一种硅酸盐水泥厂区扬尘的视觉检测系统的制作方法

本发明涉及视觉检测，尤其涉及一种硅酸盐水泥厂区扬尘的视觉检测系统。

背景技术：

1、视觉检测技术是以数字图像采集、图像处理、空间几何分析、目标识别以及场景信息解析为基础，实现目标对象自动感知、状态分析和结果判定的综合技术。

2、现有视觉检测通常依赖单帧图像或局部连续图像中的灰度、颜色、纹理及边缘变化完成目标识别，实际运行过程中容易将相机视角变化、云台转动、镜头变焦及设备振动产生的画面位移视为目标变化，导致背景区域出现大面积差异响应；当检测场景位于硅酸盐水泥厂区时，料堆表面纹理重复、建筑结构跨度较大、输送设备交错分布，单纯依据像素相似程度进行匹配时，容易在相似纹理区域形成错误对应，进而使工作帧和背景图之间产生位置偏差；且扬尘具有边界不规则、透明度变化连续、扩散方向受风场影响明显等特征，传统目标分割过程若采用固定限值，限值偏小时容易将阴影、反光及光照变化判定为扬尘，限值偏大时容易遗漏浓度较低或边缘稀薄的扬尘区域。因此，需要进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种硅酸盐水泥厂区扬尘的视觉检测系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种硅酸盐水泥厂区扬尘的视觉检测系统包括：

3、空间球面背景构建与拓扑建库模块，根据硅酸盐厂区堆场连续扫描帧生成全景背景图；提取所述全景背景图中的宏观刚性结构轮廓获取全局长直线段集合；计算所述全局长直线段集合的夹角与长度比值属性，构建全局刚性线段拓扑图；

4、硬件先验跨尺度粗定位模块，获取当前工作帧对应的绝对位置元数据；将所述绝对位置元数据映射至所述全景背景图，计算理论空间边界，并根据所述理论空间边界执行映射裁剪，生成截取参考块；

5、刚性拓扑与局部频域融合配准模块，提取所述当前工作帧与所述截取参考块的长直线段集合构建局部几何图；将所述局部几何图与所述全局刚性线段拓扑图进行匹配，提取同构刚性线段对；以所述同构刚性线段对建立局部结构掩膜；对所述局部结构掩膜内的图像区域执行频域转换及参数解算，生成亚像素级空间对齐矩阵；

6、差分扬尘剥离模块，根据所述亚像素级空间对齐矩阵对所述当前工作帧执行逆向透视变换，获取透视变换后的工作帧；提取所述透视变换后的工作帧与所述全景背景图的图像梯度特征进行差分运算，生成特征差分图；保留所述特征差分图中超出预设动态限值界限的像元坐标集，并对连通状态的相邻像元坐标集执行聚类，生成空间扬尘散点。

7、较佳地，所述全局长直线段集合的获取步骤为：

8、读取硅酸盐厂区堆场连续扫描帧的帧序号、采集时刻和像素坐标，按照采集时刻选取前后相邻扫描帧，在每组相邻扫描帧中定位灰度梯度转折点、边缘交汇点和纹理角点，记录相邻扫描帧二维图像特征点的像素横坐标、像素纵坐标和局部灰度排列，依据局部灰度排列的一致程度建立特征点对应关系，删除坐标映射残差超过预设匹配误差限值的特征点对应关系，利用剩余特征点对应关系求取前一扫描帧至后一扫描帧的二维单应性矩阵，按照二维单应性矩阵统一连续扫描帧的观察方向，将统一后的像素坐标转换为球面经向坐标和柱面纵向坐标，对重叠区域的同名像素执行坐标对齐、亮度差补偿和边界过渡融合，按照扫描帧排列顺序拼接全部像素区域，生成全景背景图；

9、根据所述全景背景图，逐行逐列计算相邻像素的灰度变化幅度和梯度方向，连接梯度方向连续且空间间距未超过轮廓连接限值的边缘像素，形成连续边缘轨迹，按照所述连续边缘轨迹的走向变化率、端点间距和中间像素偏离直线基准的距离，筛除走向变化率超过轨迹弯曲限值的所述连续边缘轨迹、端点间距未达到线段长度限值的所述连续边缘轨迹、中间像素偏离距离超过直线偏差限值的所述连续边缘轨迹，保留端点间距达到线段长度限值且中间像素偏离距离未超过直线偏差限值的候选直线轨迹，根据候选直线轨迹两端像素坐标确定直线方向和线段长度，合并直线方向差未超过方向合并限值且端点投影间隙未超过间隙限值的共线候选直线轨迹，提取宏观刚性结构轮廓对应的长直线段，获取全局长直线段集合。

