一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法
【專利摘要】本發明公開了一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，包含了圖像預處理、視角變換、圖像盲區重現、圖像拼接、圖像融合和溫度彩色編碼等步驟。本發明提供的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法通過設置的多個監控探頭獲得爐膛內覆蓋全景的俯視圖圖像，然后結合爐膛空間尺寸及監控探頭像元所張空間立體角，將爐膛局部俯視圖像快速轉換為正視圖像，直觀反映爐膛內部真實信息，視覺效果好。本方法可快速有效地提取管式反應爐爐膛全景圖像，最大程度的保留了爐管實時信息，通過此全景圖像可提取紅外輻射信息，能夠準確計算爐管爐壁表面溫度，全景展現爐膛溫度信息及變化趨勢，為管式反應爐全景溫度場檢測奠定基礎。
【專利說明】
一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法
技術領域
[0001]本發明涉及成像技術，尤其涉及一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，屬于化工裝備運行檢測領域。
【背景技術】
[0002]管式反應爐是化工生產的核心設備，爐管的實時狀態信息對于整個反應過程的安全監管和高效生產都有著至關重要的作用，但管式反應爐爐膛內部情況復雜，且始終處于高溫加熱狀態，無法近距離觀測。隨著圖像處理技術的發展和成熟，管式反應爐爐膛圖像的獲取有了新的途徑。
[0003]專利CN200410060961公開了一種燃煤鍋爐爐內三維溫度場實時監測裝置，通過沿爐膛高度分層布置多支彩色CCD攝像頭分層次采集不同高度不同角度空間區域的煤粉燃燒圖像，并將各攝像頭的視頻信號送入視頻分割器中合成為一路信號，最終送入計算機處理，提取空間溫度分布。但該專利所采用的彩色CCD傳感器并不是針對高溫物體測量應用設計，而是主要考慮符合人眼的光刺激要求，其中B通道接近紫外波段，進行高溫測量時能量過小，容易受噪聲影響，帶入計算中容易被其它通道參數淹沒。專利CN200810053148公開了一種高溫爐爐內視頻圖像測溫系統，通過在爐膛側壁安裝廣角攝像裝置來采集爐膛圖像，最終在工控機顯示器上進行顯示。但該專利采用高溫工業電視獲取爐膛視頻圖像，其本質是高溫視頻監控系統，不適合溫度檢測。文獻《高爐料面自動成像控制系統的設計與研究》設計了一種“可視化”的高爐料面監控系統，并提供了感興趣區域的圖像拼接，得到整個高爐料面完整的實時圖像，但該方法所拼接的各個料面圖像均為正視圖，且有明顯特征區域，依賴圖像的拍攝角度和特征信息，局限性較大，不能適應管式反應爐局部圖像高度相似的情況。

【發明內容】

[0004]基于【背景技術】存在的技術問題，本發明提出了一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法。
[0005]本發明提出的一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，包括以下步驟:
[0006]a、在被測管式反應爐爐膛側上部安裝多個監控探頭以采集爐膛局部俯視圖像，監控探頭數量以覆蓋爐膛全景為準；
[0007]b、根據爐膛空間尺寸和監控探頭俯視角度計算各像元在垂直方向上的空間放大倍數，將局部俯視圖像根據空間放大倍數在垂直方向上進行縮放以轉換成局部正視圖；
[0008]c、通過線性插值法重現監控探頭采集圖像的視覺盲區并對轉換后的局部正視圖進行補充；
[0009]d、根據各局部正視圖圖像重疊區域的匹配點位置信息，完成圖像拼接；
[0010]e、判斷拼接后圖像與實際場景是否一致，如果不一致，則返回步驟d;
[0011]f、拼接圖像與實際場景一致，則對拼接后圖像進行融合，消除圖像接縫。
