（机械电子工程专业论文）基于dsp和图像处理技术的窑温测控技术与应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在过程工业中工业窑炉是重要的生产设备，它被广泛应用于建材、冶金、 化工、电站等诸多领域，其运行的好坏，生产效率的高低直接影响到产品质量、 能源消耗、环境污染等各个方面。目前我国工业窑炉能耗高、热效率低，其一个 重要原因是我国在这方面的检测和监控技术还比较落后。工业窑炉的“人工看 火”，热电偶测温响应时间长，温度检测滞后等现象在定程度上阻碍了过程工 业的发展。 本文针对目前过程工业中温度监控的缺点，采用了高效的数字信号处理器 d s p 和微控制器a r m 为核心，并结合数字图像处理技术，构建了工业窑炉温度场 实时监控系统。该系统借鉴国内外锅炉火焰研究的一些理论成果，将图像处理 技术用于工业窑炉的“看火”和温度测控上，能够较好的解决目前窑炉温度检 测的一些缺点。 该系统的开发包括硬件部分的设计、控制软件的开发以及控制算法的研究。 本文着重对系统的硬件设计部分进行了介绍，主要工作包括论证了窑炉中火焰 图像温度检测的可行性；给出了基于d s p 和a r m 图像采集和处理的总体方案， 硬件设计、电路原理图和相应的底层软件开发模块；论述了嵌入式操作系统的 移植，人机界面的设计以及与上位机通信的手段等等。 本文最后对系统开发进行了总结，并对系统的不足给出了几点改进意见。 对进一步的研发提出了展望。 关键字：温度场，图像处理，d s p ，a r m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a o t i nt h ep r o c e s si n d u s t r y 。t h ei n d u s t r i a lk ii nisai m p o r t a n td e v i c e ， w h i c hi sb r o a d l yu s e di na r c h i t e c t u r ea n dm a t e r i a l 、m e t a l i u r g y 、c h e m i c i n d u s t r yf i e l d se t c t h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fk i l nd i r e c t l ye f f e c t s t h eq u a l i t yo fp r o d u c t 、t h ec o m s u p t i o no fe n e r g ea n dp o l l u t i o no fo u r e n v i r o n m e n ta n ds oo n a tp r e s e n t t h ei n d u s t r i a lk ii ni no u rc o u n t r ys h o w s h i g hc o n s u m p t i o no fe n e r g ea n dl o we f f i c i e n c yo fh e a tc o n v e r s i o n ，o n eo f t h em a i nr e a s o n si st h eo l dm e a s u r em e t h o d sa n dd i s a d v a n t a g ec o n t r o l t h e c h n o l o g y f o re x a m p l e ，“w a c t hf l a m e d i r e c t l yb y w o r k m a n ”o f i n d u s t r i a lk i l n ，l o n gt e m p e r a t u r er e s p o n s eu s e dt h e r m o c o u p l e ，d e l a yo f t e m p e r a t u r em e a s u r ee t c ，w h i c ha r em o r eo rl e s sp r e v e n tt h ed e v e l o p m e n t o ft h ep r o c e s si n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，i ta n a l y z e st h es h o r t a g eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l i nt h ec u r r e n tp r o c e s si n d u s t r y ，u s e st h eh i g he f f i c i e n c yd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a n dm i c r o c o n t r o l l e r ( a r m ) c o m b i n et h ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，s t r u c t u r e st h es u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e mo f t h ek i l n st e m p e r a t u r ef i e l d t h es y s t e mr e f e r st os o m et h e o r i e sa n d a c h i e v e m e n t sa b o u tb o i l e r sf l a m er e s e a r c h ，u s i n gi m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi nt h e “w a t c hf l a m e ”a n dt e m p e r a t u r em e a s u r e 。