JP2021038871A - 燃焼場の観察方法、観察装置、及び観察プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】例えば運転中のボイラ炉内のような燃焼場を可視化して観察することができるようにする。【解決手段】燃焼場を撮影することによって画像が取得され（Ｓ１）、前記画像に基づいて所定の情報処理即ち前記複数の画像ごとに色差指標が算出され、前記色差指標に基づいて透過指標が算出される処理が行われて（Ｓ２）、前記複数の画像のうちの前記透過指標が最大となる周波数帯の画像が選定される（Ｓ３）ようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼場の観察方法、観察装置、及び観察プログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば運転中のボイラの炉内のような火炎が存在している燃焼場において、燃焼ガスの発光の影響を低減させ、燃焼場における監視対象物を可視観察する技術に関する。

本発明において、燃焼場とは、火炎（言い換えると、燃焼ガス）が存在している空間のことを広く意味するものとし、あくまで一例として挙げると運転中のボイラの火炉内などにおいて石炭や重油等の燃料が燃焼してバーナ火炎が存在している空間などのことを意味するものとする。

ボイラを備える従来の機序として、例えば、石炭の粉砕装置と、粉砕した石炭を燃焼させるボイラと、燃焼により発生した燃焼排ガスを煙突へ導く煙道と、煙道中に設けられた石灰石スラリー噴霧装置を有する脱硫部とを備えた微粉炭燃焼システムがある（特許文献１）。

特開平８−２９６８３５号公報

例えば火力発電所において用いられる特許文献１の微粉炭燃焼システムに組み込まれるボイラでは長時間安定して連続運転を継続することが求められるところ、灰付着障害が安定運転の妨げとなる場合があるために様々な灰付着障害対策が開発されているものの、燃焼ガス発光による障害に起因して運転中のボイラ炉内（即ち、燃焼場）の可視観察が困難である（言い換えると、燃焼ガスの発光が障害となって付着灰や炉内構造物からの発光が可視観察され難い）ために灰付着状態の把握や灰付着障害対策の効果の評価が十分にできないという問題がある。また、微粉炭燃焼システムに組み込まれるボイラに限らず、種々のボイラにおいても、安定的で効率的な運転の確保や合理的な保全の実施などの観点から、運転中のボイラ炉内（即ち、燃焼場）の状態把握としての可視観察を行うことは非常に重要である。

具体的には例えば微粉炭焚きボイラにおいては、使用する石炭の種類によっては、石炭の燃焼過程で生成される灰の一部が熱交換用の伝熱管表面に付着して伝熱阻害やボイラの運転障害を引き起こす原因になってしまう。また、灰付着障害が発生する箇所は、ボイラ炉底からボイラ出口、更には脱硝装置までと広範囲に亙り、また、障害内容も多岐に亙る。これら灰付着障害の中でも、特に火炉出口吊り下げ過熱器では伝熱管表面に付着した灰が大きな塊の硬質なクリンカとなり、この硬質クリンカが落下することによって炉底部の伝熱管を損傷させてしまうことがある。また、定期検査時には炉内安全確保のための灰除去作業が増えて定期検査日数が増加してしまうなど、微粉炭火力発電所を低コストで安定して運用する上で灰の付着は重要な問題となっている。

このような背景のもと、例えば灰付着状態の把握や灰付着障害対策の効果の評価を的確に行うためには運転中ボイラの伝熱管や炉内壁面等の炉内構造物並びに付着灰を可視観察することが最も有効な手段であるものの、ボイラ炉内の燃焼ガスによって視界が妨げられ、運転中のボイラ炉内の可視観察は困難である。現状では、定期検査時の灰付着状況或いは運転中にボイラ炉底から排出される灰の評価やメタル温度データをはじめとしたプラントデータ解析から灰付着障害対策の効果を推定している例があるものの、実際の現象については十分に把握できていない。

運転中のボイラで炉内構造物や付着灰を可視観察することが可能になれば、運転中ボイラの灰付着状況の詳細調査や灰付着障害対策の効果の評価などが可能になり、灰付着障害の課題解決に対して非常に有用な情報を提供することが可能になる。また、種々のボイラにおいて、運転中のボイラ炉内の状態把握としての可視観察が可能になれば、安定的で効率的な運転の確保や合理的な保全の実施に対して非常に有用な情報を提供することが可能になる。

