（机械制造及其自动化专业论文）转炉安全计算机图像处理和控制系统的研制.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 本文根据冶金工业转炉安全运行的需要，设计开发了计算机图像监视控制系 统。该系统是基于网络的远程图像监控系统，具有网络浏览、实时图像分析、实 时火焰控制、音频视频信号的储存、危险状态报警、远( 近) 程云台和摄像机镜 头操作等功能。系统具有以下特点：l 、构建了基于局域网的计算机图像监控系统。 使用c s 管理模式，使不同地理位置、不同级别的客户可以观看到生产车间的各 个地方，改变了原来靠人工了望、电话询问的传统监视模式；2 、充分利用了数字 图像处理技术。通过对图像的去噪处理和分析识别，由识别的结果有效迅速地控 制火焰，改变了生产过程中氮气量参数调节相对滞后的状态。3 、该系统有良好的 软件和硬件支撑环境。系统软件有以下特点：第一、系统使用基于m i c r o s o f t w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下的v i s u a lc 抖6 0 编程语言，软件系统界面友好，人机对 话容易、数据管理合理，而且运行高效，稳定，对硬件的控制方便；第二、充分 利用了w i n d o w s 编程中的多线程技术，把计算量很大的数字图像处理过程放到辅 助线程，并和主线程同步，需要监控的火焰过程能实时实现；第三、网络功能强 大。通过c s 模式，客户端的用户可以根据自己的登录级别实现不同操作，整个 系统的安全性较高。另外，系统为以后接入主干网，留下了必要的软硬件接口， 系统的可移植性好。 从现场运行情况看，该系统运行稳定，火焰控制总体上令人满意，网络浏览 方便、迅速、实时，云台及镜头控制灵活：从系统的整体情况来看，已经达到了 预先设定的要求。 本文介绍了从模拟图像信号监视到数字图像信号网络监控的发展过程，简述 了数字图像处理技术的发展过程，讨论了计算机图像监控系统的基本问题。本文 着重详细论述了数字图像处理技术，分析了不同的图像去噪的方法，研究了图像 分析的各种手段。根据实际的火焰图像分析的结果，设计出了适合本课题的阈值 分析的图像处理具体算法。基于局域网的c s 模式，文章给出了监控系统的软硬 件的具体实现。最后，给出了结论和提出了尚未解决的问题。 关键词：监控系统，数字图像处理，火焰控制，c s 模式 重庆大学硕士论文 英文摘要 a b s t r u c t a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fc o n v e r t e r ss a f eo p e r a t i o ni nm e t a l l u r g yi n d u s t r y , a s u p e r v i s i o n a n dc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nc o m p u t e rn e t w o r ka n d d i i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p e d ，w h i c hw o r k st h r o u g hl o c a la r e an e ta n dc o n t r o l s f l a m eb yi m a g ea n a l y s i sa n dr e c o g n i z i n g t h es y s t e mh a st h r e et r a i t s ：f i r s t , u s ec s m o d e ln e t w o r kt or e p l a c et h ef o r m e rs y s t e mw h i c hw o r k e dt h r o u g hg o t u pw a t c ha n d p h o n e a n yu s e rw h og e tp e r m i tc o u l do v e r s e ed i f f e r e n tp l a c e si nw o r k r o o m s e c o n d , b yp o w e r f u ld i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，t h es y s t e mc o n t r o lf l a m ew h e nn e e d e d ， s oi tc h a n g et h ec e i s ci nw h i c hl o gp a r a m e t e ri ni n d u s t r i a lf i e l do c c u r s a tl a s t ，t h e s y s t e mh a se x c e l l e n ts o f t w a r ea n dh a r d w a r es u p p o r t i n gs u r r o u n d i n g s w i t hc o m p u t e r l a n g u a g ev i s u a lc + + 6 0 ，g o o