[0012]優選地，步驟b中將局部俯視圖轉換為局部正視圖具體方式為:根據爐膛空間尺寸和監控探頭俯視角度計算各像元在垂直方向上的空間放大倍數;將局部俯視圖圖像在垂直方向上以相同空間立體角進行等分，取中心行作為視角變換的基準行，基準行以上按空間放大倍數逐點做相應縮小處理，基準點以下按空間放大倍數逐點做相應放大處理。
[0013]優選地，相鄰行之間像素值利用雙線性插值法計算。
[0014]優選地，步驟c中，視覺盲區重現的方法為:
[0015]Cl、建立局部正視圖圖像的像素矩陣Gmxn;
[0016]c2、預設中間值 K，2KSM，且 2KSN;
[0017]c3、從像素矩陣Gmxn第一列開始讀取缺失邊緣向下共2K行的像素值，將第K行作為該區域平均值，推算邊緣向上第一行缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新；
[0018]c4、對像素矩陣Gmxn行數遞增，重復步驟c3直至像素矩陣缺失行被填滿；
[0019]c5、從像素矩陣Gmxn第一行開始讀取缺失邊緣共2K列的像素值，將第K列作為該區域平均值，推算邊緣第一列缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新；
[0020]c6、對像素矩陣Gmxn列遞增，重復步驟c5直至像素矩陣被填滿；
[0021]c7、根據填充的像素矩陣像素值對局部正視圖缺失部分進行補充。
[0022]優選地，步驟d具體為:采用相位相關法計算各局部正視圖圖像重疊區域的匹配點位置信息，完成圖像拼接。
[0023]優選地，步驟d中圖像拼接的具體步驟如下:
[0024]dl、設置灰度閾值，對兩幅局部正視圖根據sobel算法進行邊緣提取獲得輪廓化的灰度圖像；
[0025]d2、針對輪廓化灰度圖像與對應的局部正視圖計算灰度對比度；
[0026]d3、將灰度對比度與預設的臨界灰度對比度比較；當灰度對比度大于或等于臨界灰度對比度，則返回步驟dl并調整灰度閾值；
[0027]d4、當灰度對比度小于臨界灰度對比度，則對步驟dl中所得到的兩幅輪廓化灰度圖像利用相位相關法計算兩者之間的平移關系；
[0028]d5、根據平移關系對局部正視圖進行拼接。
[0029]優選地，步驟e中判斷拼接后圖像與實際場景是否一致的方法為:檢查拼接后圖像中爐膛底部火嘴位置，根據火嘴是否在同一條直線上判斷拼接后圖像是否與實際場景一致。
[0030]優選地，步驟a中，監控探頭視角邊緣線可達到相鄰監控探頭的正下方火嘴處。
[0031]優選地，監控探頭置于外層保護筒內，并采用儀表風冷卻吹掃。
[0032]本發明提供的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法通過設置的多個監控探頭獲得爐膛內覆蓋全景的俯視圖圖像，然后結合爐膛空間尺寸及監控探頭像元所張空間立體角，將爐膛局部俯視圖像快速轉換為正視圖像，直觀反映爐膛內部真實信息，視覺效果好。
[0033]本發明根據線性插值算法對圖像盲區進行重現，增加了拼接區域的特征信息，保證了在爐膛內部局部圖像高度相似的情況下拼接效果的可靠性。
[0034]本發明根據閾值可變邊緣提取算法對局部圖像進行輪廓化處理，僅保留了特征明顯的爐管信息，不僅減少了數據處理量，提高了運算速度，且增加了本處理算法的應用范圍。
[0035]本方法包含了圖像預處理、視角變換、圖像盲區重現、圖像拼接、圖像融合和溫度彩色編碼等步驟，可快速有效地提取管式反應爐爐膛全景圖像，最大程度的保留了爐管實時信息，通過此全景圖像可提取紅外輻射信息，能夠準確計算爐管爐壁表面溫度，全景展現爐膛溫度信息及變化趨勢，為管式反應爐全景溫度場檢測奠定基礎。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發明提出的一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法流程圖；
[0037]圖2為本發明中監控探頭安裝位置結構示意圖；圖中:C.監測探頭安裝位置，T.爐管，S.視角邊緣線，M.視角中心線；
[0038]圖3為圖像盲區重現方法流程圖；
[0039]圖4a局部正視圖灰度化圖；
