董殿敏，劉 克，劉祎冉

(中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司, 河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著高溫材料的研究與發(fā)展，對(duì)高溫材料熔融過程的測(cè)量要求越來越直觀化、精細(xì)化、智能化、非接觸化。以往的間接式測(cè)量方式只能獲取簡(jiǎn)單的單一信息，且會(huì)對(duì)被測(cè)物造成一定的破壞，不能反應(yīng)真實(shí)的熔融過程。如何滿足熔融過程測(cè)量的準(zhǔn)確性、直觀性、智能化及非接觸性，寄希望于機(jī)器視覺。

機(jī)器視覺技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備精密控制、智能化、自動(dòng)化的有效途徑和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)性技術(shù)之一。與人類視覺相比，機(jī)器視覺是用機(jī)器代替人眼，其功能范圍不僅包括對(duì)信息的接受，同時(shí)還延伸至對(duì)信息的處理與判斷。目前中國的機(jī)器視覺行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，是世界機(jī)器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一。

耐火度指材料在無荷重的條件下抵抗高溫而不熔化的特性，反映了耐火材料抵抗高溫作用的性能，是耐火材料最重要的參數(shù)之一[1]。

耐火材料耐火度產(chǎn)生過程是典型的熔融過程，將機(jī)器視覺應(yīng)用到耐火度的測(cè)量中，解決該領(lǐng)域遇到的現(xiàn)實(shí)問題，是機(jī)器視覺在高溫場(chǎng)合應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。通過機(jī)器視覺在耐火度測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用，為熔融過程的視覺測(cè)量提供理論研究基礎(chǔ)和案例參考。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 影像式耐火度系統(tǒng)介紹

耐火度測(cè)試系統(tǒng)主要由電控系統(tǒng)、加熱爐體和攝像系統(tǒng)3部分組成[2]。電控系統(tǒng)包括電控柜、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。加熱爐體由保溫材料、測(cè)溫試錐及錐盤、剛玉支撐棒和發(fā)熱體組成。觀測(cè)系統(tǒng)則由攝像機(jī)、視頻轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 耐火度測(cè)試系統(tǒng)示意圖

測(cè)溫錐具有特定的組成和規(guī)定形狀與尺寸的帶邊棱的截頭斜三角錐，如圖2所示。將耐火材料的試驗(yàn)錐與已知耐火度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫錐一起栽在錐臺(tái)上，在規(guī)定的條件下加熱并比較試驗(yàn)錐與標(biāo)準(zhǔn)錐的彎倒情況來表示試驗(yàn)錐的耐火度[1]。

圖2 測(cè)溫錐示意圖

1.2 耐火度機(jī)器視覺系統(tǒng)模型

高溫環(huán)境下，耐火度爐膛內(nèi)高溫?zé)彷椛浒l(fā)出強(qiáng)烈的黃白光，形成近乎曝光的亮場(chǎng)。爐膛內(nèi)物體如爐襯、測(cè)溫錐、錐盤等改變?cè)瓉眍伾?，產(chǎn)生相同的光譜。相同光譜的物體成像混沌一團(tuán)，很難區(qū)分出個(gè)體。

如何保證成像的清晰度，本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)器視覺系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分，圖像采集部分、爐體加熱及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分與工控機(jī)核心處理部分， 如圖3所示。

圖3 耐火度機(jī)器視覺系統(tǒng)模型

在攝像機(jī)與爐體之間留有圓形觀察孔，觀察孔中放置濾光片，可濾掉一部分強(qiáng)光?？紤]到耐火度爐膛內(nèi)的溫度區(qū)域呈一定的階梯分布，測(cè)溫錐和錐盤一般在高溫區(qū)亮場(chǎng)，背景爐襯一般在低溫區(qū)。背景爐襯和測(cè)溫錐的距離越遠(yuǎn)形成的低溫區(qū)與明顯，于是在背景爐襯開一個(gè)口徑逐漸變小的圓形口，通向外界環(huán)境，這樣在不影響爐體結(jié)構(gòu)的情況下，人為加一個(gè)階梯降溫的小冷卻機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生不同的熱輻射區(qū)域，形成一個(gè)相對(duì)于測(cè)溫錐的暗場(chǎng)區(qū)。測(cè)溫錐及錐盤放置在爐體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，使錐體受熱均勻，保證測(cè)溫錐彎倒均勻。