そこで、本発明は、例えば運転中のボイラ炉内のような燃焼場を可視化して観察することができる燃焼場の観察方法、観察装置、及び観察プログラムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の燃焼場の観察方法は、燃焼場を撮影することによって周波数帯の異なる複数の画像が取得され、複数の画像ごとに色差指標が算出され、色差指標に基づいて透過指標が算出され、複数の画像のうちの透過指標が最大となる周波数帯の画像が選定されるようにしている。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、燃焼場を撮影することによって取得された周波数帯の異なる複数の画像ごとに色差指標を算出する手段と、色差指標に基づいて透過指標が算出する手段と、複数の画像のうちの透過指標が最大となる周波数帯の画像を選定する手段とを有するようにしている。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、燃焼場を撮影することによって取得された周波数帯の異なる複数の画像ごとに色差指標を算出する処理と、色差指標に基づいて透過指標が算出する処理と、複数の画像のうちの透過指標が最大となる周波数帯の画像を選定する処理とをコンピュータに行わせるようにしている。

したがって、これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムによると、燃焼場を撮影した複数の画像のうちの透過指標が最大となる周波数帯の画像が選定され、これにより、燃焼場における燃焼ガスの発光の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法は、算出された色差指標が所定値より小さい周波数帯の画像は、選定から除外されるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、算出された色差指標が所定値より小さい周波数帯の画像を、選定から除外する手段を有するようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、算出された色差指標が所定値より小さい周波数帯の画像を、選定から除外する処理をコンピュータに行わせるようにしても良い。

これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムの場合には、例えば、黒つぶれ画像や白飛び画像のように撮影時の露光調整が不十分で色差が０に近いような周波数帯が選定から除外され、これにより、燃焼場における燃焼ガスの発光の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法は、取得された画像が、画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整されるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、画像を取得する手段により取得された画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整する手段を有するようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、画像を取得する処理により取得された画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整する処理を有するようにしても良い。

これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムの場合には、画像の各画素の輝度のヒストグラムが平坦化するようにコントラスト調整され、これにより、燃焼場における燃焼ガスの吸収や散乱の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法は、画像が選定された後、燃焼場を撮影することによって、選定された画像の周波数帯の画像が取得されるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、燃焼場を撮影することによって、画像を選定する手段により選定された画像の周波数帯の画像を取得する手段を有するようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、燃焼場を撮影することによって、画像を選定する処理により選定された画像の周波数帯の画像を取得する処理をコンピュータに行わせるようにしても良い。

これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムの場合には、燃焼場を撮影することによって、選定された画像の周波数帯の画像が取得され、これにより、燃焼場における燃焼ガスの発光吸収や散乱の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法は、周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であるようにしても良い。

これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムの場合には、
周波数帯の異なる複数の画像がカラー画像であり、これにより、燃焼場における燃焼ガスの発光の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法は、周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察装置は、周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であるようにしても良い。

また、本発明の燃焼場の観察プログラムは、周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であるようにしても良い。

これらの燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムの場合には、周波数帯の異なる複数の画像がグレースケール画像であり、これにより、燃焼場における燃焼ガスの発光吸収や散乱の影響が低減された画像が得られる。

本発明の燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムによれば、燃焼場における燃焼ガスの発光吸収や散乱の影響を低減させた画像を得ることができるので、燃焼場における監視対象物を可視観察することが可能になる。

本発明の燃焼場の観察方法の実施形態の一例を説明するフローチャートである。 実施形態の燃焼場の観察方法を燃焼場の観察プログラムを用いて実施する場合の当該プログラムによって実現される燃焼場の観察装置の機能ブロック図である。 燃焼場の撮影の態様の例を示す模式図である。 バンドパスフィルタの周波数帯と色差指標ＣＤＰＩとの関係を示すグラフである。 バンドパスフィルタの周波数帯と色差指標ＣＤＰＩの変動係数との関係を示すグラフである。 バンドパスフィルタの周波数帯ごとの色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムである。 バンドパスフィルタの周波数帯ごとの標準化後の色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムである。 バンドパスフィルタの周波数帯と標準化後の色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムの最大カウント数との関係を示すグラフである。 バンドパスフィルタの周波数帯と透過指標ＣＧＴＩとの関係を示すグラフである。 （ａ）は調整前の画像、（ｂ）は（ａ）の画像の輝度のヒストグラム、（ｃ）は（ｂ）の輝度の累積ヒストグラムである。 （ａ）は比較例のコントラスト調整を実行した後の画像、（ｂ）は（ａ）の画像の輝度のヒストグラム、（ｃ）は（ｂ）の輝度の累積ヒストグラムである。 （ａ）は本実施形態のコントラスト調整を実行した後の画像、（ｂ）は（ａ）の画像の輝度のヒストグラム、（ｃ）は（ｂ）の輝度の累積ヒストグラムである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１乃至図９に、本発明に係る燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，及び燃焼場の観察プログラムの実施形態の一例を示す。

