（检测技术与自动化装置专业论文）基于双目视觉的篦冷机熟料厚度场测量方法研究.pdf

摘要 摘要 在水泥生产过程中，篦冷机起着冷却和输送熟料的作用，其传动系统 控制的优劣关系到整个生产系统的稳定，此外它的冷却性能还影响着水泥 质量和热回收的效率。熟料层厚度是篦冷机控制系统中主要的控制参量之 一，料层厚度决定了篦速的快慢，影响着供风系统的工作。因此，及时准 确的对料层厚度的测量是提高篦冷机控制性能的迫切要求，对提高产品质 量和生产效率也有着重要的意义。 本文在研究国内外料层厚度测量方法的基础上，设计了基于c c d 料 层厚度测量的方案。该方案具有防电磁干扰和非接触等优点，可在篦冷机 工作的恶劣环境下实现在线检测。从而为篦冷机的控制提供实时可靠的控 制参数。 针对熟料落料时离析现象导致的熟料在篦冷机横向厚度波动剧烈问 题，采用基于仿生原理的“双目”立体测量理论对篦冷机熟料的厚度场信 息进行三维重建，建立立体视觉测厚的模型和测量精度的分析模型；重点 解决了“双目”立体测量时同名点匹配问题。设计了基于二进小波变换的 子线段匹配方法，利用样条二进小波变换系数在不同尺度下的模极大点提 供不同尺度下信号急速变化点位置信息，采用由粗到细的匹配策略匹配端 点。再对端点之间的每一个线段采用顺序一致的原则，进行点对点匹配计 算。仿真结果证明该方法可比传统的匹配方法具有更高的准确性与快速 性。 关键词厚度测量；光学测量；双目立体视觉；子线段匹配；小波变换 燕山大学工学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h ec l i n k e rc o o l e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l eo fc o o l i n ga n dd e l i v e r i n gi n c e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s i t sm a n i r ，u l a t eq u a l i t yo fd r i v es y s t e md e t e r m i n e t h ew h o l ep r o c e s ss t a b i l i t y i na d d i t i o n ，c o o l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec e m e n t c o o l e re f f e c t st h eq u a l i t yo f t h ec e m e n ta n dt h ee f f i c i e n c yo fh e a tr e c l a i m t h e t h i c k n e s so fc l i n k e rl a y e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h e c o o l e r sc o n t r o ls y s t e m i ti m p a c t st h es p e e do fc r o s sb a r sa n dw i n ds u p p l y i n g t h e r e f o r e ，i ti sv e r yu r g e n tt om e a s u r et h et h i c k n e s so fc l i n k e rl a y e rr e a l - t i m e a n da l s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i f yo ft h ep r o d u c ta n dt h e p r o d u c t i v 时 i nt h i sp a p e r , a f t e rs u m m a r i z i n gt h ee x p e r i e n c eo fm e a s u r e m e n tm e t h o d so f d o m e s t i ca n df o r e i g n , w ep r e s e n tam e t h o dt h a tb a s e do nc c d a n dt h i s m e t h o do f f e r st h e a d v a n t a g e s o fh i g h s e n s i f i v i t y , n oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dn o n c o n t a c t s oi tc a r lm e a s u r ec l i n k e rt h i c k n e s sp r e c i s e l yi n t h ec o o l e ro n - l i n e f u r t h e r m o r e ，i tc a ns u p p l yr e a l t i m ea n dr e l i a b l ep a r a m e t e r f o rt h ec o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tg