本發(fā)明涉及特征提取領(lǐng)域，尤其涉及一種鋁電解槽火眼視頻動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鋁電解槽電解質(zhì)的過熱度是指電解質(zhì)溫度與初晶溫度的差值。過熱度直接影響鋁電解的電流效率，同時(shí)影響電解槽的爐膛形狀及穩(wěn)定性，進(jìn)而影響電解槽的壽命。因此，有效的檢測(cè)過熱度的大小對(duì)于鋁電解的生產(chǎn)過程具有很重要的指導(dǎo)作用。長(zhǎng)期以來，由于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境過熱度難以測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)基本通過有經(jīng)驗(yàn)的工人觀察火眼信息來對(duì)過熱度進(jìn)行判斷，由于人為的隨意性和主觀性導(dǎo)致電解狀態(tài)不穩(wěn)定，難以調(diào)節(jié)到最優(yōu)的狀態(tài)，導(dǎo)致電解效率不高，造成資源浪費(fèi)。

現(xiàn)有的過熱度測(cè)量方法需要對(duì)電解質(zhì)溫度和初晶溫度分別進(jìn)行測(cè)量，電解質(zhì)溫度一般使用熱電偶或者紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量，而初晶溫度的測(cè)量需要離線進(jìn)行，首先要對(duì)電解質(zhì)進(jìn)行取樣，放置在測(cè)量爐體中加熱使其熔化，然后將加熱爐整體冷卻，同時(shí)采集結(jié)晶過程的樣品溫度曲線來獲得初晶溫度。整個(gè)測(cè)量過程較為復(fù)雜，測(cè)量費(fèi)用高，最重要的是測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)無法實(shí)時(shí)。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中多以工人肉眼觀察火眼來判別過熱度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種鋁電解槽火眼視頻動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法，以解決過熱度測(cè)量過程復(fù)雜、測(cè)量周期長(zhǎng)以及無法實(shí)時(shí)測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種鋁電解槽火眼視頻動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法，包括以下步驟：

將待分析的鋁電解槽火眼視頻分解為若干幀rgb圖像，對(duì)每一幀圖像進(jìn)行灰度化處理得到每一幀圖像的灰度圖像，并計(jì)算第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)。

通過第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)位置運(yùn)用光流法追蹤角點(diǎn)在每一幀圖像的灰度圖像中的位置，建立角點(diǎn)位置序列。

設(shè)定任意一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖，并將角點(diǎn)根據(jù)火眼背景分割圖劃分為火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)兩類，確定火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列。

根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列求得火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值，根據(jù)火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值求得火眼波動(dòng)的幅度和頻率。

依托上述方法，本發(fā)明還提出了一種與上述方法配套的系統(tǒng)，包括初始角點(diǎn)選擇模塊、角點(diǎn)序列建立模塊、角點(diǎn)序列分類模塊和火眼特征提取模塊。

初始角點(diǎn)選擇模塊用于將待分析的鋁電解槽火眼視頻分解為若干幀rgb圖像，對(duì)每一幀圖像進(jìn)行灰度化處理得到每一幀圖像的灰度圖像，并計(jì)算第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)。

角點(diǎn)序列建立模塊用于通過第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)位置運(yùn)用光流法追蹤角點(diǎn)在每一幀圖像的灰度圖像中的位置，建立角點(diǎn)位置序列。

角點(diǎn)序列分類模塊用于設(shè)定任意一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖，并將角點(diǎn)根據(jù)火眼背景分割圖劃分為火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)兩類，確定火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列。

火眼特征提取模塊用于根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列求得火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值，根據(jù)火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值求得火眼波動(dòng)的幅度和頻率。

本發(fā)明通過分析拍攝的鋁電解槽火眼視頻，提取火眼波動(dòng)幅度和頻率，通過火眼波動(dòng)幅度和頻率指導(dǎo)對(duì)于過熱度的判斷。本發(fā)明提出的方法測(cè)量過程簡(jiǎn)單，測(cè)量費(fèi)用低，測(cè)量時(shí)間短，具有很好的實(shí)時(shí)性。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種鋁電解槽火眼視頻動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法流程圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。

本發(fā)明運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺模擬人眼分析火眼視頻提取電解質(zhì)波動(dòng)幅度和頻率特征，作為判別過熱度大小的依據(jù)。

本發(fā)明的火眼是為了觀察電解質(zhì)表觀特征在鋁電解槽上開的一個(gè)洞眼，通過火眼可以觀察到電解質(zhì)的顏色、流動(dòng)性和黏度等，這些特征很好的反映鋁電解槽過熱度的狀況，基于電解質(zhì)的這些表觀特征可以很好地幫助我們判斷過熱度的大小。

