（测试计量技术及仪器专业论文）基于红外视频图像的下渣检测系统的研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文在对国内外下渣检测技术进行深入考察以后，结合现在国内钢铁工业的 现状，提出了基于红外视频监视的下渣检测方法，在对中间包浇注点附近的视频 特征进行深入研究以后，提出了钢渣特征参数的识别和分析方法，并开发了原型 系统。 本系统使用红外成像设备对目标进行连续的图像采集，通过对采集的红外图 像的处理分析，识别视频特征参数，并将原始特征参数转化为网络输入参数，通 过b p 神经网络对参数进行分析，判断下渣的时间点。系统的软件部分选择在 w i n 2 0 0 0 系统下，使用面向对象的软件开发方法( o o d ) ，进行设计与开发，在 软件实现的过程中，使用了d i r c c t x ，c o m 组件技术以及动态链接库技术( d l l ) ， 将系统的采集和算法部分独立出来，便于维护与移植。 通过实验室的测试，以及现场的试运行，该系统取得了较好的结果，达到了 预期的目标。 关键字：下渣检测，红外成像，视频采集，图像处理与识别，b p 神经网络，d i r e c t x ， o o d i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h es t a t u sq u oo fi n t e r n a ls t e e li n d u s t r y a n dd e e pi n v e s t i g a t i o nt oi n t e r n a la n do v e r s e as l a gd e t e c tt e c h n o l o g i e s ，t h e s l a gd e t e c t i o nm e t h o db a s e do ni n f r a r e dm o n i t o rh a sb e e nd e v e l o p e d a f t e r d e e p l yi n v e s t i g a t i n g t h ev i d e oc h a r a c t e ra r o u n dt h ep o u r i n gp l a c eo nt h e s u r f a c eo ft h em o l t e ni nt h et u n d i s h ，w ed e s i g n e das e to fm e t h o d sf o rt h e r e c o g n i t i o na n da n a l y s i so fs l a gv i d e oc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a n dh a v e d e v e l o p e d t h ea n t 时p e s y s t e m t h i ss y s t e mu s e si n f r a r e dc a m e r aa n dv i d e oc a r dt oc o l l e c tt h es t i l l i m a g e a n dw ei d e n t i f yc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sb yp r o c e s s i n ga n d a n a l y z i n gt h o s e i m a g e s t h e nw e c o n v e r tt h o s e o r i g i n a lp a r a m e t e r s t on e t w o r kp a r a m e t e r sa s t h ei n p u tt ot h eb p - a n n t h r o u g ht h ep a r a m e t e r sa n a l y s i sw i t ht h ea n n a l g o r i t h m ，s y s t e ma u t o m a t i c a l l yp e r f o r mp r e c i s ej u d g m e n to fa p p e a r a n c eo f s l a g t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t o ft h i ss y s t e mi so nt h ew i n 2 0 0 0o s p l a t f o r m ， a d o p t i n go o d t od e v e l o pa l lo ft h ea n t i t y p es y s t e m i na d d i t i o n ，w eu s e dt h e d i r e c t x ，c o ma n dd l lt e c h n o l o g i e s t o s e p a r a t et h ec o l l e c t i n gp a r ta n d a l g o r i t h mc o