r a t ec o o l e rf l u c t u a t ea c u t e l yi nt h et r a n s v e r s e t h i c k n e s sa r o u s e db yi s o l a t i o np h e n o m e n o nw h e nt h ec l i n k e rf a l l w er e b u i l d t h r e ed i m e n s i o n sf o rt h i c k n e s sf i e l di n f o r m a t i o no fg r a t ec o o l e rc l i n k e ru s i n g b i n o c u l a r ”s t e r e om e a s u r e m e n tt h e o r yb a s e do nb i o n i c s ，a n dm a i n l ys o l v et h e m a t c h i n gp r o b l e m o fc o r r e s p o n d e n c e p o i n t s i nt h e “b i n o c u l a r s t e r e o m e a s u r e m e n t w ed e s i g ns u b - l i n em a t c h i n gm e t h o db a s e do nd y a d i cw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n , i ti sb a s e do nt h a tt h em u l t i - s c a l el o c a lm a x i m ao fw a v e l e t t r a n s f o r mc a no b t a i nt h el o c a t i o n so ft h es i g n a ls h a r pv a r i a t i o np o i n t sa t d i f f e r e n ts c a l e sf o rt r a n s f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t so f aq u a d r a t i cs p l i n ew a v e l e t ，a c o a r s et of i n em a t c h i n ga l g o r i t h mi sa p p l i e dt om a t c ht h ee n d p o i n t s a f t e rt h a t ， w es h o u l dg oa l o n gp o i 玎tt op o i n tm a t c h i n gc a l c u l a t ei nt e r mo fs e q u e n c e a c c o r d i n gp r i n c i p l e n 碹s i m u l i n kr e s u l tp r o v e st h a tt h i sm e t h o d h a sh i g h e r a b s t r a c t v e r a c i t ya n ds p e e d i n e s st h a nt r a d i t i o n a lm a t c h i n gm e t h o d k e y w o r d st h i c k n e s sm e a s u r i n g ；o p t i c a lm e a s u r e m e n t ；b i n o c u l a rs t e r e ov i s i o n ； s u b - l i n es e g m e n tm a t c h i n g ；w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于双目视觉的篦冷机 熟料厚度场测量方法研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字碰，强 日期伊。饵o 月垢 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于双目视觉的篦冷机熟料厚度场测量方法研究系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 作者签名：务发荔丞 日期：炒6 年加月7 聒 导师躲鲻彬 吼耐年细骺 括权授本用适后密解年 硅q 口 密打 密 保内 保 不框方 于 应 属 相 文 上 论 以 位 在 学 请 本 0 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 篦冷机的发展史及其在水泥工业中的地位 世界水泥工业发展已有1 8 2 年历史，中国水泥工业发展也有1 1 7 年的 历程。其发展可分为索取型一粗放型一质量效益型一环境材料型等四个阶 段。目前，发达国家己进入环境材料型发展阶段，并向纵深发展；我国则 处于粗放型、质量效益型并存，同时向环境材料型过渡的阶段i l , 2 1 。