矿物浮选泡沫图像序列动态特征提取及工业应用.pdf

博士学位论文 矿物浮选泡沫图像序列动态特征提取及工业应用 D y n a m i c F e a t u r e sE x t r a c t i o na n dI t sI n d u s t r i a l A p p l i c a t i o no f M i n e r a lF l o t a t i o nF r o t hI m a g eS e q u e n c e s 作者姓名牟学民 学科专业控制科学与工程 学院 系、所 信息科学与工程学院 指导教师桂卫华教授 论文答辩E t 期丝 墨 兰I答辩委员会主席 中南大学 二零一二年十二月 一令一一，牛T 一月 f ㈣甥 原创性声明 ～ 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另, J J J n 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 象睦煎 日期迦l ∑年必_ L 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 E l 期塑l 型年监月一L 日 摘要 自然界所蕴藏的矿产资源绝大多数需经选矿加工后才能使用。 在常用的选矿方法中，泡沫浮选是最重要的选矿方法，几乎所有矿 石都可用浮选来分选。泡沫浮选是发生在固、液、气三相接口上连 续的物理化学过程，其中浮选泡沫层是关键，浮选泡沫表面视觉特 征是浮选工况与工艺生产指标的直接指示器。一直以来，浮选过程 操作都是依靠人工肉眼观察浮选泡沫表面状态来完成，这种仅凭人 工肉眼观察进行浮选生产操作的方式主观性强、误差大、效率低， 无法实现浮选泡沫状态的量化描述和生产工况的客观评价，造成浮 选生产指标波动频繁、矿物原料流失严重、药剂消耗量大、资源回 收率低等情况时有发生。自上世纪9 0 年代以来，一些发达国家将机 器视觉引入到浮选过程监控中，随后逐渐得到了各科研单位与选厂 的高度重视。研究基于机器视觉的浮选过程监测、建模与浮选过程 自动控制方法与技术，对提高矿产资源的利用效率、实现企业的可 持续发展具有非常重要理论意义与应用价值。 浮选泡沫表面视觉特征的准确提取是实现基于机器视觉的浮选 过程自动控制的关键。泡沫表面视觉特征表现在两个方面一是基 于单帧图像的泡沫参数，称为静态特征，比如泡沫的大小、形状、 颜色特征、纹理特征等；另一方面是基于图像序列的泡沫图像特征 参数，称为动态特征，一般包括泡沫运动速度、泡沫稳定度等。目 前，国内外学者主要研究了浮选泡沫图像静态特征的提取方法与技 术，对于动态特征的提取并没有详细说明和分析。要实现浮选泡沫 的视觉测量与泡沫状态的客观评价，浮选泡沫的动态特征是必不可 少的特征参量。本文结合浮选工艺机理，分析浮选生产工况与泡沫 表面动、静态视觉特征的内在联系，指出在各种浮选生产工况下的 泡沫视觉图像的特点，重点研究浮选泡沫表面动态特征提取算法和 量化表述方法及其在矿物浮选过程泡沫图像监控系统中的应用。论 文主要研究工作及创新点如下 1 针对浮选泡沫图像噪声大，浮选泡沫表面视觉特征不能准 确提取的难题，提出了一种时空联合的基于泡沫图像序列的多尺度 几何变换图像贝叶斯去噪方法。该方法采用C u r v e l e t 变换对泡沫图 像序列中矿化气泡的几何结构进行稀疏表示；通过分析变换域系数 的统计相关性，建立基于单帧图像和时空域多帧泡沫图像C u r v e l e t 域统计依赖模型和联合统计分布模型；以所获取图像变换域系数统 计分布模型为先验知识，采用贝叶斯准则依据一定的代价测度得到 变换域系数的最优估计，获得理想的无噪声污染的泡沫图像最优系 数估计；最后进行C u r v e l e t 反变换获得去噪的泡沫图像。该方法和 其它去噪算法相比能获得较高的峰值信噪比，并在去除噪声的同时 较好地保持泡沫图像细节，为后续泡沫特征提取提供了高质量的处 理图像。 2 针对矿化气泡在流向刮板过程中不可避免地发生角度旋转 与尺度缩放等几何畸变的特性，常用的目标跟踪方法因难以实现对 几何形态畸变严重的浮选泡沫的精确跟踪而无法准确获取浮选泡沫 表面流速的难题，提出了一种白适应的基于F o u r i e r - M e l l i n 变换与模 板匹配相结合的泡沫图像宏块跟踪方法来自动跟踪形变气泡以准确 测量浮选泡沫流向刮板的速度。该方法通过自动扫描泡沫图像高亮 点，根据气泡大小进行自适应泡沫子块选取；利用F o u r i e r - M e l l i n 变 换获取跟踪泡沫子块在相邻帧中的形变系数和子块大致位移估计； 然后，根据泡沫子块的形变系数进行几何反变换获取跟踪子块形变 前形貌；再利用模板匹配在估计的大致位移局部区域进行细致的子 块配准搜索，获取跟踪泡沫子块在相邻帧中的位移，实现形变泡沫 子块速度特征的准确测量。该方法解决了泡沫速度特征因浮选气泡 形变严重而难以准确提取的问题。 3 针对浮选泡沫在流动过程中气泡破碎率高、坍塌严重，常 用的运动估计方法因无法实现对气泡破碎区域的匹配与跟踪，而难 以获取破碎严重的浮选泡沫表面流动速度的问题，提出了一种基于 泡沫图像灰度S I F T S c a l eI n v a r i a n tF e a t u r eT r a n s f o r m 与K a l m a n 滤波相结合的泡沫速度特征提取方法跟踪各种泡沫运动子块。该方 法首先通过K a l m a n 滤波预测浮选泡沫子块在相邻帧中对应的大致 位移，在预测位移局部区域进行S I F T 特征点提取与泡沫子块配准， 极大地减少了特征提取与匹配的盲目性，提高了特征匹配速度与准 确性。该方法解决了泡沫图像中气泡大量破裂的情况下泡沫子块流 速无法准确测量的问题，计算复杂度低，便于工业现场应用。 4 针对泡沫稳定度特征难以定量描述问题，提出基于数字图 像处理的浮选泡沫表面形变系数与破碎率特征提取方法。该方法在 泡沫速度特征提取的基础上，通过定义相应的稳定度评价准则，实 现了泡沫形变系数、泡沫破碎率的量化描述，解决了泡沫图像稳定 度特征提取与表征问题，为实现浮选泡沫状态的客观评价提供了数 字化参量。 5 以中国铝业中州分公司铝土矿浮选过程为应用对象，在浮 选现场设计并搭建了浮选泡沫图像采集硬件平台，开发了相应的矿 物浮选泡沫图像视觉监测系统，实时提取了浮选泡沫图像动态特征， 初步分析了浮选泡沫速度特征与浮选工况间的关系，实现了浮选生 产过程实时测量与客观评价。系统的泡沫特征曲线能够为生产工人 提供明确的工况信息，并给出具体的操作建议，避免了工人操作的 盲目性，提高了浮选生产效率，为浮选过程优化控制奠定了基础。 关键词矿物浮选过程，浮选泡沫图像，浮选泡沫流动速度，浮选泡 沫稳定度，尺度不变特征变换，F o u r i e r - M e l l i n 变换，K a l m a n 滤波 I I I A B S T R A C T M i n e r a lb e n e f i c i a t i o ni S g e n e r a l l y a n i n d i s p e n s a b l e i n d u s t r i a l p r o c e s si nt h eu t i l i z a t i o no f t h em o s tn a t u r a lm i n e r a lr e s o u r c e s ．