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基于高光譜成像的塑料分類識(shí)別應(yīng)用與研究
發(fā)布時(shí)間：2023-12-20
隨著塑料工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及塑料垃圾的不斷增長(zhǎng)，廢舊塑料再生利用行業(yè)日益興起。但由于塑料品種繁多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，所以在回收過(guò)程中，很多不同種類及顏色的塑料被混合在一起。不同種類的塑料性能及加工條件是不同的，混合后對(duì)加工和應(yīng)用的影響非常大，所以在廢舊塑料回收過(guò)程中進(jìn)行分選是必不可少的環(huán)節(jié)。
大多數(shù)塑料回收廠使用不同的技術(shù)，從條形碼閱讀器和RGB相機(jī)到X射線和渦流系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)技術(shù)雖然在一定程度上能滿足簡(jiǎn)單、粗放的塑料分選，但識(shí)別材料的能力有限，并不是完美的解決方案。例如，如果塑料瓶缺少條形碼，使用條形碼閱讀器則無(wú)法檢測(cè)它是PET還是HDPE。電渦流檢測(cè)器可以分辨導(dǎo)電金屬，但不能分離塑料或紙漿。RGB相機(jī)可以將瓶子分為透明，黑色和彩色，但無(wú)法區(qū)分一種塑料類型與另一種塑料類型。因此，迫切需要新一代人工智能等重大創(chuàng)新添磚加瓦，從而推動(dòng)傳統(tǒng)的機(jī)械物理化分選模式向數(shù)字化、智能化、精準(zhǔn)化的分選模式轉(zhuǎn)變。
>>案例背景
某塑料分選自動(dòng)化機(jī)械裝備制造商企業(yè)，一直選用普通RGB相機(jī)作為其自研裝備的主要分選技術(shù)，現(xiàn)想尋找一種高效、精準(zhǔn)的塑料分選手段和方法，能同時(shí)對(duì)PETE、PP、PVC、HDPE等塑料進(jìn)行精準(zhǔn)分選。
>>現(xiàn)狀與痛點(diǎn)
因塑料類別多、顏色雜、形狀各異，現(xiàn)有方案采用普通RGB相機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)單一維度檢測(cè)，無(wú)法同步、精準(zhǔn)識(shí)別塑料類別。
為解決上述客戶痛點(diǎn)，本案例主要通過(guò)高光譜成像技術(shù)與設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)塑料類別的判別，利用各類塑料的光譜特征差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類塑料的高效精準(zhǔn)分類識(shí)別。本案例涉及到的高光譜成像技術(shù)，可同時(shí)獲取檢測(cè)對(duì)象的光譜信息和空間信息，利用檢測(cè)對(duì)象的光譜特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)各物質(zhì)的精準(zhǔn)識(shí)別、分類和篩選。
基于“高光譜”機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的塑料分類識(shí)別效果視頻
高光譜采集分析設(shè)備
本案例中應(yīng)用的短波紅外推掃式高光譜相機(jī)由深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司自主研發(fā)與生產(chǎn)制造，擁有超高光譜分辨率，覆蓋900-1700nm波段光譜范圍，可快速、精準(zhǔn)獲取觀測(cè)目標(biāo)的高光譜信息，廣泛應(yīng)用于掛載、便攜、室內(nèi)等應(yīng)用場(chǎng)景。該產(chǎn)品可結(jié)合目標(biāo)物的空間圖像信息和光譜信息，利用目標(biāo)物不同部位或成分的光譜特征，進(jìn)行無(wú)損、無(wú)接觸、快速高效的精準(zhǔn)獲取、發(fā)現(xiàn)識(shí)別、分類篩選和分析應(yīng)用。
推掃式高光譜相機(jī)VIX-S235G
高光譜數(shù)據(jù)采集
本案例選用的樣本為PETE、PP、PVC、HDPE塑料板及其切割樣品，如下圖所示。分別對(duì)PETE、PP、PVC、HDPE塑料板用VIX-S235G短波紅外推掃式高光譜相機(jī)在采集參考白板基礎(chǔ)下再進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)采集，采集波段900-1700nm,，共采集1000個(gè)波段高光譜圖像。同樣，對(duì)PETE、PP、PVC、HDPE塑料板的切割樣品用VIX-S235G短波紅外推掃式高光譜相機(jī)進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)采集，采集波段為900-1700nm，共采集1000個(gè)波段高光譜圖像。
左：塑料板圖，右：塑料板切割樣品圖
高光譜數(shù)據(jù)分析
分別在PETE、PP、PVC、HDPE四種塑料板樣本各區(qū)域內(nèi)選取高光譜曲線，可以看出四種塑料光譜曲線存在明顯差異，具有可區(qū)分性。如下圖：
左：塑料板光譜圖 ，右：塑料板光譜曲線圖
同樣，分別在PETE、PP、PVC、HDPE四種塑料板切割樣本各區(qū)域內(nèi)獲取高光譜曲線，可以看出四種塑料切割板光譜曲線存在明顯差異，具有可區(qū)分性。如下圖：
左：塑料切割板光譜圖 ，右：塑料切割板光譜曲線圖
模型訓(xùn)練與驗(yàn)證
通過(guò)中達(dá)瑞和光譜云平臺(tái)，把采集的各類塑料切割板光譜數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)集中，對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行標(biāo)注，分析和模型訓(xùn)練，最后通過(guò)混合采集的塑料切割板光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型匹配，驗(yàn)證結(jié)果如下圖。
左：可見(jiàn)光圖，右：光譜識(shí)別偽彩分類圖
如上圖驗(yàn)證結(jié)果表明，基于高光譜成像技術(shù)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練方法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)PETE、PP、PVC、HDPE塑料鑒別，為客戶大幅減少成本投入，且提升了塑料分選效率與準(zhǔn)確度。
高效的廢物管理是使我們更接近真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)基本因素，在任何情況下，縮小當(dāng)前回收廢物處理工作與行業(yè)目標(biāo)狀態(tài)之間的差距，都需要技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，而高光譜成像正在幫助我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并顯示出強(qiáng)大應(yīng)用效能，這將是塑料分選領(lǐng)域一個(gè)跨時(shí)代的變革。
高光譜成像技術(shù)可捕捉遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光范圍的光譜信息和圖像信息，能看到普通可見(jiàn)光成像看不到的物質(zhì)信息，是未來(lái)成像技術(shù)主要發(fā)展方向之一。深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司作為國(guó)內(nèi)光譜成像行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，擁有自主研發(fā)的分光器件、光譜相機(jī)、光譜軟件和光譜智能云平臺(tái)，產(chǎn)品與技術(shù)在科學(xué)研究、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)檢測(cè)、資源勘探、生物醫(yī)學(xué)、食品安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來(lái)，中達(dá)瑞和將持續(xù)攻難克堅(jiān)，推動(dòng)光譜成像技術(shù)從高端科研到工業(yè)應(yīng)用、并最終到消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，為各行業(yè)實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)字化、智能化賦能。
