[發明專利]改進MTBCD火焰圖像特征提取的轉爐煉鋼終點碳含量預測方法

有效

• 申請號: 202110337801.7
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN112907584B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 李超
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/136;G06T7/194;G06T7/40;G06T9/00;C21C5/28;G06T5/40;G06T5/50
• 代理公司: 昆明明潤知識產權代理事務所(普通合伙) 53215
• 代理人: 馬海紅

1.一種改進MTBCD火焰圖像特征提取的轉爐煉鋼終點碳含量預測方法，其特征在于：構造了具備多尺度、多方向和多通道結合的彩色紋理特征提取模型，包括如下步驟：

首先，根據原火焰圖像通道間的相關性信息，提出顏色通道融合策略，將顏色信息與空間紋理信息相融合得到的火焰圖像的彩色紋理表示；

其次，根據火焰紋理隨機性和多尺度的特點，提出非均勻采樣多尺度策略，選取各尺度范圍內的采樣點來構建彩色紋理的多尺度表達；

最后，根據火焰多方向的特點，采用改進的多趨勢二進制編碼描述符IMTBCD，根據中心點對稱方向和對角線對稱方向上采樣點的不同變化趨勢進行編碼得到彩色紋理特征，提取的彩色紋理特征采用KNN回歸模型預測碳含量，得到誤差范圍為0.01％-0.05％的預測準確率；

具體步驟如下：

Step1、收集轉爐煉鋼終點爐口火焰圖像作為實驗數據集，通過采集不同爐次煉鋼結束前N秒的爐口火焰視頻，并以幀為單位進行截取，剔除受干擾大、不合格的圖像，得到多張圖像作為數據集，圖像標簽對應終點時刻副槍檢測的鋼水碳含量數值；

Step2、采用最大類間方差法將火焰圖像分割去除邊界背景以及火焰干擾，只保留關注的火焰區域，將顏色空間由RGB轉換為HSI，根據式(1)對單獨的H、S、I通道進行融合，融合的數學表達式如下式(1)所示：

式中，H、S、I表示三個單獨的顏色通道，f(H,S,I)表示整合H、S、I通道構成火焰圖像的彩色紋理表示；

Step3、構建基于火焰彩色紋理的多尺度表達：在Step1和Step2的基礎上，在火焰圖像中選定的窗口以中心像素點為原點劃分為不同的尺度范圍，利用權重公式分析各尺度范圍內對稱角度上的像素點，提出的權重公式如下式(2)所示：

式中α表示對應的尺度范圍，s表示對應的角度，P_α,s表示該尺度范圍和角度下的像素點，根據各像素點的權重占比，找到最大權重索引下的像素點作為采樣點，如下式(3)所示：

式中w·p_α,s表示像素點與權重的乘積，p_{max_idx}表示最大權重索引對應的像素點，c_α,s表示對應尺度范圍及角度下的采樣點，通過不同尺度范圍的采樣點構成了火焰紋理的多尺度表達；

Step4、采樣點閾值處理：在Step1、Step2和Step3的基礎上，先對各尺度范圍的采樣點進行閾值處理，以其中一個尺度范圍為例，計算16個角度的采樣點g_i與中心點g_c差的絕對值g_i′用于替代先前的采樣點，如式(4)所示：

g_i′＝abs(g_i-g_c)i＝0,1,2,…,15 (4)

通過像素比較的差異程度來減弱火焰明暗分布不均勻對于編碼的影響，g_i′累加的平均值g_c′作為自適應的閾值替代之前的中心點，如式(5)所示：

Step5、構造IMTBCD編碼：在Step1、Step2、Step3以及Step4的基礎上，從中心點對稱方向和對角線對稱方向上描述火焰紋理，描述中心點對稱方向時記為中心點對稱定向模式CSOP，描述對角線對稱方向時記為對角線對稱定向模式DSOP，特別地，IMTBCD的窗口大小設定為5×5；

CSOP是指以g_c′為中心點，在鄰域點g_i′關于g_c′對稱的8個方向上，根據g_c′與對應方向上鄰域點對的大小變化趨勢進行編碼，其中平行趨勢編碼為1，非平行趨勢編碼為0，8個中心點對稱方向用序列號k表示，如下式(6)所示：

k＝α/22.5°，α＝0°,22.5°,...,157.5° (6)

計算序列號為k方向上的中心點g_c′與鄰域點對(g_k′,g_k+8′)的差值，得到的差值對為(p_k′,p_k+8′)，如下式(7)所示：

(p_k′,p_k+8′)＝(g_k′,g_k+8′)-g_c′，k＝0,1,2,...,7 (7)

當中心點g_c′和鄰域點對(g_k′,g_k+8′)變化滿足平行趨勢時，則將(p_k′,p_k+8′)編碼為1；變化滿足非平行趨勢時，則將(p_k′,p_k+8′)編碼為0，數學表達式如下式(8)所示：

8個方向上獲得8位二進制序列，乘以權重得到的十進制數范圍為0-255，如下式(9)所示：

即可得到該區域的CSOP編碼，表示該區域中心點對稱方向上像素間的變化趨勢；

DSOP是指以g_c′為中心點，在關于主副對角線對稱的7個方向上，根據g_c′與對應方向上鄰域點對的大小變化趨勢進行編碼，其中平行趨勢編碼為0，非平行趨勢編碼為1；主對角線鄰域點對為其中m₁∈{3,4,5,6,7,8,9}、m₂∈{1,0,15,14,13,12,11}；副對角線鄰域點對為其中n₁∈{7,8,9,10,11,12,13}、n₂∈{5,4,3,2,1,0,15}，同樣地，將中心點g_c′與鄰域點對比較計算差值，得到的差值對為在對稱方向上分析鄰域點對與中心點的大小對應關系，當滿足非平行趨勢時將差值對編碼為1，滿足平行趨勢時將差值對編碼為0，數學表達式如下式(10)所示：

在主副對角線對稱方向上分別得到7位二進制序列，乘以權重得到的十進制數范圍為0-128，如式(11)所示：

即得到該區域的DSOP編碼，表示該區域對角線對稱方向上像素間的變化趨勢，在多個非均勻采樣尺度下，IMTBCD編碼經統計直方圖構成級聯的特征向量作為爐口火焰圖像的彩色紋理特征；

Step6、終點碳含量預測實驗采用KNN作為回歸預測模型，將不同爐次的火焰圖像次序隨機打亂，在多張火焰圖像中隨機挑選90％圖像作為訓練集，剩余的10％圖像作為測試集，通過十折交叉驗證尋找KNN的最優K值、并獲得較為準確的碳含量預測結果。