c a ns o l v et h e a b o v ep r o b l e m t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mi n c l u d eh a r d w a r ed e s i g n 、p r o g r a m m i n g t h ec o n t r o ls o f t w a r ea n dr e s e a r c h i n gc o n t r o la l g o r i t h m t h i sp a p e r e m p h a s i so ni l l u m i l a t i n gt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t s t h em a i nw o r k sa r e s h o w na sf o l l o w ：f i r s t ，t h ef e a s i b i l i t yt h a tm e a s u r et e m p e r a t u r eu s i n g t h ef l a m ei m a g ei ni n d u s t r yk i l n si sd e m o n s t r a t e d s e c o n d ，as c h e m eo f i m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gb a s e dd s pa n da r mi sd e s i g n e d t h e c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r e ， c i r c u i te l e m e n t sc h a r ta n dt h es u b s t r a t e s o f t w a r em o d u l ea r ep r o p o s e d t h i r d , t h ee m b e d e do p e r a t i o ns y s t e ma d d e d i n t o c h i p ，t h ed e s i g no fg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ( g u i )a n dt h e c o m m u n i c a t i o nm e a t h o d sw i t ht h eu p p e rc o m p u t e ra r eg i v e na n ds oo n a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，i tm a k e sa s u g a r ya n dp r o v i d e ss o m ef u t h e r a d v i c et ot h i ss y s t e m k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d s p ，a r m i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 近年来，国内学者在燃烧理论基础研究和新型燃烧技术研究方面作了大量 工作，对提高我国冶金炉、玻璃窑炉、水泥窑炉、电站锅炉等工业炉的燃烧效 率的提高起到了重要作用。目前，国内大多数陶瓷窑炉在线检测窑炉温度的方 法主要是利用热电偶进行测量，但是热电偶只能检测某些部位点的温度，而且 响应时间长，存在着温度检测滞后的现象，不能及时准确的反映窑炉内温度变 化的情况，从而影响了我们对窑炉温度场分布的控制，进一步影响了产品质量 的提高。 1 1 系统开发背景 1 1 1 燃烧理论 燃烧是一种急速、剧烈、发热、发光的氧化反应它也可被看作是爆炸现 象。燃烧过程测试技术是燃烧理论和技术发展的重要基础之一。火焰结构、形 状和位置分析以及温度场测量是燃烧领域的一个极其重要和比较复杂的问题。 由于高温火焰具有温度较高、脉动燃烧和测量环境恶劣等特点，使得一些传统 的测量方法难以实施，人们一直在寻找可以更好了解火焰结构和测量高温火焰 温度的方法。近些年来出现了红外成像技术、图像处理技术等新技术，结合普 朗克定律一黑体的单色发射能力与波长及温度之间的关系，人们逐步开始利 用火焰图像特性来研究火焰结构，这在一定的程度上推动了人们对高温火焰的 了解。 