Laser triangulation in 3-dimensional granulometric analysis

• Autorzy: Heyduk A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0002

Warianty tytułu

PL

Triangulacja laserowa w trójwymiarowych pomiarach składu ziarnowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The measurement of the particle size distribution plays an important role in mineral processing. Due to the high costs and time-consumption of the screening process, modern machine vision methods based on the acquisition and analysis of recorded photographic images. But the image analysis methods used so far, do not provide information on the three-dimensional shape of the grain. In the coal industry, the application scope of these methods is substantially limited by the low reflectivity of the black coal particle surface. These circumstances hinder proper segmentation of coal stream surface image. The limited information contained in two-dimensional image of the raw mineral stream surface, makes it difficult to identify proper size of grains partially overlapped by other particles and skewed particles. Particle height estimation based on the shadow length measurement becomes very difficult in industrial environment because of the fast movement of the conveyor belt and because of spatial arrangement of these particles, usually touching and overlapping. Method of laser triangulation connected with the movement of the conveyor belt makes it possible to create three-dimensional depth maps. Application of passive triangulation methods (e.g. stereovision) can be impeded because of the low contrast of the black coal on the black conveyor belt. This forces the use of active triangulation methods, directly identifying position of the analyzed image pixel. High contrast of the image can be obtained by a direct pointwise laser lighting. For the simultaneous identification of the entire section of the raw material stream it is useful to apply a linear laser (a planar sheet of the laser light). There have been presented basic formulas for conversion of pixel position on the camera CCD matrix to the real-word coordinates. A laboratory stand has been described. This stand includes a linear laser, two high-definition (2Mpix) cameras and stepper motor driver. The triangulation head moves on the rails along the belt conveyor section. There have been compared acquired depth maps and photographic images. Depth maps much better describe spatial arrangement of coal particles, and have a much lower noise level resulting from the specular light reflections from the shiny fragments of the particle surface. This makes possible an identification of the coal particles partially overlapped by other particles and obliquely arranged particles. It enables a partial elimination or compensation of image disturbances affecting the final result of the estimated particle size distribution. Because of the possibility of the reflected laser beam overriding by other particles it is advantageous to use a system of two cameras. Results of the experimental research confirmed the usefulness of the described method in spite of low reflectance factor of coal surface. The fast detection of changes in particle size distribution makes possible an on-line optimization of complex technological systems - especially those involving coal cleaning in jigs - thus leading to better stabilization of quality parameters of the enrichment output products. An additional application of the described method can be achieved by measuring the total volume of the stream of the transported materials. Together with the measurement signal from the belt conveyor weight it makes possible to estimate the bulk density of the raw mineral stream. The low complexity of the signal processing in the laser triangulation method is associated with the acquisition of high contrast images and analysis based on simple trigonometric dependencies.

