本發(fā)明用于監(jiān)測灼熱絲試驗(yàn)中灼熱絲火焰的高度，可以實(shí)時準(zhǔn)確地測量實(shí)驗(yàn)過程中任意時刻的火焰高和火焰的持續(xù)時間。
背景技術(shù)：
電子電器零、部件在故障或過載等條件下可能達(dá)到過高的溫度而存在引起著火的危險(xiǎn)。灼熱絲試驗(yàn)就是模擬過載的電阻之類的熱源或點(diǎn)火源在在短時間內(nèi)對樣品施加熱應(yīng)力，通過觀察和測量，以此來評定樣品的著火危險(xiǎn)性。灼熱絲試驗(yàn)是檢驗(yàn)電工電子產(chǎn)品中絕緣材料耐燃性能重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。灼熱絲試驗(yàn)主要是為了測試絕緣材料在試驗(yàn)條件下，起燃后的火焰高度和持續(xù)時間，其試驗(yàn)方法和合格判定在國標(biāo)gb5169.10，gb5169.11，gb5169.12，gb5169.13中明確規(guī)定。目前的測量火焰高度和持續(xù)時間的測量方式是肉眼觀測標(biāo)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(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾，所以測量的誤差較大。
灼熱絲火焰是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由固體絕緣材料和該絕緣材料經(jīng)受高溫而固氣相變產(chǎn)生的可燃?xì)怏w作為燃料，空氣作為助燃?xì)怏w的條件下形成的?；鹧娴谋举|(zhì)是放熱反應(yīng)中反應(yīng)區(qū)周邊空氣分子加熱而高速運(yùn)動，從而發(fā)光的現(xiàn)象，根據(jù)溫度和亮度的差異可分為內(nèi)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（2700oc）其光譜集中在紫外區(qū)，這使得人眼不能對其進(jìn)行分辨，而實(shí)際能觀測到的只是光譜集中在可見區(qū)的內(nèi)焰部分，所以無法準(zhǔn)確測量灼熱絲火焰的實(shí)際高度。
在灼熱絲火焰圖像中，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(qū)，但可以通過提取火焰圖像中的亮度特征，并結(jié)合輪廓提取技術(shù)將需要測量其高度的外層火焰提取出來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對灼熱絲火焰高度的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明就是基于上述思路，提出了一種基于數(shù)字圖像處理方法和輪廓提取技術(shù)的灼熱絲火焰高度測量方法，并綜合圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時、高準(zhǔn)確度的灼熱絲火焰檢測系統(tǒng)，而且在stm32f407型單片機(jī)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種新型灼熱絲火焰監(jiān)測系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)兩種功能:（1）測量灼熱絲火焰持續(xù)的時間長度；（2）準(zhǔn)確測量（誤差范圍在）某一時刻灼熱絲火焰的高度。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了圖像采集與傳輸模塊、基于stm32f407型單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測結(jié)果輸出模塊。此檢測系統(tǒng)實(shí)際工作時首先通過圖像采集系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）獲取灼熱絲實(shí)驗(yàn)圖像，然后通過通信端口將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字圖像處理模塊（單片機(jī)），此環(huán)節(jié)根據(jù)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(tǒng)的實(shí)時性和準(zhǔn)確度，綜合應(yīng)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(zhǔn)確提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對灼熱絲火焰高度的高精度測量。最后根據(jù)圖像采集起始時刻和采樣間隔標(biāo)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(diǎn)的持續(xù)時間即為灼熱絲火焰持續(xù)時間。本系統(tǒng)的圖像采集模塊每秒鐘可采集10幀圖像，所以通過本系統(tǒng)得到的火焰持續(xù)時間的測量誤差不會大于0.1秒。
