基于富氧侧吹熔池熔体表面的高动态可视化监测方法与流程

本发明涉及监测领域，具体涉及一种基于富氧侧吹熔池熔体表面的可视化监测方法以及系统。

背景技术：

富氧侧吹熔池熔炼炉是目前火法炼铜的重要熔炼方法之一，炉内炉料的熔化情况直接影响冰铜的生产质量和效率。目前富氧侧吹熔池熔炼炉的熔体表面反应情况采取通过观察孔对炉内进行观察的方式。这种观察的方式不方便，工人强度大，视野有限，且不能够实时监测和及时发现熔体表面异常情况，采用传统的高温视觉监测系统虽然能够实时监测画面，但是由于炉内图像明暗变化较大，动态范围比较广，无法获得清晰有效的图像。

本发明旨在于克服传统高温视觉监测系统无法获得清晰高对比度图像的困难，采用多重曝光控制合成技术获得清晰可视图像的方法对熔炼炉监控，从而达到优化熔炼，保障提高冰铜质量的目的。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种采用多重曝光控制合成技术获得清晰可视图像的方法对熔炼炉监控的基于富氧侧吹熔池熔体表面的可视化监测方法以及系统。

为实现上述目的，本方法发明采用的技术方案是：

一种基于富氧侧吹熔池熔体表面的高动态可视化的监测方法，包括如下步骤：

s100、选用工业相机，调整相机对熔体表面的位置和角度；

s200、计算机与相机上电开启，计算机与相机建立双工通讯连接；

s300、载入初始曝光数组[10，80，300，5000，10000]用于下一次相机曝光序列控制控制参数；

s400、控制相机按照曝光序列曝光值从小到大依次曝光，获取到每一档位对应的曝光图像存储到计算机内存中；

s500、针对获取到的多帧不同曝光图像，使用hdr图像合成技术获得高动态范围图像；

s600、对融合后的高动态范围图像质量评估后，利用图像评估模块对曝光参数动态调节；

s700、重复步骤s300至s600直到得到合适的高动态图像，并确定曝光次数和曝光时间；

s800、进行现场的可视化处理并显示图像。

进一步的，所述步骤s500中，具体包括如下步骤：

s501、对所有图像进行对齐算法操作；

s502、为对齐之后的图像集进行hdr图像合成；

s503、对hdr图像合成后的图像进行色调映射；

s504、采用双边滤波算法对图像进行平滑；

s505、最终的图像送到图像显示服务模块，供客户端显示和web系统远程显示，满足本地显示和远程计算机查看的需求。

特别的，所述步骤s501中，将所有曝光图像集中的图像按照曝光时间从短到长排序，获得有序图像序列，然后按以下顺序计算图像差异：

s5011、以第1张图像作为基础，采用opencv视觉计算库中的函数findtransformecc计算第2张相对于它的整体偏差变换偏差(δx1，δy1)；

s5012、以第2张图像为基础，采用opencv视觉计算库中的函数findtransformecc计算第3张相对于它的整体偏差变换偏差(δx2，δy2)；

s5013、重复以上步骤，依次计算完成最后2张图像之间的差异(δxn-1，δyn-1)；

s5014、将第2张到第n张原始图像分别按照(δx1，δy1)，(δx2，δy2)…(δxn-1，δyn-1)进行平移获得平移之后的图像集；

s5015、从步骤s5015中获取到的图像集中，分别提取出每张图像重叠部分，获得对齐后的图像集。

特别的，所述步骤s502中，采用opencv视觉计算库中drago和durand两种算法进行hdr图像合成；所述步骤s503中，采用opencv视觉计算库中drago和mantiuk两种色调映射方法进行计算获得可显示的图像。

再进一步的，所述步骤s600中，图像评估的具体包括如下步骤：

s601、根据光通量强度变化规律，初始化经验值曝光值数组如下：

[10，20，80，160，300，1000，2000，5000，10000，30000，50000]

