(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010165651.1
(22)申请日 2020.03.11
(71)申请人 中南大学
地址 410000 湖南省长沙市麓山南路932号
申请人 合肥金星机电科技发展有限公司
(72)发明人 蒋朝辉 何磊 李端发 谢永芳
桂卫华 徐勇 沈宇航
(74)专利代理机构 长沙朕扬知识产权代理事务
所(普通合伙) 43213
代理人 易瑶
(51)Int.Cl.
G06T 7/00(2017.01)
G06T 7/11(2017.01)
G06T 7/155(2017.01)
G06T 7/246(2017.01)
G06T 7/269(2017.01)G06T 7/90(2017.01)C21B 5/00(2006.01)C21B 7/24(2006.01)
(54)发明名称一种基于极化特征的铁水流速检测方法(57)摘要本发明公开了一种基于极化特征的铁水流速检测方法，通过采集高炉出铁口的铁水流的视频流，将视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并对帧图像进行预处理，利用互相关法在预处理后的相邻帧图像中匹配极高光子特征，并计算极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离以及计算极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，从而获得铁水流的流速，解决了现有对具有高温、高速、高光的铁水流的流速检测精度不高的技术问题，通过利用非侵入式获取高炉出口铁水流的高帧率视频流，以及实时精确提取极高光子特征，并求取极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离，从而实时高精度地检测具有高温、高速、 高光的铁水流的流速。权利要求书3页 说明书9页 附图3页CN 111445444 A 2020.07.24
C N 111445444
A
1.一种基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，所述方法包括：
采集高炉出铁口的铁水流的视频流；
将所述视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并对所述帧图像序列中的帧图像进行预处理，所述预处理至少包括提取所述帧图像的极高光子特征；
利用互相关法在预处理后的相邻帧图像中匹配极高光子特征，并计算所述极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离；
根据所述水平像素距离，计算所述极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，并根据所述实际水平距离获得所述铁水流的流速。
2.根据权利要求1所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，对所述帧图像序列中的帧图像进行预处理包括：
提取所述帧图像序列中帧图像的静态感兴趣区域，获得初始铁水流区域图像；
对所述初始铁水流区域图像进行图像分割；
基于图像分割后的初始铁水流区域图像，根据高炉出铁口的位置和预设铁水流区域长度，获得动态感兴趣铁水流区域图像；
对所述动态感兴趣铁水流区域图像的RGB通道中的B通道图像进行空间域灰度级线性变换，获得所述动态感兴趣铁水流区域图像的极高光子特征。
3.根据权利要求2所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，对所述初始铁水流区域图像进行图像分割包括：
提取所述初始铁水流区域图像的RGB通道中的R通道，获得R通道二值图像；
采用最小交叉熵阈值对所述R通道二值图像进行分割；
对分割后的R通道二值图像进行形态学处理。
4.根据权利要求3所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，采用最小交叉熵阈值对所述R通道二值图像进行分割的计算公式为：
其中，i为所述R通道二值图像的第i个灰度级，t为分割阈值，n(1,t)为所述R通道二值图像的背景的灰度平均值，n(t,L+1)为所述R通道二值图像的前景区域的灰度平均值，t*为最佳阈值，h(i)为所述R通道二值图像的一维直方图，且i＝1,2,...,L，x,y为所述R通道二值图像的坐标，f(x,y)为所述R通道二值图像的灰度值，r(x,y)为进行图像分割后的R通道二值图像的灰度值。
5.根据权利要求4所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，对所述动态感兴趣铁水流区域图像的RGB通道中的B通道图像进行空间域灰度级线性变换包括：提取所述动态感兴趣铁水流区域图像的RGB通道中的B通道图像；
对所述B通道图像进行空间域灰度级线性变换，且对所述B通道图像进行空间域灰度级线性变换的具体公式为：
其中，b(x,y)是经过线性变换的B通道图像在点(x,y)的灰度，g(x,y)为所述B通道图像的灰度，t为所述B通道图像灰度的最小值。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，利用互相关法在预处理后的相邻帧图像中匹配极高光子特征，并计算所述极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离包括：
在预处理后的相邻帧图像中分别预设参考窗口和搜索窗口，其中，所述参考窗口的质心为非零像素点且位于所述极高光子特征的区域中；
将所述参考窗口在所述搜索窗口内逐像素移动，并计算所述参考窗口的像素子集与重叠窗口的像素子集之间的相似度，获得相关强度图，其中，所述重叠窗口为所述参考窗口在所述搜索窗口内逐像素移动时与所述搜索窗口重叠的窗口；
根据所述相关强度图，获得所述极高光子特征的亚像素级位移场；
根据所述亚像素级位移场，计算所述极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离。
