改进MTBCD火焰图像特征...取的转炉炼钢终点碳含量预测_李超.pdf

第 卷第期计算机集成制造系统 年月 ：收稿日期：；修订日期：。；基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）。：，（，）改进 火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测李超，刘辉，（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南昆明 ；昆明理工大学 云南省人工智能重点实验室，云南昆明 ）摘要：转炉炼钢终点时刻炉口火焰的颜色和纹理与钢水碳含量之间存在对应关系，为了提取有效的火焰图像特征以准确预测钢水碳含量，结合火焰纹理多方向多尺度等特点，提出一种改进的多趋势二进制编码彩色纹理特征表述方法。考虑颜色通道间的相关性，通过颜色通道融合策略得到火焰图像的彩色纹理表示；采用多尺度非均匀采样策略选取各尺度范围内的采样点来构建彩色纹理的多尺度表达；根据中心点对称方向和对角线对称方向上采样点不同的变化进行多趋势编码，得到彩色纹理特征，选用广义回归神经网络模型预测碳含量。实验表明，碳含量预测在误差范围 以内的准确率为 。关键词：火焰图像；碳含量预测；多尺度非均匀采样；像素变化趋势；彩色纹理特征中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，（），（），：；计算机集成制造系统第 卷引言作为全世界的钢铁生产和消费大国，我国每年通过转炉炼钢生产的钢铁占钢铁总产量的 以上。终点控制为转炉炼钢中极其重要的一环，其主要是对终点钢水碳含量进行控制，即在吹氧结束时，钢水的碳含量能够满足出钢质量的要求。钢水中碳含量过高会提高硫、磷的含量，从而影响脱硫、脱磷操作，碳含量过低则会提高氧、氮含量，这些因素都会影响出钢质量并降低冶炼效率。因此，准确预测终点钢水碳含量能够有效进行转炉炼钢终点控制，既保证了钢铁质量，又减少了不必要的补吹操作，对提高钢厂生产效率、减少能源和原材料浪费具有重要的意义。针对转炉炼钢终点碳含量，传统的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、光谱辐射分析法等。人工经验与取样分析法直观、方便，但容易受现场工人经验限制的影响，难以保证较高的命中率；副枪检测法可以快速、准确地检测碳含量，但因为副枪工作在高温环境中需要定期更换副枪探头，所以成本高昂，而且该方法仅限于点触式检测；炉气分析法作为一种间接测量方法，能够实现不间断测量，但因为检测炉气成分具有一定的迟滞性，所以不能反映当前钢水中的碳含量，而且容易受炉气流量等因素的影响，另外检测设备处于高温腐蚀气体中，设备维护成本较高；光谱辐射分析法是利用炉口光强随炼钢过程呈现一定规律的变化，根据探测光强光谱的变化信息对转炉炼钢终点进行判断，并间接测量钢水的成分含量。等提出一种基于火焰辐射信息的转炉炼钢终点预测方法，通过收集系统获取炼钢不同阶段的火焰辐射信息，构建混合模型对不同吹炼阶段进行分类，并对火焰光谱变化进行回归分析，通过实验表明该方法可以较好地预测转炉炼钢终点。光谱辐射分析法具有探测准确、理论成熟等优点，但探测设备因近距离测量而易受高温辐射影响，使用寿命明显缩短，而且该方法在复杂的炼钢环境中容易受其他设备的热辐射干扰，从而影响预测精度。上述传统测量方法存在适用场景限制或预测效果不理想等问题，作为一种非接触式测量方法，数字图像分析法不但具有成本低、易测量等优点，而且不同于光谱辐射分析法的近距离测量，其不受复杂炼钢现场环境以及除转炉以外其他高温物体辐射的影响，具有较强的抗干扰能力。近年来，已有学者将数字图像分析法应用于转炉炼钢终点判定和钢水成分预测，能够较好地改善终点预测性能。数字图像分析法是将现场工人观察到的炉口火焰颜色、亮度、纹理等信息作为判定炼钢终点的依据，通过提取火焰图像特征建立终点判定与钢水成分间对应关系的方法。