（信号与信息处理专业论文）火焰图像特征提取与描述方法研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 近年来，数字图像处理技术开始应用于锅炉炉膛火焰中，为电厂锅炉火焰安 全运行开辟了一个新的领域。我国目益严格的环境保护标准要求减少电站锅炉的 燃烧污染排放，而优化锅炉炉内燃烧工况不仅是控制燃烧污染排放的有效途径， 而且能减少燃料量和避免炉内爆管事故，从而能提高电站锅炉燃烧的效率。电站 锅炉燃烧的稳定性直接影响到电站的安全和经济运行，为了能及时可靠地检测到 炉内燃烧工况，防止发生炉膛爆炸等情况，电站锅炉必须配备功能齐全、性能可 靠的火焰检测系统。因而有必要对火焰图像进行特征提取和描述的分析。 针对火焰图像的特性，完成适合于火焰图像处理的方法研究。由于环境和其 他因素的干扰，锅炉监视系统的火焰图像可能会混杂各种噪声。采用多图像平均 法、中值滤波等预处理方法来消除图像噪声。简要介绍图像增强、图像边缘检测 等处理原理及方法，有效确定火焰图像目标区域取得较好的效果。 接着对燃烧火焰图像进行了较为系统的特征提取分析。通过对火焰状态的理 解、分析，从火焰图像中提取出能够有效反映燃烧状态的七个通用特征量：火焰 有效区域面积、高温区域面积、火焰有效区域亮度、火焰高温区域亮度、火焰高 温面积率、火焰质心偏移距离和火焰的圆度。这些火焰图像特征，具有较广的通 用性，不受火焰着火点漂移的影响，简化了计算难度。简单介绍并分析比较了几 种测温技术。在研究煤粉燃烧特性和数字图像处理的基础上，利用m a t l a b 进行仿 真，实现了图像分析处理等功能。 关键词：火焰图像特征提取图像处理 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi sb e i n ga p p l i e di nt h ef i e l do fb o i l e r f u r n a c ef l a m eg r a d u a l l ya n di te x p l o i t san e wr e a l mo fb o i l e rf l a m er u n n i n gs a f e t yi n p o w e rp l a n t t h es t r i c te n v i r o n m e n tl a w si n0 1 1 1 c o u n t r yd e m a n dt h er e d u c t i o no f t h e p o l l u t a n tf r o mp o w e rp l a n tb o i l e r s i ti st h eo p t i m i s mo f t h ec o m b u s t i o ni nf l l m a c e $ t h a tc a ne f f e c t i v e l ya p p r o a c ht h i sg o a l w h a t sm o r e ，c o m b u s t i o no p t i m i s mc a l ln o t o n l ys a v et h ef u e l ，b u ta l s oa v o i dt u b ee x p l o s i o ni nf i l i n a c e s i nt h i sw a y , t h e e f f i c i e n c yo fp o w e rp l a n tb o i l e r sc a nb ee n s u r e d t h es t a b i l i t yo fb o i l e rc o m b u s t i o n d i r e c t l ya f f e c t st h es a f e t ya n de c o n o m yo fap o w e rp l a n t i no r d e rt od e t e c t c o m b u s t i o ns t a t u si nb o i l e rf u m a c ei nt i m ew i t l lr e l i a b i l i t y , t op r e v e n tf u r n a c e e x p l o s i o na n do t h e rs i t u a t i o n sf r o mh a p p e n i n g , af u n c t i o n a lf l a m ed e t e c t i n gs y s t e m s h o u l db ee q u i p e df o rb o i l e ri np o w e rp l a n t s oi t i sn e c e s s a r yt h a te x t r a c tf e a t u r ea n d d e s e r i p t i o nt of l a m ei m a g