基于圖像處理的火焰高度測量方法

基于圖像處理的火焰高度測量方法

熱或火的影響熱絲試驗是一項重要的試驗項目，用于測試電氣電子產(chǎn)品中絕緣材料的耐燃性。環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)gb4706.1、自動裝置安全標(biāo)準(zhǔn)gb1536.1和燈具安全標(biāo)準(zhǔn)gb7000.1。灼熱絲試驗是根據(jù)電工電子產(chǎn)品的工作情況，盡可能真實地模擬絕緣材料可能承受的熱效應(yīng)，來進(jìn)行產(chǎn)品的著火危險試驗。理論上講，在產(chǎn)品內(nèi)部的絕緣材料或外殼絕緣材料均可能由于灼熱電線或灼熱元件而起燃。由于電熱作用可能出現(xiàn)的過熱應(yīng)力或著火危險，從而使其性能劣化，降低產(chǎn)品的安全性能。因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這些絕緣材料不應(yīng)過度地受到產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生的熱和火的影響。灼熱絲試驗是檢驗產(chǎn)品內(nèi)部易使火焰蔓延的絕緣材料和外殼絕緣材料的著火安全性能的重要途徑，是判定材料能否在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用的重要依據(jù)。灼熱絲試驗主要考核絕緣材料是否起燃，以及起燃后的火焰高度和持續(xù)時間，其試驗方法和合格判定主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5169.10,GB5169.11,GB5169.12,GB5169.13中的規(guī)定。目前的測量火焰高度的方式是肉眼觀測標(biāo)尺刻度，從而估算火焰高度，其試驗過程影響準(zhǔn)確性的因素較多，測量的誤差較大。針對上述問題，本文提出一種基于數(shù)字圖像處理和識別的方法來測量灼熱絲火焰高度，通過CMOS網(wǎng)絡(luò)，攝像機作為圖像傳感器，實時攝取檢測圖像，將每一幀的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再應(yīng)用計算機軟件技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到火焰高度目標(biāo)圖像特征值，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)火焰圖像灰度分布提取火焰外形輪廓，實現(xiàn)尺寸校正，灰度圖分布，火焰高度和火焰持續(xù)時間計算等多種功能，進(jìn)而完成對火焰高度的精確測量。1測量方案1.1火焰圖像的特征灼熱絲火焰的形成，是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由固體絕緣材料和該絕緣材料經(jīng)受高溫而固氣相變產(chǎn)生的可燃?xì)怏w作為燃料，空氣作為助燃?xì)怏w，一般火焰形狀多呈現(xiàn)錐形，火焰溫度大約2700℃。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，物體的溫度越高，其輻射能越大，火焰的輻射能轉(zhuǎn)化為連續(xù)光譜，經(jīng)數(shù)字圖像輸入，該連續(xù)光譜轉(zhuǎn)變成圖像亮度信息。在火焰圖像中，火焰部分相對于背景部分有著明顯的亮度差異，經(jīng)過對圖像灰度化處理，使圖像只含亮度信息，并把亮度值進(jìn)行量化，分為0～255共256個級別，其中0最暗（全黑），255最亮（全白）。為了得到火焰高度，即測量圖像中高亮度的區(qū)域位置最高點高度。再利用邊緣檢測、圖像分割、特征提取等方法對火焰圖像進(jìn)行分析處理，以提取火焰高度。此外，灼熱絲火焰高度的測量是一個動態(tài)的過程，首先分析每一幀的圖像輪廓，并且把不同幀圖像的火焰高度進(jìn)行標(biāo)定，即可以分析火焰高度隨時間的變化，又可以依據(jù)各幀間隔時間，判定火焰持續(xù)時間。1.2試驗系統(tǒng)組成灼熱絲火焰測量系統(tǒng)主要由灼熱絲試驗儀、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像機和計算機等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)攝像機作為圖像輸入設(shè)備采集灼熱絲火焰圖像；數(shù)據(jù)采集模塊接收灼熱絲試驗儀輸出的3個開關(guān)量信號，試驗開始、灼熱絲頭接觸到試樣以及試驗結(jié)束灼熱絲頭離開試樣；計算機用于數(shù)字圖像分析處理。