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专利名称：一种棉花异纤剔除装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光电一体化及自动化领域，具体涉及一种采用CCD面阵相机阵列及GPU并行处理技术的棉花异纤剔除装置。
背景技术：
棉花在采摘、晾晒、扎花及运输过程中不可避免的会混入诸如头发丝、麻丝、羽毛、纸片等异性纤维(俗称“三丝”)，异纤纤维的混入造成棉纺制品的质量下降，给企业造成巨大的损失，故棉花异性纤维的清除是纺织品工艺中不可或缺的步骤。随着机器视觉及自动化检测技术的发展，棉花自动异纤清除装置也随之产生。现有的基于机器视觉的棉花异纤剔除装置绝大部分采用的都是线阵CCD相机，线阵相机价格昂贵、需要专有的图像采集卡及电源，同时线阵相机的镜头体积很大、价格昂贵且镜头焦距较大使得物距很远从而使图像采集单元占用很大的空间；其次图像处理部分单元或采用专用的硬件方式来实现图像处理(典型的是DSP及FPGA)，这势必造成开发难度的加大，或采用降低棉流运动速度及简化图像处理算法的方式来满足在线检测的需求，这都不太满足工业生产的需求。

实用新型内容针对现有棉花异纤剔除装置的不足，本实用新型对现有棉花异纤剔除装置进行了一些改进，采用多个面阵CCD相机阵列作为图像采集单元，采用CPU+GPU异构系统作为图像处理单元，其中GPU负责图像算法的运算，而CPU则辅助GPU完成运算及完成图像采集、显示等控制相关的操作，GPU和CPU各自做它们擅长的事情，使图像处理速度及处理效果都能满足工业现场的需求。本实用新型是通过以下技术方案实现的:包括检测通道、图像采集单元、图像处理单元、执行单元和电磁阀；图像采集单元由面阵CCD相机阵列、前向照明光源、背向照明光源组成；前向照明光源与面阵相机阵列位于检测通道的同一侧，背向照明光源位于检测通道的另一侧且正对着相机阵列；前向照明光源由上下两部分组成且与检测通道的轴向成四十五度角设置，前向照明光源和背向照明光源都由四根高亮的高频荧光灯组成；面阵相机阵列位于前向照明光源上下两部分的正中间；采集到的图像数据通过USB线传送至图像处理单元中；图像处理单元将图像处理结果输出相应的控制数据经USB传送给执行单元的单片机，单片机控制相应电磁阀的开启与关闭。面阵CCD相机阵列通过螺栓固定在相机固定底座钢板上，相机固定底座钢板上设有两条与螺母等宽度的缝隙，面阵CCD相机在缝隙中自由移动；相机固定底座钢板通过螺栓安装在高度自由调整的钢条支架上，这样相机阵列能够根据需要拍摄的面积灵活调整左右位置及上下高度，同时选用可变焦的面阵相机镜头，使每个相机拍摄到的图像面积能根据需要灵活的调整，这样能非常方便的使相邻相机拍摄的视场刚好相交，不致于产生重叠。为了能同时拍摄检测通道两个表面的图像，在检测通道的两边都安装了图像采集单元。采集到的图像数据直接通过USB线传送至图像处理单元中。图像处理单元采用CPU+GPU异构系统作为图像处理单元，GPU处理图像数据的算法，CPU辅助GPU完成运算及控制。图像处理单元通过在普通工控机里安装高性能的显卡组成，采用CPU+GPU异构系统并行的处理采集到的图像数据，极大地缩短图像处理时间，满足工业现场在线高速检测的要求。本实用新型的有益效果如下:1、本实用新型的相机采用面阵(XD相机阵列，相机成本低，相机只需通过USB与PC机就可进行数据传输，不需要额外配置电源，且面阵相机的镜头体积小、价格便宜、焦距小可使相机离拍摄面很近，使得整个图像采集单元的成本及占用的空间都显著下降。2、本实用新型的图像处理单元采用CPU+GPU异构系统的构架，GPU通过并行处理图像数据，大大缩短了图像处理算法的时间，CPU能更专注于控制方面的内容，使装置既满足实时性的要求又能满足异纤杂质识别率的要求。