2 硬件設(shè)計(jì)

影像式耐火度檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由可二次開發(fā)的工業(yè)攝像機(jī)、工控機(jī)、工業(yè)無線路由和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。

2.1 攝像機(jī)選型

耐火度高溫場(chǎng)爐膛的黃白光強(qiáng)烈，對(duì)攝像機(jī)的要求極高。既要考慮響應(yīng)時(shí)間、曝光率等，又要考慮成像仰角問題。因此系統(tǒng)選擇千兆網(wǎng)傳輸接口，保證采集速率；選擇微秒級(jí)曝光率，500萬級(jí)高像素，毫秒級(jí)幀率，保證圖形采集質(zhì)量和速率；選擇18°低仰角，視距約700 mm，視域范圍約4 mm*4 mm，降低圖像采集失真情況。

2.2 工控機(jī)和網(wǎng)卡選型

工控機(jī)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的主控制器，主要負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)、分析處理圖像和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，所選工控機(jī)的處理器為Windows10操作系統(tǒng)， InterCorei7 處理器，能夠快速地處理圖形運(yùn)算工作。網(wǎng)絡(luò)傳輸連線選用千兆網(wǎng)卡、6代網(wǎng)線，保證系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹及試驗(yàn)錐機(jī)器定位

根據(jù)GB/T 7322-2017規(guī)定[1]，為了減小試驗(yàn)錐受熱的不均勻，錐盤需不停旋轉(zhuǎn)，因此需要一套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來支撐錐盤，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)剛玉支撐棒旋轉(zhuǎn)，支撐棒上方放置錐盤、錐體。

在旋轉(zhuǎn)過程中，很難區(qū)分每個(gè)錐體。于是在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上與測(cè)溫錐相對(duì)應(yīng)的位置安裝電磁開關(guān)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于影像觀察口的正左方安裝起始感應(yīng)磁片如圖4所示。當(dāng)測(cè)溫錐旋轉(zhuǎn)到觀察口正左方，可檢測(cè)到起始感應(yīng)磁片信號(hào)，該信號(hào)編為1號(hào)錐。1號(hào)測(cè)溫錐后面感應(yīng)磁片信號(hào)為2號(hào)錐，以此類推，可對(duì)測(cè)溫錐進(jìn)行自動(dòng)編號(hào)。

圖4 錐體編號(hào)機(jī)構(gòu)

通過電磁感應(yīng)開關(guān)對(duì)測(cè)溫錐進(jìn)行的編號(hào)，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部編號(hào)。若將計(jì)算機(jī)內(nèi)部編號(hào)轉(zhuǎn)化成客戶自定義的錐體編號(hào)，還需要確認(rèn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向、計(jì)算機(jī)內(nèi)部編號(hào)與客戶自定義的錐體編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向，一般通過電機(jī)的方向開關(guān)可切換。但是如何確定客戶自定義的錐體編號(hào)和內(nèi)部編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要借助一定的計(jì)算機(jī)配置方法。

如圖5所示，磁性開關(guān)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定。起始位于1號(hào)錐的位置，有特殊的起始感應(yīng)開關(guān)信號(hào)確定，若旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，則計(jì)算機(jī)內(nèi)部編號(hào)為圖5三角形內(nèi)部的數(shù)字序號(hào)。長(zhǎng)方體內(nèi)的序號(hào)為客戶自定義的錐體序號(hào)，其與計(jì)算機(jī)內(nèi)部信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：1->120、2->130、3->140、4->150、5->180、6->170。

通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，將用戶自定義編號(hào)、計(jì)算機(jī)內(nèi)部編號(hào)與感應(yīng)磁片對(duì)應(yīng)起來，形成一個(gè)從機(jī)械定位->軟件編號(hào)->用戶編號(hào)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 錐體定位示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件是基于Windows系統(tǒng)下的VS2016平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。由于選用的是可二次開發(fā)的工業(yè)相機(jī)，相機(jī)本身帶有一定的圖像處理能力，比如自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光、圖像銳化等功能，因此調(diào)用相機(jī)提供的API，完成初步的圖像處理。