本実施形態では、運転中の微粉炭焚きボイラの火炉内を燃焼場として取り上げ、当該燃焼場としてのボイラ火炉内を観察する場合を例に挙げて説明する。また、例えば灰付着障害に纏わる分析や検討を行うために状態の把握が必要とされる炉内構造物や灰が特に付着し易い箇所を「監視対象部位」と呼ぶ。

本実施形態の燃焼場の観察方法は、燃焼場を撮影することによって画像が取得され（Ｓ１）、前記画像の色差指標が算出されて、その色差指標に基づいて透過指標が算出され（Ｓ２）、画像が選定される（Ｓ３）ようにしている（図１参照）。また、選定された画像の周波数帯の画像が取得され、取得された画像がコントラスト調整される（Ｓ４）ようにしている。

上記の燃焼場の観察方法は、本発明に係る燃焼場の観察装置によって実施され得る。本実施形態の燃焼場の観察装置は、燃焼場を撮影することによって取得された画像について情報処理を行う手段（１１ａ）と、情報処理により得られた結果に基づいて可視化画像を選定する手段（１１ｂ）と、画像のコントラストを調整する手段（１１ｃ）とを有するようにしている。

上記の燃焼場の観察方法や燃焼場の観察装置は、燃焼場の観察プログラムがコンピュータ上で実行されることによっても実施されたり実現されたりし得る。本実施形態に係る説明では、燃焼場の観察プログラムがコンピュータ上で実行されることによって燃焼場の観察方法が実施されると共に燃焼場の観察装置が実現される場合を取り上げて説明する。

本実施形態の燃焼場の観察プログラム１７を実行するためのコンピュータ１０（本実施形態では、燃焼場の観察装置１０でもある）の全体構成を図２に示す。

このコンピュータ１０（燃焼場の観察装置１０）は制御部１１，記憶部１２，入力部１３，表示部１４，及びメモリ１５を備え、これらが相互にバス等の信号回線によって接続されている。

制御部１１は、記憶部１２に記憶されている燃焼場の観察プログラム１７に従ってコンピュータ１０全体の制御並びに燃焼場の観察に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵ（即ち、中央演算処理装置）である。

記憶部１２は、少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクである。

入力部１３は、少なくとも作業者の命令や種々の情報を制御部１１に与えるためのインターフェイス（即ち、情報入力の仕組み）であり、例えばキーボードやマウスである。なお、例えばキーボードとマウスとの両方のように複数種類のインターフェイスを入力部１３として有するようにしても良い。

表示部１４は、制御部１１の制御によって文字や図形或いは画像等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。

メモリ１５は、制御部１１が種々の制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となるものであり、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ の略）である。

また、コンピュータ１０に、必要に応じ、当該コンピュータ１０との間でデータや制御指令等の信号の送受信（即ち、出入力）が可能であるように、バスや広域ネットワーク回線等の信号回線により、データサーバ２０が接続されるようにしても良い。また、コンピュータ１０は、必要に応じ、インターネットなどのネットワークを介してクラウドサーバ（図示していない）にアクセス可能であるようにしても良い。

なお、コンピュータ１０と撮像手段（図２には図示していない）とが接続され、撮像手段からの出力がコンピュータ１０に直接入力されるようにしても良い。

そして、コンピュータ１０（以下、「燃焼場の観察装置１０」と表記する）の制御部１１には、燃焼場の観察プログラム１７が実行されることにより、燃焼場を撮影することによって取得された複数の画像に対して情報処理を行う情報処理部１１ａと、情報処理の結果を用いて可視化画像を選定する処理を行う画像選定部１１ｂと、画像にコントラスト調整処理を行うコントラスト調整部１１ｃとが構成される。

