一种基于高光谱技术的塑料PET识别方法与流程

一种基于高光谱技术的塑料pet识别方法
技术领域
1.本发明涉及塑料pet识别技术领域，具体为一种基于高光谱技术的塑料pet识别方法。


背景技术：

2.塑料回收的作用和意义十分重大。在当今日益恶化，各种资源的日益缺乏的环境，塑料回收占有一席之地。它不仅有利于环境的保护、人类健康的保护，同时也有利于塑料工业的生产，国家的可持续发展。对塑料回收的展望也是乐观的。从现今环境、社会角度需要方面出发，塑料回收是处理塑料高耗油，难分解，破坏环境的最佳办法。
3.聚对苯二甲酸乙二酯(即塑料pet)作为塑料回收中最常见的一种塑料，其具有强度重量比、耐化学性、透明度、防碎、无毒无味等特性，被广泛应用于薄膜片材、包装瓶、电子电器、汽车配件、机械设备等领域。由于塑料pet自然降解困难，因此对环境污染较大。同时，由于塑料pet原料的价格较高，大约7000元/t～13000元/t，所以其回收价格大约在5000元/t左右。因此对塑料pet进行分选和回收具有较高的环境保护意义和经济价值。
4.国家标准《废塑料回收技术规范》(gb/t 39171-2020)已于2020年10月11日正式发布，并于2021年5月1日正式实施。该标准明确要求塑料分选应当遵循稳定、无二次污染的原则，并且分选后单一组分纯度达到90％的产品才可进行后期高值化利用。目前塑料pet分选回收的方法有很多，例如电选法、溶解分选法、密度分选法、人工分选识别、光电分选法(利用红外/近红外光谱)等。
5.其中电选法耗电量较大；溶解分选法和密度分选法伴随有废弃溶液的排放和处理，增加了环保压力和企业成本；人工分选识别则对工人的经验依赖性很大，存在人为失误导致的错误；光电分选法则是利用不同塑料在近红外光谱上的特征差异区分出塑料pet和非塑料pet，分选过程的能耗比前三种方法低，也没有额外的排放物需要处理，但是目前国内外塑料pet光电分选机目前价格在20万到100多万不等，价格昂贵、成本较高，限制了其在中小企业的应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于高光谱技术的塑料pet识别方法，其可实现塑料pet准确识别，可节省人力、物力，降低投入成本，同时可降低对环保的压力。
7.一种基于高光谱技术的塑料pet识别方法，其特征在于，该方法包括：
8.s1、将混合塑料平铺在黑色背景上，利用不同的高光谱成像仪分别采集混合塑料的高光谱原始影像数据；
9.s2、对所述高光谱原始影像数据进行预处理，获取高光谱反射率影像数据；
10.s3、根据高光谱反射率影像数据中不同塑料光谱反射率的差异，获取用于区分塑料pet和非塑料pet的光谱波长；
11.s4、基于高光谱反射率影像数据中不同塑料的光谱反射率计算不同塑料像元的归一化指数、比值指数；
12.s5、获取用于区分塑料pet和非塑料pet的归一化指数阈值、比值指数阈值、光谱反射率阈值；
13.s6、基于所述光谱反射率阈值、归一化指数阈值、比值指数阈值提取所述高光谱反射率影像数据中的塑料pet区域，获取塑料pet的识别效果图，实现塑料pet识别。
14.其进一步特征在于，
15.所述高光谱原始影像数据采集前，选取用于高光谱原始影像数据采集的高光谱成像仪，高光谱成像仪的光谱范围为900nm～2350nm；
16.所述高光谱成像仪包括：至少一种线性渐变滤光片成像技术的短波红外相机、至少两种透射式光栅成像技术的短波红外相机；
17.步骤s1，所述塑料混合物包括塑料pet、塑料pp、塑料pe、塑料pvc、塑料abs和耐温树脂；
18.步骤s2，对所述高光谱原始影像进行预处理，即将所述高光谱原始影像数据的数字量化值转化为光谱反射率，转化公式为：
19.，
20.其中，r
ref
表示反射率值，r
ref
小于等于1，dn
raw
表示原始数据的影像像元亮度值，dn
white
为参考板的影像像元亮度值，dn
dark
