（电力电子与电力传动专业论文）基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t l a r g e - s c a l eu t i l i t y b o i l e rf u r n a c ec o m b u s t i o np r o c e s si sac o m p l e x p h y s i c a la n dc h e m i c a l o fc o n s t a n t l yt h r e e ,fionalpnysmal a n dc h e m i c a lp r o c e s so fc o n s t a n t l yp u l s a t i n ga n dt h r e ed i m e n so n a l - f e a t u r e si nal a r g e rs p a c e t h eb a s i cr e q u i r e m e n to f u t i l i t yb o i l e rc o m b u s t i o n i sw h i c hs e tu pa n dm a i n t a i nas t a b l e u n i f o r mc o m b u s t i o nf l a m ei nt h e f u r n a c e i ti sa ni m p o r t a n tq u e s t i o no fc o m b u s t i o nf l a m e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tt h a tc a l lj u d g et h es t a t u so fc o m b u s t i o n ，a n dp r e d i c t i o na n d d i a g n o s t i ci nt h ef i e l do fc o m b u s t i o n g e tt h ef u r n a c ec o m b u s t i o nf l a m e i m a g eb yc o l o rc c d ，i ti sac h a l l e n g i n gt a s kt h a tc a l c u l a t et h ef l a m e t e m p e r a t u r eb a s eo nd i g i t a li m a g et e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ec o m b i n e dt h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n df u r n a c e f l a m em o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fh e a tr a d i a t i o na n d t h ec o l o rc c df o u n d a t i o ns t u d y , e x t r a c ti m a g ei n f o r m a t i o nu s i n g d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d e s i g na n de x t r a c t i o nf l a m et e m p e r a t u r e t h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i o n t h em a i ni o bi sa st h ef o l l o w i n g ： a n a l y z e st h ef e a t u r e so fb u r n i n gf l a m e sa n dc o n s t r u c t st h ep r o c e s s i n g s y s t e mf o rt 1 1 eb u r n i n gf l a m ei m a g ei nt h i sa r t i c l e ，a sw e l la si n v e s t i g a t e s p i e so ff o r m a t i o no f 。 f o rc c d ，c o l o r i m e t e p h o t o m eypnnclples o tf o r m a t i o no ri m a g e sl b rc c dc o l o r i m e t e ra n dd h o t o m e t r v ， t h e nf u n d a m e n t a l sf o rd i g i t i z e df o r m a t i o no fi m a g ef o rb u r n i n gf l a m e sa r e c o n c l u d e d w i t hav i e wt od e g r a d a t i o na n dd i s t o r t i o no ff l a m e i m a g ei ns