图1是本实用新型的装置结构示意图。图2是本实用新型的相机阵列安装结构图。图3是本实用新型的相机阵列拍摄视场示意图。图4是本实用新型的装置工作框图。图5是本实用新型的CPU+GPU异构系统的示意图。图中，1，入棉口 ；2，检测通道；3，剔除区域；4，出棉口 ；5，棉流管道；6，背向照明光源；7，前向照明光源；8，面阵CCD相机阵列；9，图像处理单元；10，执行单元；11，电磁阀；12，高压储气罐；13，异纤收集箱；14，风机；15，相机固定底座钢板；16，安装缝隙；17，底座钢板安装螺孔；18，面阵相机；19，相机镜头；20，相机底座；21，相机固定螺孔。
具体实施方式
从图1可以看出本实用新型的具体工作过程。本实用新型的工作过程如下:含有异性纤维的棉花首先经过开松后，形成约10_厚的棉层从入棉口 I进入棉花异纤检测通道5中，在牵引风机14的作用下棉层高速通过检测区域2，面阵CCD相机阵列8在高亮度照明光源6和7的照射下拍摄棉流图像，图像数据通过USB线送到由CPU+GPU异构系统组成的图像处理单元9中，经9中的高性能GPU快速并行处理后，再将检测到的异纤杂质结果通过USB接口传送到喷嘴控制电路10的单片机中，单片机根据检测区与除杂区的距离和棉流运动速度经过一定延时后，控制对应的电磁阀11开启一段时间，高压储气罐12中的高压气体喷出将对应位置的异性纤维清除，异性纤维被吹入杂质搜集箱13中，当杂质收集箱13中的异性纤维达到一定量后再被一同清理掉，而不含异纤纤维的棉花则从出棉口 4进入下一道工序，从而完成棉花异性纤维的在线快速自动清除。本实用新型的图像采集单元采用面阵C⑶相机阵列8，为满足工业现场幅宽及异纤杂质分辨率的要求，一般需要4个面阵相机横向排列。由图2的面阵CCD相机阵列8的相机阵列安装结构图可以看出:相机固定底座钢板15和两个狭长的安装缝隙16，这样面阵相机18在安装的过程中就可以根据现场的实际情况进行左右的移动实现拍摄宽度的调整，相机通过相机底座20的相机固定螺孔21经安装缝隙16由螺丝固定在相机固定底座钢板15上，这样就实现了安装时的灵活调试以及工作时的稳定牢固，相机镜头19选用焦距较小的可变焦镜头实现拍摄区域大小的调整，而整个底座钢板通过四周的底座钢板安装螺孔17由螺丝固定在高度可调的支架上，实现对不同环境的灵活调整，满足不同条件的需要。相机拍摄的图像区域示意图如图3所示，使每个相机的拍摄区域紧密相接，避免漏拍的现象发生。如图4所示，当棉流高速地从图像采集窗口流过时，高速的面阵(XD相机采集棉花图像，这里假设面阵相机为640*480个像素点，拍摄宽度为2(T30cm，为满足工业现场1.2m幅宽的需求，采用4个面阵相机并排组合的方式如图2所示，这样4个相机同时将1.2m宽的棉流图像采集到，然后经USB线将图像数据传输到PC机内存中，由于面阵相机一次就完成一帧图像的采集，所以对光照的均匀性及亮度均提出了很高的要求；每一帧图像所拍摄的高度也是有要求的，假设面阵相机每秒能够采集60帧的图像数据，则每帧图像花费平均时间为1/60=16.7ms,设棉流的速度为10m/s,为了使棉花不出现漏拍的情况,则每巾贞图像所拍摄棉花的高度至少为16.7cm,由于相机的像素为640*480，为满足比例关系，当拍摄的宽度为30cm时高度为22.5cm，可通过适当减小宽度使拍摄图像的高度在17cm左右，这样就能够满足棉流拍摄的连续性而不出现漏拍的现象，且相邻上下帧图像只出现小部分的重叠区域。