初步處理的圖像通過千兆網(wǎng)傳輸給工控機(jī)，在工控機(jī)上呈現(xiàn)的效果如圖6所示。

圖6 耐火度高溫場(chǎng)圖像

圖中明亮的三角錐體為測(cè)溫錐，6個(gè)測(cè)溫錐按照一定角度均勻排列在錐盤上，錐體底部為錐盤，稍暗的背景為爐襯。

3.1 圖像分析

圖像分析是利用數(shù)學(xué)模型并結(jié)合圖像處理的技術(shù)來分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而提取具有一定智能性的信息[3]。

一般可按照四個(gè)步驟來進(jìn)行圖像分析：①圖像采集，把實(shí)際物、景轉(zhuǎn)換為二維平面圖像，便于計(jì)算機(jī)處理；②圖像分割，根據(jù)灰度、彩色、空間紋理、幾何形狀等特征把圖像劃分成若干個(gè)互不相交的區(qū)域，使得這些特征在同一區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出一致性或相似性；③圖像識(shí)別，將圖像分割出來的物體給以相應(yīng)的描述；④圖像解釋，用啟發(fā)式方法或人機(jī)交互技術(shù)結(jié)合識(shí)別方法建立物、景的分級(jí)構(gòu)造。

圖像分割是圖像分析的關(guān)鍵步驟，圖像分割算法可分為像點(diǎn)技術(shù)和區(qū)域技術(shù)兩類。像點(diǎn)技術(shù)是用閾值方法對(duì)各個(gè)像點(diǎn)進(jìn)行分類。區(qū)域技術(shù)是利用紋理、局部地區(qū)灰度對(duì)比度等特征檢出邊界、線條、區(qū)域等，并用區(qū)域生長(zhǎng)、合并、分解等技術(shù)求出圖像的各個(gè)組成成分[5]。

如圖6所示，測(cè)試場(chǎng)景中除了有效信息外，還有很多干擾信息，首先將圖像二值化，然后利用基于閾值的圖像分割方法，將有效信息提取出來。

3.1.1 圖像二值化處理

首先對(duì)圖片進(jìn)行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)換成為灰度圖像的過程稱為圖像的灰度化處理[4]。一般彩色圖像的灰度化處理有四種方法：分量法、最大值法、平均值法、加權(quán)平均法。本文采用加權(quán)平均法，由于人眼對(duì)綠色的敏感最高，對(duì)藍(lán)色敏感最低，因此，圖像按公式(1)對(duì)RGB三分量進(jìn)行加權(quán)平均能得到較合理的灰度圖像:

f(x,y)=0.30*R(x,y)+0.59*G(x,y)+

0.11*B(x,y)

(1)

其中:f(x,y)為灰度值，R(x,y)為紅色分量值，G(x,y)為綠色分量值，B(x,y)為藍(lán)色分量值。由于灰度圖色彩信息不復(fù)雜，可采用基于閾值的圖像分割法。

3.1.2 基于閾值的圖像分割

基于閾值的分割方法適用于目標(biāo)和背景的灰度差較大，圖像由明、暗兩種不同灰度級(jí)的區(qū)域組成。將灰度圖進(jìn)行灰度直方圖分析，可見有明顯的兩個(gè)波峰(P1、P2)及一個(gè)波谷(T)如圖7所示。有效信息只有一組，故可選擇單閾值T將亮暗峰區(qū)分開。單閾值圖像分割效率快，計(jì)算簡(jiǎn)單，適合圖像的實(shí)時(shí)分析。

圖7 灰度直方圖

單閾值分割可按照公式(2)進(jìn)行：

(2)

其中:g(x,y)為分割后x,y像素的特征值，f(x,y)為像素的灰度值，T為分割閾值。經(jīng)過單閾值分割后為色彩信息單一的二值圖，如圖8所示。

圖8 二值圖

經(jīng)過圖像的二值化處理以后，背景已全部剔除，有效信息的輪廓抽離出來。

3.2 圖像識(shí)別及解釋

錐盤是固定錐體的圓盤，其材質(zhì)為耐火材料，在高溫下錐盤與錐體呈相近顏色，錐盤上表面的位置即是錐體根部位置。

因此若能將錐體形狀完整提取出來，則錐盤上表面與錐尖的識(shí)別就輕而易舉。如圖9所示，錐盤上表面位置在Y1處，1號(hào)測(cè)溫錐的錐尖位置在Y2處，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錐尖位置Y2，當(dāng)Y2-Y1=0 時(shí)即為1號(hào)試驗(yàn)錐的彎倒溫度。