o m ee x t e n t c o m p a r e dw i t ho r i g i n a lo n e ，t h ed e g r a d a t i o nm o d e lo fi m a g ei sc o n s e q u e n t l y e s t a b l i s h e d i na c c o r d a n c ew i t ht h i sm o d e l ，t r a n s f o r m a t i o n ，a n dr e s t o r a t i o n f o rf l a m ei m a g ew i l lb er e a l i z e d 1 1 1 u st h ep r o c e s s e df l a m ei m a g ew i l lb e c l o s et ot h eo r i g i n a lo n et ot h eg r e a t e s te x t e n t e n h a n c e dt r e a t m e n t ，s ot h a t t h eo b je c t i v e sa n dt h ef u r n a c ef l a m eb a c k g r o u n dh a v eac l e a rd i s t i n c t i o n ，a n d t h e ns e g m e n t a t i o n ，e x t r a c tf l a m eg o a l sf r o mt h eb a c k g r o u n d s t u d yt h em e a s u r e m e n ta l g o r i t h mt h a ti n c l u d es i n g l e c o l o rt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tm e t h o d ，t w o c o l o r t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tm e t h o d s ， i i i t n r e e - c o l o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n dr a d i a t i o nm e a s u r e m e m m e t h o d sb a s eo nd i g i t a l i m a g et e c h n o l o g y ，a n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n d d l s a d v a n t a g e so ft h e s ea l g o r i t h m s i nt h i sp a p e r , i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a l m e a s u r e m e n t s r e q u i r e d ， i m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nt h e r a d i a t i o n m e a s u r e m e n t m e t h o d s ，u p d a t e dt h er a d i a t i o nc o e f f i c i e n t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ef u r n a c e t e m p e r a t u r en e a rt h et r u et e m p e r a t u r e d e v e l o pas o f t w a r eo ft h ef u r n a c ef l a m et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nb a s eo n w i n d o w s u s i n gv i s u a lc + + t h es o f t w a r eh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：f l a m e 1 m a g ec o l l e c t i o n ，f l a m e i m a g et r a n s f o r m a t i o n ，r e c o v e r ya n de 1 1 l l a n c e d t r e 咖e n t ，f l a m et r e a t m e n t i m a g es e g m e n t a t i o n ，d e t e c t i o no f f l a m e t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：f u r n a c ef l a m e ；i m a g e t e m p e r a t u r ed e t e c t e d e n h a n c e m e n t , i m a g es e g m e n t a t i o n ； i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：幺起焘日期：竺型 ：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：坯色盔 导师签名： i ji t l l 。