dm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c e ，m u l t i - t h r e a d t e c h n i q u e ，p o w e r f u ln e t w o r kf u n c t i o n a r ea p p l i e di ns o f t w a r e h a r d w a r ee n s u r e s e c u r i t ya n de f f i c i e n c yw h e ns y s t e mi sw o r k i n g m o r e o v e rt h es u p e r v i s i o na n dc o n t r o l s y s t e mw i l lb eap a r to f t h ew h o l ep a n gs t e e lw o r k s m a i nc o m p u t e rn e t w o r k p r a c t i c a l l yr u n n i n gi np a n gs t e e lw o r k s ，t h es y s t e mi ss t a b l e ，c r e d i b l e t h ec l i e n t s a t i s f i e dw i t hs y s t e m sr e a l t i m en e tb r o w s i n ga n df l a m ec o n t r 0 1 t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fs u p e r v i s i o ns y s t e ma n dd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g ，d e s c r i b et h a th o wt oc o n s t r u c tal o c a la r e an e t w o r kb a s e do n c l i e n t s e r v e rm o d e l t h ef o c u sa t t e n t i o ni nt h ea r t i c l ei s d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u ea n dh o wt om a k eap r o g r a ma r i t h m e t i cb yr e s u l to f i m a g ea n a l y s i s t h ea r t i c l e s h o wh o wt oc o n s t r u c tt h ew h o l es o f t w a r ea n dh a r d w a r es u b s y s t e m f i n a l l y , s o m e w o r t h ys t u d y i n gq u e s t i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s ：s u p e r v i s i o nc o n t r o ls y s t e m ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，f l a m ec o n t r o l ，c s m o d e l 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的工程背景 某国有大型钢铁集图公司的提钒炼钢厂是该公司重点骨干企业。近年来，随 着生产规模的不断扩大，作为企业生产工艺流程上的一个重要环节，对转炉及转 炉外围设备运行状态监控，特别是转炉炉口前火焰和2 2 5 m 转炉平台氧枪口火焰 的监视与控制，是保证转炉正常生产和降低转炉冶炼成本重要措施之一。 该提钒炼钢厂共有2 座混铁炉、3 座炼钢转炉及4 台给炼钢转炉加铁水或废钢 的大型吊车，这些设备是炼钢生产的重点、关键主体设备。2 座混铁炉出铁及混铁 炉区组罐时，受环境、位置及粉尘等的影响，操作工看不清楚铁水在罐内的准确 高度，极易造成铁水外溢。仅在2 0 0 0 年由于铁水外溢就三次烧毁了车载电子秤上 的4 只重量传感器，价值为3 次2 2 万元只4 只= 2 6 4 万元；完全烧毁了铁水 车一次，价值7 8 万元。由此给生产带来严重影响。 转炉炼钢时，为防止烟气和火焰从氧枪口喷出，设有氮封和瓶塞。由于氧枪 是动态设备，瓶塞与氧枪口存在一定的间隙，氮气也无法保证恒定压力，特别是 冶炼过程的非均匀性，使火焰常从氧枪口窜出，极易烧毁2 2 5 米平台以上的设备， 烧烤后使钢结构及大梁毁坏或变形。2 0 0 0 年l 群至3 拌转炉共烧坏电子秤传感器1 2 个，价值为2 8 万元只1 2 只= 3 3 6 万元，修复毁坏的钢结构材料费为3 7 万元。 因电子秤传感器被烧毁，使转炉冶炼配料无法计量，转炉停产检修，损失非常巨 大。 吊车给炼钢转炉加铁水或废钢时，转炉口会喷射出大量火焰。吊车工及炉前 工操作不小心时，转炉口喷射出的火焰会烧毁吊车小车上的设备( 如电机、电缆、 摩电道瓷瓶等) ，使吊车大梁变形、吊车钢绳受损，给吊车的安全运行带来严重 隐患。