粉 尘 浓度 过 高 时甚 至 有 爆 炸 的潜 在 危 险 引。另 外 ， 粉尘扩散到室外会影响周 围的生态环境 。传 统 的粉尘 消 除方式 是 对 全 空 间 喷洒 水 雾 ， 这 样 虽 然 能有效除尘 ， 但是 同时对机器设备也产生 了不利影 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 3 1 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 1 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基 金项 目 北京 市 自然科学基 金项 目 4 1 5 4 0 7 1 ； 北京市组织部优 秀人才项 目 2 0 1 4 0 0 0 0 2 0 1 2 4 G1 0 5 。 作 者简介 谢鹏 程 1 9 9 0 一 ， 男 ， 辽 宁沈阳人 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方 向为光电检测 、 模式识别 。 E - ma i l x p c 9 0 8 2 3 1 6 3 ． C O IT I 。 6 2 工 矿 自动化 2 O 1 7年 第 4 3卷 响 ， 『』 l 】 』 J lI 速机 器 腐 蚀 老化 等 。若 能 对 - I f 能 ⋯现 粉 的 化 进 { 实 时 雌 洲 ． 粉 尘 ， 1 初 期 就将 其 淌 火 ， f I } 以提 高除 l 、 效 ， 还 以减 少对生 产 没 备 的损 } 人 J 外 家 I f 粉 I ／ ,⋯- , h 9 J 技 术做 r大 量的研 究 I 作 ， 研 究 r一系 列粉 II - 测 疗法 ． 如 此 I乜式 粉 测 法 、 激 ， 匕 粉 ， { 雌 测 法 。 光 电式 粉 监 测 法 原 光源 发H { 的 j 匕 经过 透镜后 形 成 甲 光 ， 平 行光 与I 飙 j 透 镜之 问 的粉 ， f 粒 作 川形 成 衔 射 场 ， 最 后 通 过 躲测 衍 射 匕 场 形 成的信 号实脱粉 测 。激 光式 粉 监测法 原 过 0 e 泉 将 被 测 体 『f发入测 光 审 ， 粉， 札 激 光照射 J 生 川 漫反射 ， 光 电监 测器 接 收 光信号 并转 换 成 相 应 的 电信 号， 从 f 『 『 j 得 到 瞬 时粉 ， ； 数 。以 f 法 町以快 速监 测 出空气 I I 粉尘 的浓 ， 但 是 突 然 j l 【 观 大 面 积粉 尘 fI 、f 法 准确 测 艟 ． i j 三 无 法令 Ⅲ -f 、 快 速地 对粉 进 i 实 11 ⋯ J V 一,, 测 定 化 ． 致 后续 无泼 及时 有 效 地 埘 粉 尘进 行 控 制 和淌 除 ．． 本 义提 ⋯ r蚺 t机 器视觉 的 2种 I 矿现 场 粉 监洲 系 统 没 汁力‘ 窠 一 种 址 琏 舣 f j 视觉 的粉 尘 监 测 系统 ， 利 川 2 擞像 机 对 H标 同时进 行监 测 ． 该 系 统 璀 f帧 法 干 维 伞 川 雨 建 实 现 粉 尘识 别 干 定 位。 。 ； 一种 足 r 丰 见 觉 的粉 ， ； 监测 系统 ， 利 川 摄 像 机对 f l_ J 标 进i 监测 ， 陔系统 于帧差 法 ， i 『 以怏 速 I j l 圳视 场 『人 ] 粉 ， H标 ， f } 小 能 对粉 尘 化 进 { 定 化 传统 粉 ／ { 阶测 疗法牲 。 - 点 、 线测 量 ， 毖 机器 视觉 的粉 尘 监测 力 ‘ 法 可 以对整 个视 场 面进行 监 洲 。展 日视 觉 的粉 尘 监 测 系统 监 测 速 度 怏 ， 适 合定 点 洲 ； 基 十 舣 视觉 的粉 临 测 系统 定 位 精 度 高 ， 遁 合伞 场 “IT [ 1． 测 。 J 基 于单 目视 觉 的粉尘 监测 系统 设计 聪 r 曰 视 觉 的 粉 I 、 监 测 系 统 f f i 1台 I _ 、 I C M 摄 像机 包 含 I I 视 觉传 感 器 干 镜 头组 、 汁 算机 组 成 ， f n 1 图 1所 爪 。 1 琏 f I 觉 的 粉 洲 系统 』 It f ． 日视觉 n 勺 粉 监 测 系统适 川 于 } lJ 尘 位嚣 卡 甘 埘 ⋯定 的情 况 ． 其具体 步骤 首 先 ㈨定好摄 像 机位 ，对 f I { 位盖 进行连 续 像采 集 ； X 寸 采集 到 的 像 进 行 预处理 ， 包 括厌度 转 换 和图像 增强处 理 ； 分离 } } J 粉 口标 与 矿 背 景 ， 通 过 帧 差法 、 阈值 处 理 、 腐 蚀 膨胀 操作 、 重 心提取 等 “对粉 尘进 行 特 征识 别 与 提 取 。 