阅读说明：本技术 一种基于极化特征的铁水流速检测装置 (Molten iron flow velocity detection device based on polarization characteristics ) 是由 蒋朝辉 周昊 徐勇 何磊 桂卫华 李端发 刘强 肖鹏 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于极化特征的铁水流速检测装置,包括高速相机视频捕捉单元、与所述高速相机视频捕捉单元依次连接的视频采集单元、视频预处理单元、极高光特征位移场计算单元以及铁水流速检测单元,视频预处理单元,提取帧图像组中帧图像的极高光特征,极高光特征位移场计算单元,用于根据极高光特征获取亚像素级位移场,铁水流速检测单元,用于根据亚像素级位移场,获取铁水流的流速,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,提供了在恶劣检测环境下检测超高温、高速、高光的铁水流速的实时检测装置,该装置安装方便,操作简单灵活,且能适应更恶劣下的环境,检测对象应用范围广。(The invention discloses a molten iron flow velocity detection device based on polarization characteristics, which comprises a high-speed camera video capturing unit, a video acquisition unit, a video preprocessing unit, an extremely high light characteristic displacement field calculation unit and a molten iron flow velocity detection unit, wherein the video acquisition unit, the video preprocessing unit, the extremely high light characteristic displacement field calculation unit and the molten iron flow velocity detection unit are sequentially connected with the high-speed camera video capturing unit, the video preprocessing unit is used for extracting the extremely high light characteristics of frame images in a frame image group, the extremely high light characteristic displacement field calculation unit is used for acquiring a sub-pixel level displacement field according to the extremely high light characteristics, the molten iron flow velocity detection unit is used for acquiring the flow velocity of molten iron flow according to the sub-pixel level displacement field, the technical problem that the existing flow velocity detection precision of molten iron flow with high temperature, high speed and high light is not high is solved, the real-time detection device for, the method is simple and flexible to operate, can adapt to harsher environment, and has a wide application range of detection objects.)

一种基于极化特征的铁水流速检测装置

技术领域

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装置。

背景技术

钢铁行业中，金属铁是在高温条件下通过火法冶金的方法从矿石或精矿中提取，产出熔融态的金属铁和炉渣从高温密闭的高炉内高速流出。高炉出口熔融流体流速是表征高炉炉内压力和是否平稳顺行的重要指标，但由于高炉内环境恶劣且是典型的“黑箱”系统，炉内的压力变化难以通过直接检测手段进行测量。检测高炉出口处铁水的流速能表征高炉内部的压力，同时也能反映产出的铁水和铁渣之间的比例关系，助于及时发现并排除异常工况，改善反应炉透气性，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反应炉安全生产、提质提量的意义尤为重要。

本发明检测对象为高炉出口处出流的高温高光铁水，同时检测现场存在不可避免的震动及大量分布不均的粉尘等强干扰因素，给检测带来了极大挑战。现有高温熔融流体流速的检测装置主要分为接触式和非接触式检测装置两种，接触式流速检测装置采用耐高温材料与高温熔融流体直接接触，产生可测量的数据来达到实时检测高温熔融流体流速的目的，然而高速、高温流体会逐渐磨损侵蚀耐高温材质，导致装置重复性差、使用周期短，且恶劣环境同样会影响装置的使用寿命和使用性能，导致投资成本高、检测准确度低；非接触式流速检测装置则是通过装置获取熔融流体的图像信息，但是也会因检测对象的超高温性及环境的恶劣性严重影响检测的准确性。

图像法将十字丝标签贴在鱼雷罐的罐体上，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，获得了鱼雷罐车弹簧的下压移动距离，计算得到流入到鱼雷罐车中铁水的质量，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。

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。

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。

专利公开号CN 103480813 A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，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。

专利公开号CN 110058046 A发明专利是一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置，所述方法包括以下步骤：S1、选择测量探头,并使所选择的测量探头内部具有供介质流进流出的流道；S2、向流道内部输送温度恒定的冷却流体,并将测量探头置入被测流体中；S3、当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热时,获取被测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2；S4、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算得到被测流体的流速u。所述装置包括：测量探头、泵送机构、流量计、第一温度测量计、第二温度测量计、第三温度测量计和控制器。显然，该专利所述的流体测量对象具有一定的局限性，所测流体对象要与冷却流体存在温差且设备要求可以探入到流体中去，设备材料有一定的要求，对于高温熔融流体测量成本偏高，且对于流道的直径可能要根据实际情况进行确定，通用性不高，因此本方法测流体流速具有极大的局限性。

