CN109541254B - 一种高温熔融流体流速检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温熔融流体流速检测装置，包括高速相机捕捉视频单元、与高速相机捕捉视频单元依次连接的视频采集单元、视频处理单元、轮廓提取单元以及熔融流体流速检测单元，解决了熔融流体由于其本身的高温、高速及高光特性，导致对其进行流速检测的精度低的技术问题，提供了在恶劣检测环境下检测超高温熔融流体流速的实时检测装置；该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应更恶劣下的环境，检测对象应用范围广。该装置通过采用FPGA和多DSP芯片平行计算的硬件平台，极大地提高了在处理大量图像数据上的运行效率，满足检测熔融流体流速的实时性。

Description

一种高温熔融流体流速检测装置

技术领域

本发明主要涉及高温熔融流体流速检测技术领域，特指一种高温熔融流体流速检测装置。

背景技术

冶金行业中，黑色金属和有色金属多是在高温条件下通过火法冶金的方法从矿石或精矿中提取，产出熔融态的粗金属或金属富集物和炉渣从高温密闭的反应炉内高速流出，如在钢铁工业流程中铁水从高炉出铁口流出，在火法炼铜工业流程中冰铜从反射炉流出，在火法炼锌流程中粗锌从熔炼炉流出等。反应炉内压力的变化趋势是表征反应炉是否平稳顺行的重要指标，但由于反应炉内环境恶劣导致难以直接检测反应炉内压力的变化情况，检测反应炉出口处熔融流体的流速能表征反应炉炉内的压力，同时也能反映产出的金属和渣之间的比例关系，助于及时发现并排除异常工况，改善反应炉透气性，保证反应炉平稳顺行生产。因此，检测反应炉出口处熔融流体的流速对于反应炉安全生产、提质提量的意义尤为重要。

本发明检测对象为反应炉出口处出流的高温高光熔融流体，同时检测现场存在不可避免的震动及大量分布不均的粉尘，极大地增加了检测的难度。现有高温熔融流体流速的检测装置主要分为接触式和非接触式检测装置两种，接触式流速检测装置采用耐高温材料与高温熔融流体直接接触，产生可测量的数据来达到实时检测高温熔融流体流速的目的，然而高速流动的高温流体会逐渐磨损侵蚀耐高温材质，导致装置重复性差、使用周期短，不仅如此，在大量粉尘及高温的恶劣环境下同样会影响装置的使用寿命和使用性能，导致投资成本高、检测准确度低，使得接触式检测装置受到了较大的限制；非接触式流速检测装置则是通过装置非侵入式获取熔融流体的红外图像，利用图像强度的特征进行特征跟踪，但在反应炉出流现场存在大量的粉尘会引起图像强度的变化，从而严重影响流速检测的准确性。

专利公开号CN 103480813 A发明专利是一种连铸结晶器高温钢液流速测量装置及测量方法，其工作原理是轴承通过固定轴固定在固定装置上，轴承上、下对称位置分别安装弹簧和测量杆，弹簧安装“T”型固定装置上，轴承安装轴承套，通过联轴器连接轴承套和角度位移感器，角度位移传感器由电源供电，记录测量杆在流动钢液中的实时偏转角度，并通过数据线传输到数据采集分析系统，将角度数据转化为钢液流速值。但该专利需要根据装置检测对象不同需要重新配准，使用前将装置预热至1200～1400℃，且检测量程较小，不能检测流速过大的流体，检测结束后装置不能直接检测下一个对象，在使用的可重复性上受到限制。

专利公开号CN 104748793A发明专利是铝电解槽熔体温度与流速实时组合测量装置及其测量方法，该专利的流速实时测量装置包括分布式测量探头透明保护装置、红外检测传感器、用户接口模块和温度与速度测量模块，其流速检测的工作原理是通过放置于透明保护装置内的红外检测传感器获取铝电解槽各个区域的内部熔体红外图像，经过图像预处理，将图像中心区域设定为特征区域，取一个9像素*9像素的正方形区域，经过t时间后，在图像上找到与特征区域相同的区域，从而得到铝电解槽内熔体的流速。显然，该专利将铝电解槽内熔体流动看作简单的刚体移动，忽视了流体内部的运动，加上随机噪声的影响，在时间t之后，在图像上难以找到与特征区域相同的区域，导致本发明的流速检测无法运用在实际问题。