撺7 。f 归 日期幽：垡! ： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究意义 能源是社会发展的物质基础，是国民经济发展的必要条件，能源生产数量及能 源耗用情况关系到一个国家经济建设和社会建设，在当今时代，能源与环境是困扰 当今全球可持续性发展的两大主题。能源主要包括煤、石油、天然气、水能、地热、 太阳能以及核能等。我国能源储备比较丰富，尤其在煤炭资源和水力资源更为丰富。 我国煤炭资源储备量大约有7 0 0 0 多亿吨，居世界第三位，水力资源的理论储备量大 约有6 8 1 0 8 k w ，居世界首位。由于煤炭资源和水力资源的丰富，为我国火力发电和 水力发电提供了便利的条件，但是水力发电受季节、气候等因素的影响，很难广泛 使用，目前我国的电力主要以燃煤形式的火力发电为主，并且这种趋势在相当长的 时间内都不会改变，虽然在燃煤发电技术上取得了很大成效，但火力发电在我国仍 是一个薄弱环节，燃煤发电效率比国外先进水平低得多，全国火电厂平均效率为 3 2 3 ，而国外先进水平为4 7 5 h 1 。 燃煤电站燃烧过程是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，它包含着流动、 传热、传质和化学反应以及它们之间的相互作用。大型燃煤电站炉膛内的燃烧过程 是发生在较大空间范围内的、不断脉动的、具有明显三维特征的复杂物理化学过程。 燃煤电站炉膛燃烧的基本要求是在燃煤电站炉膛内建立稳定、均匀的燃烧火焰，燃 烧火焰直接反映出炉膛燃烧状况。燃煤电站燃烧火焰的温度测量是燃烧领域一个重 要的问题，温度测量准确与否对于燃煤电站燃烧状态的判断、预测以及诊断都有着 重要的意义。在工业方面，如果能够有效地控制电站炉膛内的燃烧过程，就可以提 高燃煤的燃烧效率以及节约成本等。因此一种能全面及时有效的测量整个炉膛燃烧 火焰温度方法是提高生产效率的必要手段，并对提高产品质量、保护生态环境、改 善工人工作条件、保证生产安全也具有重要意义n q 3 。 1 2 温度场检测方法综述 鉴于温度参数对于燃烧火焰燃烧过程的重要性，温度测量方法的研究一直是燃 烧领域的热点问题。研究学者们基于物体的某些物理化学性质( 物体的几何尺寸、颜 色、导电率、热电势和辐射强度等) 与温度的关系，开发了形式众多的温度测量方法。 从测量的方式方法看，大致可分为两类啼吲：接触式测温方法和非接触式测温方法。 以下分别加以简单介绍： 1 接触式测温方法 1 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 接触式测温方法是将测温元件直接放置在电站炉膛中，这种方法不受电站炉膛 火焰的黑度以及热物性参数等因素的影响，具有测温精度高，使用方便的优点。 2 非接触式测温方法 非接触式测温方法主要有两大类，一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参数 来求解温度；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。 1 3 基于图像处理技术炉膛火焰检测国内外发展状况 近几年来，随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者越来越把眼光投向了 把数字图像处理技术应用于锅炉炉膛火焰处理中，融合火焰电视和多媒体计算机系 统，开发基于全炉膛锅炉燃烧图像信息的智能火焰温度场检测系统聃1 。 美国i s t - q u a d t e k 公司生产的s p y r o m e t e r 高温工业电视系统，该高温工业电视系 统结合了视频摄像机和比色双色红外辐射测温计两种技术，将这两项技术集成于一 个系统中，可以在控制室的监视器观察实时的炉内火焰，测温计的窗口可以测量炉 膛内任一点的实时温度，即用一种设备完成了对炉内状况的观察和多点的温度测量。 日本由于其本国的资源及环保等条件的约束，最早将图像技术应用到火焰监测 中。日本日立实验室k u r i h a r a 等研制了火焰图像识别系统( f i r e s ，f l a m ei m a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并在本公司1 9 8 5 年问世的h i a c - 3 0 0 0 系统中应用该技术获得 了火焰温度场的分布，同时进行了燃烧经济性和n o x 的估算等。 日本三菱公司的光学图像火焰扫描系统( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m es c a n n e r ) 采用光学图像传感器提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别能力，该系统能够较好地克 服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器的火焰信号的于扰，系统的主要功能是火焰形状识 别和火焰稳定性判断等。 