摘 要：自來(lái)水廠(chǎng)的混凝劑投加工藝，通常是根據(jù)人工觀察判斷絮凝效果。鑒于此，對(duì)礬花圖像拍攝裝置展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一套可全天候拍攝、自主控制、自適應(yīng)光源亮度調(diào)節(jié)且成像清晰的礬花圖像拍攝裝置。介紹了拍攝裝置的硬件設(shè)計(jì)，如相機(jī)鏡頭、機(jī)械裝置、光源、控制板設(shè)計(jì)；軟件開(kāi)發(fā)，如微處理器控制程序、相機(jī)控制程序和人機(jī)界面。最后對(duì)該項(xiàng)目的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)拍攝裝置的測(cè)試效果進(jìn)行了圖片展示。

關(guān)鍵詞：混凝劑；礬花圖像；拍攝裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TH69" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0045-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.010

0" " 引言

在水處理工藝中，混凝劑投加是極其重要且耗時(shí)的環(huán)節(jié)，它直接影響水處理的最終結(jié)果?；炷恋砉に囀侵竿屑尤脒m量的混凝劑使細(xì)小顆粒聚集成具有良好沉降特性的絮凝體（水處理行業(yè)一般稱(chēng)為“礬花”），并使其從水中分離的過(guò)程。

在常規(guī)的水處理工藝中，混凝沉淀工藝是一個(gè)多參數(shù)、非線(xiàn)性且大時(shí)滯的過(guò)程。目前，大多數(shù)水廠(chǎng)仍根據(jù)原水濁度、流量的變化，依靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定藥耗值，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)混凝劑的自動(dòng)投加。但投加效果的好壞和投加量是否適宜依舊是在人工觀察絮體狀態(tài)后憑經(jīng)驗(yàn)判斷，尚不能做到定量測(cè)定和精準(zhǔn)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工經(jīng)驗(yàn)差異及難以應(yīng)對(duì)混凝效果影響因素突變的缺點(diǎn)依然較為明顯。部分水廠(chǎng)在混凝沉淀工藝的混凝劑投加控制中已應(yīng)用礬花圖像識(shí)別處理技術(shù)，但該類(lèi)水廠(chǎng)多以水庫(kù)水為水源，原水水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定，對(duì)以江河水為水源的大型水廠(chǎng)參考意義不大。研究表明，在一定沉淀?xiàng)l件下，沉淀池出水濁度與原水投加混凝劑后形成的礬花特征密切相關(guān)。因此，使用礬花圖像特征作為混凝劑投加量的決策值可使控制的滯后時(shí)間大大縮短。研究開(kāi)發(fā)一套成本較低、使用方便且可長(zhǎng)時(shí)間獲取水下清晰礬花圖像的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于改進(jìn)混凝劑投加控制系統(tǒng)具有重要意義。

南方某大型水廠(chǎng)研究設(shè)計(jì)了一套可全天候拍攝、自主控制、自適應(yīng)光源亮度調(diào)節(jié)且成像清晰的礬花圖像拍攝裝置系統(tǒng)并進(jìn)行試運(yùn)行，為該水廠(chǎng)研究基于圖像識(shí)別的多參數(shù)混凝劑智能投加關(guān)鍵技術(shù)提供了優(yōu)質(zhì)的圖像資源，可助力實(shí)現(xiàn)大型水廠(chǎng)混凝劑智能投加的精準(zhǔn)控制。

1" " 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目總體需求是設(shè)計(jì)可全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)采集和傳輸?shù)\花圖像的拍攝裝置系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有良好的防水密封性，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行水下采集，并且成像清晰，提供人工設(shè)置調(diào)整參數(shù)功能。系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境是露天的水下測(cè)量環(huán)境，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要考慮防水和環(huán)境光干擾的問(wèn)題。在長(zhǎng)時(shí)間水下工作后，采樣透視窗口容易被污染，從而影響圖像的質(zhì)量，因此系統(tǒng)需要具備清潔功能。在補(bǔ)光不足時(shí)水體渾濁會(huì)導(dǎo)致水下環(huán)境的光照低，因此采集到的水下圖像需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理來(lái)保證清晰度和亮度。系統(tǒng)采集的圖像必須實(shí)時(shí)顯示，而且設(shè)備參數(shù)在調(diào)試階段需不斷調(diào)整，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)界面。

項(xiàng)目總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款可全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)采集和傳輸?shù)\花圖像的拍攝裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，借助水廠(chǎng)內(nèi)局域網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由交換機(jī)傳至廠(chǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)端，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