发明内容

本发明提供的基于极化特征的铁水流速检测装置，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。

为解决上述技术问题，本发明提出的基于极化特征的铁水流速检测装置包括：

装置包括高速相机视频捕捉单元、与高速相机视频捕捉单元依次连接的视频采集单元、视频预处理单元、极高光特征位移场计算单元以及铁水流速检测单元，其中：

高速相机视频捕捉单元，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息；

视频采集单元，用于对高帧率视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

视频预处理单元，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中帧图像的极高光特征；

极高光特征位移场计算单元，用于根据极高光特征获取亚像素级位移场；

铁水流速检测单元，用于根据亚像素级位移场，获取铁水流的流速。

进一步地，视频预处理单元包括视频流分解模块、与视频流分解模块依次连接的感兴趣铁水流区域提取模块、B通道分解模块以及极高光特征提取模块，其中：

视频流分解模块，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组；

感兴趣铁水流区域提取模块，用于提取帧图像组中帧图像的感兴趣铁水流区域；

B通道分解模块，用于提取帧图像的B通道图像；

极高光特征提取模块，用于对B通道图像进行空间域灰度级线性变换，从而获得帧图像的极高光特征，且对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(i)为变换后的灰度级，i为像素的位置，g(i)为B通道图像的灰度级，x为B通道图像的灰度的最小值。

进一步地，极高光特征位移场计算单元包括极高光特征匹配模块、与极高光特征匹配模块依次连接的相关强度图计算模块和亚像素级位移场提取模块，其中：

极高光特征匹配模块，用于利用互相关法在相邻帧图像中匹配极高光特征；

相关强度图计算模块，用于根据在相邻帧图像中预设窗口中的像素子集之间的相似度计算获得相关强度图；

亚像素级位移场提取模块，用于对相关强度图进行二次曲面拟合，并根据拟合后的二次曲面获得亚像素级位移场。

进一步地，铁水流速检测单元包括高精度位移场模块、与高精度位移场模块依次连接的相机标定模块以及流速计算模块，其中：

高精度位移场模块，用于对亚像素级位移场进行邻域滤波，从而获得高精度位移场；

相机标定模块，用于对高速相机进行标定并根据极高光特征移动的水平像素距离获得极高光特征在世界坐标系中真实移动的水平距离；

流速计算模块，用于对高精度位移场中所有极高光特征的水平位移矢量取平均值，并计算铁水在连续两帧图像的间隔时间内移动的水平距离，从而获得铁水流的流速。

进一步地，高精度位移场模块包括排序子模块、与排序子模块依次连接的第一平均值获取子模块、第二平均值获取子模块、异常值获取子模块以及滤波子模块，其中：

排序子模块，用于在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；

第一平均值获取子模块，用于在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，并计算差分序列的平均值，获得第一平均值；

第二平均值获取子模块，用于取差分序列中的三个最小的差分值，计算与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；

异常值获取子模块，用于判断预设水平像素位移向量区域内的单个位移向量与第二平均值的差分是否超过第一平均值，若是，则将其视为异常值；

滤波子模块，用于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，替代并滤除异常值。

进一步地，高速相机视频捕捉单元包括安装在高速相机机身上的高速相机镜头以及设置于高速相机镜头上的镜头防尘清扫模块以及高速相机风冷模块，其中：

高速相机镜头，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息；

镜头防尘清扫模块，用于对高速相机镜头进行清扫处理；

高速相机风冷模块，用于对高速相机机身进行散热冷却。

进一步地，装置还包括集成视频预处理单元以及极高光特征位移场计算单元的FPGA硬件平台，FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，其中：