10、较佳地，所述全局刚性线段拓扑图的获取步骤为：

11、根据所述全局长直线段集合，读取每条长直线段的起点坐标、终点坐标、方向角、线段长度和两侧带状像素区域，分别统计两侧带状像素区域的灰度均值、梯度方向分布、边缘像素数量占比和纹理灰度变化次序，将统计结果按照统一字段顺序写入对应长直线段的特征编码，按照所述全景背景图中的空间邻接位置选取端点距离未超过邻接距离限值的相邻长直线段，利用相邻长直线段的方向角差值确定夹角属性，利用相邻长直线段的线段长度商确定长度比值属性，以每条长直线段的特征编码建立线段节点，以相邻长直线段的夹角属性、长度比值属性和端点距离建立节点连接关系，删除夹角属性超出夹角一致性界限或长度比值属性超出比例一致性界限的节点连接关系，按照保留的节点连接关系组织全部线段节点，构建全局刚性线段拓扑图。

12、较佳地，所述绝对位置元数据的获取步骤为：

13、读取当前工作帧的采集时刻和帧序号，按照采集时刻检索ptz云台控制记录，提取水平旋转轴对应的水平偏转角绝对位置，提取俯仰旋转轴对应的俯仰角绝对位置，读取镜头变焦驱动位置对应的光学变焦倍率，核对帧序号和ptz云台控制记录的时间对应关系，删除时间差超过同步容差的控制记录，保留时间差最小的水平偏转角、俯仰角和光学变焦倍率，按照当前工作帧标识写入采集时刻、水平偏转角、俯仰角和光学变焦倍率，得到绝对位置元数据。

14、较佳地，所述截取参考块的获取步骤为：

15、根据所述绝对位置元数据，调用预标定的相机成像模型中焦距、主点坐标、像元尺寸和镜头畸变参数，根据光学变焦倍率确定当前工作帧对应的有效焦距，按照水平偏转角和俯仰角调整相机光轴方向，利用坐标转换矩阵将当前工作帧左上角、右上角、左下角和右下角的成像射线转换至全景背景图的物理坐标系，计算四条成像射线在全景背景图上的交点坐标，按照交点坐标的横向排列和纵向排列连接边界端点，校验边界端点是否落入全景背景图有效范围，修正超出有效范围的边界端点，形成理论空间边界；

16、读取所述理论空间边界四个边界端点在全景背景图中的横向物理坐标和纵向物理坐标，将横向物理坐标转换为全景背景图像素列坐标，将纵向物理坐标转换为全景背景图像素行坐标，按照像素列坐标的最小值和最大值确定横向裁剪范围，按照像素行坐标的最小值和最大值确定纵向裁剪范围，逐行读取横向裁剪范围内的全景背景图像素，按照所述理论空间边界剔除边界外部像素，对边界交叠位置执行像素坐标映射和灰度插值，保持裁剪区域的尺寸比例和空间方向，生成截取参考块。

17、较佳地，所述局部几何图的获取步骤为：

18、读取当前工作帧和截取参考块的灰度像素坐标，按照相邻像素灰度变化幅度确定边缘像素，连接梯度方向差未超过方向连续限值且像素间距未超过连接距离限值的边缘像素，形成候选线段轨迹，删除轨迹长度未达到长度筛选限值或中间像素偏离端点连线超过直线偏差限值的候选线段轨迹，合并方向角差未超过共线限值且端点间隙未超过端点距离限值的候选线段轨迹，分别获取当前工作帧长直线段集合和截取参考块长直线段集合，读取每条长直线段的起点坐标、终点坐标、方向角和线段长度，按照端点距离筛选空间相邻的长直线段，计算空间相邻长直线段的方向角差和线段长度比值，以长直线段建立节点，以方向角差、线段长度比值和端点距离建立节点连接关系，构建局部几何图。

19、较佳地，所述亚像素级空间对齐矩阵的获取步骤为：

20、读取所述局部几何图中每个节点的起点坐标、终点坐标、方向角、线段长度和节点连接数量，按照节点方向角差容限、线段长度比值容限和节点连接数量差值容限，从所述全局刚性线段拓扑图中筛选属性对应的候选节点，逐层比较候选节点相邻连接关系中的夹角排列、长度比值排列和端点距离排列，保留节点属性一致且相邻连接关系连续的节点组合，删除匹配线段数量未达到刚性结构数量限值或连接关系冲突数量超过冲突容限的节点组合，按照保留节点组合中的对应节点提取当前工作帧长直线段和截取参考块长直线段，形成同构刚性线段对，以每组所述同构刚性线段对的线段中心坐标为基准，沿线段方向扩展结构覆盖宽度，沿线段两端扩展端点覆盖距离，将重叠覆盖区域合并为连续掩膜区域，删除未被连续掩膜区域覆盖的扬尘干扰像素，建立局部结构掩膜；

