一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统及方法

1.本发明涉及综采工作面测量技术领域，尤其涉及一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统及方法。


背景技术：

2.煤矸自动识别是综放开采实现智能化的关键核心技术。目前煤矸石识别存在的主要问题是识别精度和效率低。采用图像处理方法进行煤矸识别是目前最有潜力的识别方法之一。然而，因为矸石是混合在煤中的黑灰色固体废弃物，图像识别存在的主要问题是由于煤与煤矸石颜色相近，识别精度低。此外，井下矿井照度低、粉尘厚，进一步降低了识别效率。
3.近年来基于红外图像的煤矸智能识别技术备受关注。这种方法利用了红外热像仪在恶劣条件下有精准读取目标温度、超远距离探测和超强识别隐蔽目标的优势，但在使用红外热像仪测温时，一般应该将红外仪的发射率调整到和被测物体发射率相对应，目前煤矸识别所使用的红外仪发射率需要手动设置，且红外仪中可见光拍照模式与红外图像拍照模式的切换也需要手动进行，提取出来的图片连续性差，这大大降低了红外图像煤矸识别的效率和精度。
4.因此，提出一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统及方法，来提高识别精度和效率，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统及方法，实现煤和矸石的实时精准识别。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统，包括依次连接的测量模块、分析模块和判断模块；
8.所述测量模块，用于获取煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像；
9.所述分析模块，用于对所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像进行预处理后计算所述煤矸的混矸率；
10.所述判断模块，用于将所述煤矸的混矸率与设定值进行比较，根据比较结果发出控制放煤口的指令。
11.可选的，所述测量模块包括可见光/红外拍照单元、模式自动切换单元和发射率自动调节单元；所述模式自动切换单元和所述发射率自动调节单元均与所述可见光/红外拍照单元的输入端连接；所述可见光/红外拍照单元的输出端与所述测量模块的输出端口连接；
12.所述模式自动切换单元，用于控制所述可见光/红外拍照单元进行可见光拍照模式和红外拍照模式的自动切换；
13.所述发射率自动调节单元，用于在所述红外拍照模式下根据所述煤矸的结构差异自动调节红外发射率的取值；
14.所述可见光/红外拍照单元，用于根据所述模式自动切换单元和所述发射率自动调节单元进行对应模式和发射率拍照，采集所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像。
15.可选的，所述分析模块包括图像预处理单元和计算单元，所述图像预处理单元的输出端与所述计算单元的输入端连接，所述图像预处理单元的输入端与所述分析模块的输入端口连接，所述计算单元的输出端与所述分析模块的输出端口连接；
16.所述图像预处理单元，用于对所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像进行预处理，得到预处理后的所述煤矸的可见光图像和预处理后的所述煤矸的红外图像；
17.所述计算单元，用于利用所述预处理后的所述煤矸的可见光图像计算煤矸总面积，利用所述预处理后的所述煤矸的红外图像计算煤的面积，最后计算所述煤矸的混矸率。
18.可选的，所述混矸率的计算公式如下：
[0019][0020]
式中，r
mr
为煤矸混合图像中混矸率，单位为％；sc为图像范围内煤的面积，单位为m2；s为图像范围内煤和矸石的总面积，单位为m2。
[0021]
可选的，所述判断模块包括依次连接的比较单元和指令输出单元，所述比较单元的输入端与所述判断模块的输出端口连接，所述指令输出单元的输出端与所述判断模块的输出端口连接；
[0022]
所述比较单元，用于将所述煤矸的混矸率与所述设定值进行比较，若所述煤矸的混矸率》所述设定值，则发出关闭放煤口指令，反之，发出继续放煤的指令；
[0023]
所述指令输出单元，用于将所述关闭放煤口指令或所述继续放煤的指令输出至执行机构。
[0024]
可选的，还包括存储模块，所述测量模块、所述分析模块和所述判断模块的输出端均与所述存储模块的输入端连接，用于存储所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像、所述煤矸的混矸率和所述控制放煤口的指令。
[0025]
一种利用上述的一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统的识别方法，包括以下步骤：
[0026]
s101.获取所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像；
[0027]
s201.对所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像进行预处理后计算所述煤矸的混矸率；
