基于图像处理的火焰高度测量方法

基于图像处理的火焰高度测量方法

热或火的影响热丝试验是一项重要的试验项目，用于测试电气电子产品中绝缘材料的耐燃性。环境安全标准gb4706.1、自动装置安全标准gb1536.1和灯具安全标准gb7000.1。灼热丝试验是根据电工电子产品的工作情况，尽可能真实地模拟绝缘材料可能承受的热效应，来进行产品的着火危险试验。理论上讲，在产品内部的绝缘材料或外壳绝缘材料均可能由于灼热电线或灼热元件而起燃。由于电热作用可能出现的过热应力或着火危险，从而使其性能劣化，降低产品的安全性能。因此相关标准规定，这些绝缘材料不应过度地受到产品内部产生的热和火的影响。灼热丝试验是检验产品内部易使火焰蔓延的绝缘材料和外壳绝缘材料的着火安全性能的重要途径，是判定材料能否在恶劣的环境下应用的重要依据。灼热丝试验主要考核绝缘材料是否起燃，以及起燃后的火焰高度和持续时间，其试验方法和合格判定主要依据标准GB5169.10,GB5169.11,GB5169.12,GB5169.13中的规定。目前的测量火焰高度的方式是肉眼观测标尺刻度，从而估算火焰高度，其试验过程影响准确性的因素较多，测量的误差较大。针对上述问题，本文提出一种基于数字图像处理和识别的方法来测量灼热丝火焰高度，通过CMOS网络，摄像机作为图像传感器，实时摄取检测图像，将每一帧的图像转化成数字信号，再应用计算机软件技术对数字信号进行处理，从而得到火焰高度目标图像特征值，并在此基础上根据火焰图像灰度分布提取火焰外形轮廓，实现尺寸校正，灰度图分布，火焰高度和火焰持续时间计算等多种功能，进而完成对火焰高度的精确测量。1测量方案1.1火焰图像的特征灼热丝火焰的形成，是在标准大气压下，由固体绝缘材料和该绝缘材料经受高温而固气相变产生的可燃气体作为燃料，空气作为助燃气体，一般火焰形状多呈现锥形，火焰温度大约2700℃。根据普朗克黑体辐射定律，物体的温度越高，其辐射能越大，火焰的辐射能转化为连续光谱，经数字图像输入，该连续光谱转变成图像亮度信息。在火焰图像中，火焰部分相对于背景部分有着明显的亮度差异，经过对图像灰度化处理，使图像只含亮度信息，并把亮度值进行量化，分为0～255共256个级别，其中0最暗（全黑），255最亮（全白）。为了得到火焰高度，即测量图像中高亮度的区域位置最高点高度。再利用边缘检测、图像分割、特征提取等方法对火焰图像进行分析处理，以提取火焰高度。此外，灼热丝火焰高度的测量是一个动态的过程，首先分析每一帧的图像轮廓，并且把不同帧图像的火焰高度进行标定，即可以分析火焰高度随时间的变化，又可以依据各帧间隔时间，判定火焰持续时间。1.2试验系统组成灼热丝火焰测量系统主要由灼热丝试验仪、数据采集模块、网络摄像机和计算机等组成。系统结构如图1所示。网络摄像机作为图像输入设备采集灼热丝火焰图像；数据采集模块接收灼热丝试验仪输出的3个开关量信号，试验开始、灼热丝头接触到试样以及试验结束灼热丝头离开试样；计算机用于数字图像分析处理。2测量火焰高度的测量2.1火焰高度的校正根据光学成像原理，对于同一个固定的物体，在图像中的像素高度，会随着摄像机镜头与目标之间的距离远近发生改变；此外，图像是由像素组成，火焰图像像素的高度与火焰实际高度之间有线性关系，并受到摄像机镜头焦距、摄像机分辨率等因素的影响。因此为了精确计算出火焰高度，需要加入高度与像素比值的校正功能。