我国 水泥产业的整体水平还存在较大差距。如何应用先进技术对那些生产方式 落后，规模较小的水泥厂进行改造是当前重要的研究课题。 水泥工艺过程，通常简要地概括为“两磨一烧”，即首先将原料粉磨 成生料，然后经过煅烧形成熟料，再将熟料粉磨成水泥【3 】。水泥熟料烧成 系统是整个生产线的核心部分 4 1 ，其开发设计的优劣直接影响到系统的产 量和水泥的质量。熟料烧成系统包括预热预分解系统、回转窑和冷却机系 统三部分。随着科技的进步，如何进一步提高预热预分解系统的性能，开 发高性能回转窑和新一代熟料冷却机等关键设备成为主要课题之一，其中 熟料冷却技术是近十年来水泥烧成系统技术创新获得最活跃的领域【5 1 。 世界上第一台熟料冷却机是1 8 9 0 年出现的单筒冷却机，在1 9 2 3 年丹 麦的s m i t h 公司开发了多筒冷却机，直到2 0 世纪4 0 年代初篦式冷却机才用 于水泥行业1 6 1 。从第一台篦冷机面世至今，随着熟料烧成技术的进步，篦 冷机先后经过了四代。第一代篦冷机产生于2 0 世纪3 0 年代中期，用于湿 法、半干法及一般干法窑生产配套的需要：第二代篦冷机产生于7 0 年 代，随着当时预分解窑技术的开发和推广应用，熟料烧成技术发生了巨大 的飞跃，它要求篦冷机相应地大幅度提高单位有效面积产量、并提高热回 收率以降低热耗；8 0 年代中期新型干法生产技术进一步完善，生产规模 进一步扩大，使窑系统主机设备向大型化高效率、低能耗方向发展【7 1 。自 1 9 8 4 年德国i k n 公司的冯韦特提出阻力篦板的概念，各大水泥机械公司 都集中于阻力篦板的结构改进上【引。8 0 年代末，各国有关水泥装备设计、 燕山大学工学硕士学位论文 制造公司开始开发第三代篦冷机 9 a o l ，至2 0 世纪9 0 年代各国生产的第三代 篦冷机己全面推广使用。上个世纪9 0 年代末，丹麦f l s m i t h 公司和美国 f u l l e r 公司共同研制开发出被称为第四代冷却机的推杆式冷却机【1 1 1 4 1 。它 的特点是采用固定篦板、利用推动棒推料、机械式空气流量调节器和冷却 模块化，极大提高了熟料的冷却效率。 由于篦式冷却机在低能耗、高效率方面较其他类型的冷却机有着明显 的优势，现在己成为水泥工业中不可缺少的主机设备，它不仅起着对热熟 料进行冷却和输送的作用，而且还肩负着对水泥熟料煅烧系统的热回收。 从回转窑卸出的熟料温度一般为1 3 0 0 1 4 0 0 c 【”1 ，水泥篦冷机的作用就 是将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送机、贮存库以及水泥磨所能承 受的温度，同时对高温熟料的余热进行回收。篦冷机出来的高温热风作为 燃烧空气入窑的二次风和去分解炉的三次风，部分中温热风还可作烘干之 用。对篦冷机的要求是“三高一低”，即高冷却效率、高热回收率、高运 转率和低的投入成本。 1 2 篦冷机熟料厚度测量的目的与研究现状 1 2 1 熟料厚度测量的目的 篦冷机是整个烧成系统中故障率最高的设备【l “。在使用过程中存在 的问题很多，其中“红河”现象是最常见的问题之一【1 7 , 1 5 ，它严重制约 水泥生产系统产量的进一步提高和单位熟料能耗的降低。红河现象表现为 篦床上在熟料层的细料侧从进料口至出料口呈现一条红色熟料带。熟料在 窑内煅烧时由于受到离心力作用而产生离析，这样大的颗粒一般集中在中 间，细料集中在窑筒体的一侧；另外在从窑头落料时，由于重力作用产生 自然离析，由于这两种离析作用在篦床上形成细料集中在一侧逐渐过度到 粗料集中在另一侧的现象。由于细颗粒堆积致密，冷风透过时阻力大，从 进料口的高温熟料层开始，冷风较少透过细颗粒熟料层，较多地透过阻力 低的较大颗粒层，此时细颗粒层因冷风透过量少而得不到冷却，熟料温度 较高表面呈红色，而透过冷风的熟料层得到了充分冷却，熟料温度低表面 呈黑色，由此就造成“红河”现象【1 7 】。高温“红河”给篦冷机带来严重 2 第1 章绪论 的破坏，造成其下方篦板破损、变形和掉落的频率远远高于其他部位。熟 料层厚度的调节是对红河现象防止和控制的一个重要的控制调节参量，料 层厚度的实时准确的测量将给控制系统的控制提供可靠的保障，有效的控 制料层的厚度，从而减轻“红河”造成的危害。 目前，篦冷机大都采用三元控制，即篦下压力与主传动控制，风量控 制和窑头负压控制三部分【1 9 1 。随着大型水泥厂电气自动化的设计优化正 向控制智能化、系统网络化和管理信息化的方向发展。应用现场总线技 术、网络技术和信息技术的发展，使当前水泥厂控制系统有现场控制层、 过程控制层、生产管理层的三层系统结构迸一步向两端延伸。现场层更加 深入到测控设备核心，管理层由生产管理向企业总体资源规划发展，从而 形成控制、管理为一体的集成化网络环境【2 0 1 。料层厚度与熟料温度、篦 下压力、风量和窑头负压有着密切的联系。作为控制系统的一个重要参 数，当系统检测到熟料层厚度变化后，控制系统能够快速对此判断以调节 篦床料层的厚度，保证熟料温度、篦下压力、风量以及窑头负压处于稳定 工作状态。因此对熟料层厚度测量技术的研究在提高控制系统性能的同 时，还提高了水泥生产的质量，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。 