e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ff l a m ei m a g e , w eh a v ef i n i s h e dt h er e s e a r c h t h a ti sf i tf o rf l a m ei m a g e b e c a u s eo ft h ed i s t u r b a n c eo fe n v i r o n m e n ta n dt h eo t h e r f a c t o r s ，f l a m ei m a g e so fb o i l e rm o n i t o r i n gs y s t e mm a yi n c l u d eal o to fn o i s es i g n a l s i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：a d o p t i n gt h em e d i a nf i l t e ra l g o r i t h ma n d m u l t i i m a g ea v e r a g i n gf i l t e rt or e d u c ei m a g en o i s e s 1 1 l ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so f b o u n d a r yd e t e c t i o na n di m a g ee n h a n c e m e n ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l m a n yi m a g e p r o c e s s i n gm e t h o d sh a v eb e e nd i s c u s s e d s o m ep a r a m e t e r st h a ts h o wt h ef e a t u r e so ft h ef l a m ei m a g eh a v eb e e ng a t h e r e d a n di n v e s t i g a t e d b yt h ec o m p r e h e n s i o na n da n a l y s i st of l a m es t a t e m e n lt h es e v e n f e a t u r e sv a l u e so fv i r t u a lf l a m ea r e a , l l i g ht e m p e r a t u r ef l a m ea r e a , v i r t u a lf l a m e l u m i n a n c e ，b j i g ht e m p e r a t u r ef l a m el u m i n a n c e ，h i g ht e m p e r a t u r ea r e ar a t i o ，e e n t r o i d o f f s e td i s t a n c 它a n df l a m ec i r c u l a r i t ya r ee x t r a c t e d t h ef l a m ei g n i t i o np o i n te x c u r s i o n h a sn oe f f e c to nt h e s ef e a t u r e sv a l u e st h a ta r eu n i v e r s a l t h e r e f o r e , t h ed e g r e eo f d i f f i c u l t yh a sb e e ns i m p l i f i e db yt h ea l g o r i t h m m a n yt e m p e r a t u r em e a s u r i n gt e c h n o l o g i e s h a v eb e e na n a l y z e d t h ef a l s ec o l o r sa n di s o t h e r m a ll i n e so ft h ef l a m et e m p e r a t u r eh a v eb e e n d i s p l a y e d b a s e do nt h er e s e a r c ho fc o a lc o m b u s t i o na n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e , s o m ec o r r e l a t i v ea r i t h m e t i ci n c l u d i n gi m a g ea n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gh a v eb e e n r e a l i s e du s i n gm a t l a b k e yw o r d s ：f l a m ei m a g e ，f e a t u r ee x t r a c t e d ，i m a g ep r o c e s s i n g h 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：岔乏妻 1 9 其1 1 ：研年阳b 长春工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，以燃煤为主的火力发电机组在我国 电力工业中占主导地位。