在试验前，固定目标火焰与镜头的距离，调节好焦距，利用灼热丝试验仪垂直放置的标尺，并尽量使标尺接近火焰，以减小误差。首先获得标尺的实际高度，然后在图像中计算出标尺的像素高度，最后计算出像素高度与标尺实际高度的比值，根据线性关系就可以通过火焰图像的像素高度求出火焰的实际高度。2.2高斯—火焰边缘的确定火焰图像边缘是所要提取火焰高度和背景的分界线，利用火焰图像与背景的灰度差异可以将火焰部分与背景部分区分开来。由于噪声的存在，检测到的火焰边缘可能会变宽或者在某些点处发生间断，因此要能够抽取出反映灰度变化的边缘点，然后剔除某些边界点或填补边界间断点，并将这些边缘连接成完整的线。火焰高度的测量采用基于灰度的分割技术，通过高斯—拉普拉斯（LaplacianofaGaussian,LoG）边缘检测算子，即首先采用邻居平均法对图像做平滑处理。由于噪声点像素的灰度与其邻近像素的灰度有着显著不同，根据这一特点经过模板计算，可以有效去除噪声；再对平滑后的图像进行梯度锐化处理，补偿火焰图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像边缘变得清晰。为了去除噪声的影响，首先对图像进行高斯低通滤波，然后对滤波后的图像求二阶导数，即按照下式计算：公式（4）即为高斯—拉普拉斯边缘检测算子，也称为LoG算子。高斯—拉普拉斯算法是一种二阶边缘检测方法，通过寻找图像灰度值中二阶微分中的过零点来检测边缘点。其原理是：灰度缓慢变形成边缘经过微分算子形成一个单峰函数，峰值位置对应边缘点；对单峰函数进行微分，则峰值处的微分值为零，峰值两侧符号相反，而原先的极值点对应二阶微分中的过零点，通过检测过零点即可将火焰图像的边缘提取出来。上述程序的运行结果如图2和图3所示，图2和图3都有效抑制了噪声，且uf073越小细节增强效果越好，uf073越大则平滑效果越好，抑制噪声的能力越好。2.3火焰高度的计算方法根据CMOS摄像机数字成像原理，由灰度分布提取灰度列分布，将单位像素值转换为实际长度值，提取曲线灰度分部后，根据灰度分部曲线来确定最高的火焰高度值，火焰图像的像素点和光学测量的高度成线性关系。假设摄像机放大比例为K，沿火焰高度方向总的像素值为M，利用程序可以得到火焰最高点的坐标xmax(a,b)和基准点的坐标xbase(c,d)，可以计算出火焰的高度为：xmax(a,b)的纵坐标是b,xbase(c,d)的纵坐标是d，两个坐标的差值即为火焰的垂直高度。基准点的选取是根据GB5169.11第11章的要求，火焰的高度是指当灼热丝施加在试验样品上时，由灼热丝上缘至柔和的弱光下观察可见火焰顶部之间的垂直距离，因此计算火焰高度的基准点是灼热丝上边沿。火焰高度随时间变化如图4所示，为了标明开始测量和结束测量的时刻，在灼热丝接触材料的时刻以红色线条标出，以表示测量开始，在灼热丝离开材料时，以蓝色线条标出，以表示测量结束，由图4可以容易得出火焰高度和火焰持续时间的试验结果。3光学测量方法的选取根据数字图像处理知识，利用MATLAB工程软件，对CMOS摄像机所拍摄的彩色火焰图像提取灰度值分布曲线。依据火焰亮度明显高于背景的特征，采用了高斯—拉普拉斯算子确定火焰的边缘，采用工件尺寸的光学测量方法计算火焰高度。该测量方法经过与传统方法的对比，具有检测速度快、试验精度高、操作简便安全等特点，能够有效满足灼热丝试验的要求。其中yxf),(为图像函数,yxG),(为高斯函数,表示为:其中是标准差,表示用高