角點(diǎn)是在圖像中有具體的坐標(biāo)，并具有某些數(shù)學(xué)特征，如局部最大或最小灰度、某些梯度特征等的點(diǎn)。如果某一點(diǎn)在任一方向的一個(gè)微小變動(dòng)都會(huì)引起灰度很大的變化，那么我們就把它稱之為角點(diǎn)。在本發(fā)明中的角點(diǎn)分為兩類，一類是火眼角點(diǎn)，另外一類是除火眼外的背景角點(diǎn)。圖2是同一火眼角點(diǎn)與同一背景角點(diǎn)在不同幀中位置情況。

本發(fā)明實(shí)施例首先公開了一種鋁電解槽火眼視頻動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法，如圖1所示，包括以下步驟：

s1：將待分析的鋁電解槽火眼視頻分解為若干幀rgb圖像，并將每一幀圖像進(jìn)行灰度化處理得到每一幀圖像的灰度圖像矩陣。

視頻是由一幀幀的圖像所構(gòu)成，將火眼視頻分解成若干幀后進(jìn)行灰度化處理，得到灰度圖像矩陣i(x，y)：

imxn(x，y)＝0.290r(x，y)+0.587g(x，y)+0.114b(x，y)

其中，mxn表示火眼圖像的分辨率，(x，y)表示火眼圖像任意像素點(diǎn)的坐標(biāo)，x＝0，1，2，...，m-1，y＝0，1，2，...，n-1；r(x，y)，g(x，y)，b(x，y)為火眼原始圖像的三個(gè)通道的圖像矩陣。

對(duì)第一幀的圖像運(yùn)用shi-tomasi算法進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)。對(duì)于灰度圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)分別計(jì)算其變化梯度(ix(x，y)，iy(x，y))：

其中，(x，y)表示圖像坐標(biāo)，p表示當(dāng)前像素的位置坐標(biāo)，w表示梯度計(jì)算的窗口大小。

計(jì)算某一像素點(diǎn)梯度矩陣g的特征值可得到兩個(gè)特征值λ1和λ2，兩個(gè)特征值分別反映了像素點(diǎn)在x軸和y軸方向上的變化情況，由于較大的不確定度取決于較小的特征值，因此取較小者予以保留，將全部像素點(diǎn)計(jì)算后保留的特征值構(gòu)成特征集。設(shè)定角點(diǎn)閥值、最大角點(diǎn)數(shù)量以及角點(diǎn)間的容忍距離，本實(shí)施例中角點(diǎn)閥值設(shè)為0.3，最大角點(diǎn)數(shù)量設(shè)為500，容忍距離設(shè)為7個(gè)像素點(diǎn)。對(duì)特征值表排序，從高到低選取大于角點(diǎn)閾值的角點(diǎn)，新選取的角點(diǎn)與已有角點(diǎn)的距離應(yīng)大于容忍距離，且總的角點(diǎn)數(shù)不大于所設(shè)定的最大角點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)取值到達(dá)最大角點(diǎn)數(shù)后，剩余的角點(diǎn)直接忽略刪除。

s2：通過第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)位置運(yùn)用光流法追蹤角點(diǎn)在每一幀圖像的灰度圖像中的位置，建立角點(diǎn)位置序列。

確定第一幀圖像的角點(diǎn)后，使用lk(lucas-kanade)光流法計(jì)算第一幀圖像里角點(diǎn)的光流值，追蹤其在第二幀圖像中的位置。首先對(duì)第一二幀圖像進(jìn)行金字塔搭建，運(yùn)用lk光流法計(jì)算角點(diǎn)n在第二幀的位置a2，再根據(jù)角點(diǎn)n在第二幀的位置a2推導(dǎo)角點(diǎn)n在第一幀的位置a1’，比較a1和a1’的距離，若兩者之差小于閥值d則追蹤有用，將a2放入角點(diǎn)位置序列中，否則刪除。依此類推，得到每一幀圖像中的角點(diǎn)位置，構(gòu)成火眼視頻的角點(diǎn)位置序列。本發(fā)明將閥值設(shè)定為一個(gè)像素點(diǎn)。