帧差 法 将 预处 理后 的前后 两 帧 像 相减 ． 用前 帧 像 每 个像素 的从 度值 与后 帧 图像所对 应 的像素 点的灰度值相减， 然后取绝对值， 即N P 一P L ， 其 【 f I P ， P 分 别 为前 后 两帧 罔像 对 府 像 素 点 的灰 度值 ． N 为相减后 的厌 度 值 的绝 对 值 。 如果前 后 两帧 的像 素灰度 值相 同 ， 则作 差值 后 为 0 ， 否 则得 到 相 应 的厌度 。 闽值 处理 设定 阈值 ， 并对 冈像 的像素 点进 行 二 值 化处 婵 。将灰 度值 高 j 阈值 的像 索点灰 度值 设为 1 ， 即 r { 色 ； 将 灰度 值 低 于 阈 值 的像 素 点 灰 度值 设 为 0 ， 即黑色 。此 时灰度 值 为 0的像 素 点 即为没有 改变 的背 景 ， 厥度 值为 1的像 素点 即 可能 为粉 尘 点 。 腐蚀 膨 胀操 作 m j 原 始 罔像 采集 过 程 巾 可 能 受剑 环境 十扰 或 自然 起 伏 件 噪 声 的影 响 ， 所 以经 二 值化 后 的图像 会 川现 色 区域 夹 杂 个别 孤立 黑色 像豢的情况。 此， 需 嘤引入腐蚀膨胀算法 。腐蚀 是消 除边 点 、 使边 内部收 缩 的过程 。 可 以州米 消除 像 f 1 小且 无 意 义的 噪 音 颗粒 。膨 胀 则 相 反 ， 是将与 物体 接触 的 背 景合 并 到 该物 体 中 ， 使边 界 阳 外 部扩 张 的过程 。 像 经 过 腐 蚀 膨胀 处 理 后 ， 可 消 除小 的噪 ， { 点 。 增强 各 【 ￡ 域 的连 通性 ， 如图 2所示 。 a 原胯 I b 灰度处理J 『 I冬 { 像 、 僵 化 处 理 像 d 腌蚀 膨 I张处 理 后 I 像 罔 2腐蚀膨胀效 粜 重心 提取 经过 l 述 处理后 ． 像 巾粉 尘 区域 的 轮廓被 识 别 、 提 取 小 来 。接 着通 过 重 心 法求 出粉 尘 区域 的 几何 中心 ． 得 到粉 尘在 图像 卜的 具体 位 置 。 ⋯ f 目视觉 只能 记 录二 维信 息 ， 缺 少第 维 深度 信息 ， 所 以只能确 定 粉尘在 图像 『 f I 的位 置 ， 不 能 确定粉 尘相 对 于监 测 系统 的距 离 信息 ， 基 于双 目视 谢 鹇程 等 基 于机 器视 觉的 工矿 现场粉 尘 实时监 测 ．6 3 ． 觉 的粉 ； 洲 系统 叮以完 成此 ．．r at ㈠ f 1 。 2 基 于双 目视 觉 的粉 尘监测 系统设 计 r f 1 觉 的 粉 尘 监 测 系 统 ⋯ 2仃 、 、 M 摄 像 机 、 计 算 机 干 “ 1 个 杯 定 靶 构 成 ， 3 所 缺 于 双 l t 觉 的粉 ， l 峨测 系统 甚 J 双 日视 觉 的粉 ； 监 测 系统 足邛p 被动 视觉 测 ； 系统 。 不 需 要特殊 光源 ． 自然 光的．f{ f { f J』 j 条 f ， f F 就能 脱 十 f I 火测 。 具体 步 骤 。 尤利 川 标 定 靶 刈‘ 2 f 搬 像 机 进 内 外 参数 标 定 ， 』 { 壶 少 前 确 定 6个特征 t 。 。 ； 埘 ⋯ 化 进 行 连 续 像 采 集 、 处 ，t 帧 像处 f J 算 法棚 川 ； 通 过 维 币 缱 对粉 进 行定 位 I 。 维定 化过 2台摄像 机 非 { 摆 放 ， 没 i 摄 f “ ， 川“I ] ， ” ． j ” 。i } u 川j ． 联 式 3 、 式 4 即 为粉 I _ 】 标 位 置 。 3 实 验 分 析 f 求 f X { 一 } X _ } _ 1 ， } I 点 3 ． 1 基 于单 目视 觉的粉 尘监测 系统 腑 I I J 菜 1 r 矿 现场 对恭 f 甲 ． 视觉 的粉 监洲 系统 进 r实 验 ． 实 验 没 备 包 括 1白 汁钎 机 、 1台 I } l{ f I Vl 3 5 1 UM US B 2 ． 0接 L I 、 M l 数 擞 像 机 8 ． 8 mm 6 ． 6 mn 1 靶 、 距 为 1 2 ～ 6 n 1 f1 的变 镜 。系统最 大 测 离 为 n ． 『}I 『j { I 冬 1 像处 f I lf 为 0 ． 2 5 s ， 采样 速 j 铽为 1 帧， s 。 刈 ’ f 矿 现 场进 行 连 续 像 采 集搜 处 州 ， 矿 场 没 1 时 ． 