发明内容

本发明提供的高温熔融流体流速检测装置，解决了熔融流体由于其本身的高温、高速及高光特性，导致对其进行流速检测的精度低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的高温熔融流体流速检测装置包括：

高速相机捕捉视频单元、与高速相机捕捉视频单元依次连接的视频采集单元、视频处理单元、轮廓提取单元以及熔融流体流速检测单元，其中

高速相机捕捉视频单元，用于采集熔融流体出流的视频流信息；

视频采集单元，用于对视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

视频处理单元，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中的感兴趣熔融流体区域；

轮廓提取单元，用于提取感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像；

熔融流体流速检测单元，用于提取单像素轮廓图像的特征块，并基于特征块获取熔融流体的流速。

进一步地，高速相机捕捉视频单元包括用于采集视频流信息的高速相机镜头以及设置于高速相机镜头上的镜头防尘清扫模块以及高速相机风冷模块，其中，

镜头防尘清扫模块，用于在高速相机未工作时对高速相机镜头进行清扫处理，

高速相机风冷模块，用于将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却。

进一步地，熔融流体流速检测单元包括特征块精细定位模块、与特征块精细定位模块依次连接的特征块匹配模块、相机标定模块以及流速检测模块，其中：

特征块精细定位模块包括剔除类水平像素子模块、特征块识别及粗定位子模块、特征块精确定位子模块，其中：

剔除类水平像素子模块用于剔除单像素轮廓图像中类水平分布的像素点，保留与水平成较大倾角的特征块像素点，从单像素轮廓图像中分离出特征块轮廓；

特征块识别及粗定位子模块用于计算特征块轮廓中两条相邻曲线之间的最小距离、上端点高度差以及夹角差，并基于最小距离、上端点高度差以及夹角差对单像素轮廓图像的特征块进行粗定位；

特征块精确定位子模块用于基于单像素轮廓图像对特征块的轮廓进行补全，对单像素轮廓图像的特征块进行精确定位；

特征块匹配模块，用于在相邻两帧之间利用特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；

相机标定模块，用于对高速相机进行标定并求解特征块在世界坐标系中的移动距离；

流速检测模块，用于计算并输出熔融流体的流速。

进一步地，装置还包括用于集成视频处理单元和轮廓提取单元的FPGA(Field-Programmable Gate Array)硬件平台，FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，其中：

高速视频采集模块，用于采集视频采集单元输出的压缩视频流；

存储器模块，与高速视频采集模块、通信控制模块以及执行模块连接，用于存储视频流分解算法、图像感兴趣区域提取算法、轮廓提取算法以及通信控制模块写入的数据；

通信控制模块，与高速视频采集模块、存储器模块以及执行模块连接，用于控制执行模块，并将执行模块的处理结果写入存储器模块；

执行模块，与通信控制模块和存储器模块连接，用于根据通信控制模块发出的控制指令采用视频分解算法将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组、采用图像感兴趣区域提取算法提取帧图像组中帧图像的感兴趣熔融流体区域、采用轮廓提取算法提取感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像，执行模块的数量与帧图像组的组数一致；

电源模块，用于给FPGA硬件平台供电；

图像输出模块，用于将执行模块提取的单像素轮廓图像组传输给熔融流体流速检测单元。

进一步地，装置还包括用于集成熔融流体流速检测单元的多DSP(Digital SignalProcessing)硬件平台，多DSP硬件平台包括图像采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块、数据输出模块以及DSP芯片模块,其中：

图像采集模块，用于接收图像输出模块输出的多路单像素轮廓图像组，并启动与单像素轮廓图像组的组数相同的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的单像素轮廓图像组并存入相应的队列；

命令收集模块,与图像采集模块、存储模块、任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于接收图像采集模块的忙信号，将图像采集模块的忙信号传输给任务管理模块以及实时获取发送给DSP芯片模块的任务指令，同时接收DSP芯片模块发出的信号，并将任务指令和信号传送给任务管理模块处理；

任务管理模块，与命令收集模块、DSP芯片模块以及任务划分模块连接，用于根据预设任务顺序为DSP芯片模块中各DSP芯片加载对应算法，并负责管理DSP芯片模块中各DSP芯片之间的通信任务；

任务划分模块，与任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于将多路单像素轮廓图像组分配至DSP芯片模块中各DSP芯片进行处理；