そして、燃焼場の観察方法の実施に係る手順として、まず、燃焼場の撮影が行われる（Ｓ１）。

この処理では、燃焼場における監視対象物の監視対象部位を含む領域に関する画像（更に言えば、これら画像の画像データ）が取得される。

本実施形態では、ボイラの火炉に設けられている監視窓から、監視対象部位を含む領域が撮影される。なお、ボイラの火炉には炉内の状況を確認することができるように様々な場所（具体的には例えば、炉壁）に監視窓が通常は設置されているので（但し、具体的な場所はボイラによって異なる）、監視対象部位を含む領域を撮影するのに適当な監視窓が適宜選択されて当該監視窓を介して撮影が行われる。この撮影は、監視対象物の監視対象部位が燃焼場越しに撮影されるとも言い得る。

本発明では、カラー画像、具体的には例えばカラーチャンネルの数が３であるＲＧＢ画像（即ち、カラーチャンネルがＲ（赤）チャンネル，Ｇ（緑）チャンネル，及びＢ（青）チャンネルの三つであるカラー画像）が用いられる。

このため、撮像手段として、可視光を検出し、光学像を画素毎（別言すると、ピクセル毎）にカラーチャンネルのそれぞれに対応する電気信号（具体的には、デジタル信号）に変換して出力する機能を備えているものが用いられる。

すなわち、撮像手段としては複数のカラーチャンネルを備える多色カメラが用いられ、多色カメラとして具体的に例えばＲＧＢカメラが用いられる場合にはＲチャンネルのデータ（具体的には、画素毎のＲチャンネルから出力される画素値），Ｇチャンネルのデータ（具体的には、画素毎のＧチャンネルから出力される画素値），及びＢチャンネルのデータ（具体的には、画素毎のＢチャンネルから出力される画素値）が出力される。

本発明における撮像手段（更に言えば、撮像手段の種類を含む撮影の態様）は、所定の領域を撮影して光学像を画像における画素毎（ピクセル毎）にカラーチャンネルのそれぞれに対応する電気信号（デジタル信号）に変換して出力し得る構成・機能を備えるものであれば、特定の種類や態様に限定されるものではなく、適当なものが適宜選定される。

カラー画像としては、具体的には例えば、撮像手段として例えばデジタルカラースチルカメラが用いられて静止画として撮影されて取得された個々の静止画像や、撮像手段として例えばデジタルカラービデオカメラが用いられて動画として撮影されて得られた動画像に対してフレーム切り出しが行われて取得された個々のフレーム画像などが用いられ得る。

本発明では、上述の通りカラーカメラ（特に、波長が少なくとも５００〜１０００ ｎｍ 程度の範囲の可視光線領域を対象とするカラーカメラ）が用いられ得る。カラーカメラは、通常、赤外線カメラと比べて解像度や感度が高く、また、安価である。したがって、本発明によれば、赤外線カメラが用いられる手法と比べ、解像度や感度が高い画像によって燃焼場延いては監視対象部位の状態を観察することができ、しかも、そのような観察の仕組みを安価に構築することができる。

また、撮像手段と燃焼場との間に（本実施形態では具体的には、撮像手段と監視窓との間に）、複数種類の光学フィルタを交換して介在させる。この光学フィルタは、特定帯域のみの光を透過するバンドパスフィルタを適用している。本実施形態では、例えば５００、５２０、５３０、５７７、５８９、６１５、６３２、６５０、６８０、７６６、７７０、８７０、１０００ ｎｍ 用の各光学フィルタを適用し、それぞれの光学フィルタにおいて撮像する。これにより、燃焼場を撮影することによって、周波数帯の異なる複数の画像を取得することができる。

各画像データは、個々の画像における画素の位置と当該画素のカラーチャンネル毎の出力値（即ち、画素値）との組み合わせデータとして整備される。

ここでの説明では、撮像手段としての多色カメラとしてＲＧＢカメラが用いられると共に、撮影される画像における各画素の位置が相互に直交する縦Ｘ軸と横Ｙ軸とによって規定される二次元座標（ｘ，ｙ）で表されるとし、各画素のＲチャンネルの画素値をＲ_Ｐ，Ｇチャンネルの画素値をＧ_Ｑ，及びＢチャンネルの画素値をＢ_Ｒでそれぞれ表すとする。すなわち、ここでの説明では、画像データが、画像中の画素位置ｘ及びｙ，並びにＲ，Ｇ，及びＢの３チャンネルそれぞれの画素値Ｒ_Ｐ，Ｇ_Ｑ，及びＢ_Ｒの組み合わせデータとして｛ｘ，ｙ，Ｒ_Ｐ，Ｇ_Ｑ，Ｂ_Ｒ｝のように表されるとする。

