CN111426613B - 基于机器视觉的过程控制实验装置及实验方法 - Google Patents

基于机器视觉的过程控制实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于机器视觉的过程控制实验装置，其技术方案要点是：炉体内设有相对设置的补偿板和测量板，所述补偿板包括灰度值为0的左半区与右半区，所述测量板包括灰度值为0的左半区和灰度值可调节的右半区；当炉体内充入烟雾时，位于炉体左侧的第一摄像头和位于炉体右侧的第二摄像头分别采集烟雾叠加于测量板和补偿板的图像。本发明还公开了一种基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法，通过对烟雾叠加与测量板和补偿板的图像进行相似度对比和标记区域测量，实现了灰度值与烟雾浓度的准确对应。

Description

基于机器视觉的过程控制实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及过程控制实验装置的技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的过程控制实验装置，还涉及一种基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法。
背景技术
熔炼炉是一种利用涡流发热原理以熔化原材料的设备，经常适用于各类金属的原料加工中。在熔融过程中，为了精炼提纯，往往会加入各种填充物或其他合金。由于此时的金属成分发生了较大的变化，同时杂质也会与空气发生各种反应，容易生成大量白色或灰色的烟雾。为保证充分反应，此时常在熔炼炉的出风通道处配置排风机，尽快将挥发的废杂物质排出。然而，熔炼炉往往是连续工作的，其内部温度高达上千度，若排风机始终处于工作状态，将导致炉内热能的巨大浪费，更何况排风机本身的功率就很大，在高负荷下运作对电能也是不小的消耗。
排风机理想的运行方式是在烟雾浓度大于一定值后启动，在低于另一定值后关闭。要实现自动化控制，必然需要对烟雾浓度进行测量。但由于炉内温度极高，普通的传感器根本无法工作，导致无法实时地得到炉内烟雾浓度值。现有技术中，有提到一种通过采集图像，将图像中的各区域划分并测量各区域平均的灰度值后得出烟雾浓度的方法。
然而对熔炼炉来说，由于熔炼炉的内壁会不断堆积杂质而产生颜色变化，且烟雾本身又是动态变化的，这些因素将对烟雾和内壁叠加后的图像产生较大的干扰，导致直接划分区域并测量各区域平均的灰度值的方法所测得的灰度值无法与相应的烟雾浓度准确对应起来。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能解决上述技术问题的基于机器视觉的过程控制实验装置，以及一种基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法。
本发明的技术解决方案是：提供一种基于机器视觉的过程控制实验装置，包括：
炉体，所述炉体的左侧壁设有补偿板且右侧壁设有测量板，所述补偿板和测量板正对设置，所述补偿板包括灰度值为0的左半区与右半区，所述测量板包括灰度值为0的左半区和灰度值可调节的右半区；
烟雾发生器，用于向所述炉体内充入烟雾；
排风装置，用于排出所述炉体内的烟雾；
图像采集装置，包括位于炉体左侧的第一摄像头和位于炉体右侧的第二摄像头，所述第一摄像头正对所述测量板设置，所述第二摄像头正对所述补偿板设置；
控制装置，所述控制装置用于接收所述第一摄像头和第二摄像头的图像，并控制所述烟雾发生器与排风装置的启停。
优选的，所述测量板的右半区设有用于容纳图片的插槽。通过插槽的设置，可以方便地对测量板的右半区灰度值进行替换。
优选的，所述补偿板沿竖直中心线设有第一转轴，并通过所述第一转轴转动连接于所述炉体；所述测量板沿竖直中心线设有第二转轴，并通过所述第二转轴转动连接于所述炉体，以便于对第一插槽或第二插槽中的图片进行替换。
