基于图像处理和识别技术的灼热丝火焰检测系统

一技术创新・日用电器　基于图像处理和识别技术的灼热丝火焰检测系统　余轩　冯达　梁晖　李彬　兰辉　（Ｉ广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心　２华南理工大学自动化科学与工程学院　广州　广州　５１０６２３　５１０６４０）　简介：为了提高灼热丝火焰高度测量的准确性，利用图像处理软件￣ＴＬＡＢ对火焰图像进行灰度提取，根据　灰度图像中火焰与背景的亮度差异，采用高斯一拉普拉斯算子进行火焰图像边缘的提取，采用工件尺寸的光　学测量方法计算火焰高度。经过与传统方法的比较试验表明，该方法所测火焰高度数据准确，用于灼热丝火　焰高度的检测是可行的。　关键字：灼热丝；火焰高度；高斯一拉普拉斯算子；ＭＡＴＬＡＢ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｇｌｏｗ—ｗｉｒｅ　ｆｌａｍｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ｉｔ　ｕｓｅｓ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＭＡＴＬＡＢ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｆｒｏｍ　ｇｒａｙｓｃａｌｅ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｉｍａｇｅ．Ｉｔ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　Ｇａｕｓｓ—Ｌａ—　ｐｌａｃｅ　ｏｐｅｒａｔｏｒ　ｆｌａｍｅ　ｉｍａｇｅ　ｅｄｇｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｆｌａｍｅ　ａｎｄ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｄｉｆ—　ｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｉｎ　ｇｒａｙｓｃａｌｅ　ｉｍａｇｅｓ．Ａｎｄ　ｉｔ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｔｅｓｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈｉｇｈｌｙ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇｌｏｗ—ｗｉｒｅ　ｆｌａｍｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉＳ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ＷＯｒｄｓ：ｇｌｏｗ—ｗｉｒｅ；ｆｌａｍｅ　ｈｅｉｇｈｔ：Ｇａｕｓｓ—Ｌａｐｌａｃｅ　ｏｐｅｒａｔｏｒ；ＭＡＴＬＡＢ　引言　灼热丝试验是检验电工电子产品中绝缘材料耐燃性　能重要的试验项目，在家用电器安全标准ＧＢ　４７０６．１，自　动控制器安全标准ＧＢ　１４５３６．１，灯具安全标准ＧＢ　７０００．１　要途径，是判定材料能否在恶劣的环境下应用的重要依据。　灼热丝试验主要考核绝缘材料是否起燃，以及起燃后　的火焰高度和持续时间，其试验方法和合格判定主要依据　标准ＧＢ　５１６９．１０，ＧＢ　５１６９．１１，ＧＢ　５１６９．１２，ＧＢ　５１６９．１３中　的规定。目前的测量火焰高度的方式是肉眼观测标尺刻度，　都有相应要求。灼热丝试验是根据电工电子产品的工作　情况，尽可能真实地模拟绝缘材料可能承受的热效应，　从而估算火焰高度，其试验过程影响准确性的因素较多，　测量的误差较大　】。　来进行产品的着火危险试验。理论上讲，在产品内部的　绝缘材料或外壳绝缘材料均可能由于灼热电线或灼热元　件而起燃。由于电热作用可能出现的过热应力或着火危　险，从而使其性能劣化，降低产品的安全性能。因此相　关标准规定，这些绝缘材料不应过度地受到产品内部产　生的热和火的影响。灼热丝试验是检验产品内部易使火　焰蔓延的绝缘材料和外壳绝缘材料的着火安全性能的重　针对上述问题，本文提出一种基于数字图像处理和识　别的方法来测量灼热丝火焰高度，通过ＣＭＯＳ网络，摄像　机作为图像传感器嘲，实时摄取检测图像，将每一帧的图　像转化成数字信号，再应用计算机软件技术对数字信号进　行处理，从而得到火焰高度目标图像特征值　，并在此基　础上根据火焰图像灰度分布提取火焰外形轮廓　，实现尺　基金项目：国家质检总局科研项目，２０１１ＩＫ０７８　Ｅｌｅｃｔｎｃａｌ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ　Ｍａｒ２０１３　４３　．