由于每帧图像数据产生的时间间隔平均为16.7ms，为了不出现数据的泄漏，必须使每帧图像数据得到及时的处理，故每帧图像数据的处理算法总的时间不能超过16.7ms，对大数据量进行快速地运算处理，这也是当前各装置的最大瓶颈。本实用新型采用了 CPU+GPU异构系统作为图像处理单元，由GPU负责图像数据的算法处理，而CPU辅助GPU完成运算及做其他控制方面的任务。由于GPU含有成百上千个处理核心，能同时并行处理大量的图像数据，对具有大量并行运算的图像处理算法具有很好的加速效果，能提高几十甚至上百倍的速度。如图5所示，CPU将4个面阵相机的图像数据一起传送到GPU显存里，经GPU并行处理后将处理结果传回到主机内存中，CPU根据图像处理结果输出相应的控制数据经USB传送给执行单元的单片机，单片机控制相应电磁阀的开启与关闭从而将异性纤维连同少量棉花纤维一同剔除掉，实现棉花异纤的在线清除，提高棉纺织品的质量。由于GPU对并行算法才有很好的加速效果，而对大量的串行算法无法起到加速的效果，故对棉花异纤清除的整个算法也是有一定要求的，必须寻求适合GPU运算的算法，而一些经典的图像处理算法就必须放弃。
权利要求1.一种棉花异纤剔除装置，其特征在于，包括检测通道(2)、图像采集单元、图像处理单元、执行单元(10)和电磁阀(11);图像采集单元由面阵C⑶相机阵列(8)、前向照明光源(7)、背向照明光源(6)组成；前向照明光源(7)与面阵C⑶相机阵列(8)位于检测通道(2)的同一侧，背向照明光源(6)位于检测通道(2)的另一侧且正对着面阵C⑶相机阵列(8)；前向照明光源(7)由上下两部分组成且与检测通道的轴向成四十五度角设置，前向照明光源(7)和背向照明光源(6)都由四根高亮的高频荧光灯组成；面阵CCD相机阵列(8)位于前向照明光源(7)上下两部分的正中间；采集到的图像数据通过USB线传送至图像处理单元(9)中；图像处理单元(9)将图像处理结果输出相应的控制数据经USB传送给执行单元(10)的单片机，单片机控制相应电磁阀(11)的开启与关闭。
2.根据权利要求1所述的一种棉花异纤剔除装置，其特征在于，所述图像处理单元(9)采用CPU+GPU异构系统作为图像处理单元，GPU处理图像数据的算法，CPU辅助GPU完成运算及控制。
3.根据权利要求1所述的一种棉花异纤剔除装置，其特征在于，所述面阵CCD相机阵列(8)通过相机固定螺孔(21)固定在相机固定底座钢板(15)上,相机固定底座钢板(15)上设有两条与螺母等宽度的安装缝隙(16)，面阵CCD相机在安装缝隙(16)中自由移动；相机固定底座钢板(15)通过底座钢板安装螺孔(17)安装在高度自由调整的钢条支架上。
专利摘要本实用新型涉及纺织自动化仪器技术领域中的一种棉花异纤剔除装置，包括多个面阵CCD相机组成的图像采集单元(8)，CPU+GPU异构系统组成的图像处理单元(9)及杂质剔除执行单元(10)和其他辅助单元。通过采用多个面阵CCD相机组成的阵列既满足了对杂质分辨率的要求同时又降低了相机的成本，相机接口更简单；采用CPU+GPU异构系统组成的图像处理单元，GPU并行进行图像数据的处理，而CPU负责辅助GPU完成运算以及其他显示和控制方面的任务，这样使CPU和GPU各自发挥自己的优势，使整个装置能够满足工业现场对实时性的严格要求。
文档编号G01N21/89GK202921575SQ201220224190
公开日2013年5月8日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者熊湘, 张荣标 申请人:江苏大学