目前国家在环保方面各项指标趋于高标准、严要求、重 治理。同时电力生产企业也要求自身挖掘潜力，降低成本，为安全运行作好准备。 因此，燃煤发电的安全、经济运行，对企业、对环境，有着十分重要的作用。现 在大中型火电厂的发展提倡的是节能、环保，国家对这方面有明确规定，以后将 会要求越来越严格。锅炉的安全经济燃烧是火电厂安全经济运行的根本，而要达 到安全经济燃烧便离不开锅炉燃烧的监测。 在煤粉锅炉的运行过程中，由于燃烧不稳或操作不当等原因导致全部或部分 煤粉燃烧器熄火时，如果继续向燃烧器供粉，煤粉在炉膛内的堆积将会导致爆燃 现象的发生，严重威胁锅炉炉膛设备的安全和寿命。着燃烧器正常工作，由于误 检认为熄火而切断燃料供给，则会产生不必要的经济损失。而且，对于煤粉炉， 燃料是在炉膛三维空间进行悬浮燃烧，其工况是极不稳定的脉动燃烧，整个炉内 的温度场分布也是不均匀的。为确保锅炉安全经济运行，炉内燃烧过程应该保持 稳定和温度场保持均匀，如果达不到上述要求，则易造成以下事故： 1 如果燃烧不稳定，产生脉动和火焰内动，就会引起炉膛压力不稳造成炉 墙局部往外喷火、喷烟，严重时造成灭火放炮，损坏墙体，造成设备损失，危及 人身安全。 2 如果炉内温度场不均匀，如四角喷燃锅炉，由于各燃烧器配风不当或个 别燃烧器工作不正常，造成火焰中心偏向一侧，则整个炉膛温度场也偏移，造成 离火焰中心近的水冷壁过热或者结焦，局部地区管壁温度升高，由于热应力高而 造成爆管，甚至需要停炉而影响生产；而远离火焰中心的水冷壁管会因加热不足， 水循环减慢，造成整个锅炉水循环失去平衡，金属热应力增加，减少锅炉使用寿 命。 3 由于温度场不均匀，必然造成炉内燃烧工况恶化，低温煤粉得到充分燃 烧，煤粉在炉膛内燃尽率降低，势必把未燃尽的煤粉带入尾部受热而造成过热器 的磨损，降低了使用寿命。 4 如果未燃尽煤粉在出炉膛后进行二次燃烧，必然会使过热器过热，造成 过热器管壁热应力增加甚至爆管。 5 炉膛内温度场不均匀可能造成从炉膛出口的烟气温度不均匀，从而造成 过热器受热不均匀，使热应力增加，影响使用寿命。 长春工业大学硕士学位论文 上述情况，严重时都会造成锅炉停炉检修，更换大量金属部件，对于大型锅 炉，一次事故的损失都是在几百万元之上。为了解决上述难题，首先，我们必须 对炉内的火焰参数进行全方位的测量，这种测量必须是快速、准确、全面、连续 不断地在线进行。只有这样，才能判断炉内燃烧复杂的物理化学过程，从而达到 控制燃烧的目的。 电厂锅炉燃烧的稳定性直接影响到电厂的安全和经济运行，为了能及时可靠 地检测到炉内燃烧工况，防止故障的产生，电厂锅炉必须配备功能齐全、性能可 靠的炉膛安全监测系统( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m s ，f s s s ) 。f s s s 系 统是现代大型火电机组锅炉必须具备的监控系统之一，其目的在于连续密切地监 视燃烧系统的状态，并不断进行逻辑判断，以发出必要的动作指令，使燃烧设备 按照合理的程序完成操作，保证锅炉燃烧系统的安全。在发生燃烧器熄火时执行 停送煤粉操作甚至停炉操作，达到保证炉膛安全的目的。而f s s s 运行成功与否， 在很大程度上取决于其前置系统即火焰检测器的性能是否完善。 火焰检测器是炉膛安全监测系统的重要组成部分。目前我国电厂中广泛使用 的火焰检测器属于紫外线型、红外线型、可见光型或上述的组合型火焰检测器。 这类火焰检测器探头对准火焰初始燃烧区，检测着火区火焰亮度和闪烁频率。为 了尽可能减少其它燃烧器火焰和背景火焰的干扰影响，探头的视场角一般限制在 1 0 0 1 3 0 ，仅让火焰初始燃烧区的主要部分进入探头。然而在实际运行过程中是 很难做到探头正对火焰着火区域。因为我国的电厂用煤的来源不固定，使用煤种 的成分也不尽相同，直接影响煤粉火焰的着火区域的位置。此外在不同负荷下， 煤量不同，风量不同，也会影响火焰初始燃烧区的位置。着火区位置的经常漂移 严重影响火焰检测器的检测效果。并且这种火焰检测器只能给出有无火焰的开关 量信号，不能进一步判断火焰燃烧的状况。 对于f s s s 系统重要组成部分的火焰检测系统，一个重要的发展方向是将燃 烧可视化技术和数字图像处理相结合。锅炉图像火焰检测技术是2 0 世纪8 0 年代 出现的一种跨学科技术，是将现代计算机技术、数字图像处理技术与燃烧学等相 结合应用的结果。