21、分别提取当前工作帧和截取参考块中位于所述局部结构掩膜覆盖范围内的图像区域，将每个图像区域的结构中心坐标设为极坐标原点，按照像素至结构中心坐标的距离转换径向坐标，按照像素连线相对水平轴的方向转换角向坐标，对径向坐标执行对数间隔重排，形成对数极坐标图像区域，将所述对数极坐标图像区域的灰度变化分解至径向频率坐标和角向频率坐标，计算当前工作帧对应频率分量与截取参考块对应频率分量的共轭乘积，利用频率分量幅值乘积进行归一化，获得傅里叶-梅林互功率谱，定位傅里叶-梅林互功率谱中相关值超过峰值筛选限值且邻域相关值总和最大的坐标，获取频域相位相关峰值数据，根据径向峰值坐标换算尺度缩放因子，根据角向峰值坐标换算旋转参数，依据尺度缩放因子和旋转参数校正当前工作帧，再通过校正后对应像素的横向位移和纵向位移确定频域平移参数，对频域平移参数、旋转参数和尺度缩放因子执行亚像素插值修正，生成亚像素级空间对齐矩阵。

22、较佳地，所述空间扬尘散点的获取步骤为：

23、读取所述亚像素级空间对齐矩阵中的横向平移量、纵向平移量、旋转分量、尺度分量和透视分量，按照当前工作帧每个目标像素在全景背景图对应位置的反向坐标关系，逐像元计算当前工作帧源坐标，对落入相邻像素之间的源坐标，依据横向距离权重和纵向距离权重重构灰度值，对超出当前工作帧有效成像范围的源坐标标记为空置像元，按照全景背景图的像素行列基准排列重构像元，将当前工作帧的空间位置锚定至全景背景图对应位置，得到透视变换后的工作帧；

24、读取所述透视变换后的工作帧和全景背景图中相同像素坐标的灰度值，分别计算每个像素坐标沿水平方向的灰度变化量和沿垂直方向的灰度变化量，根据两个方向的灰度变化量确定梯度幅值，根据水平灰度变化量相对垂直灰度变化量的偏转关系确定梯度方向，逐像素计算所述透视变换后的工作帧对应梯度幅值和全景背景图对应梯度幅值的绝对差，计算两个梯度方向的最小环向差值，按照像素坐标记录梯度幅值差、梯度方向差和空间邻域变化连续程度，生成特征差分图；

25、根据所述特征差分图，按照像素坐标读取梯度幅值差、梯度方向差和空间邻域变化连续程度，根据全景背景图对应位置的局部梯度波动范围确定预设动态限值界限，保留梯度幅值差超过幅值限值界限且梯度方向差超过方向限值界限的像元坐标，删除孤立像元坐标和连续数量未达到连通数量限值的像元坐标，按照八邻域接触关系划分连通状态的相邻像元坐标集，读取每个相邻像元坐标集的横向坐标、纵向坐标、差分强度和扩散范围，依据横向坐标均值、纵向坐标均值及坐标离散程度设置聚类中心和协方差范围，循环计算每个像元坐标归属于不同聚类中心的概率，直至聚类中心位移未超过收敛限值，合并中心间距未超过归拢距离限值且扩散范围发生交叠的聚类结果，生成空间扬尘散点。

26、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

27、本发明中，基于硅酸盐水泥厂区堆场连续扫描帧生成全景背景图，并从全景背景图中提取宏观刚性结构轮廓，进一步以全局长直线段集合的夹角关系、长度比值关系构建全局刚性线段拓扑图，使厂区建筑边缘、料棚支架、输送廊道及设备框架形成具有稳定几何关联的空间参照基础，可降低光照波动、局部遮挡及扬尘扩散对背景参照可靠性的干扰；通过读取当前工作帧对应的绝对位置元数据，将相机朝向、俯仰状态及变焦状态映射至全景背景图，计算当前工作帧的理论空间边界并生成截取参考块，可将全景范围内的搜索过程压缩至具有物理对应关系的局部区域，减少无关背景参与匹配造成的误差及运算负担；通过当前工作帧和截取参考块中的长直线段构建局部几何图，再依据局部几何图和全局刚性线段拓扑图之间的结构对应关系提取同构刚性线段对，使配准依据由单一像素相似程度扩展为线段方向、长度比例及邻接结构共同约束，可在扬尘遮挡、纹理弱化或局部亮度变化情况下维持稳定匹配；围绕同构刚性线段对建立局部结构掩膜，可限制频域分析区域，削弱非刚性扬尘区域对旋转、缩放及平移参数解算的干扰，并由频域转换结果生成亚像素级空间对齐矩阵，使当前工作帧和全景背景图之间的细微位移获得补偿；在完成逆向透视变换后，对同一空间位置的图像梯度幅值及梯度方向执行差分，可突出扬尘引起的轮廓模糊、边缘衰减及局部扩散变化，同时抑制背景亮度整体升降造成的伪差异，再通过预设动态限值界限保留异常像元坐标集，对连通状态的相邻像元坐标集执行聚类，形成空间扬尘散点，从而提高扬尘目标在复杂工业背景中的检出稳定性、空间定位精度及连续监测一致性。