撮像手段の受光素子としてのセンサは、複数のカラーチャンネルのそれぞれに対応する出力を一つのセンサとして行う複数チャンネルを備える一体型のセンサでも良く、或いは、特定のカラーチャンネルに対応する出力を行う単数チャンネルを備えるチャンネル個別のセンサでも良い。

燃焼場の撮影の結果として得られる画像データは、当該画像データ（具体的には、画素毎の｛ｘ，ｙ，Ｒ_Ｐ，Ｇ_Ｑ，Ｂ_Ｒ｝の組み合わせデータ）が記録されたデータファイルとして記憶部１２やデータサーバ２０などに保存される。

次に、Ｓ１の処理によって撮影されて取得された画像データが用いられて、画像の情報処理として画像の色差指標と透過指標の算出が行われる（Ｓ２）。

具体的には、制御部１１の情報処理部１１ａにより、記憶部１２やデータサーバ２０などにデータファイルとして保存されている画像データ（具体的には、画素毎の｛ｘ，ｙ，Ｒ_Ｐ，Ｇ_Ｑ，Ｂ_Ｒ｝の組み合わせデータ）が読み込まれる。

そして、情報処理部１１ａにより、下記の〈色差指標算出方法〉及び〈透過指標算出方法〉を順に実行することにより、画像の（言い換えると、各画素値の）情報処理が行われる。

次に、Ｓ２の処理によって情報処理された画像の選定が行われる（Ｓ３）。

具体的には、制御部１１の画像選定部１１ｂにより、Ｓ２の処理においてメモリ１５に記憶された画像および情報処理された結果が読み込まれ、下記の〈選定方法〉を実行することによって画像が選定されて、可視化画像として表示部１４に表示される。

〈色差指標算出方法〉
ここで、燃焼場を撮影して得られた画像の色差指標と画像の見え易さとの関係について、詳細に説明する。色差指標とは２つの色がどれだけ異なるかを評価する指標である。最も簡単な色差式としてはＲＧＢ色空間におけるユークリッド距離を用いた下記の数式１が用いられる。

ここでｄＥは色差、ＲはＲＧＢカラーにおける赤色の強さ（画素値）、Ｇは緑色の強さ（画素値）、Ｂは青色の強さ（画素値）、添字１，２は色１および色２を指す。数式１の通り、色差指標とは各色の強度差から求められる指標である。また、色差指標はグレースケール画像にも利用可能である。グレースケール画像の場合、ＲＧＢ各色に全て同じ輝度値を入れて計算を行えば良い。なお、一般的な画像形式において、ＲＧＢの値は２４ｂｉｔカラーと呼ばれるＲＧＢ各色８ｂｉｔ（０〜２５５）×３色で格納されている。ただし、これはデジタル処理の簡便さから便宜的に用いられているものであり、色差指標の計算を行う際は０〜１の範囲に拡大縮小した値を用いる。

本実施形態では、数式１の簡易的な色差式ではなく、人間の知覚により一致させた色差規格ＣＩＥ ＤＥ２０００色差式を採用した（数式２参照）。なお、ＣＩＥ ＤＥ２０００色差式については各色における計算値（例題）や、計算用プログラムが公開されており、今回は公開されているＭＡＴＬＡＢ用ユーザ関数を適用した。

ここで、ｄＥは色差、Ｌは明度、Ｃは彩度、Ｈは色相角度を指す。‘（ダッシュ）は、本来のＬ^＊Ｃ^＊Ｈ^＊色空間に補正が加えられていることを指す。ｋおよびＳは添字Ｌ，Ｃ，Ｈのそれぞれの重み付け係数、補正項であり、Ｒ_Ｔは彩度Ｃ、色相角度Ｈから計算される係数である。また、添字００はＣＩＥ ＤＥ２０００で求めた色差であることを示し、１，２は色１および色２を比較した値であることを示す。△も色１と色２の差を示す。