A m o n g t h ec o m m o n l yu s e dm i n e r a ld r e s s i n gm e t h o d s ，f r o t hf l o t a t i o ni st h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g ya n da l m o s ta l l o ft h ed i f f e r e n to r e sC a nb e s e p a r a t e db yt h i sm e t h o d ．F l o t a t i o np r o c e s si s ac o m p l e xc o n t i n u o u s p h y s i c o c h e m i c a lp r o c e s sw h i c hO C C U l T e Si ns o l i d - l i q u i d ，s o l i d - a i ra n d l i q u i d - a i rt h r e e - p h a s ei n t e r f a c e ．I nt h ef l o t a t i o np r o c e s s ，舶t hl a y e ri st h e k e yf a c t o rt op r o d u c t i o np e r f o r m a n c e ．C u r r e n t l y , t h ef l o t a t i o no p e r a t i o n i sm a i n l ya d j u s t e dt h r o u g ho b s e r v i n gt h eu p p e rs u r f a c eo ft h ef r o t hb y t h ee x p e r i e n c e do p e r a t o r s ．T h en a k e d - e y eo b s e r v a t i o nb a s e df l o t a t i o n p r o c e s so p e r a t i o nf a s h i o ni ss t r o n g l ys u b je c t i v ea n di n e f f i c i e n t ．I ti s d e f i c i e n ti nq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o n so ff l o t a t i o nf r o t hs t a t e sa n dt h e o b je c t i v ee v a l u a t i o no ft h ep r o d u c t i o np e r f o r m a n c e ，w h i c hc o n s e q u e n t l y r e s u l t si nf r e q u e n tf l u c t u a t i o n so fp r o d u c t i o ni n d i c e sa n dl o wr e c o v e r y o fr a wm a t e r i a l sw i t hl a r g ec o n s u m p t i o no fr e a g e n td o s a g e ．S i n c e19 9 0 s ， s o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v ei n t r o d u c e dt h em a c h i n ev i s i o nt ot h e f l o t a t i o n p r o c e s sm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l ，w h i c hi n c u r s i n c r e a s i n g i n t e r e s to ft h er e s e a r c h i n gc o m m u n i t i e sa n dp l a n to p e r a t o r s ．I ti s s i g n i f i c a n t t or e s e a r c hm a c h i n ev i s i o nb a s e df l o t a t i o n p r o c e s s m o n i t o r i n g ，m o d e l i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o lm e t h o da n dt e c h n i q u ei n t h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h eu s a g eo f t h em i n e r a lr e s o u r c ea n dr e a l i z et h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o f e n t e r p r i s e s ． I t ’Se s s e n t i a lt oe x t r a c tt h ea c c u r a t ev i s u a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s o ft h ef r o t hs u r f a c et or e a l i z et h em a c h i n ev i s i o nb a s e da u t o m a t i c c o n t r o lo ft h ef l o t a t i o n p r o c e s s ．T h e r e a r et w ok i n d so fv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c so ff r o t hs u r f a c ea p p e a r a n c e ．O n ei Sb a s e do nt h ef r o t h c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ef r a m ei m a g e ，c a l l e ds t a t i cp a r a m e t e r ss u c ha s b u b b l e s i z e ，b u b b l es h a p e ，s u r f a c e f r o t hc o l o ra n df r o t ht e x t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n dS Oo n ．T h eo t h e ri St h ec h a r a c t e r i s t i cb a s e do ni m a g e s e q u e n c ek n o w na sd y n a m i cp a r a m e t e r s ，g e n e r a l l yi n c l u d i n gt h eb u b b l e v e l o c i t y , b u b b l es t a b i l i t ya n dS Oo n ．C u r r e n t l y , r e s e a r c h e r sb o t ha th o m e a n da b r o a dm a i n l yf o c u so n e x t r a c t i n g a n da n a l y z i n gt h es t a t i c I V p a r a m e t e r sw h i l el i t t l ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt od y n a m i cp a r a m e t e r e x t r a c t i o n ．I t ’Sw o r t hn o t i c i n gt h a tt h ed y n a m i cp a r a m e t e r sa r ea l s o i n d i s p e n s a b l et o r e a l i z et h eo b je c t i v ee v a l u a t i o no ft h ef l o t a t i o n p r o d u c t i o n s t a t u s e s ．T h ei n h e r e n tr e l a t i o nb e t w e e nt h ef l o t a t i o n p r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa n db o t ht h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f f r o t hi m a g ea r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e f l o t a t i o nm e c h a n i s m ．T h i sw o r km a i n l yf o c u s e so nr e s e a r c h i n gt h e d y n a m i cp a r a m e t e re x t r a c t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do ff l o t a t i o n f r o t hb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gw i t ht h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o nt o ab a u x i t ef l o t a t i o np r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ．T h em a i n c o n t r i b u t i o n sf i r ea sf o l l o w s ． 1 AB a y e s i a nd e n o i s i n gm e t h o di n t e g r a t e ds p a t i a l - t e m p o r a li m a g e i n f o r m a t i o ni sp r o p o s e db a s e do nm u l t i - s c a l eg e o m e t r i ca n a l y s i s ，a i m i n g a t s o l v i n gt h ep r o b l e mo fi n a c c u r a t ef e a t u r ee x t r a c t i o no ft h ef r o t h i m a g e sw i t hs e r i o u sn o i s ec o n t a m i n a t i o n ．C u r v e l e tt r a n s f o r m a t i o ni S a d o p t e di na d v a n c et oe x p r e s st h eg e o m e t r i cs t r u c t u r e sa n ds u r f a c e t e x t u r eo ft h es u r f a c ef r o t hi m a g es p a r s e l y ．T h e n ，t h em a r g i n a ls t a t i s t i c a l d i s t i l b u t i o na n dt h ei o i n ts t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h eC u r v e l e t M‘ ● ⋯ ● t r a n s t o r mC O e n i c i e n t so ts i n g l e - t r a m el m a g ea n dm u l t i - 1 1 “ R m el m a r e s1 S c o n s t r u c t e da f t e ra n a l y z i n gt h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ei m a g e c o e f f i c i e n t si nt h et r a n s f o r md o m a i n ．A c c o r d i n gt oas p e c i f i cc o s t m e a s u r e ． B a y e s i a n i n f e r e n c ei Su s e dt oe s t i m a t et h ei d e a l u n c o n t a m i n a t e dc o e m c i e n t si nt h et r a n s f o r md o m a i n ．