烟化炉吹炼终点火焰图像特征研究.pdf

烟化炉吹炼终点火焰图像特征研究 张寿明， 张云生， 张付杰 （昆明理工大学， 昆明 “ ） 摘要 通过对烟化炉三次风口火焰图像的处理， 发现烟化炉吹炼终点火焰特征与非终点火焰特征具有 明显区别， 这为化炉吹炼终点判断提供了新的方法和技术思路。 关键词 烟化炉； 火焰； 数字图像处理； 吹炼终点 中图分类号 5 ; E H 6 G N K 6 O ; ; E 9 I E ; N K 6 O ; G ; I K P 6 ; E 6 G E 5 G 7 9 ; G 7 D ; I H ; - 3 G 7 D ; I H ；’ K I 9 ；Q ; ；R K 6 O ; G ; I K P 6 ; E 基金项目云南省自然科学基金重点资助项目 （’ 0 Q * /） ， 云南省人才引培资助项目 （* * S ） ， * *年云南省计算机应用重点实验室开放基金资助项目 作者简介张寿明 （ .） ， 男， 云南大理人， 硕士， 副教授 长期以来， 在烟化炉生产中主要依靠操作工人 观察烟化炉三次风口的火焰来判断当前炉内的温度 和挥发情况。特别是吹炼终点判断， 更是依赖于三 次风口的火焰。利用数码相机拍摄到的三次风口火 焰的图像， 通过图像的预处理， 编程截取感兴趣的部 分 （风口部分） 。通过T 3 R三基色处理、 二值化处 理、 颜色空间的转换、 纹理分析等方法对三次风口火 焰图像进行处理。其目的是希望能够寻找到烟化炉 吹炼三次风口的火焰图像的特征， 为烟化炉吹炼终 点的判断提供新的途经。 T 3 R三基色处理 1颜色系统 T 3 R颜色系统是使用红 （T） 、 绿 （3） 、 蓝 （R） 的 亮度值， 大小限定到 * “ “。每个像素都能用三维 空间中第一象限的一个点来表示， 如图中的彩色 立方体所示。三色图像的灰度级直方图是T 3 R空 间的点分布。 在T 3 R彩色空间的原点上， 任一基色均没有亮 - 有色金属 （冶炼部分）* /年期 万方数据 度， 即原点为黑色。三基色都达到最高亮度时则表 现为白色。亮度较低的等量的三种基色产生灰色的 影调， 所有这些点均落在彩色立方体的对角线上， 该 对角线被称为灰色线。彩色立方体中有三个角对应 于三基色 红、 绿和蓝色。剩下的三个角对应于 二次色 黄色、 青色 （蓝绿色） 和品红 （紫色） 。 “ 火焰图像的 “ 均值统计 通过对所拍摄到的烟化炉三次风口火焰的图像 作 “ 三色的均值， 发现， 在烟化炉挥发阶段， 图像 之间的 “ 均值波动较大， 这主要是由于在此阶段 三次风口所呈现出的挥发图像是间歇性的爆炸图 像。当吹炼结束， 准备放渣时， 图像之间的 “ 均 值基本趋于稳定。图是烟化炉某炉三次风口火焰 图像 “ 均值统计结果图。 （图像编号在 ’时人 工判断为吹炼终点） 。 图烟化炉三次风口火焰图像的 均值统计图 ’ “ * , - . / . - . 0 / 1 0 / 2 . 3 4 / 5 , 2 / , 5 / 1 6 , 3 4 . , 4 1 / 7 , 7 / , - 根据对烟化炉三次风口大量火焰的图像所作 “ 三色的均值统计， 可以得出如下的结论 该方 法可以作为烟化炉吹炼过程所处的阶段的一种判断 方法， 但不能仅凭单幅图像就作出判断， 而需要将图 像放在整个过程中进行分析研究， 不能通过设立一 个阀值， 简单地将图像分成两类， 而应该通过对连续 的几幅图像进行稳定性比较， 如果连续的几幅图像 的某一参数值 （如“参数） 稳定在一定范围内， 就可 以作出吹炼到达终点的判断结果。根据该方法判断 的终点时刻与人工判断基本吻合。 *颜色模式处理 前述的 “ 模式属于彩色空间模式处理， 在这 一模式下通过处理图像某一颜色的均值， 建立识别 标准。 *颜色模型是一种由 “ 转化来的亮度 色度模型， 在 *模型中代表了光源的亮 度， 而色度则包含在、 *两个参数里。在参数中 包含了橙青的色彩信息， *中包含了绿品红的 色彩信息。由于人眼对于亮度的敏感程度大于对于 色度的敏感程度， 因此将最大的带宽分给信号。 “ 模式与 *模式相互变换的公式 “ * , - , - . / 0, - 1 ’ ’ , - . 2 , - 0 . 2 , - 3 1 “ , - 1 ’ 2 , - . /, - 3 1 1 “ “ 在烟化炉三次风口火焰图像中， 因为挥发的金 属锌是白色的， 所以所拍图像的亮度值较大。我们 将 “ 模式转化到 *颜色模型中， 通过计算获 取图像的亮度（实际上就是灰度的图像） 均值， 在有金属挥发时， 图像的亮度均值应该较大， 而无金 属挥发时， 图像的亮度均值应该较小。