1 2 2 熟料厚度测量技术的研究现状 由于篦冷机内的恶劣工作环境，现在的水泥生产领域中都没有直接测 量熟料层的厚度，而是通过问接测量风室的风压和推动棒主轴电机的电流 来估计料层的厚度，并加以控制。由于料层的厚度和风室的风压以及主轴 电机的电流没有明确的函数关系，因此采用这两个参量对料层厚度进行控 制的精度就很难保证。在高温条件由于所采用测量方法受高温的限制以及 仪表使用寿命等问题，在高温领域测量料层厚的方法很少，除了y 射线料 位计对于高温的限制比较小之外，超声波料位计、射频料位计、重锤式料 位计、称重式料位计、阻旋式料位计、电容式料位计、音叉料式料位计等 在1 0 0 0 甚至更高的工作温度时都无法工作。由于y 射线料位计采用的 是以放射性物质作为测量的激励信号源，在使用过程中如果使用不当将会 造成人员伤害事故，另外放射源的废品处理也有很大问题，处理不当容易 燕山大学工学硕士学位论文 造成环境的污染，给社会带来恶劣影响，因此在有替代品时一般都避免使 用1 r 射线料位计。由于在高温领域测厚技术的不足，研究高温领域料层厚 度的测量理论越来越受到重视，现在研究的高温领域测厚方法主要集中于 采用光学的方法进行测量。采用照像技术实时拍摄现场的工作状况，在终 端上显示的高温料层监测系统早已应用于诸多高温工业生产领域中。天津 市电视技术研究所，合肥金星机电应用技术研究所，安徽特种电视技术研 究中心等开发设计了适用于水泥生产需要的工业电视系统【2 啦2 1 。这种方 法需要操作员一直注视显示终端，根据显示的现场工作状况做出判断并进 行操作，工作强度很大，容易产生疲劳出现误操作。由于操作员是凭着自 己的经验进行操作，这样会因操作员经验，对于相同的状况采取不同的操 作，不能满足越来越高的控制要求。如果能让计算机代替人去“看”，并 根据已经在计算机中建立的专家系统，使计算机能够“知道”料层的厚 度，这将是一种既有意义又富有挑战性的测量方法。 这种测量方法所需要的两项关键技术c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 技术和数字图像处理技术，随着科技的发展现在都已经逐渐成 熟，这就为这种测量方法得以实现提供了技术基础。 c c d 是二十世纪七十年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。 它是由美国贝尔电话实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出 的，在经历了一段时间研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态 c c d 理论田】。近三十年，c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进 展，特别是图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。目前c c d 应用 技术已经成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技 术。从科学意义上讲，c c d 相机是以电荷耦合器件为核心部件的数字传 感器。电荷耦合器件是由时钟脉冲电位来产生和控制半导体势能的变化， 以实现存储和传递电荷信息的固态电子器件【2 4 1 。实际上这是一种用电荷 量来表示不同状态的动态移位寄存器。c c d 利用硅集成电路的工艺操 作，器件体积小，耗电省，具有扫描功能。它适用于成像敏感器、存储器 和电信号处理器。硅c c d 成像敏感器能对可见光和近红外辐射( 波谱 0 4 1 1 微米) 响应，是重要的探测器。因此，c c d 相机己成为工业检测、 4 第l 章绪论 航天航空遥感的先进的传感器。 c c d 在各方面的应用越来越广泛，尤其是在工业检测领域。 ( 1 ) 用于几何量的测量1 2 鼻2 8 1 。c c d 用于尺寸测量的技术是非常有效的 非接触检测技术，被广泛地应用于各种加工件高精度、高速度的在线检测 领域。由c c d 像传感器、光学系统、计算机数据采集和处理系统构成的 c c d 光电尺寸检测仪器的使用范围和优越性是现有机械式、光学式、电 磁式测量仪器都无法比拟的。这与c c d 本身所具有的高分辨率、高灵敏 度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描的特性密切相关。这种测量方 法往往无须配置复杂的机械运动结构，从而减少产生误差来源，使测量更 准确、更方便。几何量参数如长、宽、液位、面积等等都可以用c c d 来 测量；其它的如进行多尺寸的检测和检查包装尺寸、形状、商标位置与方 向是否准确等许多场合都可以采用。 ( 2 ) 在线模式识别【2 9 。3 2 1 如识别沿生产线传送的离散物件或产品：装备 于机器人上作为视觉系统，检测零件的有无、安装是否符合要求、位置是 否准确等。 ( 3 1 表面自动检测 3 3 - 3 5 1 表面状况是物体质量的重要因素，对表面状况 的检测，不仅可以省略光学机构扫描法中的运动部件，而且检测速度高， 系统结构小，能自动显示或记录被检测物体的表面状态等，因此可用于工 业生产，检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。 ( 4 1 加工过程检测口6 4 刀由于c c d 的高速读出能力，因此可以用于加工 过程中检测，如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节， 应用c c d 能实现位置实时检测。 随着工业c c d 摄像机的出现，由于其图像清晰度高、工作稳定可 靠、耐震动冲击等优点，在冶金炉、水泥窑炉、玻璃窑炉等各种高温环境 下进行非接触实时参数测量成为可能。 1 3立体匹配技术的发展 获取空间三维场景的距离信息是计算机视觉研究中最基础的内容。目 前，获取距离信息的方法和技术很多，学术思想非常活跃，新技术、新方 5 燕山大学工学硕士学位论文 法不断涌现。立体视觉是计算机被动测距方法中最重要的距离感知技术， 它直接模拟了人类视觉处理景物的方式，可以在多种条件下灵活地测量景 物的立体信息，其作用是其他计算机视觉方法所不能取代的，对它的研 究，无论是从视觉生理的角度还是在工程应用中都具有十分重要的意义。 立体视觉的开创性工作是从6 0 年代中期开始的。美国m i t 的r o b e r t 完成的三维景物分析工作，把过去的二维图象分析推广到了三维景物，这 标志着立体视觉技术的诞生，并在随后的2 0 年中迅速发展成一门新的学 科。特别是7 0 年代末，m a r r 创立的视觉计算理论对立体视觉的发展产生 了巨大影响，现已形成了从图象获取到最终的景物可视表面重建的完整体 系，在整个计算机视觉中已占有越来越重要的地位。经过2 0 多年的研 究，立体视觉在机器人视觉、航空测绘、军事应用、医学诊断及工业检测 中的应用越来越广，研究方法从早期的以统计相关理论为基础的相关匹 配，发展到具有很强生理学背景的特征匹配，从串行到并行，从直接依赖 于输入信号的低层处理到依赖于特征、结构、关系和知识的高层次处理， 性能不断提高，其理论正处在不断发展与完善之中。为了充分反映出这一 研究领域的研究动态，本文采用由面到点的方法，以各种技术的核心思想 为线索，对目前立体视觉研究的现状加以评述，指出各种方法的优缺点和 值得注意的问题，最后指出了立体视觉研究存在的问题和发展方向。 立体视觉的基本原理是从两个( 或多个) 视点观察同一景物，以获取在 不同视角下的感知图象，通过三角测量原理计算图象象素间的位置偏差 ( 即视差) 来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是 类似的。一个完整的立体视觉系统通常可分为图象获取、摄像机定标、特 征提取、立体匹配、深度确定及内插等6 个大部分。 特征提取是为了得到匹配赖以进行的图象特征，由于目前尚没有一种 普通适用的理论可运用于图象特征的提取，从而导致了立体视觉研究中匹 配特征的多样性。目前，常用的匹配特征主要有点状特征、线状特征和区 域特征等。一般来讲，大尺度特征含有较丰富的图象信息，在图象中的数 目较少，易于得到快速的匹配，但它们的定位精度差，特征提取与描述困 难。而小尺度特征数目较多，其所含信息较少，因而在匹配时需要较强的 6 第1 章绪论 约束准则和匹配策略，以克服歧义匹配和提高运算效率。良好的匹配特征 应具有可区分性、不变性、稳定性、唯一性以及有效解决歧义匹配的能 力。 立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。当空间三维场景被 投影为二维图象时，同一景物在不同视点下的图象会有很大不同，而且场 景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸 变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图象中的灰度值。因此，要准确 地对包含了如此之多不利因素地图象进行无歧义的匹配，显然是非常困难 的。对于任何一种立体匹配方法，其有效性有赖于3 个问题的解决，即： 选择正确的匹配特征，寻找特征间的本质属性及建立能正确匹配所选特征 的稳定算法。立体匹配的研究都是围绕着这三方面的工作，并已提出了大 量各具特色的匹配方法。但是由于立体匹配涉及的问题太多，至今仍未得 到很好的解决，特别是在复杂场景中，如何提高算法的去歧义匹配和抗干 扰能力，降低实现的复杂程度和计算量，都需要进行更深入的探索和研 究。 立体匹配是寻求同一空间景物在不同视点下投影图象的像素间的一一 对应关系。与普通的图象模板匹配不同，立体匹配是在两幅存在视点差 异，几何、灰度畸变和噪声干扰的图象间进行的，不存在任何的标准模 板，这无疑是十分困难的，更何况立体匹配还要求像素间的一一对应匹 配。目前，立体匹配的研究基本上分为两个方向：( 1 ) 从理解人类视觉的 立体融合机制出发，试图建立一种通用的人类双眼视觉计算模型；( 2 ) 从 实际应用和要求出发，建立实用的立体视觉系统。 第一种方法的特点是从视觉生理的角度揭示人类视觉的立体融合机 制，从而建立通用的立视系统。虽然从目前的研究来看，要构造出如同人 类视觉一样灵活的机器视觉系统还有待于进一步的研究，但目前已取得的 一些研究成果。如m a r r 的立视匹配三大约束，零交叉感知基元以及多通 道协同处理方式等，对立体视觉的发展起了巨大的推动作用。第二种方法 则是针对不同的应用和要求，以建立更直接的、专用的和面向对象的立视 7 燕山大学工学硕士学位论文 系统为目的，通过强调场景和任务的约束等手段赖降低视觉处理问题的难 度，从而增加系统的实用性。 