m p o n e n t f r o mw h o l ea r c h i t e c t u r eo ft h e s y s t e m f o rc o n v e n i e n c e s o ff u t u r em a i n t e n a n c ea n dp r o b a b l y t r a n s p l a n t i n g t h i ss y s t e mh a sp a s s e dt e s t si nt h el a b o r a t o r y , a n db e e nt e s t i n gi nt h e l o c a l eo ff o u n d r y a sf a ra s i tg o e s 。t h es y s t e mh a sa c h i e v e dp r e f e r a b l er e s u l t ， a n dc a nm e e tt h e e x p e c t a n tg o a l k e y w o r d s ：s l a gd e t e c t i o n ，i n f r a r e di m a g i n g ，v i d e oc o l l e c t i n g ，i m a g ep r o c e s s a n dr e c o g n i t i o n ，b p - a n n ，d i r e c t x o o d i l l 塑望查兰堡主兰垡堡苎里! 垒垒皇l8 致谢 本论文在导师王友钊副教授的悉心指导和严格要求下完成的。王老师严谨的 治学态度、渊博的学识和诲人不倦的精神，给我留下了深刻的印象，并将终生受 益。他不仅在学习方面给了我们悉心指导和大力支持，还在生活上无微不至地关 心我们，使我们能在轻松愉快的环境中顺利完成硕士阶段的学习和科研任务。在 此，谨向王老师表达我深深的谢意。 感谢浙江大学仪器系特别是数字技术研究所的各位老师，本人所取得的点滴 成绩无不渗透着他们的辛勤劳动。特别是要感谢马永昌老师几年来对我的关心和 帮助，马老师对本论文的完成也给予了详细指导。他广博的知识、谦逊的态度和 无私相授的精神让我受益匪浅。 感谢陆哲时、孙熙文、钟诚、李长青、郑卓超、陈惠滨等同学以及曾经帮助 过我的每一个朋友。他们各方面的热情帮助，令我可以顺利的完成自己的毕业设 计，也让我学到了不少的知识和技能。 最后，深深感谢我的父母和女友，家庭的温暖永远是我前进的动力，正是他 们的关心和支持才让我顺利的完成学业。 吴非 2 0 0 5 年2 月于浙江大学 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 连铸是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇铸成一定断面 形状的铸坯的过程。自从2 0 世纪6 0 年代起，连铸技术真正在钢铁工业中得到应 用以后，连铸技术不断的被改进而连铸工艺更是迅速的得到完善，到今天连铸技 术早已发展成为一项极其重要的冶金生产技术。由于连铸工艺中对钢水纯净度的 特别要求，从钢包到中间包的过程中，钢包内的钢渣是被限制进入中间包的，从 而钢渣下渣的检测和控制对于提高钢水的纯净度，以及提高最后钢坯的质量有着 重要的意义。 1 2 国内外下渣检测技术的发展现状 目前，在国际上，应用的最多的钢渣检测系统是基于电磁感应原理的下渣检 测系统。德国a m e p a 公司的电磁感应式下渣检测系统是目前世界上最先进的下渣 检测系统。但是由于该系统要求在钢包中埋入线圈，对钢包进行改造，而线圈价 格昂贵，再加上工作环境的高温，线圈容易损坏，耐用性能较差，从而带来相当 高的维护成本。 由i t e m a 公司开发的基于红外技术的钢渣检测系统，是一种非接触式的下渣 检测系统，其主要部件是一部红外摄像机，利用钢水和钢渣在同温度下，远红外 区的辐射发射率的不同，从而反映为图像上的亮度变化，来判断下渣量，其可以 比较准确的检测钢水中钢渣的含量，但是该系统仅能用在转炉到出钢口的下渣检 测，而无法对钢包到中包这样的全封闭过程进行检测。 还有一种超声波钢渣检测系统正处于研制阶段，由于该系统依然要求对钢包 进行改造，而且工作环境恶劣，超声波探头的耐用性也不高，生产和使用的成本 也是相当高的。 至于利用钢包和中间包称重的检测方法，理论上是可行的，但是实际上由于 条件的局限性，使得其无法达到所要求的准确性，往往仅仅用做辅助性的手段。 浙江大学硕士学位论文 从国内的情况来看，目前还没有成熟的下渣检测系统的产品，所使用的f 渣 检测系统完全依靠从国外引进，而进口产品对于国内钢厂来说，价格昂贵，使用 与维护费用都较高。如在宝钢，引进的电磁检测系统平均每两个月就要对所用钢 包底部的线圈、传感器进行更换，使用成本很高。所以考虑到成本问题，国内的 钢厂，绝大多数还是采用人工观察的方法，例如在首钢集团连铸车间，由钢包进 入中间包中的钢渣量，通常靠人工直接观察钢包水口注流与钢包重量的变化间接 推断而得。这种方法要求操作工人必须具备相当丰富的经验，而且由于人工观察 的局限性还将产生诸如中间包内衬侵蚀加剧、钢坯表面清洁度降低等问题。