自來水廠礬花拍攝裝置設計與應用

摘 要：自來水廠的混凝劑投加工藝，通常是根據人工觀察判斷絮凝效果。鑒于此，對礬花圖像拍攝裝置展開研究，設計了一套可全天候拍攝、自主控制、自適應光源亮度調節(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計，如相機鏡頭、機械裝置、光源、控制板設計；軟件開發(fā)，如微處理器控制程序、相機控制程序和人機界面。最后對該項目的研究成果進行了總結，對拍攝裝置的測試效果進行了圖片展示。

關鍵詞：混凝劑；礬花圖像；拍攝裝置

中圖分類號：TH69" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：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的環(huán)節(jié)，它直接影響水處理的最終結果。混凝沉淀工藝是指往水中加入適量的混凝劑使細小顆粒聚集成具有良好沉降特性的絮凝體（水處理行業(yè)一般稱為“礬花”），并使其從水中分離的過程。

在常規(guī)的水處理工藝中，混凝沉淀工藝是一個多參數、非線性且大時滯的過程。目前，大多數水廠仍根據原水濁度、流量的變化，依靠人工經驗設定藥耗值，通過PLC實現混凝劑的自動投加。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)后憑經驗判斷，尚不能做到定量測定和精準控制，勞動強度大、人工經驗差異及難以應對混凝效果影響因素突變的缺點依然較為明顯。部分水廠在混凝沉淀工藝的混凝劑投加控制中已應用礬花圖像識別處理技術，但該類水廠多以水庫水為水源，原水水質長期穩(wěn)定，對以江河水為水源的大型水廠參考意義不大。研究表明，在一定沉淀條件下，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。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間大大縮短。研究開發(fā)一套成本較低、使用方便且可長時間獲取水下清晰礬花圖像的檢測設備，對于改進混凝劑投加控制系統具有重要意義。

南方某大型水廠研究設計了一套可全天候拍攝、自主控制、自適應光源亮度調節(jié)且成像清晰的礬花圖像拍攝裝置系統并進行試運行，為該水廠研究基于圖像識別的多參數混凝劑智能投加關鍵技術提供了優(yōu)質的圖像資源，可助力實現大型水廠混凝劑智能投加的精準控制。

1" " 系統結構

項目總體需求是設計可全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)采集和傳輸礬花圖像的拍攝裝置系統，要求系統具有良好的防水密封性，可長時間進行水下采集，并且成像清晰，提供人工設置調整參數功能。系統的應用環(huán)境是露天的水下測量環(huán)境，設計系統時需要考慮防水和環(huán)境光干擾的問題。在長時間水下工作后，采樣透視窗口容易被污染，從而影響圖像的質量，因此系統需要具備清潔功能。在補光不足時水體渾濁會導致水下環(huán)境的光照低，因此采集到的水下圖像需要進行圖像增強處理來保證清晰度和亮度。系統采集的圖像必須實時顯示，而且設備參數在調試階段需不斷調整，所以需要設計一個簡潔明了的人機界面。

項目總體目標是設計一款可全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)采集和傳輸礬花圖像的拍攝裝置系統。該系統通過相機采集圖像數據，借助水廠內局域網將圖像數據經由交換機傳至廠內計算機端，通過人機界面實時顯示。系統整體結構如圖1所示。

礬花圖像拍攝裝置系統由硬件和軟件兩個部分組成。按照功能需求分析可知，硬件部分由上位機顯示、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、相機控制程序以及人機界面這三部分組成。系統整體示意圖如圖2和圖3所示。

2" " 硬件設計

2.1" " 鏡頭選擇

由于圖像拍攝設備需要放置于流動的水下環(huán)境，所以處于流動狀態(tài)的礬花顆粒與鏡頭的距離并不是固定的。在理想情況下，希望出現在視野內的礬花顆粒都能被拍攝清楚，但由于在鏡頭參數固定的情況下鏡頭具有固定的成像范圍，即在對焦點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，在無人為操作的情況下，都只能拍攝清楚一定距離范圍內的物體。為了能將距離較近的礬花拍攝清楚，在選擇焦距時應該考慮短焦距鏡頭。

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

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

經過對多種高清晰度工業(yè)相機鏡頭的焦距、畸變率和視場角等參數進行綜合對比，最終選擇中聯科創(chuàng)的MV0420MP5工業(yè)相機鏡頭。具體參數如表1所示。

