无钟高炉布料测试新技术及料面三维图像重建

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杜鹏宇程素森

(北京科技大学冶金与生态学院北京 100030)

摘要针对高炉布料过程生产者无法直接观察炉内料面形状和料层厚度等信息，利用光学栅格测试技术，提出新的测量方法，通过光学栅格对料面进行标定测量，并引人计算机模式识别中的双目视觉技术，对高炉的布料信息进行分析处理，三维立体重现布料过程的料面图像。通过炉内图像的变化和相应的处理结果，操作人员可以直接实时定量监测高炉内设备的运行情况、装料过程、料面形状和料线下降过程等炉内信息。

关键词高炉，布料测试，料面图像，三维重建

引言

高炉的布料规律一直是炼铁生产实践最关心的问题之一，布料操作又是高炉上部调节的重要手段。由于高炉是一个高温高压密闭的冶金反应器。当高炉进行生产时，特别是高炉不顺时，冶炼工作者无法直接观察炉内布料及料层分布的情况，从而也就无法利用高炉上部的调节手段及时准确地进行调整。装料测量是研究高炉布料规律必不可少的一个环节。

高炉炉内炉料分布状况包括所形成的料面形状、料层厚度、粒度分布、矿焦比分布及混合层分布。炉料分布是否均匀对炉内炉料与煤气的相对运动、还原过程、传热过程乃至高炉歹顷行好坏都有极大的影响。但是，炉料在炉内的分布状况十分复杂，它受许多因素的影响，如布料参数(批重、料流阀开度、溜槽倾角、料线深度等)、炉料种类及性质、炉内煤气气流状况、混合层形成情况等。这些数据的取得，必须通过布料测量的办法来获得。

高炉布料测试的现状和不足

国内外炼铁工作者在高炉布料检测方面做了大量工作^［¹^］。卢森堡、日本^［²^，3^，4^］、前苏联等国家开发了一些数学模型^［⁵^，6^，7^，8^］，应用这些模型可以计算出布料后的料面形状。目前国内外采用的布料检测方法及模型主要包括：1．微波式：电磁频率在3×1011～3×108 Hz通过对比发射波和反射波的相位差来标定料面距离。其缺点是精度低(±130 mm)，80 s，但维护方便。日本新日铁名古屋厂曾使用过此方法。2．机械式：测量一点要经历启动测枪、停枪、放锤、收锤四个阶段。其优点是价格便宜，精度为(±50 mm)，60 s；缺点是维护费用

高，测定点不够全面和均匀。日本川崎的水岛和千叶厂，以及法国萨系诺尔、索拉克、索尔梅公司均使用过该方法。3．激光式：利用激光(波长在1．06 um)的反射强度分析测量炉料的距离，多点复合出高炉布料面的形状；或者利用多点发射源确定测试点的三维空间位置，最终绘制出高炉布料面的形状；测量精度(±30～50 mm)，20s；Et本和澳大利亚BHP均曾使用过。4．γ射线：使用Cs铯作为辐射源，由于波长短，频率高，可以排除粉尘和高温的影响，相对于前者的精度大大提高，测量精度(总的误差在±60～90 mm)，15～20 s；其缺

点是有辐射，且运输不便。瑞典钢铁公司率乐欧厂2号高炉使用的此方法；5．雷达渡式：通过产生频率16．1～17．9 GHz电波，利用发射和接受的频率变化和电波的时间分析，计算获得料面的形状。美国波斯纳罕公司伯恩斯厂使用雷达微波对料面进行测试。6．网架装置摄像方式：国内宝钢上钢一厂2500 m³高炉使用十字网架装置并采用摄像、摄影系统对开炉装料进行实测。济钢于03年8月对1750 m³高炉开炉时采用了自行设计的测量网架装置和摄像方式对布料进行实测工作，通过对图像的处理分析后得到布料轨迹，相对提高TNN的效率和准确性，其缺点在于机械网架将对装料产生严重影响，并且在高炉开炉后，网架的存在严重的影响了高炉的歹顷行。7．日本RABIT炉顶布料模型：考虑到可能出现的料面塌悬情况，日本新日铁炉顶布料模型(简称RABIT)是基于实测数据和理论分析，根据试验结果，假定焦炭的坍塌现象遵循土壤力学中斜坡稳定理念建立了RABIT模型。该模型精度较高，BHP公司曾引进该模型，由于溜槽等工况条件与日本不同，BHP公司对RABIT模型进行了改进，使得该模型可利用离线或在线测定的料溜轨迹及有关参数，准确计算出落点位置。