存储模块，与命令收集模块和DSP芯片模块连接，用于存储预设任务的算法和数据结果；

数据输出模块，与DSP芯片模块连接，用于输出熔融流体流速。

进一步地，DSP芯片模块包括一片主DSP芯片和至少一片从DSP芯片。

进一步地，DSP芯片模块中各DSP芯片采用高速串行接口实现高速连接。

进一步地，存储模块为外部存储器DDR2(Double-Data-Rate Two SynchronousDynamic Random Access Memory)。

进一步地，FPGA硬件平台和DSP硬件平台均采用JTAG(Joint Test Action Group)接口调试和编程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的高温熔融流体流速检测装置，包括高速相机捕捉视频单元、与高速相机捕捉视频单元依次连接的视频采集单元、视频处理单元、轮廓提取单元以及熔融流体流速检测单元，解决了熔融流体由于其本身的高温、高速及高光特性，导致对其进行流速检测的精度低的技术问题，提供了在恶劣检测环境下检测超高温熔融流体流速的实时检测装置；该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应更恶劣下的环境，检测对象应用范围广。该装置通过采用FPGA和多DSP芯片平行计算的硬件平台，极大地提高了在处理大量图像数据上的运行效率，满足检测熔融流体流速的实时性。

附图说明

图1为本发明实施例一的高温熔融流体流速检测装置的流程图；

图2为本发明实施例二的熔融流体流速检测装置结构及现场示意图；

图3为本发明实施例二的数据流向示意图；

图4为本发明实施例二的FPGA硬件平台结构框图；

图5为本发明实施例二的熔融流体流速检测单元的处理流程框图；

图6为本发明实施例二的多DSP硬件平台结构框图；

图7为本发明实施例二的多DSP硬件平台数据流示意图。

附图标记：

10、高速相机捕捉视频单元；20、视频采集单元；30、视频处理单元；40、轮廓提取单元；50、熔融流体流速检测单元；101、高速相机镜头；102、镜头防尘清扫模块；103、高速相机风冷模块；201、A/D模数转换模块；202、存储模块；203、视频压缩模块；301、视频流分解模块；302、帧图像感兴趣区域提取模块；401、图像预处理模块；402、单像素轮廓提取模块；501、特征块精细定位模块；502、特征块匹配模块；503、相机标定模块、504、流速检测模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

参照图1，本发明实施例一提供的高温熔融流体流速检测装置，包括高速相机捕捉视频单元10、与高速相机捕捉视频单元10依次连接的视频采集单元20、视频处理单元30、轮廓提取单元40以及熔融流体流速检测单元50，其中

高速相机捕捉视频单元10，用于采集熔融流体出流的视频流信息；

视频采集单元20，用于对视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

视频处理单元30，用于将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取帧图像组中的感兴趣熔融流体区域；

轮廓提取单元40，用于提取感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像；

熔融流体流速检测单元50，用于提取单像素轮廓图像的特征块，并基于特征块获取熔融流体的流速。

本发明提供的高温熔融流体流速检测装置，包括高速相机捕捉视频单元10、与所述高速相机捕捉视频单元10依次连接的视频采集单元20、视频处理单元30、轮廓提取单元40以及熔融流体流速检测单元50，解决了熔融流体由于其本身的高温、高速及高光特性，导致对其进行流速检测的精度低的技术问题，提供了在恶劣检测环境下检测超高温熔融流体流速的实时检测装置；该装置安装方便，操作简单灵活，且能适应更恶劣下的环境，检测对象应用范围广。

进一步地，高速相机捕捉视频单元10包括用于采集视频流信息的高速相机镜头101以及设置于高速相机镜头101上的镜头防尘清扫模块102以及高速相机风冷模块103，其中，