它将检测燃烧器出口火焰图像特征作为判断火焰o n o f f 的判 据，采用二维火焰图像取代常规火焰检测的亮度、频率测量，运用火焰图像处理、 燃烧可视化研究从火焰图像中获取有用的特征，预报火焰o n o f f ，提供火焰特 征量进行燃烧指导，从原理上克服常规火焰检测由于着火区域漂移导致的弊病。 高温火焰的温度场测量是燃烧领域一个极其重要的问题，它对于燃烧状态的判 断、预测和诊断有着十分重要的意义。近几年，随着电子计算机的高速发展，利 用数字图像处理技术重建温度场成为可能，即利用c c d ( 电荷耦合元件，c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，是利用电荷传送读出方式获得输出的固体摄像器件) 获取视频信 2 长春工业大学硕士学位论文 号，经过图像采集卡量化处理后送入计算机，再由计算机进行相应的处理，最后 获得温度场分布的相关信息。这种测温方法方便、可行，有着非接触测温的所有 优点，以它为核心的火焰图像检测系统正日益成为火焰检测系统发展的主流。 1 2 国内外有关研究现状 1 2 1 传统的电厂火焰检测 在出现内窥式火焰电视之前，为了达到炉内火焰安全监控的目的，锅炉 f s s s 系统中常采用单点的紫外线、红外线或可见光光电元件，利用煤粉着火区 内火焰的亮度或闪烁频率来判断火焰的燃烧情况，为监控处理系统提供判断依 据，进而实现灭火保护。为给监测火焰的光电元件从炉内传输光信号，人们利用 石英光纤既能导光又耐高温的特性来传输火焰信号。一般而言，这种测温装置输 出的是开关量：若燃烧器喷出的燃料在燃烧时则输出“1 ”，灭火时则输出“0 ”。 监视的方法可以有全炉膛监视法和单个燃烧器监视法两种。该装置具有反应快、 延迟很小，能耐高温，方向性好，抗杂散光干扰的能力较强等特点。 但这种单点测量方式存在火检探头视角小、镜头易被烟灰玷污、火检装置参 数整定困难等诸多问题，还存在相邻火焰的串扰现象。另外在使用中发现，火焰 燃烧的闪烁频率是一个随机函数，燃料种类、风煤配比、燃烧方式、燃烧器的几 何尺寸都会影响闪烁频率，而且火焰闪烁频率和强度的定值判断无法适应大范围 的负荷变化，导致这种传统火检装置误报、漏报现象时有发生，可靠性不高，无 法使运行人员真正了解炉内燃烧的真实情况并在此基础上合理组织燃烧。在工业 型c c d 摄像机出现以后，由于其具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠， 对震动和冲击损伤的抵抗力较强等优点，因此迅速在电厂锅炉中以火焰电视 ( f l a m e t v ) 的形式得到应用，为锅炉点火以及运行调整提供了直观的监视功能， 因此，在大容量机组中已经成为必备的火焰监测手段。我国1 9 9 4 年颁布的火 力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定中规定“容量为2 2 0 t h 及以上锅 炉的炉膛安全监控系统必须具有锅炉炉膛压力保护、锅炉火焰监视及灭火保护， 容量为1 0 0 0 t h 及以上的锅炉，宜采用基于单个燃烧器的火焰监视和灭火保护。” 充分说明了我国对炉膛火焰监视对于电厂锅炉安全运行的重要性的认识。 1 2 2 基于数字图像处理的炉膛火焰检测 在火焰电视得到广泛应用的同时，也暴露出一些缺点，它一般仅通过判断火 焰颜色和亮度来保证燃烧火焰不熄灭，不能作为定量判断依据，也不能联入自动 控制系统。因此，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发挥其效能，使火焰监视 由单纯的保证锅炉正常安全运行向提高锅炉运行经济性、降低污染物排放、形成 长春工业大学硕士学位论文 锅炉燃烧在线诊断等更高层次的应用领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重 点内容。近年来，随着多媒体技术的发展及广泛应用，使c c d 摄像机输出的视 频信号能转化为计算机可以处理的数字化图像，意味着原先定性的火焰图像信号 可以进行定量分析了，这样就为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。目前， 越来越多的学者将数字图像处理技术与热辐射原理相结合，用以测量炉膛中的火 焰温度场等参数，并进而用于锅炉的燃烧控制。因此，摄像型火焰检测成为火检 技术发展的主要方向。 日本由于其本国的资源及环保等条件的约束，它最早将图像技术应用到火焰 监测中，开发了多套火焰监测系统。日立研究实验室k u r i h a r a 等最早研制了火焰 图像识别系统( f l a m ei m a g er e c o g n i t i o ns y s t e m ，f i r e s ) ，日立公司1 9 8 5 年问世 的h i a c s 3 0 0 0 系统中应用该技术获得了火焰温度场的分布并进行了燃烧经济性 和n o x 的估算等。