2 0 0 0 年发生了二次转炉口火焰烧毁吊车设备事故，直接经济损失7 8 万元。 综上所述，仅2 0 0 0 年一年之内，由于混铁炉出铁时铁水溢出、氧枪口火焰喷 出及转炉口火焰烧毁吊车设备所造成的直接经济损失达2 1 9 7 万元，造成了巨大的 损失，并严重影响了转炉炼钢生产的安全正常运行。由此可见，构建个高效的、 适合长距离传输信息的、可靠性好、能接入集团公司的m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的转炉及其外围设备运行实时图像监视控制系统是非常必要 的。 这个系统需要实现三个重要功能，第一：能实时的监视炼钢过程中转炉的工 作情况，并把转炉工作的情况的信息即时地传送到各个需要的部门，这些部门在 地理位置和权限级别上有差异；第二：监视控制转炉上氧枪口的火焰，防止火焰 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 大喷烧毁设备，节约动力成本和原料成本；g - - ：如何把在炼钢车间的信息远程 传输到集团公司的m i s 主干网。 1 2 图像监控系统的发展过程【1 】【2 【3 】 图像监控一直是一个热点技术问题。图像监控技术以其直观、方便、信息量 丰富而被广泛地运用到许多场合，它的发展水平也是和图像处理技术、通信技术、 电子技术等学科的发展水平相适应的。图像监控系统的发展大致有三个阶段：模 拟图像监视阶段、数字化图像监控阶段和基于网络、数字图像处理技术的监控阶 段。 1 2 1 模拟图像监视阶段 从黑白电视机、黑白摄像机出现的时候，图像监视系统就已经诞生。尽管这 种系统几乎没有什么控制能力，但还是被广泛地应用到生产过程、安全监视等场 合。这种系统采用模拟图像传输，其系统功能单一、图像质量低。它采用直接把 图像送入电缆进行传输，每一点的监视信号都通过一条电路传到中心控制室的多 路切换器上。多路切换器以手动切换方式切换图像，每次只能显示一个点的监视 情况。 为了减少电缆路数并要在一个地点传送多路视频信号，工程上采用了模拟射 频调制技术。该方法是将各路视频信号调制到不同的射频载波上，通过多路合成 器送入一条电缆中，传送到控制中心。在控制中心，将得到的多路射频调制信号 通过另一个多路分解器分解，分别进行解调处理，从而还原出各路信号。由于采 用了调制方式，图像信号的抗干扰能力得到加强，图像质量明显提高。在控制方 面，大多采用了模拟电路中的中、小规模的集成电路控制器，只能通过手动方式 对镜头进行各种控制。这种控制方法简单，但可靠性差，容易受到干扰，系统寿 命短。当时一套监控系统的寿命在2 3 年之间。 这种监视系统除了上述的问题外，还存在以下一些严重缺陷： 用硬件完成图像压缩，成本高，升级困难，图像存储量少而且不稳定。 视频信号对距离很敏感，信号容易受到干扰、损耗、群延时等造成图像质 量的下降。 无法联网，只能进行点对点方式的监控，现场布线工作量大。 使用诸如磁带等磁性存储材料，成本高而且存储可靠性差。 1 2 2 数字化图像监控阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着数字信号处理化技术的发展，图像监控也从处理模拟图 像信号逐渐转变到对数字图像的处理上。利用计算机的数据处理能力和显示器的 高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中，在显示器上显示，大大 重庆大学硕士学位论文l 绪论 提高了图像质量。尽管这种系统有良好的人机界面，但是它的设计点基于传统模 式，在系统运行的大部分时间里，计算机只是充当了一个监视器的角色。这种系 统的控制切换方式是通过串口与单片机相结合，从模式上说仍旧是单片机控制模 式。另外，由于通信协议种类繁多，计算机资源不能满足多设备的要求，很难组 建大型网络。而且，数字图像的处理技术并没有真正应用到图像监控系统中来。 1 2 3 基于远程网络和数字图像处理技术的监控系统 在当代的监控系统中，工业生产过程不仅需要图像、声音、文本等信息量， 还需要把得到的视音频信号进行处理反馈，从而有效地控制远方现场的操作。 随着数字视频压缩编解码技术的日益成熟和图像终端平台的支持，为多媒体 应用提供了条件。新的图像监控技术完全突破了传统的机构模式，它融合了现代 的数字通信技术，数字视频技术、计算机网络技术、数字图像处理技术等多项先 进技术，可以实现完全实时的( 2 5 祯，秒) 视频传输、实现长距离甚至是城市与城 市之间的超长距离传送。可以通过对图像的理解和识别而进行反馈控制。 这种监控系统的优点主要有： 数字视频经过压缩后，占用的带宽很小，能在局域网、广域网上传输图像， 信号抗干扰能力强，图像质量稳定可靠，便于实现远程传输和远端控制。 可以充分利用数字图像处理技术来进行图像识别、理解，从而得到更深层 次的图像信息，便于进行反馈控制。 数字视音频可以利用计算机网络联网传输，网络带宽可以复用，无需重复 布线。 数字信息可以储存在硬盘、光盘等存储器里面，储存容量大，信息可靠性 好。也便于进行数据库管理。 综上所述，模拟图像监控和简单的数字图像监控不能满足现场的要求。基于 数字图像处理技术和计算机网络技术的监控系统，具有远程数据传输、数据处理 量大、可以充分利用数字图像处理技术等特点。因此可以很好地实现对转炉及其 氧枪口进行的监控，是解决该炼钢厂的实际工程问题的一个很好的方案。 