[0028]
s301.将所述煤矸的混矸率与设定值进行比较，根据比较结果发出控制放煤口的指令。
[0029]
可选的，所述s101具体包括以下步骤：
[0030]
s1011.利用所述模式自动切换单元控制所述可见光/红外拍照单元处于所述可见光拍照模式，进行所述煤矸的拍照，获取所述煤矸的可见光图像；
[0031]
s1012.所述模式自动切换单元将所述可见光/红外拍照单元切换至所述红外拍照模式，所述发射率自动调节单元在所述红外拍照模式下根据所述煤矸的结构差异自动调节
红外发射率的取值；
[0032]
s1013.基于所述红外发射率的取值进行红外模式拍照，获取所述煤矸的红外图像。
[0033]
可选的，所述s201具体包括以下步骤：
[0034]
s2011.对所述煤矸的可见光图像和所述煤矸的红外图像进行预处理，得到预处理后的所述煤矸的可见光图像和预处理后的所述煤矸的红外图像；
[0035]
s2012.利用所述预处理后的所述煤矸的可见光图像计算煤矸总面积，利用所述预处理后的所述煤矸的红外图像计算煤的面积，最后计算所述煤矸的混矸率。
[0036]
可选的，所述s301具体包括以下步骤：
[0037]
s3011.用于将所述煤矸的混矸率与所述设定值进行比较，若所述煤矸的混矸率》所述设定值，则发出关闭放煤口指令，反之，发出继续放煤的指令；
[0038]
s3012.将所述关闭放煤口指令或所述继续放煤的指令输出至执行机构。
[0039]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统及方法：1)通过自动切换可见光模式和红外模式，提高了煤矸采集效率；2)通过自动调节红外发射率，提高了煤矸温度的测量精度使煤矸红外图像差异显著；3)根据可见光采集煤和矸石表面图像信息计算煤矸总面积，红外仪通过红外采集煤表面图像信息计算煤的面积，定量得到混矸率，可以准确对煤矸进行识别；4)此装置能够解决工作面多粉尘、潮湿、昏暗等恶劣环境导致的煤矸人工识别精度不高的问题，使工人远离液压支架操作区域，降低工人劳动强度。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0041]
图1为本发明提供的一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统结构框图；
[0042]
图2为本发明提供的测量模块结构框图；
[0043]
图3为本发明提供的分析模块结构框图；
[0044]
图4为本发明提供的判断模块结构框图；
[0045]
图5为本发明提供的一种基于可见光/红外图像的煤矸识别方法流程图；
[0046]
图6为本发明提供的s101的具体步骤；
[0047]
图7为本发明提供的s201的具体步骤；
[0048]
图8为本发明提供的s301的具体步骤；
[0049]
图9为本发明提供的一种基于可见光/红外图像的煤矸识别装置示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
参照图1所示，一种基于可见光/红外图像的煤矸识别系统，包括依次连接的测量模块、分析模块和判断模块；
[0052]
测量模块，用于获取煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像；
[0053]
分析模块，用于对煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像进行预处理后计算煤矸的混矸率；
[0054]
判断模块，用于将煤矸的混矸率与设定值进行比较，根据比较结果发出控制放煤口的指令。
[0055]
进一步的，参见图2所示，测量模块包括可见光/红外拍照单元、模式自动切换单元和发射率自动调节单元；模式自动切换单元和发射率自动调节单元均与可见光/红外拍照单元的输入端连接；可见光/红外拍照单元的输出端与测量模块的输出端口连接；
[0056]
模式自动切换单元，用于控制可见光/红外拍照单元进行可见光拍照模式和红外拍照模式的自动切换；
[0057]
发射率自动调节单元，用于在红外拍照模式下根据煤矸的结构差异自动调节红外发射率的取值；
[0058]
具体实现方式为：
[0059]
根据煤矸可见光图像获得煤矸表面结构的特征，大致判断煤矸所属的岩性种类，进而确定该种类所对应的发射率，并将该值自动设置为红外仪的发射率。
[0060]
可见光/红外拍照单元，用于根据模式自动切换单元和发射率自动调节单元进行对应模式和发射率拍照，采集煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像。
[0061]
进一步的，模式自动切换单元可为转化器，发射率自动调节单元可为发射率调节器，可见光/红外拍照单元可为可见光/红外仪。
[0062]
进一步的，参见图3所示，分析模块包括图像预处理单元和计算单元，图像预处理单元的输出端与计算单元的输入端连接，图像预处理单元的输入端与分析模块的输入端口连接，计算单元的输出端与分析模块的输出端口连接；
[0063]