表示仪器暗背景噪声，r
white
表示参考板的光谱反射率；
21.步骤s3，用于区分塑料pet和非塑料pet的光谱波长为双通道波长，包括：1630nm和1700nm；
22.步骤s4，归一化指数ni计算公式为：ni＝(r
ref1700-r
ref 1630
)/(r
ref 1700
r
ref 1630
)；
23.其中，r
ref 1700
表示波长为1700的塑料pet或非塑料pet的光谱反射率，r
ref 1630
表示波长为1630的塑料pet或非塑料pet的光谱反射率；
24.比值指数ri的计算公式为：ri＝r
ref 1700
/r
ref 1630
；
25.步骤s5中，根据高光谱反射率影像数据中塑料pet与非塑料pet归一化指数ni的频率分布差异，确定所述归一化指数阈值；根据所述塑料pet的比值指数动态变化范围与非塑料pet的比值指数动态变化范围的差异，确定所述比值阈值；基于高光谱反射率影像数据中塑料pet与非塑料pet像元在波长为1630nm、1700nm处的光谱反射率值的频率分布差异，获取所述光谱反射率阈值；
26.波长1630nm处的光谱反射率值0.1为区分所述塑料pet与所述非塑料pet的光谱反射率阈值，所述归一化指数阈值为0.05，所述比值指数阈值为1.2。
27.采用本发明上述方法可以达到如下有益效果：本技术塑料pet识别方法采用光谱反射率阈值、归一化指数阈值、比值指数阈值综合判断的方式对塑料混合物中塑料pet进行识别，该方法能够准确获得塑料pet所在区域，从而实现塑料pet的准确识别，该识别基于高光谱技术实现，不存在废弃溶液的排放和处理、人为失误等问题，节省了人力、物力，从而降低了投入成本和对环保的压力。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明塑料pet、塑料pp、塑料pe、塑料pvc、塑料abs、耐温树脂和背景的光谱反射率曲线；
30.图2为本发明高光谱反射率影像中塑料pet像元和非塑料pet像元的归一化指数的频率分布图；
31.图3为本发明高光谱反射率影像中塑料pet像元和非塑料pet像元的比值指数的频率分布图；
32.图4为本发明高光谱反射率影像中塑料pet像元和非塑料pet像元在1630nm处光谱反射率值的频率分布图；
33.图5为本发明基于相机lambda-nir采集的高光谱反射率影像与该高光谱反射率影像中塑料pet的识别效果图；
34.图6为本发明基于相机gaiafiled pro-n17e采集的高光谱反射率影像与该高光谱反射率影像中塑料pet的识别效果图；
35.图7为本发明基于相机gaiafield pro-n235e-xe采集的高光谱反射率影像与该高光谱反射率影像中塑料pet的识别效果图；
36.图8为本发明塑料pet识别方法流程图。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.塑料pet属于环保高分子材料，产品按照形态及主要用途可以分为纤维级pet、瓶级pet以及薄膜级pet。纤维级pet主要应用于下游纺织行业，瓶级pet和薄膜级pet主要应用于下游包装行业，近年来全球需求稳定增长。2014-2020年间，全球瓶级pet市场需求从1934万吨增长至2876万吨，年复合增长率为6.84％，总体高于同期全球瓶级pet产能及产量增长率，且从2015年开始呈现出加速增长趋势，显示出瓶级pet作为新型的环保性包装材料具有良好的市场前景。因此快速、准确地对塑料pet进行分选和回收具有较高的环境保护意义和经济价值。但目前用于塑料pet识别的电选法、溶解分选法、密度分选法、人工分选识别、光电分选法等存在污染环境、人力及物力投入高或人为失误导致识别准确率低等问题。针对现有技术中存在的上述技术问题，以下提供了一种基于高光谱技术的塑料pet识别方法的