PL

Pomiar składu ziarnowego odgrywa istotną role w przeróbce surowców mineralnych. Ze względu na wysoką czasochłonność procesu przesiewania duże znaczenie nabierają metody wizyjne, oparte na akwizycji i analizie obrazów fotograficznych. Dotychczas stosowane metody analizy obrazu nie zapewniają informacji o trójwymiarowym kształcie ziarna. Zakres stosowania tych metod w przemyśle węglowym ograniczony jest niskim współczynnikiem odbicia powierzchni węgla utrudniającym właściwą segmentację obrazu. Ograniczenia dwuwymiarowego obrazu powierzchni strumienia materiału ziarnistego utrudniają identyfikację właściwego rozmiaru ziaren częściowo przesłoniętych przez inne ziarna oraz ziaren ułożonych ukośnie. Wyznaczanie wysokości ziaren na podstawie pomiaru długości cienia staje się w warunkach przemysłowych utrudnione przez szybki ruch taśmy przenośnika oraz przestrzenne ułożenie ziaren, często stykających się ze sobą. Metoda triangulacji laserowej w połączeniu z ruchem taśmy przenośnikowej umożliwia tworzenie trójwymiarowych map głębi. Zastosowanie metod triangulacji pasywnej (np. stereowizyjnych) jest utrudnione ze względu na niski kontrast obrazu czarnego węgla na czarnej taśmie przenośnika. Zmusza to do stosowania metod triangulacji aktywnej, bezpośrednio identyfikujących analizowany punkt obrazu. Duży kontrast przetwarzanych obrazów uzyskuje się za pomocą oświetlenia wiązką lasera. Dla jednoczesnej identyfikacji wysokości całego fragmentu strumienia materiału celowe jest zastosowanie lasera liniowego. Przedstawiono podstawowe zależności umożliwiające przeliczenie położenia punktów obrazu na przetworniku kamery na współrzędne w układzie rzeczywistym. Opisano stanowisko doświadczalne obejmujące laser liniowy, dwie kamery o rozdzielczości HD (2Mpix) oraz sterownik silników krokowych, przesuwających po szynach układ triangulacyjny nad taśmą przenośnika. Porównano uzyskane mapy głębi oraz obrazy fotograficzne. Mapy głębi znacznie lepiej opisują przestrzenne ułożenie ziaren oraz charakteryzują się mniejszym szumem wynikającym z odbicia światła od błyszczących fragmentów powierzchni ziaren. Pozwala to na identyfikację ziaren częściowo przesłoniętych przez inne ziarna oraz ziaren ułożonych ukośnie. Umożliwia to częściową eliminację lub kompensację zakłóceń wpływających na wynik analizy składu ziarnowego. Ze względu na możliwość przesłonięcia odbitej wiązki laserowej przez inne ziarna celowe jest zastosowanie układu dwóch kamer. Wyniki badań doświadczalnych potwierdziły użyteczność opisywanej metody dla węgla o niskim współczynniku odbicia światła. Szybkie wykrywanie zmian składu ziarnowego umożliwia optymalizację pracy złożonych układów technologicznych – zwłaszcza obejmujących wzbogacanie węgla w osadzarkach – prowadząc w ten sposób do lepszej stabilizacji parametrów jakościowych otrzymywanych produktów wzbogacania. Dodatkowym zastosowaniem opisywanej metody może być również pomiar objętości strumienia transportowanego materiału, co w połączeniu z sygnałami pomiarowymi z wagi taśmociągowej umożliwić może estymację gęstości nasypowej materiału ziarnistego. Mała złożoność przetwarzania sygnałów w metodzie triangulacji laserowej związana jest z wysokim kontrastem analizowanych obrazów oraz z wykorzystaniem nieskomplikowanych zależności trygonometrycznych.

Słowa kluczowe

EN

laser triangulation; granulometric analysis; depth maps; particle size distribution

PL

triangulacja laserowa; analiza granulometryczna; mapy głębi; skład ziarnowy

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 1
• Strony: 15--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Heyduk A.

• Department of Electrical Engineering and Control In Mining, Faculty of Mining and Geology, Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, Ul. Akademicka 2A, Poland

Bibliografia

• [1] Bączek A., Chudek M., Cierpisz S., Heyduk A., Jendryś. J., Joostberens J., Kleta H., 2013. Visualization-assisted method of the assessment of the technical condition and safety of the mineshaft lining using a digital image analysis. Monografia nr 482, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [2] Heyduk A., 2005. The influence of lighting conditions on the image segmentation in machine vision system of particle size analysis. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, R. 43, nr 10, s. 21-29.
• [3] Heyduk A., Pielot J., 2014. Economical efficiency assessment of an application of on-line feed particle size analysis to the coal cleaning systems in jigs. Inżynieria Mineralna, R. 15, nr 2, s. 217-228.
• [4] Koh T.K, Miles N., Morgan S., Barrie Hayes G., 2007. Image Segmentation of Overlapping Particles in Automatic Size Analysis Using Multi-Flash Imaging. IEEE Workshop on Applications of Computer Vision, p. 47-52.
• [5] Pielot J., 2010. An analysis of effects of coal jigging after changes in the grain composition of a feed. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 4, p. 827-846.
• [6] Rafajlowicz E, Rafajłowicz W., Rusiecki A., 2009. Image processing algorithms and an introduction to work with an OpenCV library. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
• [7] Stefańczyk M., Kornuta T., 2014. Acquisition of RGB-D images - methods. Pomiary, Automatyka, Robotyka, R. 18, nr 1, s. 82-90.
• [8] Tosun A., Konak G., Toprak T., Karakus D., Onur A., 2014. Development of the Kuz-Ram Model to Blasting in a Limestone Quarry. Arch. Min. Sci., Vol. 59, No 2, p. 477-488.
• [9] Trybalski K., 2013. Control, modeling and optimization of technological processes of the ore processing. Wydawnictwa AGH, Kraków.
• [10] Szponder-Kołakowska D.K., Trybalski K., 2014. Modern methods and measuring devices in the study of raw materials and mineral wastes. Wydawnictwa AGH, Kraków.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę