СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ОБОГАТИМОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/85 

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике, а именно к технологиям и средствам, применяемым для предварительной оценки обогатимости руд твердых полезных ископаемых и определения параметров их селекции, и может быть использована при геологических исследованиях и опробовании минерального сырья известных, открываемых месторождений, а также для анализа качества сортировки промышленных или бытовых отходов, для проверки эффективности контроля качества продуктов или промышленных изделий и т.д.

Оптический метод обогащения руд твердых полезных ископаемых успешно используется в горнодобывающей промышленности при добыче золота, алмазов, никеля, кальцитов, полевых шпатов и др. Обогащение минерального сырья данным методом основывается на селекции минералов по их оптическим характеристикам, таким как блеск, цвет, отражательная способность, прозрачность. Одна из ключевых проблем, препятствующих развитию и расширению границ применимости оптического метода, заключается в отсутствии методики оценки обогатимости руд без прямого опробования на существующих различных оптических сепараторах, а также оборудования, ее реализующего. Кроме того, следует отметить отсутствие критериев в пользу выбора того или иного оптического сепаратора. В различных оптических сепараторах для обработки получаемых изображений минеральных объектов могут использоваться различные системы цветовых координат и разнообразные алгоритмы обработки [Tako P.R. de Jong. The Economic Potential of Automatic Rock Sorting / The Netherlands, Delft University of Technology, Department of Geotechnology, 2005. Manouchehri H.R. Sorting: Possibilities, Limitations and Future / Электронный ресурс.Режим доступа к ресурсу: http://pure.ltu.se/portal/files/299975/article - свободный]. При этом все оптические сепараторы реализуют принцип анализа цветных изображений. Следовательно, актуальным является разработка способа и устройства, предназначенных для предварительной оценки степени обогатимости минерального сырья на основании результатов обработки цветных снимков нескольких минеральных образцов (как содержащих полезных компонент, так и "пустых"), позволяющих выработать решение о возможности (или невозможности) разделения минералов оптическим методом. При этом решение может быть принято для набора возможных условий проведения анализа, например, для ряда источников освещения (белых светодиодов, люминесцентных ламп, галогенных ламп и т.п.) и систем цветовых координат, используемых для оцифровки изображения (RGB, HLS, Yuv, Lab и т.п.).

RGB пространство цветовых координат является «родным» для большинства фотоприемных устройств, поскольку является логичным продолжением способа оцифровки изображения, полученного с многоэлементного цветного приемника оптического излучения. Цветовые координаты каждого элемента изображения получаются из аддитивного синтеза (смешивания) значений трех составляющих: красной R (red), зеленой G (green) и синей В (blue). Все цветовые координаты этого цветового пространства являются взаимозависимыми. Данные о светлоте (яркости) и цветности изображения имеют неявное выражение.

Yuv пространство цветовых координат имеет одну яркостную (Y) и две цветоразностные (u и v) компоненты. Таким образом, разграничиваются данные о «яркости» и «цветности» изображения. При этом яркостная составляющая независима от двух взаимозависимых сигналов цветоразности.

Пространство цветовых координат HLS описывает цветовой оттенок с позиции цветового тона Н (hue), светлоты L (lightness) и насыщенности S (saturation). Таким образом, реализуется разделение информации о «цветности», «яркости» и «бледности» цветового оттенка. При этом цветовые составляющие пространства HLS являются взаимонезависимыми.

Известен способ оценки технологических свойств и обогатимости минерального сырья (Патент на изобретение RU 2165632, G01V 9/00, опубл. 20 апреля 2001 г.), включающий определение химического и минерального состава сырья, определение гранулометрического состава руды исходной крупности и гранулометрического состава продукта, измельченного до крупности максимальной степени раскрытия ценных компонентов, оценку структурно-фазовых характеристик минерального сырья, определение физических свойств минералов и прогнозных технологических показателей. Дополнительно определяют количественные значения структурно-технологических параметров, в число которых входят структурный элемент раскрытия, граничная крупность классификации руды в цикле измельчения, степень раскрытия рудных минералов, распределение сростков минеральных фаз по качеству, при этом количественную оценку структурно-фазовых характеристик минерального сырья и определение количественных значений структурно-технологических параметров осуществляют путем автоматического анализа изображений оптико-геометрическими методами.

Недостатками известного способа являются:

- длительный этап пробоподготовки, обусловленный необходимостью предварительного отбора и шлифовки образцов;

- ограниченная информация об исследуемом объекте, поскольку из-за отсутствия анализа параметра "цвет" теряется часть информации об объекте;

- наукоемкий процесс определения прогнозных технологических показателей, поскольку требуется применение значительной "базы знаний", учитывающей различные методики пробоподготовки.

Из уровня техники известно устройство для сортировки объектов по визуальным признакам (Патент на изобретение RU 2424859, опубл. 27 июля 2011 г.), содержащее бункер, устройство поштучной подачи объектов, горизонтальный транспортирующий диск с приводом, выполняющий транспортировку объектов к фотоэлектронному блоку и приемным бункерам, узел сброса сортируемых объектов в приемные бункеры, количество которых соответствует числу категорий сортировки, а также датчик, определяющий точное положение объекта на транспортирующем диске, фотоэлектронный блок выполнен в виде видеокамеры, подключенной к блоку анализа и управления, а транспортирующий диск имеет сменное фоновое кольцо заданного оттенка, установленное по его краю.

Недостатками известного устройства являются:

- низкая точность анализа из-за невозможности различения тонких цветовых оттенков, поскольку используется только цветовое пространство RGB, которое не является оптимальным для анализа цвета объекта из-за неравномерности представления цвета в этом цветовом пространстве;

- наличие ошибки в определении цвета объекта из-за отсутствия процесса цветокоррекции матрицы используемой камеры;

- возможность анализировать только объекты небольшого размера: от 1,5 до 5 мм.

Из уровня техники также известен способ измерения цвета объектов (патент RU 2356016, МПК G01J 3/46, опубл. 20 марта 2009 г.), заключающийся в том, что проводят освещение поверхности объекта двумя полноцветными (белыми) источниками света, сбор цветной фото-, видеокамерой данных о яркости, цветовом оттенке, соответствующим лучам света, отраженным от заданного множества точек освещенной поверхности объекта, и обработку данных о яркости, цветовом оттенке и насыщенности цвета объекта. Освещение осуществляется поочередно с помощью, по крайней мере, двух источников света, освещающих поверхность объекта под разными углами.

Недостатками известного способа являются:

- низкая точность измерений, поскольку объект анализируется с одной стороны и по всей поверхности, поэтому приходится производить усреднение, кроме того, не производится цветокоррекция;

- ограниченность применения, обусловленная тем, что источники излучения располагают несимметрично относительно анализируемого объекта (с одной стороны), это приводит к тому, что анализировать можно только объекты с гладкой поверхностной структурой, поскольку в случае с шероховатыми минералами на изображении часть объекта из-за возможного рельефа поверхности окажется в тени, поэтому информация о цвете может оказаться недостоверной из-за неравномерности освещения объекта;

- использование при обработке только моделей RGB и XYZ, которые не являются оптимальными для описания цвета объектов, в силу неравномерности представления цвета.

Известен способ цветовой классификации объекта (патент на изобретение RU 2468345, G01J 3/51, G01N 21/85, дата публикации 27.11.2012), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявляемому способу и может быть принят за прототип. Способ заключается в том, что, по крайней мере, один контролируемый объект размещают в зоне анализа, оптически сопряженной с источником излучения и фотоприемным модулем. Формируют цветное изображение каждого из объектов контроля в плоскости изображения зоны анализа, преобразуют совокупное цветное изображение в электрический сигнал, преобразуют полученный электрический сигнал из аналоговой формы в цифровую с получением трех двумерных массивов целых чисел, каждый из которых содержит информацию о пространственном распределении в изображении одного из трех цветов - красного, синего или зеленого, затем преобразуют полученные массивы в цветовое пространство HLS. После этого сравнивают значение цветовой координаты h(x_i, y_j), l(x_i, y_j) или s(x_i, y_j) каждого элемента соответствующего массива с априорно известными значениями соответствующих цветовых координат изображения зоны анализа. Для несовпадающих по цветовой координате элементов проводят выравнивание цветовых координат при помощи выравнивающей маски. А классификацию объектов осуществляют путем сравнения значений выровненных по цвету элементов массивов [H(x_i, y_j)] [L(x_i, y_j)] и [S(x_i, y_j)], по крайней мере, по одной цветовой координате с априорно известным значением соответствующей цветовой координаты эталонных объектов.

Известный способ обладает рядом существенных недостатков:

- низкая точность анализа контролируемого объекта, поскольку не производится определение цветовых порогов различения и разделения;

- с его помощью сложно произвести предварительную оценку обогатимости минерального сырья, поскольку применяемый цветовой анализ ограничивается классификацией объектов по цветовому признаку;

- низкая достоверность анализа из-за того, что классификационные признаки задаются оператором, а не рассчитываются исходя из определяемых цветовых параметров изображений исследуемых объектов.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является достижение следующего технического результата, а именно: повысить оперативность, достоверность и точность определения технологических параметров и предварительной оценки степени обогатимости минерального сырья при уменьшении веса и габаритных размеров устройства.

Поставленная задача в части способа решается за счет того, что в способе оценки степени обогатимости минерального сырья оптическим методом, заключающегося в том, что минеральные объекты из партии образцов поочередно размещают в зоне анализа, оптически сопряженной с источниками излучения и фотоприемными модулями, формируют цветные изображения, по меньшей мере, двух сторон каждого минерального объекта в плоскости изображения зоны анализа, которые затем преобразуют в электрические сигналы аналоговой формы, после чего осуществляют их аналого-цифровое преобразование с получением для каждого цветного изображения трех двумерных массивов целых чисел в цветовом пространстве RGB, каждый из которых содержит информацию о пространственном распределении в изображении одного из трех цветов - красного, зеленого или синего, затем преобразуют RGB массивы в цветовое пространство HLS и осуществляют цветокоррекцию каждого из трех преобразованных HLS массивов путем сравнения значений цветовых координат h(x_i, y_j), l(x_i, y_j) или s(x_i, y_j) каждого элемента соответствующего массива с априорно известными значениями соответствующих цветовых координат изображения зоны анализа, и для несовпадающих по цветовой координате элементов проводят выравнивание цветовых координат, получая при этом совокупность откорректированных HLS массивов, новым является то, что перед установкой каждого минерального объекта из партии образцов в плоскости анализа визуально по каждой его стороне определяют его полезность и зоны различения по заранее выбранным селективным признакам, при получении цветных изображений сторон минеральных объектов определяют их суммарную площадь и суммарную площадь изображений всех сторон минеральных объектов, признанных полезными, преобразование исходных RGB массивов в цветовое пространство HLS осуществляют одновременно с преобразованием исходных RGB массивов в цветовое пространство Yuv с сохранением исходных RGB массивов, при этом производят цветокоррекцию исходных RGB массивов и преобразованных Yuv массивов аналогично HLS массивам, получая при этом совокупность откорректированных Yuv массивов и совокупность откорректированных RGB массивов, затем в каждой из трех полученных совокупностей откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов для каждого минерального объекта из партии образцов определяют пороги различения цветовых оттенков, по которым находят зоны полезности на изображениях каждой стороны минеральных объектов и определяют их суммарные площади для всех минеральных объектов и для минеральных объектов, признанных полезными, соответственно, по полученным порогам различения для каждой совокупности откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов находят порог разделения минеральных объектов из партии образцов, затем для каждой совокупности RGB, HLS, Yuv массивов производят оценку степени обогатимости по формуле

$$E=\frac{S_g-S_{cg}}{S_0-S_{gg}}\cdot 100\%$$ ,

где S₀ - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов из партии образцов; S_g - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными; S_cg - суммарная площадь всех зон полезности изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными; S_gg - суммарная площадь зон полезности изображений сторон минеральных объектов из партии образцов.

Имеется также вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что полученные данные об исследуемом минеральном сырье записывают в базу данных.

Таким образом, заявляемый способ оценки степени обогатимости минерального сырья оптическим методом всей совокупностью своих существенных признаков позволяет достичь высокой точности и достоверности анализа контролируемого объекта минерального сырья за счет использования трех цветовых пространств и предварительно оценить степень обогатимости минерального сырья за счет комплексного анализа цветовых параметров каждого минерального объекта, таких как зоны цветности, форма и количество мелких включений, общая длина и ширина прожилок, неравномерность структуры (пятнистость) поверхности, блики; а также автоматического определения порогов различения полученных зон цветности и порогов разделения объектов по степени их полезности.

Из патента на изобретение RU 2468345, G01J 3/51, G01N 21/85, дата публикации 27.11.2012 известно также оптико-электронное устройство для цветовой классификации объекта, которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявляемому устройству и может быть принято за прототип. Это устройство включает оптически сопряженные с зоной анализа источник излучения белого света и фотоприемный модуль, содержащий оптическую систему и установленный в плоскости формирования изображения матричный многоэлементный приемник оптического излучения (МПОИ), на каждый пространственный элемент которого нанесен светофильтр красного, зеленого или синего цвета. Устройство содержит не менее одного фотоприемного модуля, выход каждого из которых подключен к входу соответствующего блока преобразований, а вход - к выходу блока обработки. Выход каждого из блоков преобразований подключен к блоку обработки. Устройство содержит не менее одного источника излучения, каждый из которых подключен к соответствующим выходам блока управления источниками, вход которого подключен ко второму выходу блока обработки. Главная ось индикатрисы излучения источника расположена под углом 135° к визирной оси фотоприемного модуля для контроля прозрачных объектов, и под углом 45° - непрозрачных объектов. А размер зоны анализа ограничен угловым полем оптической системы и линейным размером цветочувствительного многоэлементного приемника оптического излучения, причем размер зоны анализа превосходит совокупный размер объектов контроля.

Известное устройство обладает рядом существенных недостатков:

- ограниченное применение из-за стационарного размещения устройства;

- устройство нуждается в дополнительном устройстве подачи и отвода анализируемых минеральных объектов;

- ограниченная функциональность ввиду невозможности работы без внешнего источника питания.

Поставленная задача в части устройства решается за счет того, что в устройстве для оценки степени обогатимости минерального сырья, включающем, по меньшей мере, два источника излучения, и, по меньшей мере, два фотоприемных модуля, оптически сопряженных с зоной анализа, по меньшей мере, два блока преобразований, каждый из которых соединен с соответствующим фотоприемным модулем, блок обработки, соединенный с каждым блоком преобразований, видеоконтрольное устройство, соединенное с блоком обработки, по меньшей мере, один блок управления источниками излучения, соединенный с каждым источником излучения, при этом каждый фотоприемный модуль содержит оптическую систему и установленный в плоскости формирования изображения многоэлементный приемник оптического излучения, причем главная ось индикатрисы излучения источника расположена под углом к визирной оси фотоприемного модуля, при этом каждый многоэлементный приемник оптического излучения выполнен в виде матричного фотоприемника с нанесенными на его элементы светофильтрами красного, зеленого и синего цветов, причем размер зоны анализа превосходит размер минерального объекта, новым является то, что все источники излучения поровну объединены в, по меньшей мере, два блока источников, каждому из которых соответствует один фотоприемный модуль и один блок управления источниками, причем каждый блок управления источниками излучения соединен с соответствующим блоком преобразований, при этом каждый блок преобразований выполнен с возможностью осуществлять преобразования полученных изображений зоны анализа в, по меньшей мере, три отличных друг от друга цветовых пространства, имеется, по меньшей мере, два устройства крепления, на каждом из которых зафиксирован соответствующий фотоприемный модуль и блок источников, причем устройство крепления выполнено с возможностью их позиционирования, каждый источник излучения выполнен многоэлементным с возможностью изменения своей цветности, при этом все элементы устройства помещены в корпус, в котором выполнено сквозное отверстие, соответствующее по расположению зоне анализа.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что блок обработки выполнен с возможностью формировать базу данных из полученной информации о минеральных объектах.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что устройства крепления фотоприемных модулей снабжены приспособлением для изменения расстояния от фотоприемного модуля до зоны анализа.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что видеоконтрольное устройство выполнено в виде сенсорного экрана.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что зона анализа сформирована на поворотном столе, расположенном внутри корпуса.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что корпус снабжен приспособлением для его переноски.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что оптическая система фотоприемного модуля выполнена в виде объектива с переменным фокусным расстоянием.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что имеется автономный блок питания, обеспечивающий работоспособность всех элементов устройства.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что для контроля движущихся минеральных объектов имеется блок синхронизации.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что для контроля прозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника и визирной осью фотоприемного модуля составляет 135°.

Имеется вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что для контроля непрозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника и визирной осью фотоприемного модуля составляет 45°.

Таким образом, заявляемое устройство всей своей совокупностью существенных признаков позволяет достичь заявляемого технического результата за счет того, что:

- имеется возможность изменения расстояния от камеры до объекта анализа, т.е. подстройки под размеры объекта анализа;

- устройство может работать как от сети 220 В, так и автономно;

- устройство обладает небольшими габаритными размерами за счет компактного расположения всех функциональных узлов в едином корпусе и малым весом, т.е. его можно переносить (перевозить) от одного месторождения к другому;

- благодаря наличию корпуса, устройство можно эксплуатировать в полевых условиях;

- ВКУ выполнено в виде сенсорного экрана, позволяет оператору вводить данные в программу или добавить устройство ввода;

- блок обработки имеет дополнительный вывод для подключения устройства вывода данных, что позволяет скопировать базу данных и полученные результаты по значениям оценки степени обогатимости, порогов различения зон цветности и порогов разделения объектов для всех анализируемых цветовых пространств.

Отмеченные недостатки известных способов и устройств позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых изобретений критерию охраноспособности - изобретательский уровень.

Поскольку оба заявляемых технических решения объединены единым изобретательским замыслом, то в дальнейшем они будут рассматриваться совместно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена обобщенная структурная схема устройства для оценки степени обогатимости минерального сырья, на фиг.2 - схема, поясняющая принцип работы устройства в статическом режиме, на фиг.3 - схема, поясняющая принцип работы устройства в динамическом режиме, на фиг.4 - обобщенная схема способа оценки степени обогатимости минерального сырья оптическим методом, на фиг.5 - иллюстрация к примеру реализации.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства для оценки степени обогатимости минерального сырья (Фиг.1, 2, 3), которое включает, по меньшей мере, два источника 1 излучения, и, по меньшей мере, два фотоприемных модуля 2, оптически сопряженных с зоной 3 анализа. Источники 1 излучения поровну объединены в, по меньшей мере, два блока 4 источников, каждому из которых соответствует один фотоприемный модуль 2 и, по меньшей мере, один блок 5 управления источниками, соединенный с каждым источником 1 излучения. Причем каждый источник 1 излучения выполнен многоэлементным с возможностью изменения своей цветности.

Имеется, по меньшей мере, два блока 6 преобразований, каждый из которых соединен с соответствующим фотоприемным модулем 2 и с соответствующим блоком 5 управления источниками. При этом имеется блок 7 обработки, соединенный с каждым блоком 6 преобразований. Блок 7 обработки также соединен с видеоконтрольным устройством 8.

Каждый фотоприемный модуль 2 содержит оптическую систему 9 и установленный в плоскости (на чертеже не показано) формирования изображения многоэлементный приемник 10 оптического излучения, причем главная ось индикатрисы излучения источника 1 расположена под углом к визирной оси фотоприемного модуля 2. При этом каждый многоэлементный приемник 2 оптического излучения выполнен в виде матричного фотоприемника с нанесенными на его элементы светофильтрами (на чертеже не показано) красного, зеленого и синего цветов. Размер зоны 3 анализа превосходит размер минерального объекта (на чертеже не показано).

При этом каждый блок 6 преобразований выполнен с возможностью осуществлять преобразования полученных изображений зоны 3 анализа в, по меньшей мере, три отличных друг от друга цветовых пространства.

Имеется, по меньшей мере, два устройства крепления (на чертеже не показано), на каждом из которых зафиксирован соответствующий фотоприемный модуль 2 и блок 4 источников. Причем устройство крепления (на чертеже не показано) выполнено с возможностью позиционирования фотоприемных модулей 2 и блоков 4 источников, например, с помощью снабжения его линейными и угловыми подвижками.