在国内火焰图像处理领域中，清华大学吴占松进行了小型发光火焰温度分布测 量的研究，他详细推导了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，经黑体炉标定获得 了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理的先河。 上海理工大学蔡小舒等利用以c c d 阵列作为光谱测量元件的微型光纤光谱仪，研 制了实验用火焰检测系统，通过测量火焰的发射光谱来进行火焰的检测和诊断技术 的研究。 华中理工大学周怀春等通过在c c d 前加装单色滤光片，获取了火焰的单色辐射图 像，并借助辐射定律将单色图像与其中某一参考点的辐射强度进行比较以获得温度 场。其参考点用双色高温计或热电偶测温获得。根据所测得的温度场进行燃烧状况 2 第1 章绪论 诊断。 1 4 论文研究内容 本课题以彩色c c d 摄像机作为传感器，采用中值滤波和伪彩色图像处理技术， o s t u 图象分割技术对火焰图像进行处理，分析了基于参考点的单色测温法、双色测 温法、三色测温法，全辐射测温法的优缺点，并在全辐射测温法的基础上进行改进， 试验结果表明，改进后的算法，炉膛测量温度接近炉膛真实温度。如下简要介绍本 文的章节，全文共分6 章： 第1 章简要介绍了炉膛火焰温度检测的意义以及目前国内外的研究发展状况。 第2 章阐述火焰燃烧特性以及基于数字图像处理的火焰温度测量系统构成。 第3 章对采集回来的炉膛火焰图像进行预处理，如中值滤波去噪声、伪彩色增 强技术对火焰目标进行增强处理、o s t u 分割技术提取火焰目标。 第4 章总结和研究了基于数字图像处理的火焰温度测量所依据的相关原理和测 温方法，研究其优缺点，并从测温产生的误差入手，在全辐射测温法的基础上，对 辐射系数进行修正，试验结果表明，系数修正后，测量得到的温度比以前更加接近 炉膛温度的真实值。 第5 章用v i s u a lc + + 实现了一个基于w i n d o w s 环境下的炉膛火焰温度检测应用软 件。 第6 章结论与展望。 3 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 第2 章燃烧火焰特性及基于图像火焰测温系统构成 2 1 燃烧火焰特性 2 1 1 燃烧火焰热辐射特性 炉膛火焰的辐射和吸收是在整个炉膛容积中进行的。燃烧火焰一般由氮气、氧 气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气，二氧化硫等气体分子和悬浮固体粒子组成，如： 炭黑、飞灰、焦炭粒子。其中氮气和氧气对热辐射是透明的，一氧化氮的含量一般比 较低，因此燃烧火焰中具有辐射能力的主要成分是水蒸气、二氧化氮和各种悬浮的 固体粒子。 燃煤燃烧的实质归1 们是把燃煤中的化学能以电磁波的形式释放出去。从光学及热 辐射的角度来看，燃煤火焰可分为发光火焰和半发光火焰以及不发光火焰三种形式； 通常发光火焰是含有大量活跃反应的微粒( 如炭粒) ，它通常辐射出连续的光谱，随 着炉膛燃烧温度的不同，燃烧条件不同以及状态( 如空一燃比) 的改变都将使热辐射 的强度以及光谱分布发生改变。半发光火焰的主要辐射成分是炭粒子和灰粒，各种 固体燃料燃烧时形成半发光火焰。不发光火焰的主要辐射成分是二氧化碳和水蒸气， 其辐射具有选择性，可视为反应充分的热流，它的辐射光谱位于可见光低频侧的红 外区。 2 1 2 燃烧火焰的脉动现象 燃烧火焰的另一特征是辐射强度的脉动性，燃烧火焰闪烁的低频成分主要是由 于辐射能的流动与对流引起的火焰形状的波动。对于工业燃烧来说，无论是湍流扩 散火焰还是预混湍流燃烧，燃烧产物产生的光辐射都表现出明显的脉动现象，而且 随着燃烧状态的改变脉动频率也发生显著改变，通常认为这一现象是由湍流燃烧速 度脉动造成的，因此这种脉动与燃烧的湍流程度、扩散程度或预混程度、燃烧速度 等诸多要素有着直接的关系。如果湍流涡旋团尺寸在空间的分布、各个作用团之间 的相互作用，在一定的条件下从统计上看保持相对稳定，那么脉动状态也保持相对 稳定，而且脉动频率分布也有一定的特点。当燃烧条件改变时，脉动频率分布也相 应发生改变，同时反映出某些影响燃烧的内在因素与关联，由此可以通过脉动频谱 的监测和分析来反映燃烧的某些特征情况n 1 3 。 2 。1 3 燃烧火焰的颜色和温度 燃烧火焰的颜色是由可见光波长段德火焰发光所决定的。煤以及碳氢化合物的 4 第2 章燃烧火焰特性及基于图像火焰测温系统构成 发光光谱与燃料、燃料与氧化剂的混合状态以及燃烧反映过程的延迟等变化有关， 并且反映在火焰的颜色变化上。因此，火焰所发出的光的颜色，含有与燃烧状况有 关的信息，是掌握燃烧状态的重要来源。火焰颜色的定量计量，可采用c i e ( 国际照 明委员会) 定义的x y z 表色系统的表色方法。通常情况下，一个色光l 其颜色可表示为： 三= 彳宰防】+ 】，牛p 】+ z 宰【z 】。其中i x 】、陟】、留】为三原色 ，g ，b ) 的光谱刺激值， ，y ，z ) 为用三原色光谱三刺激值的混合量，表示的该色光的- - * u 激值n 2 1 制。 燃烧火焰的温度是反映燃烧过程的重要参数，它可以反映出电站炉膛内的燃烧 状态是否稳定，燃烧效率好坏等等，因此燃烧火焰温度的测量一直受到众多研究学 者的重视。 