圖2展示了鐵水流從魚雷車倒入鋼包時(shí)的紅外圖像。圖像出自西班牙Avilé的ArcelorMit- tal煉鋼廠。 一般情況下，根據(jù)溫度的不同在圖像中鐵水能被明顯區(qū)分出來，不過，為了準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，十分有必要確認(rèn)哪些像素真正屬于鐵水。本測(cè)量方法是基于檢測(cè)鐵水流位置和消除因覆蓋在鐵水上的熔渣所形成的溫度區(qū)域。之所以確定鐵水流位置是為了避免可視范圍內(nèi)其他熱源的干擾。比如附近的魚雷車。清除掉鐵水范圍內(nèi)以高溫呈現(xiàn)的溶渣影像是為了避免在最終溫度計(jì)算中出現(xiàn)錯(cuò)誤。 

用于測(cè)量溫度的紅外攝像機(jī)是Flir ThermoVision A325，其像素是320 ×240，最大采集頻率60Hz,即每16.67毫秒可獲得一個(gè)新圖像，溫度范圍可配置在幾個(gè)可用范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中，選中300 ? C, 2000 ? C范圍，制造商報(bào)告的測(cè)量精度為±2 ? C，靈敏度低于50 mK。攝像機(jī)通過專用的千兆以太網(wǎng)電纜鏈接計(jì)算機(jī)。紅外長(zhǎng)波段攝像相可運(yùn)轉(zhuǎn)8–12 μm。

在工廠中安裝此系統(tǒng)并不容易，因?yàn)橹車h(huán)境會(huì)很臟而且空氣中充滿灰塵。這種惡劣的環(huán)境嚴(yán)重影響昂貴的紅外攝像機(jī)，以及鍺造敏感鏡頭。因此，必須保護(hù)長(zhǎng)久性安裝的攝像機(jī)，我們的建議是使用好的攝像機(jī)外殼，然而，當(dāng)使用這個(gè)保障性的外殼時(shí)，紅外透射率會(huì)受到影響，為了解決這一問題，必須對(duì)在外殼中的攝像機(jī)進(jìn)行發(fā)射率校正。因此，發(fā)射率補(bǔ)償將會(huì)降低溫度計(jì)算期間接收到的輻射量。我們還建議經(jīng)常清潔玻璃表面，因?yàn)椴ＡП砻嫔峡赡軙?huì)覆蓋上灰塵或其他微粒，而它們會(huì)減少攝像機(jī)測(cè)量的輻射和導(dǎo)致測(cè)量的誤差。

該方法在接下來的章節(jié)中分成幾個(gè)步驟介紹。圖3 顯示了方法的總述

A.     
鐵水流檢測(cè)

該測(cè)量方法是基于圖像的幾何特征的提取來檢測(cè)紅外圖像中的鐵水流。程序開始于先檢測(cè)魚雷車開口的位置，然后基于這一點(diǎn)，計(jì)算鐵水流的整個(gè)輪廓。

1       
開口的檢測(cè)

當(dāng)鐵水倒入銅包時(shí)，鐵水的起點(diǎn)是魚雷車開口的位置，因此，開口部位一直在紅外成像范圍內(nèi)。開口位置的檢測(cè)可以提供圖像中鐵水流位置的精準(zhǔn)信息。

采用邊緣檢測(cè)程序檢測(cè)開口位置的目的是檢測(cè)魚雷口的輪廓，為了減少所需的處理時(shí)間，以下的優(yōu)化已經(jīng)應(yīng)用到邊緣檢測(cè)。

1）由于開口部位始終位于圖像上方，所以只有圖像的1/3會(huì)被處理

2）只有像素在該溫度值高于最低闕值時(shí)被予以考慮，如，眾所周知的高于此溫度的鐵水.

