一种基于火焰图像纹理特征的转炉终点碳含量预测方法
阅读说明：本技术 一种基于火焰图像纹理特征的转炉终点碳含量预测方法 (Converter endpoint carbon content prediction method based on flame image texture features ) 是由 刘辉 李清荣 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于火焰图像纹理特征的转炉终点碳含量预测方法。首先,通过CCD高清摄像机拍摄转炉炉口火焰图像；然后,利用四元数乘法特性对火焰图像进行旋转操作得到火焰图像的四元数旋转图谱；其次,以旋转图谱指定方向和距离上像素差值的四元数相位为投影轴,以差值的四元数幅值为权重进行统计得到特征,并将各角度和距离下的直方图串联并归一化作为火焰图像的彩色纹理特征；最后,使用回归模型根据火焰图像特征连续实时地预测转炉终点钢水碳含量。本发明的钢水碳含量预测方法具有数据采集简单方便、抗干扰性强、实时性高等特点；另外,相比于传统的图像特征提取方法而言本发明中火焰图像彩色纹理特征提取方法具有更高的碳含量预测准确率。(The invention discloses a converter end point carbon content prediction method based on flame image textural features. Firstly, shooting a flame image at a converter mouth by a CCD high-definition camera; then, rotating the flame image by utilizing the quaternion multiplication characteristic to obtain a quaternion rotation map of the flame image; secondly, taking the quaternion phase of the pixel difference value in the direction and distance specified by the rotating map as a projection axis, taking the quaternion amplitude of the difference value as a weight to carry out statistics to obtain characteristics, and connecting and normalizing histograms at various angles and distances in series to be used as the color texture characteristics of the flame image; and finally, continuously predicting the carbon content of the molten steel at the end point of the converter in real time by using a regression model according to the flame image characteristics. The method for predicting the carbon content of the molten steel has the characteristics of simple and convenient data acquisition, strong anti-interference performance, high real-time performance and the like; in addition, compared with the traditional image feature extraction method, the flame image color texture feature extraction method has higher carbon content prediction accuracy.)
技术领域
本发明涉及图像处理(Image Processing)领域，特别是涉及一种基于火焰 图像纹理特征的转炉终点碳含量预测方法。
背景技术
钢铁工业的发展不仅标志着我国经济水平的发展程度，还关系着国民经济 发展命脉，我国作为世界上最大的钢铁生产国和消费国，钢铁工业更是支撑着 我国国民经济发展基础。转炉炼钢由于具有吹炼速度快、生产率高、产品质量 高、建设速度快等优点成为世界上最主要的钢铁生产方式，在我国，通过转炉 冶炼的钢产品占比例约为88％，占据了我国钢产品原料来源的主导地位。
转炉终点钢水碳含量过高不利于钢水的脱硫脱磷操作，过低则会增加钢水 中氧和氮元素的含量。因此，在转炉终点控制中，实现熔池内钢水碳含量的连 续实时测量能为控制钢水碳含量提供有效且可靠的依据，有利于提高转炉终点 控制质量，在提高出钢质量、提高冶炼效率、提高转炉炼钢自动化水平和实现 节能减排等方面具有重要的价值和意义。