1 3 需要研究几个关键问题和本文的主要工作 本课题的目的是要解决在1 1 节里面提出的一个重要问题：如何构建一个高 效可靠的监视控制系统。要实现这个目的，需要研究计算机网络和数字图像处理 方面的重要问题： 1 3 1 计算机网络相关问题 由于需要监控的工业设备数量很多，在地理位置上的分布很宽；需要传送的 是信息量很大的实时视频音频信号：需要对火焰进行监视、控制：需要接入m i s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 网络系统，所以，建立在基于局域网的计算机图像监视控制系统是一个比较好的 选择方案。一般地讲，计算机网络由计算机系统计算机系统、通信链路( 指线路及 其设备) 和网络节点组成。由此，需要着重研究的问题有： 计算机网络的拓扑结构。计算机网络的拓扑结构可以分为：星型网、树型 网、总线型、环形网、网状态等。怎么选择一个好的拓扑结构对于局域网的构建 是一个基本问题，也会直接影响到网络的效率、成本和扩展等问题。 计算机网络的计算模式。当前普遍选择客户机朋匣务器( c l i e n t s e r v e r ) 作为计算模式。这个模式有2 层和3 层两种不同的构建方式。选择一个适合本课 题的计算模式也是值得研究的问题，同时也是图像监视系统软件总体设计的一个 重要依据。 网络的硬件实现。网络的硬件可以分成计算机群、网络数据传输设备、网 络接口设备等。选择合适的硬件是实现本监控系统的基础。 1 3 2 数字图像处理相关问题 要实现对氧枪口火焰的有效控制，在系统中采用数字图像处理技术。在本文 中详细论述的内容和研究的问题有： 数字图像处理的计算机基础。 数字图像处理的相关理论。 选择适合本系统的数字图像处理的算法和具体实现方法。 数字图像处理计算机系统的构建。 数字图像处理方法研究和计算机算法实现是本文的研究重点，也是实现转炉 监控系统的核心和关键的技术问题。数字图像处理的方法研究的关键是找到一个 能处理火焰图像的工具，该方法能识别不同状态下的火焰图像：根据这个方法能 在计算机里实现算法，最后在整个系统中使用这个算法实际地对火焰进行监测和 控制。 1 3 3 本文的主要工作 本文的核心内容是把数字图像处理技术用于火焰监视控制系统。这个系统包 括软件部分的设计、网络部分的设计、控制系统的设计等。软件部分的设计主要 完成图像采集、对图像进行预处理、目标识别与提取；网络部分主要讨论了客户 机服务器的模式和本系统采取的方案。控制系统的设计主要讨论了控制信号的输 出和控制设备的选用。 本文讨论的重点内容是： 与本课题有关数字图像处理技术的一些关键技术。 这个监控系统的网络构建和具体方案。 系统的软硬件实现。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 本文的章节安排如下： 第二章讨论了对火焰监控的一些基本问题和计算机图像处理技术的图像理论 基础。第三章重点讨论了与本课题相关的数字图像处理中的一些关键技术。第四 章详细论述了本监控系统的设计。第五章介绍本系统的软件硬件实现。第六章为 结论。 1 4 本课题的意义 在本监控体系中利用了图像识别来进行控制火焰，是一个在冶金行业工业过 程控制中的一个创新。在工业燃烧控制领域，调节参数有较大滞后一直是阻碍工 业控制由安全性控制向经济性控制发展的关键所在。研究一个方便、有效的控制系 统是工业燃烧的重要问题。本课题的研究在这个方面引入数字图像处理技术，利 用图像分析、识别形成的控制系统，可以作为其他火焰控制系统设计的一个借鉴。 本课题中充分利用了计算机网络技术，使监控系统本身就进入了一个网络化 远程监控的过程，这是和现在飞速发展的工业信息化、网络化、集成化是适应的。 随着高速互联网的迅猛发展，监控系统的还会发生革命性的进步。 这个系统可以使操作人员有效地监视整个生产过程，能和炼钢厂原来的控制 系统形成非常完备的工业过程控制系统。网络化监视系统使整个生产过程的信息 流动更加有效，管理更为便捷、合理。这个系统的应用，将会很大程度上防止事 故的发生，减少维修费用，节约生产成本。 把现代的控制、通信、信息处理等方法应用到国有大型炼钢企业的生产、管 理过程中，以提高整个行业的科技含量，是提高国有大型企业市场竞争力的非常 重要的手段。这个课题的研究，使处于信息科技含量相对不高的国有基础行业的 生产过程向集成化、信息化、网络化方向发展，是有较大的推广价值的。 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 本文需要解决的一个重点和难点就是对火焰的监铡及控制。在这章里，将首 先讨论一下工业火焰监视的一些常规方法，然后讨论数字图像处理技术的应用和 发展过程，最后讨论图像在计算机系统里的基本概念和图像处理系统的组成的原 理。 2 1 工业火焰检测方法概述【4 儿5 j 2 1 1 常规的火焰检测方法 燃烧是一种剧烈的发光、发热的化学反应。燃烧过程中也必然包含声、光、 电等多种物理现象。从而目前常规的火焰监视、检测方法有温度式、电离式、压 电式、光学式、声学式等等。 火焰在不同的区域能发射宽波段的电磁辐射能。利用光能辐射原理就能检测 出火焰的存在和大小。其中常用的火焰检测器有： 硫化镉( c d s ) 火焰检测器：硫化镉是种具有光导效应的光敏电阻，其电 阻值随着入射光线的强弱而变化，对可见光具有较高的敏感度，体积小，电性能 好，可允许通过足够的电流值。