一種基于數字圖像處理的灼熱絲火焰監測系統

鄒德臣，王慧武，叢超

（哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028）

0 引 言

電子電器零部件在故障或過載等條件下可能達到過高的溫度而存在引起著火的危險。灼熱絲試驗就是模擬過載電阻之類的熱源或點火源在短時間內對樣品施加熱應力，通過觀察和測量被測材料在規定時間內的燃燒情況，來評定樣品的著火危險性。灼熱絲試驗是檢驗電工電子產品中絕緣材料耐燃性能重要的試驗項目。灼熱絲試驗主要是為了測試絕緣材料在試驗條件下，起燃后的火焰高度和持續時間，其試驗方法和合格判定在國家標準GB 5169.10，GB 5169.11，GB 5169.12，GB 5169.13中明確規定。目前的測量火焰高度和持續時間的測量方式是肉眼觀測標尺刻度，從而估算火焰高度，由于肉眼分辨力有限而且易受實驗環境干擾，所以測量的誤差較大［1－2］。

灼熱絲火焰是在標準大氣壓下，由固體絕緣材料和該絕緣材料經受高溫而固氣相變產生的可燃氣體作為燃料，空氣作為助燃氣體的條件下形成的。火焰的本質是放熱反應中反應區周邊空氣分子加熱而高速運動，從而發光的現象，根據溫度和亮度的差異可分為內層、中層和外層。在灼熱絲火焰檢測和火焰高度測量中，需要測量的是灼熱絲上緣與火焰外層頂部之間的垂直距離，然而由于灼熱絲火焰外層火焰溫度極高其光譜集中在紫外區，這使得人眼不能對其進行分辨，而實際能觀測到的只是光譜集中在可見區的內焰部分，所以無法準確測量灼熱絲火焰的實際高度［3－6］。

在灼熱似火焰圖像中，外層火焰的溫度和亮度都是最高的，雖然其光譜集中在不可見區，但可以通過提取火焰圖像中的亮度特征，并結合輪廓提取技術將需要測量其高度的外層火焰提取出來，進而實現對灼熱絲火焰高度的準確測量。就是基于上述思路，提出了一種基于數字圖像處理方法和輪廓提取技術的灼熱絲火焰高度測量方法，并綜合圖像采集系統設計了一種實時、高準確度的灼熱絲火焰檢測系統，而且通過實驗結果驗證了此系統的有效性和高準確度。

1 灼熱絲火焰監測系統結構說明

所設計的灼熱絲火焰監測系統主要為了實現兩種功能：（1）測量灼熱絲火焰持續的時間長度；（2）準確測量（誤差范圍在）某一時刻灼熱絲火焰的高度。為了實現以上功能，本系統設計了圖像采集與傳輸模塊、基于STM 32F407型單片機的數據處理模塊和灼熱絲火焰高度擬合曲線輸出部分。此檢測系統實際工作時首先通過圖像采集系統獲取灼熱絲實驗圖像，然后通過通信端口將采集的數據傳輸給數字圖像處理模塊，此環節根據灼熱絲火焰圖像的主要噪聲干擾和火焰圖像輪廓特征，并為了兼顧系統的實時性和準確度，綜合應用了灰度處理、亮度范圍截取、中值濾波去噪和Canny邊緣提取方法，以完成對灼熱絲火焰外層輪廓的完整、準確提取，進而實現對灼熱絲火焰高度的高精度測量。最后根據圖像采集起始時刻和采樣間隔標定采樣時間，繪制火焰高度擬合曲線，其中火焰高度不為零的采樣點的持續時間即為灼熱絲火焰持續時間。本系統的圖像采集模塊每秒鐘可采集10幀圖像，所以通過本系統得到的火焰持續時間的誤差不會大于0.1 s。監測系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 灼熱絲火焰監測系統框圖Fig.1 Block diagram of glow-wire flame monitoring system

2 基于圖像處理和識別技術的火焰高度測量

2.1 灰度處理及亮度范圍截取

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，為了提取出火焰的這一重要特征，并據此實現對火焰高度的測量，本文首先應用Matlab軟件對圖像進行了灰度處理，將由圖像采集模塊獲得的R.G B色彩影像三原色數值轉化為亮度值，進而使圖像中的每一像素由一個二維數組表示，這樣在保留了火焰圖像主要特征的同時進也方便應用Matlab數字圖像處理技術進一步對數據進行處理。將原圖像的顏色值灰度值為：

式中R、B、G分別是原圖像中的紅、藍、綠顏色分量值。經過灰度處理后的每一個像素都只含有進行了0～255之間的量化后的亮度值信息。需要進行提取用于火焰高度測量的外層火焰其亮度值最大，如圖2所示，為了保留此部分圖像需要對灰度圖像進行了灰度范圍截取，Matlab中的imadjust函數可實現此功能，其基本原理為：選取原圖像中亮度值處于某一范圍的像素，并將此部分像素的亮度值重新擴展到0～255。

圖2 灰度處理前后的灼熱絲火焰圖像Fig.2 Images of glow-wire flame before and after gray processing