Все вышеперечисленные элементы устройства помещены в корпус (на чертеже показано условно), в котором выполнено сквозное отверстие (на чертеже показано условно), соответствующее по расположению зоне 3 анализа.

Блок 7 обработки может быть выполнен с возможностью формировать базу данных из полученной информации о проанализированных минеральных объектах.

Устройства (на чертеже не показано) крепления фотоприемных модулей 2 могут быть снабжены приспособлением (на чертеже не показано) для изменения расстояния от фотоприемного модуля 2 до зоны 3 анализа.

Видеоконтрольное устройство 8 может быть выполнено в виде сенсорного экрана.

При этом для контроля прозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника 1 излучения и визирной осью фотоприемного модуля 2 составляет 135°, а для контроля непрозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника 1 излучения и визирной осью фотоприемного модуля 2 составляет 45°.

В случае осуществления измерений в статическом режиме (Фиг.2) зона 3 анализа сформирована на поворотном столе (на чертеже показано условно), расположенном внутри корпуса (на чертеже показано условно).

Корпус (на чертеже показано условно) может быть снабжен приспособлением для его переноски.

Оптическая система 9 фотоприемного модуля 2 может быть выполнена в виде объектива с переменным фокусным расстоянием.

В качестве источника питания заявляемое устройство может быть снабжено автономным блоком питания (на чертеже не показано), обеспечивающим работоспособность всех элементов устройства. Также имеется блок 11 преобразования напряжений питания.

В случае осуществления измерений в динамическом режиме (Фиг.3) для контроля движущихся минеральных объектов имеется блок 12 синхронизации, соединенный с фотоприемными модулями 2, блоком 6 преобразований, блоком 5 управления источниками 1 излучения и с блоком 7 обработки. Блок 12 синхронизации может быть выполнен в виде устройства с источником излучения и сопряженного с ним приемником оптического излучения. Как только минеральный объект пролетает мимо блока 12 синхронизации, на блоки 5 управления источниками 1 излучения поступает команда включить источники 1 излучения, а на фотоприемные модули 2 - команда захватить кадр с изображением зоны 3 анализа.

Программное обеспечение заявляемого устройства выполнено с возможностью обеспечения возможности выбора оператором любого из селективных признаков или их сочетания.

Кроме того, блок 7 обработки может иметь дополнительный вывод для подключения устройства (на чертеже не показано) вывода данных.

Оценку степени обогатимости минерального сырья оптическим методом осуществляют следующим образом (Фиг.4).

Изначально определяют полезность и зоны различения каждого минерального объекта из партии образцов по заранее выбранным селективным признакам, например по наличию зон определенной цветности на поверхности объекта, по форме изображения объекта, по наличию и длине прожилок на объекте и т.п., и записывают полученные результаты в базу данных блока обработки.

Затем минеральные объекты из партии образцов поочередно размещают в зоне 3 анализа, оптически сопряженной с источниками 1 излучения и фотоприемными модулями 2. С помощью блоков 4 источников освещают зону 3 анализа с расположенным в ее пределах минеральным объектом. С помощью фотоприемных модулей 2 формируют цветные изображения, по меньшей мере, двух сторон каждого минерального объекта в плоскости изображения зоны 3 анализа, которые затем преобразуют в электрические сигналы аналоговой формы.

После этого в блоке 6 преобразований осуществляют их аналого-цифровое преобразование с получением для каждого цветного изображения трех двумерных массивов целых чисел в цветовом пространстве RGB, каждый из которых содержит информацию о пространственном распределении в изображении одного из трех цветов - красного, синего или зеленого. При получении цветных изображений сторон минеральных объектов определяют их суммарную площадь и суммарную площадь изображений всех сторон минеральных объектов, признанных полезными.

Затем одновременно преобразуют исходные RGB массивы в цветовое пространство HLS и в цветовое пространство Yuv с сохранением исходных RGB массивов. Далее осуществляют цветокоррекцию каждого из трех исходных HLS массивов путем сравнения значений цветовых координат h(x_i, y_j), l(x_i, y_j) или s(x_i, y_j) каждого элемента соответствующего массива с априорно известными значениями соответствующих цветовых координат изображения зоны 3 анализа, и для несовпадающих по цветовой координате элементов проводят выравнивание цветовых координат, получая при этом совокупность откорректированных HLS массивов. Одновременно с этим производят цветокоррекцию исходных RGB массивов и преобразованных Yuv массивов аналогично HLS массивам, получая при этом совокупность откорректированных Yuv массивов и совокупность откорректированных RGB массивов.

Затем в каждой из трех полученных совокупностей откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов для каждого минерального объекта из партии образцов в блоке обработки определяют пороги различения цветовых оттенков, по которым находят зоны полезности на изображениях каждой стороны минеральных объектов и определяют их суммарные площади для всех минеральных объектов и для минеральных объектов, признанных полезными, соответственно. Далее по полученным порогам различения для каждой совокупности откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов находят порог разделения минеральных объектов из партии образцов.