浇注 结束时，从经济角度来说，要求钢包内残留的钢水量要尽可能少；从钢坯的质量 角度来说，要求进入中间包的钢渣量要尽可能少。在目前完全依靠人工观察的情 况下，根本不能同时满足上述要求。而对一些品种钢的生产来说，为了提高钢坯 的质量，防止钢水的氧化，要求封闭式浇注，这样就无法通过直接观察钢流来判 断下渣，所以大部分国内钢厂只能采用尽量缩短敞开式浇注的时间的方法来满足 浇注品种钢的要求。由于每一包钢水的浇注时间不同，有些钢厂只好采用从钢包 项部插钢管以测量底部钢水的剩余含量，再来决定拆除长水口( 保护套管) 的时 间。 针对于国内的情况，迫切需要的是一种可以利用现有的设备，低造价，低维 护成本的，使用和维护方便的铜渣检测系统。 1 3 基于红外监测的低成本下渣检测方法 虽然i t e m a 公司的红外下渣检测系统无法适用于连铸工艺中，从钢包到中间 包的封闭式过程的下渣检测，但是其非接触式的优点使得利用摄像机进行监视的 系统具有安装方便，造价低廉，维护成本低等优点，很适合国内钢厂的要求。如 果能够将红外摄像机的方法应用于钢包到中间包的过程，那么将是相当不错的选 择。 根据钢水浇注现场的实地考察，在不撤除水口的情况下，钢渣大量下渣的时 候，由于钢渣的比重远远小于钢水的比重，当大量钢渣的急剧上升至水口附近中 间包液面的时候会出现迅速穿透液面，出现火星四溅的现象，此时很容易判断出 已经下渣，然而这个时候大量钢渣已经进入中间包，对于提高钢坯的质量已经没 浙江大学硕士学位论文 有什么的意义，所以该时刻仅仅作为系统的底线使用，用于所有检测失败时候的 最后保证。而在大量钢渣出现的以前相当长的时间内，会有少量的钢渣进入中间 包，较轻的钢渣会翻出液面造成水口附近的液面高度在短时间内有较大的抬升， 这个过程一般出现在大量下渣前2 0 秒左右。使用红外摄像机拍摄到这一过程， 就可以进行比较准确的下渣检测了。 该检测方法有两个关键点，首先是正确的图像采集，分析和处理，要能清楚， 稳定地得到特征参数，即水口附近液面的高低变化信息和光强的变化信息，另一 个关键点在于对所得的信息( 特征参数) 如何进行合理的判断和分析能得到比较 优化的判定结果。 1 3 1 特征参数和影响特征参数变化的几个因素 检测方法中所关心的特征参数主要有两个： 一是水口附近液面的光强的变化信息。 二是水口附近液面高低变化的信息。 连铸过程中，水口附近光强的变化情况比较容易获得，对其产生影响的因素 有三个。 1 水口附近出现下渣情况，下渣可以使水口附近光强正向变化。 2 向水口附近添加保护渣，保护渣使水口附近光强趋向负向变化。 3 背景光源对水口附近光强变化的影响。 而连铸过程中，影响水口附近液面高低变化的因素主要有以下三个。 1 水口附近的下渣情况变化，下渣可以使水口附近液面抬高，当下渣停止 一段时间后，水口附近聚集的钢渣会流散而使得水口附近液面重新下降。 2 向水口附近添加保护渣，可以使水口附近液面升高，同样在一段时间以 后，聚集的保护渣随钢水的运动逐渐散开，使水口附近液面重新下降。 3 中包内钢水总量的增加或者减少引起的水口附近液面的升高或降低变 化。 很显然对于钢渣下渣判断有意义的液位变化是由水口附近的下渣情况引起 的，整个方法要求首先针对由摄像机拍摄的水口附近的某一时刻的图像的分析， 得到能够合理区分下渣和非下渣情况的特征参数组。所以，需要排除非下渣因素 浙江大学硕士学位论文 引发的水口附近的光强和液位的变化。所以需要对各个因素引起的水口附近变化 的特征进行分析。 1 3 2 不同因素影响水口附近光强，液位变化特性的简析 在连铸过程中，为了保证钢材的质量和连铸过程的连续性，钢水的温度需要 被控制在一个范围内，如在低温高拉速的情况下，钢水的温度一般控制在1 5 4 0 1 5 3 0 之间，这就使得钢水辐射出来的光强保持一个比较平稳的均值上下，在外 界影响下，光强会围绕这个均值进行变化。同样，中间包内的液面高度也要控制 在一个平稳的状态下，并且，相对与光强，其变化灵敏度很低，故基本能保持在 一个水平线上。下面分别讨论不同的因素对光强和液面高度的影响。 水口下渣可以引起光强和液面高度同时变化，其中光强变化的过程可以描述 为在下渣出现时间点t l 瞬间有小幅度的抬升，然后在高于平稳光强不大的范围 内的小幅度的抖动，持续一段时间后在t 2 点有一个突然爆发的加强，很快在时 间点t 3 时，光强迅速降到平稳态的附近，此时下渣过程结束，这个过程可以在 图( 卜1 ) a 中被描述。同时图( 卜1 ) b 描述了在这个过程中液面高度的变化特 性，时间点t 1 液面开始出现连续的抖动，到时间点t 2 出现相当大的无规律变化 ( 实际上在这个时间点后，液面高度的信息已经不可通过摄像机测量了) ，在t 3 时间点恢复到平稳态。 i f：i 、v ，v o u n ji ” f 图( 卜1 ) 增加保护渣的过程对水口的影响，如图( 卜2 ) 所示，其中a 图是对光强的 影响，在t 1 时间加入保护渣，造成光强突然下降，随后逐渐恢复到平稳态。b 图是该情况下，液面高度变化的特性，t 1 时间点液面出现上升，随后逐渐恢复 到平稳态。 4 浙江大学碗士学位论文 图( 卜2 ) 一般情况下，液面高度根据要求是保持在一个相当平稳的高度上不变的，但 是，由于流速的变化，可能会出现液面高度整体抬高，或降低的情况，而出现这 种情况以后，需要增加或减小流量，使液面重新恢复到要求的高度范围，在这种 情况下，液面高度的变化是一个相当缓慢的变化过程。