在目前的立体视觉研究中，绝大多数都是针对各自的应用目的和要 求，以建立实用的立视系统为目的。立体匹配实质上是在匹配准则下的最 佳搜索问题，许多数学中的最优化技术都可应用于立体匹配。灰度相关是 一种常用的匹配方法，自4 0 年代相关技术被应用于航空立体测量以来， 相关匹配方法一直在立体视觉的研究和应用中起着非常重要的作用，其基 本思想是以统计的观点将图象看成是二维信号，进而采用统计相关的方法 寻找信号间的相关匹配，正因为如此，相关匹配又称为信号匹配。它是图 像统计相关理论直接在立体匹配中的拓展，并没有很多视觉生理上的解 释。由于相关法是直接对图象象素进行匹配，匹配结果不受特征检测精度 和密度的影响，因此可得到很高的定位精度和密集的视差表面。但这种对 图象灰度统计特性的过分依赖，导致了匹配对景物表面结构、光照反射和 成象几何非常敏感，而且区域灰度相关的假设意味着相关窗口内的像素都 具有相同的视差，这包含有深度不连续的区域来讲，是不成立的。因此， 在空间景物表面缺乏足够的纹理细节以及成象失真较大( 如视点间距离过 大) 的场合，相关匹配法难以应用。 与灰度相关法不同，基于特征的匹配方法则是有选择地匹配能表示景 物自身特性地特征，通过更多地强调空间景物的结构信息来解决歧义性问 题。b a k e r 【3 s j 和a r n o l d 【39 】等提出了以边缘点为匹配特征的匹配算法，并在 匹配时首次采用了动态规划技术，将左右图象同一扫描线上的匹配特征， 分别等效为动态规划的阶段与状态，通过在二维规划平面上搜索最佳路径 得到最优的匹配。o h t a 4 0 1 等提出了以边缘线为匹配特征的动态规划算 法，这相当于把动态规划的搜索空间扩大到三维，首先利用二维规划得到 边缘点的最佳匹配代价，然后利用此代价在三维规划空间中搜索边缘线的 匹配，这样不但保证了匹配在同一扫描线内是最佳的，而且在扫描线间也 是全局最优的。实验表明，此算法对多种类型的景物都能得到较好的匹 配，缺点是计算量大，实现复杂。在ll o g d l 4 l l 提出的算法中，综合利用 了动态规划和概率型的松弛标记技术，算法以边缘点为匹配基元，首先采 8 第1 章绪论 用动态规划技术搜索相关扫描线上的最佳匹配路径集合，然后以扫描线间 的边缘视差连续为约束，利用松弛算法从已得到的匹配路径集合中寻找正 确匹配。这种方法也可以保证匹配在扫描线间的全局一致性，且计算量比 o h t a 的三维规划搜索小。 松弛技术也是解决立视匹配的有效手段。首先利用简单的相似准则求 得初始匹配，然后根据匹配特征间利用的几何和视差约束，利用松弛迭代 技术增强初始匹配结果，使正确匹配的概率上升，从而达到解决歧义匹配 的目的。在b a r - n a r d 4 2 】提出的匹配算法中，采用了m o r a v e e 算子的“兴 趣点”作为匹配基元，以视差连续性约束为松弛迭代准则，通过迭代处理 得到视差连续意义下的最佳匹配。虽然此算法只能得到很离散的匹配点， 但它对核平面几何不作任何要求，允许有垂直视差，且可应用于运动图象 分析。在k i m 的零交叉匹配，m e d i o n i 的直线段匹配，n a s r a b a d i 的曲线 段匹配，以及l e e 的分割区域匹配算法中都采用了松弛迭代技术。松弛方 法己在立体匹配中得到了广泛的应用，原则上讲，无论选择什么形式的匹 配基元，都可构造出相应的松弛迭代算法。 立体匹配是典型的视觉“病态”计算问题，p o g g i o l 4 3 j 认为初级视觉 处理中的许多“病态”计算问题都可以统一在正则化框架下，通过加入一 定的约束来使“病态”解转化为“良态”。在立体匹配领域，一般是利用 匹配连续性约束将匹配视差限制为平滑解空间里。在这里，存在两个需解 决的问题，其一是如何有效地保护视差表面的不连续信息，t e r z o p o i l o s 【4 4 l 提出了含有不连续信息的通用正则化模型，通过引入一个可控制平滑度的 权函数来保护解的不连续信息。在t e r z o p o u l o s ，m a r c h 及y o k o y e m l 的正 则化匹配算法中都采用了这一方式。其二是如何避免出现局部最小的问 题，在b a r n a r d l 4 6 提出的方法中，采用由粗到细的多尺度引导策略和模拟 退火技术来解决这一问题。正则化匹配方法的最大优点是可以全局最优地 生成密集地视差场。 立体视觉的晟终目的是为了恢复景物可视表面的完整信息，而特征匹 配方法只能得到离散特征点的视差，需要进行较多的内插处理。对于一个 完整的立视系统来讲，不能断然地将匹配与内插重建过程分为两个不相关 9 燕山大学工学硕士学位论文 地独立模块，它们之间应该存在着很多的信息反馈，匹配结果约束内插重 建，重建结果引导正确匹配。基于这一思想，h o 彤4 n 等提出了匹配、重 建一体化的方法，在得到匹配的同时重建出完整的视差表面，并以此为信 息不断修正匹配结果，循环往复最终得到精确的匹配视差。在他们的实现 算法中，内插采用二次曲面拟合技术，同时具有检测视差表面不连续的能 力，整个算法是一种由粗到细引导的多分辨率结构。实验结果表明，此方 法具有处理复杂场景的能力。类似的还有o l s e n ，t e r a n c e 和m c l a u c h l a n 方法等。