色差指標は２つの色の違いを示す指標であり、このままでは多数のピクセルで構成されている画像には適用することができない。そこで、本実施形態では、まず対象ピクセルと周囲ピクセルの色差指標を求め合算することでその点における色差指標とした。さらに画像の全ピクセルに対して同様に計算し総和を取り、計算した色差指標の合計数で割ることで、数式３に示すように、画像全体での色差指標を求めた。本実施形態では画像中のピクセルの色差、Ｃｏｌｏｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｉｘｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｍａｇｅの略として、色差指標ＣＤＰＩと表記する。なお、画像ごとに算出された色差指標ＣＤＰＩは、メモリ１５に記憶される。

ここで、色差指標ＣＤＰＩを用いた適切な撮影波長の選定において、常に火炎が存在する空間を撮影した際の色差指標ＣＤＰＩは燃焼火炎通過時の輝度変化を捉えており、色差指標ＣＤＰＩが低いほど火炎の影響が少ないことを表している。しかし、色差指標ＣＤＰＩは周囲ピクセルとの色差から求めている指標であり、常に燃焼ガスの影響を受け続けている撮影結果でも色差指標ＣＤＰＩが低く出てしまい、鮮明な撮影結果との比較が行えない可能性がある。

図４に、色差指標ＣＤＰＩの結果の一例を示す。同図において、例えば、１０００ ｎｍ のバンドパスフィルタを装着して撮影した画像を色差指標ＣＤＰＩで評価すると、最も鮮明に見えた６５０ｎｍと同等の値を示している。しかし、この撮影波長では炉内ガス中の水分の影響を受けて常にモヤがかかったような映像しか得られなかった。このため、明確に見えない撮影波長は目視で判断し、ユーザが取捨選択していたが、作業が煩雑であり、ユーザによって判断にバラつきが発生する可能性もあり、作業の簡素化と精度の向上が望まれていた。そこで、本実施形態では、色差指標ＣＤＰＩを修正した透過指標ＣＧＴＩ（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｇａｓｅｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）に基づいて、画像選定するものとする。

なお、色差の計算時にほぼ０が続いて現れる画像は、黒つぶれや白飛びなどを発生している可能性が高い。このため、このような撮影時の露光調整に失敗している画像は、色差の算出時において除外する。即ち、算出された色差が０に近い所定値より小さい周波数帯の画像は、選定から除外されるようにする。

〈透過指標算出方法〉
以下、透過指標ＣＧＴＩの算出手順について説明する。ここでは、色差指標ＣＤＰＩに基づいて、変動係数ＣＶとヒストグラムをそれぞれ算出し、これら変動係数ＣＶとヒストグラムとを合わせて透過指標ＣＧＴＩを算出して評価する。

まず、色差指標ＣＤＰＩに基づいて、変動係数ＣＶを求める。ここでは、各撮影条件を同等に比較するため、図４に示す色差指標ＣＤＰＩの標準偏差を変動係数ＣＶに置き換える。その結果を図５に示す。なお、ここでの変動係数ＣＶとは、相対標準偏差、即ち標準偏差を平均値で除した値を意味する。この色差指標ＣＤＰＩの変動係数ＣＶでは、値が低いほど白飛び・黒潰れを除いた際の火炎による輝度への影響が少ないことを表している。

次に、色差指標ＣＤＰＩに基づいて、ヒストグラム分布を求めた。各撮影手法１０２４枚に対する色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムを図６に示す。縦軸は発生回数（枚数）、横軸は最大値で正規化した色差指標ＣＤＰＩである。なお、ヒストグラム範囲は２〜５とし、分割数は５０とした。異なる撮影条件の結果を比較するため、図５に示す計測値に標準化を実施した。標準化の式を数式４に示す。また標準化後の値を図７に示す。ヒストグラム範囲は−２〜２とし、分割数は５０とした。なお、数式４において、ＣＤＰＩ^＊は標準化後の色差指標ＣＤＰＩ、μは色差指標ＣＤＰＩの平均値、σは色差指標ＣＤＰＩの不偏標準偏差である。

なお、露光に失敗し常に白飛びした場合や、常に黒つぶれした場合もＣＤＰＩヒストグラムの最大値が強く現れてしまう。これに対し、本実施形態では、色差の算出時に述べたように、色差指標ＣＤＰＩの計算時にほぼ０が続いて現れるデータは、撮影時の露光調整に失敗しているため除外しているため、露出調整に失敗した画像の影響を抑制することができる。