2測量火焰高度的測量2.1火焰高度的校正根據(jù)光學(xué)成像原理，對于同一個固定的物體，在圖像中的像素高度，會隨著攝像機鏡頭與目標(biāo)之間的距離遠(yuǎn)近發(fā)生改變；此外，圖像是由像素組成，火焰圖像像素的高度與火焰實際高度之間有線性關(guān)系，并受到攝像機鏡頭焦距、攝像機分辨率等因素的影響。因此為了精確計算出火焰高度，需要加入高度與像素比值的校正功能。在試驗前，固定目標(biāo)火焰與鏡頭的距離，調(diào)節(jié)好焦距，利用灼熱絲試驗儀垂直放置的標(biāo)尺，并盡量使標(biāo)尺接近火焰，以減小誤差。首先獲得標(biāo)尺的實際高度，然后在圖像中計算出標(biāo)尺的像素高度，最后計算出像素高度與標(biāo)尺實際高度的比值，根據(jù)線性關(guān)系就可以通過火焰圖像的像素高度求出火焰的實際高度。2.2高斯—火焰邊緣的確定火焰圖像邊緣是所要提取火焰高度和背景的分界線，利用火焰圖像與背景的灰度差異可以將火焰部分與背景部分區(qū)分開來。由于噪聲的存在，檢測到的火焰邊緣可能會變寬或者在某些點處發(fā)生間斷，因此要能夠抽取出反映灰度變化的邊緣點，然后剔除某些邊界點或填補邊界間斷點，并將這些邊緣連接成完整的線?；鹧娓叨鹊臏y量采用基于灰度的分割技術(shù)，通過高斯—拉普拉斯（LaplacianofaGaussian,LoG）邊緣檢測算子，即首先采用鄰居平均法對圖像做平滑處理。由于噪聲點像素的灰度與其鄰近像素的灰度有著顯著不同，根據(jù)這一特點經(jīng)過模板計算，可以有效去除噪聲；再對平滑后的圖像進(jìn)行梯度銳化處理，補償火焰圖像的輪廓，增強圖像的邊緣及灰度跳變的部分，使圖像邊緣變得清晰。為了去除噪聲的影響，首先對圖像進(jìn)行高斯低通濾波，然后對濾波后的圖像求二階導(dǎo)數(shù)，即按照下式計算：公式（4）即為高斯—拉普拉斯邊緣檢測算子，也稱為LoG算子。高斯—拉普拉斯算法是一種二階邊緣檢測方法，通過尋找圖像灰度值中二階微分中的過零點來檢測邊緣點。其原理是：灰度緩慢變形成邊緣經(jīng)過微分算子形成一個單峰函數(shù)，峰值位置對應(yīng)邊緣點；對單峰函數(shù)進(jìn)行微分，則峰值處的微分值為零，峰值兩側(cè)符號相反，而原先的極值點對應(yīng)二階微分中的過零點，通過檢測過零點即可將火焰圖像的邊緣提取出來。上述程序的運行結(jié)果如圖2和圖3所示，圖2和圖3都有效抑制了噪聲，且uf073越小細(xì)節(jié)增強效果越好，uf073越大則平滑效果越好，抑制噪聲的能力越好。2.3火焰高度的計算方法根據(jù)CMOS攝像機數(shù)字成像原理，由灰度分布提取灰度列分布，將單位像素值轉(zhuǎn)換為實際長度值，提取曲線灰度分部后，根據(jù)灰度分部曲線來確定最高的火焰高度值，火焰圖像的像素點和光學(xué)測量的高度成線性關(guān)系。假設(shè)攝像機放大比例為K，沿火焰高度方向總的像素值為M，利用程序可以得到火焰最高點的坐標(biāo)xmax(a,b)和基準(zhǔn)點的坐標(biāo)xbase(c,d)，可以計算出火焰的高度為：xmax(a,b)的縱坐標(biāo)是b,xbase(c,d)的縱坐標(biāo)是d，兩個坐標(biāo)的差值即為火焰的垂直高度?；鶞?zhǔn)點的選取是根據(jù)GB5169.11第11章的要求，火焰的高度是指當(dāng)灼熱絲施加在試驗樣品上時，由灼熱絲上緣至柔和的弱光下觀察可見火焰頂部之間的垂直距離，因此計算火焰高度的基準(zhǔn)點是灼熱絲上邊沿?；鹧娓叨入S時間變化如圖4所示，為了標(biāo)明開始測量和結(jié)束測量的時刻，在灼熱絲接觸材料的時刻以紅色線條標(biāo)出，以表示測量開始，在灼熱絲離開材料時，以藍(lán)色線條標(biāo)出，以表示測量結(jié)束，由圖4可以容易得出火焰高度和火焰持續(xù)時間的試驗結(jié)果。3光學(xué)測量方法的選取根據(jù)數(shù)字圖像處理知識，利用MATLAB工程軟件，對CMOS攝像機所拍攝的彩色火焰圖像提取灰度值分布曲線。依據(jù)火焰亮度明顯高于背景的特征，采用了高斯—拉普拉斯算子確定火焰的邊緣，采用工件尺寸的光學(xué)測量方法計算火焰高度。該測量方法經(jīng)過與傳統(tǒng)方法的對比，具有檢測速度快、試驗精度高、操作簡便安全等特點，能夠有效滿足灼熱絲試驗的要求。其中yxf),(為圖像函數(shù),yxG),(為高斯函數(shù),表示為:其中是標(biāo)準(zhǔn)差,表示用高