这种将匹配与重建视为一体的重建方法是值得重视的，它不但能 生成完整的视差场，而且可以为匹配提供更多的信息，如不连续性、遮挡 等，提高了匹配的可信程度。 近年来，随着科学的发展，许多新理论已被引入立体匹配领域，典型 的如神经网络分析法和小波分析理论。p o g g i o 提出的正则化模型是一个 三层前馈网络，其价值函数的最小化可用h o p f i e l d 网络来求解。同时为 了避免出现局部最小化问题，可采用模拟退火技术。而且目前已有的许多 算法都可转化为神经网络实现，如当判决价值函数为二次型时，其e u l e r 方程是一阶微分方程组，可用阻容网络求解。动态规划算法可映射多级神 经网络等。但从目前的研究来看，这些算法并未反映出人类视觉神经感知 网络的本质，真正构造模拟生物视觉系统的立视匹配方法还有待于进一步 的研究。小波理论是近年来兴起的一种崭新的时( 空) 频域分析理论，被认 为是傅立叶分析发展的新阶段，它突破了傅立叶分析中没有任何分辨力的 缺陷，可以对指定频带和时( 空) 段内的信号成分进行分析。由于良好的时 ( 空1 频域局部化特性，小波分析可以准确地定位信号的瞬变特征，而通过 多分辨率变换，又可对信号进行“切片式”分析。这一思想与视觉中由粗 到细的多分辨率分析过程是一致的，而且小波变换的多分辨率分析特性， 更加符合人类的视觉特性，更加适合于视觉信息的处理【4 引。小波理论己 被成功地应用到立体匹配领域【4 9 ，5 ，并证明它有助于解决立体匹配问 题。例如小波分析的局部化特性有利于充分挖掘可利用的图象信息，增强 立体匹配解决歧义性的能力，在文献 4 9 1 中所提出的方法中正是利用了这 特性，将点匹配转化为可信度更高的串匹配。小波理论的另一优点是它 1 0 第1 章绪论 允许灵活地选择基函数，以满足不同的应用，这使得我们有可能寻找到更 加符合视觉机制的图象信息表达形式，从而建立更有效的立视模型。 1 4 本课题研究内容 本课题针对水泥篦冷机熟料厚度的检测问题，将理论性研究与实际生 产联系起来，实现研有所用。主要完成以下研究内容。 ( 1 ) 研究篦冷机结构及工作原理，分析熟料运动原理。 ( 2 ) 研究图象特征提取的数学方法，并最终确立选用小波多尺度边缘 检测方法。 ( 3 ) 针对两个c c d 获取的两幅同一物体不同角度的图像，进行基于多 尺度小波变换的子线段匹配方法的研究。 ( 4 ) 建立利用双c c d 进行三维测量的模型和误差分析模型。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章篦冷机的结构和工作原理 篦板和篦床是篦式冷却机重要的零部件，它们的结构不但决定了采取 的驱动方式和篦床上熟料层的厚度( 决定了篦冷机的日产量) ，而且它还决 定了冷却机供风系统的结构以及冷却机热回收效率。篦式冷却机的几代产 品的差别主要表现在篦板和篦床结构的改进上。下面以s f 型交叉棒式篦 冷机为例介绍篦冷机的工作原理。 2 1 篦冷机的结构 篦冷机机构主要有熟料输送部分，供风系统和热空气回收系统三个部 分组成。各种型号冷却机的差别主要是熟料输送部分的不同，熟料输送部 分起着对冷却风的分配和输送熟料的双重作用。下面以s f 型交叉棒式篦 冷机为例介绍一下熟料输送部分。s f 型交叉棒篦冷机不同于传统的冷却 机，它采用模块式篦床，每个模块宽1 3 米、长4 2 米，将多个模块并在一 起就可以组成一个大的冷却机，给设计和安装维护带来便利。同时由于每 个模块是独立驱动的，每个模块的驱动速度可以不同，这样控制系统可以 方便的根据每个篦板的情况改变篦速，实现对篦冷机的优化控制。每个模 块都有固定的篦床和和运动的交叉棒组成，这样的结构可以均匀合理地分 配冷却空气，从而使篦冷机的机械结构大大简化。固定的篦板便于密封， 而其磨损小，可以防止漏料，无需密封风机和篦下漏料输送装置等。此外， 紧贴篦板上面有一层相对静止的低温熟料，起着保护篦板的作用，它可以 防止篦板的烧坏和磨损，同时还避免了整个篦床在长度或宽度方向由于热 胀冷缩引起的不均匀问题。篦冷机整体结构如图2 - 1 所示1 5 ”。 作为熟料的输送装置，在篦床的横向每一排篦板上部有一个棒，这些 棒之间，一根是活动的，可以作往复运动，另一根是固定不动的，两者相 互间隔地布置在整个篦床的长度方向。活动棒采用液压传动，其往复行程 为一块篦板的长度( 1 5 0r n n l 左右) ，具有混合、翻动和向前输送熟料的作用。 在输送过程中，料层中的所有熟料颗粒都能较好地接触到冷却空气，促进 第2 章篦冷机的结构和工作原理 热交换，提高冷却效率。固定棒紧固在篦板框架的两侧，活动棒则用紧固 块卡销在液压传动的推拉杆上。 破 碎 机 供风系统 图2 - 1 篦冷机结构原理图 f i g 2 - 1s i m p l i f i e ds c h e m a t i co f g r a t ec o o l e r 供风系统主要由布置在各个风室的风机组成，为了保证对高温熟料的 淬冷，前端风室的风机要求有足够强的供风能力。热空气回收系统主要负 责对热空气( 二次风、三次风) 的回收利用和对低温尾气的除尘、排放。因 为是靠微弱的窑头负压来实现对二次风的进窑，所以在对三次风的抽取时 要配合冷却风机的风压，来保证窑头负压的存在和稳定。 2 2 篦冷机的工作原理 约1 4 0 0 的高温熟料从回转窑卸下进入篦冷机，通过篦冷机下方气 室的高压冷风进行冷却。在推动棒的推动下，熟料在篦床上缓慢的向前移 动。