将数字图像处理应用于转炉炼钢终点预测的关键在于提取火焰图像特征，尤佳等通过在炼钢过程中提取炉口火焰图像的纹理特征对炼钢终点进行判断；等提出一种基于灰度差分统计的火焰纹理特征提取方法，通过在统计差分直方图的基础上提取角度方向二阶矩、对比度、熵等特征值描述火焰的粗糙度，根据粗糙度进行转炉终点判断；李鹏举等提出基于火焰彩色纹理复杂度的转炉吹炼状态识别方法，首先计算火焰图像在色调、饱和度、亮度（，）色彩模型中通道和通道的颜色共生矩阵，然后通过颜色共生矩阵计算火焰纹理复杂度的特征值，最后采用相似度度量准则对炼钢状态进行识别。上述方法通过提取火焰图像特征较好地建立与终点判定的对应关系，但并未对钢水成分（碳含量）做出预测，而准确预测终点钢水碳含量对有效进行转炉炼钢终点控制意义重大。因此罗特等 提出一种基于火焰图像卷积神经网络（，）的转炉终点碳含量预测模型，该模型可以直接提取较全面的图像特征信息，在预测与训练样本相同炉次的测试样本时效果较好，但当炉次改变时，预测效果会受影响，该模型对不同炉次测试样本的泛化性较差。在吹练过程中，钢水的碳含量与炉口火焰的颜色和纹理特征有着密切的联系，曾花、赵多祯 和 等 研究表明，熔池内的碳含量与氧枪吹入的氧气发生反应的剧烈程度表现为外在火焰颜色与纹理形态的变化上。吹练前期的氧化反应较慢，火焰呈红褐色，此时纹理较粗，复杂度低；吹练中期，随着氧化速率的加快，火焰呈现黄白亮色，纹理复杂多变；接近吹练末期时，钢水碳含量明显降低，此时第期李超 等：改进 火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测火焰颜色单一，纹理简单且清晰，复杂度降低。因此，炉口火焰的颜色亮度、纹理形态能够反映钢水中碳含量的变化，有效提取火焰颜色、纹理特征是准确预测碳含量的关键。李清荣等 提出四元数方向统计量（，）彩色纹理特征提取方法，其利用四元数伪旋转得到火焰图像的旋转图谱，在，个方向以相位在固定步长下的差值作为投影轴，幅值在固定步长下的差值作为权重进行投票，统计得到各方向和步长的特征向量作为火焰的彩色纹理特征，将其应用于预测终点碳含量，并采用最近邻（，）作 为 预 测 模 型，在 碳 含 量 误 差 内的预测准确率为 ，该方法有效结合了火焰颜色与纹理信息，但在个方向和固定尺度下提取特征忽略了火焰多方向和随机性的特点，而且计算和统计固定步长下两两像素间的差值不足以描述火焰纹理变化的复杂性。作为一种复杂变化的非结构对象，火焰时刻处于运动中，表现为随机性、多方向的特点，而且具有不同层次的纹理信息，有些特征只在特定尺度下才会出现，因此存在的结构信息较少，导致纹理特征难以提取。传统图像特征提取方法没有充分利用火焰的形态特征信息，只能提取比 较 有 限 的 特 征，多 趋 势 二 进 制 编 码 描 述 符（，）通过模仿人类视觉感知根据像素变化的趋势来提取纹理特征，反映了像素间的相互关系及方向的变化，对描述火焰纹理有一定的适用性，但是获取的纹理信息仍然不全面。针对火焰变化的复杂性，本文采用普通图像特征提取方法难以充分挖掘火焰图像的特征信息，通过结合火焰的非结构性、随机性和多方向特点，同时受到 的启发，提出一种改进的多趋势二进制编码彩色纹理特征表述（，）方法，利用多尺度非均匀采样从不同层次展示火焰的细节特征信息，定义两种定向模式从不同方向根据采样点变化的不同进行多趋势编码，从而提取更加全面和细致的纹理差异特征来适应火焰的变化。因为所构彩色纹理特征提取模型将多尺度、多方向和多趋势编码相结合，所以采用本文方法提取的火焰特征进行终点碳含量预测效果较好。炉口火焰图像的彩色纹理特征提取本章结合火焰的非结构性、随机性、多方向特点，首先利用颜色通道融合策略整合颜色与纹理信息，得到火焰图像的彩色纹理表示；然后采用多尺度非均匀采样选择各尺度范围内具有代表性的采样点；最后采用 从中心点对称方向和对角线对称方向对各尺度采样点的不同变化进行多趋势编码，构成多尺度级联的特征向量作为火焰图像的彩色纹理特征。火焰图像的彩色纹理表示转炉炼钢生产环境复杂，火焰图像中存在较多非火焰干扰因素，因此采用最大类间方差法通过自适应阈值分割去除边界背景和火焰干扰，只保留关注的火焰区域。描述精确的火焰纹理特征需要良好的底层颜色表达，颜色空间更适合描述火焰图像的颜色，因此将火焰图像由 空间转换到 空间进行处理。