[0040]圖4b對圖4a進行閾值分割后的輪廓化的灰度圖；
[0041 ]圖5圖像拼接方法流程圖。
[0042]圖6全景爐膛效果圖。
【具體實施方式】
[0043]參照圖2，本發明提出的一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，包括以下步驟。
[0044]a、在被測管式反應爐爐膛側上部安裝多個監控探頭以采集爐膛局部俯視圖像，監控探頭數量以覆蓋爐膛全景為準。
[0045]本實施方式中，監控探頭采用紅外探頭，且為了防止爐內高溫和煙氣對成像造成不利影響，監控探頭安裝在外層保護筒內，并采用儀表風冷卻吹掃。具體參照圖1，本實施方式中，監控探頭安裝在對應的火嘴上方，監控探頭視場中心與水平方向成一定角度斜向下，以保證監控探頭視角下邊緣線可以達到爐管底部，且監控探頭視角邊緣線可達到相鄰監控探頭的正下方火嘴處。
[0046]b、根據爐膛空間尺寸和監控探頭俯視角度計算各像元在垂直方向上的空間放大倍數，將局部俯視圖像根據空間放大倍數在垂直方向上進行縮放以轉換成局部正視圖。
[0047]本步驟中，將局部俯視圖轉換為局部正視圖具體方式為:獲取空間每行實際長度與基準行實際長度之比作為空間放大倍數;將局部俯視圖圖像在垂直方向上以相同空間立體角進行等分，取中心行作為視角變換的基準行，基準行以上按空間放大倍數逐點做相應縮小處理，基準點以下按空間放大倍數逐點做相應放大處理，如此，將局部俯視圖轉換成局部正視圖，完成視覺轉換，以便對爐管工作狀態進行有效監測，并為全景重現奠定基礎。本實施方式中，相鄰行之間像素值利用雙線性插值法計算，以便提高圖像分別率。
[0048]C、通過線性插值法重現監控探頭采集圖像的視覺盲區并對轉換后的局部正視圖進行補充。由于監控探頭俯視角度大，導致爐膛中上部爐管未能進入監控探頭視角范圍內，所獲得的待拼接局部圖像難以避免存在一定視覺盲區。特別是相鄰局部圖像接縫處盲區較大，如果忽視圖像盲區的特征信息，勢必難以保證拼接效果的可靠。
[0049]參照圖3，本實施方式中，視覺盲區重現的方法為:
[0050]Cl、建立局部正視圖圖像的像素矩陣GMXN。
[0051]像素矩陣Gmxn中，將圖像缺失點的像素定義為0，Μ、Ν分別為該矩陣的最大行號和列號，(i，j)表示該矩陣中行號為i，列號為j的點，XdU)為該點的像素值。
[0052]c2、預設中間值 K，2KSM，且 2KSN。
[0053]c3、從像素矩陣Gmxn第一列開始讀取缺失邊緣向下共2K行的像素值，將第K行作為該區域平均值，推算邊緣向上第一行缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新。
[0054]本實施方式中，以K= 4為例進行闡述。在像素矩陣Gmxn中，從j = l開始，由上向下尋找第一個像素不為0的點(1，」_)，并向下讀取(1+1，」_)、(1+2，」_)、(1+3，」_)、(1+4，」_)、(1+5，」_)、(1+6，」)、(1+7，」)、(1+8，」)共八個點像素值，將(1+4，」)點像素作為這九個點的平均像素值，推算邊緣向上的第一個點缺失的像素值，推理模型如下:
[0055]X(1-1, j) = 8X(i+4, j)_X(i, j)_X(i+l, j)_X(i+2, j)_X(i+3, j)_X(i+5, j)_X(i+6, j)_X(i+7, j)_X(i+8, j)
[0056]然后將X(i—I, j)值填入后，更新Gmxn。
[0057]c4、對像素矩陣Gmxn行數遞增，重復步驟c3直至像素矩陣缺失行被填滿。
[0058]c5、從像素矩陣Gmxn第一行開始讀取缺失邊緣共2K列的像素值，將第K列作為該區域平均值，推算邊緣第一列缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新。
[0059]具體的，從i= l開始，由上向下尋找第一個像素不為O的點(i，j)，并向下讀取(i，j+ l)、(i，j+2)、(i，j+3)、(i，j+4)、(i，j+5)、(i，j+6)、(i，j+7)、(i，j+8)共八個點像素值，將(i，j+4)點像素作為這九個點的平均像素值，推算邊緣向上的第一個點缺失的像素值，推理模型如下:
[0060]X(i,j-l) = 8X(i,j+4)-X(i’j)-X(i’j+l)-X(i’j+2)-X(i’j+3)-X(i’j+5)-X(i’j+6)-X(i’j+7)-X(i’j+8)[0061 ]然后將X(i,υ值填入后，更新Gmxn。
[0062]c6、對像素矩陣Gmxn列遞增，重復步驟c5直至像素矩陣被填滿；
[0063]c7、根據填充的像素矩陣像素值對局部正視圖缺失部分進行補充。
[0064]圖4a、圖4b分別為局部正視圖的灰度化圖和閾值分割圖。
[0065]步驟C5中，考慮到監控探頭俯視角度的傾斜特性，像素矩陣Gmxn中，可能缺失左邊緣的列像素點也可能缺失右邊緣的列像素點。以上實施例闡述了缺失左邊緣列像素點的重現方法，以下對缺失右邊緣像素點的重現方法進行闡述。
[0066]該實施例依然定義K= 4，向右計算缺失與向左計算缺失的區別在于，該實施例將第K+1列作為該區域平均值。具體的，從i = l開始，由上向下尋找第一個像素不為O的點(i，」)，并向下讀取(1，」+1)、(1，」+2)、(1」+3)、(1，」+4)、(1，」+5)、(1，」+6)、(1，」+7)、(1，」+8)共八個點像素值，將(i，j+5)點像素作為這九個點的平均像素值，推算有缺失邊緣的第一個點(i，j+9)缺失的像素值，推理模型如下:
[0067]X(i,j+9) = 8X(i,j+5)-X(i,j)-X(i,j+l)-X(i,j+2)-X(i,j+3)-X(i,j+5)-X(i,j+6)-X(i,j+7)-X(iJ+8)o
[0068]d、根據各局部正視圖圖像重疊區域的匹配點位置信息，完成圖像拼接，參照圖5，具體步驟如下。
[0069]dl、設置灰度閾值，對兩幅局部正視圖根據sobel算法進行邊緣提取分別獲得兩幅局部正視圖的輪廓化的灰度圖像。
[0070]本步驟中，通過閾值分割處理，可將爐壁圖像與爐管圖像進行區分，獲得保留了爐管的閾值化分割圖即輪廓化的灰度圖像。如此，根據爐管高度相似的原理，通過閾值分割剔除了圖像中爐壁的部分，從而減少了圖像拼接運算量，有利于提高成像運算的效率與實時性。
[0071]d2、針對輪廓化灰度圖像與對應的局部正視圖計算灰度對比度。
[0072]d3、將灰度對比度與預設的臨界灰度對比度比較；當灰度對比度大于或等于臨界灰度對比度，則返回步驟dl并調整灰度閾值。
[0073]d4、當灰度對比度小于臨界灰度對比度，則對步驟dl中所得到的兩幅輪廓化灰度圖像利用相位相關法計算兩者之間的平移關系。
[0074]計算原圖即局部正視圖和閾值分割圖即輪廓化的灰度圖像之間的灰度對比度CG，CG值小于臨界灰度對比度Kc認為分割效果較好，可進行后續處理步驟，否則改變閾值，對原圖進行重新分割。臨界灰度對比度Kc可由現場實驗測試得到，對同一類型管式反應爐，一旦確定可不在更改。
[0075]d5、根據平移關系對局部正視圖進行拼接。
[0076]通過調節所設定閾值和臨界對比度Kc，閾值可變sobel算法也可推廣到其他類型工業鍋爐的全景圖像拼接中，提高本發明所述方法的應用范圍。
[0077]e、判斷拼接后圖像與實際場景是否一致，如果不一致，則返回步驟d。
[0078]本步驟中，判斷拼接后圖像與實際場景是否一致的方法為:檢查拼接后圖像中爐膛底部火嘴位置，根據火嘴是否在同一條直線上判斷拼接后圖像是否與實際場景一致。本步驟中，使用火嘴為參照物，當火嘴在同一條直線上，說明拼接后的圖像與實際場景一致。
[0079]f、拼接圖像與實際場景一致，則對拼接后圖像進行融合，并進行溫度彩色編碼處理。本步驟中，圖像融合可消除拼接縫隙，使得圖像更加自然，對圖像進行溫度編碼處理，可重現爐膛內全景圖像如圖6所示。