如图( 卜3 ) 所示，a 图 是增加到恢复的过程，b 图是减少到恢复的过程。 hh b 图( 卜3 ) 背景光源对于整体光强的影响取决于光源的强度，和位置，在摄像机附近的 光源，如灯泡等，会使得摄像机失去作用，图像呈现一片白光，此时系统也就失 效，如果光源在水口附近，那么一般的光源对于水口这样的光强来说都是比较低 的强度，所以，基本上对于光强的检测没有多大的影响，在实际中，背景光源在 浇注过程中一般也保持一个平稳的强度，不会出现频率性变化，所以通常该影响 可以忽略不计，其变化特性也就不再讨论。 1 3 3 特征参数的分析和判断方法 特征参数的分析和判断，要求计算能够智能化地识别较早时间出现的下渣信 号，判断这个下渣点，可以通过统计学的方法，寻找能够代表下渣的特征参数的 阀值，但更好的方法还是训练一个神经网络，通过网络参数来对特征向量组包含 信息进行分析，判定，以判断是否下渣。 浙江大学硕士学位论文 1 3 4 下渣检测流程描述 下渣检测从摄像机拍摄图像开始，视频信号以p a l 标准经图像采集卡转成数 字图像信号由计算机进行处理和分析，取得特征信号以后再进行下渣判断，如果 发现下渣则发出报警信号。整个流程如图( 1 4 ) 所示。 曷僧 叵蜩 1 4 课题的目的和任务 本课题主要目的旨在设计一套功能强，适应性好，可靠性高，能自适应于不 同钢材下渣控制要求的非接触式的下渣检测系统。系统需要能够从采集的图像中 提取特征信息，并对特征信息进行分析，根据不同的钢材下渣控制的要求，对下 渣点进行判断，在保证下渣控制的前提下，得到比较优化的钢水收得率。 课题的任务分成以下几个部分 1 图像采集的硬件设备选择 2 基于w i n d o w s 的图像采集的软件方案 3 图像的处理算法和下渣信号特征参数提取算法的设计 4 下渣判断与识别方法的设计 5 原型系统的设计，包括硬件结构和软件体系的设计 6 浙江大学硕士学位论文 第二章红外视频监视设备的选择 选择合适的监视设备，需要首先确定一个明确的监视光谱的范围，而监视光 谱范围的选择，不仅仅关系到摄像机的选择，其最终会关系到监视目标在图像中 的成像效果，从而影响图像处理的结果。如，使用普通ccd 摄像机进行摄像， 其在可见光和近红外区的范围以内( 波长a 范围1 0 0 0 4 0 0 n m ) 有很高的灵敏度， 所以其容易受到背景光源( 可见光) 的干扰，从而影响最终的特征参数的提取。 所以需要选择适合的光谱范围，作为我们监视的范围。选择光谱的范围应该满足 以下两个要点。 ( 1 ) 避开背景光源( 可见光) 对成像的干扰，即，选择的光谱区应该在可 见光谱区外。 ( 2 ) 选择的光谱区辐射能量应该足够大，便于摄像机成像。 由于水口附近是高温环境，可以使用红外光进行成像，使用的红外波长的范 围，则由其温度条件下红外的辐射的峰值点对应的波长来决定，以保证较高的辐 射能量。 2 1 黑体辐射模型和相关定律 先看黑体的概念，黑体是一种理想化了的辐射体，它吸收所有波长的辐射能 量，没有能量的反射和透射，其表面发射率为l 。发射率作为热辐射中常用的一 个概念通常有两种定义模式 ( 1 ) 物体的辐射量与相同温度下黑体的辐射量的比值 ( 2 ) 物体与同温黑体在相同几何条件及光谱条件下的辐射功率之比 第一个定义是物体全部辐射的发射率，第二个定义是确定方向角和确定波 长范围内的物体的发射率。由于黑体是没有能量反射和透射的理想辐射源，这种 特性在自然界中并不存在，所以实际物体的发射率都要小于1 ，即黑体的表面发 射率，讨论黑体的意义是为了清楚的获得辐射的分布规律，而在理论研究中选择 使用的合适的模型。 浙江大学硕士学位论文 2 1 1 基尔霍夫定律和其黑体模型 基尔霍夫定律作为辐射传输理论的基础之一，指出了吸收和辐射之间的联系 规律，发现一个好的吸收体，其必然是一个好的发射体。设想一个物体爿放置于 一个真空的容器内，该容器绝热，则物体在真空中与容器壁之间只能通过辐射来 交换能量。只要容器和爿之间存在温差，就会有净辐射功率传向温度较低的一方， 如此循环，无论两者之间的材质有什么不同，都会达到热平衡状态而温度相同， 成为热平衡体系。在平衡体系中，物体a 发射和吸收的辐射功率应该是相等的， 用公式描述为 m = a e 式子中m 是物体一的辐射度，口是吸收率，e 是其表面辐照度。由上式可 以推导出 丝：e 这就是基尔霍夫定律，它表明物体的辐射度与其吸收率的比值，和物体的性 质无关，等于空腔在它表面上的辐照度。同时该式还表明，吸收率越大的物体， 其在同样辐照度的情况下，辐射度势必越大。即好的吸收体必然是好的发射体。 对于不透明的物体，透射率f = 0 的前提下，吸收率o t 与反射率f 之间的关系为 口= 1 一p ，这表明高反射表面一定是一个弱发射体。我们用物体的光谱量来表示， 就得到基尔霍夫定律的光谱量表达形式 器= e a ( t ) 以上各式围绕则一个问题展开说明，即光谱的辐照度是光谱辐射度和光谱的 吸收率的比值，和物质的性质没有关系，都是波长和温度的普适函数。 要注意，上述定理是在封闭的等温系统中实现的，故仅仅适用于热平衡系统。 如果有物体在光谱的任意波长处都能保持吸收率为1 的话，则它在任何温度，任 何波长下的辐射都要比其他物体强，通常这种在任何情况下吸收率都能为l 的物 体，就是黑体。