技术创新・Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　寸校正，灰度图分布，火焰高度和火焰持续时间计算等　多种功能，进而完成对火焰高度的精确测量。　１测量方案　１．１测量原理　灼热丝火焰的形成，是在标准大气压下，南固体绝缘　材料和该绝缘材料经受高温而同气相变　产生的可燃气　体作为燃料，空气作为助燃气体，一般火焰形状多呈现　锥形，火焰温度大约２７００￣Ｃ［６１。　根据普朗克黑体辐射定律，物体的温度越高，其辐射　能越大，火焰的辐射能转化为连续光谱”　，经数字图像输　入，该连续光谱转变成图像亮度信息。在火焰图像中，　火焰部分相对于背景部分有着明显的亮度差异，经过对　图像灰度化处理，使图像只含亮度信息，并把亮度值进　行量化　】，分为０～２５５共２５６个级别，其中０最暗（全　黑），２５５最亮（全白）。　为了得到火焰高度，即测量图像中高亮度的区域位置　最高点高度。再利用边缘检测、图像分割、特征提取等　方法对火焰图像进行分析处理　，以提取火焰高度。　此外，灼热丝火焰高度的测量是一个动态的过程，首　先分析每一帧的图像轮廓，并且把不同帧图像的火焰高　度进行标定，即可以分析火焰高度随时间的变化，又可　以依据各帧间隔时间，判定火焰持续时间。　１．２测量系统　灼热丝火焰测量系统主要南灼热丝试验仪、数据采集　模块、网络摄像机和计算机等组成。系统结构如图１所　示。网络摄像机作为图像输入设备采集灼热丝火焰图像；　图ｌ系统结构　４４　２０１３年０３月　日用电器　数据采集模块接收灼热丝试验仪输出的３个开关量信号，　试验开始、灼热丝头接触到试样以及试验结束灼热丝头　离开试样；计算机用于数字图像分析处理。　２火焰高度的测量　２．１校正功能　根据光学成像原理，对于同一个同定的物体，在图　像中的像素高度，会随着摄像机镜头与目标之间的距离　远近发生改变”　；此外，图像是由像素组成，火焰罔像　像素的高度与火焰实际高度之间有线性关系，并受到摄　像机镜头焦距、摄像机分辨率等因素的影响［Ｉｌｌ￣因此为　了精确计算出火焰高度，需要加入高度与像素比值的校　正功能。在试验前，固定日标火焰与镜头的距离，调节　好焦距，利用灼热丝试验仪垂直放置的标尺，并尽量使　标尺接近火焰，以减小误差。首先获得标尺的实际高度，　然后在图像中计算出标尺的像素高度，最后计算出像素　高度与标尺实际高度的比值，根据线性关系就可以通过　火焰图像的像素高度求出火焰的实际高度。　２　２火焰边缘的确定　火焰图像边缘是所要提取火焰高度和背景的分界线，　利用火焰图像与背景的灰度差异可以将火焰部分【一ｊ背景　部分区分开来。由于噪声的存在，检测到的火焰边缘可　能会变宽或者在某些点处发生间断，因此要能够抽取出　反映灰度变化的边缘点，然后剔除某些边界点或填补边　界间断点，并将这些边缘连接成完整的线。　火焰高度的测量采用基于灰度的分割技术［１２１，通过　高斯一拉普拉斯（Ｌａｐｌａｃｉａｎ　ｏｆ　ａ　Ｇａｕｓｓｉａｎ，ＬｏＧ）边缘检测　算子［１　３１，即首先采用邻居平均法对图像做平滑处理。由　于噪声点像素的灰度与其邻近像素的灰度有着显著不同　，根据这一特点经过模板计算，可以有效去除噪声；　再对平滑后的图像进行梯度锐化处理［１５１，补偿火焰图像　的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分”　，使冈像　边缘变得清晰。　为了去除噪声的影响，首先对图像进行高斯低通滤　波，然后对滤波后的图像求二阶导数，即按照下式计算：　技术创新・Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｈ＿　参考文献　…过峰，赵介军．．浅析灼热丝　试验结果偏离的原因【Ｊ】，家电科技，　　Ｉ■ｌ　ｔｔ　扎，　Ｉ　３Ｚ，４　．　２０１０．１：４８－５０．　图５火焰高度图　（口，ｂ）和基准点的坐标　的高度为　】：　Ｈ＝Ｋｘ　Ｍ　（ｃ，ｄ），可以计算出火焰　（５）　（口，ｂ）的纵坐标是ｂ，％　（ｃ，ｄ）的纵坐标是ｄ，　两个坐标的差值即为火焰的垂直高度。基准点的选取是　根据ＧＢ　５１６９．１１第１１章的要求，火焰的高度是指当灼　热丝施加在试验样品上时，由灼热丝上缘至柔和的弱光　下观察可见火焰顶部之间的垂直距离，因此计算火焰高　度的基准点是灼热丝上边沿。　火焰高度随时间变化如图４所示，为了标明开始测　量和结束测量的时刻，在灼热丝接触材料的时刻以红色　线条标出，以表示测量开始，在灼热丝离开材料时，以　蓝色线条标出，以表示测量结束，由图４可以容易得ｊ｛｛　火焰高度和火焰持续时间的试验结果。　３结论　根据数字图像处理知识，利用ＭＡＴＬＡＢ　１二程软件，　对ＣＭＯＳ摄像机所拍摄的彩色火焰图像提取灰度值分布　曲线。依据火焰亮度明显高于背景的特征，采用了高斯　一拉普拉斯算子确定火焰的边缘，采用工件尺寸的光学　测量方法计算火焰高度。该测量方法经过与传统方法的　对比，具有检测速度快、试验精度高、操作简便安全等　特点，能够有效满足灼热丝试验的要求。　４６　２０１３年Ｏ３月　日用电器