高炉布料目前检测．存在的困难和不足。由于高炉是一个高温高压密闭的冶金反应器。当高炉进行生产时，冶炼工作者无法直接观察炉内布料及料层分布的情况，从而也就无法利用高炉上部的调节手段及时进行调整。对于布料的调整基本上是根据炉顶温度的测量判断生产过程中煤气流的分布情况，通过对煤气流的分布大致判断高炉是否处于顺行状态。对炉内布料的情况基本建立在历史经验的基础上。对于实际生产布料的位置和分布都是建立在经验之上的，没有直观的布料检测和校正分析，这对于炼铁生产操作者进行炉况上部调剂产生了很大的障碍，严重影响了高炉的正常生产操作。现有的检测仪器和设备虽然在一定程度上

获得了布料的信息，但都没有完全满足高炉生产操作的需要。因此，高炉布料轨迹和料层分布及偏析的真实情况还没有彻底的摸清。

高炉布料测试新技术及优点

1 布料测试新技术——双目立体视觉

双目立体视觉直接模拟了人类视觉处理景物的方式，成为被动光学三维传感方法中最重要的距离感知技术，同时也是计算机视觉的核心问题，在计算机视觉研究中占有重要地位，并随计算机视觉的不断发展而得到越来越广泛的应用：它被广泛的应用于生物医学、工业检测、物体识别、机器人自导航、航空航天及军事等领域。

双目立体视觉的优点：在于其适应性和简单性，可以在多种条件下灵活地测量景物的立体信息，在无法采用结构照明等受环境限制和需保密的场合下具有独特的优点。故常用于对三维目标的识别理解，以及用于位詈形态的分析。

2 立体视觉的测量原理

立体视觉主要是基于三角法原理进行测量的，即两个摄像机的图像平面和被测量物体之间构成一个三角形，如图1．1(a)所示为用双摄像机观测同一景物时的情形。物体上的点P在相机1中的成像点为P l，它是通过从P点发出的光线经过透镜中心C1与图像平面相交而形成的。相反地，若已知图像平面上的一点P l和透镜中心C1可唯一地确定一条射线P1 C1。所有可成像在Pl点的物体点必定在这条P1 C1射线上。如果我们能找到同一物体点P在另一相机中的成像点P2，那么根据第二个图像点P2与相应透镜中心C2决定的第二条射线P2C2与P1C1的交点就可以确定物体点P的位置。因此，如果己知两台摄像机的几何位置，并且相机是线性的，同时知道同一物体在两个相机中的成像位置，那么利用三角原理就可以测量两摄像机公共视场内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。这与基于三角法原理的结构光法不同：结构光法只能检测光平面上的尺寸，对于一些特殊形状的物体，如圆孔半径，夹角，空间直线方程等则很难检测。另外，因为结构光传感器的测量依赖于光平面，对光投影器的质量要求较高。而且在测量时还存在有光条的瞄准定位误差等。

如果已知空间点在一个图像平面中的成像点要寻找在另一图像平面中的对应点时，只需沿此图像平面中的外极线搜索即可。图1．1(b)所示为两相机的光轴平行，并且相机的水平扫描线位于同一平面时的情形。P点在左、右图像平面中成像点相对于坐标原点O1．和O2(O1和O2是左、右相机透镜光轴与图像平面的交点)的距离分别为x1，x2。P点在左、右图像平面中成像点位置差x1一x2被称为视差。视差的计算是双目立体视觉进行三维测量的基础，它表示为空间物体的同一漪征点在两幅图像内的图像坐标差。而视差的计算又依赖于图像对应点的匹配问题。有了特征点的对应图像坐标后，还需要摄像机的内外参数才能求