要求熟料在冷却机出口处温度小于环境温度加6 5 ，粒度小于2 5 i n n l ， 粒度大于2 51 1 1 1 1 1 的经破碎机破碎后进入熟料输送系统。 根据水泥生产线的产量来选择篦冷机的模块数量，对于3 5 0 0t 天的生 产线一般采用1 5 个驱动模块和3 个固定模块，对应这些模块的有6 个风室， 用于冷却熟料。由于每个模块上方的料层厚度和温度不同，因此对应风室 燕山大学工学硕士学位论文 的风压从热端向冷端递减。篦床按不同温度区域可设置为四个区。 ( 1 ) 高温淬冷区( 对应风室1 ) 该区为窑的下料点，是冷却风与高温熟 料的强烈热交换点。采用高速气流对高温熟料进行骤冷，起到高效冷却和 能量回收的效果。由于固定篦板构成约1 3 0 1 8 0 的倾斜篦床，熟料层靠充 气后的“流态作用”沿斜坡分层滑动，不易堆积；还配有空气炮组用于防 止料层液相过多而粘结出现“雪人”现象。 ( 2 ) 高温布料区( 对应风室2 和风室3 ) 在淬冷之后，熟料温度仍然高 达1 0 0 0 以上，此段仍然进行强烈的热交换，并对厚、薄、粗、细不均 的料层进行均布，以有利于后续冷却，这段的上方对应三次风口，收集热 空气送往预热器。 ( 3 ) 中温区( 对应风室4 ) 熟料经过两个区域的冷却之后，料层阻力不 均的问题仍然一定程度的存在，所以采用阻力篦板来减少其影响，同时也 使冷却风得到有效分布，从而获得更好的冷却效果。该区的热风主要用于 烘干用，也可作为余热利用，对应的壳体上开有抽热风口。 ( 4 ) 低温区( 对应风室5 和风室6 ) 属于低温后续冷却区。经过三个冷 却区之后，料层的温度已经下降到5 0 0 以下，此时为了获得更好的冷却 效果，料层的厚度较前几段薄很多，一般只有2 0 0 3 0 0m m ，而且料层移 动的速度也较快。为了保证出料口的温度要求，这一段的冷却风量大大增 加，由于经过料层后的热空气温度已经很低，不能再被系统回收利用，一 般采取的做法是经过电除尘后排入大气，或者用来加热供暖用的热水。 2 3 熟料在篦冷机内的运动特征 回转窑以一定回转速度运动着，当熟料从窑口落下时，由于惯性在落 到篦板上时要偏离下落点，因此在安装时，回转窑的中心和篦冷机的中心 线不重合，由回转窑旋转的方向确定回转窑与篦冷机的安装位置。这样的 结构可以保证落在篦板上的料层分布较好，有利于熟料的冷却和传输。从 窑口落下的高温熟料在直接落在篦冷机的固定篦板上，在自重和风力的作 用下熟料得到急速冷却，同时均匀滑移至往复推动的篦板上形成一定厚度 的料层，料层的厚度在5 0 0 - - 7 0 0 r n m 之间，在交叉棒的往复推动下，继续 1 4 第2 章篦冷机的结构和工作原理 沿篦冷机纵向平稳移动。 i _ 一熟料前进方向 图2 - 2 篦板结构示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po f c r o s s b a rs t r u c t a r e s f 型交叉棒篦冷机是水平推动与倾斜推动的复合篦式冷却机，其篦板 结构如图2 - 2 所示，活动篦板在交叉棒的推动下做往复的运动。在篦冷机 的前端( 2 4 风室上方的篦床) 安装倾角为3 0 5 0 ，后端( 5 、6 风室上方的篦 床) 是水平安装。 熟料在交叉棒的推动下缓慢向前移动，移动的速度在前端为1 3i i l 分 左右，在交叉棒的不断搅拌之下，料层移动到第一个活动段的中间时，料 层已经得到了很好的均布，此时料层在篦冷机的横向上已经比较平整，而 在纵向上料层表面随活动篦板的运动成波浪形。交叉棒的高度在5 0n l l n 左 右，而且运动速度较慢，因此由其引起的料层波动将小于交叉棒的高度， 此外在交叉棒回程时还要带回一些熟料，这样就和向前运动引起的波动相 消，减小料层的波动。厚料层还起着对交叉棒冲击的缓冲作用，料层越厚 这种缓冲作用越强，因此，料层越厚表面的波动越不明显。 2 4 本章小结 本章阐述了篦冷机的结构和工作原理，分析了熟料在篦冷机中运动特 征，对被测对象的运动情况进行了研究。 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章基于小波变换的熟料图象特征提取 图像特征是指图像场中可用作标志的属性，边缘是图像特征的一种。 图像灰度的不连续性，被称为局部边缘或边缘元。把诸边缘元沿其切线方 向聚集( 联结) 成大范围的线段，称为边缘或边界。由于特征反映了图像中 物体或区域所占的物理限度，因此边缘检测技术一直受到人们的重视和研 究，寻找一种对噪声不敏感、定位精确、不漏检真边缘又不引入假边缘的 检测方法，始终是人们努力的目标。 局部边缘的检测常用一些小空间范围的数学算子，这些算子称为边 缘算子。很难预先规定哪些边缘元对应于所要检测的边缘，而且由于图中 存在噪声，不同的边缘算子能起到很好检测作用的应用领域也不同。边缘 算子的重要特性是检测到的边缘元方向应同最大的灰度变化方向垂直，而 且边缘元复制应表示灰度变化的剧烈程度。因为局部边缘是一种高频现 象，边缘算子一般对高频噪声都是灵敏的。 3 1 常见的边缘算子 常用的边缘算子可以分为如下几类：一阶梯度算子、零交叉算子、方 向模板算子、拟合算子以及坎尼( c a n n y ) 算子。 1 一阶梯度算子 梯度是数学上梯度的近似形式，在数字图像中，梯度的大小和方向分