高速视频采集模块，用于采集视频采集模块输出的压缩视频流；

存储器模块，与高速视频采集模块、通信控制模块以及执行模块连接，用于存储视频流分解算法、图像感兴趣区域提取算法、通道分解算法、线性增强算法、搜索算法、二次曲面拟合算法以及通信控制模块写入的数据；

通信控制模块，与高速视频采集模块、存储器模块以及执行模块连接，用于控制执行模块，并将执行模块的处理结果写入存储器模块；

执行模块，与通信控制模块和存储器模块连接，用于根据通信控制模块发出的控制指令采用视频分解算法将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组、采用图像感兴趣区域提取算法提取帧图像组中帧图像的感兴趣铁水流区域，采用通道分解算法提取帧图像的B通道图像，采用线性增强算法对B通道图像进行空间域灰度级线性变换，从而获得帧图像的极高光特征，采用搜索算法获得相关强度图，采用二次曲面拟合算法对相关强度图进行二次曲面拟合，并根据拟合后的二次曲面的峰值获得亚像素级位移场，执行模块的数量与帧图像组的组数一致；

电源模块，用于给FPGA硬件平台供电；

图像输出模块，用于将执行模块获得的亚像素级位移场传输给铁水流速检测单元。

进一步地，装置还包括用于集成铁水流速检测单元的多DSP(Digital SignalProcessing)硬件平台，多DSP硬件平台包括采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块、数据输出模块以及DSP芯片模块,其中：

采集模块，用于接收极高光特征位移场计算单元输出的亚像素级位移场组，并启动与亚像素级位移场组的组数相同的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的亚像素级位移场并存入相应的队列；

命令收集模块,与采集模块、存储模块、任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于接收采集模块的忙信号，将采集模块的忙信号传输给任务管理模块以及实时获取发送给DSP芯片模块的任务指令，同时接收DSP芯片模块发出的信号，并将任务指令和信号传送给任务管理模块处理；

任务管理模块，与命令收集模块、DSP芯片模块以及任务划分模块连接，用于根据存储模块中预设的任务顺序为DSP芯片模块中各DSP芯片加载高精度位移场算法、相机标定算法及流速计算算法，并负责管理DSP芯片模块中各DSP芯片之间的通信任务；

任务划分模块，与任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于将亚像素级位移场分别分配至DSP芯片模块中各DSP芯片进行高精度位移场计算和极高光特征水平位移向量计算，从而获得极高光特征移动的水平像素距离；

存储模块，与命令收集模块和DSP芯片模块连接，用于存储预设任务的算法和数据结果；

数据输出模块，与DSP芯片模块连接，用于输出铁水流的流速。

进一步地，DSP芯片模块包括一片主DSP芯片和至少一片从DSP芯片。

进一步地，DSP芯片模块中各DSP芯片采用高速串行接口实现高速连接。

进一步地，FPGA硬件平台和多DSP硬件平台均采用JTAG(Joint Test ActionGroup)接口调试和编程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的基于极化特征的铁水流速检测装置，包括高速相机视频捕捉单元、与所述高速相机视频捕捉单元依次连接的视频采集单元、视频预处理单元、极高光特征位移场计算单元以及铁水流速检测单元，高速相机视频捕捉单元，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息，视频采集单元，用于对高帧率视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流，视频预处理单元，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中帧图像的极高光特征，极高光特征位移场计算单元，用于根据极高光特征获取亚像素级位移场，铁水流速检测单元，用于根据亚像素级位移场，获取铁水流的流速，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，提供了在恶劣检测环境下检测超高温、高速、高光的铁水流速的实时检测装置，该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应更恶劣下的环境，检测对象应用范围广。该装置通过采用FPGA和多DSP芯片平行计算的硬件平台，极大地提高了在处理大量图像数据上的运行效率，满足检测高温高速高光铁水流速的实时性。