Затем для каждой совокупности RGB, HLS, Yuv массивов производят оценку степени обогатимости по формуле

$$E\frac{S_g-S_{cg}}{S_0-S_{gg}}\cdot 100\%$$ ,

где S₀ - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов из партии образцов;

S_g - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными;

S_cg - суммарная площадь всех зон полезности изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными;

S_gg - суммарная площадь зон полезности изображений сторон минеральных объектов из партии образцов.

Все полученные данные об исследуемом минеральном сырье записывают в базу данных блока обработки, анализируя которую, специалист делает заключение о возможности обогащения данного типа минерального сырья оптическим методом с выбором сепаратора (определенные ранее пороги различения и разделения могут использоваться для настройки выбранного сепаратора).

Пример реализации способа оценки обогатимости.

При помощи заявляемого способа оценки степени обогатимости оптическим методом была проанализирована представительная проба золотосодержащей руды месторождения Коневинское. Проба содержала 117 минеральных образцов.

Задача анализа состояла в определении возможности обогащения руды указанного месторождения оптическим способом, в частности:

- поиск порогов различения на изображениях образцов полезных областей, принадлежащих минералам: кварцу (белые и светло-желтые оттенки - самый полезный минерал), окисленному березиту (коричневые оттенки - полезный минерал), березиту (болотно-зеленые оттенки - наименее полезный минерал) и гранодиариту (серые оттенки - пустая несущая порода);

- определение оптимального порога разделения минеральных образцов на полезные и пустые;

- расчет оценки степени обогатимости для нескольких порогов разделения, близких к оптимальному.

На фиг.5 представлены наиболее характерные образцы представительной пробы золотосодержащей руды месторождения Коневинское (приведенные изображения образцов были сохранены в ходе проведения их анализа): а - образец №753 (полезный образец березита, характеризующийся присутствием окислов), б - образец №794 (наиболее полезный образец, содержащий кварц), в - образец №783 (пустой образец несущей породы).

В ходе анализа указанной представительной пробы были получены пороги различения зон полезности для белых и светло-желтых, коричневых, болотно-зеленых оттенков (табл.) в цветовых пространствах RGB, Yuv и HLS. Цветовые оттенки, не принадлежащие к рассмотренным, автоматически причислялись к серым.

В таблице 1 приведены полученные пороги различения полезных цветовых оттенков для цветовых пространств RGB, Yuv и HLS.

Таблица 1   Светлые оттенки Болотно-зеленые оттенки Коричневые оттенки RGB R/G G B/G R/G G B/G R/G G B/G (2,12;100) (0;255) (0,6;100) (0,71;2,9) (120;255) (0,7;0,9) (0,45;0,7) (0;255) (0,65;0,9) Yuv Y u V Y u v Y u v [80;100] [-50;50] [-50;50] [-50;40] [-20;-3) [-50;-3] (10;40) [-50;-1) (10,5;50] [20;100] [-50;-3) (3;10,5] [0;10) [-50;-3] (7;50] HLS H L S H L S H L S [0;360] [90;100] [0;100] [105;170] [25;53] (0;80] [340;360] [1;15] [0;100] [0;70] [18;90) [0;100] [0;50] [1;15] [0;100]

Для слабоконтрастных объектов использовались плавающие пороги (Таблица 1), т.е. для каналов R и В задавались пороги, нормированные по каналу G.

Кроме того, для определения необходимых цветовых оттенков в цветовых пространствах Yuv и HLS были получены пороги различения для пяти рабочих зон.

Было определено, что для разделения полезных минеральных образцов от образцов пустой несущей породы следует использовать относительный процент «серых» оттенков на изображении исследуемого минерального образца представительной пробы.

Оптимальным значением порога разделения для цветовых пространств RGB и Yuv было определено значение в 75% «серых» оттенков (если процент «серых» оттенков на изображении образца больше указанного порога, то он причисляется к образцам пустой несущей породы, если меньше - то полезен). Для цветового пространства HLS оптимальное значение порога разделения составляет 70% «серых» оттенков.

При использовании порога разделения, значение которого меньше оптимального, образцы полезной породы будут определяться как пустые. В случае назначения порога разделения, значение которого больше оптимального, образцы пустой несущей породы будут определяться как полезные.

Также были определены предварительные оценки степени обогатимости представительной пробы золотоносной руды месторождения Коневинское для ряда порогов разделения, близких к его оптимальному значению, во всех рассматриваемых цветовых пространствах.

В таблице 2 приведены значения предварительных оценок степени обогатимости представительной пробы золотоносной руды месторождения Коневинское при различных порогах разделения.

Таблица 2 Цветовое пространство Значения порога разделения, % 60 70 75 80 90 Оценка степени обогатимости пробы, % RGB 1,093541 8,775127 17,41088 39,00831 95,05763 Ynv 2,878684 9,737966 18,8907 36,9642 76,32731 HLS 28,00367 52,55025 67,75355 77,8498 96,40542

По представленным во второй таблице результатам видно, что наиболее эффективно проводить анализ рассмотренной представительной пробы при помощи цветового пространства HLS, а наименее эффективно - при помощи цветового пространства RGB.