1 1 2 d s p 与3 2 位微控制器结合 近年来，数字信号处理技术( d s p ) 发展迅速，因为其强大的计算能力而 广泛应用于通信、控制、信号分析等领域，但是作为一种专用处理器，通常不 能完成一些通用微处理器完成的工作，当开发系统不仅有着大量的数据运算处 理，而且还需要复杂的外部扩展，实现方便的控制功能时，往往靠单一的d s p 处理器难以同时完成如此大的工作量。 随着3 2 位嵌入式微控制器a r m 的异军突起，它以其高性能、低功耗、低 成本的特点，在嵌入式产品中，a r m 逐步占领了市场，它占有了7 8 6 的嵌入 式产品的市场份额。它能方便的实现网络、u s b 、音频电路接口、各种复杂l e d 武汉理工大学硕士学位论文 的显示和嵌入式操作系统的移植等等，从而具备了构架一个复杂、全面、实用 的控制系统的能力。因此，对一些需要强的控制能力和高速数字处理能力的场 合，人们将d s p 和3 2 位微控制器a r m 相结合构成的高性能系统，能够很好的 满足人们的需要。 1 1 3 窑温测控系统的需求 在我国工业中，节约能源努力提高能源利用效率是落实节能法及其配 套法规的关键。就陶瓷工业来说，我国能效低，比先进国家落后2 0 年，相差约 1 0 个百分点，主要工业产品的单位能耗比先进国家高如3 0 以上。其中梭式窑 的能耗最高，辊道窑的能耗最低，隧道窑的烧成热耗也是辊道窑的1 5 以倍以 上。在其他冶金炉，水泥炉等场合也存在着各种能耗高、效率低等情况。 在陶瓷窑炉中，窑内的压力、气氛和温度是影响产品质量及降低能耗的关 键因素。温度的测量和控制又显得十分重要。目前常用的测温方法是利用安放 在炉壁内的一组热电阻或热电偶来间接监视炉内燃烧情况，不能实时测出炉内 的燃烧温度。通常，工业炉膛体积大，物料多、工况复杂，炉内温度很不均匀， 若用热电偶或光学高温计直接测量炉内温度，则在不同的测量点，测温结果有 较大的差异。而且，测量点位置也不能任意选择，只能安排在炉口或烟气道附 近。所以测量结果只代表了局部有限点的温度，不能全面体现整个温度场的分 布情况。再加上陶瓷炉现场高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣环境因素，限 制了对环境要求较高的一些精密测量仪器仪表的使用。 综上所述，目前在过程工业中我们迫切需要新的窑炉温度测控方法。来实 现快速、全面的掌握炉内的燃烧情况，得到对燃烧调整来说至关重要的参数一 一窑炉温度场分布。随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者把眼光投向 了可视化的燃烧监控领域，人们希望能从火焰燃烧图像中取出干扰因素，提取 出温度信息。 1 1 4 国内外研究现状及解决方案 上世纪8 0 年代在国外已开始将数字图像处理技术应用到电站锅炉及部分 窑炉的燃烧检测与诊断系统中。近年来，在国内也有这方面的研究工作。最初 将图像处理技术应用于火焰、温度检测时，使用的是普通光学摄像机，光学图 像在摄像机内转换成为模拟p a l 信号，然后通过图像卡分解成三原色r g b 信 号，送入计算机进行数字图像处理。随着电子技术的发展，近年来开始使用彩 2 武汉理工大学硕士学位论文 色c c d ( c h a r g ec o u p l ed 晰c r 电荷耦合器件) 摄像机作为图像采集设备， 获取数字图像信号，根据彩色c c d 摄像机的色度学基础进行分析和处理。 国内在上世纪9 0 年代，已经开始将红多卜检测技术应用到陶瓷窑的温度检测 上面来。它克服了热电偶只能对点的温度测量的缺点，可以对火焰以及产品表 面区域温度进行测量，对产品质量的提高起到一定的作用。 国内的一些高校也着重利用图像处理技术对诸如电力厂中锅炉炉膛内火焰 温度场分布进行了一些研究，得到了其燃烧火焰的二维温度场的分布情况，并 尝试了炉膛燃烧火焰三维温度场分布的重建，但是目前尚与已有的方法进行实 际测量值都存在较大的误差。在陶瓷窑炉的温度测量中若也采取对火焰的温度 场测量的方法，显然显得有些不足。因为在陶瓷产品生产过程中有三个重要的 控制参数直接影响产品的质量，其分别是烧成温度、气氛制度、压力制度。其 中烧成温度的保证是最重要的。烧成温度严格说来应该是制品的表面温度，因 此通过测量火焰的温度并不是严格的烧成温度，而是它的一个近似，这并不是 很合适。另外，国内在陶瓷窑炉温度控制方面的研究大都仍是以热电偶测得的 温度作为控制器的输入来进行控制的，并没有结合日前较先进的测量手段。因 此在对陶瓷窑炉温度控制方面还有许多可研究和改进的地方。 根据我们了解到的情况，在众多冶金厂和玻璃厂的生产过程中，由于没有 较准确、实时的温度场测量仪器，工人师傅仅凭目测来控制燃烧和生产过程， 即所谓的人工看火。针对这一情况，我们将现有的摄像机型火焰检测技术推广 到陶瓷窑炉中，这些炉子的被测高温辐射体具有实物面，因此可以容易的拍摄 到清晰的高温物体图像。从而分析得到窑炉内温度场的分布，指导生产。 1 2 研究的目的及意义 本课题来源于国家发改委预研项目一武汉理工大学与湖北省黄冈市华窑中 洲窑炉有限公司合作的项目工业窑炉高温脉冲燃烧节能系统优化集成技术 的一部分。我们利用高效的d s p 和数字图像处理技术，结合经典的控制方法， 设计了一个窑炉温度实时监控系统。该系统首先对陶瓷窑炉内陶瓷坯体表面温 度场和火焰温度场的分布进行分析研究，再利用经典控制算法提出对陶瓷窑温 度、燃料等进行实时控制的方案。 