硫化镉元件的光谱响应范围基本上可以覆盖整个 可见光区域，其光谱响应区域为0 5 0 5 5u l n 。但其最大的缺陷是受光面容易受 到烟尘、粉尘的污染造成检测灵敏度降低，因此需要经常清洗受光面，维护工作 量十分大，而且不能长时间连续工作。 光电火焰检测器：铨族金属尤其是铯( c 。) ，其表面受到辐射后会从表明溢 出电子，这种现象成为“光电效应”。光电管就是利用光电效应的电子管，一般以 氧化铯作为阴极，阴极一经照射，电子就溢出并引向阳极。如果是连续光照，电 子就会连续飞向阳极并在外部电路形成电流。检测输出的电流信号就可以得到火 焰的光照强度，从而检测出火焰。 由于用氧化铯做阴极的光电管的光谱响应为0 8 u m ，这使光电火焰检测方法的 应用受到了比较大的限制。光电检测器的监视窗也会受到灰尘、烟尘、水滴等污 染，造成光电管受光量减少，也需要定期清洗检测器的监视窗。 紫外光火焰检测器：在5 0 7 0 年代，曾经大量使用紫外光火焰检测器，一 般使用在燃油、燃气锅炉上。这类火焰检测器利用火焰本身的紫外线强度来判断 火焰的有无。紫外线波长范围比较狭小，在0 2 o 3 u m 之间，探头采用对可见光 线和红外光线不敏感的紫外光光电管。 紫外线光电管是光电管的一种，其原理也是基于“光电效应”。紫外线火焰检 6 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 测器对透明无遮盖的火焰检测效果比较好，比如天然气和轻油等。但紫外线容易 被烟尘、油雾、煤尘等燃烧产物吸收。因此不适用于炼钢过程这种高粉尘的场合。 红外线火焰检测器：火焰中大量存在可见光和波长为0 9 u m 的红外线。这 些波长的光线不容易被煤尘、油雾等燃烧产物吸收，因此适合重油和媒粉的燃烧 过程。红外线火焰检测器最主要的缺点是器检测结果容易受到其他辐射热物体的 干扰。 可见光火焰检测器：可见光检测器的工作原理类似于红外线火焰检测器。 以美国的c e 公司的s a f es c a n 一1 可见光检测器为例，探头对0 3 o 8 u m 的可见 光有光敏感应，而其最高敏感度为0 4 - - 0 5 u m 波长的光线。可见光火焰检测器同 时对火焰闪烁频率和可见光亮度进行逻辑叠加，来鉴别火焰的有无。 组合式火焰检测器：将紫外线或者可见光型和红外线探头组合起来，具有 同时检测各种火焰的能力。这种组合探头具有非常宽广的波长响应范围，往往可 以达到0 4 4 7 u m 。 以上介绍的火焰探测器都是利用火焰的光谱特性来检测火焰的存在。目前使 用较多的是可见光火焰探测器和红外线火焰探测器。这类探测器以火焰频率和辐 射强度来判断火焰的存在与否的依据。实践表明它们有一下一些缺陷： 1 ) 火焰闪烁频率和强度的定值判断逻辑无法适应大范围的负荷变化。 2 ) 火焰闪烁频率是一个随机函数，受到燃烧物质、具体工艺、燃烧方式等因 素的限制，使检测结果不准确。 3 ) 火焰检测器本身的缺陷也是目前造成火焰检测器检测结果不准确的重要原 因。包括，a 火焰检测器检测镜面容易受到烟尘等的污染：b 火焰检测器的传感 器和导线容易因为高温而老化失效；c 火焰检测器的静态整定值和实际使用的动 态值不相符合：e 火焰检测的探头检测面比较小。 2 1 2 其他一些火焰检测法 除了上述一些常规火焰检测法，近年来发展了一些其他的火焰检测法。其中 包括相关火焰检测、微压波动火焰检测、温度场测量方法等。 相关火焰检测是利用多个火焰探头进行火焰探测，在假设这些探头表面处 于相同的物理状态，比如表明污染程度一致，如果有火焰存在那么这些探测到的 信息具有很强的相关性；如果火焰熄灭，理论上这些探头探测到的信息就没有相 关性。通过对探头采集到信息相关性的处理，就可以判断火焰的存在。 微压波动火焰探测是通过燃烧产生的微压进行检测火焰的方法。燃烧过程 不同的气体在不同的工矿下产生不同的微压，通过微压的波动能量谱，并对实际 测量结果参数进行多重回归分析，就可以实现对燃烧振动和火焰检测。 温度场分析是基于物体的某些物理化学性质( 几何尺寸、导电性、颜色、热 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 辐射能、热电势等) 与温度的关系，通过测量燃烧的温度场，然后判断出燃烧情况 的一种火焰检测方法。 以上几种火焰检测的方法多数应用于封闭的燃烧环境，比如热电站的燃烧锅 炉。而冶炼过程中的火焰却有很多不确定因素，它没有一个相对封闭的燃烧环境； 燃烧物质不是如天然气、轻油、重油等较为单一的物质，而是剧烈的氧化反应， 喷出火焰的形状随机性很大，伴随很多火星和烟尘；需要检测火焰的现场工矿比 较恶劣：因此上述火焰监控的方法对本课题的实际情况都不太适合。 基于图像处理的火焰监控系统能较好地满足冶炼过程的火焰监控。它是把图 像处理技术、计算机网络技术、信息科学等有机结合起来的一个集成系统，具有 远程、高效、处理范围广等优点。 2 2 数字图像处理技术概述6 7 8 9 】【1 0 】 2 2 1 数字图像处理技术的应用 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 通常也叫做计算机图像处理 ( c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g ) 。