2 2 基于火焰图像测温系统构成 基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测系统n 5 。1 7 1 ，应用传像光纤和彩色c c d 摄像 机作为一次传感元件，采集火焰的原始图像；再利用图像采集卡将火焰图像采集到 计算机系统，通过图像处理单元对火焰图像进行分析处理，获取当前火焰温度和预 估温度等信息来指导操作人员进行锅炉的燃烧系统控制乜引。其原理如图2 1 所示。整 套测温系统由光学系统、风冷系统，彩色c c d 摄像机、图像采集卡和计算机图像处理 单元几部分组成。 荔哆馏，头影等 ，v 、_ ，、产n 八n 凸 一f ，i i l ( ) i 篡) ( x x x x x x x x x x x x x x ) ( x x ) q 、， 、 m ，、 ，、 m 一 i 缓 li 虿 豳 图2 1 炉膛火焰温度测量硬件系统结构原理图 f i g u r e2 1f l a m et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n th a r d w a r es y s t e ms c h e m a t i cs t r u c t u r e 5 头 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 2 2 1 传像光纤 传像光纤实质是一种内窥式光学潜望镜，核，t l , 部件为石英玻璃透镜光学传像装 置。它利用小孔成像的原理获取火焰图像并经过梭镜转向后直接投射在c c d 摄像机靶 面上。 传像光纤是由1 5 0 0 0 多根可以传输图像的单丝所组成，每根单丝端面都可以看作 是1 个取样孔，在独立传光过程中携带一个像元。传像光纤具有图像清晰、耐高温、 可以弯曲、视场角大( 约9 0 0 c ) 等优点，它检测区域非常大，基本不受煤种和负载变化 的影响。光纤传感器具有不受电磁场的干扰、绝缘性能好、防爆性能好、耐腐蚀、 导光性能好、细而柔软、重量轻、体积小、敏感性高、动态测量范围大、传输频带 宽、易于转向作业以及它的波形特征能够与客观情况相适应等诸多优点，因此能够 较好地实现实时操作、联机检测和自动控制心7 删。 2 2 2 风冷系统 风冷系统是指用来完成光学系统的冷却和吹扫功能的装置。光纤探头及c c d 等在 高温环境下工作时，面临着由于过热、超温而损坏的可能，也存在着输出信号不稳 定的危险。因此，必须考虑冷却。水冷系统的效果较佳，但对密封要求很高，且系 统不易安装和维护。实际工程应用中，用压缩空气来冷却即可达到要求，且系统较 易安装和维护。 2 2 3c c d 摄像机 c c d 摄像机n 8 1 是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种新型半导体器件。它突出特点是 以电荷作为信号。c c d 摄像机的成像面是由水平和垂直排列的象素组成，每个象素的 光电转换部分为一个光敏元件。光敏元件的作用是把所接收到的光辐射信号通过光 电转换变成电荷信号，电荷包的电量反映了照射在该象素上的光线强弱，它通常是 在一场时间内积累起来的，于是成像面上的光的强弱分布就转变成电荷包电量多少 的分布。将电荷包由象素向输出级的传送，它输出电压较高，实际上是一个模拟量 的移位寄存器。 当采用p 型半导体m o s 电容型光敏元件( 如图2 2 所示) 时，在金属电极上未加电压 之前，p 型半导体中的空穴均匀分布。在栅极电压u g 作用下，半导体中形成能容纳电 荷的耗尽区，即半导体的势阱，势阱深度决定了所能容纳的电荷数量，在合适的光 照强度和光照时间下，c c d 中各像元产生的电荷量的分布能够正确反映出成像面上的 光强分布。当改变电极上的电压时，电荷包向其它位置传送。如果在c c d 各电极加上 6 第2 章燃烧火焰特性及基于图像火焰测温系统构成 按一定规则交替变化的驱动脉冲时，电荷在交替电压的作用下按定的方向逐单元 顺序迁移，如图2 3 所示，当信号电荷传至u c c d 终端时，由输出电路将该信号送出， 由信号处理单元进行信号调制，以把图像信号转变为通用的视频信号( p a l 或n t s c $ 0 式) 。 s i c h v l v 3 电极 图2 2c c d 基本构造和工作原理 f i g u r e2 2b a s i cc o n f i r m a t i o na n dp r i n c i p i u mo fc c d 需注意的是，如果光积分时间过长或者光强度过高，势阱中的电荷饱和并出现 电荷“溢出 的现象，则会干扰相邻位置的信号，使图像的清晰程度下降甚至不可 分辨，这种情况在工业火焰监视中经常碰到，此时须采取减少光积分时间、缩小光 圈或通过在光学镜头前加中性衰减滤光片的方法，减少进入c c d 的光通量。 2 vl d 2 y1 们2 v2 v2 yl o 可 9 甲宁宁 9 宁。辛 9 彦鸯擘如吻施点堕星垒军卿 b 辞_ i! ：l 暂聱 图2 3c c d 中势阱的移动乖电荷包的转移 f i g u r e2 3t h em o v i n go fe l e c t r i cp o t e n t i a ld e p t ha n dc h a r g et r a n s f e ri nc c d 彩色c c d 摄像机的色度学基础是r ，g ，b - - 基色学说。