附图说明

图1为本发明实施例一的基于极化特征的铁水流速检测装置的总流程示意图；

图2为本发明实施例的基于极化特征的铁水流速检测装置结构及现场示意图；

图3为本发明实施例二的数据流向示意图；

图4为本发明实施例二的FPGA硬件平台结构框图；

图5为本发明实施例二的铁水流速检测单元的处理流程框图；

图6为本发明实施例二的多DSP硬件平台结构框图；

附图标记：

10、高速相机视频捕捉单元；20、视频采集单元；30、视频预处理单元；40、极高光特征位移场计算单元；50、铁水流速检测单元；101、高速相机镜头；102、镜头防尘清扫模块；103、高速相机风冷模块；201、A/D模数转换模块；202、视频存储器模块；203、视频压缩模块；301、视频流分解模块；302、感兴趣铁水流区域提取模块；303、B通道分解模块；304、极高光特征提取模块；401、极高光特征匹配模块；402、相关强度图计算模块；403、亚像素级位移场提取模块；501、高精度位移场模块；502、相机标定模块；503、流速计算模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

参照图1，本发明实施例一提供的基于极化特征的铁水流速检测装置，包括高速相机视频捕捉单元10、与高速相机视频捕捉单元10依次连接的视频采集单元20、视频预处理单元30、极高光特征位移场计算单元40以及铁水流速检测单元50，其中：

高速相机视频捕捉单元10，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息；

视频采集单元20，用于对高帧率视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

视频预处理单元30，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中帧图像的极高光特征；

极高光特征位移场计算单元40，用于根据极高光特征获取亚像素级位移场；

铁水流速检测单元50，用于根据亚像素级位移场，获取铁水流的流速。

本发明提供的基于极化特征的铁水流速检测装置，包括高速相机视频捕捉单元10、与所述高速相机视频捕捉单元10依次连接的视频采集单元20、视频预处理单元30、极高光特征位移场计算单元40以及铁水流速检测单元50，高速相机视频捕捉单元10，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息，视频采集单元20，用于对高帧率视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流，视频预处理单元30，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中帧图像的极高光特征，极高光特征位移场计算单元40，用于根据极高光特征获取亚像素级位移场，铁水流速检测单元50，用于根据亚像素级位移场，获取铁水流的流速，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，提供了在恶劣检测环境下检测超高温、高速、高光的铁水流速的实时检测装置，该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应更恶劣下的环境，检测对象应用范围广。该装置通过采用FPGA和多DSP芯片平行计算的硬件平台，极大地提高了在处理大量图像数据上的运行效率，满足检测高温高速高光铁水流速的实时性。

具体地，由于现有技术不管是采用接触式还是非接触式检测高温熔融流体流速，都会因检测对象的超高温性及环境的恶劣性严重影响检测的准确性，而本发明实施例较新颖地提出通过提取铁水流的极高光特征，并根据极高光特征获取亚像素级位移场，以及根据亚像素级位移场，获取铁水流的流速，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。该装置具有高精确性，强稳定性，长周期性，适用于高温或过高温的高速流动的流体，投资成本少等优点。

需要说明的是，本实施例的极化特征具体是指铁水流的极高光特征，即铁水流表面明亮的特征区域，本实施例之所以想到利用铁水流的极高光特征来检测铁水流的流速，是由于出铁场存在较多的粉尘，导致铁水流的表面呈现出明暗分布，而明亮的部分受粉尘较小，因此提出利用明亮区域作为特征，并基于提取的极高光特征实现铁水流的非接触检测，大大减少了粉尘对测量结果的影响，提高了检测的精度。

可选地，本实施例的高速相机捕捉单元，如图2所示，包括相机防护装置和高速相机镜头101。相机防护装置包括镜头防尘清扫模块102和高速相机风冷模块103。在冶炼现场，高炉出口铁水出流的过程中铁水向外散发强烈的热辐射，高速相机镜头101需安装于与铁水相距一定的位置，中间有一个金属挡板隔开以减弱热辐射，相机风冷装置将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却的目的，高速相机通过挡板的窗口采集视频图像，而且现场会存在较多的粉尘，粉尘覆盖在高速相机的镜头会造成成像出现黑影，对此必须对高速相机镜头101安装高速相机风冷模块103和所述镜头防尘清扫模块102。高速相机视频捕捉单元10采集铁水出流的高帧率视频流信息，并传输给上述视频采集单元20。