Пример конкретного исполнения устройства.

В представленном варианте исполнения заявляемое устройство для реализации способа оценки обогатимости оптическим методом минерального сырья предназначено для анализа минеральных объектов размерного ряда от 10 мм до 100 мм.

Данный образец устройства содержит два фотоприемных модуля. Каждый фотоприемный модуль выполнен в виде цифровой камеры, оптическая система которого выполнена в виде фотографического объектива с угловым полем 2ω=48,6° и фокусным f'=8 расстоянием мм, а многоэлементный приемник оптического изображения - в виде КМОП-матрицы с 1294×964 пространственными элементами (пикселями), размер каждого из которых равен 3,75 мкм × 3,75 мкм (r_el=3,75 мкм). Размер зоны анализа ограничен угловым полем оптической системы и линейным размером цветочувствительного многоэлементного приемника оптического излучения. Поскольку фокусное расстояние объектива f'=8 мм, а угловое поле 2ω=48,6°, то из этого следует, что размер изображения зоны анализа по каждой координате не может превышать $${x^{\prime }}_{\max }^{}=2\cdot tg(\omega )\cdot f\text{'}=2\cdot tg(24,3)\cdot 8=7,2\text{ мм}$$ , однако линейный размер матрицы, равный 4,86 мм × 3,62 мм, вносит дополнительное ограничение на размер зоны анализа. Полезное поле зрения объектива составляет по горизонтали 2ω_g=33,8° и по вертикали 2ω_v=25,5°. Контролируемые объекты расположены на расстоянии a=250 мм от объектива. Таким образом, действительный размер зоны анализа по горизонтали составляет x_g=2a·tg(ω_g)=2·250·tg(16,9°)=151,875 (мм), а по вертикали x_v=2a·tg(ω_v)=2·250·tg(12,75°)=113,125 (мм), т.е. 152 мм × 113 мм. Размер выравнивающей маски b×b равен 3×3 пикселей. Таким образом, минимальный размер изображения объекта $$r_{p\min }=b^2\cdot r_{el}\cdot \sqrt{2}=9\cdot 3,75\cdot {10}^{-3}\cdot \sqrt{2}=5\cdot {10}^{-2}\text{ (}мм)$$ . Минимальный размер определяемого вкрапления объекта, соответственно $$r_{ob\min }=(x_g/1294)\cdot b^2\cdot \sqrt{2}=(151,875/1294)\cdot 9\cdot \sqrt{2}=1,5\text{(}мм)$$ .

Каждому фотоприемному модулю соответствуют два блока источников излучения. Каждый блок источников излучения выполнен в виде матрицы из 66 полупроводниковых излучающих люминесцентных белых SMD диодов (3 ряда по 22 светодиода). Блоки источников излучения располагаются парами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для анализа непрозрачных минеральных объектов главные оси индикатрис излучения блоков источников излучения расположены под углом ±45° к визирной оси фотоприемного модуля. Для контроля прозрачных объектов то же количество блоков источников излучения, но главные оси их индикатрис излучения расположены под углом ±135° к визирной оси фотоприемного модуля.

Блок управления источниками выполнен в виде электронного устройства, содержащего микросхему ARDUINO UNO, и управляет работой четырех блоков источников излучения.

Блок преобразований состоит из аналогово-цифрового преобразователя, работающего под управлением микроконтроллера. Блок преобразований выполнен единым блоком с фотоприемным модулем.

Блок обработки выполнен в виде электронной вычислительной машины.

Видеоконтрольное устройство выполнено в виде монитора, мыши и клавиатуры.

Таким образом, заявляемые способ оценки степени обогатимости минерального сырья оптическим методом и устройство для его реализации на основании вышеизложенной совокупности признаков обеспечивают высокую оперативность, достоверность и точность определения технологических параметров и предварительной оценки степени обогатимости минерального сырья за счет комплексного анализа цветовых параметров каждого минерального объекта при уменьшении веса и габаритных размеров устройства.