具体实施例，参考板影像采集前，选取用于多种混合塑料高光谱影像数据采集的高光谱成像仪，高光谱成像仪的光谱范围为900nm～2350nm；本实施例中，选取的高光谱成像仪包括：采用基于线性渐变滤光片成像技术的短波红外相机，型号为lambda-nir，透射式光栅成像技术的两款短波红外相机，型号为gaiafiled pro-n17e、gaiafield pro-n235e-xe，各相机参数如表1所示：
40.表1 lambda-nir、gaiafiled pro-n17e与gaiafield pro-n235e-xe参数
[0041][0042]
lambda-nir、gaiafiled pro-n17e与gaiafield pro-n235e-xe这三款高光谱成像仪(即相机)均通过specview采集分析软件获取不同塑料的高光谱影像数据。
[0043]
见图8，基于上述三款高光谱成像仪实现塑料pet识别的具体步骤包括：
[0044]
s1、将上述三款相机分别对应参考板(本实施例中，参考板为白板)进行自动曝光，采集参考板影像作为校正影像(本实施例中，背景为黑色布)，获取校正影像的像素值信息以及各个高光谱成像仪的暗背景像素值信息；再将待检测的混合塑料平铺放置于黑色背景上，采用高光谱成像仪采集获取多种混合塑料的高光谱原始影像数据；多种混合塑料包括塑料pet、塑料pp、塑料pe、塑料pvc、塑料abs和耐温树脂。
[0045]
s2、对所述高光谱原始数据进行预处理，混合塑料的高光谱反射率影像数据，具体地：采用如下转化公式，将背景影像、高光谱原始影像数据的数字量化值转化为光谱反射率，
[0046]
，
[0047]
其中，r
ref
表示反射率值，r
ref
小于等于1，dn
raw
表示原始数据的影像像元亮度值，dn
white
为参考板的影像像元亮度值，dn
dark
表示高光谱成像仪暗背景噪声，r
white
表示参考板的反射率。其中dn是digital number的简称，表示影像像元亮度值，记录影像的灰度值，无单位，是一个整数值，值大小与传感器(即高光谱成像仪)的辐射分辨率、地物发射率、大气
透过率和散射率等有关。r是reflectance的简称，代表物体(本技术中物体为塑料混合物)反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，其大小范围总是小于等于1，利用光谱反射率可以判断物体的性质。
[0048]
s3、根据高光谱反射率影像中不同塑料光谱反射率的差异，获取用于区分塑料pet和非塑料pet的光谱波长，具体地，绘制塑料pet、pp、pe、pvc、abs、耐温树脂和背景在波长1100nm～2000nm的光谱反射率曲线，见图1，其中塑料abs、pp、pe和pvc由于光谱反射率较高，其光谱反射率值以主纵坐标显示，横轴表示高光谱波长。塑料pet由于其透明性强，光信号穿透性强，因而光谱反射率较低，耐温树脂和背景呈灰色和黑色，吸收性强，因而光谱反射率也较低，因此将塑料pet、耐温树脂和背景的光谱反射率值以次纵坐标显示，以便观察其光谱的变化趋势。从图1可知，在1630nm附近，塑料pet光谱反射率曲线有明显的“低谷”位置，而其它塑料和背景在波长1630nm附近其反射率曲线呈现缓慢下降趋势，无明显的“低谷”位置。在波长1700nm附近，塑料pet光谱反射率曲线呈上升趋势，其光谱反射率值高于波长1630nm附近的反射率值，而其它塑料和背景则在波长1700nm有较为明显的“低谷”位置，且光谱反射率值低于波长1630nm附近的光谱反射率值。因此可以通过选择波长1630nm和波长1700nm作为区分塑料pet和非pet的两通道组合。
[0049]
s4、基于高光谱反射率影像中不同塑料的光谱反射率计算不同塑料像元的归一化指数、比值指数，其中，归一化指数为近红外区与红光区的光谱反射率差值/近红外区与红光区的光谱反射率和值，本发明计算归一化指数(用ni表示)的计算公式如下：
[0050]
ni＝(r
ref1700-r