礬花圖像拍攝裝置系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。按照功能需求分析可知，硬件部分由上位機(jī)顯示、拍攝裝置、外殼及支架這三大部分組成，而軟件部分則由嵌入式微處理器控制程序、相機(jī)控制程序以及人機(jī)界面這三部分組成。系統(tǒng)整體示意圖如圖2和圖3所示。

2" " 硬件設(shè)計(jì)

2.1" " 鏡頭選擇

由于圖像拍攝設(shè)備需要放置于流動(dòng)的水下環(huán)境，所以處于流動(dòng)狀態(tài)的礬花顆粒與鏡頭的距離并不是固定的。在理想情況下，希望出現(xiàn)在視野內(nèi)的礬花顆粒都能被拍攝清楚，但由于在鏡頭參數(shù)固定的情況下鏡頭具有固定的成像范圍，即在對(duì)焦點(diǎn)附近的礬花才能被拍攝清楚，距離以外的礬花均為模糊，所以不管是定焦鏡頭還是變焦鏡頭，在無(wú)人為操作的情況下，都只能拍攝清楚一定距離范圍內(nèi)的物體。為了能將距離較近的礬花拍攝清楚，在選擇焦距時(shí)應(yīng)該考慮短焦距鏡頭。

畸變是工業(yè)相機(jī)鏡頭的固有特性，無(wú)法完全消除，普通的工業(yè)相機(jī)鏡頭畸變率一般在1%～2%，這樣的畸變率會(huì)影響圖像精度，所以在選擇鏡頭時(shí)也需要考慮鏡頭的畸變率。

鏡頭的視場(chǎng)角對(duì)礬花圖像的拍攝也有影響。小視場(chǎng)得到的礬花圖像具有一定的隨機(jī)性，并不能代表整體的礬花狀態(tài)，所以為了獲得較大的視野，還應(yīng)該考慮鏡頭的視場(chǎng)角參數(shù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)多種高清晰度工業(yè)相機(jī)鏡頭的焦距、畸變率和視場(chǎng)角等參數(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比，最終選擇中聯(lián)科創(chuàng)的MV0420MP5工業(yè)相機(jī)鏡頭。具體參數(shù)如表1所示。

工業(yè)相機(jī)選擇海康威視的MV-CS050-10GC-PRO全局快門(mén)網(wǎng)口相機(jī)。相機(jī)的標(biāo)定采用最常用的相機(jī)標(biāo)定方法——張正友相機(jī)標(biāo)定方法[1]。

2.2" " 防水外殼和支架

由于需要將工業(yè)相機(jī)放入水中拍攝圖像，所以需要給相機(jī)做防水處理，方案就是將設(shè)備全部放入一個(gè)防水外殼中。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)方型防水外殼。

景深的大小與鏡頭焦距、光圈大小以及對(duì)焦距離有關(guān)。由于裝置拍攝的是固定水體厚度范圍內(nèi)的圖像，拍攝距離太遠(yuǎn)無(wú)法得到清晰的圖像，所以在裝置的拍攝窗口前加上一塊背景板，以固定拍攝的水體厚度，減少模糊背景的產(chǎn)生。根據(jù)鏡頭的焦距以及調(diào)節(jié)后光圈的大小，防水外殼的拍攝窗口與背景板的距離為25 mm較為合適。

在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)背景板的反光會(huì)造成圖像中出現(xiàn)鏡頭和光源的影子，給圖像帶來(lái)干擾。項(xiàng)目組嘗試了更換不同材料、顏色的背景板以及涂上消光材料等多種解決方案，最終選用磨砂的黑色亞克力板，黑色的背景可以增加與礬花的對(duì)比度，磨砂表面十分微小的凹凸部分可以增加觀測(cè)背景板的粗糙程度，達(dá)到增加對(duì)光的散射和減少反射的目的[2]。

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，裝置的采樣窗口和背景板上會(huì)附著一些礬花顆粒，造成圖像不清晰，這就需要設(shè)計(jì)水下清潔裝置，采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)清潔機(jī)構(gòu)進(jìn)行擦拭，這種方法的好處在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。對(duì)于清潔裝置的設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目采用的是防水步進(jìn)電機(jī)與毛刷的結(jié)合，毛刷為自制零件，分為兩部分：電機(jī)連接彎頭和刷條。其中彎頭使用3D金屬打印技術(shù)制造。

礬花圖像拍攝裝置需要在露天環(huán)境下使用，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠擋雨的遮罩，避免裝置在雨天進(jìn)水。遮罩的另一個(gè)作用是擋住太陽(yáng)光，盡可能減少環(huán)境光對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

經(jīng)過(guò)多個(gè)位置的采樣成像效果對(duì)比，確定選擇平流沉淀池進(jìn)水口位置安裝拍攝裝置?？紤]到安裝的位置以及便于測(cè)試實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式可移動(dòng)支架。