课题意义，该项目的研发不仅可以直观地反映出窑炉温度场分布情况， 而且可以依据获得的瞬时温度场分布数值，来对窑炉的燃料供给进行实时控制， 3 武汉理工大学硕士学位论文 从而实现对窑炉内温度的实时准确控制。它将大大提高对陶瓷窑炉温度检测的 精度，并在线实时地对窑炉温度进行控制，从而进一步提高陶瓷窑的产品质量。 1 3 本文的主要研究内容 本论文中设计的温度监控系统是针对陶瓷工业中陶瓷窑炉对温度控制的严 格要求而设计的。以往在火电站燃煤锅炉内利用图像处理技术，只能将锅炉内 大范围半透髓的弥散介质作为测温对象，c c d 摄像机无法找到一个确定的物平 面来调节焦距，因此得不到一个确定像面的辐射图像( 只能假设一个虚假物面 来测量) 。在陶瓷工业中，窑炉内的被测高温辐射体一陶瓷产品，具有实物面， 因此我们可以用c c d 摄像机拍摄到清晰的高温物体图像。然后我们结合图像处 理技术和高速处理芯片完成对图像的处理分析，实时得到图像的温度场分布情 况，对生产实践进行指导。 本课题是直观地反映出窑炉温度场分布情况，在线实时地对窑炉温度进行 控制，从而进一步提高陶瓷窑的产品质量。硬件设计部分结合实时处理的需要， 采用高速数字处理芯片d s p 和a r m 微控制器为核心来构建该测控系统，利用 c c d 摄像机作为前端图像采集器。图像处理部分对c c d 摄取到的图像进行除 噪声，增强对比度，提取轮廓，提取图像特征等处理。在这里先利用c 语言对 图像处理算法进行模拟，然后移植到d s p 处理器芯片中去。控制部分由a r m 微控制器根据得到的图象分析结果，将控制指令发送的控制端口。 本论文的主要研究内容包括以下几部分： 1 ) 系统方案的选择和总体设计 2 ) 信号的采集模块设计 3 ) 数据处理及算法移植 4 ) 嵌入式微控制器模块的设计 5 ) 数据通信接口设计 6 ) 嵌入式操作系统以及应用程序的开发 本论文首先论证了利用图像处理技术进行窑炉温度场分布研究的可行性， 然后构建我们需要的高性能的实时监控系统，着重对该系统的硬件接口、软件 实现进行了介绍。论文分为7 个章节来详细论述上面几部分工作。这7 章分别 为： 4 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论介绍该窑温测控系统研究的背景、项目研究的主要目标和意 义。 第二章火焰图像温度检测的理论依据及总体设计介绍高温火焰测量的 方法，通过各种方法的比较，选择比色测温法作为本系统的火焰图像温度检测 的理论依据。然后介绍整个温度场测控系统设计性能目标和总体方案，包括各 个模块的分解及其相应的功能、系统软硬件的划分及相互联系等。 第三章图像采集模块的设计与实现介绍了图像采集模块硬件设计的相 关内容。包括c c d 摄像机的选择，视频解码器与控制器和存储器等的接口，可 编程逻辑控制器的接口及程序设计等。 第四章嵌入式微控制器模块的设计与实现介绍了本系统中主控制器模块 的硬件接口设计，包括a r m 与存储器的接口设计、l c d 及触摸屏的人机交互 模块的接口设计、c a n 总线模块的设计等。 第五章信号处理模块的设计与实现介绍了由d s p 微处理器为核心的信 号采集和处理部分的设计。包括了d s p 外部扩展设计、d s p 图像处理算法的移 植，d s p 对信号采集的控制和d s p 与a r m 的通信模块的设计。 第六章嵌入式操作系统的移植以及应用程序的开发介绍了嵌入式操作 系统u c 0 s 在a r m 微控制器中的移植，用户人机界面程序的开发、用户应 用程序的设计等。 第七章总结与改进 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章火焰图像温度检测的理论依据及总体设计 作为热能传递与转换设备，工业窑炉广泛应用于建材、冶金、化工、电站 等诸多领域，其运行质量和效率对生产情况、产品质量、能源消耗、环境污染 等有着直接的影响。在陶瓷等过程工业中，窑炉温度的测控对窑炉运行质量和 效率有着极其重要的意义。 2 1 温度场检测技术 2 1 1 温度场检测技术的现状 基于数字图像处理的温度场检测技术是在摄像机火焰检测技术的基础上发 展起来的。目前国内外正广泛将它应用到电站、窑炉等大型高温的工业场合中。 在国外，芬兰w o 公司的燃烧监测与数字分析系统于1 9 8 9 年已经投入使用。 日本日立研究室早期研制了火焰图像识别系统，并利用它来进行n o x 的预测工 作。三菱的光学图像扫描系统采用光学图像传感器，也大大提高了系统对火焰 的灵敏度和鉴别能力。在国内，清华大学、华中科技大学、东南大学、上海交 通大学、浙江大学等单位也开展了这方面的研究工作。 2 1 2 高温火焰测量方法 常用的高温火焰测量方法有：接触式测量方法和非接触式测量方法。 - 接触式测量方法主要有热电偶测温法和黑体腔式热辐射高温计测温法。热 电偶测温法是最常用的接触式测温法，现在大多数窑炉在线检测的主要手段还 是利用热电偶进行测量。它是用两种不同导体( 或半导体) 组成的闭合回路， 两端接点分别处于不同温度环境中与当地达成热平衡时会产生热电势，标定后 可用来测量温度。热电偶溅温有较高的准确性和重复性，它能把温度信号转变 成电信号，便于信号的传送等，其装置简单，易于操作及维护。但是用热点偶 测温存在着检测温度滞后、检测点数有限的缺点，无法实时反映攘个窑炉内火 焰的温度分布。 