即根据人眼的视觉特征， 选择r ，g ，b - - 种接近光谱单色的色源作为基色，当它们按不同的比例叠加时，就能 模拟不同波长的单色光源法。因而景物的任何彩色都可以用r ，g ，b z 种基色配制。 7 弩施 节恐一警产b王 帮，燃 删唑恙 衢勰踽删厕 猢群 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 1 9 3 1 年国际照明委员会推荐的“c i e1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值数据”( 如图 2 4 所示) 选定三原色为a = 7 0 0 n m 的红基色、a = 5 4 6 。i n m 的绿基色、a = 4 3 5 。8 n m 的蓝基色， 有了这个规定后，任何一种物体颜色( c ) 都可以用颜色方程来表示： c = ，僻) + g ( g ) + b ( b ) 2 1 謇 耳 麓 焉 图2 41 9 3 lc i e r g b 系统光谱三刺激值曲线 f i g u r e2 4t h es p e c t r u ms t i m u l u sv a l u eo fc i e r g bi n19 31 上式中，r ( r ) 、g ( g ) 、b ( b ) 是匹配颜色c 所需要的三个原色的刺激量，称为颜色 c 的- - * u 激值。 任何光源都具有自己的光谱功率分布函数尸( 允) ，当人眼或彩色摄像机观察该光 源时，需要将光谱功率分布函数e ( z 1 乘以光谱三刺激值，即三个通道的响应函数， 并进行积分运算，才能获得r ，g ，b 的响应结果。设( r ) 刺激响应值为r ，( g ) 刺激响应值 为g ，( b ) 刺激响应值为b ，则有： r = 磁e p ( a 户( 见) d 九 2 2 g = 屹e p ( 允培( 九) d 允 2 3 b = k 口e p ( 元弘( 允) 掀 2 - 4 j p a _ t ：- - 式中k 、屹、磁为r 、g 、b 三个通道的增益和光信号转换系数的乘积， r ( z ) 、g ( 九) 、6 ( a ) 为r 、g 、b 三个通道的光谱响应特性，对彩色摄像机而言，它们 由镜头、滤光片和其它摄像器件的特性组合而成。其特性曲线如图2 5 所示： 8 第2 章燃烧火焰特性及基于图像火焰测温系统构成 1 卫 e 盘 j s 昭 e ： & o 4 。c25 0e ，n r 弧 图2 5c c d 在3 2 0 0 k 时的摄像特性曲线 f i g u r e2 5c c dc a m e r ac h a r a c t e r i s t i cc u r v ea t3 2 0 0 k 根据所得的r ，g ，b 值就可以按式( 2 - 1 ) 求得颜色。彩色c c d 的任务就是把来自景物 的入射光分解为三基色经过摄像机转换成相应的三个亮度值的数字信号。 彩色c c d 获取的信息中包含了三个颜色的信息，通过图像卡采集和计算机处理可 将r ，g ，b 信号分离出来，这为我们探索利用三色信息，即不同波长下的光信号测量温 度场提供了可能。 2 2 4 图像采集卡 由c c d 摄像机出来的是全电视模拟图像信号，显然不能直接送入计算机内进行处 理，图像采集卡在其中起到了类似于桥梁的沟通作用，图像采集卡主要实现信号调 理及a d 转换等信号处理等功能，如图2 6 所示： a j l l d 计算机图像 - _ - - 处理单元 单元 图2 6 火焰模拟视频信号处理流程图 f i g u r e2 6f l a m ea n a l o gv i d e os i g n a lp r o c e s s i n gf l o wc h a r t 图像采集卡有多种种类和规格。但尽管其设计和特性不同，大多数采集卡的基 本原理相同。首先对视频信号进行预处理和同步分离。预处理主要是进行放大、信 9 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 号限幅( 保护a d ) 。同步分离电路主要是分离出信号中的行同步和场同步信号，供采 集卡的时序电路使用。然后由高速的a d 转换器把处理后的视频信号转化为数字信 号，在时序电路的控制下写入存储器。供计算机进行图像处理时，也可将采集到内 存的图像信号传送到计算机显示卡显示；甚至可将a d 输出的数字视频信号经p c i 总 线直接送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。 实验中采用的是图码公司开发的天敏v c 4 0 0 0 视频捕捉卡。v c 4 0 0 0 具有高品质的 视频采集性能，具备高速p c i 总线，并提供了功能全面的二次开发( s d k ) ，具体规格 特性如下： p c i 总线，兼容w i n d o w s 即插即用( p n p ) ，安装简易； 显示画面流畅不间断，每秒可达3 0 帧； 显示分辨率可达6 4 0 4 8 0 、2 4 位真彩色； 影响窗口大小随意调整，可全屏显示； 动态捕捉影像已静态图像方式保存，提供b m p 、j p g 、t i f 和t g a 等多种存盘格式； 提供动态a v i 影像捕捉，捕获存盘影像大小随意选择； 可连续动态捕捉影像以静态图像方式自动存盘，提供照片浏览和电子相册功能； 符合i t uh 3 2 4 视讯会议标准，完全兼容流行的视讯会议软件，画质清晰，性能 稳定； 兼容w i n d o w sv f w 软件构架和w d m 模式，提供功能全面的二次开发包，可广泛应 用于银行、医疗、社区、交通、农业监控及远程通信等方面的系统开发。 