随后，该公司的m s h i m o d a 提出了类似于比色法的图像温度 测量方法，并提出了多燃烧器未燃尽碳生成的预测模型，在日本仙台电厂1 7 5 m w 机组上得到实施。为了测量炉内温度场，采用了在c c d 前面加装两块截止波长 分别为6 0 0 n m ，6 5 0 n m 的带通滤光片的方法，通过变换滤光片获得两幅单色图像， 根据比色法的原理来求得燃烧温度的分布【1 1 。 日本三菱公司也开展了这方面的研究，其开发出的光学图像火焰扫描系统 ( o p t i c a li m a g ef l a m es c a n n e r ，o p t i s ) 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，据称该系统能够较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器的 火焰对被检测的火焰信号的干扰，该系统的功能主要为火焰形状识别和火焰稳定 性判断等。我国也曾引进该套系统，如上海宝钢自备电厂，应用效果良好。 继第一代光学图像火焰扫描系统( o p t i s 。d 之后，日本三菱公司又开发了该 燃烧监视系统的第二代产品o p t i s i i 。据称，该系统可定量评价燃烧状况，为锅 炉的低n o x 、低0 2 燃烧提供有效手段。在文献 1 q b 并没有具体介绍其温度分布 测量的原理，但从中可以看到温度分布是该系统评价燃烧状态指标的基本参数， 其测温方法从图中推测可能是类似于比色测温的方法。目前尚未有国内厂家引进 该系统。 其它国家基于相同的原因，也先后开展了类似的研究。芬兰i v o 公司的燃 烧监测与数字分析系统( d i g i t a lm o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fc o m b u s t i o n ，d i m a c ) 于1 9 8 8 年首先用于芬兰r u a h a l a h t i 一个8 0 m w 的泥煤和煤混烧的电厂锅炉。它 采用光学系统将图像传送给炉外的图像传感器，再通过专门开发的图像分析卡来 降低炉膛出口氧浓度，提高燃烧效率，减少辅助燃油量等功能，但文中没有给出 其详细工作机理，另外，这种早期的火焰分析系统还依赖于传统的火检探头给出 的火焰辐射频率和强度信息1 2 】。 4 长春工业大学硕士学位论文 美国于九十年代初由e p r i 的m & d 中心( e l e c t r i c p o w e r r e s e a r c h i n s t i t u t e ， m a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s t i c sc e n t e r ) 牵头，主要由美国五家电力公司参与，开展了 一项利用红外光学法测量电厂燃烧火焰及炉内部件温度的大型研究项目。该项目 历时两年，取得了一定的成果：1 在许多光学生产厂家和红外光学专家的参与 合作下，开发了耐高温的红外镜头( i r h i g h t e m p e r a t u r e l e n s ，i r h t l ) ，并用该镜 头探索了准确测量炉内高温过程及高温部件的可能性。其开发的高温红外光学镜 头，波长范围2 5 1 2 um ，其冷却系统可经受2 5 0 0 下的高温达1 0 分钟，并保证 红外光学摄像系统温度不超过2 0 ；2 从理论上总结了炉内辐射传递过程；3 对燃气及燃煤炉膛进行了红外光谱测量，以发现可用作温度测量的高透过率光谱 窗口，在试验中使用s r - 5 0 0 0 光谱辐射测量仪成功测量了气体和煤粉火焰中碳粒 的温度，并成功测量了气体火焰的光谱透过率；4 通过高温镜头i r h t l 获取了 炉内部件的良好图像，据称该镜头如放在炉膛上部区域，可清晰分辨出镜头对面 相距4 0 英尺水冷壁中的各根管子，该镜头如放在燃烧器后，则可观察到着火点。 在国内，许多科研单位也在火焰图像处理领域中进行了一系列的研究与探 索。清华大学的吴占松首先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究，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，随后开展了非对称火焰三维温度分布重建的研究， 通过在计算中加入内部火焰分布平滑的先验假设，首先给出了非对称火焰的三维 温度分布测量的重构算法。 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 行燃烧工况诊断。该方法比较简单，是一种能在电厂现场实施的二维温度场测量 方法。但是由于所获得的二维图像是三维火焰的投影，使参考点的具体位置难以 确定，给测量带来了困难。他在其后的研究中虽然提出了采用热电偶测温，以此 作为参考点的方法，但使用热电偶作为测温手段，容易引起测温误差以及长时间 工作失效的问题。目前周怀春等正在进行将火焰辐射图像和燃烧过程数值模拟相 结合来重建三维温度场的研究吲。 