黑体腔是热辐射高温计，亦称为接触式光纤高温计，是近十几年来随着光 6 武汉理工大学硕士学位论文 纤技术发展起来的一种新型的接触式测温方法。它是选择耐温可达1 9 ( 1 0 - 2 0 0 0 度的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在七端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体，将 其伸入高温火焰中达成局部热平衡，依据黑体腔内产生自发热辐射，并经普通 石英光纤将辐射能传送到检测系统，和用双色测温法测量出当地温度。这种方 法可测量的温度高，范围广。但是其成本也是很高的，因此也有其应用的局限 性。 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参 数，求解温度，常叫做声学法；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学 法来测量温度场。 光学法：应用的较多的是基于火焰辐射的光学测温法。该方法是通过测量 火焰在燃烧过程中发出的辐射能，从而确定火焰中介质的温度。测温原理来自 于辐射能量分布的酱朗克辐射定律。这种方法通常结合数字图像处理技术对温 度实现实时测量。 声学法是利用声波在气体介质中传播时，其速度或频率与温度的关系来求 解温度值。它一般用在特定的场合比较方便，这里不详细介绍了。 2 2 火焰图像温度检测的理论依据 2 2 1 测温方法的分类 通常在数字图像处理领域常见的测温方法可以分为两大类：有参考点测温 法和无参考点测温法。有参考点测温法又有全色测温法和单色测温法。全色测 温法是以图像的亮度为基础，对传感器所有感光波段进行积分，获取其亮度值 然后与一个实测温度点的亮度值进行比较，从而计算出温度值。单色测温法是 只获取某一已知波长下的图像单色图像，然后将其每一点的灰度值与一个 实测温度点的灰度只进行比较，从而计算出温度值。可见有参考点法需要使用 高温热电偶实测一参考点的温度作为基准，未能彻底摆脱接触式测温法的限制， 且参考点标定比较困难。 无参考点测温广泛使用的是比色测温原理，这是一种非接触的光学测温法。 比色测温法使用图像中两个或三个不同波长的图像信息综合获取图像点温度， 而不需选取参考点。根据所使用的不同波长的数量，可以分为双色测温法和三 色测温法。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 温度检测原理 根据上面的温度测量方法的分类，我们该系统选用无参考点比色法来实现 温度检测。窑炉物料燃烧过程中伴随着大量的能量辐射，而辐射过程可以近似 地看作黑体辐射，其辐射能随波长的分布符台普朗克定律： ，、量 e ( 九，t ) ：e ( 九) 二二 ( e 九t 1 ) l p 九3 式中：g ( x ，t ) 黑体的单色辐射能 a 波长 t 热力学温度 c l ，q 第一、第二辐射常数 当辐射波长在3 0 0 - 1 0 0 0 r i m 及温度在8 0 0 2 0 0 0 k 内时，普朗克定律可以由 维恩辐射定律代替： ，1 e ( 九，t ) = e ( 九) 二，j ；一e t p 扎。 式中( a ) 是未知的，需要定标。在燃烧领域，国内外学者广泛使用的定标 相对简单的双色法进行温度检测，在波长 、凡下，若同时测量到由同一点发 出的单色辐射能e ( ，t ) 、e ( 九，t ) ，当 、而选得比较接近时，可以近似地取 $ ( ) = s ( 九) ，则两者的比值为： 对应的温度值为： e ( 丸，t ) j l = e ( 九2 ，t ) 一c ：畸，圳笫蚓 8 上k畸 1 t e 立哼 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 辐射体温度与c c d 输出图像灰度值的关系 由于采用双色测温法，我们需要得到g 、g 、b 三基色中的任意两基色的色 度信息，因此我们选用了彩色c c d 摄像机来拍摄。彩色c c d 的任务就是把来 自景物的入射光分解为不同比例的r 、g 、b 三基色图案，本系统中彩色c c d 获取炉内图像信息中包含了三个基色的色度信息，为我们利用不同波长的光信 号测量温度场提供了可能。 利用c c d 摄像机测量高温物体温度时，把摄像机对准高温物体的实物面， 调节焦距，得到高温物体清晰的像。为了得到图像灰度和物体温度关系的公式 推导方便，我们需要进行一些假设，如高温辐射体表面可分割成若干微小面元， 且同一个面元内温度相同。因此我们可以从c c d 摄像机镜头主光轴的延长线所 对的高温物体表面上取一块小面元，温度为t ，辐射亮度为l ( t ) 。镜头光学 系统透过率为k 。利用几何成像和普朗克公式可以得到图像灰度与被测物体温 度关系公式如下： n 一驯封警嗽， 其中：a 为c c d 光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，2 a f 和t 可由c c d 摄像机设定。 2 3 图像处理算法的选择 在了解了温度与图像灰度值关系以后，图像处理算法是很简单的。因为我 们从c c d 得到的就是图像的灰度值，因此可以直接计算成温度值。但是我们注 意c c d 得到的图像是会存在噪声的，因此我们必须进行较好的除噪处理。 1 、图像中噪声干扰的去处：中值滤波法 2 、为了得到比较好的温度场边缘分布情况，我们还可以进行图像的边缘检 测。