是利用计算机技术对图像进行加工处理的一门学 科。 当前是信息时代，对信息的获得处理、加工、处理和应用都取得极大的发展。 2 0 世纪5 0 年代，当计算机水平发展到相当的水平时图像处理技术才获得飞速发展 并形成一门学科。这项技术首先应用于空间技术当中，并在太空照片的处理当中 获得成功，从而更促进这个新学科在理论上、技术上的完善和发展，并更加广泛 地应用到各个领域。同时，各个领域对计算机图像处理提出了更高、更高的要求。 比如：实时处理、计算机视觉、模式识别、分形理论的研究、图形学等。9 0 年代 以来，随着多媒体技术、计算机网络、远程数据传输等技术的发展，对图像处理、 图像压缩，图像传输等都提出了更高的要求。在图像数据库、存档、检索等相应 的软件、硬件、计算机接口尤其是在多媒体的兼容性、实时性在图像兼容、互补 等虚拟现实技术上，不但对计算机硬件本身提出了很高的要求，而且对计算机图 像处理技术也要求向更高级、尖端的方面发展。图像处理技术的应用范围已经极 大地发展了。可以从以下方面看出：( 1 ) 从可见光谱研究到不可见光谱，比如红 外光线、紫外光线等领域。( 2 ) 从静止的图形图像到运动图像。如心脏波动序列 的处理、动目标的自动跟踪。( 3 ) 从单纯的图像处理到计算机视觉的研究等等。 具体来说，图像处理技术已经在以下一些领域取得了很好的应用： 遥感技术中的应用 遥感图像处理的用处已经愈来愈大、并且其效率和分辨率也越来越高。它被 广泛地应用在土地测绘、资源调查、气象检测、环境污染监督、农作物和军事侦 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 察等领域。目前地球卫星遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决处理数据庞大， 处理速度较慢等缺点。 在医学上的应用 图像处理在医学上有着广泛地应用。其中最突出的临床应用就是超声、核磁 共振、y 相机和c t 技术。在医学领域利用图像处理技术可以实现对疾病的直观诊 断，受到广大患者的欢迎。 安全领域的应用 利用图像处理的模式识别等技术，可以应用在监控、指纹档案管理等安全领 域中。目前由清华大学工程物理系开发的大型集装箱检测系统，就是利用了图像 处理技术来实现全自动集装箱检测，加快了海关工作效率。 在工业生产过程中的应用 产品的无损检测是图像处理的另一项广泛应用。压力容器的无损探伤中成功 地运用了图像处理技术进行焊缝的裂纹、夹渣、气泡等缺陷的检测，使压力容器 检验更快更精确。表1 1 为一个数字图像处理技术应用的领域介绍。 表1 1 数字图像处理技术的应用领域 t a b l e1 ia p p l i c a t i o nf i e l do f d l g i t a li m a g ep o c e s s i n g 学科应用 物理、化学结晶分析、谱分析 生物、医学细胞分析、染色体分类、x 射线成像、c t 等 环境保护水质及大气污染调查等 地质资源勘探、地图绘测、g i s 等 农业、林业 农产品物估计、植被分布调查等 渔业鱼群的分布等 气象卫星云图分布 通信传真、电视、多媒体通信 工业工业探伤、机器人、产品质量检测等 军事军事侦察，导弹导航等 法律 指纹职别，犯罪现场调查等 2 2 2 数字图像处理的历史 数字图像处理是一门年轻的学科。二十世纪二十年代，数字图像处理首先应 用于图像的远距离传输，用来改善伦敦和纽约之间的海底电缆发送图像的质量。 直到上个世纪计算机发展到一定水平后，数字图像处理才真正引起人们的兴趣， 并迅速得到发展。用计算机进行图像处理，改善图像质量的有效应用开始于1 9 6 4 年美国喷气实验室( j p l ) 用计算机对“徘徊者七号”太空船发回的大批月球 图片进行处理，并取得了良好的效果。此后几年，数字图像处理技术继续应用在 9 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 空间研究计划中，这就大大地促进了这门技术的飞速发展。与此同时，数字图像 处理逐渐在其他领域。比如生物医学、检测学、军事侦察中，得n t 广泛地应用。 到了上世纪6 0 年代中期，数字图像处理已经具各了比较完备的理论体系，逐渐形 成了一门专门的学科。 上世纪6 0 年代末到7 0 年代，随着离散数学理论的创立和完善，使数字图像 处理技术得到迅猛发展，理论和方法得到进一步发展，体系更加完备，应用范围 也更加广泛。7 0 年代以届，我国科技工作者开始了大规模地研究。并取得了一些 成就。 2 2 3 图像处理的现状和发展 目前，数字图像处理已经有了比较完善的软件算法和与之相适应的硬件技术。 软件方面，随着计算机技术的发展，特别是硬件的发展，使得复杂、大计算 量的算法成为可能。因此图像处理与计算机技术、多媒体技术、神经网络、专家 系统、人工智能相结合，出现了许多新兴的边缘的学科。不过这方面的处理速度 相对比较慢，不适合实时性的要求。近年来，随着模式识别技术、理解图像技术 的发展，图像处理发展到一个比较高端的层次。图像除了直接供人们用视觉观察 外，还进一步发展了与计算机视觉相关的应用。小波变换和模糊数学作为崭新的 数学工具也被广泛的用到了图像处理技术里面。这些数学工具使得图像的压缩， 边缘检测，图像去噪声等方面取得了成功的应用。