3）邊緣計(jì)算將只考慮梯形水平分量

4）圖像區(qū)域中要考慮的每一行，只有第一個(gè)正面的和最后一個(gè)負(fù)面的邊緣被視為有效。這確保了檢測(cè)到的是開口邊緣的輪廓而不是開口部位里溫度變化的材料。

T

圖4a顯示邊緣檢測(cè)的結(jié)果。可以看出，由于只有圖像的上三分之一被處理，此過程只是部分生成開口的輪廓，不過，這些數(shù)據(jù)足以運(yùn)用最小二乘法來計(jì)算出橢圓的整個(gè)輪廓。結(jié)果如圖4b所示，在那里可以看到該程序如何正確檢測(cè)魚雷開口。此檢測(cè)過程即快速又穩(wěn)定的生成了圖像中魚雷車的開口坐標(biāo)。

2

2）ROI定義：ROI是常用術(shù)語，指對(duì)圖像的一部分很感興趣。這種情況下，ROI是指對(duì)鐵水流在圖像上的那部分，一旦ROI確定，就沒有必要處理整個(gè)鐵水流圖像來測(cè)溫。

鐵水流的位置取決于魚雷車沿縱軸旋轉(zhuǎn)的角度，識(shí)別圖像中魚雷車開口的橢圓坐標(biāo)的知識(shí)極大的簡(jiǎn)化了圖像中鐵水流的檢測(cè)。設(shè)置兩條線作為ROI的垂直與水平方向的限制，鐵水流將始終位于魚雷車開口下方，即，位于橢圓最底點(diǎn)相切的水平線以下，沿橢圓主軸的大體方向也可以找到鐵水流的位置，因此，可以設(shè)定與橢圓短軸最低點(diǎn)相交的垂直線為界線。ROI的位置如圖4c所示。這種保守的ROI可以進(jìn)一步縮小，但這些限制可以確保魚雷車旋轉(zhuǎn)時(shí)的任何角度都可以精準(zhǔn)的進(jìn)行檢測(cè)。ROI也適用于魚雷車從左到右的傾注鐵水。

圖4d 顯示的是從原圖中提取的ROI。提取的比原圖小75%的ROI將用于下面的所有步驟，這種方法不僅避免了其他熱源的干擾，也大幅度了降低了應(yīng)用于下一個(gè)圖像處理的計(jì)算需求。

3）鐵水流輪廓的計(jì)算：第一步，計(jì)算鐵水流外形是一個(gè)應(yīng)用ROI的邊緣檢測(cè)應(yīng)用程序。ROI只有每一行的第一個(gè)最正面和最后一個(gè)負(fù)面的邊緣梯度的水平分量將予以考慮。在圖4e可看到有兩組結(jié)果，:每組是一邊（左右）。

鐵水流沒有完整的邊界，因此，噪聲出現(xiàn)在檢測(cè)邊緣，這類型的問題在圖4e左上方可以看出來，同時(shí)，該區(qū)域的其他熱源，如現(xiàn)場(chǎng)地面上的鐵水滴或其他發(fā)熱的物體都可能產(chǎn)生虛假的邊緣，為克服這一問題，將會(huì)運(yùn)用到邊緣連接程序。

邊緣連接法首先使用單一的二次函數(shù)來確定所有左邊界的邊緣。每當(dāng)近似函數(shù)和邊緣間的最大誤差εmax大于預(yù)設(shè)的闕值ε時(shí)，該時(shí)段在εmax發(fā)生的位置分成兩部分，每一部分會(huì)再都由二次函數(shù)f1 (x)和 f2 (x)重新確定。此分割過程遞歸運(yùn)行，直到最大誤差εmax低于闕值ε時(shí)停止。

圖5顯示邊緣連接程序是如何運(yùn)用在正弦函數(shù)上的。第一步，設(shè)一條符合正弦函數(shù)的直線，然后這條線會(huì)在近似和正弦函數(shù)間最大的區(qū)別出現(xiàn)時(shí)被分解為兩個(gè)子分段（正弦波的最低值），在接下來的步驟中可以看出來每段都出現(xiàn)兩個(gè)新函數(shù)。接下來直到正弦函數(shù)正確安裝，短段才停止分裂。這種情況下，七段足夠了，就像看到的，每個(gè)組段都能精準(zhǔn)描述正弦函數(shù)的輪廓。

某些分段因一些噪聲可以創(chuàng)建出近似偽邊緣，這些分段，因?yàn)闆]有被檢測(cè)到一個(gè)超過預(yù)定闕值的，所以會(huì)被清除并形成空白輪廓。必要時(shí)，連接程序的最后一步填補(bǔ)了空白，只要相鄰的空白點(diǎn)是兼容的，此程序就可以使鄰近兩段的邊緣增長(zhǎng)。同樣的過程也會(huì)應(yīng)用到右邊界的邊緣，最后，左右兩邊的邊界端點(diǎn)連接。邊緣連接程序是為應(yīng)用在重型噪聲條件下的低計(jì)算需求而設(shè)計(jì)的。 