我们用下标“b b ”来表征黑体的辐射量( j ；l ) 。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 经典辐射模型和瑞利一金斯公式 首先要知道，因为热辐射涉及了大量的相互耦合的振子，所以各种模型都是 基于统计学方法的一种假说。假说的意义在于能够比较接近的反映实验规律，而 并非完全准确的反映了客观规律。 我们先从经典的振子模型和经典的统计学方法出发，介绍黑体的经典辐射模 型和瑞利一金斯公式。 瑞利( r a y l e i g h ) 和金斯( j e a n s ) 把包围在空腔内的电磁辐射场抽象为一种 弹性媒介，它在每单位体积和频率间隔v 到v + 咖内的本征模式数为沈，就是弹 性媒介的振动自由度，同时在这个经典的物理模型下，采用经典的玻耳兹曼统计 法，给出每个振动自由度的平均能量为r ，求得一个黑体( 空腔) 的光谱辐射 能量密度为 w v ：娑灯 这个就是瑞利一金斯公式。 这个公式在v 很小的时候与实验的情况尚符，但是当v 趋向于无穷大的时候， 光谱能量也就会趋向于无穷大，而显然的与实验情况不能相符，这个在高频段无 法克服的困难通常就被称作“紫外线的灾难”，这个困难也就限制了经典模型的 应用范围。 2 1 3 辐射的量子模型和普朗克定律 为了克服瑞利金斯公式在高频区的困难，普朗克提出了一个全新的模型， 该模型也是目前普遍承认和应用的模型，辐射的量子化振子模型。 在量子化模型中，我们把辐射物质( 如黑体的空腔壁) 看作是一个由密集的 电磁偶极振子组成的体系。空腔处于热平衡状态时，这些电磁振子发射和吸收的 辐射能量是相等的，因而其会处于稳定的振动运动中，同时使腔体内部的电磁辐 射形成稳定的驻波，每一驻波的能量与相同频率的振子的能量相同。这些电磁驻 波也因此可以看作是电磁谐振子。 假设这些振子与经典的振子有以下不同的特征。 9 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 这些振子的能量不司以任慈取值，冥只能是般一系列量于化的分立 r e 。= n o o 。( ”= 0 ，1 ，2 ，) ，并称为能级。振子相邻能级的能量相差占， 是振子振动频率的函数，表达为占。= h v ，其中， h = ( 6 0 6 2 5 6 _ + 0 0 0 0 5 ) 1 0 。3 4 ( w - s 2 ) 是普朗克常数。 ( 2 ) 辐射振子不能连续的发射或吸收能量，只能以占。为单位，一份一份 地跳跃式的进行。因此，辐射振子只能从一个能级跃迁到另一个能 级上去，同时就伴随着能力的发射或者吸收，但是不可能处在两个 能级中间的任何能量状态。 在这个模型下，由这样的振子组成的系统，应该遵从玻色一爱因斯坦统计规 律，即振子具有能量e = 胆占。的几率为 f ( n s ，) = c e x p ( 百n h v ) 一1 一1 在通常的温度条件下，由于h v k t ，所以该系统也可以用麦克斯韦一玻耳 兹曼统计进行近似的描述，其统计公式如下 f ( 竹占，) = a e x p ( 一百n n , 伽 a 是归一化常数，k ；( 1 3 8 0 5 4 _ + 0 0 0 0 1 8 ) x 1 0 。2 3 ( w 小k 。) 是玻耳兹曼常数， t 是系统的绝对温度。 利用上述的统计模型，在假设能级为零时，振子的数目是n o 的前提下，可 以进行如下的推断。能量为占，的振子数目l = n o e x p ( 一筹) ，能量为2 占，的振予 数目是2 = n o e x p ( 一百2 h v ) ，可以求得振子的中数量将是 肝 n r = n o + m + 2 + = 0 + “e x p 卜等】+ 0e x p 卜等+ = o 【1 一e x p ( 一铷。1删 2 0 【1 一e x p ( 一熹c 1 ) 】。1 计算其振子的总能量为 1 0 浙江大学硕士学位论文 唧= n o 0 - 4 - 川l + z v 2 q4 - = n o e v e x p ( 一触卜e x p ( 一寺) 。2 而每个振子的平均下来的能量就可以表示为 ；：生： 墨 7 e x p ( 高t t ) 一1 一个振动模式就是一个电磁振子，那么将单位体积内在频率间隔d v 中的本 征振动模式数出乘以振子的平均能量；，可以得到黑体单位体积中，在频率间隔 d v 内的辐射能量的关系表达 咖= 施2 丽h y 再丁8 , 8 - v 2 西 则划耻芋删叫2 k t ) - 1 - w v - 知了8 ；- y 2 其为黑体空腔内的光谱辐射能密度。又单位时间内通过空腔单位面积发射的 光谱辐射能量为c w v ，并且其在4 石空问内均匀地发射，所以单位立体角内的发 射能量值为a 。由此可以推导，黑体空腔内的一点向单位面积和单位立体 角内传输的光谱宿舍功率，也就是该点的光谱辐射亮度为l = o 乞，黑体辐 射遵从朗伯余弦定律，则光谱的辐射度的频率表达形式为 m m万l = c 可得帆灯) = 警忉( m 1 这就是黑体光谱辐射度的酱朗克辐射定律的表达式。而黑体在给定的一定温 度下，起辐射随频率的分布而变化。将v = 和l 咖i = 导d 五代入到西中，可 以得到另外的表达形式，波长表达形式 鸠。