可选地，本实施例的视频采集单元20通过高速采集卡上A/D模数转换模块201将接收到的高帧率视频源模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号送至板卡自带的视频存储器模块202中，之后由视频采集卡上的视频压缩模块203.具体为视频压缩芯片将大量的视频信号压缩，并将已压缩的视频信号送至视频处理单元。新视频流存储在新开辟的存储空间中，前一段视频传输完毕后存储空间将被释放。

可选地，本实施例的视频预处理单元30包括视频流分解模块301、与视频流分解模块301依次连接的感兴趣铁水流区域提取模块302、B通道分解模块303以及极高光特征提取模块304，其中：

视频流分解模块301，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组；

感兴趣铁水流区域提取模块302，用于提取帧图像组中帧图像的感兴趣铁水流区域；

B通道分解模块303，用于提取帧图像的B通道图像；

极高光特征提取模块304，用于对B通道图像进行空间域灰度级线性变换，从而获得帧图像的极高光特征，且对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(i)为变换后的灰度级，i为像素的位置，g(i)为B通道图像的灰度级，x为B通道图像的灰度的最小值。

具体地，视频预处理单元30首先将传输过来的压缩视频流信号分解成帧图像，随后，对帧图像同步动态提取出感兴趣铁水流区域，得到待处理帧图像组，之后为了提取出光强度差异明显的图像，凸显出铁水流极高光特征，对图像进行通道分解，在B通道进行空间与灰度级线性变换增强，得到铁水的极高光特征，完成图像预处理。之后将图像预处理完的帧图像传至极高光特征位移计算单元。

本实施例的极高光特征位移场计算单元40用于根据极高光特征获取亚像素级位移场。在获得铁水流极高光特征的基础上，利用互相关法在相邻帧中匹配铁水流极高光特征。通过搜索算法获取极高光特征的相关强度图，之后为提高精度对相关强度图进行二次曲面拟合得到亚像素级位移场，之后将得到的亚像素级位移场传至铁水流速检测单元50。

可选地，本实施例的极高光特征位移场计算单元包括极高光特征匹配模块401、与极高光特征匹配模块401依次连接的相关强度图计算模块402和亚像素级位移场提取模块403，其中：

极高光特征匹配模块401，用于利用互相关法在相邻帧图像中匹配极高光特征；

相关强度图计算模块402，用于根据在相邻帧图像中预设窗口中的像素子集之间的相似度计算获得相关强度图；

亚像素级位移场提取模块403，用于对相关强度图进行二次曲面拟合，并根据拟合后的二次曲面获得亚像素级位移场。

具体地，本实施例的极高光特征位移场计算单元40根据极高光特征获取亚像素级位移场的具体过程为：

首先以预处理后的帧图像中的极高光特征的区域中的非零像素点作为参考窗口的质心，提取出的像素子集与较大区域搜索窗口中的像素子集比较，在搜索窗口中绘制相关强度图的工作流程通常为：让参考窗口在搜索窗口内逐像素移动，经过零值滤除操作后，计算参考窗口的像素子集和重叠像素子集之间的相似度(归一化相关系数)，参考窗口中心点在搜索窗口中所经过的位置都产生一个相关强度值。

这里Cov(R,O)为参考窗口像素子集与重叠像素子集的协方差，D(R)和D(O)分别为参考窗口像素子集与重叠像素子集的方差。将公式应用在频域中，使用快速傅立叶变换(FFT)可极大地提高了处理速度。

相关强度图中的峰值点便是参考窗口在搜索窗口中的最佳极高光特征匹配点，但匹配精度只能达到整数像素级。

为了进一步提高互相关法的精度，以相关强度图中的峰值点为中心，在3*3区域内进行二次曲面拟合。曲面方程可简写为，

a₀+a₁i+a₂j+a₃i²+a₄ij+a₅j²＝C(i,j) (2)

这里a₀～a₅是曲面方程的系数，C(i,j)为在点(i,j)的相关强度值。为了确定六个未知的参数，可通过最小二乘法最小化二次误差和，表达式为，

可选地，本实施例的铁水流速检测单元50首先对亚像素级位移场应用邻域滤波，得到高精度位移场，之后对所有极高光特征的水平位移矢量取平均值得到水平位移向量，最后通过相机标定，得到极高光子特征世界坐标下的水平位移，从而得到铁水精确流速值。