工業(yè)相機選擇?？低暤腗V-CS050-10GC-PRO全局快門網口相機。相機的標定采用最常用的相機標定方法——張正友相機標定方法[1]。

2.2" " 防水外殼和支架

由于需要將工業(yè)相機放入水中拍攝圖像，所以需要給相機做防水處理，方案就是將設備全部放入一個防水外殼中。本項目設計了一個方型防水外殼。

景深的大小與鏡頭焦距、光圈大小以及對焦距離有關。由于裝置拍攝的是固定水體厚度范圍內的圖像，拍攝距離太遠無法得到清晰的圖像，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，減少模糊背景的產生。根據鏡頭的焦距以及調節(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。

在實際使用過程中發(fā)現背景板的反光會造成圖像中出現鏡頭和光源的影子，給圖像帶來干擾。項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比度，磨砂表面十分微小的凹凸部分可以增加觀測背景板的粗糙程度，達到增加對光的散射和減少反射的目的[2]。

長時間運行后，裝置的采樣窗口和背景板上會附著一些礬花顆粒，造成圖像不清晰，這就需要設計水下清潔裝置，采用步進電機來帶動清潔機構進行擦拭，這種方法的好處在于結構簡單可靠，容易實現，成本較低。對于清潔裝置的設計，本項目采用的是防水步進電機與毛刷的結合，毛刷為自制零件，分為兩部分：電機連接彎頭和刷條。其中彎頭使用3D金屬打印技術制造。

礬花圖像拍攝裝置需要在露天環(huán)境下使用，因此需要設計一個能夠擋雨的遮罩，避免裝置在雨天進水。遮罩的另一個作用是擋住太陽光，盡可能減少環(huán)境光對圖像質量的影響。

經過多個位置的采樣成像效果對比，確定選擇平流沉淀池進水口位置安裝拍攝裝置?？紤]到安裝的位置以及便于測試實驗，設計了一個便攜式可移動支架。

2.3" " 光源設計

礬花圖像拍攝裝置需要全天24 h進行拍攝采樣，且長期放于水下，光源是必不可少的。對于拍攝運動的物體來說，曝光時間過長會造成圖像出現物體的殘影，曝光時間過少會導致圖像的亮度下降。所以必須配合光源進行拍攝，以確保被拍攝的物體獲得最合適的曝光時間，提高圖像質量。

經過多次模擬仿真和調光實驗，選擇了16個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，光敏電阻用于檢測環(huán)境光亮度，并通過ADC將電壓信號轉為數字信號。在需要拍照時，微處理器讀取光敏電阻的電壓數字值，通過預設的PWM占寬比計算函數來修改PWM的占寬比輸出，從而實現光源亮度的調節(jié)。

2.4" " 控制板設計

礬花圖像拍攝裝置是自動進行拍攝的，相機的自動抓拍功能通過服務器的控制程序實現，而光源亮度的調節(jié)和清潔裝置的工作則通過控制板的控制電路實現?？刂瓢逯饕娫措娐?、光源驅動電路、微處理器電路。

相機的電源是直流12 V供電，為了不增加額外電源，以降低設計成本，方便小型化設備，本項目均以直流12 V電源電壓經過升壓或降壓實現其他硬件所需的工作電壓。

光源的驅動選用大功率的LED驅動芯片——金升陽的KC24H-1000R3，對比其不同輸入/輸出關系的工作范圍，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發(fā)出的信號、計算PWM波占空比以調節(jié)光源亮度和控制電機進行清潔操作。電路圖如圖4所示。

3" " 程序軟件開發(fā)

3.1" " 嵌入式微處理器控制程序開發(fā)

3.1.1" " 清潔裝置的控制

清潔裝置的控制主要是通過使用控制電路中的三個定時器TIM1～TIM3和三個I/O口PA5～PA7。TIM1用來定時控制清潔裝置工作，每間隔一定的時間清潔一次；TIM2作為計數器，用來計數給步進電機的脈沖數，以控制步進電機轉動的角度；TIM3用來產生脈沖信號，脈沖的頻率大小決定步進電機轉動的速度。

3.1.2" " 光源亮度的調節(jié)

對于光源的控制需要使用一個定時器TIM4和四個I/O口PB0～PB1、PB6、PA1。當相機需要拍照時，在曝光前，STM32接收到相機傳送過來的高電平觸發(fā)信號，讀取光敏電阻的電壓值，利用函數計算合適的PWM占空比，TIM4根據計算的結果產生相應的PWM波，輸出至LED燈組的驅動電路。