2.3" " 光源設(shè)計(jì)

礬花圖像拍攝裝置需要全天24 h進(jìn)行拍攝采樣，且長(zhǎng)期放于水下，光源是必不可少的。對(duì)于拍攝運(yùn)動(dòng)的物體來(lái)說(shuō)，曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成圖像出現(xiàn)物體的殘影，曝光時(shí)間過(guò)少會(huì)導(dǎo)致圖像的亮度下降。所以必須配合光源進(jìn)行拍攝，以確保被拍攝的物體獲得最合適的曝光時(shí)間，提高圖像質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)多次模擬仿真和調(diào)光實(shí)驗(yàn)，選擇了16個(gè)LED燈圓環(huán)形排列組成的光源。光源包含LED燈珠和光敏電阻，光敏電阻用于檢測(cè)環(huán)境光亮度，并通過(guò)ADC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。在需要拍照時(shí)，微處理器讀取光敏電阻的電壓數(shù)字值，通過(guò)預(yù)設(shè)的PWM占寬比計(jì)算函數(shù)來(lái)修改PWM的占寬比輸出，從而實(shí)現(xiàn)光源亮度的調(diào)節(jié)。

2.4" " 控制板設(shè)計(jì)

礬花圖像拍攝裝置是自動(dòng)進(jìn)行拍攝的，相機(jī)的自動(dòng)抓拍功能通過(guò)服務(wù)器的控制程序?qū)崿F(xiàn)，而光源亮度的調(diào)節(jié)和清潔裝置的工作則通過(guò)控制板的控制電路實(shí)現(xiàn)。控制板主要包括電源電路、光源驅(qū)動(dòng)電路、微處理器電路。

相機(jī)的電源是直流12 V供電，為了不增加額外電源，以降低設(shè)計(jì)成本，方便小型化設(shè)備，本項(xiàng)目均以直流12 V電源電壓經(jīng)過(guò)升壓或降壓實(shí)現(xiàn)其他硬件所需的工作電壓。

光源的驅(qū)動(dòng)選用大功率的LED驅(qū)動(dòng)芯片——金升陽(yáng)的KC24H-1000R3，對(duì)比其不同輸入/輸出關(guān)系的工作范圍，其工作電壓定為36 V。

微處理器選用嵌入式微處理器STM32，嵌入式微處理器的主要作用是接收相機(jī)發(fā)出的信號(hào)、計(jì)算PWM波占空比以調(diào)節(jié)光源亮度和控制電機(jī)進(jìn)行清潔操作。電路圖如圖4所示。

3" " 程序軟件開(kāi)發(fā)

3.1" " 嵌入式微處理器控制程序開(kāi)發(fā)

3.1.1" " 清潔裝置的控制

清潔裝置的控制主要是通過(guò)使用控制電路中的三個(gè)定時(shí)器TIM1～TIM3和三個(gè)I/O口PA5～PA7。TIM1用來(lái)定時(shí)控制清潔裝置工作，每間隔一定的時(shí)間清潔一次；TIM2作為計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)數(shù)給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；TIM3用來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖的頻率大小決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

3.1.2" " 光源亮度的調(diào)節(jié)

對(duì)于光源的控制需要使用一個(gè)定時(shí)器TIM4和四個(gè)I/O口PB0～PB1、PB6、PA1。當(dāng)相機(jī)需要拍照時(shí)，在曝光前，STM32接收到相機(jī)傳送過(guò)來(lái)的高電平觸發(fā)信號(hào)，讀取光敏電阻的電壓值，利用函數(shù)計(jì)算合適的PWM占空比，TIM4根據(jù)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，輸出至LED燈組的驅(qū)動(dòng)電路。

3.2" " 相機(jī)控制程序開(kāi)發(fā)

3.2.1" " 開(kāi)發(fā)環(huán)境

海康威視給開(kāi)發(fā)人員提供軟件開(kāi)發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），通過(guò)SDK中的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）獲取相機(jī)功能參數(shù)，即可通過(guò)編程的方式在相機(jī)原有的功能基礎(chǔ)上添加自己的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的控制。在C++環(huán)境下，利用Python這一編程語(yǔ)言可實(shí)現(xiàn)對(duì)?？倒I(yè)相機(jī)控制程序的開(kāi)發(fā)，例如：使用MV_CC_GetFloatValue（）函數(shù)，獲取相機(jī)參數(shù)；使用MV_CC_SeTFloatValue（）函數(shù)，設(shè)置相機(jī)參數(shù)。SDK開(kāi)發(fā)工具包可在?？倒I(yè)相機(jī)客戶(hù)端MVS的安裝包獲取。