镜头防尘清扫模块102，用于在高速相机未工作时对高速相机镜头101进行清扫处理，

高速相机风冷模块103，用于将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却。

具体地，高速相机捕捉单元，如图2所示，包括镜头防尘清扫装置、高速相机风冷装置和高速相机镜头101。镜头防尘清扫装置在高速相机未工作时间内对高速相机的镜头进行清扫处理，清扫结束后，自动将保护镜头盖盖上以防止粉尘的掉落至镜头，直至高速相机开始工作；高速相机风冷装置是将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却的目的。在冶炼现场，反应炉出口熔融流体出流的过程中，熔融流体向外散发强烈的热辐射，高速相机镜头101需安装于与熔融流体相距一定的位置，中间有一个金属挡板隔开以减弱热辐射，高速相机通过挡板的窗口采集视频图像，而且现场会存在较多的粉尘，粉尘覆盖在高速相机的镜头会造成成像出现黑影，对此必须对高速相机镜头101安装高速相机风冷装置和镜头防尘清扫装置。镜头防尘清扫装置在高速相机未工作时对高速相机的镜头进行清扫处理，清扫结束后，自动将保护镜头盖盖上以防止粉尘的掉落至镜头，直至高速相机开始工作；高速相机风冷装置是将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却的目的，从而保证高速相机在复杂恶劣的现场长期稳定运行的要求。

高速相机视频捕捉单元采集熔融流体出流的高帧率视频流信息，并传输给上述视频采集单元20；视频采集单元20通过高速采集卡上A/D模数转换模块201将接收到的高帧率视频源模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号送至板卡自带的存储模块202中，存储一段时间后再由视频采集卡上自带的视频压缩模块203将大量的视频信号压缩，并将已压缩的视频信号送至视频处理单元30，与此同时，视频采集卡在存储器开辟新的存储空间存储将当前所采集的视频流，并在前一段视频流传输完毕后释放其的存储空间；视频处理单元30包括视频流分解模块301和帧图像感兴趣区域提取模块302，其中视频流分解模块301，用于将传输过来的压缩视频流信号分解成帧图像，将帧图像以时间为顺序划分为n个相同帧数的帧图像组；帧图像感兴趣区域提取模块302，用于对n个帧图像组同步提取出帧图像中感兴趣熔融流体区域，得到待处理帧图像组，并传至轮廓提取单元40；轮廓提取单元40用于获取熔融流体上单像素轮廓图像，并将单像素轮廓图像传输至熔融流体流速检测单元50；熔融流体流速检测单元50获取熔融流体单像素轮廓图像中显著性特征块的完整轮廓，经相机标定、特征块匹配和流速检测处理后，得到每个帧图像组所在时间段内的熔融流体的平均流速。

实施例二

本发明实施例二提供的高温熔融流体流速检测装置，包括高速相机捕捉视频单元10、与高速相机捕捉视频单元10依次连接的视频采集单元20、用于集成视频处理单元30和轮廓提取单元40的FPGA(可编程门阵列)硬件平台以及用于集成熔融流体流速检测单元50的多DSP硬件平台，其中，

高速相机捕捉视频单元10，用于采集熔融流体出流的视频流信息；

视频采集单元20，用于对视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，其中：

高速视频采集模块，用于采集视频采集单元20输出的压缩视频流；

存储器模块，与高速视频采集模块、通信控制模块以及执行模块连接，用于存储视频流分解算法、图像感兴趣区域提取算法、轮廓提取算法以及通信控制模块写入的数据；

通信控制模块，与高速视频采集模块、存储器模块以及执行模块连接，用于控制执行模块，并将执行模块的处理结果写入存储器模块；

执行模块，与通信控制模块和存储器模块连接，用于根据通信控制模块发出的控制指令采用视频分解算法将压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组、采用图像感兴趣区域提取算法提取帧图像组中帧图像的感兴趣熔融流体区域、采用轮廓提取算法提取感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像，执行模块的数量与帧图像组的组数一致；

电源模块，用于给FPGA硬件平台供电；

图像输出模块，用于将执行模块提取的单像素轮廓图像组传输给熔融流体流速检测单元50；

多DSP硬件平台包括图像采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块、数据输出模块以及DSP芯片模块,其中：

图像采集模块，用于接收图像输出模块输出的多路单像素轮廓图像组，并启动与单像素轮廓图像组的组数相同的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的单像素轮廓图像组并存入相应的队列；

命令收集模块,与图像采集模块、存储模块、任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于接收图像采集模块的忙信号，将图像采集模块的忙信号传输给任务管理模块以及实时获取发送给DSP芯片模块的任务指令，同时接收DSP芯片模块发出的信号，并将任务指令和信号传送给任务管理模块处理；

任务管理模块，与命令收集模块、DSP芯片模块以及任务划分模块连接，用于根据预设任务顺序为DSP芯片模块中各DSP芯片加载对应算法，并负责管理DSP芯片模块中各DSP芯片之间的通信任务；