圖4f 顯示應(yīng)用了邊緣檢測(cè)和連接程序的鐵水流輪廓計(jì)算，(ε=1  E=8像素)?？梢钥吹?，不符合的邊界被移除。連接程序可以檢測(cè)到偽邊緣并從鐵水流輪廓中清除，結(jié)果證明，此程序即使在嚴(yán)酷的環(huán)境下也不影響鐵水流的計(jì)算。

 B 熔渣的檢測(cè)

從圖6a可以看出鐵水流被部分熔渣所覆蓋，因此，一些被測(cè)的鐵水流輪廓像素不是鐵水的溫度而是熔渣的。所以使用屬于鐵水和熔渣混合像素的任何類型的計(jì)算都會(huì)引起很大的誤差，因?yàn)槿墼l(fā)出的輻射大于鐵水在相同溫度下發(fā)出的輻射，因此，一個(gè)從熔渣中區(qū)分鐵水的方法是很必要的。

  這個(gè)方法是利用在紅外圖像中出現(xiàn)的明顯溫差把鐵水從熔渣中區(qū)分開。此方法是隨著區(qū)域增長(zhǎng)的一個(gè)溫度闕值法。

圖5  適用于正弦函數(shù)的邊緣連接程序 

1）溫度閾值:閾值是一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的圖像分割方法，使用這種方法分割鐵水和熔渣的圖像部分，因?yàn)殍F水和熔渣間的明顯溫度差異，所以使用靜態(tài)闕值Ths。所有高于這個(gè)闕值的像素點(diǎn)被視為熔渣，所以，在鐵水流中不能應(yīng)用它來測(cè)量鐵水的溫度。校準(zhǔn)中Ths值將會(huì)稍后計(jì)算。

 Thresholding is applied using (2), where I (i, j) represents the pixel value at row i column j and T hS  is the threshold. Pixels with zero value will not be considered for the next steps

闕值使用（2）計(jì)算，I 代表像素值行i 列j，Ths是闕值。像素為零時(shí)不考慮下一步

T

闕值Ths必須高于最大可能的鐵水溫度，在幾乎相同的溫度下，相對(duì)于鐵水，熔渣使用相同測(cè)量配置時(shí)會(huì)出現(xiàn)超過這個(gè)闕值的溫度。因此,選擇的閾值可以區(qū)分渣和鐵水。為Ths使用1800?C 的溫度閾值如圖6(b)所示，礦渣的像素已被移除。

2）增長(zhǎng)區(qū)：關(guān)閉已檢測(cè)到的受熔渣影響的像素的ROI區(qū)域，因?yàn)樗鼈兊姆瓷鋾?huì)改變材料的輻射特性。于是，對(duì)于這些“像素”，測(cè)量過程無法正確應(yīng)用，即計(jì)算出來的溫度不正確。為了探測(cè)這些像素，將使用一種“區(qū)域增長(zhǎng)”過程。過程如下：

1）在感興趣區(qū)內(nèi)的像素即某個(gè)熔渣區(qū)域相鄰的像素，如果其溫度與該區(qū)域的平均溫度水平近似，這些像素將會(huì)合并到該區(qū)域中。

 2）)重復(fù)第一步，區(qū)域不斷增長(zhǎng)，直到無法滿足合并的標(biāo)準(zhǔn)

此過程將刪除歸類在鐵水像素組的熔渣影響的像素。如圖6c所示，剩余的所有像素都來自鐵水。

此過程的結(jié)果是，擁有一個(gè)完全屬于倒出鐵水流時(shí)紅外圖像像素的分類，基于此分類，可通過分析每一個(gè)像素的溫度水平來進(jìn)行溫度測(cè)量，同時(shí)，每一幀可有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，有多種選項(xiàng)可以用來計(jì)算單一穩(wěn)定的溫度測(cè)量值，比如使用所有可用像素的溫度水平的平均值，其他的選項(xiàng),例如溫度分布的計(jì)算，是否能使用，取決于安裝有溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備要求