s602、计算当前曝光图像集中的第1张(1档)图像的最亮的5％像素数的平均亮度y1。

s603、计算当前曝光图像集中的第2张(2档)图像的最亮的5％像素数的平均亮度y2。

s604、计算当前曝光图像集中的第n-1张(n-1档)图像的最暗的5％像素数的平均亮度yn-1。

s605、计算当前曝光图像集中的第n张(n档)图像的最暗的5％像素数的平均亮度yn。

s606、假设当前的设定曝光档位数组为[x1，x2，…，xn]，根据s602中的计算值，

如果y1＞250，说明x1档位曝光过度，需要使用更低曝光参数的档位x0；

如果y1＜＝250且y2＜＝250，说明x1档位多余，使用x2档可替代x1，因此可以去除x1档位；

其他情况，x1档位保持不变；

s607、假设当前的设定曝光档位数组为[x1，x2，…，xn]，根据605中的计算值，

如果yn＜10，说明xn档位曝光不足，需要使用更高曝光参数的档位xn+1；

如果yn＞10且yn-1＜＝10，说明xn档位多余，使用xn-1档位可替代xn，因此可以去除xn档位；

其他情况，xn档位保持不变；

s608、根据s606和s607步骤得到新的曝光数组[x1’，x2’，…，xn’]，如果新的曝光数组中只有一个元素，则随机从上一个或者下一个曝光序列中取出一个档位，用于保证最少2档曝光。

本发明还公布一种基于富氧侧吹熔池熔体表面的高动态可视化监测系统，包括工业相机和计算机；所述工业相机用于对富氧侧吹熔池熔炼炉熔体表面的炉料熔化面成像，通过千兆以太网接口与计算机相连；所述计算机包括：图像采集单元，用于获取工业相机拍摄的炉料熔化面的高动态图像序列的数据；曝光控制单元，用于控制炉料熔化面的曝光次数和单次曝光时间；图像融合显示单元，用于多曝光高动态图像的融合和显示；计算机与相机连接用于采集图像信息并进行分析计算，完成多曝光高动态图像的重建和显示。

有益效果：

与现有技术相比，本发明根据富氧侧吹熔池熔炼炉熔体表面的炉料熔化面的多曝光高动态成像，可以快速准确的反应炉料的熔化情况，便于整体上对炉温和冰铜质量进行对比分析、调控，具体表现为：

一是熔炉可视化智能平台将各个基本单元的数据处理结果进行整合，通过软件客户端、web页面等方式展现给客户，从而实现客户在同一个客户端或web页面下实时查看熔炼炉熔体表面实时的、高动态显示的画面的目的；

二是通过本系统方案，有效解决了不能远程实时观察到熔炼炉熔体表示的反应情况的问题，本方案采用了多档自动曝光的高动态图像处理技术，可以获得包含最大化细节信息的图像；

三是本方案采用对熔体表面设置多档曝光时间和多档曝光次数的拍摄方法，获得一组能不同程度反映熔体表面细节信息的多曝光图像序列。这些多曝光图像序列，其中曝光时间较短的图像能提供熔体表面中明亮处的细节信息，曝光时间较长的图像能熔体表面昏暗处的细节信息。将这一组多曝光图像序列融合，可实现将不同曝光度的低动态图像中的细节汇总成一张能反应熔体表面的高动态图像的效果。这种高动态图像便于技术人员和管理人员对熔炼炉的工况进行整体上的对比分析和调控。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明系统结构图；

图3是本发明方法逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

结合图1至图3作进一步地说明：一种基于富氧侧吹熔池熔体表面的高动态可视化监测系统，包括工业相机和计算机；所述工业相机用于对富氧侧吹熔池熔炼炉熔体表面的炉料熔化面成像，通过千兆以太网接口与计算机相连；所述计算机包括：图像采集单元，用于获取工业相机拍摄的炉料熔化面的高动态图像序列的数据；曝光控制单元，用于控制炉料熔化面的曝光次数和单次曝光时间；图像融合显示单元，用于多曝光高动态图像的融合和显示；计算机与相机连接用于采集图像信息并进行分析计算，完成多曝光高动态图像的重建和显示。

本发明方法采用工业相机对熔体表面设置多档曝光时间和多档曝光次数的拍摄方法，获得一组能不同程度反映熔体表面细节信息的多曝光图像序列。这些多曝光图像序列，其中曝光时间较短的图像能提供熔体表面中明亮处的细节信息，曝光时间较长的图像能熔体表面昏暗处的细节信息。将这一组多曝光图像序列融合，可实现将不同曝光度的低动态图像中的细节汇总成一张能反应熔体表面的高动态图像的效果。这种高动态图像便于技术人员和管理人员对熔炼炉的工况进行整体上的对比分析和调控。具体方案实现如下：一种基于富氧侧吹熔池熔体表面的高动态可视化的监测方法，包括如下步骤：

