一種基于數(shù)字圖像處理的灼熱絲火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄒德臣，王慧武，叢超

（哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028）

0 引 言

電子電器零部件在故障或過(guò)載等條件下可能達(dá)到過(guò)高的溫度而存在引起著火的危險(xiǎn)。灼熱絲試驗(yàn)就是模擬過(guò)載電阻之類(lèi)的熱源或點(diǎn)火源在短時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品施加熱應(yīng)力，通過(guò)觀(guān)察和測(cè)量被測(cè)材料在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的燃燒情況，來(lái)評(píng)定樣品的著火危險(xiǎn)性。灼熱絲試驗(yàn)是檢驗(yàn)電工電子產(chǎn)品中絕緣材料耐燃性能重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。灼熱絲試驗(yàn)主要是為了測(cè)試絕緣材料在試驗(yàn)條件下，起燃后的火焰高度和持續(xù)時(shí)間，其試驗(yàn)方法和合格判定在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5169.10，GB 5169.11，GB 5169.12，GB 5169.13中明確規(guī)定。目前的測(cè)量火焰高度和持續(xù)時(shí)間的測(cè)量方式是肉眼觀(guān)測(cè)標(biāo)尺刻度，從而估算火焰高度，由于肉眼分辨力有限而且易受實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾，所以測(cè)量的誤差較大［1－2］。

灼熱絲火焰是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由固體絕緣材料和該絕緣材料經(jīng)受高溫而固氣相變產(chǎn)生的可燃?xì)怏w作為燃料，空氣作為助燃?xì)怏w的條件下形成的?；鹧娴谋举|(zhì)是放熱反應(yīng)中反應(yīng)區(qū)周邊空氣分子加熱而高速運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)光的現(xiàn)象，根據(jù)溫度和亮度的差異可分為內(nèi)層、中層和外層。在灼熱絲火焰檢測(cè)和火焰高度測(cè)量中，需要測(cè)量的是灼熱絲上緣與火焰外層頂部之間的垂直距離，然而由于灼熱絲火焰外層火焰溫度極高其光譜集中在紫外區(qū)，這使得人眼不能對(duì)其進(jìn)行分辨，而實(shí)際能觀(guān)測(cè)到的只是光譜集中在可見(jiàn)區(qū)的內(nèi)焰部分，所以無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量灼熱絲火焰的實(shí)際高度［3－6］。

在灼熱似火焰圖像中，外層火焰的溫度和亮度都是最高的，雖然其光譜集中在不可見(jiàn)區(qū)，但可以通過(guò)提取火焰圖像中的亮度特征，并結(jié)合輪廓提取技術(shù)將需要測(cè)量其高度的外層火焰提取出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)灼熱絲火焰高度的準(zhǔn)確測(cè)量。就是基于上述思路，提出了一種基于數(shù)字圖像處理方法和輪廓提取技術(shù)的灼熱絲火焰高度測(cè)量方法，并綜合圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)、高準(zhǔn)確度的灼熱絲火焰檢測(cè)系統(tǒng)，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性和高準(zhǔn)確度。

1 灼熱絲火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

所設(shè)計(jì)的灼熱絲火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)兩種功能：（1）測(cè)量灼熱絲火焰持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度；（2）準(zhǔn)確測(cè)量（誤差范圍在）某一時(shí)刻灼熱絲火焰的高度。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了圖像采集與傳輸模塊、基于STM 32F407型單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理模塊和灼熱絲火焰高度擬合曲線(xiàn)輸出部分。此檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)首先通過(guò)圖像采集系統(tǒng)獲取灼熱絲實(shí)驗(yàn)圖像，然后通過(guò)通信端口將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字圖像處理模塊，此環(huán)節(jié)根據(jù)灼熱絲火焰圖像的主要噪聲干擾和火焰圖像輪廓特征，并為了兼顧系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，綜合應(yīng)用了灰度處理、亮度范圍截取、中值濾波去噪和Canny邊緣提取方法，以完成對(duì)灼熱絲火焰外層輪廓的完整、準(zhǔn)確提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)灼熱絲火焰高度的高精度測(cè)量。最后根據(jù)圖像采集起始時(shí)刻和采樣間隔標(biāo)定采樣時(shí)間，繪制火焰高度擬合曲線(xiàn)，其中火焰高度不為零的采樣點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間即為灼熱絲火焰持續(xù)時(shí)間。本系統(tǒng)的圖像采集模塊每秒鐘可采集10幀圖像，所以通過(guò)本系統(tǒng)得到的火焰持續(xù)時(shí)間的誤差不會(huì)大于0.1 s。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 灼熱絲火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of glow-wire flame monitoring system