具体地，本实施例的高精度位移场模块501包括：

排序子模块，用于在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；

第一平均值获取子模块，用于在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，并计算差分序列的平均值，获得第一平均值；

第二平均值获取子模块，用于取差分序列中的三个最小的差分值，计算与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；

异常值获取子模块，用于判断预设水平像素位移向量区域内的单个位移向量与第二平均值的差分是否超过第一平均值，若是，则将其视为异常值；

滤波子模块，用于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，替代并滤除异常值。

具体地，在整个铁水流区域完成互相关法的极高光子特征亚像素级匹配后，由于在局部区域内的位移向量差别很小，因此，对亚像素级位移场应用邻域滤波，整个流程如下，

Step1：在5*5的水平像素位移向量区域内将非零值进行从大到小的排序；

Step2：在相邻值之间作差分，取差分的绝对值，并计算差分序列的平均值avg₁；

Step3：取三个最小差分值，计算与之对应的位移矢量的平均值avg₂；

Step4：如果5*5区域内单个位移向量与平均值avg₂的差分超过avg₁，则将其视为异常值；

Step5：计算5*5区域内非异常值的位移矢量集合的平均值，替代并滤除异常值。

本实施例通过测量极高光特征中所有点的位移，能精准获得亚像素级位移场，有利于提高铁水流的流速检测精度，此外，本实施例采用改进的邻域滤波方法对亚像素级位移场进行邻域滤波，从而能得到高精度的亚像素级位移场，同样能提高铁水流的流速检测精度。

实施例二

本发明实施例二提供的基于极化特征的铁水流速检测装置，包括高速相机视频捕捉单元10、与高速相机视频捕捉单元10依次连接的视频采集单元20、用于集成视频预处理单元30和极高光特征位移场计算单元40的FPGA(Field-Programmable Gate Array可编程门阵列)硬件平台以及用于集成铁水流速检测单元50的多DSP硬件平台，其中，

高速相机视频捕捉单元10，用于采集高炉出铁口的铁水流的高帧率视频流信息；

视频采集单元20，用于对高帧率视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，其中：

高速视频采集模块，用于采集视频采集模块输出的压缩视频流；

存储器模块，与高速视频采集模块、通信控制模块以及执行模块连接，用于存储视频流分解算法、图像感兴趣区域提取算法、通道分解算法、线性增强算法、搜索算法、二次曲面拟合算法以及通信控制模块写入的数据；

通信控制模块，与高速视频采集模块、存储器模块以及执行模块连接，用于控制执行模块，并将执行模块的处理结果写入存储器模块；

执行模块，与通信控制模块和存储器模块连接，用于根据通信控制模块发出的控制指令采用视频分解算法将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组、采用图像感兴趣区域提取算法提取帧图像组中帧图像的感兴趣铁水流区域，采用通道分解算法提取帧图像的B通道图像，采用线性增强算法对B通道图像进行空间域灰度级线性变换，从而获得帧图像的极高光特征，采用搜索算法获得相关强度图，采用二次曲面拟合算法对相关强度图进行二次曲面拟合，并根据拟合后的二次曲面的峰值获得亚像素级位移场，执行模块的数量与帧图像组的组数一致；

电源模块，用于给FPGA硬件平台供电；

图像输出模块，用于将执行模块获得的亚像素级位移场传输给铁水流速检测单元50。

多DSP硬件平台包括采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块、数据输出模块以及DSP芯片模块,其中：

采集模块，用于接收极高光特征位移场计算单元40输出的亚像素级位移场组，并启动与亚像素级位移场组的组数相同的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的亚像素级位移场并存入相应的队列；

命令收集模块,与采集模块、存储模块、任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于接收采集模块的忙信号，将采集模块的忙信号传输给任务管理模块以及实时获取发送给DSP芯片模块的任务指令，同时接收DSP芯片模块发出的信号，并将任务指令和信号传送给任务管理模块处理；

任务管理模块，与命令收集模块、DSP芯片模块以及任务划分模块连接，用于根据存储模块中预设的任务顺序为DSP芯片模块中各DSP芯片加载高精度位移场算法、相机标定算法及流速计算算法，并负责管理DSP芯片模块中各DSP芯片之间的通信任务；