2 2 5 炉膛火焰图像处理单元结构 炉膛火焰图像的处理单元包括火焰图像的采集，火焰图像去噪处理、火焰图像 增强处理以及火焰图像温度场计算等功能，如图2 7 所示。 由于数字图像信息量十分巨大，且功能较复杂，因此，对计算机系统的性能要 求很高n 螂3 。 针对以上特点，在配置硬件的同时，还需要考虑程序开发的软件支持，在本文 中，所采用软件是基于w i n d o w s 操作系统下的v i s u a lc + + 的高性能程序开发工具。 v i s u a lc + + 提供多种不同用途的菜单命令和工具按钮，它的集成性及可视化用户编 程特性，不仅适用于基于c c + + 开发，更能体现出面向对象编成的特性，它提供了强 大的m f c 类库，给面向对象的程序开发带来一场革命。 1 0 第2 章燃烧火焰特性及基于图像火焰测温系统构成 图2 7火焰图像的处理单元 f i g u r e2 7f l a m ei m a g ep r o c e s s i n gu n i t v i s u a lc + + 包含有编写程序源代码的文本编辑器、设计用户界面( 菜单、对话 框、图标等) 的资源编辑器、建立项目配置的项目管理器、检查程序错误的集成调 试器等工具，同时还提供了强大的应用程序向导工具a p p w i z a r d 和类向导工具 c l s s w i z a r d 。a p p w i z a r d 用于生成各种不同类型的具有w i n d o w s 界面风格的应用程序 的基本框架，运用应用程序基本框架具有如下有点： ( 1 ) 标准化的程序结构和用户接口。 ( 2 ) 框架产生的程序代码短，运行速度快，具有很大的灵活性。 ( 3 ) m f c 封装了w i n 3 2s d k 中几乎所有的函数，能够实现w i n 3 2 系统的任何功能。 v i s u a lc + + 给面向对象技术人员提供了强大的技术支持，它把大部分与用户界 面设计相关的函数封装起来，提供给程序开发人员使用，提高了代码的可重用性， 所以针对以上特点，本文运用v i s u a lc + + 作为开发工具。 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 第3 章炉膛火焰图像预处理 3 1 数字图像处理概述 数字图像处理技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一门新兴学科，近3 0 多年来，由 于大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，离散数学理论的创立和完善，以 及军事、医学和工业等方面应用需求的不断增长，数字图像处理的理论和方法进一 步完善，使得数字图像处理技术在宇宙探测、遥感、生物医学、工农业生产、军事、 公安、办公自动化、视频和多媒体系统等领域得到广泛的应用，并显示出广阔的应 用前景，成为计算机科学、信息科学、生物学、医学等学科的研究热点。 数字图像处理是利用计算机的计算功能，实现与光学系统模拟处理相同效果的 过程。数字图像处理具有如下特点： ( 1 ) 处理精度高，再现性好。 ( 2 ) 易于控制处理效果。 ( 3 ) 处理的多样性。 ( 4 ) 图像的数据量庞大。 ( 5 ) 处理耗时。 ( 6 ) 图像处理技术综合性强。 图像处理方法由模拟式和数字式两种。由于数字技术的迅猛发展，数字图像处 理技术得到广泛应用，我们日常生活中见到的图像一般是连续式的模拟图像，所以 数字图像处理的一个先决条件就是将连续图像离散化，转换为数字图像。图像的数 字化包括采样和量化两个过程。 为实现模拟图像到数字图像的转换，仅有采样是不够的，还必须进行图像量化。 把采样后所得到的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像的灰度量化。 量化的方法主要有两种，一种是等间隔量化，另一种是非等间隔量化。等间隔量化 就是简单地把采样值的灰度范围等间隔地分割并进行量化；非等间隔量化是按照量 化误差最小的原则进行量化的。所以在实际应用中，一般都采用等间隔量化。 设幅模拟图像厂b ，y ) ，我们对它进行等间隔的采样，即在x 方向和y 方向上都 取n 个采样点，则模拟图像转换为数字图像总共为n * n 个图像像素点。这些图像像素 点实际上是采样样本的中心点，称为图像像元或像素。将模拟图像进采样、量化形 成数字图像，其数学表达式如式3 - 1 所示2 1 ： 1 2 第3 章炉膛火焰图像预处理 m b ，慑厂篓。， f ( o ，n 一1 ) f ( 1 ，n 一1 ) f ( n 一1 ，n 一1 3 - 1 。左边为模拟图像f ( x ，y ) ，右边为数字图像矩阵，可见数字图像为模拟图像的一 种近似表达。把图像表达成矩阵形式就有可能利用矩阵( 数字化) 方法来处理数字 图像。而且一般地说，对图像的任何物理意义上的限制都可以在矩阵数学上加以表 达和运算。