上海交通大学的徐伟勇等采用传像光纤和数字图像处理技术开展了检测电 厂锅炉燃烧火焰的研究，将火焰亮度及其变化历史趋势作为判断燃烧稳定性的依 据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究。其研究成果已运 用于电厂锅炉的运行中【4 】。 原电力都南京自动化研究院的许柯夫，提出在6 0 0 - - 7 0 0 r i m 波段内，避开炉 壁面辐射的影响，使用中心波长不同的干涉滤光片同时摄取图像，利用比色测温 长春工业大学硕士学位论文 的原理，消去中间介质的影响，不需进行黑体标定，以进行辐射温度的测量。 此外，东南大学王式民等也在从事炉内火焰图像处理的研究工作，并致力于 基于图像处理的温度场测试手段和燃烧诊断技术的开发工作【5 1 。 从目前炉膛火焰图像处理的应用研究情况看，火焰图像处理是一种具有广阔 应用前景的新技术。从第一代的光纤辐射温度计，到第二代火焰监视工业电视及 图像识别系统，研究者们通过努力研究已经取得了可喜的初步成果。然而，由于 燃烧过程的复杂性，研究过程中遗留的问题还很多，特别是对于火焰可视化所要 达到的目标，如火焰温度场的三维重建，至今还没有取得令人满意的结果，这项 技术的研究实际上还刚刚起步。浙江大学热能工程研究所从1 9 9 6 年开始，开展 了火焰图像处理方而的研究土作。通过建立油燃烧火焰、小型煤粉燃烧火焰、煤 粉辐射特性沉降炉等试验台，开展投影温度场、断面温度场、三维温度场及煤粉 辐射特性等一系列的试验研究，并通过理论分析和电厂锅炉火焰测试建立了基于 普通彩色c c d 的火焰可视化测量技术。 1 3 主要研究内容 本课题主要是完成对锅炉火焰图像的特征提取以及描述方法的研究；利用数 字i 虱像处理技术，对火焰图像进行包括去噪，图像增强，边缘提取等预处理。以 往根据所观察火焰的位置和特点，对火焰图像进行的各种各样的特征分析和提 取，如火焰的平均灰度、火焰锋面位置、色度坐标、扩散角、火焰中心和距喷口 的距离等，这些特征都在一定程度上反映了火焰的燃烧状态。但是这些特征大多 要求捕捉到着火点并且计算较复杂。于是对火焰图像提取包含火焰灰度，高温区 域灰度，火焰面积，高温区域面积，高温面积率，质心偏移距离和圆形度等七个 图像特征量，并对它们进行数据分析和参数提取。接着对火焰图像测温方法进行 分析，实现对火焰图像描述方法的研究。 1 4 小结 本章主要阐述了课题的选题背景与意义，并介绍了本课题主要研究内容即利 用数字图像处理技术，对火焰图像进行预处理，特征分析和提取，测温方法进行 分析。最终完成对火焰图像的特征提取以及描述方法的研究。 6 长春工业大学硕士学位论文 第二章数字图像处理基础 2 1 数字图像处理技术概述 2 1 1 数字图像处理的发展和现状 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 ) 。它是将客观世界中实际存在的物体映射成数字化图 像然后在计算机上用数学的方法对数字化图像进行处理，以达到特定的目标，比 如提高图像质量，使图像更清晰，或从图像中提取有效特征，以便进行模式识别 等【 i 。它是利用计算机技术对图像进行加工处理的- - f - i 学科。 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 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，得到了广泛地应用。 到了上世纪6 0 年代中期，数字图像处理已经具备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 年代以后，我国科技工作者开始了大规模地研究。并取得了一 些成就。 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，人们还开展了图像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于图像处理技术。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 理中又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 7 长春工业大学硕士学位论文 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。 2 1 。2 数字图像处理技术的应用 2 0 世纪5 0 年代，当计算机技术发展到一定程度时，图像处理技术随之飞速 发展并形成- - f l 学科。这项技术首先应用于空间技术，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，各个领域的发展对计算机图像处理也提出了更高的要 求。比如：实时处理等。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迅速扩展。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。 