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для предварительной оценки обогатимости руд твердых полезных ископаемых и определения параметров их селекции. Согласно способу определяют полезность и зоны различения каждого минерального объекта из партии образцов. Формируют цветные изображения, по меньшей мере, двух сторон каждого минерального объекта и определяют их суммарную площадь и суммарную площадь изображений всех сторон минеральных объектов, признанных полезными. Преобразуют исходные RGB массивы в цветовые пространства HLS и Yuv с сохранением исходных RGB массивов. Осуществляют цветокоррекцию каждого из девяти исходных массивов, получая при этом совокупность откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов. Для каждого минерального объекта определяют их технологические параметры и производят оценку степени обогатимости. Технический результат - повышение оперативности, достоверности и точности измерений. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценки степени обогатимости минерального сырья оптическим методом, заключающийся в том, что минеральные объекты из партии образцов поочередно размещают в зоне анализа, оптически сопряженной с источниками излучения и фотоприемными модулями, формируют цветные изображения, по меньшей мере, двух сторон каждого минерального объекта в плоскости изображения зоны анализа, которые затем преобразуют в электрические сигналы аналоговой формы, после чего осуществляют их аналого-цифровое преобразование с получением для каждого цветного изображения трех двумерных массивов целых чисел в цветовом пространстве RGB, каждый из которых содержит информацию о пространственном распределении в изображении одного из трех цветов - красного, зеленого или синего, затем преобразуют RGB массивы в цветовое пространство HLS и осуществляют цветокоррекцию каждого из трех преобразованных HLS массивов путем сравнения значений цветовых координат h(x_i, y_j), l(x_i, y_j) или s(x_i, y_j) каждого элемента соответствующего массива с априорно известными значениями соответствующих цветовых координат изображения зоны анализа, и для несовпадающих по цветовой координате элементов проводят выравнивание цветовых координат, получая при этом совокупность откорректированных HLS массивов, отличающийся тем, что перед установкой каждого минерального объекта из партии образцов в плоскости анализа визуально по каждой его стороне определяют его полезность и зоны различения по заранее выбранным селективным признакам, при получении цветных изображений сторон минеральных объектов определяют их суммарную площадь и суммарную площадь изображений всех сторон минеральных объектов, признанных полезными, преобразование исходных RGB массивов в цветовое пространство HLS осуществляют одновременно с преобразованием исходных RGB массивов в цветовое пространство Yuv с сохранением исходных RGB массивов, при этом производят цветокоррекцию исходных RGB массивов и преобразованных Yuv массивов аналогично HLS массивам, получая при этом совокупность откорректированных Yuv массивов и совокупность откорректированных RGB массивов, затем в каждой из трех полученных совокупностей откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов для каждого минерального объекта из партии образцов определяют пороги различения цветовых оттенков, по которым находят зоны полезности на изображениях каждой стороны минеральных объектов и определяют их суммарные площади для всех минеральных объектов и для минеральных объектов, признанных полезными, соответственно, по полученным порогам различения для каждой совокупности откорректированных RGB, HLS, Yuv массивов находят порог разделения минеральных объектов из партии образцов, затем для каждой совокупности RGB, HLS, Yuv массивов производят оценку степени обогатимости по формуле
$$E=\frac{S_g-S_{cg}}{S_0-S_{gg}}\cdot 100\%$$ ,
где S₀ - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов из партии образцов, S_g - суммарная площадь всех изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными, S_cg - суммарная площадь всех зон полезности изображений сторон минеральных объектов, признанных полезными, S_gg - суммарная площадь зон полезности изображений сторон минеральных объектов из партии образцов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные данные об исследуемом минеральном сырье записывают в базу данных.

3. Устройство для оценки степени обогатимости минерального сырья, включающее по меньшей мере, два источника излучения, и, по меньшей мере, два фотоприемных модуля, оптически сопряженные с зоной анализа, по меньшей мере, два блока преобразований, каждый из которых соединен с соответствующим фотоприемным модулем, блок обработки, соединенный с каждым блоком преобразований, видеоконтрольное устройство, соединенное с блоком обработки, по меньшей мере, один блок управления источниками излучения, соединенный с каждым источником излучения, при этом каждый фотоприемный модуль содержит оптическую систему и установленный в плоскости формирования изображения многоэлементный приемник оптического излучения, причем главная ось индикатрисы излучения источника расположена под углом к визирной оси фотоприемного модуля, при этом каждый многоэлементный приемник оптического излучения выполнен в виде матричного фотоприемника с нанесенными на его элементы светофильтрами красного, зеленого и синего цветов, причем размер зоны анализа превосходит размер минерального объекта, отличающееся тем, что все источники излучения объединены в, по меньшей мере, два блока источников, каждому из которых соответствует один фотоприемный модуль и один блок управления источниками, причем каждый блок управления источниками излучения соединен с соответствующим блоком преобразований, при этом каждый блок преобразований выполнен с возможностью осуществлять преобразования полученных изображений зоны анализа в, по меньшей мере, три отличных друг от друга цветовых пространства, имеется, по меньшей мере, два устройства крепления, на каждом из которых зафиксирован соответствующий фотоприемный модуль и блок источников, причем устройство крепления выполнено с возможностью их позиционирования, каждый источник излучения выполнен многоэлементным с возможностью изменения своей цветности, при этом все элементы устройства помещены в корпус, в котором выполнено сквозное отверстие, соответствующее по расположению зоне анализа.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок обработки выполнен с возможностью формировать базу данных из полученной информации о минеральном объекте.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройства крепления фотоприемных модулей снабжены приспособлением для изменения расстояния от фотоприемного модуля до зоны анализа.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что видеоконтрольное устройство выполнено в виде сенсорного экрана.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что зона анализа сформирована на поворотном столе, расположенном внутри корпуса.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус снабжен приспособлением для его переноски.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оптическая система фотоприемного модуля выполнена в виде объектива с переменным фокусным расстоянием.

10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что имеется автономный блок питания, обеспечивающий работоспособность всех элементов устройства.

11. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для контроля движущихся минеральных объектов имеется блок синхронизации.

12. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для контроля прозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника и визирной осью фотоприемного модуля составляет 135°.

13. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для контроля непрозрачных минеральных объектов угол между главной осью индикатрисы излучения источника и визирной осью фотоприемного модуля составляет 45°.