任务划分模块，与任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于将亚像素级位移场分别分配至DSP芯片模块中各DSP芯片进行高精度位移场计算和极高光特征水平位移向量计算，从而获得极高光特征移动的水平像素距离；

存储模块，与命令收集模块和DSP芯片模块连接，用于存储预设任务的算法和数据结果；

数据输出模块，与DSP芯片模块连接，用于输出铁水流的流速。

具体地，本实施例的高速相机视频捕捉单元10按照一定的安装参数进行安装；视频采集单元20包括模数转换模块、板卡存储器和视频压缩芯片；视频采集单元20接收高帧率视频流信息，由模数转换模块将模拟信号转换为数字信号，板卡存储器将转换后的数字信号进行存储，由视频压缩芯片对存储器中的数字信号进行压缩处理。

本实施例的视频流预处理单元和极高光特征位移场计算单元40是集成于FPGA(可编程门阵列)硬件平台上，FPGA模块通过高速视频数据采集接口Camera Link可对高速相机采集得到的实时高帧率视频流进行传输和实时处理；铁水流速检测单元50集成于多DSP硬件平台上，通过搭建基于FPGA硬件平台和多DSP硬件平台的具有平行计算架构的流速检测装置，实现对高炉出口铁水流速的实时检测。本发明的数据流向如图3所示。为提高系统工作的灵活性，本发明中FPGA和DSP都采用JTAG接口调试和编程。

FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和输出模块，视频采集模块用于采集视频流信息；通信控制模块用于将待处理的视频信息分配于执行模块，并将处理结果写入存储器模块；执行模块有多个，用于对多路视频流或图像流的并行处理；存储器模块用于所需算法程序或数据的存取；电源模块为整个FPGA硬件平台供电；输出模块将亚像素级位移场传输给铁水流速检测单元50。

FPGA硬件平台对视频预处理单元30和极高光特征位移场计算单元40的处理结构框图如图4所示，工作流程为：高速视频采集模块采集压缩后的高帧率视频流信息；通信控制模块将待处理的视频信息分配给执行模块；执行模块接收存储器中视频分解算法后将高帧率视频流分解为帧图像，；执行模块应与帧图像个数相一致；然后执行模块接收通信控制模块发出的指令后对帧图像进行图像ROI提取的平行处理，输出n个待处理帧图像，通信控制模块控制执行模块对待处理的帧图像进行通道分解与线性增强，获得图像极高光特征，通过搜索算法获得相关强度图，之后通过二次曲面拟合计算极高光特征位移场，输出极高光特征亚像素级位移场；最后所输出模块将极高光特征亚像素级位移场传输给铁水流速检测单元50。

多DSP硬件平台包括采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块和数据输出模块，多DSP硬件平台包括一个主DSP和几片从DSP芯片，并采用高速串行接口Rapid IO来实现DSP芯片间的两两高速连接；采集模块接收采集极高光特征位移场计算单元40传过来的亚像素级位移场组；任务划分模块用于对传输过来的初始亚像素级位移场组分配到多核数字信号处理器中进行处理；任务管理模块根据任务的执行顺序为多核数字信号处理器加载对应算法，并负责管理DSP与DSP之间的通信任务；命令收集模块用于实时获取设备发送给DSP芯片的任务指令，同时也接收DSP芯片或其他设备发出的信号，将指令和信号传送给任务管理模块处理；存储模块为外部存储器DDR2，存储所有预设任务的算法和数据结果；数据输出模块用于输出最后处理结果。

铁水流速检测单元50包括高精度位移场模块501、相机标定模块502及流速计算模块503；图5所示为铁水流速检测单元50的结构框图。高精度位移场模块501通过对亚像素级位移场进行邻域滤波得到高精度位移场；相机标定模块502是根据高速相机的安装参数及现场参数得到的图像坐标系与世界坐标系之间的数学关系，将特征块移动的水平像素距离转化为真实的水平距离；流速检测模块通过对高精度位移场中所有子特征的水平位移矢量取平均值，计算铁水在连续两帧时间内移动的水平距离，对结果综合处理，获得该高帧率视频流所在时间段内铁水的平均流速。