對(duì)于視頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的火眼視頻，因?yàn)閹瑪?shù)過多，可以每五幀運(yùn)用shi-tomasi算法進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，若新檢測(cè)出來的角點(diǎn)與原有角點(diǎn)相比偏差較小，則繼續(xù)沿用原有角點(diǎn)在當(dāng)前幀的位置，若偏差較大，則以新檢測(cè)出來的角點(diǎn)作為新角點(diǎn)加入到角點(diǎn)序列中，并追蹤建立位置序列。

s3：設(shè)定任意一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖，并將角點(diǎn)根據(jù)火眼背景分割圖劃分為火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)兩類，確定火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列。根據(jù)ostu閾值法得到最后一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖，對(duì)其進(jìn)行二值化，對(duì)二值圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹操作，濾除小塊干擾區(qū)域，得到最后的分割圖。并將角點(diǎn)根據(jù)火眼背景分割圖劃分為火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)兩類，確定火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列。本發(fā)明實(shí)施例選用的是最后一幀未灰度化的圖像來進(jìn)行火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)的分割的，使用最后一幀來操作相比較于采用中間幀來操作更加的方便。

s4：根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列求得火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值，根據(jù)火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值求得火眼波動(dòng)的幅度和頻率。

由于視頻拍攝存在波，因此原本不存在波動(dòng)的背景角點(diǎn)也出現(xiàn)了波動(dòng)，而本來就存在波動(dòng)的火眼角點(diǎn)更出現(xiàn)了二次波動(dòng)，需要將火眼角點(diǎn)的波動(dòng)減去背景角點(diǎn)的波動(dòng)得到的才是火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值。

h＝{h|ht＝γt+1-γt，t＝0，1，2，...，t-1}

其中，t代表幀數(shù)，n表示角點(diǎn)；f為火眼角點(diǎn)的位移向量，h為背景角點(diǎn)波動(dòng)的位移向量，r為真實(shí)的火眼角點(diǎn)位移向量；

frequency＝{fr|fr＝t′(n+1)-t′(n)，n＝len(t′)}

表示第n個(gè)角點(diǎn)在t幀的位移向量，t′表示火眼角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向改變的幀的集合，range表示火眼角點(diǎn)兩次方向改變的運(yùn)動(dòng)距離，即幅度；frequency表示火眼角點(diǎn)兩次方向改變所間隔的時(shí)間，即頻率。

依此類推即可得到火眼角點(diǎn)在每一幀的位移向量，火眼角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變的幀的集。火眼角點(diǎn)由于自身的波動(dòng)容易出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)多次的方向改變，通過其中兩次方向的改變之間的運(yùn)動(dòng)的距離和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間分析火眼角點(diǎn)波動(dòng)情況，從而作為指導(dǎo)過熱度分析的依據(jù)。

本發(fā)明方法是通過分析視頻拍攝過程中背景角點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡得到背景的波動(dòng)特征，得到視頻拍攝過程中攝像機(jī)的抖動(dòng)情況。由于背景角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡只與攝像機(jī)的抖動(dòng)情況有關(guān)系，因此可以通過很少幀數(shù)的分析即可得到背景的波動(dòng)特征從而得到視頻拍攝過程中攝像機(jī)的抖動(dòng)情況。將火眼角點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與攝像機(jī)的抖動(dòng)情況相結(jié)合即可獲得火眼角點(diǎn)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。再對(duì)火眼角點(diǎn)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析得到火眼角點(diǎn)的波動(dòng)特征以為過熱度指導(dǎo)提供依據(jù)，如波動(dòng)頻率高，波動(dòng)幅度大即過熱度也相對(duì)較低。

依托上述方法，本發(fā)明還提出了一種與上述方法配套的系統(tǒng)，包括初始角點(diǎn)選擇模塊、角點(diǎn)序列建立模塊、角點(diǎn)序列分類模塊和火眼特征提取模塊。

初始角點(diǎn)選擇模塊用于將待分析的鋁電解槽火眼視頻分解為若干幀rgb圖像，對(duì)每一幀圖像進(jìn)行灰度化處理得到每一幀圖像的灰度圖像，并計(jì)算第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)。

角點(diǎn)序列建立模塊用于通過第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)位置運(yùn)用光流法追蹤角點(diǎn)在每一幀圖像的灰度圖像中的位置，建立角點(diǎn)位置序列。

角點(diǎn)序列分類模塊用于設(shè)定最后一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖，并將角點(diǎn)根據(jù)火眼背景分割圖劃分為火眼角點(diǎn)和背景角點(diǎn)兩類，確定火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列。

火眼特征提取模塊用于根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列求得火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值，根據(jù)火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值求得火眼波動(dòng)的幅度和頻率。