因为当物料的表面温度分布不均匀时，在其表面存在着温度梯度，而从c c d 摄像机直接拍摄到的图像上，肉眼是很难区别出这些温度梯度的，采用图像处 理技术中的边缘检测，就能够清晰地分辨出这些温度梯度了。 这时得到的图像可以根据计算公式计算得到温度值，再传送到上位机 a r m ，画出温度的等温线，温度分布区域分割线。最后将数据传送到上位机p c 9 武汉理王大学硬士学位论义 上还可形成更形蒙的伪色彩图。 算法黪c 语套攫痔： 1 、中值滤波法 骚逗审蓬滤波簸是求褥某个像素爆嚣区域内像素浓度舱孛央镶竣孛闽镶， 并将其作为目的像素浓度值的处联过程。凝实现的大致过程为；我们要确定某 一点a 弱像素焦，蓠先嚣要了解刘 ；支点a 强孛心3 x 3 区域内靛敷蠢9 令像素豹 浓度值，将其按从小到大桷顺序摊到；然艏将这个排列中j e 中间的哪个值作为 a 点的像素馑，替换搏原来a 点的像素僮即可。焱中值滤波法中，噪声成分很 难被选到，其对输出图像不会有什么影响，因此程除噪声的髓力上有其藏好的 效荣。 中值滤波法去除噪声的c 语富程序可如下编麓： # i n c l u d e p a r a r n s ” l n | m e d i a nv a l u e ( u n s i g n e dc h a re 1 9 狯 产头文件p a r a m s 中定义下列交蠹 i m a g ei n ：输入圈像数缀 i m a g e _ o u t ：输出图像数组 y _ s i z e , x s l z e 点蚋横缴座橼值， v o i d m e d i a n ( u n s i g n e de h a ri m a g ei n y _ s i z e 【x _ s 脚】， u n s i g n e dc h a r 涵a 静y _ i s 蚓蕊_ s 貔e 】) i n t i ，j u n s i g n e dc h a rc 1 9 ； f o r i = 1 ；i ys i z e ；i ) f o r ( j = 1 ；j x _ s i z e ；j + + ) e 嘲= i m a g e _ i n i - l 】器一1 】； c i 】= i m a g e _ i n i l l j ； c 【2 】= i m a g ei n i - l 】毯丰l 】； c 滋= i m a g e _ i n i j 一1 】； c 【4 1 = i m a g e _ i n i j 】； e 【5 l = i m a g e i n i 【j l 】； c f 6 】= i m a g c _ i n i + 1 j l 】； c 7 】= i m a g ei n i + 1 b 】； e 嘲= i m a g em i + l l j + l 】； i m a g e _ o u t 【i 】嘲= m e d i a n _ _ v a l u e ( e ) ； ， 1 0 武汉理王大学硪士学位论定 j n t m e d i a n _ v a l u e ( u n s i g n c ac h a rc f 9 】) i n ti ，j ，b u f ； f o r ( j = 0 ；j 8 ；j + + ) f o r ( i = 0 ；i 8 ；i + + ) i f ( 雌+ 1 1 c 嘲) b u f = c l i 十i 】； e i + l 】；c 【i 】； c f i 】= b u r ； ) r e t u r 珏尊器】： 2 、边缘检测法 边缘麓含了奉嚣盼内在信息翔方向、阶跃性康、形状簿，是蘅像识尉巾插 取图像特征的重要属性。边缘检测首先检出图像局部特性的不连续性，然后再 将这些不连续静边缘像素造成完按的边界。边缘特瞧是澄边缘走向的像素窿纯 平缓，而爨童予边缘方向的像素变化剧烈。所以检渊边缘的算法就是检出符合 边缘特毪螽孽边缘像索静数学舞予。嗣薷常采用透缘算予法帮模袄嚣鼯法。 这里我们采用梯度算予法中的p r e w i t t 算子作为图像边缘监测算子，考察8 令邻熹熬获波交豫。在运麓梯度遴叛算法辩，在餮稼蘸最瑟行簸矮后一掰无 法计算像素的梯度，这时一般就用前一行躐前一列近似代替或用原值代替。由 梯发算法鹣诗算爵j 鼙，在瀚像孛获渡交纯较大魏迄澄嚣域葵梯度穰犬，在获度 变化平稳的区域其梯度僮拔小，而在灰度均匀的区域其梯魔值为零。 该算法熬e 实凝程枣絮下： # i n c l u d e # i n c l u d c p a r a m s 虫” ，用p r e w i t t 的方法提取轮廓 i m a 萨_ m ：辘入弱像数组 i m a g c _ _ o u t ：输出醋像数组 y - s i z e ，xs i z e 点的横纵座标值 a m p ：输塞銎豫魏璎爨v v o i d p t e w i t t ( u n s i g n e dc h a ri m a g ei n 暖j 啦】f x j l z e ， u n s i g n e dc h a rh n a g c _ o u t 【誓1 z e xs r z e ，f l o a ta m p ) i n t d 0 , d l ，d 2 , d 3 ，d 4 , d 5 ，d 6 , d 7 ，d 8 ； 茎婆墨三奎兰型主兰堡燮 i n t i ，j ，k ，m