( r ) = 下2 z ：h c 2 e x p ( 七r ) 一1 】_ l 该形式可以简单记录为下式 m ( 丁) = c i a e x p ( c ：a r ) 一1 - 1 浙江大学硕士学位论文 c l = 2 ，r h c 2 = ( 3 7 4 1 5 _ + 0 0 0 0 3 ) x 1 0 8 ( w 聊a m 4 ) 第一辐射常数 c 2 = h c = ( 1 4 3 8 7 9 0 0 0 0 1 9 ) x 1 0 4 ( u m - x ) 第二辐射常数 检查普朗克辐射定律，可以发现，当提高黑体温度的时候，辐射光谱会向短 波方向移动，我们可以利用维恩位移定律来代替普朗克辐射定律，用简单的形式 给出一个定量的关系。 务叫t - e 孵净 其中厶代表的光谱辐射极大值处对应的波长，一般称为峰值波长。 令上式中的寿2 扎则有( 1 一争p 。= 1 ，解方程得到x = 4 9 6 5 1 1 4 2 ，所以得 到维恩位移定律的最终表达形式为 九t = ( 2 8 9 7 8 o 4 ) 聊k ) 将此时的五r 带入普朗克定律的波长表达式中，可以得到，在温度7 下，峰 值波长处的辐射度的最大值，即峰值辐射最大值。 = c 考5 蒜瑚5 b = 1 2 8 6 2 1 0 “( w m 。2 , u m - k 一5 ) 下图( 2 1 ) 所示的是黑体辐射发射度与波长，同温度的关系曲线图。 侧。 j饿。 | n 燃 。 | | lj 瀚 |，lj |心惑 i | |广燃 燃 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 监视光谱的范围的确定和视频设备的选择 2 2 1 监视光谱范围的确定 首先，考虑目标区域附近的温度分布情况，根据连铸系统的温度控制要求， 钢水的温度通常控制在1 5 4 0 1 5 6 0c 。，而中间包液面的温度通常在 1 1 0 0 1 2 0 0 c 。，而水口陶瓷套管的温度在8 0 0 9 0 0 c 。使用维恩位移定律 九t = ( 2 8 9 7 8 0 4 ) ( , u r n k ) ，将温度换算成开氏温度带入公式中的，分别计算 三个部分的辐射峰值波长范围，可以得到钢水的辐射峰值波长的范围约在 1 5 8 1 5 9 , u r n 之间，而中间包液面辐射峰值波长的范围约在1 9 6 2 1 6 , u m 之间， 而水口陶瓷套管的辐射峰值波长的范围约在2 4 7 2 7 a m 之间。使用普朗克公式 j j l 如曲( r ) = c l 五 e x p ( c 2 刀) 一1 】4 和 级。= b t 5 来计算各个峰值波长附近的辐射 功率，取峰值功率一3 0 d b 衰减处的波长为边界波长，我们可以得到各个部分以及 整个目标区域的发射的辐射能量主要分布的波段，如下图( 2 2 ) 所示 图( 2 2 ) 图中，灰色条状带是0 1 0 0 u m 辐射波长区间，黑色区域是目标区域各个部 浙江大学硕士学位论文 分的发射辐射功率比较集中的区域。从图中可以看出，对于整个目标区域在 o 6 8 1 4 u m 波长范围内，是整体辐射最强的一段区域，而红外光区是波长大于 0 7 6 8 u m 的区域，所以为了远离可见光区，减少可见光的干扰，我们监视选择的 波长范围应该在1 1 4 u r n 之间。 2 2 2 视频设备的选择 选定了波长的范围，摄像设备的选择就变的容易很多了，我们需要能够在 1 1 4 u r n 范围之间感光灵敏，而屏蔽范围以外其它波长，尤其是小于l u r e 的短波 的成像设备，同时我们还需要注意两个问题，根据黑体辐射的定律，我们可以估 算出在1 7 7 3 k 的温度条件下，黑体在一米外，一平方米面积上的辐照度 e = 1 4 5 1 9 ( w m 。2 ) ，代入钢水的发射率0 2 可以得到e = 2 9 0 3 8 ( w t n 2 ) ， 换算成照度单位可以得到其照度为7 3 4 4 x 1 0 5 l u x ，而通常ccd 感光元件能够正 常工作的最大光强是2 0 0 0 l u x ，所以在成像镜头前需要加一定衰减系数的减光片。 如果不考虑空气对红外辐射的衰减，将光强衰减n 1 0 0 0 l u x 以下需要一5 7 d b 的衰 减，而现实中是显然是不需要的，由于红外辐射在空气中的衰减，并且摄像机可 以在比较远的距离进行安装，在现场一般选择在3 4 m 的距离，通常使用_ 3 地左 右的减光片已经足够了。而另外一个问题是，钢厂的环境温度比较高，所以需要 考虑摄像设备的工作温度的问题，需要设备可以在比较高的环境温度下工作。 符合上述条件的摄像机可以选用大立科技有限公司的d l - 9 0 0 制冷型红外热 像仪组件，该产品，采用了法国s o f r a d i r 公司提供的h g c d t e 制冷型探测器，以 及中俄合作开发的无肓双视场镜头，使得该产品具有光学双视场、超低噪声、探 测精度高，探测距离远等优点。下表( 2 1 ) 给出了该产品主要性能参数。 