图像处理的应用范围十分广泛，按照使用对象不同可以分为以下两类： 第一类供观察者使用。经过光学和电子学系统成像、传输、存储和显示的图 像，总会受到各种干扰而存在畸变和噪声。图像处理的任务之一就是清除这些畸 变和噪声。有时为了突出观察者感兴趣的内容，也需要处理图像。例如医学诊断 中的断层扫描图像，观察对象的各种组织交织在一起，其亮度差异不大时，不易 区分；如果用彩色来表示不同亮度，医生诊断起来就比较容易了。这一类应用领 域包括出版印刷、电影电视、医学诊断、工业检测、航空航天遥感、军事侦察等 等。 第二类供机器使用。在第一类应用中，只需改善图像质量，对图像的分析判 断由观察者完成；而在第二类应用中，除了消除图像中的干扰，还必须提取图像 特征，抽象出目标属性和相互关系，结合先验知识，由机器代替人完成任务所要 求的识别和判断。这种处理的输出可能不再是图像，而是抽象的符号。 可以看出，两类应用是密切相关的。通常把第一类称为图像预处理，把第二 类称为图像后处理或者图像分析。第二类应用的领域有各种目标识别，例如生产 线上的产品分检，文档系统的字符识别，公安系统的照片、指纹识别，生物医学 中的细胞识别，天气预报中的卫星云图自动判读，军事上的多目标识别等。 8 长春工业大学硕士学位论文 2 。2 数字图像的矩阵表示及基本图像类型 2 2 1 数字图像的矩阵表示 图像本身是一种二维连续函数，图像的亮度是其位置的连续函数。然而在计算 机上对l 蛩像进行数值处理时，首先必须对其在空间和亮度上进行数字化。这就是 图像采样和量化过程。 对二维图像进行均匀取样，就可以得到一幅离散化成m x n 样本的数字图 像，该数字图像是一个整数阵列，因而描述该数字图像最直观和最简便的形式就 是矩阵 3 2 1 1 3 3 1 。图像f 可表示为 f = f ( 0 ，o )f ( o ，1 ) f ( o ，n - 1 ) f ( 1 ，0 )f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，n - 1 ) ，( m - i ，0 ) ，( m 一1 ，1 ) f ( m - 1 ，n 一1 ) 其中，f ( f ，力表示位置o ，j ) 处的亮度值。 数字图像也可以用向量表示，形式为 v = f o 彳无一。r 其中石叫，( f ，o ) f ( i ，1 ) f c i ，n - 1 ) 】 2 2 2 基本图像类型 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图像类型是指数组数值与像素颜色之间的关系。在计算机图像处理技术中常 用的图像类型【m 1 2 1 有二进制图像、灰度图像、索引图像和真彩色r g b 图像四种 类型。 ( 1 ) 二进制图像 在一幅二进制图像的二维矩阵中，每一个像素仅仅由0 ，1 这两个值构成，“0 ” 代表黑色，“1 ”代表白色。由于每一像素取值仅有0 ，l 两种可能，所以计算机 中二进制图像的数据类型通常为1 个二进制位。 ( 2 ) 灰度图像 灰度图像实际上是一个数据矩阵，该矩阵的每一个元素对应于图像的一个像 素点，元素的数值代表一定范围内的灰度级。元素的取值范围通常为 0 ，2 5 5 ， 因此其数据类型一般为8 位无符号整型，这就是2 5 6 灰度图像。“0 ”表示黑色， “2 5 5 ”表示白色，中间的数字从4 , n 大表示由黑到白的过渡色。灰度图像也可 以用双精度数据类型表示，像素的值域为 0 ，1 ，“0 ”代表黑色，“1 ”代表白色， 9 长春工业大学硕士学位论文 “0 ”到“1 ”之间的小数表示不同的灰度等级。二进制图像可以看成是灰度图像 的一个特例。 ( 3 ) 索引图像 索引图像的文件结构比较复杂，除了存放图像的二维矩阵外，还包括一个称 之为颜色索引矩阵m a p 的二维数组。m a p 的大小由存放图像的矩阵元素的值域 决定，如矩阵元素值域为 0 ，2 5 5 】，则m a p 矩阵的大小为2 5 6 x 3 ，用m a p = e r g b 】 表示。m a p 中每一行的三个元素分别指定该行对应颜色的红、绿、蓝单色值， m a p 中每一行对应图像矩阵像素的一个灰度值，如某一像素的灰度值为6 4 ，则 该像素就与m a p 中的第“行建立了映射关系，该像素在屏幕上的实际颜色由 第6 4 行的 r g b 组合决定。也就是说，图像在屏幕上显示时，每一像素的颜色 由存放在矩阵中该像素的灰度值作为索引通过检索颜色索引矩阵m a p 得到。索 引图像的数据类型一般为u i n t 8 ，相应索引矩阵m a p 的大小为2 5 6 x 3 ，因此一 般索引图像的数据类型也可采用双精度浮点型。索引图像一般用于存放色彩要求 比较简单的图像，如果图像的色彩比较复杂，就要用到r g b 真彩色图像。 ( 4 ) r g b 彩色图像 r g b 图像与索引图像一样都可以用来表示彩色图像。与索引图像一样，它 分别用红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) - - 原色的组合来表示每个像素的颜色。