特别是用计算机进行数学处理更为方便。 数字图像处理的应用范围十分广泛，概括起来，主要应用于下面几个领域： ( 1 ) 通讯。通讯包括图像传输、电视电话、电视会议等，主要进行图像压缩甚 至理解基础上的压缩。 ， ( 2 ) 遥感。航空遥感和卫星遥感图像需要用数字技术进行) j 口- v 处理，并提取有 用的信息。 ( 3 ) 宇宙探测。由于太空技术的发展，需要用数字图像技术处理大量的星体照 片。 ( 4 ) 生物医学领域中的应用。图像处理在医学界的应用非常广泛，无论是临床 诊断还是病理研究都大量采用图像处理技术。 ( 5 ) 工业生产中的应用。 ( 6 ) 军事、公安等方面的应用。军事目标的侦查、制导和警戒系统、自动灭火 器的控制及反伪装；公安部门的现场照片、指纹、手迹、印章等处理和辨识。 ( 7 ) 机器人视觉。 ( 8 ) 视觉和多媒体系统。电视制作系统广泛使用的是图像处理、变换、合成， 多媒体系统中的静态图像和动态图像的采集、压缩、处理、存储和传输。 ( 9 ) 科学可视化。图像处理和图形学紧密结合，形成了科学研究各个领域新型 的研究工具。 ( 1 0 ) 电子商务。如：身份认证、产品防伪、水印技术等。 总之，图像处理技术应用领域相当广泛，已在国家安全、经济发展、日常生活 中充当越来越重要的角色，对国计民生的作用不可低估。 本文就是将数字图像处理技术应用于燃煤电站锅炉生产方面。 1 3 基于图像处理的火焰温度检测研究及可视化设计 3 2 火焰图像的预处理 为提高计算机的视觉功能。增强计算机的分析和识别能力，需对原始图像的噪 声给以去除和修正。这种突出有用信息，抑制无用信息和改善图像质量的处理技术， 称为图像的预处理，图像预处理技术，包括图像对比度增强，噪声的去除，边缘特 征的加强等。经过处理后，输出图像质量得到明显改善，便于计算机对图像分析、 处理、识别和理解。 图像预处理主要是用来改善图像质量，对图像作相应的变化，为后面的分析做 准备。为加强系统的抗干扰能力，本系统采用多图像平均，得到稳定的火焰燃烧图 像，并对噪声进行滤波处理，达到平滑效果，在对图像进行分割处理，来区分目标 与背景。下面将图像处理方法进行详尽的介绍。 3 2 1 多张火焰图像加权平均 在一定的燃烧状态下，火焰应在一定的位置燃烧，且具有一定的大小和形状。 但是由于煤种、送风等因素的影响和火焰的跳动特征等，火焰的位置会有一定的漂 移和闪烁，燃烧过程是一个动态过程，外加各种随机干扰，理想的稳定火焰是不存 在的。较合理的办法是在某一时间间隔内连续取多幅图像，利用多幅图像的平均结 果表征本段时间的图像去进行处理。本系统中，采用连续抓取3 幅的火焰图像，然后 对一定的时间间隔内的图像进行加权平均，可得到稳定的火焰燃烧图像。 设一幅噪声的图像s ( x ，y ) ，假定每一对坐标( x ，y ) 的噪声都是不相关的，在其平 均值为零的情况下，可以认为是由原始图像方厂g ，j ，) 和噪声玎g ，y ) 迭加而成，即： i ( x ，y ) = s ( x ，y ) + 咒g ，y ) 3 2 对噪声图像进行n 次观测，得图像，( x ，y ) ，然后求其平均值，便得到一幅平均 图像( x ，y ) ，即： z ( w ) = 专一( w ) 3 3 o j = l 其中，( x ，y ) 是j 时刻的瞬时采集图像，( x ，y ) 是t 时刻平均图像，为权系数， 一般取中间大两头小，可按高斯分布确定。在这样的一幅图像上，火焰面积及火焰亮 度将直接反映燃烧火焰的状况。 由此得出平均图像l ( x ，y ) 的数学期望值为： e ( x ，y ) = f ( x ，y ) 3 - 4 平均图像在所有坐标( x ，y ) 上的方差仃云) 为： 1 4 第3 章炉膛火焰图像预处理 吒2 y ，= 万1 仃：( x ，y ) 3 - 5 即平均图像z ( x ，) ，) 在所有坐标( x ，y ) 上的方差等于噪声玎g ，y ) 的n 分之一，平均 图像中任何点的标准差为： 1 吒y ) 2 赤o n ( 训) 3 娟 由( 3 - 5 ) 和( 3 - 6 ) 式可以看出，当观测的次数n 增加时，平均图像上的方差、标 准差都在减少。因为e ( x ，y ) - 厂( 五y ) ，这意味着当对含有噪音的图像处理次数增 加时，( x ，y ) 将更接近于厂b ，y ) 。此时包含在平均图像内的噪声成分的波峰值( 最大 瞬时值) 等于一次观测时噪声成分的1 。 3 2 2 炉膛火焰图像去噪声 一幅火焰图像可能包含各种随机噪声，在燃烧检测中为了得到更准确、更接近 原始图像的火焰特性。有必要进行噪声消除。常用去噪方法有均值滤波、中值滤波 及自适应滤波( 即维纳滤波) 3 2 - 3 5 o 所有的滤波器都是用一个滑动窗口来计算窗口中的 某个像素点的灰度。 均值滤波对图像进行处理时，用其窗口中的平均灰度值代替窗口中心像素原来 的灰度，所以处理后的图像边沿会变得模糊不清，这样不利于我们提取火焰特征。 故在本系统中不采用该方法。 中值滤波式种非线性信号处理方法，与其对应的中值滤波当然也就是一种非 线性滤波器。它在一定的条件下，可以克服线性滤波器如最小均方滤波、平均值滤 波( 平滑滤波) 等所带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为 有效。 1 ) 中值滤波原理 中值滤波是用一个有奇数点的滑动窗口，将窗口中心点的值用窗口内各点的