a x ，d a t ； i n t m 【8 】； f l o a tz z ； f o r ( i = 1 ；沁y - s i z e - 1 ；“+ ) f o r ( j = l ；j e j ( _ $ i z e - 1 ；j + + ) do = i m a g e _ i n i * 1 】d - 璩 d1 - - h n a g e _ i n i - l 】瑟】； d2 = i m a g e _ i n i 一1 珩+ l l d3 - - i m a g o _ i n i l j - 1 】； d 4 = i m a g e _ i n i l i 翟； d5 = i m a g e _ i n i 】d + 1 】； d 6 = i m a g e _ i n i + 1 j 一1 1 ； d7 - - - i m a g e _ i u i + 1 u ； d8 - - - h n a g ei n i + 1 i j + h ； m 删一d o + d l + d 2 + d 3 2 d 4 + d 5 一d 6 埘+ d 8 ； m i l l 。d o4 - d l + d 2 + d 3 2 + 酝一西+ 酾埘+ d 8 ： m 【2 】一d o + d l d 2 + d 3 2 d 4 一d 5 + d 6 + d 7 十d 8 ； 拉嘲= d o + d l d 2 一d 3 2 4 d 4 + 硒+ d 6 + d 7 + d 8 ； m 阍嚣d o + d l + d 2 + d 3 2 d 4 + d 5 一d 6 + d 7 d 8 ； r e s = d o + d l d 2 埘一2 + d 4 + d 5 一d 6 - d 7 + d 8 ； 氆溺黛d o d l 一配+ d 3 - 2 8 拱瑟聪礤+ 鼹； m ( 6 】一曲+ d l + d 2 - d 3 2 + d 4 + d 5 一d 6 + d 7 + d 8 ； m 阴= d o d i d 2 一d 3 2 + d 4 郴一d 6 埘+ d 8 ； m a x o ： f o r ( k = o ；k 8 ；k + + ) i f ( m a x 2 5 舄d a t = 2 5 5 ； i m a g e _ o u t 【i 1 跚= ( e h a r ) d a t ； 当然简单豹运用上面的处理算法还是不行的，我们还需要考虑误差的辛 偿 等随鹾，豳像分耩与识澍，温度静诗算等替。 2 。4 系统方案薛选择和总体设计 武汉理王大学礤：学位论文 该系统是针对陶瓷工蛾中陶瓷锯炉对温度控制的严格攘求而设计的。貔们 以瓤公霹豹t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 蕊蔗襄s a m s u n g 公司熬s 3 c _ a 4 b o x a r m 葱 片为核心，配合视频接收电路、掇制电路：存储电路、a d 转换电路等来实现 对窑炉火焰温度分毒豹实对楚控。该系统述配毒c a n 现场总线模块，搜终该系 统可作为个c a n 总线智能节点，成为整个控制系统中的一个现场检测处理子 模块。这样总控室簸可以通过主系统控制模块和c a n 现场憨线亲褥到生产线上 各个工作现场的王作情况，并进行些必甏的远稔控制。 匿2 - 1 系统慈体结稳框蘑 2 ，4 。 系统构戒及凄能 从硬件上看，该系统可以分为8 个主隳模块；视频解码模块、主处理器模 块、d s p 雾 凄模块、褒入式徽控裁嚣摸决、徽控澍器存德攒涣、久柱交互模块、 控制模块、c a n 现场总线模块( 如图2 - 1 所示) 。 1 ) 褪菝解鹳摸块：褪菝瓣码摸块主要毽捂p h i l i i p ss a a 7 1 1 4 h 筏频褥秘葱 片和f i f oa l 4 4 0 b 存储芯片。该模块的功能主要憝接收c c d 摄像机采集到的 摸羧迄巍嚣号，然嚣s a a 7 1 1 4 h 邀行反漫逡滤波，线整稳稼镀定，亮篷分襄， 视频a d 嶷换等处理，将淇转换成符合c i r 6 0 1 标准的数字视频储号，再输出 裂缓谤f i f o 孛存锫； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 主处理器模块：主处理器模块主要包括t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 芯片和 e p m 7 1 2 8 sf p g a 芯片，其主要功能是进行数字图像处理及对视频解码模块接 口逻辑的控制。其中t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 主要是完成需要的图像处理算法，实 现对传递来的静态数字图像数据进行除噪声、图像增强、图像边缘检测及轮廓 提取和图像分析与识别等处理，进而将处理的结果传送给微控制器。而c p l d 则主要完成视频a d 与f i f o 、f i f o 与d s p 之间的时序控制功能。 3 ) d s p 存储模块：d s p 存储器模块主要包括a t 2 9 l v l 0 2 4h a s h 程序存储 器和s d r a m 数据存储器，f l a s h 用于d s p 上电程序加载，s d r a m 用于对d s p 数据存储器进行扩展。