7.根据权利要求6所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，根据所述相关强度图，获得所述极高光子特征的亚像素级位移场包括：
以所述相关强度图中的峰值点为中心，在预设区域内采用最小二乘法进行二次曲面拟合，获得二次曲面；
根据所述二次曲面获得亚像素级位移场。
8.根据权利要求7所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，获得所述极高光子特征的亚像素级位移场之后，根据所述亚像素级位移场，计算所述极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的像素距离之前还包括：
对所述亚像素级位移场进行邻域滤波。
9.根据权利要求8所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，对所述亚像素级位移场进行邻域滤波包括：
在所述亚像素级位移场的预设水平像素位移向量区域内将非零值从大到小进行排序，获得水平像素位移向量序列；
在所述水平像素位移向量序列的位移向量之间作差分，取差分的绝对值，获得差分序列，并计算所述差分序列的平均值，获得第一平均值；
取所述差分序列中的三个最小的差分值，计算与所述三个最小的差分值对应的位移向量的平均值，获得第二平均值；
判断预设水平像素位移向量区域内的单个位移向量与所述第二平均值的差分是否超过所述第一平均值，若是，则将其视为异常值；
计算预设水平像素位移向量区域内的非异常值的位移向量集合的平均值，替代并滤除所述异常值。
10.根据权利要求9所述的基于极化特征的铁水流速检测方法，其特征在于，根据所述水平像素距离，计算所述极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，并根据所述
实际水平距离获得所述铁水流的流速包括：
根据现场的安装参数对采集高炉出铁口的铁水流的视频流的高速相机进行标定，建立图像坐标系与世界坐标系之间的关系；
求解所述极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，且计算所述实际水平距离的计算公式为：
其中S W为所述极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，R为反应
炉出口圆孔的直径，R c为反应炉出口在图像上的直径像素，S C为所述极高光子特征在相邻帧图像间隔时间内移动的水平像素距离；
根据所有极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，获得所述铁水流在连续两帧图像间隔时间内移动的水平距离，具体公式为：
其中，为所述铁水流在连续两帧图像间隔时间内移动的平均水平距离，J为极高光子特征的个数，S Wj为第j个极高光子特征在世界坐标系中移动的实际水平距离，j＝1,2,…,J；
基于所述铁水流在连续两帧图像间隔时间内移动的平均水平距离获得所述铁水流的流速，具体公式为：
其中，V为所述铁水流的流速，f为相机拍摄的帧率，α为高炉出铁口的倾角。
一种基于极化特征的铁水流速检测方法技术领域
[0001]本发明主要涉及铁水流速检测技术领域，特指一种基于极化特征的铁水流速检测方法。
背景技术
[0002]钢铁行业中，高炉生产的稳定对于整个钢铁企业生产流程来说至关重要。高炉炼铁生产的工序能耗和生产成本都占到了钢铁企业生产的70％以上，然而，高炉内多种多相物质共存且相互作用，且诸多物理化学现象同时发生，在化工领域被认为是最复杂的冶金反应器之一，现有技术手段难以探知处于“黑箱”运行的高炉中内部的压力变化。检测高炉出铁口处铁水的流速能表征高炉炉内的压力，同时也能反映产出的金属和渣之间的比例关系，及时发现并排除异常工况，改善高炉透气性，保证高炉平稳顺行生产。因此，检测高炉出口处铁水的流速对于高炉生产节能减排、提质增效的意义尤为重要。
[0003]检测对象为高温高光的铁水，而且检测现场存在不可避免的震动及大量且分布不均的粉尘等强干扰因素，给检测带来极大的挑战。目前有关检测高温铁水流速的方法主要为非接触式测量法，非接触式有：图像法和数值模拟法。
[0004]图像法将十字丝标签贴在罐的罐体上，通过对十字丝的图像处理，采用特征匹配方法进行粗定位，应用角点检测实现精确定位，获得了罐车弹簧的下压移动距离，计算得到流入到罐车中
铁水的质量，并计算出实时铁水流量现场工人对于出铁口铁水的流量。但是这种的测量方法存在比较大的时滞性和不精确性，难以为高炉的稳定高效生产提供有效的指导意义。
[0005]数值模拟法通过建立高炉出铁口铁水出流的机理模型，利用数值模拟的方法计算出了高炉出铁的各阶段的铁水的流速值，但是该方法需要良好的假设环境及非已知的参数值，无法得到准确流速值。
[0006]高温高速铁水流速的检测挑战性极大，而且相关专利很少，且现有专利的缺陷较大。
[0007]专利公开号CN103480813A发明专利是一种连铸结晶器高温钢液流速测量装置及测量方法，该专利发明了一种对高温钢液流速测量装置，其工作原理是轴承通过固定轴固定在固定装置上，轴承上、下对称位置分别安装弹簧和测量杆，弹簧安装“T ”型固定装置上，轴承安装轴承套，通过联轴器连接轴承套和角度位移感器，角度位移传感器由电源供电，记录测量杆在流动钢液中的实时偏转角度，并通过数据线传输到数据采集分析系统，将角度数据转化为钢液流速值。但该专利需要根据装置检测对象不同需要重新配准，使用前将装置预热至1200～1400℃，且检测量程较小，不能检测流速过大的流体，检测结束后装置不能直接检测下一个对象，在使用的可重复性上受到限制。
[0008]专利公开号CN104131126A发明专利是一种基于模糊模型的高炉熔渣流量检测方法，该专利建立高炉熔渣流量的模糊推理模型，结合第i时刻的渣面高度的大小对高炉熔渣流量的影响特性，设定关于第i时刻的渣面高度的模糊隶属函数，利用模糊推理模型与模糊
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