图3是烟化 炉三次风口火焰图像 *模式中值统计图。 从图3可以看出， 以为参数进行识别也能够 达到将吹炼终点的图像与挥发期 （非吹炼终点） 的图 像分开。 3 图像二值化处理 图像二值化是一种灰度图像， 它将图像处理为 只有两个灰度的图像， 图像的像素值为1或者,。 为此必须要选择一个合适的阀值， 阀值处理是图像 处理的重要组成部分。在取出浓淡图像的几何特征 /3 有色金属 （冶炼部分） , , ’年3期 万方数据 图烟化炉三次风口火焰图像的“值统计图 ’ * , * - , . - , / 0 1“2 , . 3 0 1 1 . , 4 4 , * 之前， 必须进行阀值处理， 也就是取出某灰度以上或 以下部分的处理。利用图像的统计性质以及图像的 基本知识来进行阀值选择。我们对所采集的图像采 用不同的阀值， 以寻求区分烟化炉吹炼终点图像与 非终点图像的阀值曲线。 一幅图像包括对象物、 背景和噪声， 从多值的图 像景物中只取出对象物， 常用的方法就是设定某一 阀值， 用将图像的数据分成两部分 大于的像 素群和小于的像素群， 例如输入图像为（“， ） ， 输出图像为 （“， ） ， 则 （“， ） “， （“， ） ， （“， ）“ ｛ 二值化处理就是把图像（“， ） 分成对象物和 背景两个领域。阀值存在于从对象物向背景变化的 边缘部分的灰度区域中。二值图像是数字图像的一 个重要子集。 在烟化炉吹炼过程中， 其三次风口图像因挥发 的金属是白色的， 所以图像的灰度值较大， 这对做二 值化处理是一个很有利的条件。对同一阀值而言， 经过二值化处理后， 强挥发阶段白点像素数 （即像素 值为“的像素点数） 较多， 而挥发终点时期的图像二 值化后， 白点像素数应该较少， 这样， 在图像的总像 素点数不变的情况下， 通过白点像素的多少即可判 断三次风口图像所处的阶段， 亦即烟化炉吹炼所处 阶段。经过大量分析研究发现对图像进行阀值 的二值化处理后，可以从图像白色点数的多少 图5烟化炉三次风口火焰图像二值化处理统计结果图 5 ’ * , * - , . - , / 0 1 6 7 , / 8 4 , * , 7 , . 8 * * 0 1 1 . , 4 4 , * ’ 有色金属 （冶炼部分） 年’期 万方数据 将终点图像分离出来。图为烟化炉三次风口火焰 图像阀值为“ 二值化处理后的统计结果图。 图像编号在 ’ 时人工判断为吹炼终点。 对二值化的图像可以进行两种方式的识别， 一 是二值化后的图像的白色点数能够连续几幅稳定在 一定的范围内， 二是二值化后图像的白色点数与空 洞面积的差值稳定在一定的范围内。 灰度共生矩阵法 灰度共生矩阵是 * , - .用来描述图像纹理的 一种统计方法， 以研究沿一定方向 （ /、 /、 /、 0 1 /） 、 间隔一定间距的像元之间相互关系为目的。 灰度共生矩阵元素 （， “） 的值等于沿方向， 间距 为时灰度为和“的像元出现的概率 （也叫频 数） ， 常用“（， “，，） 表示。 共生矩阵中含有非常有价值的纹理空间信息 如纹理粗糙， 则共生矩阵的分布集中于对角线附近； 如纹理较细， 则共生矩阵的分布比较分散； 如果纹理 具有较强的方向性， 当位移矢量与纹理方向一致时， 其共生矩阵的分布会集中于主对角线上。用不同的 处理方法， 对灰度共生矩阵进行处理， 可以提取图像 中的纹理信息特征。较常用的参数之一是 角二阶 矩 0 ’ 0 ’ 0 “ 2 （， “） ， 角二阶矩是图像分布均匀 性的度量。从角二阶矩来判断图像的纹理， 当纹理 较粗时， 此时角二阶矩值 0较大， 反过来角二阶矩 值 0较小。角二阶矩是灰度共生矩阵元素值的平 方和， 所以它也称为能量。图是烟化炉三次风口 火焰图像的共生矩阵角二阶矩统计图 （ “， 3 “0， 灰度级“ 0 ’） ， 从图可以看出， 其纹理特性杂乱， 很 难判断图像所处的阶段。 图烟化炉三次风口火焰图像的共生矩阵角二阶矩统计图 “ ’ * * * , - , ’ . * / 0 1 - 2 1 . 3 . 1 45 * . 6 / 0 , / 7 / , , 8 . . 1 , 5 * . 6/ 0 * ’ 0 - 5 5 结语 烟化炉三次风口终点火焰图像与非终点火焰图 像具有明显区别。虽然对烟化炉三次风口火焰图像 特征的分析研究尚不够深入， 但初步的研究结果表 面采用图像处理的方法对烟化炉吹炼终点作出判断 的方法和技术思路是可行的， 它对烟化炉吹炼终点 判断带来新的思路。 有色金属 （冶炼部分）2 年1期 万方数据