但与索引图像 不同的是，r g b 图像每一个像素的颜色值( 由r g b 三原色表示) 直接存放在图像 矩阵中，由于每一像素的颜色需由gb 三个分量来表示，因此r g b 图像的图 像矩阵与其它类型不同，是一个三维矩阵，可用m x n x 3 表示，m 。n 分别表示 图像的行列数，三个m x n 的二维矩阵分别表示各个像素的rgb 三个颜色分 量。r g b 图像的数据类型一般为u i n t 8 ，通常用于表示和存放真彩色图像，当然 也可以存放灰度图像。 虽然索引图像和r g b 图像都可以存放彩色图像，但由于数据结构不同，两 者之间的差别还是比较大的。由于索引图像所表示的颜色数量是由索引矩阵 m a p 的大小决定的，而m a p 的大小又由像素灰度值的值域决定，所以在8 位无 符号整型数据的情况下，索引图像只能表示2 5 6 种颜色；而r g b 图像则将每一 像素的颜色限，g ，b 三个分量) 直接存放在一个三维的图像矩阵中，因此其所表 示的颜色理论上可多达2 2 4 ( 2 8 x 2 8 2 8 ) 种颜色，远远多于索引图像的2 5 6 种颜色， 而且像素的颜色直接存放在图像矩阵中，在读取数据时不需要像索引图像一样需 要经过检索索引矩阵，所以r g b 图像的显示速度很快。当然索引图像也有一定 的优势，首先，其所占用的存储空间远远小于r g b 图像，因此在对图像颜色要 求不高的情况下，一般就用索引图像存放彩色图像。其次，由于索引图像的颜色 值存放在索引矩阵m a p 中，在修改图像的颜色时直接修改索引矩阵即可，而不 1 0 长春工业大学硕士学位论文 需要修改图像矩阵，因此在比较选择不同的图像处理方案时，索引图像显得非常 方便。 综上所述，可以看出在图像的四种基本类型中，随着图像所表示的颜色类型 的增加，图像所需的存储空间逐渐增加。二进制图像仅能表示黑、白两种颜色， 但所需的存储空间最少；灰度图像可以表示由黑到白渐变的2 5 6 个灰度级，每个 像素需要一个字节( 8 b i t s ) 存储空间，索引图像可以表示2 5 6 种颜色，与灰度图像 一样，每个像素需要一个字节存储，为了表示2 5 6 种颜色，还需要一个颜色索引 矩阵( 2 5 6 x 3 ) ，r g b 图像可以表示2 2 4 种颜色，相应的每个像素需要3 个字节的 存储空间，是灰度和索引图像的3 倍。 2 3 小结 本章主要介绍了数字图像处理技术，其矩阵表示及基本图像类型，为后面的 火焰图像分析做理论准备。 长春工业大学硕士学位论文 第三章火焰图像预处理 由光学成像系统生成的二维图像，可能受到各种噪声源的干扰，如传感器噪 声、信道传输误差等。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进行去除和修正。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，为后面的算法做准备。 3 1 火焰图像去噪 一幅图像可能受到各种噪声源的干扰而产生寄生效应，这些寄生效应可能是 传感器产生、信道传输过程中产生，也可能在量化等处理过程中产生。由c c d 摄取经图像采集卡量化后的图像数字矩阵的噪声主要来自抽样系统。一般来说， 这些噪声表现为孤立象素的离散性变化，不是空间相关的，因此为了从火焰图像 中更准确地认识燃烧火焰的特性，获得良好得视觉效果和检测效果，有必要清除 噪声。一个较好的平滑方法应该是既能消掉寄生效应又不使图像的边缘轮廓和线 条变模糊，这是研究图象平滑处理的主要目标。图像的平滑处理方法有空域法和 频域法两大类，主要有多图象平均法，低通滤波法和邻域平均法等等。 3 1 1 多图像平均法 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。多图像平均法不仅是不稳定图像的 时间平均，而且是一种消除噪声的有效手段【1 3 】。 设一幅有噪声的图像i ( x ，y ) ，假定每一对坐标0 ，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厂0 ，力和噪声l l ( x ，j ，) 迭加而 成，即： i ( x ，j ，) = f ( x ，j ，) + no ，y )( 3 1 ) 对噪声图像进行n 次观测，得图像 ，力，然后求其平均值，便得到一幅 长春工业大学硕士学位论文 ( 3 2 ) 其中，是j 时刻的瞬时采集图像，i t ( x ，y ) 是t 时刻平均图像，w ，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i 。的数学期望值为： e _ ( 囊y ) = 厂( x ，力( 3 3 ) 平均图像在所有坐标o ，y ) 上的方差疃忆，) 为： o ；( x y ) - - - - 专( 训) ( 3 4 ) 即平均图像i t ( x ，y ) 在所有坐标 ，力上的方差等于噪声r i ，y ) 的专，平均 图像中任何点的标准差为： 勺( 圳2 亩)