図７に示すように、背景にて前述したことと同様に、ピーク点における色差指標ＣＤＰＩが低いほど火炎通過時の影響が少ないと言える。しかし、常に不鮮明で火炎通過時の影響が少なく見える場合も同様であり、ヒストグラムの最頻点における値（≒平均値）を用いた評価は難しいことが確認できる。ここで、ＣＤＰＩヒストグラムの平均値や最頻点の値を問わず、ピークが強く現れているほど、同じ色差を出す何かが写っていることを示している。本撮影対象においては炉内構造物であり、ゆえにピーク値が高いほど炉内構造物をよく撮影できていることを示している。よって、標準化後ＣＤＰＩであるＣＤＰＩ^＊のヒストグラムの最大カウント数を用いて評価を行った。その結果を図８に示す。図８に示すグラフでは、値が高いほど火炎の影響が少ないことを表している。

ここで、上述した色差指標ＣＤＰＩに基づいて算出した変動係数ＣＶとヒストグラムとの各指標を組み合わせて、新たな評価基準として透過指標ＣＧＴＩを算出する評価式を数式５に示す。なお、ｍＣＤＰＩ^＊は標準化後の色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムの最頻値における値、ＣＶは色差指標ＣＤＰＩの変動係数である。

透過指標ＣＧＴＩの評価結果を図９に示す。図９に示すグラフでは、値が高いほど火炎の影響が少ないことを表している。即ち、標準化後の色差指標ＣＤＰＩのヒストグラムの最大値ｍＣＤＰＩ^＊が大きいほど、あるいは、色差指標ＣＤＰＩの変動係数ＣＶが小さいほど、白飛び・黒潰れを除いた際の火炎による輝度への影響の少ない画像と判定される。なお、画像ごとに算出された透過指標ＣＧＴＩは、メモリ１５に記憶される。

〈選定方法〉
本実施形態では、透過指標ＣＧＴＩの最も高い周波数帯の画像を選定する。例えば、図９に示す例では、６５０ｎｍバンドパスフィルタを用いて撮影した画像を最良の画像として選定する。特に、本実施形態では、透過指標ＣＧＴＩの最も高い周波数帯の画像を選定するものであるため、最良の画像となる周波数帯の画像を選定することに好適である。選定された画像およびバンドパスフィルタの種類は、メモリ１５に記憶される。

上述した方法によってメモリ１５に記憶された選定された画像によれば、燃焼場（特に、監視対象部位）の画像が選定され、当該選定された画像によって例えば運転中のボイラの炉内において火炎が存在している燃焼場の状態の観察が行われる。そして、画像が選定された後、その選定された画像の撮影に使用された光学フィルタを用いて燃焼場を撮影することにより、以降も運転中のボイラの炉内において火炎が存在している燃焼場の状態の観察を継続することができる。

〈コントラスト調整方法〉
選定された画像に対して、コントラスト調整を実行する。ここで、画像のコントラスト調整について、詳細に説明する。まず、調整前の画像を図１０（ａ）に示し、このときの輝度のヒストグラムを図１０（ｂ）に示し、輝度の累積ヒストグラムを図１０（ｃ）に示す。

そして、図１０（ａ）に示す画像に対する比較例のコントラスト調整方法として、画像に用いられる輝度の最大値及び最小値の間の範囲を均一に白〜黒（０〜２５５）の全域に引き伸ばす方法を適用する。この方法による調整後の画像を図１１（ａ）に示し、輝度のヒストグラムを図１１（ｂ）に示し、輝度の累積ヒストグラムを図１１（ｃ）に示す。この場合、図１０（ａ）よりは鮮明化しているものの、輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定ではないため、鮮明化が不十分であった。

そこで、本実施形態では、図１０（ａ）に示す画像に対するコントラスト調整方法として、画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整する方法を適用する。この方法による調整後の画像を図１２（ａ）に示し、輝度のヒストグラムを図１２（ｂ）に示し、輝度の累積ヒストグラムを図１２（ｃ）に示す。図１２（ｃ）に示すように、本実施形態では、ヒストグラムの平坦化、即ち累積ヒストグラムの傾きの一定化を図るようにしている。このコントラスト調整方法では、画像に用いられる輝度の最大値及び最小値の間の範囲の引き伸ばしを、ヒストグラムカウントの多い部分に充てている。これにより、多くの画素がある部分にコントラストが充てられることになり、画像がより鮮明に見えるようになる。尚、図１２に示す例では、画像全体のヒストグラムで判断するようにしているが、これには限られず、例えば、画像内の領域を区分してコントラスト調整を行い、区分した領域間を補完して画像にするようにしてもよい。この場合、火炎が部分的に通過した時により効果的である。