优选的，所述烟雾发生器设于所述炉体的底部的中部，所述排风装置设于所述炉体的顶部的中部，所述第一摄像头固定于所述补偿板的中心，所述第二摄像头固定于所述测量板的中心，从而保证第一摄像头与第二摄像头相对于烟雾的距离大致相等，便于后续的对比与测量。
优选的，还包括射灯，所述射灯的光照范围覆盖于所述补偿板与测量板之间的区域，从而能够对烟雾进行亮度补偿，使得测得的灰度值更为准确。
优选的，所述烟雾发生器靠近所述炉体的一端设有导风板，从而使得烟雾的流动更为凝聚且稳定。
优选的，所述排风装置包括排风管道与排风机，所述排风机位于所述排风管道的内部。
上述方案的有益效果为：通过控制装置对烟雾发生器与排风装置的运行速度进行调节，从而可以根据需要实时地改变炉体内烟雾的速度或浓度，模拟熔炼炉内的烟雾的动态流动效果，且便于定量分析；第二摄像头对动态的烟雾叠加于补偿板后的图像进行采样，得到灰度值较明显的图像；第一摄像头对动态的烟雾叠加于测量板后的图像进行采样，从而为之后的对比测量提供了基础。
本发明还提供一种基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：
预设测量板的右半区的灰度值为x；
打开烟雾发生器和排风装置，使得烟雾在炉体内形成流动状态；
进行采样：在同一采样时间内，第一摄像头采集烟雾与测量板左半区的叠加图像p1以及烟雾与测量板右半区的叠加图像p2，第二摄像头采集烟雾与补偿板左半区的叠加图像q1以及烟雾与补偿板右半区的叠加图像q2；
构建叠加图像p1、叠加图像p2、叠加图像q1、叠加图像q2的直方图模型，并比较叠加图像p1与叠加图像q1的相似度得到值y，若值y小于设定值n则重新进行采样与比较，若值y大于设定值n则判定叠加图像p2与叠加图像q2的相似度合格；
对判定合格后的叠加图像q2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列a；
对判定合格后的叠加图像p2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列b；
将数列a与数列b中的值一一对应，即得到叠加图像p2各区域的灰度值与烟雾浓度的对应关系。
优选的，所述设定值n为0.85，可以保证叠加图像p2与q2的相似度满足一般使用要求。
由于熔炼炉内壁与烟雾的灰度值的差值较小，直接测量熔炼炉内壁与烟雾的叠加图像后测量各区域平均灰度值的方法不仅会存在较大的误差，而且无法得到灰度值与烟雾浓度的对应关系。而本实验方法中由于补偿板的灰度值为0，而测量板右半区的灰度值可以改为与实际的熔炼炉内壁相同，在使用中，首先通过对叠加图像p1与q1的相似度进行对比，从而能保证叠加图像p2与q2的烟雾投影的相似度在合理范围内；随后是对叠加图像p1与q1的灰度值的测量：由于补偿板2与烟雾的灰度值区别较大，可以准确地得出代表叠加图像q2的灰度值的数列a，而数列a又能代表实际的烟雾浓度，当数列a与数列b中的数值一一对应后，即可得到较为准确的熔炼炉内壁与烟雾叠加后的灰度值与实际烟雾浓度的对应关系。
附图说明
图1为本发明的基于机器视觉的过程控制实验装置的示意图(虚线代表电连接的线路)；
图2为本发明的基于机器视觉的过程控制实验装置的补偿板的主视示意图；
图3为本发明的基于机器视觉的过程控制实验装置的测量板的主视示意图；
图4为本发明的基于机器视觉的过程控制实验装置的测量板的截面剖视示意图；
附图中：1-炉体；2-补偿板；2.1-第一转轴；3-测量板；3.1-第二转轴；4-烟雾发生器；4.1-导风板；5-排风装置；6.1-第一摄像头；6.2-第二摄像头；7-工控机；8-射灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参考图1，本发明的基于机器视觉的过程控制实验装置，炉体1为方形，炉体1的左侧壁设有补偿板2，右侧壁设有测量板3，且补偿板2与测量板3完全正对设置。