1.1火焰輪廓提取
此系統(tǒng)的灼熱絲火焰圖像處理模塊為本監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，此模塊包含了多項(xiàng)圖像處理環(huán)節(jié)，所系需要對其進(jìn)行重點(diǎn)說明。圖像處理模塊包括灰度處理、亮度范圍截取、中值濾波去噪和canny邊緣提取方法四個環(huán)節(jié)：
1）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，需要先對圖像進(jìn)行灰度處理。
2）經(jīng)過灰度處理后的每一個像素都只含有進(jìn)行了(0255)之間的量化后的亮度值信息。需要進(jìn)行提取用于火焰高度測量的外層火焰其亮度值最大，為了保留此部分圖像需要對灰度圖像進(jìn)行了灰度范圍截取，灰度截取的基本原理為：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(kuò)展到（0255）。
3）在灼熱絲火焰圖像獲取的過程中，外部電磁干擾、機(jī)械的振動和傳輸介質(zhì)的缺陷會產(chǎn)生一些噪聲干擾，稱為椒鹽噪聲。噪聲干擾會嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量和后續(xù)邊緣提取的準(zhǔn)確度，所以需要對火焰圖像進(jìn)行濾波處理。根據(jù)噪聲特點(diǎn)本系統(tǒng)采用了中值濾波方法對圖像進(jìn)行濾波處理。
4）在圖像輪廓提取環(huán)節(jié)可選擇的方法主要有：sobel算子、roberts算子、prewitt算子、laplace算子和canny算子，相比之下canny算子具有以下明顯優(yōu)勢：（1）能完整提取出涵蓋圖像邊緣的輪廓。（2）具有較強(qiáng)的抑制噪聲作用。（3）產(chǎn)生虛假邊緣概率低。綜合上述優(yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)中選用了canny算子進(jìn)行火焰圖像輪廓提取。
綜合以上四步即可提取出灼熱絲試驗(yàn)圖像的火焰輪廓。
1.2火焰高度計(jì)算
本系統(tǒng)對于某一時刻火焰高度的測算是根據(jù)火焰輪廓提取結(jié)果實(shí)現(xiàn)的。在火焰輪廓提取結(jié)果中，火焰輪廓點(diǎn)的灰度值都大于零，而其余點(diǎn)的灰度值都為零，所以可以分別以縱坐標(biāo)大于零為條件（像素點(diǎn)的縱坐標(biāo)對應(yīng)灰度值）對火焰輪廓提取結(jié)果進(jìn)行正向和逆向搜索，設(shè)正向搜索得到的第一點(diǎn)為p1（x1,y1），逆向搜索得到的第一點(diǎn)為p2(x2,y2)，并用l表示在試驗(yàn)條件下的一幀圖像所對應(yīng)的實(shí)際高度，用h代表一幀圖像中圖像頂部點(diǎn)的縱坐標(biāo)和底部點(diǎn)的縱坐標(biāo)的差值，則火焰高度的測算值hp可以表示為：
hp=(y1-y2)*l/h
hp為某一時刻的灼熱絲試驗(yàn)火焰圖像的高度，已試驗(yàn)持續(xù)時段為橫坐標(biāo)，相應(yīng)時刻的hp為縱坐標(biāo)即可得到灼熱絲試驗(yàn)的火焰高度的擬合曲線，其中hp>0對應(yīng)的時間長度即為火焰的持續(xù)時長。
2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)在stm32f407型單片機(jī)上對上述圖像處理算法和火焰高度測量方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，圖像處理與計(jì)算流程圖如圖1。具體處理流程為:首先通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集試驗(yàn)圖像，然后將采集到的數(shù)字圖像傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)1.1所述處理步驟提取圖像輪廓，然后根據(jù)1.2所屬方法計(jì)算火焰高度，最后將處理結(jié)果顯示在灼熱絲的觸控屏上。
附圖說明
圖1為灼熱絲火焰輪廓提取處理流程圖；
圖2為灼熱絲火焰監(jiān)測系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施方式
1、通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集灼熱絲似焰圖像。
2、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以數(shù)字圖像形式傳輸給單片機(jī)。
3、單片機(jī)對于接收到的每一幀圖像依次進(jìn)行灰度處理、灰度范圍截取、中值濾波去噪和canny輪廓提取。
4、根據(jù)1.2節(jié)所述方法計(jì)算每一幀圖像的火焰高度，并計(jì)算出火焰持續(xù)時間長度。
5、單片機(jī)將試驗(yàn)結(jié)果傳輸給灼熱絲的觸控屏進(jìn)行顯示。