该f l a s h 存储器是一个6 4 k x l 6 位的程序存储器，虽然 在d s p 内部已经整合了4 k 的r o m 和1 6 k 的r a m ，但由于片内的r o m 更改 需要与厂家联系，一般在大批量生产时适用。因此扩展一个可擦除的h a s h 是 有必要的。 4 ) 嵌入式微控制器模块：嵌入式微控制器模块主要包括s a m s u n g 公司 s 3 c 4 4 b ( 1 xa r m 芯片。用于接收从d s p 传送过来的图像处理结果，并发出控 制信号。在a r m 中嵌入u c o s i i 操作系统，采用3 2 位r i s c 处理器内核，可 以实现灵活的实时控制，并通过c a n 总线和主控室p c 机进行通信。 5 ) 控制器存储模块：微控制器存储模块主要包括1 ms s t 3 9 v f l 6 0h a s h ， 用于存放b o o f l o a d c x 和操作系统的代码，此外，为了加快系统的运行速度，片 外扩展了4 m b y t e 的s d r a m 存储器。 6 ) 人机交互模块：人机交互模块是与用户交互的平台，它主要由l c d 显 示屏和触摸屏及控制器构成。通过液晶显示模块可以监测系统运行状态、显示 用户设定参数和菜单提示信息及故障报警情况等，并且操作人员可通过触摸屏 进行菜单的切换和对现场进行控制。液晶屏选用台湾众福公司生产的液晶屏 t g 3 2 2 4 0 0 c n c w a ，触摸屏采用b b ( b u r r - b r o w n ) 公司生产的4 线电阻触摸屏转 换接口芯片a d s 7 8 4 3 对触摸屏进行控制。 7 ) 控制模块：由d a 转换器构成，接受a r m 的i o 口的控制信号并进行 数模转换，从而实现对窑炉喷嘴等的控制。 8 ) c a n 现场总线模块：c a n 现场总线模块包括s j a l 0 0 0 总线控制器和 p c a 8 2 c 省0 总线驱动器。可将该系统连接到c a n 现场总线上，与主控室实现 远程通信。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 系统工作流程 整个系统的流程是上电复位后，就要分别为d s p 和a r m 加载程序，并进 行初始化。然后自检无误后，d s p 模拟1 2 c 总线向s a a 7 1 1 1 发出采集信号，进 行数字图像采集工作。当d s p 确认奇偶场图像采集完成后，将两场数据复合成 一帧图像，再进入图像处理程序，读取图像的灰度值，并进行滤波、除噪声、 边沿检测、图像分析与识别等处理。得到的处理结果传送给a r m ，a r m 根据 结果进行判断，并给出适当的控制信号。最后a r m 将图像数据及结果通过c a n 总线传送给上位p c 机。见图2 - 2 所示。 图2 - 2 窑温检测系统工作流程图 1 5 武汉理王大学硪士学位论文 第兰章：图像采集模块的设计与实现 图像采集模块是该系统的前端数据采嶷的重袋模块，它由d s p 通过1 2 c 总 线间接控黼。主蘩包括p h i l i p s 的s a a 7 1 1 4 h 视频舳转换器、e d l p 7 1 2 8 a - 1 0 0 时序控制器和配囊的f i f oa l 4 4 0 b 存储器。该模块的功能主要是接收c c d 摄像 梳采集刮的模撼漱裙信号，将其转换成符合c i r 6 0 1 标准的数字褫颏信号。然 聪通过缓冲f i f o ，传送到d s p 中进行进一步图像处理的工作。 3 1c c d 摄像机 3 1 1o 摄像机的选择 c c b ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电葡耩合器件是2 0 搬舞7 0 攀代初发靛越 来的新型毕导体蒸层光电器件。2 0 、3 0 年来，c c d 的研究成用取得了惊人的进 爨，蒋嚣蹩在图豫传藩器疲震方甏发震貔嚣鬻逐逮，基或梵瑗谯隽毫予学帮瑷 代测试技术中最活跃、最富有成果的的新兴领域之一。c c d 器件媳应用范豳很 广，浇热鬻冤鹃必专溺爨、定往羧瓣轻鹭像采集镣。峦予王照c c d 摄像瓿其鸯 寿命长、耐灼烧、图像清晰度高、工作稳定可靠、耐震动和冲击好、体积小、 嚣豢轻等往熹，避经越寒越广泛熬运矮予麓遘渗凝彝过程滚稷领域孛。 c c d 按其像元排列形式分为两犬类型；线阵c c d 和面阵c c d 。线阵c c d 的像 露皴一缨撄楚，黪够螫接采集一缭黧霆分纛豹痔裂必痿惠，敷秀l 残豫型c c d ， 广泛应用予定位捻溯、尺寸测量、光谱测爨以及激光衍射粒径分稚检测等方面。 嚣蹲c c d 豹像嚣爨二维篓 捌，圭要瘦耀予摄像领域。当毙学系统娥像在c c d 表 面后，光学信号可转换为电信号。不同的领域对c o d 的光谱响应范围有不同的 要袋，它誉仅影镌羽数据鹣处理，也是系统或本豹主要因素。可照党c c d ( 包 括黑自和彩色) 是种常风的c c n ；一些特殊用途的场合可选用增强型c c d 、红 辨c c d 等类型，趣他们戆成本较嵩，且王佟巧壤懿要袋也# 棠苛刻。为了蠖予 工业应用，并且考虑到工业中窑炉内的辐射特性，在火焰爵像采鼷和处理系统 中，我们选用可照光型殛蹲彩色c c q 。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 彩色o o d 摄像机的色度学原理 彩色c c d 摄像机的