任务划分模块，与任务管理模块以及DSP芯片模块连接，用于将多路单像素轮廓图像组分配至DSP芯片模块中各DSP芯片进行处理；

存储模块，与命令收集模块和DSP芯片模块连接，用于存储预设任务的算法和数据结果；

数据输出模块，与DSP芯片模块连接，用于输出熔融流体流速。

具体地，本实施例的视频处理单元30和轮廓提取单元40是集成于FPGA硬件平台上，其中FPGA是Field-Programmable Gate Array的简称，具体含义是可编程门阵列，FPGA模块通过高速视频数据采集接口Camera Link可对高速相机采集得到的实时高帧率视频流进行传输和实时处理；熔融流体流速检测单元50集成于多DSP硬件平台上，通过搭建基于FPGA硬件平台和多DSP硬件平台的具有平行计算架构的流速检测装置，实现对熔融流体流速的实时检测。本发明的数据流向如图3所示。为提高系统工作的灵活性，本发明中FPGA和DSP都采用JTAG接口调试和编程，其中JTAG是Joint Test Action Group的简称，具体含义是联合测试工作组。

高速相机视频捕捉单元按照一定的安装参数进行安装；视频采集单元20包括模数转换模块、板卡存储器和视频压缩芯片；视频采集单元20接收高帧率视频流信息，由模数转换模块转换为将模拟信号转换为数字信号，板卡存储器将转换后的数字信号进行存储，由视频压缩芯片对存储器中的数字信号进行压缩处理。FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，视频采集模块用于采集视频流信息；通信控制模块用于将待处理的视频信息分配于执行模块，并将处理结果写入存储器模块；执行模块有多个，用于对多路视频流或图像流的并行处理；存储器模块用于所需算法程序或数据的存取；电源模块为整个FPGA硬件平台供电；图像输出模块将图像传输给熔融流体流速检测单元50。

轮廓提取单元40包括图像预处理模块401和单像素轮廓提取模块402。具体地，通过对图像进行预处理、Canny边缘检测和骨架提取完成对熔融流体轮廓的提取过程；图像预处理包括灰度变换处理和图像增强处理；灰度变换处理是对待处理帧图像组进行RGB转灰度空间变换；图像增强处理利用频域高通滤波法使图像中的高频分量顺利通过，以增强图像的细节信息；图像增强处理是通过指数高通滤波器实现的；Canny边缘检测是将图像预处理的输出进行轮廓提取；骨架提取细化轮廓得到n组单像素轮廓图像，并传输给熔融流体流速检测单元50。

FPGA硬件模块对视频处理单元30的处理结构框图如图4所示，工作流程为：高速视频采集模块采集压缩后的高帧率视频流信息；通信控制模块将待处理的视频信息分配给执行模块；执行模块接收存储器中视频分解算法后将高帧率视频流分解为帧图像，并根据时间顺序将帧图像分为n组；执行模块应与帧图像组个数相一致；然后执行模块接收通信控制模块发出的指令后对n个帧图像组进行图像ROI提取的平行处理，输出n组待处理帧图像组，通信控制模块控制执行模块对待处理的帧图像组进行轮廓提取，输出帧轮廓图像组；最后图像输出模块将帧轮廓图像组传输给熔融流体流速检测单元50，完成视频处理单元30的整个过程。

本发明实施例所指DSP具体含义是Digital Signal Processing,DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。多DSP硬件平台包括图像采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块和数据输出模块，多DSP硬件平台包括一个主DSP和几片从DSP芯片，并采用高速串行接口Rapid IO来实现DSP芯片间的两两高速连接；图像采集模块接收采集轮廓提取单元40传过来的n路单像素轮廓图像组；单像素轮廓图像的组数启动相应数量的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的单像素轮廓图像组并存入相应的队列；任务划分模块用于对传输过来的初始图像数分配到多核数字信号处理器中进行处理；任务管理模块根据任务的执行顺序为多核数字信号处理器加载对应算法，并负责管理DSP与DSP之间的通信任务；命令收集模块用于实时获取设备发送给DSP芯片的任务指令，同时也接收DSP芯片或其他设备发出的信号，将指令和信号传送给任务管理模块处理；存储模块为外部存储器DDR2(Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random AccessMemory)，其中DDR2为Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random AccessMemory的简称，具体含义是第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器，存储所有预设任务的算法和数据结果；数据输出模块用于输出最后处理结果。