如图2所示，补偿板2由两块有机玻璃叠加制成，且两块有机玻璃之间留有空隙。在本实施例中，通过将灰度值为0的图片***该空隙内，即可使得补偿板2的左半区与右半区的灰度值均变为0。第一转轴3.1沿补偿板2的竖直中心线设置，使得补偿板2能够在炉体1的左侧壁转动。补偿板2的中心位置留有安装孔，从而使得第一摄像头6.1能够安装在补偿板2的中心，且保证摄像范围能覆盖测量板3。
如图3所示，测量板3也是由两块有机玻璃叠加制成，且两块有机玻璃之间留有空隙形成插槽。在本实施中，测量板3左半区内***灰度值为0的图片，测量板3右半区内***与熔炼炉内壁灰度值相同的图片。第二转轴3.1沿测量板3的竖直中心线设置，使得测量板3能够在炉体1的右侧壁转动。测量板3的中心位置留有安装孔，从而使得第二摄像头6.2能够安装在测量板3的中心，且保证摄像范围能覆盖补偿板2。
应当理解的是，由于熔炼炉的原料熔融过程中产生的大多为黑烟，所以本实验装置将补偿板2与测量板3的左半区的灰度值均设置为0，从而使得烟雾更为明显。当需要检测的烟雾为偏白烟时，只需要将相应位置的图片进行替换，即可将补偿板2与测量板3的左半区的灰度值均设置为255，操作简单方便，提升了本实验装置的适用范围与实用性。
在本实施例中，控制装置为工控机7，从而能够更有效地对图像进行分析比对。第一摄像头6.1、第二摄像头6.2均与工控机7的相连接，从而保证采集到的图像能够实时地传送到工控机7上。
烟雾发生器4位于炉体1的底部，导风板4.1竖直设置于烟雾发生器4的正上方，保证烟雾能够相对稳定地竖直向上流动。
排风装置5位于炉体1的顶部。排风装置5包括排风管道与排风机，排风管道的一端与炉体1的顶部的中心相连通且另一端与外界相连通。排风机位于排风管道的内部，并通过变频器与工控机7电连接，实现对排风速度的控制。
上述烟雾发生器4与排风装置5使得炉体1内形成了动态但相对稳定的烟雾流动轨迹，且烟雾发生器4与排风装置5的设置方式得烟雾的流动轨迹距离补偿板2与测量板3大致相等，方便后续的图像对比与测量。
射灯8设置于炉体1的后壁上，且沿竖直方向均匀排布，确保光照能够均匀地覆盖到补偿板2与测量板3之间的区域。射灯8一方面能够对烟雾进行亮度补偿，另一方面也能更好地模拟熔炼炉内的环境，使得测得的灰度值更为准确。
在此基础上，本发明还提供一种基于机器视觉的烟雾浓度测量实验方法，其基本构思为：
测量没有烟雾时的熔炼炉内壁的灰度值为x，预设测量板的右半区的灰度值为x；
打开烟雾发生器4和排风装置5，使得烟雾在炉体1内形成流动状态；
进行采样：在同一采样时间内，第一摄像头6.1采集烟雾与测量板3左半区的叠加图像p1以及烟雾与测量板3右半区的叠加图像p2，第二摄像头6.2采集烟雾与补偿板2左半区的叠加图像q1以及烟雾与补偿板2右半区的叠加图像q2；
构建叠加图像p1、叠加图像p2、叠加图像q1、叠加图像q2的直方图模型，并比较叠加图像p1与叠加图像q1的相似度得到值y，若值y小于设定值0.85则重新进行采样与比较，若值y大于设定值0.85则判定叠加图像p2与叠加图像q2的相似度合格；
对判定合格后的叠加图像q2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列(a1、a2……)；
对判定合格后的叠加图像p2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列(b1、b2……)；
将数列(a1、a2……)与数列(b1、b2……)中的值一一对应，即得到叠加图像p2各区域的灰度值与烟雾浓度的对应关系。举例来说，若数列(a1、a2……)中值最大的是a3，且a3＝130；值最小的是a5，且a5＝0。此时b3的值为200，b5的值为220，此时即可得到结果:当烟雾与熔炼炉内壁的叠加图像的灰度值为200时，烟雾的浓度最高；当烟雾与熔炼炉内壁的叠加图像的灰度值为220时，烟雾的浓度最低。进一步通过将数列(b1、b2……)中大小介于200～220之间的数值与数列(a1、a2……)一一对应，即可得到较为准确的灰度值与烟雾浓度的对应关系。