随着分形几何理论的成熟，图 像处理中也出现了分形几何的应用。 硬件方面，随着计算机技术的进步，超大规模的集成电路的不断发展、高速 芯片的产生、并行芯片的应用和计算机存储容量的不断加大，为计算机数字图像 处理提供了有力的技术支持和保障。另外，各种相关的数字化设备也在不断涌现， 比如数字摄像机、数码照相机等等。 软件和硬件的发展使数字图像处理技术发展到一个崭新的阶段。 2 3 数字图像处理工程的基本概念 完整的数字图像处理工程一般包括5 个过程，即：图像信息的获取、图像信 息的储存、图像信息的传送、图像信息的处理和图像信息的输出和显示。 图像信息的获取( i m a g ei n f o r m a t i o n a c q u i s i o n ) 。 就数字图像处理而言，图像信息的获取是指把一幅图像转换成适合计算机等 处理设备能够处理的数字信号的过程。这个过程包括摄取图像、光电转换、图像 数据的数字化等。 图像信息的存储( i m a g ei n f o r m a t i o ns t o r e ) 。 数字化图像信息的特点是数据量很大。图像信息的储存就是研究图像在计算 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 机的存储格式、图像压缩和图像数据库的格式及其管理。 图像信息的传送( i m a g e i n f o r m a t i o n t r a n s m i s i o n ) 。 图像信息的传送可以分为两种类型，单台计算机的内部传送、计算机之间的 外部传送。计算机系统的内部传送也就是在某个操作系统下的数据流动过程。内 部传送一般采取的方法是d i d a 技术( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存处理) 。外 部传送，也就是在不同计算机之间、不同网络之间、计算机和其他数字图像处理 设备之间的图像信息传送。这种传送靠计算机接口、网络传输来实现。 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 。 概括地说，数字图像处理技术包括图像的几何处理( g e o m e t r i c a lp r o c e s s i n g ) 、 算术运算( a r i t h m e t i cp r o c e s s i n g ) 、图像增强( i m a g ee n h a n c e m e n t ) 、图像复原( i m a g e r e s t o r a t i o n ) 、图像重建( i m a g er e c o n s t r u c t i o n ) 、图像编码( i m a g ee n c o d i n g ) 、图 像识别( i m a g er e c o g n i t i o n ) 、图像理解( i m a g eu n d e r s t a n d i r l g ) 、图像的输出和显 示( i m a g eo u t p u t d i s p l a y ) 。 图像处理的最终目的是提供一个便于人或者机器能够解释和理解的图像。图 像显示有两种：硬件拷贝和软件拷贝。硬件拷贝，如照相机、激光拷贝、喷墨打 印机等；软件拷贝、如c r t ( c a t h o d e r a y t u b e ) 、液晶显示器( l c d ) 、场致发光 显示器( f e d ) 等。 本章里讨论有关图像的基本概念和图像采集系统的基本构成。 2 3 1 基于w i n d o w s 操作系统的图像 目前，w i n d o w s 系列操作系统( w i n d o w s 9 x 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sx p 、 w i n d o w s n t ) 已经成为主流的操作系统。基于w i n d o w s 操作系统的图像研究是图 像处理技术中非常重要的部分，其中图像、调色板、色彩系统等是其中非常重要 的几个概念，是进行数字图像处理计算机学的基础。 图像的显示 普通的显示器屏幕是由许多点构成的，这些点称为像素。显示时采用扫描的 方式：电子枪每次从左到右扫描行，为每个象素着色，然后在从上到下扫描整 个屏幕，利用人眼睛的视觉暂留效应就可以显示出一屏完整的图像。为了防止闪 烁，每秒总要重复扫描多次。每秒扫描的整个屏幕的次数叫做刷新率，当刷新率 大于8 0 h z 时，人眼就感觉不到闪烁，这种显示器被称为位映像显示器。映像是指 一个二维像素矩阵，而位图就是采用位映像方法显示和存储的图像。 对于r g b 彩色图像，它的显示由三原色，红绿蓝( r 、g 、b ) 三色构成。每种 颜色成分可以人为地分成2 5 6 个级别，0 级表示不含某种颜色成分，而2 5 5 级表示 含有1 0 0 的该种颜色成分。这样，根据r 、g 、b 各颜色分量的级别不同组合，可 以表示出2 5 6 2 5 6 2 5 6 ( 共1 67 7 72 1 6 ) 种颜色。下面介绍2 个基本概念： 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 1 ) 位深度也叫作像素深度或颜色深度，用来度量在图像中有多少颜色 信息来显示或打印像素。较大的位深度意味着数字图像中有更多的颜色和更精确 的颜色表示。