常用成熟的转炉炼钢动态控制技术测量方法有：人工经验与取样分析法、 副枪检测法、炉气分析法等。人工经验与采样分析法，由操作工人根据经验观 看炉口火焰并结合吹炼时间等信息综合判断，然后取样分析和测量钢水的碳、 温等参数信息。该方法易受操作工人的经验、熟练程度和主观情绪的影响，准 确率较低，只在我国中小型转炉中有使用。副枪检测法通过副枪上的传感器直 接测量钢水的碳含量和温度信息，具有快速测量、准确率高的特点；但其不能 连续实时测量熔池内钢水的碳含量和温度，属于间断性测量。同时，此方法由 于测量时需要将副枪浸入钢水中，工作环境恶劣，需要定期更换检测探头，其 使用和维护成本高。炉气分析法使用专用设备分析炉口排出的烟气获得熔池内 钢水的脱碳速度和温度，精度受炉气流量等因素的影响；此外，检测探头处于 具有腐蚀性的气体中，设备的使用和维护的成本高，因此仍很难在中小型转炉 中推广使用。
在计算机技术和数字图像处理等技术发展的基础上，基于火焰图像特征提 取的转炉终点碳含量预测方法是一种新颖的方法，通过提取和分析转炉终点炉 口火焰图像特征实现转炉终点判断或预测终点碳、温等信息，其具有数据采集 简单方便、抗干扰性强、实时性高等特点。该方法具有能连续实时预测钢水碳 含量的优点，能为终点控制提供更加可靠和直接的依据，但由于转炉终点火焰 图像具有较高相似性，存在预测准确率偏低的缺点。因此，如何提取不同碳含 量对应的具有较强区分性的火焰图像特征，以提高转炉终点钢水碳含量预测准 确率成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种转炉终点钢水碳含量连续实时预测方法，能够通 过炉口火焰图像特征的提取有效且准确的预测转炉终点钢水碳含量，为转炉终 点控制中控制钢水碳含量提高有效且可靠的依据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于火焰图像纹理特征的转炉终点碳含量预测方法，其中所述碳含量 连续实时预测方法包括：炉口火焰图像采集、火焰图像彩色纹理特征提取、钢 水碳含量连续实时预测三个步骤，其特征在于，所述碳含量连续实时预测方法 为：
通过CCD摄像机采集转炉炉口火焰图像，并对火焰图像进行预处理操作；
提取采集的炉口火焰图像的彩色纹理特征；
根据提取的转炉炉口火焰图像的彩色纹理特征训练回归模型或进行转炉 终点钢水碳含量的连续实时预测。
所述的提取火焰图像彩色纹理特征具体为：
利用四元数的伪旋转操作获得火焰图像的旋转图谱，通过提取火焰图像的 旋转图谱特征作为火焰图像的彩色纹理特征；
在获得火焰图像的四元数旋转图谱后，计算在指定方向和距离下旋转图谱 的像素四元数差；
以旋转图谱指定方向和距离上像素差值的四元数相位为投影轴，以差值的 四元数幅值为权重进行统计，得到当前指定方向和距离上火焰图像的彩色纹理 特征；
将各指定方向和距离上的火焰图像的彩色纹理特征进行归一化操作，并串 联为火焰图像的最终彩色纹理特征。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的转炉终点钢水碳含量连续实时预测方法，通过结合四元数图 像处理技术，提取有效的火焰图像彩色纹理特征，并根据所述的火焰图像彩色 纹理特征预测转炉终点钢水碳含量。因此，本发明提供的转炉终点钢水碳含量 连续实时预测方法，能在保证实时性的同时有效提高基于炉口火焰图像特征提 取的转炉终点钢水碳含量预测准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测方法的系统结构图；
图2为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测方法的步骤16的流程图；
图3为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测方法同几种成熟且经典的 图像彩色纹理特征提取方法在转炉终点钢水碳含量预测准确率方面的比较；
图4为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测曲线图；
图5为本发明实施例转中不同碳含量对应的炉口火焰图像示例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中存在基于炉口火焰图像特征提取于分析的转炉炼钢终点判断 方法，但是鲜有基于炉口火焰图像特征提取的转炉终点钢水碳含量预测方法， 实现转炉终点钢水碳含量的连续实时预测能为终点控制钢水碳含量提高有效 且可靠的依据。由于转炉终点炉口火焰图像具有较高的相似性，导致基于炉口 火焰图像特征提取的转炉终点钢水碳含量预测方法存在准确率偏低的缺点。
针对上述问题，还存在一种通过卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)提取转炉终点炉口火焰图像特征预测转炉终点钢水碳含量的方 法。该方法通过使用卷积神经网络提取转炉炉口火焰图像的特征，然后使用 BP网络预测转炉终点钢水碳含量。但该方法碳含量预测准确率还有待于提高， 且卷积神经网络图像特征提取需要高计算性能的硬件支持。
本发明的目的是提供一种基于火焰图像纹理特征的转炉终点碳含量预测 方法，能在保证碳含量预测实时性的同时有效提高基于炉口火焰图像特征提取 的转炉终点钢水碳含量预测准确率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，所述的转炉终点钢水碳含量连续实时预测方法的系统结构包 含火焰图像采集单元、火焰图像特征提取单元、钢水碳含量连续实时预测单元 和电源模块四个部分：
所述火焰图像采集单元负责连续实时采集转炉炼钢过程中炉口火焰图像， 并将采集的火焰图像传输至所述火焰图像特征提取单元；
所述火焰图像特征提取单元提取火焰图像的彩色纹理特征，在特征提取结 束时，将提取的火焰图像彩色纹理特征传输至所述钢水碳含量连续实时预测单 元，并给火焰图像采集单元发送特征提取结束信号；