ref 1630
)/(r
ref 1700
r
ref 1630
)；
[0051]
比值指数为近红外区与红光区的光谱反射率比值，比值指数(用ri表示)的计算公式为：
[0052]
ri＝r
ref 1700
/r
ref 1630
；
[0053]
其中，r
ref 1700
表示波长为1700nm的塑料pet像元或非塑料pet像元的光谱反射率，r
ref 1630
表示波长为1630nm的塑料pet像元或非塑料pet像元的光谱反射率。
[0054]
s5、获取用于区分塑料pet和非塑料pet的归一化指数阈值、比值指数阈值、光谱反射率阈值；具体地，通过高光谱反射率影像中塑料pet所在区域的ni数值动态变化范围与非塑料pet区域的ni数值变化动态范围的差异，设定ni阈值(即归一化指数阈值)，从图2高光谱反射率影像中塑料pet像元和非塑料pet像元的ni值的频率分布图可知，当ni值为0.05时，塑料pet像元的ni值频率曲线与非塑料pet像元的ni值频率曲线相交，当ni值大于0.05时，高光谱反射率影像中的像元则大部分为塑料pet的像元，因此，确定归一化指数阈值为0.05。
[0055]
通过高光谱反射率影像中塑料pet所在区域的ri数值动态变化范围与非塑料pet区域的ri数值动态变化范围的差异，设定ri阈值，从图3高光谱反射率影像中塑料pet和非塑料pet像元的ri值的频率分布图可知，当ni值为1.2时，塑料pet像元的ri值频率曲线与非塑料pet像元的ri值频率曲线相交，当ni阈值(比值指数阈值)设定大于1.2时，高光谱反射率影像中的像元则大部分为塑料pet的像元，因此，确定比值指数阈值为1.2。
[0056]
通过影像中塑料pet所在区域的波长为1630nm的光谱反射率值动态变化范围与非塑料pet区域的波长为1630nm的光谱反射率值变化动态范围的差异，设定波长为1630nm的光谱反射率值为光谱反射率阈值，从图4高光谱反射率影像中塑料pet和非塑料pet像元在
波长1630nm处的光谱反射率值的频率分布图可知，当波长1630nm处的光谱反射率值小于0.1时，高光谱反射率影像中的像元则大部分为塑料pet像元。从图1可以看出，在波长1700nm处，塑料pp和塑料pe的光谱反射率值与塑料pet的光谱反射率值非常接近，所以无法仅利用波长1700nm处的光谱反射率值设定为区分塑料pet和非pet的光谱反射率阈值，因此，将波长1630处的光谱反射率值作为光谱反射率阈值，确定光谱反射率阈值为0.1。
[0057]
s6、基于所述光谱反射率阈值、归一化指数阈值、比值指数阈值提取所述高光谱反射率影像中的塑料pet区域(光谱反射率阈值、归一化指数阈值、比值指数阈值交集的区域即为pet区域)，获取塑料pet的识别效果图，实现塑料pet识别。上述步骤s2～s6中的高光谱反射率影像具体处理分析，均通过处理器处理实现，并可通过显示器对所提取的塑料pet图像进行显示，从而实现塑料pet的可视化识别。
[0058]
图5、图6、图7给出了通过筛选的短波红外双通道，识别塑料pet的效果图，图5中5a为采用lambda-nir相机采集的混合塑料高光谱反射率影像，图5中5b为采用本技术识别方法提取的塑料pet效果图，图6中6a为采用gaiafiled pro-n17e相机采集的混合塑料高光谱反射率影像，图6中6b为采用本技术识别方法提取的塑料pet效果图，图7中7a为采用gaiafield pro-n235e-xe相机采集的混合塑料高光谱反射率影像，图6中6b为采用本技术识别方法提取的塑料pet效果图，从图5中5b、图6中6b、图7中7b可以看出，采用本技术确定光谱反射率阈值、归一化指数阈值、比值指数阈值的综合作用，可快速、准确、可视化地识别塑料pet。
[0059]
以上的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在发明的保护范围之内。