2 基于圖像處理和識(shí)別技術(shù)的火焰高度測(cè)量

2.1 灰度處理及亮度范圍截取

在火焰圖像中，火焰部分相對(duì)于背景部分有著明顯的亮度差異，為了提取出火焰的這一重要特征，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰高度的測(cè)量，本文首先應(yīng)用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行了灰度處理，將由圖像采集模塊獲得的R.G B色彩影像三原色數(shù)值轉(zhuǎn)化為亮度值，進(jìn)而使圖像中的每一像素由一個(gè)二維數(shù)組表示，這樣在保留了火焰圖像主要特征的同時(shí)進(jìn)也方便應(yīng)用Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將原圖像的顏色值灰度值為：

式中R、B、G分別是原圖像中的紅、藍(lán)、綠顏色分量值。經(jīng)過(guò)灰度處理后的每一個(gè)像素都只含有進(jìn)行了0～255之間的量化后的亮度值信息。需要進(jìn)行提取用于火焰高度測(cè)量的外層火焰其亮度值最大，如圖2所示，為了保留此部分圖像需要對(duì)灰度圖像進(jìn)行了灰度范圍截取，Matlab中的imadjust函數(shù)可實(shí)現(xiàn)此功能，其基本原理為：選取原圖像中亮度值處于某一范圍的像素，并將此部分像素的亮度值重新擴(kuò)展到0～255。

圖2 灰度處理前后的灼熱絲火焰圖像Fig.2 Images of glow-wire flame before and after gray processing

2.2 濾波

在灼熱絲火焰圖像獲取的過(guò)程中，外部電磁干擾、圖像采集系統(tǒng)和存儲(chǔ)設(shè)備的內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)和傳輸介質(zhì)的缺陷會(huì)產(chǎn)生一些噪聲干擾，稱(chēng)為椒鹽噪聲。這種干擾會(huì)嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量和后續(xù)邊緣提取的準(zhǔn)確度，為了獲得高質(zhì)量的圖像進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)量火焰高度等信息，需要對(duì)火焰圖像進(jìn)行濾波處理。目前常用的噪聲濾波方法主要有低通濾波法、帶通濾波法、平滑濾波均值濾波和中值濾波等方法［7－9］。在以上述各方法中對(duì)于所要設(shè)計(jì)的火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)而言，中值濾波方法具有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：（1）算法原理簡(jiǎn)明、運(yùn)算速度快；（2）對(duì)于由疊加白噪聲和行為疊加噪聲組成的椒鹽噪聲的濾除效果明顯；（3）在有效濾除噪聲的同時(shí)能完整保留圖像邊緣。綜合上述特點(diǎn)和仿真對(duì)比結(jié)果，文中采用中值濾波方法進(jìn)行濾波處理。圖3中為不通濾波方法的濾除噪聲效果，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，中值濾波方法的圖像去噪效果最佳。

圖3 不同濾波方法的圖像去噪效果對(duì)比Fig.3 Comparison of image denoising based on different filteringmethods

2.3 基于Canny算子的圖像輪廓提取

目前可用以圖像輪廓提取的方法主要有：Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Laplace算子和Canny算子，相比之下Canny具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）能完整提取出涵蓋圖像邊緣的輪廓；（2）具有較強(qiáng)的抑制噪聲作用；（3）產(chǎn)生虛假邊緣概率低。綜上優(yōu)點(diǎn)選用了Canny進(jìn)行火焰圖像輪廓提取。Canny算子的邊緣檢測(cè)基本原理：首先用高斯濾波器平滑圖像，待處理的數(shù)字圖像的二維高斯函數(shù)為：