圖9 錐盤及錐體標(biāo)識(shí)

為了正確的識(shí)別錐盤上表面位置Y1及錐尖位置Y2，本文改進(jìn)了連通區(qū)域標(biāo)記算法，使連通區(qū)域的邊緣點(diǎn)具有方向性記憶，可將錐體形狀完整的提取出來。

3.2.1 帶方向記憶的連通區(qū)域標(biāo)記法

連通區(qū)域指的是從區(qū)域內(nèi)每一象素出發(fā)，可通過八個(gè)方向，即上、下、左、右、左上、右上、左下、右下這八個(gè)方向的移動(dòng)的組合，在不越出區(qū)域的前提下，到達(dá)區(qū)域內(nèi)的任意象素。

帶方向記憶的連通區(qū)域標(biāo)記算法，不單記錄邊緣點(diǎn)的位置信息，還記錄邊緣點(diǎn)相對(duì)于內(nèi)部點(diǎn)的方向信息。算法實(shí)現(xiàn)過程為假定C點(diǎn)為初始檢測(cè)點(diǎn)，與C點(diǎn)相鄰的 8個(gè)區(qū)域皆與C點(diǎn)有相同的屬性，則認(rèn)為C點(diǎn)不是邊緣，反之則為邊緣，記錄邊緣點(diǎn)信息P(x,y,左/右)。C點(diǎn)掃描完成后，掃描C相鄰點(diǎn)，以此類推，直到圖片中所有像素點(diǎn)均掃描一遍，即可確定邊緣點(diǎn)集合L，將邊緣點(diǎn)集合L連接起來即為連通的區(qū)域。對(duì)于孤立點(diǎn)P，根據(jù)特定情況，可剔除掉。

3.2.2 圖像實(shí)時(shí)跟蹤

將二值圖進(jìn)行連通區(qū)域算法處理后，得到左側(cè)邊緣點(diǎn)集合LL=[PL1{x1,y1,左}，PL2{x1,y1,左}，PL3{x1,y1,左}……]，右側(cè)邊緣點(diǎn)集合LR=[PR1{x1,y1,右}，PR2{x1,y1,右}，PR3{x1,y1, 右}……]。根據(jù)1.3所講的旋轉(zhuǎn)錐盤機(jī)器定位方法，選用左側(cè)邊緣點(diǎn)集合有效或者右側(cè)邊緣點(diǎn)集合有效。以左側(cè)邊緣點(diǎn)集合有效為例，集合內(nèi)最左上的點(diǎn)為錐尖位置Y2，最右下的點(diǎn)為錐體根部即錐盤上表面Y1,如圖10所示。

圖10 連通區(qū)域邊緣連線

實(shí)時(shí)跟蹤錐尖Y2的和錐盤Y1，跟蹤過程即是測(cè)溫錐彎倒過程。如圖11所示，測(cè)溫錐從(a)到(b)的變化過程可實(shí)時(shí)完整的記錄下來。

圖11 試驗(yàn)錐實(shí)時(shí)跟蹤過程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

首先5次不同溫度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫錐的試驗(yàn)結(jié)果，來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 試驗(yàn)結(jié)果誤差分析

從圖12(a)可看出不同耐火度標(biāo)準(zhǔn)錐的5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差為5 ℃，最小誤差為1 ℃，圖12(b)可看出相同耐火度標(biāo)準(zhǔn)錐的5次試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為4 ℃，最小誤差為-3 ℃。

5 結(jié)束語

在耐火度測(cè)試系統(tǒng)中，機(jī)器視覺的引入解決了人工視覺直接觀察高溫場(chǎng)帶來的不便和危害，將操作員從漫長(zhǎng)的試驗(yàn)中徹底解放出來。同時(shí)應(yīng)用圖像分析技術(shù)，對(duì)耐火度圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別及解釋，使耐火度的試驗(yàn)過程更智能、更方便。

本文將機(jī)器視覺引入到耐火材料檢測(cè)行業(yè)，可實(shí)現(xiàn)高溫場(chǎng)景下圖像的捕捉、記錄、分析，改變了該行業(yè)傳統(tǒng)的間接測(cè)量方式，該技術(shù)的應(yīng)用為高溫圖像分析提供了理論研究基礎(chǔ)和案例參考，為耐火材料的研究和發(fā)展提供了極大的幫助。