所述火焰图像采集单元在接受所述火焰图像特征提取单元发送来的特征 提取结束信号时，继续采集并传送火焰图像到所述的火焰图像特征提取单元；
在训练阶段，所述火焰图像特征提取单元还将特征对应的碳含量标签一同 传送至所述钢水碳含量连续实时预测单元，钢水碳含量连续实时预测单元接收 所述火焰图像特征提取单元发送的火焰图像彩色纹理特征和特征对应的碳含 量标签后，对钢水碳含量连续实时预测单元中的KNN回归模型进行训练；
在碳含量预测阶段，钢水碳含量连续实时预测单元将接收的所述火焰图像 特征提取单元发送的图像彩色纹理特征送到训练好的KNN回归模型进行钢水 碳含量的连续实时预测；
所述的电源模块为所述的火焰图像采集单元、火焰图像特征提取单元、钢 水碳含量连续实时预测单元提供必要的电能。
如图1所示为所述转炉终点钢水碳含量连续实时预测方法的步骤：
步骤1：通过CCD摄像机实时采集转炉炉口火焰图像，并将火焰图像转 换到HIS颜色空间下；
步骤2：利用四元数的伪旋转操作获得火焰图像的旋转图谱，通过提取火 焰图像的旋转图谱特征作为火焰图像的彩色纹理特征。以HSI空间下火焰图像 Qhsi特征提取为例，若四元数已知四元数P＝Xi+Yj+Zk为常量纯四元数， 则火焰图像的四元数旋转图谱定义为火焰图像四元数形式与纯四元数P的伪 旋转操作的结果，既Imap＝PRQr(Qhsi，P)，具体计算公式如下式(1)所示：
Imap＝-(HqX+SqY+IqZ)+(SqZ-IqY)i+ (IqX-HqZ)j+(HqY-SqX)k (1)
式中Hq，Sq，Iq分别为HIS空间下火焰图像的H、S、I三个分量；i，j，k为四 元数的三个虚数单位；
步骤3：在获得火焰图像的四元数旋转图谱后，计算在指定方向θ和距离d 下旋转图谱Imap的像素四元数差Cθ，d，Cθ，d计算公式如式(2)所示：
Cθ，d(x，y)＝Imap(x，y)-Imap(x+dx，y+dy) (2)
式中dx为x方向的偏移量，dy为y方向的偏移量；易知 求得四元数差Cθ，d后，将其相位和幅值分别记为和Amθ，d， 四元数相位和幅值的计算参照式(3)和式(4)：
式中θQ和|Q|分别为四元数Q的相位和幅值；r为四元数Q的实部分量值，a，b， c分别为四元数Q的三个虚部分量值。
步骤4：以n为步长对四元数差Cθ，d的相位进行量化，如式(5)所示：
式中floor为向下取整操作，在以上处理后，指定方向θ和距离d下火焰图像的 彩色纹理特征计算公式描述如式下(6)所示：
式中QDSθ，d为对应方向θ和距离d下的火焰图像特征向量；QDSθ，d(l)为QDSθ，d中的第l个特征值。
步骤5：转炉终点熔池内钢水中碳元素的氧化反应是非常复杂的过程，导 致炉口火焰区域的边界形状和大小不一(如图5所示)。在提取火焰图像特征 时，为了排除火焰边界形状对终点碳含量预测结果的影响，只考虑火焰区域内 的有效像素点。具体操作为：首先将HSI空间下图像Qhsi对应于RGB空间下 的0像素位置设置为负值，然后将旋转图谱Imap中实部 r＝-(HqX+SqY+Iqz)中大于0的像素排除在外。由于计算四元数方向统计 量时考虑的是指定方向和距离下两像素点的关系，当排除非火焰像素部分后火 焰图像的边界形状并不会对特征产生影响。为了排除火焰像素数量对终点碳含 量预测结果的影响，在预测碳含量前对特征进行了归一化处理。归一化处理过 程如式(7)所示：
式中numθ，d为在指定θ和d条件下参与运算的有效像素对数。最终火焰图像的 彩色纹理特征为方向θ＝-45°、0°、45°、90°和距离d＝1、2、4、8、16下 所有的Fθ，d的串联，记为F。
步骤6：在提取炉口火焰图像彩色纹理后，通过训练集训练KNN回归模 型，在预测转炉终点钢水碳含量时，将火焰图像特征F输入到训练好的KNN 回归模型中预测转炉终点钢水碳含量。
如图3所示，为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测方法同几种成熟且 经典的图像彩色纹理特征提取方法在转炉终点钢水碳含量预测准确率方面的 比较，相比于传统的图像彩色纹理特征提取方法，本发明中的图像彩色纹理特 征提取方法具有更高的转炉终点钢水碳含量预测准确率，具体内容为：
实施例中的火焰图像数据自于钢厂实际生产过程中拍摄的炉口火焰视频 数据(共640炉次的炼钢数据)；
实施例中的火焰图像数据对应的碳含量范围为0.01％到0.23％(分辨率为0.01％)，从640个炉次下火焰视频结束的最后2秒内采样25帧火焰图像作为 实施例中的实验数据(视频结束时刻对应副枪检测钢水碳含量时刻)，共采样 16000个大小为1466×400的火焰图像；
在实施例中，分别对比了本法明中火焰图像彩色纹理特征提取方法与梯度 方向直方图(Histogram of oriented gradient，HOG)纹理特征提取算法、灰度共 生矩阵(Gray-level Co-occurrence Matrix，GLCM)纹理特征提取方法、颜色共生 矩阵(Colorco-occurrence matrix，CCM)纹理特征提取方法和C.Chahla提出的 基于四元数的彩色LBP纹理特征提取方法QLBP在转炉终点钢水碳含量预测 准确率性能方面的比较。
优选的，本发明提取火焰图像彩色纹理特征时步长n＝18；
可选的，已知四元数P＝1i+1j+1k；
优选的，碳含量预测模型为KNN回归模型，碳含量预测准确率为十折交 叉验证结果。
在实施例中，本发明提取火焰图像彩色纹理特征平均每帧所需时长为280 毫秒，能有效保证碳含量预测的实时性。
如图4所示，为本发明实施例转炉终点钢水碳含量预测结果与实际碳含量 分布情况。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。