探测器材探测元3 2 0 x 2 5 6 料 h g c d t e 工作波长3 7 um 4 8 hm 像元尺寸3 0 9 m x 3 0 p m 噪声等效 8 m k ( f 2 ) 温差 ( f 4 ) ( n e t d ) 工作温度 1 6 m k 帧频 1 4 4 0 + 6 0 5 0 ，2 0 0 h z 浙江大学硕士学位论文 冷屏f 数 镜头 f ，2 或f 4 电调，手调1 8 0 r a m f 2 0 ( 双视场：3 。x 2 4 0 或 9 0 0 x 7 2 。) 或16 0 m m ，f 2 0 ( 3 , 4 0 x 2 7 。) 等可选 从表中可以看到，该摄像机的工作波段范围为3 4 4 8 u m 之间，处于我们要 求的波段范围以内，同时该摄像机可以在4 0 c + 6 0 的环境温度下工作，适合 在钢厂的高温环境下工作。所以选择该热成像设备是符合我们的实用要求的。 考虑到我们的图像需要通过计算机来进行处理，而摄像设备提供的是pa l 标准的a v 模拟信号，所以在接入计算机之前我们需要进行必要的da 转换，将 a v 信号转化成为计算机可以处理的数字视频信号。完成这项工作，我们有多种 选择，目前市场上有相当多的视频采集卡可以选择，在本课题中，我们选择了深 圳花心鸟公司的m p e gk i n g 视频采集卡( pci 总线，bt878 采集芯片) 作 为a v 到计算机的接入设备，其价格比较低廉，采集分辨率7 6 8 x 5 7 6 己经达到了 dv d 的标准，满足我们的需求。 2 3小结 本章内容从黑体的辐射定律入手，结合浇注现场的实际情况，讨论了水口附 近，目标区域内辐射能量集中的波长的分布范围，根据要求排除背景光的干扰， 确定了监视系统工作的波长范围，并根据该范围的要求选择了合适的热像成像设 备，同时也给出了相关a v 转数字视频的da 转换卡的选择。完成了视频监视的 硬件准备工作。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于d ir e c t s h o w 技术的静态图像的采集 在我们能够使用计算机分析，判断下渣情况以前我们需要得到与下渣相关的 一组可以运算的特征参数，而根据设计，特征参数需要从采集到的图像中获得， 除了硬件以外，我们也需要相关软件技术的支持才可以完成原始图像的采集，本 课题中选用了m i c r o s o f t 的d i r e c t s h o w 技术来完成这一工作，因为其具备的强大 功能可以大大减少软件开发的工作量。下面我们就逐步的讨论整个静态图像采集 的软件技术。 3 1 d ir e c t s h o w 技术基础 3 1 1d ir e c t s h o w 技术概述 d i r c c t s h o w 技术是m i c r o s o f t 公司d i r e c t x 技术中的一个重要的组成部分， d i r e c t x 是m i c r o s o f t 提供的一套底层应用程序开发接口，主要用于游戏开发等其 它高性能的多媒体应用程序的开发，其中包括了对2 一d ，和3 一d 图像，音效 的支持，同时也包括音乐，各种输入设备，以及网络应用程序( 如多人连线的游 戏) 的支持。 而其中的d i r e c t s h o w 组件是为在w i n d o w s 系统平台上进行流媒体数据地播 放而设计的一套体系架构。d i r e c t s h o w 可以提供高质量的流媒体捕捉，和回放功 能。它能够支持多种格式的流媒体数据，如a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( a s f ) ， m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ( m p e g ) ，a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ( a v i ) ，m p e g a u d i ol a y e r 一3 ( m p 3 ) ，以及w a v 等格式的回放，同时它也支持使用w i n d o w s d r i v e rm o d e l ( w d m ) 设备进行流媒体的捕捉，或者为一些老版本的视频设备提供 服务。d i r e c t s h o w 技术与d i r e c t x 中其它组件的技术是集成在一起的，它可以自 动的寻找并使用视频和音频的硬件加速设备，如果机器中有这样的设备可供使用 的话。当然，它也支持没有硬件加速设备的系统。 d i r e c t s h o w 可以简化多媒体的回放，格式转换以及多媒体的捕捉工作，同 时它也为应用程序提供了一个可以驳接底层流数据控制体系的通道，使用户在必 1 6 浙江大学硕士学位论文 要的时候可以进行自定义的操作。d i r e c t s h o w 也是个可扩展结构，你可以7 l ：发 自己的d i r e c t s h o w 组件以支持新的流媒体格式或产生自定义的特效。 你可以利用d i r e c t s h o w 进行多种流媒体数据处理应用程序的设计和开发， 比较常见的典型例子有d v d 播放嚣，m p 3 播放器，视频编辑工具，a v i 到a s f 的 转换器，以及视频的捕捉器等。 