C 執(zhí)行時(shí)間

本文的方法可快速又穩(wěn)定可靠的提供檢測(cè)結(jié)果，很多不同類型的應(yīng)用，如工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)，需要快速的圖像處理算法，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和盡可能快的應(yīng)用糾正行為，該方法的設(shè)計(jì)已考慮到這點(diǎn)。

為了測(cè)試該方法的速度，需要足夠的時(shí)間從多個(gè)紅外圖像中測(cè)量鐵水的溫度，實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)行于2.67 GHz的特爾酷睿i5 750（RAM 4 GB）。該算法使用c++編寫。

圖7 顯示了測(cè)量的執(zhí)行時(shí)間為10000張圖像，像素是320 ×  240 的直方圖。平均時(shí)間為13.70毫秒，在約95%的水平，執(zhí)行時(shí)間間隔是2.23ms 和14.86ms.

計(jì)算成本低是本方法的最大優(yōu)勢(shì)，例如，它可以實(shí)時(shí)用于高幀頻率，在低幀頻時(shí)，對(duì)其他種類的任務(wù)留有足夠的時(shí)間。如特征提取或網(wǎng)絡(luò)通訊。此外，它使低中端嵌入式計(jì)算成為可能。

D 實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)

如圖7所示，60hz的攝像頭不能處理所有低于16.67(A310,9hz)的幀。然而，一個(gè)基于分離采集和處理任務(wù)的低藕合架構(gòu)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以解決這一問題，采用這種方式，采集和處理任務(wù)可以并行運(yùn)行，通過一個(gè)靈活的行列進(jìn)行連接。系統(tǒng)可獨(dú)立又并行的運(yùn)行兩個(gè)任務(wù)：“采集任務(wù)”在行列中存儲(chǔ)幀，“處理任務(wù)”在行列中檢索幀并對(duì)其進(jìn)行處理，如果處理任務(wù)在下一個(gè)幀來前還沒有完成這個(gè)幀的處理，行列會(huì)隨著畫面存儲(chǔ)并等待處理。之后， 當(dāng)處理花費(fèi)的時(shí)間變少，行列就會(huì)縮小，因?yàn)檫@種情況下處理任務(wù)的速度要快于采集任務(wù)。在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下，一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循建議的體系結(jié)構(gòu)，在考慮到執(zhí)行時(shí)間所需要的方法和指定的期限時(shí)，是能夠滿足實(shí)時(shí)約束的。

實(shí)驗(yàn)表明，低耦合架構(gòu)分離任務(wù)是用于采集與處理的，此方法可以實(shí)時(shí)執(zhí)行60HZ的高速紅外攝像機(jī)。此外，實(shí)現(xiàn)處理任務(wù)需按次序，也就是說，它只使用一個(gè)核心的處理器，如果必要，這個(gè)任務(wù)的并行實(shí)施將進(jìn)一步減少成本低的多處理器的執(zhí)行時(shí)間和在高幀速率測(cè)量溫度的可能。

杰福儀器儀表有限公司成立于2003年，自2003年代理國際知名大廠 FLIR紅外線熱像測(cè)溫系統(tǒng)至今。杰福八年來專注于紅外熱像檢測(cè)技術(shù)、10多名行業(yè)專家，一直致力于紅外線熱像系統(tǒng)的銷售及技術(shù)服務(wù)，是目前中國大陸首家專業(yè)從事紅外線熱像系統(tǒng)的代理商，也是亞洲地區(qū)第一家取得美國非破壞性檢測(cè)協(xié)會(huì)（ASNT）認(rèn)可之高級(jí)紅外線熱像檢測(cè)師（T/IR Level III）證照的企業(yè)，專業(yè)提供紅外線熱像檢測(cè)師培訓(xùn)課程及資格認(rèn)證服務(wù)，并為企業(yè)提供配套熱像儀方案。杰福公司是國內(nèi)率先倡導(dǎo)將「紅外線熱像檢測(cè)技術(shù)」廣泛應(yīng)用于煉鐵、軋鋼、化工、塑料、石化等領(lǐng)域，紅外線熱像檢測(cè)技術(shù)已廣為應(yīng)用于設(shè)備預(yù)警領(lǐng)域。豐富的專業(yè)知識(shí)及實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，已深獲業(yè)界的肯定與好評(píng)。