熔融流体流速检测单元50是本发明提出来的核心检测单元，包括特征块精细定位模块501、特征块匹配模块502、相机标定模块503及流速检测模块504；熔融流体流速检测单元50的处理流程框图如图5所示；特征块精细定位模块501是由剔除类水平像素子模块、特征块识别及粗定位子模块、特征块精确定位子模块三个功能子模块构成。

剔除类水平像素子模块用于剔除与特征块对象无关的像素点，并将特征块分裂成两条相邻的曲线，具体地，由于本实施例检测的熔融流体的轮廓线条大致处于水平状态，而特征块与熔融流体的轮廓线条之间有较大的夹角，对此特点，本实施例通过剔除图像中类水平分布的像素点，保留与水平成较大倾角的特征块像素点，从熔融流体轮廓线条分离出特征块的轮廓。

特征块识别及粗定位子模块根据特征块所分裂的相邻两条曲线之间的最小距离、夹角差和上端点高度差特征关系，识别并粗定位出熔融流体图像中的特征块。其中最小距离表示相邻两曲线最小的像素距离，夹角差表示相邻两曲线的等效直线与水平的夹角，上端点高度差表示相邻两曲线最高两点的高度差，即纵坐标之差。特征块精确定位子模块用于对粗定位出的特征块进一步进行筛选处理，并补全特征块的完整轮廓。

特征块匹配模块502用于在相邻两帧图像中对特征块进行相似性匹配，找到相邻两帧图像中相似或相同的特征块，从而得到特征块在两帧时间内移动的水平像素距离。具体地，本实施例为了得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离，首先获取特征块的特征，并利用特征块的特征在相邻两帧之间进行相似性匹配。本实施例中特征块的特征分别是大小特征、角度特征和位置特征。大小特征表示特征块的正交轴向长度，即最大长度和宽度，角度特征表示特征块与水平方向的夹角，位置特征表示特征块质心的位置坐标。

为计算大小特征及角度特征，先计算特征块边界点的i+j阶矩，其定义为，

这里M为特征块边界像素点的个数，特征块边界上的像素点表示为(x_m,y_m)。根据i+j阶矩可计算特征块等效椭圆的长半轴r₁和短半轴r₂，即特征块的正交轴向长度，表达式为，

利用i+j阶矩还可得到特征块等效椭圆的与水平方向的夹角β，即特征块的角度特征，其表达式为，

根据长半轴r₁、短半轴r₂、夹角β和质心(x_t,y_t)等特征块特征，即可确定特征块的位置形状和方向，利用搜寻算法确定前一帧图像T(x,y)与后一帧图像T′(x,y)中相似的特征块，

相机标定模块503是根据高速相机的安装参数及现场参数得到的图像坐标系与世界坐标系之间的数学关系，将特征块移动的水平像素距离转化为真实的水平距离；流速检测模块504用于对n个帧轮廓图像组的处理结果综合处理，获得该高帧率视频流所在时间段内熔融流体的平均流速。

熔融流体流速检测单元50的多DSP硬件平台结构框图如图6所示，多DSP硬件平台的处理步骤如下：首先图像采集模块采集n路帧轮廓图像组；多DSP硬件平台启动n个线程和n个队列，用来实时获取n路帧轮廓图像组并存入相应的队列；命令收集模块接收图像采集模块的忙信号，将其传输给任务管理模块，任务管理模块根据存储模块预设的任务顺序加载特征块定位模块及特征块匹配模块502的算法；然后任务划分模块将n路帧轮廓图像组分别分配至DSP芯片中进行特征块定位及特征块匹配处理，获得帧轮廓图像中特征块在两帧时间内移动的水平像素距离；命令收集模块是收到所有DSP芯片发出空闲信号时，将信号传输给任务管理模块，随后，任务管理模块从存储模块中加载相机标定模块503及流速检测模块504的算法；任务划分模块分配主DSP芯片完成所加载算法的运算；最后，数据输出模块输出熔融流体的平均流速，完成整个工作流程。

结合附图对本发明具体实施方案情况进一步说明，本发明应用于国内某2650m³高炉上，在高炉上的三个出铁口的其中一处依照图2安装高速相机及其他装置。在相机选型上，最主要是帧率和分辨率的参数选择，合适的帧率能捕获铁水流的运动信息，足够的分辨率在图像上提供更多的细节信息。据现场工人估计，高炉出铁口铁水流速为5～6m/s。为满足测速需求，工业相机分辨率为1280*720，帧率为240。具体完成熔融流体流速的整个检测过程的实施方案步骤如下：