提取火焰纹理特征时考虑各颜色通道间的相关性，在 颜色空间下，根据所提颜色通道融合策略对单独的，通道进行融合，融合的数学表达式为（，）（）（）（）（）。（）式中：，表示个单独的颜色通道；（，）表示融合后的火焰图像。颜色通道融合策略通过整合，通道并由此考虑通道间的相关性构成火焰图像的彩色纹理表示。多尺度非均匀选取采样点火焰为一种非结构对象，存在不同层次的纹理信息，而且只有在特定尺度下某些特征才会出现，因此本节提出将权重公式作为分析指标，选取不同尺度范围内有代表性的采样点，从不同层次充分描述火焰的细节特征信息。将选定的窗口以中心像素点为原点划分为不同的尺度范围，利用权重公式分析各尺度范围内对称角度上的像素点，权重公式为 ，（，），（）。（）式中：为对应的尺度范围；为对应的角度；，为该尺度范围和角度下的像素点。根据各像素点的权重占比，选择权重最大的像素点作为采样点，即，（，）。（）计算机集成制造系统第 卷式中：，为像素点与权重的乘积；，为对应尺度范围和角度下最大权重索引对应的采样点，通过不同尺度 范围 的 采样 点构 成 火 焰 的 多 尺 度表达。改进的多趋势二进制编码描述符火焰在颜色过渡过程中形成了复杂的纹理，而纹理表现为图像上像素值的连续变化，因此可以根据在不同方向上像素间的不同变化趋势描述火焰纹理复杂的变化信息。等 提出 ，通过模仿人类的视觉感知在个对称方向上根据邻域点与中心点像素的变化趋势进行编码来描述纹理特征，反映了像素点间的相互变化关系，因此对描述火焰纹理具有一定的适用性。图所示为种像素变化的趋势，其中箭头指向表示像素由小到大变化；图所示为构造局部像素块的 编码，在局部像素块的个中心点对称方向上，当中心点和邻域点的像素由小到大或由大到小变化时满足平行趋势，则在对应方向上编码为；当邻域点值均大于或均小于中心点时满足非平行趋势，则在对应方向上编码为。个中心点对称方向得到位二进制序列，乘以固定权重后得到范围为 的十进制数用于替代原先的中心点，即得到该像素块的 编码。考虑到火焰纹理具有多方向、随机性等特点，用 描述火焰纹理信息并不全面（编码范围为），因此本文改进的 选择从中心点对称方向和对角线对称方向分别描述火焰纹理，为了便于描述和区分，描述中心点对称方向时记为中心点对 称 定 向 模 式（，），描述对角线对称方向时记为对角线对称定向模式（，）。特 别 地，的 窗 口 大 小为，一方面可以扩大编码范围，提高对火焰纹理的描述能力；另一方面，可以在更多方向上进行多趋势编码，描述更为全面和细致的纹理差异信息。火焰图像明暗分布不均匀，因此编码前需要先对各尺度范围的采样点进行差值化处理，如图 所示。以其中一个尺度范围为例，计算 个角度的采样点与中心点差的绝对值 替代先前的采样点，（），。（）然后通过比较像素的差异程度来减弱火焰明暗分布不均匀对编码的影响。将 累加的平均值 作为自适应的阈值替代之前的中心点，。（）自适应阈值能够防止中心点因噪声干扰对编码的影响。定义 指以 为中心点，在邻域点 关于 对称的个方向上，根据 与对应方向上邻域点对的大小变化趋势进行编码，其中平行趋势编码为，非平行趋势编码为。图 所示为构造 的原理图，个中心点对称方向用序列号表示，。（）计算序列号为方向上的中心点 与邻域点对（，）的差值，得到的差值对为（，），（，）（，），。（）当中心点 和邻域点对（，）的变化满足平行趋势时将（，）编码为，变化满足非平行第期李超 等：改进 火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测趋势时将（，）编码为，数学表达式为（，），；其他。（）个方向上获得位二进制序列，乘以权重得到的十进制数范围为 ，表示为 （）（，）。（）由此得到该区域的 编码，用于表示该区域中心点对称方向上像素间的变化趋势。定义 指以 为中心点，在关于主副对角线对称的个方向上，根据 与对应方向上邻域点对的大小变化趋势进行编码，其中平行趋势编码为，非平行趋势编码为。图 所示为构造 的 原 理 图，主 对 角 线 邻 域 点 对 为（，），其 中，；副对角线邻域点对为（，），其 中，。同 样 将 中 心 点 与邻域点对（