铁水流速检测单元50的多DSP硬件平台结构框图如图6所示，多DSP硬件平台的处理步骤如下：首先采集模块采集n个亚像素级位移场；多DSP硬件平台启动n个线程和n个队列，用来实时获取n路亚像素级位移场图像并存入相应的队列；命令收集模块接收采集模块的忙信号，将其传输给任务管理模块，任务管理模块根据存储模块预设的任务顺序加载高精度位移场、相机标定及流速计算算法；然后任务划分模块将n个亚像素级位移场分别分配至DSP芯片中进行高精度位移场计算和极高光子特征水平位移向量计算，获得极高光子特征移动的水平像素距离；命令收集模块是收到所有DSP芯片发出空闲信号时，将信号传输给任务管理模块，随后，任务管理模块从存储模块中加载相机标定模块502及流速检测模块的算法；任务划分模块分配主DSP芯片完成所加载算法的运算；最后，数据输出模块输出铁水的平均流速，完成整个工作流程。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了在恶劣检测环境下检测铁水流速的实时检测装置；该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应高温、高光、高粉尘的高炉出铁口恶劣环境。该装置通过采用FPGA和多DSP芯片平行计算的硬件平台，极大地提高了在处理大量图像数据上的运行效率，满足检测铁水流速的实时性要求，具有极大的应用价值。

结合附图对本发明具体实施方案情况进一步说明，本发明应用于国内某2650m³高炉上，在高炉上的三个出铁口的其中一处依照图2安装高速相机及其他装置。在相机选型上，最主要是帧率和分辨率的参数选择，合适的帧率能捕获铁水流的运动信息，足够的分辨率在图像上提供更多的细节信息。据现场工人估计，高炉出铁口铁水流速为5～6m/s。为满足测速需求，工业相机分辨率为1280*720，帧率为240。具体完成熔融流体流速的整个检测过程的实施方案步骤如下：

(1)根据高速相机的安装参数及现场数据，对相机进行标定，确定图像坐标系与世界坐标系之间的关系；

(2)高速相机视频捕捉单元10对高炉出铁口铁水出流进行实时视频捕捉，通过视频采集单元20对视频进行存储及压缩，并通过Camera Link接口将高帧率视频流传送给FPGA硬件平台；

(3)视频预处理单元30和极高光特征位移场计算的算法完全嵌入在FPGA硬件平台上。FPGA硬件平台中的执行模块执行视频流分解处理，将视频流分解成以时间为顺序的帧图像组，并划分为两个相同帧数的帧图像组，两个帧图像组作为两路图像流，由平台中的两个执行模块同时进行感兴趣铁水流区域提取处理、通道分解与图像线性增强，随后，将处理的两路图像流结果，分别传输至执行模块执行极高光特征位移场计算处理，得到两个极高光特征亚像素级位移场组；

(4)铁水流速检测单元50的算法完全嵌入于多DSP硬件平台上。首先，多DSP硬件平台的采集模块接收采集FPGA硬件平台传输过来的两个铁水极高光特征亚像素级位移场组；多DSP硬件平台启动两个线程和两个队列，用来实时获取两路铁水极高光特征亚像素级位移场组并存入相应的队列；所述命令收集模块接收所述采集模块的忙信号，将其传输给所述任务管理模块；任务管理模块根据存储模块中预设的指令执行顺序加载高精度位移场、相机标定及流速计算算法；然后，任务划分模块将两个铁水极高光子特征亚像素位移场组分别分配到从和主两个DSP芯片中同时进行处理，计算出高精度位移场，并获得极高光子特征的水平位移向量，在此过程中，两个DSP芯片之间相互独立地完成所给任务。在单个DSP芯片中，每当处理完一帧图像时，计算当前帧与前一帧的匹配的极高光子特征的移动像素精确值；所述命令收集模块是收到所有DSP芯片发出空闲信号时，将信号传输给所述任务管理模块；所述任务管理模块加载相机标定和流速检测的算法，任务划分模块分配至主DSP芯片完成剩余的处理过程，最后，数据输出模块输出当前视频流时间段内铁水平均流速。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。