2.2 濾波

在灼熱絲火焰圖像獲取的過程中，外部電磁干擾、圖像采集系統和存儲設備的內部機械振動和傳輸介質的缺陷會產生一些噪聲干擾，稱為椒鹽噪聲。這種干擾會嚴重影響圖像質量和后續邊緣提取的準確度，為了獲得高質量的圖像進而準確測量火焰高度等信息，需要對火焰圖像進行濾波處理。目前常用的噪聲濾波方法主要有低通濾波法、帶通濾波法、平滑濾波均值濾波和中值濾波等方法［7－9］。在以上述各方法中對于所要設計的火焰圖像檢測系統而言，中值濾波方法具有以下幾點明顯優勢：（1）算法原理簡明、運算速度快；（2）對于由疊加白噪聲和行為疊加噪聲組成的椒鹽噪聲的濾除效果明顯；（3）在有效濾除噪聲的同時能完整保留圖像邊緣。綜合上述特點和仿真對比結果，文中采用中值濾波方法進行濾波處理。圖3中為不通濾波方法的濾除噪聲效果，通過對比可以發現，中值濾波方法的圖像去噪效果最佳。

圖3 不同濾波方法的圖像去噪效果對比Fig.3 Comparison of image denoising based on different filteringmethods

2.3 基于Canny算子的圖像輪廓提取

目前可用以圖像輪廓提取的方法主要有：Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Laplace算子和Canny算子，相比之下Canny具有以下明顯優勢：（1）能完整提取出涵蓋圖像邊緣的輪廓；（2）具有較強的抑制噪聲作用；（3）產生虛假邊緣概率低。綜上優點選用了Canny進行火焰圖像輪廓提取。Canny算子的邊緣檢測基本原理：首先用高斯濾波器平滑圖像，待處理的數字圖像的二維高斯函數為：

將圖像 f（x，y）與 G（x，y）的偏導作卷積可得：

A（x，y）反映了圖像在像素點（x，y）處的邊緣梯度強度，θ是圖像（x，y）點處的梯度法向矢量。

綜合 A（x，y）、θ可以得到全局的梯度，其中的具有局部梯度極大值的像素點即是圖像的邊緣部分，Canny算子通過非極大值抑制的方法來確定圖像邊緣。此方法可簡述為：以每一像素點為中心點畫四條等間隔的梯度線，并將此點與各梯度線上的相鄰點比較，若為極大值則保留不為極大值責令其為0。經過非極大值抑制后保留下來的點即為圖像邊緣點，準確地將這些點連接即為圖像輪廓。

為了可以完整準確提出圖像輪廓的同時又可以不出現虛假邊緣，Canny算子選擇了雙閾值算法，其中高閾值約為低于值得2倍，具體檢測步驟為：分別用兩個閾值對經非極大值抑制后的圖像進行檢測，得到兩組圖像邊緣檢測結果，其中高閾值的檢測結果出現虛假邊界的概率很低，但輪廓點較少，低閾值的檢測結果則相反。在保留高閾值檢測結果中的全部像素點基礎上，并對于在高中出現的點再在低中與之相鄰的8個點中根據梯度方向進行選擇，最后將符合條件的點進行連接就是基于Canny算子得到的圖像輪廓。圖4為應用Sobel算子、Prewitt算子、Laplace算子和Canny算子對灰度圖像進行輪廓提取的結果，通過對比可知Canny算子所提取的火焰圖像輪廓的清晰度和完整度都是最佳的。

2.4 灼熱絲火焰高度的計算

首先通過簡單的搜索程序確定火焰輪廓中橫坐標最小點 a1（x1，y1）和縱坐標最高點 a2（x2，y2）的像素，其中a1即為灼熱絲上的某一點，y1則為火焰的基準高度點縱坐標，a2即為火焰外層的最高點，y2則為火焰外層最高點的縱坐標。火焰高度的基準點是根據國家標準中規定的：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。

圖4 采用不同算子的火焰輪廓提取結果Fig.4 Extract results of the flame profile using different operators

圖5 灼熱絲火焰高度檢測結果Fig.5 Themonitoring results of the height of the glow-wire flame

根據攝像機數字成像原理，設圖像采集系統的圖像放大倍數為k，火焰高度方向總的像素值為m，火焰實際高度計算式為：

圖5為應用文中所設計的火焰圖像檢測系統對實際灼熱絲火焰的檢測結果，觀察圖中測量結果可知此次灼熱絲試驗的火焰開始時刻為9.0 s、截止時刻為49.6 s，持續時間為40.6 s，火焰的最大高度出現在26.0 s為8.9 cm。由以上試驗結果可知本系統可以準確測得火焰的起止時刻、持續時間和灼熱絲燃燒過程中某一時刻的火焰高度。

3 結束語

為了實現對灼熱絲火焰高度和持續時間的準確測量，提出了一種基于多種數字圖像處理技術的灼熱絲火焰監測系統。本系統根據需要測量的外層火焰的亮度特征，綜合應用了灰度處理、亮度映射、中值濾波和Canny算子等方法進行火焰輪廓準確提取，進而實現對火焰高的準確測量與監測。文中通過Matlab仿真實驗對本系統各環節所選用方法對火焰圖像處理的適用性進行了驗證。最后用一組實際灼熱絲試驗的火焰監測結果驗證了所提出的監測系統可以實現對灼熱絲火焰的實時準確監測。