1 位深度的像素两个可能的值：黑和白。8 位深度有2 5 6 个值，与此 类推。 2 ) 色域表示一个色系能够显示或打印的颜色范围。 调色板 如果一幅图的每个象素都有其r g b 分量来表示，那么所有的图像文件都将变 得十分庞大，实际上的做法时使用调色板( p a l e t t e ) ，确切地说，就是颜色查找表 l u t ( l o o ku pt a b l e ) 。也就是使用一个颜色索引，把每个颜色分量的颜色级别制 成一个索引表，当表示一个颜色时只需知道该颜色在索引里的位置就可以了。 对于单色、2 色、8 色、1 6 色的位图，计算机系统里面都使用调色板。但是对于 2 4 位图( 真彩色位图) ，它的颜色高达2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 种，也就是包含所有颜色的 所有分量，所以无需调色板，同理，3 2 位真彩色也不需要调色板。 色彩系统 前面提到的r g b 色彩系统是最常用的颜色系统，但是在其他方面有时候也会 用到其他的色彩系统，常见的有： 1 ) c m y 色彩系统 c m y ( c y a n 、m a g e n t a 、y e l l o w ) 色彩系统也是一种常用的表示颜色的方式。 r g b 色彩是通过颜色相加来产生其他颜色，而c m y 系统是通过颜色相减来产生颜 色。c m y 系统通常用于印刷工业。 2 ) y i q 色彩系统 y i q 色彩系统通常被北美电视系统( n t s c 系统) 所采用。y 是指颜色透明度 ( l u m i n a n c e ) ，也就是亮度( b r i g h t n e s s ) ，同时也是图像的灰度值( g r a y v a l u e ) ， 而i 和q 指色调( c h r o m i n a n c e ) ，即描述图像色彩系统以及饱和度的属性。y 1 q 系 统和r g b 系统有个线性交换关系。 3 ) 色彩系统 y u v 色彩系统被欧洲典型系统( p a l 系统) 所采用，其中y 也是指灰度值。 u 、v 也是指色调，但是于i 和q 表达式不相同。r g b 和y u v 也有一个线形变换 关系。 4 ) y c b c r 色彩系统 y c b c r 色彩系统也是一种常见的色彩系统，j p e g 采用的色彩系统就是该系统。 它是从n ，色彩系统衍生出来的。 灰度图 灰度图( g r a y s c a l e ) 是值只含亮度信息，不含色彩信息的图像。比如，一张 重庆大学硕士学位论文 2 火焰监控及计算机图像处理的技术基础 黑白照片，就是一个变换连续的灰度图。要在计算机里表示灰度图，就需要把图 像的亮度值进行量化。通常划分为o 到2 5 5 个级别，0 表示全黑，2 5 5 表示全白( 最 亮) 。如果用r g b 色彩系统来描述一幅彩色图像转换到灰度图的话，就是它的灰度 图的r g b 三个分量的值都为0 2 9 9 r o + o 5 8 7 x g o + 0 1 1 4 x b 。( r 。g 。b 。为原来彩色 图像的r g b 分量) 。也就是说，灰度图的灰度级别只有2 5 6 个。灰度图数据简单， 变换方便，识别率高，非常易于计算机进行处理是进行数字图像处理的基础。 在本课题里处理的图像，都是把彩色图像变成灰度图后再进行处理的。 g d i 位图 g d l 位图是图像设备接口( g r a p h i c s d e v i c e i n t e r f a c e ) 的缩写。g d i 位图是包 含于计算机设备有关的w i n d o w s 数据结构。g d i 位图可以在同一个计算机不同的 应用程序之间任意传递，但是由于与设备的依赖型，g d i 位图在不同计算机之间 传递是没有意义的。 设备无关位图( d i b ) d i b 是d e v i c e - i n d e p e n d e n tb i t m a p ( 设备无关位图) 的缩写，它自带颜色信息， 因此调色板管理非常容易。d i b 也使打印时的灰度阴影的控制更加容易。任何运行 w i n d o w s 的计算机都可以处理d i b ，它通常以b m p 文件形式保存在磁盘或者作为 资源用在应用程序e x e 文件和d l l 文件中。 2 3 2 计算机系统里面的常用的图像文件类型 位图格式是计算机图像处理的技术的基础，是进行后续的数字图像处理必须 要清楚的概念。 b m p 文件是标准的w m d o w s 位图格式，b m p 中包含了一个d i b 。一个b m p 文件大体上可以分成如下4 个部分。第一个部分是位图文件头，它是一个固定结构， 包含了整个图像文件的一些基本信息。第二部分，是指位图信息头，它包含了位 图的高、宽、位深度和位图实际占用的字节数。第三部分，是指明整个图像文件 的调色板。第四部分，是实际的图像数据。 w i n d o w s 支持一些重要的d i b 函数，这些函数用以访问在计算机操作系统里 面的b m p 文件。函数的功能包括以下一些：显示d i b 、缩放d i b 、构造d i b 、创 建d i b 等等。 其他些文件格式 1 ) t i f f 格式。 t i f f ( 标记图像文件格式) 用于在应用程序之间和计算机平台之间交换文件。 t i f f 是