A tl a s t ．t h ei n v e r s e C u r v e l e tt r a n s f o r m a t i o ni s a p p l i e d t o g e tt h ed e n o i s e df r o t hi m a g e ． C o m p a r e dt ot h eo t h e ri m a g ed e n o i s i n ga l g o r i t h m s ，t h i sm e t h o dC a n a c h i e v eh i g h e rp e a ks i g n a ln o i s er a t i o P S N R a n dk e e pt h ef r o t hi m a g e d e t a i l se f f e c t i v e l yw h i l em a k i n gn o i s er e d u c t i o n ，w h i c hp r o v i d e s h i 曲- q u a l i t yp r o c e s s i n gs i g n a l sf o rt h es u b s e q u e n tf e a t u r ee x t r a c t i o no f f r o t hi m a g e s ． 2 A na d a p t i v em a c r o b l o c kt r a c k i n gm e t h o do ff r o t hi m a g eb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no fF o u r i e r - M e l l i nt r a n s f o r m a t i o na n dg r a yt e m p l a t e m a t c h i n gi sp r o p o s e dt om e a s u r et h ea c c u r a t ev e l o c i t yo ft h ef l o t a t i o n f r o t h f l o w i n gt o t h e s c r a p p e rt h r o u g ha u t o m a t i c a l l yt r a c k i n gt h e d e f o r m e db u b b l e si nt h ef l o t a t i o nc e l l s ．S i n c et h em i n e r a l i z e db u b b l e si n V t h ef l o t a t i o nc e l l ss u b je c tt oi n d i s p e n s a b l eg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni ns c a l e s a n do r i e n t a t i o n s ，t h ef r o t hf l o wv e l o c i t yc a n n o tb ee x t r a c t e da c c u r a t e l y b yt h et r a d i t i o n a lo b j e c tt r a c k i n gm e t h o d s ，w h i c hc a n n o tt r a c k i n gt h e n o n ．r i g i df r o t hb u b b l e sw i t hs e r i o u sg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nt h ef l o t a t i o n p r o c e s s ．T 1 1 i Sm e t h o da i m st om a k eac o m p l e m e n to ft h et r a d i t i o n a l o b je c tt r a c k i n gm e t h o d st om e a s u r et h ef r o t hv e l o c i t ya c c u r a t e l y ．1 1 1 e s u b - b l o c k sa r el o c a t e da n da s s i g n e da d a p t i v e l yi na d v a n c eb ys c a n n i n g t h eh i g h l i g h t so ft h ef r o t hi m a g ea u t o m a t i c a l l ya n de s t i m a t i n gt h e b u b b l es i z e s e f f e c t i v e l y ．T h e d e f o r m a t i o nc o e f j E i c i e n t sa n dt h e a p p r o x i m a t ed i s p l a c e m e n to ft h es u b - b l o c k si nt h ea d ja c e n ti m a g e f r a m e sa r ec o m p u t e db yF o u r i e r ．M e l l i nt r a n s f o r m ，w h i c ha r eu s e dt o o b t a i nt h en o n ．．d e f o r m e ds u b ．．b l o c k s b y i n v e r s e g e o m e t r i c t r a n s f o r m a t i o n ．T h e n ，g r e yt e m p l a t em a t c h i n gi sa d o p t e dt os e a r c ht h e p o s i t i o n so ft h en o n ．d e f o r m e ds u b ．b l o c k si nt h el o c a ln e i g h b o u r h o o d a r o u n dt h ef i r s te s t i m a t e d d i s p l a c e m e n t t om e a s u r et h ep r e c i s e d i s p l a c e m e n to ft h es u b ．b l o c k si nt h ea d i a c e n tf r o t hs e q u e n c e s ．