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基于高光譜成像的塑料分類識別應(yīng)用與研究
發(fā)布時間：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，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，混合后對加工和應(yīng)用的影響非常大，所以在廢舊塑料回收過程中進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單、粗放的塑料分選，但識別材料的能力有限，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法檢測它是PET還是HDPE。電渦流檢測器可以分辨導(dǎo)電金屬，但不能分離塑料或紙漿。RGB相機可以將瓶子分為透明，黑色和彩色，但無法區(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，從而推動傳統(tǒng)的機械物理化分選模式向數(shù)字化、智能化、精準化的分選模式轉(zhuǎn)變。
>>案例背景
某塑料分選自動化機械裝備制造商企業(yè)，一直選用普通RGB相機作為其自研裝備的主要分選技術(shù)，現(xiàn)想尋找一種高效、精準的塑料分選手段和方法，能同時對PETE、PP、PVC、HDPE等塑料進行精準分選。
>>現(xiàn)狀與痛點
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，只能實現(xiàn)單一維度檢測，無法同步、精準識別塑料類別。
為解決上述客戶痛點，本案例主要通過高光譜成像技術(shù)與設(shè)備來實現(xiàn)塑料類別的判別，利用各類塑料的光譜特征差異，實現(xiàn)對各類塑料的高效精準分類識別。本案例涉及到的高光譜成像技術(shù)，可同時獲取檢測對象的光譜信息和空間信息，利用檢測對象的光譜特征，實現(xiàn)對各物質(zhì)的精準識別、分類和篩選。
基于“高光譜”機器視覺技術(shù)的塑料分類識別效果視頻
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由深圳市中達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、精準獲取觀測目標的高光譜信息，廣泛應(yīng)用于掛載、便攜、室內(nèi)等應(yīng)用場景。該產(chǎn)品可結(jié)合目標物的空間圖像信息和光譜信息，利用目標物不同部位或成分的光譜特征，進行無損、無接觸、快速高效的精準獲取、發(fā)現(xiàn)識別、分類篩選和分析應(yīng)用。
推掃式高光譜相機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PETE、PP、PVC、HDPE塑料板用VIX-S235G短波紅外推掃式高光譜相機在采集參考白板基礎(chǔ)下再進行高光譜數(shù)據(jù)采集，采集波段900-1700nm,，共采集1000個波段高光譜圖像。同樣，對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進行高光譜數(shù)據(jù)采集，采集波段為900-1700nm，共采集1000個波段高光譜圖像。
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)練與驗證
通過中達瑞和光譜云平臺，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，對多個樣本進行標注，分析和模型訓(xùn)練，最后通過混合采集的塑料切割板光譜數(shù)據(jù)進行模型匹配，驗證結(jié)果如下圖。
左：可見光圖，右：光譜識別偽彩分類圖
如上圖驗證結(jié)果表明，基于高光譜成像技術(shù)并結(jié)合機器學習模型訓(xùn)練方法能夠準確地實現(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)濟的一個基本因素，在任何情況下，縮小當前回收廢物處理工作與行業(yè)目標狀態(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現(xiàn)這一目標，并顯示出強大應(yīng)用效能，這將是塑料分選領(lǐng)域一個跨時代的變革。
高光譜成像技術(shù)可捕捉遠大于可見光范圍的光譜信息和圖像信息，能看到普通可見光成像看不到的物質(zhì)信息，是未來成像技術(shù)主要發(fā)展方向之一。深圳市中達瑞和科技有限公司作為國內(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、光譜軟件和光譜智能云平臺，產(chǎn)品與技術(shù)在科學研究、精準農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)檢測、資源勘探、生物醫(yī)學、食品安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來，中達瑞和將持續(xù)攻難克堅，推動光譜成像技術(shù)從高端科研到工業(yè)應(yīng)用、并最終到消費級應(yīng)用，為各行業(yè)實現(xiàn)光譜數(shù)字化、智能化賦能。
