張吉璇

（中國飛行試驗研究院測試所 西安 710089）

1 引言

對煉鋼爐吹煉階段的判斷有多種方式，煉鋼工人有的通過觀察火焰的顏色、高度、外沖度、煉鋼爐內(nèi)聲音判斷，有的通過觀察火花的形狀、擺動幅度來判斷爐內(nèi)溫度，從而斷定吹煉階段。近年來，通過圖像處理技術(shù)，深入研究了煉鋼爐火焰圖像的特征，對煉鋼爐不同吹煉階段的火焰圖像紋理復(fù)雜度、顏色等進行圖像理解，發(fā)現(xiàn)吹煉前期火焰圖像紋理復(fù)雜度不高；中期紋理粗糙度和復(fù)雜度都較高；后期爐內(nèi)火焰持續(xù)收縮，顏色呈單一的亮白色，紋理特征最為簡單［1］。

通過機器視覺利用圖像處理的技術(shù)來理解煉鋼爐不同吹煉時期的火焰圖像［2］，可以準確客觀地判斷吹煉階段，減少人為因素造成的主觀影響，提高工作效率及判斷準確實時性。圖1 為吹煉階段判斷圖像理解流程圖。

圖1 Harris算法流程圖

2 圖像邊緣輪廓提取

首先對火焰圖像進行預(yù)處理，在進行基礎(chǔ)的灰度化后，針對火焰圖像在不同階段紋理度的不同，對煉鋼爐火焰圖像做邊緣輪廓提取處理，紋理粗糙及復(fù)雜的中期火焰圖像，其邊緣輪廓圖紋理較復(fù)雜，紋理簡單的前期、后期火焰圖像，其邊緣輪廓圖紋理較簡單。

火焰輪廓邊緣具有幅值、方向兩個屬性，是不同區(qū)域的分界線，圖像中像素值有明顯變化或其灰度有明顯的變化時，會被標識出來。目前圖像邊緣輪廓提取算法有很多，包括：Kirsch，Prewitt，Roberts Cross、Sobel［3］、Canny和Laplacian算子等。邊緣檢測主要有兩種計算原理，一種是通過計算多個局部方向的梯度值，尋找最大的梯度方向，計算圖像邊緣強度，一種是通過使用拉普拉斯算子或者非線性微分方程計算圖像二階導(dǎo)數(shù)的零交叉點來標識邊緣［4］。

上述多種算法中，經(jīng)過多次實驗驗證，Canny算子能在鋼爐火焰圖像的處理上達到很好的效果。Canny 算子在1986 年即被首次提出［5］并應(yīng)用廣泛至今，如圖2所示，為應(yīng)用Canny算子對煉鋼爐吹煉前期、中期以及后期火焰圖像進行邊緣輪廓提取后的效果圖。

圖2 應(yīng)用Canny算子對不同吹煉階段圖像進行邊緣輪廓提取圖

從圖2可以驗證以下幾點：

1）將Canny 算子應(yīng)用在煉鋼爐口火焰圖像邊緣提取中，可以保證其最大優(yōu)勢，對于每個邊緣點均有對應(yīng)的相應(yīng)［6~8］，提高了圖像的信噪比，能更清晰地提取出圖像的每個真實像素邊緣［9］；

2）驗證圖像邊緣輪廓提取算法的重要性。根據(jù)吹煉前期、中期、后期火焰圖像的紋理特征復(fù)雜度，可以通過邊緣輪廓提取后的效果圖初步進行判斷，且效果明顯。

3 圖像角點提取

圖像處理算法中，角點檢測算法也有大量研究基礎(chǔ)，包括Moravec、FAST、Harris 和shi_tomas 角點檢測法等。經(jīng)過大量實驗驗證，選擇Harris 算法［10］進行煉鋼爐爐口火焰圖像角點提取十分適用。具體算法流程圖如圖3所示［11］。

圖3 火焰圖像Harris算法流程圖

火焰圖像具有非結(jié)構(gòu)紋理特點，角點結(jié)構(gòu)復(fù)雜［12~13］，在適用Harris角點檢測算法時，能夠最大限度提升火焰邊緣形狀多個角點檢測的魯棒性，加上Harris 算法較為成熟，算法運行速度較快，對吹煉階段實時性判斷的影響幾乎為0，抗干擾能力強［14~15］。如圖4 所示，為本文第二節(jié)邊緣輪廓提取后，再進行Harris角點檢測后的效果圖。

圖4 應(yīng)用Harris算法對吹煉前期、中期及后期火焰圖像進行角點提取效果圖

4 實驗結(jié)果分析

將拍攝的三段煉鋼爐爐口火焰視頻中每一幀圖像進行邊緣輪廓提取、角點提取處理，如圖5 所示，為前期、中期和后期吹煉階段的角點數(shù)折線圖。

可從圖5 明顯看出，吹煉前期圖像角點數(shù)大約在140 個~200 個，吹煉中期角點數(shù)大約在205 個~301個，吹煉后期火焰圖像角點數(shù)大約在32個~139個。從而驗證了不同吹煉階段火焰圖像紋理特征復(fù)雜度對角點的影響極大，導(dǎo)致不同吹煉階段火焰圖像角點數(shù)有明顯區(qū)域特征，可以通過邊緣提取預(yù)判斷、角點提取閾值準確判斷吹煉階段。

圖5 不同吹煉階段角點數(shù)統(tǒng)計折線圖

5 結(jié)語

本文針對煉鋼爐吹煉階段判斷主觀問題，提出了基于圖像理解的吹煉階段判斷模型新方法，首先對煉鋼爐爐口火焰圖像進行Canny 算子圖像邊緣輪廓提取，然后進行Harris 角點提取，通過對不同階段角點數(shù)目的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)處于不同吹煉時期的火焰圖像，其邊緣輪廓圖像有明顯紋理特征、角點數(shù)目有明顯閾值，能夠利用此特點快速準確地判斷出煉鋼爐目前的吹煉階段，實時提供吹煉階段的判斷，減少了人為主觀判斷的影響，提高了判斷實時性與準確性。