没 彳 粉 产 q - 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ij 粉尘 实时 监测 系统 没计 方案 毖 目视觉 的粉尘 监测 系统 和 基 于 双 目视 觉 的 粉尘 监测 系统 。 实 验 表明 ， 基 于单 日视 觉 的粉 尘 监 测 系统 ． _ 『 以捕 捉 灰 生成 的过程 ， 实时 处理 速牢 为 4帧 ，／ s ； 基 于 双 视觉 的粉 尘监测 系统 可 以进一 步测量 灰 团位置 信 息 ． 距 离误差 在 l 0 以内。 基于 机器 视 觉 的粉 尘 监 测 系统 具有识 别速 度快 、 监测 范 『 书 】 广 、 定 位精 度高 等 优 点 。 对 保障 工矿 现场 安全 与环保 具有 一 定 的 理论 价 值和 实川 意 义。后续研 究将 对所 提 系统 设计 方 案 进 改进 ， 将 台式 汁算机 更换 成嵌 入式 系统 ， 在 图像 t f 1 肝小 窗 ， 以提高 图像 处理能 力 ， 增 强实 时性 。 参 考 文 献 [1 j 吴百剑． 综采丁作面粉尘分 布规律研 究L I ] ． 北京 煤 炭 科 学 研 究 总 院 ， 2 O O 8 ． 第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi ne Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 3 No ． 3 M a r ． 2 O 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 6 5 0 6 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 1 5 王晴晴 ， 汪正东， 左羽 ， 等． 煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 6 5 7 0 ． 煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议 王 晴晴 ， 汪正 东‘ ， 左 羽 。 ， 崔 忠伟 ， 郭龙 1 ． 贵 州师 范学 院 数学 与计 算机 科学 学 院 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 8 ；2 ． 贵 州师 范学 院 贵 州省 高校 工业物联网工程技术研究中心 ， 贵州 贵阳 5 5 0 0 1 8 ； 3 ． 贵州师范学院 大学生互联网创新 创业 训 练 中心 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 8 ； 4 ． 江南 机 电设 计研 究所 ，贵州 贵 阳 5 5 O O O 9 摘 要 针对 煤矿 无 线传 感 器 网络 数据 流特 点 ， 设 计 了一种 基 于 节 点地 理位 置信 息 、 集 成 MA C 和路 由的 无线传感器网络可靠数据传输协议 。该协议采用概率性唤醒工作方式， 根据本地节点的连通度 、 节点 自身的 剩余能量信息和 区域事件发生概率选择转发节点， 同时引入备用节点， 在主节点发生故障时 自动转换为主节 点进行数据转发 ， 保证数据可靠传输。仿真结果表 明， 该协议能够降低无线传感器网络节点能量消耗 ， 保证 数 据 传输 的 实 时性 ， 提 高数 据传 输 的 可靠性 。 关键 词 煤炭 开采 ；工作 面 ；采 空 区 ； 无 线传 感 器 网络 ； 数 据路 由 ； 可 靠数据 传输 中图分类号 T D 6 7 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 7 0 2 2 8 1 7 0 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． e n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 1 5 ． O 1 5 ． h t ml 收 稿 日期 2 0 1 6 1 1 - 3 0 ； 修 回 日期 2 0 1 7 0 1 1 8 ； 责 任 编 辑 李 明 。 基金项 目 贵州省省级重点 支持学科资助项 目 黔学位合字 Z D XK[ 2 0 1 6 3 2 0号 ； 贵州省科 技平台及人 才团队专项 资金资助项 目 黔科合 平台 人才 2 0 1 6 3 5 6 0 9 ； 贵州省科学技术基金计划资助项 目 黔科合基础 2 0 1 6 3 1 1 1 5 ； 贵州省教育厅 青年科技人才成 长项 目 黔教 合 KY字 2 0 1 6 ] 2 2 0 ； 贵州师 范学 院科研项 目 2 0 1 6 YB 0 1 0 。 