[0080]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，包括以下步驟: a、在被測管式反應爐爐膛側上部安裝多個監控探頭以采集爐膛局部俯視圖像，監控探頭數量以覆蓋爐膛全景為準； b、根據爐膛空間尺寸和監控探頭俯視角度計算各像元在垂直方向上的空間放大倍數，將局部俯視圖像根據空間放大倍數在垂直方向上進行縮放以轉換成局部正視圖； c、通過線性插值法重現監控探頭采集圖像的視覺盲區并對轉換后的局部正視圖進行補充； d、根據各局部正視圖圖像重疊區域的匹配點位置信息，完成圖像拼接； e、判斷拼接后圖像與實際場景是否一致，如果不一致，則返回步驟d; f、拼接圖像與實際場景一致，則對拼接后圖像進行融合，消除圖像接縫。2.如權利要求1所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟b中將局部俯視圖轉換為局部正視圖具體方式為:根據爐膛空間尺寸和監控探頭俯視角度計算各像元在垂直方向上的空間放大倍數;將局部俯視圖圖像在垂直方向上以相同空間立體角進行等分，取中心行作為視角變換的基準行，基準行以上按空間放大倍數逐點做相應縮小處理，基準點以下按空間放大倍數逐點做相應放大處理。3.如權利要求2所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，相鄰行之間像素值利用雙線性插值法計算。4.如權利要求1所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟c中，視覺盲區重現的方法為: Cl、建立局部正視圖圖像的像素矩陣Gmxn; c2、預設中間值K，2KSM，且2KSN; c3、從像素矩陣Gmxn第一列開始讀取缺失邊緣向下共2K行的像素值，將第K行作為該區 域平均值，推算邊緣向上第一行缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新； c4、對像素矩陣Gmxn行數遞增，重復步驟c3直至像素矩陣缺失行被填滿； c5、從像素矩陣Gmxn第一行開始讀取缺失邊緣共2K列的像素值，將第K列作為該區域平 均值，推算邊緣第一列缺失像素值填入像素矩陣，并對像素矩陣Gmxn進行更新； c6、對像素矩陣Gmxn列遞增，重復步驟c5直至像素矩陣被填滿； c7、根據填充的像素矩陣像素值對局部正視圖缺失部分進行補充。5.如權利要求1所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟d具體為:采用相位相關法計算各局部正視圖圖像重疊區域的匹配點位置信息，完成圖像拼接。6.如權利要求5所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟d中圖像拼接的具體步驟如下: dl、設置灰度閾值，對兩幅局部正視圖根據sobel算法進行邊緣提取獲得輪廓化的灰度圖像； d2、針對輪廓化灰度圖像與對應的局部正視圖計算灰度對比度；d3、將灰度對比度與預設的臨界灰度對比度比較；當灰度對比度大于或等于臨界灰度對比度，則返回步驟dl并調整灰度閾值； d4、當灰度對比度小于臨界灰度對比度，則對步驟dl中所得到的兩幅輪廓化灰度圖像利用相位相關法計算兩者之間的平移關系； d5、根據平移關系對局部正視圖進行拼接。7.如權利要求1所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟e中判斷拼接后圖像與實際場景是否一致的方法為:檢查拼接后圖像中爐膛底部火嘴位置，根據火嘴是否在同一條直線上判斷拼接后圖像是否與實際場景一致。8.如權利要求7所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，步驟a中，監控探頭視角邊緣線可達到相鄰監控探頭的正下方火嘴處。9.如權利要求1所述的管式反應爐爐膛全景圖像成像方法，其特征在于，監控探頭置于外層保護筒內，并采用儀表風冷卻吹掃。
【文檔編號】G06T5/50GK105828034SQ201610172083
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】唐磊, 趙曉虎, 蔣杉, 馮俊生, 余龍寶, 李大創, 劉純紅, 吳海濱, 倉亞軍, 代軒, 魯平, 樊敏
【申請人】合肥師范學院