图像预处理单元，用于对煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像进行预处理，得到预处理后的煤矸的可见光图像和预处理后的煤矸的红外图像；
[0064]
计算单元，用于利用预处理后的煤矸的可见光图像计算煤矸总面积，利用预处理后的煤矸的红外图像计算煤的面积，最后计算煤矸的混矸率。
[0065]
更进一步的，混矸率的计算公式如下：
[0066][0067]
式中，r
mr
为煤矸混合图像中混矸率，单位为％；sc为图像范围内煤的面积，单位为m2；s为图像范围内煤和矸石的总面积，单位为m2。
[0068]
更进一步的，图像预处理单元可为图像优化器。
[0069]
进一步的，参见图4所示，判断模块包括依次连接的比较单元和指令输出单元，比较单元的输入端与判断模块的输出端口连接，指令输出单元的输出端与判断模块的输出端口连接；
[0070]
比较单元，用于将煤矸的混矸率与设定值进行比较，若煤矸的混矸率》设定值，则
发出关闭放煤口指令，反之，发出继续放煤的指令；
[0071]
指令输出单元，用于将关闭放煤口指令或继续放煤的指令输出至执行机构。
[0072]
更进一步的，判断模块可为pc电脑终端，比较单元可为比较器。
[0073]
进一步的，还包括存储模块，测量模块、分析模块和判断模块的输出端均与存储模块的输入端连接，用于存储煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像、煤矸的混矸率和控制放煤口的指令。
[0074]
参见图5所示，本发明还公开了一种基于可见光/红外图像的煤矸识别方法，包括以下步骤：
[0075]
s101.获取煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像；
[0076]
s201.对煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像进行预处理后计算煤矸的混矸率；
[0077]
s301.将煤矸的混矸率与设定值进行比较，根据比较结果发出控制放煤口的指令。
[0078]
进一步的，参见图6所示，s101具体包括以下步骤：
[0079]
s1011.利用模式自动切换单元控制可见光/红外拍照单元处于可见光拍照模式，进行煤矸的拍照，获取煤矸的可见光图像；
[0080]
s1012.模式自动切换单元将可见光/红外拍照单元切换至红外拍照模式，发射率自动调节单元在红外拍照模式下根据煤矸的结构差异自动调节红外发射率的取值；
[0081]
s1013.基于红外发射率的取值进行红外模式拍照，获取煤矸的红外图像。
[0082]
更进一步的，模式自动切换单元通过设定固定时间间隔实现可见光拍照模式和红外拍照模式的自动交替切换。
[0083]
进一步的，参见图7所示，s201具体包括以下步骤：
[0084]
s2011.对煤矸的可见光图像和煤矸的红外图像进行预处理，得到预处理后的煤矸的可见光图像和预处理后的煤矸的红外图像；
[0085]
s2012.利用预处理后的煤矸的可见光图像计算煤矸总面积，利用预处理后的煤矸的红外图像计算煤的面积，最后计算煤矸的混矸率。
[0086]
进一步的，s2011中进行可见光图像和红外图像预处理的手段包括但不限于去除背景、对比度增强、二值化、形态学运算。
[0087]
进一步的，参见图8所示，所述s301具体包括以下步骤：
[0088]
s3011.用于将煤矸的混矸率与设定值进行比较，若煤矸的混矸率》设定值，则发出关闭放煤口指令，反之，发出继续放煤的指令；
[0089]
s3012.将关闭放煤口指令或继续放煤的指令输出至执行机构。
[0090]
更进一步的，设定值可根据不同的区域、不同煤矿的条件进行设置，同时用户也可自主设置。
[0091]
在一个具体实施例中，本发明公开了一种基于可见光/红外图像的煤矸识别装置的结构示意图，具体参见图9所示，包括：控制器1、工业相机镜头2、聚光灯3、发射率调节器4、温度传感器5、转换器6、存储器7、图像预处理器8和pc电脑终端9。
[0092]
工业相机镜头2与聚光灯3分别设置与控制器1的下方，发射率调节器4、温度传感器5与转换器6分别置于控制器1内部，控制器1与存储器7连接，存储器7与图像预处理器8连接，图像预处理器8和控制器1与pc电脑终端9连接，pc电脑终端9控制执行系统实现液压支架的开闭。
[0093]
工业相机镜头2适用于井下黑暗的环境，它照射距离远和拍摄画质细腻清晰，增加图像的清晰度和区分度，聚光灯3用于井下光线较弱时，拍照单元/相机镜头可以更清楚的采集到可见光图像，发射率调节器4可以根据煤矸结构差异自动调节发射率，转换器6可以实现可见光图像与红外图像极短时间内自动切换拍照，图像预处理器8可以对煤矸的可见光图像和红外图像进行预处理。
[0094]
本发明可实现可见光图像与红外图像极短时间内自动切换拍照，自动调节红外仪的发射率，提高煤矸测温准确率，使红外图像煤矸差异显著，根据可见光采集煤和矸石表面图像信息计算煤矸总面积，红外仪通过红外采集煤表面图像信息计算煤的面积，得到混矸率，利用得到的混矸率与预设值进行比较结果，执行液压支架放煤口的开闭控制。
[0095]
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。