作者简介 王 晴晴 1 9 8 6 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方 向为无线传感器网络 ， E - ma i l 4 4 6 4 3 7 5 9 5 q q ． c o m。 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 陶德保 ， 姚均 ， 冯育栋． 矿 用粉尘浓度传感器 的设 计与 应 用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 9 2 0 2 2 ． 唐娟 ． 粉尘浓度 在线 监测技术的现状及 发展趋势 [ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 0 9 ， 3 6 5 6 9 7 1 ． 耿 凡 ， 周福宝 ， 罗刚． 煤矿综 掘工作面粉尘防治研 究现 状及 方 法 进 展 [ J ] ． 矿 业 安 全 与 环 保 ， 2 0 1 4 ， 4 1 5 85 89 ． 王开松 ， 李 武． 综 采工作 面 的煤尘 综合 防治 [ J ] ． 煤炭 科 学技术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 4 8 - 5 0 ． 顾大钊． 高产 高效煤矿煤尘防治关键技 术[ J ] ． 矿业安 全与环保 ， 2 O 1 O ， 3 7 6 3 4 3 7 ． 杨昆 ， 吴东旭． 矿井 粉尘浓 度 在线监 测技 术 [ J ] ． 辽宁 工程 技 术 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 84 6 8 49． 魏 爽． 便 携 式激 光 测 尘 仪 测 控 系统 设 计 研 究 [ D] ． 长春 长春理工 大学 ， 2 0 1 2 ． B ROGGI A ， CARAF FI C， F EDRI GA R I ， e t a 1 ． Obs t a c l e de t e c t i o n wi t h s t e r e o v i s i o n f or of f - r o a d v e h i c l e n a v i g a t i o n [ C] ／ ／ I E E E C o mp u t e r S o c i e t y [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] Co n f e r e n c e o n Co m p u t e r Vi s i o n a n d P a t t e r n Re c o gn i t i o n，2 0 05 ． 孙军华 ， 吴 子彦 ， 刘谦哲 ， 等． 大视场 双 目视觉传 感器 的 现 场 标 定 [ J ] ． 光 学 精 密 工 程 ， 2 O 0 9 ， 1 7 3 6 3 3 6 40 ． HAERI NG N 。 VENETI ANER P L， LI P TON A． T h e e v o l u t i o n o f v i d e o s u r v e i l l a n c e a n o v e r v i e w[ J ] ． Ma c h i n e Vi s i o n a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 8，1 95 27 9 - 29 0． 赵冠华 ， 冯 晓毅 ， 王虎 ， 等． 结合对 称差分 法 和背景减 法的 目标 检 测方 法 [ J ] ． 计 算 机工 程 与 应用 ， 2 0 1 0 ， 4 6 3 1 4 5 1 4 7 ． GONZALEZ R C， W 00DS R E．Di gi t a l i ma ge p r o c e s s i n g [ M] ．2 n d E d i t i o n ．Up p e r S a d d l e R i v e r ， US A Pr e n t i c e Ha l l ，2 0 0 2 4 5 1 - 4 5 5 ． 张梁 ， 徐锦 法． 基 于双 目视 觉 的无 人飞行 器 目标跟踪 与定位[ J ] ． 计算机工程 与应用 ， 2 0 1 4 ， 5 0 2 4 2 7 3 1 ． 张广军． 视 觉测 量[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 8 ．