3.2.2" " 圖像采集

一次完整的圖像采集過(guò)程需要執(zhí)行三個(gè)線(xiàn)程：定時(shí)器線(xiàn)程、取圖線(xiàn)程、圖像處理線(xiàn)程。初始化相機(jī)采集方式為觸發(fā)模式，定時(shí)器線(xiàn)程定時(shí)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給相機(jī)，然后相機(jī)開(kāi)始曝光采集圖像，取圖線(xiàn)程獲取內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)，并交給圖像處理線(xiàn)程對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。需要注意的是，Python中Timer庫(kù)創(chuàng)建的定時(shí)器線(xiàn)程只執(zhí)行一次，需使用createTimeThread（）函數(shù)將Timer創(chuàng)建的線(xiàn)程設(shè)置為循環(huán)定時(shí)器線(xiàn)程。

3.2.3" " 圖像處理

畸變是工業(yè)相機(jī)鏡頭的固有特性，無(wú)法完全消除，需要對(duì)圖像進(jìn)行畸變校正處理。相機(jī)的標(biāo)定采用張正友相機(jī)標(biāo)定方法，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可獲得相機(jī)的內(nèi)參數(shù)及畸變系數(shù)，直接使用OpenCV提供的undistort函數(shù)進(jìn)行畸變矯正，對(duì)畸變失真的圖像進(jìn)行校正處理。

實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，礬花圖像的拍攝是在流動(dòng)的水體中進(jìn)行的，需要相機(jī)通過(guò)縮短曝光時(shí)間的方式獲得更小的快門(mén)時(shí)間，但正是由于曝光時(shí)間過(guò)小，所獲得原始圖像不能直接顯示，這就需要用到圖像增強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)提高圖像的對(duì)比度和增強(qiáng)圖像的整體或局部特征，使原本不清晰的圖像變得清晰，以達(dá)到增強(qiáng)圖像視覺(jué)效果的目的[3]。

本項(xiàng)目采用實(shí)際水下圖像，選用不同的算法，其中包括直方圖均衡化、對(duì)比度限制局部均衡化、濾波算法、暗通道先驗(yàn)去霧算法、MSRCR算法等，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證算法的圖像增強(qiáng)效果，以圖像的亮度和清晰度進(jìn)行綜合評(píng)判，最終決定使用MSRCR算法對(duì)水下低光照?qǐng)D像進(jìn)行增強(qiáng)處理。采用MSRCR算法進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理的效果如圖5所示。

3.3" " 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)使用的是Python編程語(yǔ)言的GUI工具包——PyQt5進(jìn)行開(kāi)發(fā)，本文不作詳細(xì)描述。相機(jī)控制界面如圖6所示。

4" " 總結(jié)分析

對(duì)礬花圖像拍攝裝置樣機(jī)及系統(tǒng)進(jìn)行全面的功能性調(diào)試，并將裝置及系統(tǒng)部署在南方某大型水廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中試運(yùn)行。該裝置實(shí)現(xiàn)了全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)拍攝和傳輸?shù)\花圖像，通過(guò)廠(chǎng)內(nèi)局域網(wǎng)傳送至廠(chǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)端，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示；實(shí)現(xiàn)針對(duì)水下拍攝鏡面的自動(dòng)清潔；實(shí)現(xiàn)對(duì)沉淀池礬花的恒定光源補(bǔ)償拍攝，對(duì)水下高速運(yùn)動(dòng)的礬花絮凝體進(jìn)行清晰拍照成像。圖像的成像質(zhì)量較好，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)亮或過(guò)暗、殘影、模糊等現(xiàn)象，表明礬花圖像拍攝裝置及系統(tǒng)已基本達(dá)到要求。裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝及拍攝效果如圖7～11所示。

系統(tǒng)試運(yùn)行至今，狀態(tài)良好，為該水廠(chǎng)接下來(lái)進(jìn)行的基于圖像識(shí)別的多參數(shù)混凝劑相關(guān)性控制模型和智能投加評(píng)估系統(tǒng)的研究提供了優(yōu)質(zhì)的圖像資源，可助力實(shí)現(xiàn)大型水廠(chǎng)混凝劑智能投加的精準(zhǔn)控制。

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收稿日期：2024-08-30

作者簡(jiǎn)介：吳志金（1986—），男，廣東羅定人，電氣施工工程師，從事水處理行業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、智能信息化系統(tǒng)等方面的研究與應(yīng)用工作。

通信作者：魏日強(qiáng)（1972—），男，廣東梅州人，工程碩士，建筑電氣高級(jí)工程師，從事水處理行業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、智能信息化系統(tǒng)等方面的研究與應(yīng)用工作。