3.2" " 相機控制程序開發(fā)

3.2.1" " 開發(fā)環(huán)境

?？低暯o開發(fā)人員提供軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），通過SDK中的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）獲取相機功能參數，即可通過編程的方式在相機原有的功能基礎上添加自己的需求，實現對相機的控制。在C++環(huán)境下，利用Python這一編程語言可實現對海康工業(yè)相機控制程序的開發(fā)，例如：使用MV_CC_GetFloatValue（）函數，獲取相機參數；使用MV_CC_SeTFloatValue（）函數，設置相機參數。SDK開發(fā)工具包可在?？倒I(yè)相機客戶端MVS的安裝包獲取。

3.2.2" " 圖像采集

一次完整的圖像采集過程需要執(zhí)行三個線程：定時器線程、取圖線程、圖像處理線程。初始化相機采集方式為觸發(fā)模式，定時器線程定時發(fā)送一個觸發(fā)信號給相機，然后相機開始曝光采集圖像，取圖線程獲取內存中的圖像數據，并交給圖像處理線程對圖像數據進行處理。需要注意的是，Python中Timer庫創(chuàng)建的定時器線程只執(zhí)行一次，需使用createTimeThread（）函數將Timer創(chuàng)建的線程設置為循環(huán)定時器線程。

3.2.3" " 圖像處理

畸變是工業(yè)相機鏡頭的固有特性，無法完全消除，需要對圖像進行畸變校正處理。相機的標定采用張正友相機標定方法，通過相機標定實驗可獲得相機的內參數及畸變系數，直接使用OpenCV提供的undistort函數進行畸變矯正，對畸變失真的圖像進行校正處理。

實際的生產應用中，礬花圖像的拍攝是在流動的水體中進行的，需要相機通過縮短曝光時間的方式獲得更小的快門時間，但正是由于曝光時間過小，所獲得原始圖像不能直接顯示，這就需要用到圖像增強技術，通過提高圖像的對比度和增強圖像的整體或局部特征，使原本不清晰的圖像變得清晰，以達到增強圖像視覺效果的目的[3]。

本項目采用實際水下圖像，選用不同的算法，其中包括直方圖均衡化、對比度限制局部均衡化、濾波算法、暗通道先驗去霧算法、MSRCR算法等，通過多組實驗對比驗證算法的圖像增強效果，以圖像的亮度和清晰度進行綜合評判，最終決定使用MSRCR算法對水下低光照圖像進行增強處理。采用MSRCR算法進行圖像增強處理的效果如圖5所示。

3.3" " 人機界面設計

人機控制界面的設計使用的是Python編程語言的GUI工具包——PyQt5進行開發(fā)，本文不作詳細描述。相機控制界面如圖6所示。

4" " 總結分析

對礬花圖像拍攝裝置樣機及系統進行全面的功能性調試，并將裝置及系統部署在南方某大型水廠的實際生產環(huán)境中試運行。該裝置實現了全天候在較大水流速度的露天環(huán)境下持續(xù)拍攝和傳輸礬花圖像，通過廠內局域網傳送至廠內計算機端，通過人機界面實時顯示；實現針對水下拍攝鏡面的自動清潔；實現對沉淀池礬花的恒定光源補償拍攝，對水下高速運動的礬花絮凝體進行清晰拍照成像。圖像的成像質量較好，沒有出現過亮或過暗、殘影、模糊等現象，表明礬花圖像拍攝裝置及系統已基本達到要求。裝置現場安裝及拍攝效果如圖7～11所示。

系統試運行至今，狀態(tài)良好，為該水廠接下來進行的基于圖像識別的多參數混凝劑相關性控制模型和智能投加評估系統的研究提供了優(yōu)質的圖像資源，可助力實現大型水廠混凝劑智能投加的精準控制。

[參考文獻]

[1] ZHANG Z Y.A Flexible New Technique for Camera Calibration[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（11）：1330-1334.

[2] 郭宇，郭榮軍.高透明度水性木器啞光清面漆的研制[J].中國涂料，2016，31（2）：25-28.

[3] 吳佳麗.基于Retinex理論的非均勻光照圖像增強算法研究[D].南京：南京郵電大學，2022.

收稿日期：2024-08-30

作者簡介：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)自動控制技術、智能信息化系統等方面的研究與應用工作。

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