1 1 1 i s m e t h o ds o l v e st h ep r o b l e mo ft h ef r o t hv e l o c i t yc h a r a c t e r i s t i cc a n n o tb e e x t r a c t e da c c u r a t e l yw i t hs e r i o u sg e o m e t r i cd i s t o r t e df l o t a t i o nb u b b l e s ． 3 ． An e wf r o t hv e l o c i t yc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o nm e t h o db a s e do n i m a g eg r a yS I F T S c a l e I n v a r i a n tF e a t u r e T r a n s f o r m w i t h K a l m a n f i l t e r i n gi sp r o p o s e d ．S i n c et h ef l o t a t i o nb u b b l e sc o l l a p s ea n db u r s t s e r i o u s l yi nt h ef l o t a t i o np r o c e s s ．t h ec o m m o n l yu s e dm o t i o ne s t i m a t i o n m e t h o d sc a n n o tm a t c ha n dt r a c kt h ec o l l a p s e db u b b l e sa r e a se f f e c t i v e l y ， w h i c hr e s u l ti ni n a c c u r a t ef l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n t ．F i r s t l y ，K a l m a n f i l t e ri su s e dt op r e d i c tt h ea p p r o x i m a t ed i s p l a c e m e n to ft h es u b - b l o c k s i nt h ea d ja c e n tf l a m e s ，t h e nt h eS I F Tf e a t u r e sa r ee x t r a c t e dt or e g i s t e r e d t h es u b ．b l o c ki nan a r r o wn e i g h b o ra r e aa r o u n dt h e a p p r o x i m a t e d i s p l a c e m e n t ．T h i sm e t h o dg r e a t l yr e d u c e st h ea i m l e s s n e s so fS I F T f e a t u r e se x t r a c t i o na n df e a t u r ep o i n t sm a t c h i n g ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e s t h ee f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c yo ff e a t u r ep o i n tm a t c h i n g ．I tc o m p u t e s c o n v e n i e n t l yw i t hl O Wc o m p u t a t i o n a lc o s ta n ds u c c e s s f u l l ys o l v e st h e p r o b l e mo fm e a s u r e m e n to ft h ef r o t hf l o wv e l o c i t yw i t hs e r i o u sb u b b l e b u r s ta n dc o l l a p s e ，w h i c hi sc o n v e n i e n tt oa p p l yt ot h er e a li n d u s t r i a l f l o t a t i o np r o c e s s ． V I 4 Am e t h o dt oe x t r a c tt h ed e f o r m a t i o nc o e m c i e n ta n db u r s t i n g r a t ef e a t u r e so ft h ef l o t a t i o nf r o t hi Sp r e s e n t e db a s e do nd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n ga i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e mo faq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o no f t h ef r o t hs t a b i l i t yf e a t u r e ．B a s e do nt h ef r o t hf l o wv e l o c i t y ，t h e c o r r e s p o n d i n gs t a b i l i t ye v a l u a t i o nc r i t e r i aa r ed e f m e d ，w h i c hr e s u l t si n a ne f f e c t i v eq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft h ed e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n ta n d b u r s tr a t eo ff l o t a t i o nf r o t h ．n l i Sm e t h o di sa b l et oe x t r a c tt h ef r o t h s t a b i l i t yi nr e a lt i m e ，w h i c hp r o v i d e st h ed i g i t a lp a r a m e t e r so ft h ef r o t h i m a g e st oe v a l u a t et h ef l o t a t i o np r o d u c t i o ns t a t u s e so b je