得物体三维空间坐标，在如图1．1所示情况下，P点距透镜中心的距离z为：

其中f是透镜的焦距，d是两透镜中心之间的距离(基线长度)，当相机的几何位置固定时，视差x1一x2只与距离有关，而与P点离相机光轴的距离无关。视差越大说明物体离透镜的距离越近；反之，则越远。

3 双目立体视觉的组成

3．1视觉系统的构成

双目立体视觉系统一般以计算机为中心，由双目视觉传感器，高速图像采集系统以及专用的图像处理系统等模块构成。双目视觉传感器是整个立体视觉系统信息的直接来源，它主要由两个(或一个)传感器以及其它辅助设备组成，主要功能是使空间物体成像在其像面上以获取物体的原始图像。视觉传感器可以采用CCD摄像机或VT摄像机，也可以是数码相机或MCOS图像传感器等。其中面阵CCD具有体积小，重量轻，高分辨率，高灵敏度，处理快速，可靠性好，几何畸变小，无图像滞后和图像漂移等优点，因而在机器视觉和立体视觉中普遍使用。

3．2 高速图像采集部分

它是由专用视频解码器，图像缓冲取以及控制接口电路组成。它的主要功能是进行模一数转换A(D／转换)，即将视觉传感器获得的模拟视频信号实时地转换为数字图像信号，并直接传输给计算机显示或处理，或传输给专用图像处理系统进行视觉信号的实时前端处理。图像采集系统与计算机的接口采用工业标准总线，如IAS总线，VMA总线或PCI总线等。

3．3 专用图像处理部分

它是计算机的辅助处理器，主要采用专用集成芯片(ASCI)，数字信号处理器(DSP)或FP AG等设计的全硬件处理器。它可以实时高速完成各种低级图像处理算法，减轻计算机的处理负荷，提高整个系统的速度。但在一些实时性要求不太高的系统中，没有该种模块。

3．4 双目视觉的计算机

计算机是整个系统的核心，它要控制整个系统的各个模块的正常运行，还承担着系统的最后结果运算与输出。由图像采集系统输出的数字图像可直接传输到计算机，由计算机采用纯软件方式完成所有的图像处理和其它计算。如果该软件能够满足系统的要求，则该系统就不必使用专用硬件处理系统了。因此一个实用的双目立体视觉系统的结构、性能、处理时间和价格等都可以根据具体的应用和要求而定。图1．2就是一个典型的双目立体视觉系统框架。

高炉炉内料面的图像分析

1．布料立体视觉的基本技术

一套典型的双目立体视觉主要涉及到特征提取，摄像机标定，立体图像对匹配以及三维信息重建等几个方面的技术(如图1．3所示)。其中的技术重点和难点是摄像机标定和立体图像对匹配。

2．布料料层的特征提取

对图像进行预处理并获取图像的特征点坐标，以便于摄像机标定和图像对匹配的进行。目前常用的特征主要有点状特征，线状特征和区域特征等。其中点状特征主要包括角点，边缘点，重心等。

3．布料标定

标定是为了确定摄像机的位置，属性参数和建立成像模型，以确定空间坐标系中物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系。

立体标定参照物的成本高，特征点的三维坐标精度要求高，其特征点在三维空间的三维坐标测量也十分困难，故制作和维护困难。通常的方法是由摄像机在不同的位置获取二维标定物的多幅图像，然后由多幅二维图像来构建三维场景一图像坐标对。在实际的图像获取过程中，标定物的移动受到某种约束，一般是二维标定物仅沿着一个方向精确的移动，在移动过程中不能出现旋转或偏摆，这往往需要借助于机器人或精密导轨来实现。因此采用该种标定模板的方法需要昂贵的设备和精确的调整。为了满足一般的实验要求，本文提出的方法采用激光进行标定，激光形成的光栅网格即共面点标定物，其制作和应用非常方便。在高炉炉内形成特定的光栅网格，作为标定物的基准。图1．4是使用激光在高炉内形成的光学栅格图。通过初始标定平面的尺寸对图像记录，在每次布料的过程中都可以看到料面的形状和料流的轨迹。