s100、选用工业相机，调整相机对熔体表面的位置和角度；

s200、计算机与相机上电开启，计算机与相机建立双工通讯连接；

s300、载入初始曝光数组[10，80，300，5000，10000]用于下一次相机曝光序列控制控制参数；

s400、控制相机按照曝光序列曝光值从小到大依次曝光(为避免出现高曝光值残影影响，不使用曝光值从大到小的顺序)，获取到每一档位对应的曝光图像存储到计算机内存中；

s500、针对获取到的多帧不同曝光图像，使用hdr图像合成技术获得高动态范围图像，具体包括如下步骤：

s501、对所有图像进行对齐算法操作，典型的图像配准是图像的多种变换叠加，如平移、旋转、仿射变换，结合本装置的情况，在短时间内图像只会平移变化，为了加快图像处理速度，本发明只采用了平移变换矩阵来表达图像间的变化，为了减弱不同曝光图像之间的明亮差异对平移变换矩阵结果的影响，本发明采用相邻图像对比的方法依次裁剪获得公共部分图像的方法，将所有曝光图像集中的图像按照曝光时间从短到长排序，获得有序图像序列，然后按以下顺序计算图像差异：

s5011、以第1张图像作为基础，采用opencv视觉计算库中的函数findtransformecc计算第2张相对于它的整体偏差变换偏差(δx1，δy1)；

s5012、以第2张图像为基础，采用opencv视觉计算库中的函数findtransformecc计算第3张相对于它的整体偏差变换偏差(δx2，δy2)；

s5013、重复以上步骤，依次计算完成最后2张图像之间的差异(δxn-1，δyn-1)；

s5014、将第2张到第n张原始图像分别按照(δx1，δy1)，(δx2，δy2)…(δxn-1，δyn-1)进行平移获得平移之后的图像集；

s5015、从步骤s5015中获取到的图像集中，分别提取出每张图像重叠部分，获得对齐后的图像集；

s502、为对齐之后的图像集进行hdr图像合成，hdr算法是一种实现多图像融合的一系列发展中的算法。在opencv图像计算库中已经有很多成熟的算法可选如drago、durand、mantiuk和reinhar，本专利中主要选用了drago和durand两种算法进行hdr图像合成。

s503、对hdr图像合成后的图像进行色调映射，色调映射是hdr图像合成中的后续必要步骤，本发明采用了opencv图像库中的drago和mantiuk两种色调映射方法进行计算获得可显示的图像。

s504、采用双边滤波算法对图像进行平滑，针对上述得到的图像，采用双边滤波算法对图像进行平滑的同时尽量对高频信息进行保留；

s505、最终的图像送到图像显示服务模块，供客户端显示和web系统远程显示，满足本地显示和远程计算机查看的需求。

s600、对融合后的高动态范围图像质量评估后，利用图像评估模块对曝光参数动态调节，为了保障图像的处理性能，不能使用过多的档位，过多的档位会增大图像处理的运算量；同时又需要保证能够在工况变化之后能够看到高动态范围的图像，本发明设计了图像评估模块对曝光参数动态调节。图像评估模块的运行周期不需要与图像合成模块的处理同步，而只需与工况变化快慢的需求同步，典型的图像评估模块的运行周期为5秒。每个图像评估周期步骤如下：

s601、根据光通量强度变化规律，初始化经验值曝光值数组如下：[10，20，80，160，300，1000，2000，5000，10000，30000，50000]

s602、计算当前曝光图像集中的第1张(1档)图像的最亮的5％像素数的平均亮度y1。

s603、计算当前曝光图像集中的第2张(2档)图像的最亮的5％像素数的平均亮度y2。

s604、计算当前曝光图像集中的第n-1张(n-1档)图像的最暗的5％像素数的平均亮度yn-1。

s605、计算当前曝光图像集中的第n张(n档)图像的最暗的5％像素数的平均亮度yn。

s606、假设当前的设定曝光档位数组为[x1，x2，…，xn]，根据s602中的计算值，

如果y1＞250，说明x1档位曝光过度，需要使用更低曝光参数的档位x0；

如果y1＜＝250且y2＜＝250，说明x1档位多余，使用x2档可替代x1，因此可以去除x1档位；

其他情况，x1档位保持不变；

s607、假设当前的设定曝光档位数组为[x1，x2，…，xn]，根据605中的计算值，

如果yn＜10，说明xn档位曝光不足，需要使用更高曝光参数的档位xn+1；

如果yn＞10且yn-1＜＝10，说明xn档位多余，使用xn-1档位可替代xn，因此可以去除xn档位；

其他情况，xn档位保持不变；

s608、根据s606和s607步骤得到新的曝光数组[x1’，x2’，…，xn’]，如果新的曝光数组中只有一个元素，则随机从上一个或者下一个曝光序列中取出一个档位，用于保证最少2档曝光。

s700、重复步骤s300至s600直到得到合适的高动态图像，并确定曝光次数和曝光时间；

s800、进行现场的可视化处理并显示图像。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。