將該系統(tǒng)與拍攝火眼視頻的攝像頭連接，可以根據(jù)需求實(shí)時(shí)計(jì)算火眼波動(dòng)的幅度和頻率。可以作為火眼過熱判斷提供指導(dǎo)性依據(jù)。

進(jìn)一步地，初始角點(diǎn)選擇模塊計(jì)算第一幀圖像的灰度圖像的角點(diǎn)的具體步驟為：

計(jì)算灰度圖像每個(gè)像素點(diǎn)的變化梯度：

其中，(x，y)表示灰度圖像任意像素點(diǎn)的坐標(biāo)，p表示當(dāng)前像素的位置坐標(biāo)，w表示梯度計(jì)算的窗口大??；

計(jì)算各個(gè)像素點(diǎn)的空間梯度矩陣g的特征值，保留各個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算得到的特征值中最小的一個(gè)，將各像素的最小特征值建立成特征值表；

設(shè)定角點(diǎn)閥值、最大角點(diǎn)數(shù)量以及角點(diǎn)間的容忍距離，對(duì)特征值表排序，從高到低選取大于閾值的角點(diǎn)，新選取的角點(diǎn)與已有角點(diǎn)的距離應(yīng)大于容忍距離，且總的角點(diǎn)數(shù)不大于所設(shè)定的最大角點(diǎn)數(shù)量。

初始角點(diǎn)選擇模塊使用角點(diǎn)檢測(cè)算法計(jì)算得到角點(diǎn)保留了圖像的特征信息，又減少了信息的數(shù)據(jù)量，具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高和高效性等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，角點(diǎn)序列分類模塊設(shè)定最后一幀未灰度化的圖像在紅色通道上的閥值，根據(jù)紅色分量閥值將圖像分割為火眼和背景，得到火眼背景分割圖是通過ostu閥值分割法求取紅色通道的閥值，高于閥值的為火眼，低于閥值的為背景，得到火眼背景的二值圖像，對(duì)二值圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹處理濾除小塊的干擾區(qū)域，得到火眼背景分割圖。

進(jìn)一步地，火眼特征提取模塊根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列和背景角點(diǎn)位置序列求得火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)值，根據(jù)火眼角點(diǎn)的真實(shí)波動(dòng)波動(dòng)值求得火眼波動(dòng)的幅度和頻率的具體步驟為：

根據(jù)火眼角點(diǎn)位置序列計(jì)算相鄰兩幀之間火眼角點(diǎn)位移向量，根據(jù)背景角點(diǎn)位置序列計(jì)算相鄰兩幀之間的背景角點(diǎn)位移向量，通過火眼角點(diǎn)位移向量和背景角點(diǎn)位移向量計(jì)算得到真實(shí)火眼角點(diǎn)位移向量：

h＝{h|ht＝γt+1-γt，t＝0，1，2，...，t-1}

其中，t代表幀數(shù)，n表示角點(diǎn)；f為火眼角點(diǎn)的位移向量，h為背景角點(diǎn)波動(dòng)的位移向量，r為真實(shí)的火眼角點(diǎn)位移向量；

根據(jù)真實(shí)火眼角點(diǎn)位移向量得到角點(diǎn)波動(dòng)方向改變的點(diǎn)，計(jì)算改變方向的點(diǎn)的距離以及改變方向之間的幀數(shù)，得到火眼波動(dòng)幅度和頻率

frequency＝{fr|fr＝t′(n+1)-t′(n)，n＝len(t′)}

其中，表示第n個(gè)角點(diǎn)在t幀的位移向量；t′表示角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向改變的時(shí)間點(diǎn)的集合；range表示角點(diǎn)兩次方向改變的運(yùn)動(dòng)距離，即幅度；frequency表示角點(diǎn)兩次方向改變所間隔的時(shí)間，即頻率。

進(jìn)一步地，初始角點(diǎn)選擇模塊中角點(diǎn)閥值設(shè)為0.3，最大角點(diǎn)數(shù)量設(shè)為500，容忍距離設(shè)為7個(gè)像素點(diǎn)。

綜上可知，本發(fā)明通過分析拍攝的鋁電解槽火眼視頻，提取火眼波動(dòng)幅度和頻率，通過火眼波動(dòng)幅度和頻率指導(dǎo)對(duì)于過熱度的判斷。且本發(fā)明提出的方法測(cè)量過程簡(jiǎn)單，測(cè)量費(fèi)用低，測(cè)量時(shí)間短，具有很好的實(shí)時(shí)性。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。