d i r e c t s h o w 同绝大部分d i r e c t x 组件一样是基于c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 一组件对象模型接口技术的应用程序接口，即c o m 接口。使用d i r e c t s h o w 以前 需要用户拥有c o m 接口程序的编写方法的知识，对于c o m 技术的知识在这里限于 篇幅和主题的关系就不做深入的介绍了。使用d i r e c t s h o w 进行应用开发并不需 要用户自己来写任何c o m 组件，因为d i r e c t s h o w 已经提供了大多数应用需要的 组件。但如果需要对d i r e c t s h o w 进行功能扩展的时候，所有新加入的组件都必 须符合c o m 对象的要求标准。 3 1 2 使用d ir e c t s h o w 设计应用程序 要编写d i r e c t s h o w 的应用程序，需要对了解一些基本术语和概念。在整个 d i r e c t s h o w 编程思想里面，最普遍，也是最基本的一个概念，就是f i l t e rg r a p h 中文不太好翻译，可以勉强称之为流式传播结构，构成这个结构的基本模块就是 f i i t e r 可以称为流结点模块，它是一个软件的组件，通常用来对流媒体进行某 种单一的操作。常用的一些f i l t e r 一般用来完成以下工作。 ( 1 ) 读取多媒体数据文件 ( 2 ) 从视频或者音频捕捉设备中获得视频或音频数据 ( 3 ) 对某种特定的流媒体格式进行解码，如m p e g - 1 的解码操作 ( 4 ) 传输数据到图形卡或者声卡 所有的f i i t e r 都接受外部的输入，同时产生一个输入。举一个例子，当使 用一个f i l t e r 来进行m p e g 一1 视频进行解码的时候，这个时候外部的输入就是 h p e g 一1 编码格式的流媒体数据，而输出就是没有经过压缩的r g b 视频流。 而要完成一个具体的任务目标，一个f i l t e r 的功能往往是不够的，我们需 要使用几个f i l t e r 来完成指定的任务。应用程序需要按一定顺序连接所需要 f i l t e r ，使前一个f i l t e r 的输出正好作为后一个f i i t e r 的输入，而这样的一组 1 7 浙江大学硕士学位论文 顺序连接起来的f i l t e r 的集合，我们称之为f i l t e rg r a p h ，为了直观的解释这 个概念，在图( 3 1 ) 中我们给出了一个用来播放硬盘上a v i 文件的f 订t e r g r a p h 的结构图。 图( 3 一1 ) 在d i r e c t s h o w 的实际应用中，用户程序并不需要自己来管理处于f i l t e r g r a p h 中的单个f i l t e r 。d i r e c t s h o w 提供了一个高层的组件用来代替客户程序 对f il t e rg r a p h 进行管理，这个组件我们称为f il t e rg r a p hm a n a g e r ，流式传 播管理模块。在客户应用程序中，就由f i l t e rg r a p hm a n a g e r 来控制数据流在 整个g r a p h 中的流动。而客户应用程序只要进行高层a p i 调用，如r u n ，来是数 据通过g r a p h 播放，或者s t o p ，来停止数据流的流动，就可以了。当然，如果 用户需要对单个的f i l t e r 进行特殊的操作，也可以通过这些f i l t e r 提供的c o m 接口获得对这些f i l t e r 的直接控制权限。f i i t e rg r a p hm a n a g e r 还会向用户程 序发送事件消息，以便用户程序能够对一些突发事件进行响应，如流媒体播放结 束事件。 此外，f i l t e rg r a p hm a n a g e r 还提供f i l t e rg r a p h 建立的简化功能，如， 如果要播放一个文件，只要指定文件路径，f i l t e rg r a p hm a n a g e r 就可以自动 的建立一个f i l t e rg r a p h 用来播放指定的文件。 编写一个典型的d i r e c t s h o w 应用程序，需要完成三个基本的步骤，如，下 图( 3 2 ) 中所示 浙江大学硕士学位论文 图( 3 2 ) 1 c o c r e a t e i n s t a n c e 函数，创建一个f i l t e rg r a p hm a n a g e r 对象的 实例 2 使用f i l t e rg r a p hm a n a g e r 来构建一个f i l t e rg r a p h ( 同样也可 以应用其它的d i r e c t s h o w 帮助组件来完成f i l t e rg r a p h 的构建) 3 控制这个f i l t e rg r a p h ，并且响应产生的相关事件。 下面以一个简单的文件播放程序来具体说明以上三个步骤。 使用d i r e c t s h o w 来播放一个文件只需要很少的几行代码，整个应用程序由 以下四个步骤完成。 1 创建f i l t e rg