上述实验方法包括但不限于以下优点：
1、由于熔炼炉内壁与烟雾的灰度值的差值较小，直接测量熔炼炉内壁与烟雾的叠加图像后测量各区域平均灰度值的方法不仅会存在较大的误差，而且无法得到灰度值与烟雾浓度的对应关系。而本实验方法通过先划分直方图模型，并通过叠加图像q2将烟雾浓度转换为代表灰度值的数列(a1、a2……)，然后通过数值比较的方式将数列(b1、b2……)与数列(a1、a2……)对应起来，由于数列(a1、a2……)的数值跨度远大于数列(b1、b2……)，数列(b1、b2……)能够更为准确地与烟雾对应起来。
2、使用方便且可多次采样。通过替换补偿板2或测量板3内的图片，即可对补偿板2或测量板3的灰度值进行改变，满足对不同烟雾的灰度值检测需求；通过工控机7可以控制烟雾发生器4与排风装置5的运行速度，从而可以根据需要实时地改变炉体1内烟雾的速度或浓度，便于多次定量分析；第一摄像头6.1与第二摄像头6.2可以持续对动态过程中的烟雾进行采样，避免了外部干扰。
以上是本发明的优选实施方式，而本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明原理前提下的任何改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法，其特征在于，应用于基于机器视觉的过程控制实验装置，所述基于机器视觉的过程控制实验装置包括：
炉体(1)，所述炉体(1)的左侧壁设有补偿板(2)且右侧壁设有测量板(3)，所述补偿板(2)和测量板(3)正对设置，所述补偿板(2)包括灰度值为0的左半区与右半区，所述测量板(3)包括灰度值为0的左半区和灰度值可调节的右半区；
烟雾发生器(4)，用于向所述炉体(1)内充入烟雾；
排风装置(5)，用于排出所述炉体(1)内的烟雾；
图像采集装置，包括位于炉体(1)左侧的第一摄像头(6.1)和位于炉体(1)右侧的第二摄像头(6.2)，所述第一摄像头(6.1)正对所述测量板(3)设置，所述第二摄像头(6.2)正对所述补偿板(2)设置；
控制装置，所述控制装置用于接收所述第一摄像头(6.1)和第二摄像头(6.2)的图像，并控制所述烟雾发生器(4)与排风装置(5)的启停；
具体包括以下步骤：
预设测量板(3)的右半区的灰度值为x；
打开烟雾发生器(4)和排风装置(5)，使得烟雾在炉体(1)内形成流动状态；
进行采样：在同一采样时间内，第一摄像头(6.1)采集烟雾与测量板(3)左半区的叠加图像p1以及烟雾与测量板(3)右半区的叠加图像p2，第二摄像头(6.2)采集烟雾与补偿板(2)左半区的叠加图像q1以及烟雾与补偿板(2)右半区的叠加图像q2；
构建叠加图像p1、叠加图像p2、叠加图像q1、叠加图像q2的直方图模型，并比较叠加图像p1与叠加图像q1的相似度得到值y，若值y小于设定值n则重新进行采样与比较，若值y大于设定值n则判定叠加图像p2与叠加图像q2的相似度合格；
对判定合格后的叠加图像q2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列a；
对判定合格后的叠加图像p2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列b；
将数列a与数列b中的值一一对应，即得到叠加图像p2各区域的灰度值与烟雾浓度的对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的过程控制实验装置的实验方法，其特征在于，所述设定值n为0.85。
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