將圖像 f（x，y）與 G（x，y）的偏導(dǎo)作卷積可得：

A（x，y）反映了圖像在像素點(diǎn)（x，y）處的邊緣梯度強(qiáng)度，θ是圖像（x，y）點(diǎn)處的梯度法向矢量。

綜合 A（x，y）、θ可以得到全局的梯度，其中的具有局部梯度極大值的像素點(diǎn)即是圖像的邊緣部分，Canny算子通過(guò)非極大值抑制的方法來(lái)確定圖像邊緣。此方法可簡(jiǎn)述為：以每一像素點(diǎn)為中心點(diǎn)畫(huà)四條等間隔的梯度線(xiàn)，并將此點(diǎn)與各梯度線(xiàn)上的相鄰點(diǎn)比較，若為極大值則保留不為極大值責(zé)令其為0。經(jīng)過(guò)非極大值抑制后保留下來(lái)的點(diǎn)即為圖像邊緣點(diǎn)，準(zhǔn)確地將這些點(diǎn)連接即為圖像輪廓。

為了可以完整準(zhǔn)確提出圖像輪廓的同時(shí)又可以不出現(xiàn)虛假邊緣，Canny算子選擇了雙閾值算法，其中高閾值約為低于值得2倍，具體檢測(cè)步驟為：分別用兩個(gè)閾值對(duì)經(jīng)非極大值抑制后的圖像進(jìn)行檢測(cè)，得到兩組圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果，其中高閾值的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)虛假邊界的概率很低，但輪廓點(diǎn)較少，低閾值的檢測(cè)結(jié)果則相反。在保留高閾值檢測(cè)結(jié)果中的全部像素點(diǎn)基礎(chǔ)上，并對(duì)于在高中出現(xiàn)的點(diǎn)再在低中與之相鄰的8個(gè)點(diǎn)中根據(jù)梯度方向進(jìn)行選擇，最后將符合條件的點(diǎn)進(jìn)行連接就是基于Canny算子得到的圖像輪廓。圖4為應(yīng)用Sobel算子、Prewitt算子、Laplace算子和Canny算子對(duì)灰度圖像進(jìn)行輪廓提取的結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可知Canny算子所提取的火焰圖像輪廓的清晰度和完整度都是最佳的。

2.4 灼熱絲火焰高度的計(jì)算

首先通過(guò)簡(jiǎn)單的搜索程序確定火焰輪廓中橫坐標(biāo)最小點(diǎn) a1（x1，y1）和縱坐標(biāo)最高點(diǎn) a2（x2，y2）的像素，其中a1即為灼熱絲上的某一點(diǎn)，y1則為火焰的基準(zhǔn)高度點(diǎn)縱坐標(biāo)，a2即為火焰外層的最高點(diǎn)，y2則為火焰外層最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)?；鹧娓叨鹊幕鶞?zhǔn)點(diǎn)是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的：由灼熱絲上緣至柔和的弱光下觀(guān)察可見(jiàn)火焰頂部之間的垂直距離。

圖4 采用不同算子的火焰輪廓提取結(jié)果Fig.4 Extract results of the flame profile using different operators

圖5 灼熱絲火焰高度檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Themonitoring results of the height of the glow-wire flame

根據(jù)攝像機(jī)數(shù)字成像原理，設(shè)圖像采集系統(tǒng)的圖像放大倍數(shù)為k，火焰高度方向總的像素值為m，火焰實(shí)際高度計(jì)算式為：

圖5為應(yīng)用文中所設(shè)計(jì)的火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際灼熱絲火焰的檢測(cè)結(jié)果，觀(guān)察圖中測(cè)量結(jié)果可知此次灼熱絲試驗(yàn)的火焰開(kāi)始時(shí)刻為9.0 s、截止時(shí)刻為49.6 s，持續(xù)時(shí)間為40.6 s，火焰的最大高度出現(xiàn)在26.0 s為8.9 cm。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)得火焰的起止時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間和灼熱絲燃燒過(guò)程中某一時(shí)刻的火焰高度。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)灼熱絲火焰高度和持續(xù)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量，提出了一種基于多種數(shù)字圖像處理技術(shù)的灼熱絲火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)需要測(cè)量的外層火焰的亮度特征，綜合應(yīng)用了灰度處理、亮度映射、中值濾波和Canny算子等方法進(jìn)行火焰輪廓準(zhǔn)確提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰高的準(zhǔn)確測(cè)量與監(jiān)測(cè)。文中通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本系統(tǒng)各環(huán)節(jié)所選用方法對(duì)火焰圖像處理的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后用一組實(shí)際灼熱絲試驗(yàn)的火焰監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)灼熱絲火焰的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。