步骤1、根据高速相机的安装参数及现场数据，对相机进行标定，确定图像坐标系与世界坐标系之间的关系；

步骤2、高速相机捕捉视频单元10对高炉出铁口铁水出流进行实时视频捕捉，通过视频采集单元20对视频进行存储及压缩，并通过Camera Link接口将高帧率视频流传送给FPGA硬件平台；

步骤3、视频处理单元30和轮廓提取单元40的算法完全嵌入在FPGA硬件平台上。FPGA硬件平台中的执行模块执行视频流分解处理，将视频流分解成以时间为顺序的帧图像组，并划分为两个相同帧数的帧图像组，两个帧图像组作为两路图像流，由平台中的两个执行模块同时进行感兴趣铁水流区域提取处理，随后，将处理的两路图像流结果，分别传输至执行模块执行铁水轮廓提取处理，得到两个铁水流帧轮廓图像组；

步骤4、熔融流体流速检测单元50的算法完全嵌入于多DSP硬件平台上。首先，多DSP硬件平台的图像采集模块接收采集FPGA硬件平台传输过来的两个铁水流帧轮廓图像组；如图7所示DSP数据流示意图，多DSP硬件平台启动两个个线程和两个个队列，用来实时获取两路帧轮廓图像组并存入相应的队列；所述命令收集模块接收所述图像采集模块的忙信号，将其传输给所述任务管理模块；任务管理模块根据存储模块中预设的指令执行顺序加载特征块定位模块及特征块匹配的算法；然后，任务划分模块将两个铁水流帧轮廓图像组分别分配到从和主两个DSP芯片中同时进行处理，定位出轮廓图像中特征块的位置，并获取特征块的完整的轮廓，在此过程中，两个DSP芯片之间相互独立地完成所给任务。在单个DSP芯片中，每当处理完一帧轮廓图像时，将当前帧与前一帧的相似性较高的特征块水平位置作差，得到特征块在两帧时间内移动的水平像素距离；所述命令收集模块是收到所有DSP芯片发出空闲信号时，将信号传输给所述任务管理模块；所述任务管理模块加载相机标定和流速检测的算法，任务划分模块分配至主DSP芯片完成剩余的处理过程，最后，数据输出模块输出当前视频流时间段内熔融流体的平均流速。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述装置包括高速相机捕捉视频单元（10）、与所述高速相机捕捉视频单元（10）依次连接的视频采集单元（20）、视频处理单元（30）、轮廓提取单元（40）以及熔融流体流速检测单元（50），其中

所述高速相机捕捉视频单元（10），用于采集熔融流体出流的视频流信息，所述高速相机捕捉视频单元（10）包括用于采集视频流信息的高速相机镜头（101）以及设置于所述高速相机镜头（101）上的镜头防尘清扫模块（102）以及高速相机风冷模块（103），其中，

所述镜头防尘清扫模块（102），用于在高速相机未工作时对高速相机镜头（101）进行清扫处理；

所述高速相机风冷模块（103），用于将高速相机机身完全覆盖，通过外接风机加快风冷装置与高速相机机身之间空气的流动速率达到散热冷却；

所述视频采集单元（20），用于对所述视频流信息进行模数转换、存储及压缩，从而获得压缩视频流；

所述视频处理单元（30），用于将所述压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组，并提取所述帧图像组中的感兴趣熔融流体区域；

所述轮廓提取单元（40），用于提取所述感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像；

所述熔融流体流速检测单元（50），用于提取所述单像素轮廓图像的特征块，并基于所述特征块获取熔融流体的流速，所述熔融流体流速检测单元（50）包括特征块精细定位模块（501）、与所述特征块精细定位模块（501）依次连接的特征块匹配模块（502）、相机标定模块（503）以及流速检测模块（504），其中：

所述特征块精细定位模块（501）包括剔除类水平像素子模块、特征块识别及粗定位子模块、特征块精确定位子模块，其中：

所述剔除类水平像素子模块用于剔除所述单像素轮廓图像中类水平分布的像素点，保留与水平成较大倾角的特征块像素点，从所述单像素轮廓图像中分离出特征块轮廓；

所述特征块识别及粗定位子模块用于计算所述特征块轮廓中两条相邻曲线之间的最小距离、上端点高度差以及夹角差，并基于所述最小距离、上端点高度差以及夹角差对所述单像素轮廓图像的特征块进行粗定位；

所述特征块精确定位子模块用于基于所述单像素轮廓图像对所述特征块的轮廓进行补全，对所述单像素轮廓图像的特征块进行精确定位；

所述特征块匹配模块（502），用于在相邻两帧之间利用所述特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；

所述相机标定模块（503），用于对高速相机进行标定并求解所述特征块在世界坐标系中的移动距离；

所述流速检测模块（504），用于计算并输出熔融流体的流速。

2.根据权利要求1所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述装置还包括用于集成所述视频处理单元（30）和所述轮廓提取单元（40）的FPGA（Field-ProgrammableGate Array）硬件平台，所述FPGA硬件平台包括高速视频采集模块、通信控制模块、执行模块、存储器模块、电源模块和图像输出模块，其中：

所述高速视频采集模块，用于采集所述视频采集单元（20）输出的压缩视频流；

所述存储器模块，与所述高速视频采集模块、所述通信控制模块以及所述执行模块连接，用于存储视频流分解算法、图像感兴趣区域提取算法、轮廓提取算法以及所述通信控制模块写入的数据；

所述通信控制模块，与所述高速视频采集模块、所述存储器模块以及所述执行模块连接，用于控制所述执行模块，并将所述执行模块的处理结果写入所述存储器模块；

所述执行模块，与所述通信控制模块和所述存储器模块连接，用于根据所述通信控制模块发出的控制指令采用所述视频流分解算法将所述压缩视频流分解成以时间为序的帧图像组、采用所述图像感兴趣区域提取算法提取所述帧图像组中帧图像的感兴趣熔融流体区域、采用所述轮廓提取算法提取所述感兴趣熔融流体区域的单像素轮廓图像，所述执行模块的数量与所述帧图像组的组数一致；

所述电源模块，用于给所述FPGA硬件平台供电；

所述图像输出模块，用于将所述执行模块提取的单像素轮廓图像组传输给所述熔融流体流速检测单元（50）。

3.根据权利要求2所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述装置还包括用于集成所述熔融流体流速检测单元（50）的多DSP（Digital Signal Processing）硬件平台，所述多DSP硬件平台包括图像采集模块、任务划分模块、任务管理模块、数据命令收集模块、存储模块、数据输出模块以及DSP芯片模块，其中：

所述图像采集模块，用于接收所述图像输出模块输出的多路单像素轮廓图像组，并启动与所述单像素轮廓图像组的组数相同的线程和队列，每个线程负责实时获取对应的单像素轮廓图像组并存入相应的队列；

所述数据命令收集模块, 与所述图像采集模块、所述存储模块、所述任务管理模块以及所述DSP芯片模块连接，用于接收所述图像采集模块的忙信号，将所述图像采集模块的忙信号传输给所述任务管理模块以及实时获取发送给所述DSP芯片模块的任务指令，同时接收所述DSP芯片模块发出的信号，并将所述任务指令和信号传送给所述任务管理模块处理；

所述任务管理模块，与所述数据命令收集模块、所述DSP芯片模块以及所述任务划分模块连接，用于根据预设任务顺序为所述DSP芯片模块中各DSP芯片加载对应算法，并负责管理所述DSP芯片模块中各DSP芯片之间的通信任务；

所述任务划分模块，与所述任务管理模块以及所述DSP芯片模块连接，用于将所述多路单像素轮廓图像组分配至所述DSP芯片模块中各DSP芯片进行处理；

所述存储模块，与所述数据命令收集模块和所述DSP芯片模块连接，用于存储所述预设任务的算法和数据结果；

所述数据输出模块，与所述DSP芯片模块连接，用于输出熔融流体流速。

4.根据权利要求3所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述DSP芯片模块包括一片主DSP芯片和至少一片从DSP芯片。

5.根据权利要求4所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述DSP芯片模块中各DSP芯片采用高速串行接口实现高速连接。

6.根据权利要求5所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述存储模块为外部存储器DDR2（Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory）。

7.根据权利要求6所述的高温熔融流体流速检测装置，其特征在于，所述FPGA硬件平台和所述DSP硬件平台均采用JTAG(Joint Test Action Group)接口调试和编程。