上述した方法によってメモリ１５に記憶された選定された画像によれば、燃焼場（特に、監視対象部位）の画像が選定され、当該選定された画像によって例えば運転中のボイラの炉内において火炎が存在している燃焼場の状態の観察が行われる。そして、画像が選定された後、その選定された画像の撮影に使用された光学フィルタを用いて燃焼場を撮影することにより、以降も運転中のボイラの炉内において火炎が存在している燃焼場の状態の観察を継続することができる。更に、撮影して得られた画像に対してコントラスト調整することにより、鮮明度の向上した画像を得られるので、より効果的な可視観察を実現することができる。

以上のように構成された燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムによれば、燃焼場における燃焼ガスの発光の影響を低減させた画像を得ることができるので、燃焼場における監視対象物を可視観察することが可能になる。特に、本実施形態の観察方法，燃焼場の観察装置，燃焼場の観察プログラムでは、透過指標ＣＧＴＩを用いていることから、炉の燃焼を止められない場合や、また炉の奥行きがあるために火炎の影響のない対象物の鮮明な参照画像を得られない場合等に、評価を行うことが好適である。

なお、上述の実施形態は本発明を実施する際の好適な形態の一例ではあるものの本発明の実施の形態が上述のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において本発明は種々変形実施可能である。

例えば、上述の実施形態では撮像手段として複数のカラーチャンネルを備える多色カメラ（具体的に例えばＲＧＢカメラ）が用いられるようにしているが、本発明における撮像手段は多色カメラ（ＲＧＢカメラ）に限られるものではなく、所定の光学的特性／分光感度特性を備える単色カメラが用いられるようにしても良い。例えば、単色カメラを用いてグレースケール画像を撮影した場合、グレースケールからＲＧＢへの変換は、グレースケールの輝度をＲＧＢ各色に入れることで変換でき、上述した各数式を適用することができる。なお、撮影対象の条件によっては、ＲＧＢ画像よりもグレースケール画像の方が、燃焼場における監視対象物の可視化に関して良好な結果を得られる可能性もある。

また、上述の実施形態では燃焼場の観察プログラム１７がコンピュータ１０に予めインストールされているようにしているが、燃焼場の観察プログラム１７がコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されて提供されるようにしても良い。

本発明に係る燃焼場の観察方法の妥当性を検証した実施例を図４および図９を用いて説明する。

本実施例では、微粉炭焚きボイラの火炉（具体的には、炉壁）に設けられている監視窓からみてバーナ火炎（言い換えると、燃焼ガス）を挟んだ火炉内の火炉出口吊り下げ過熱器を観察目標（即ち、監視対象部位）とし、前記監視窓から、運転中のボイラの火炉内における燃焼場の撮影が行われた。

本実施例では、また、可視光（言い換えると、概ね可視光の範囲の光の波長）が検出可能であるデジタルカラービデオカメラが撮像手段として用いられ、動画撮影によって取得された動画像からフレーム切り出しが行われた結果としての個々のフレーム画像のデータが画像データ｛ｘ，ｙ，Ｒ_Ｐ，Ｇ_Ｑ，Ｂ_Ｒ｝として用いられた。なお、カメラはシャッタースピード２００ｍｓ、公称録画スピード１５０ｆｐｓに設定して１０２４枚の画像を取得した。

動画像からのフレーム切り出しによって得られたバンドパスフィルタごとの画像データに基づいて、色差値の平均や最大、標準偏差を算出し、その結果、図４に示す関係が得られた。更に、図４に示す結果に基づき、上述した〈透過指標算出方法〉を適用して、図９に示す関係が得られた。ここで、バンドパスフィルタごとに、透過指標ＣＧＴＩが最も高い画像をそれぞれ５枚ずつ確認したところ、透過指標ＣＧＴＩが大きい画像ほど、鮮明に構造物を写していた。本実施例では、図９に示すように、６５０ｎｍバンドパスフィルタを用いた撮影結果が鮮明に構造物を写していた。従って、本実施例では、６５０ｎｍバンドパスフィルタを用いて取得された画像を選定するようにする。これにより、撮影により取得された複数の画像のうちの透過指標が最大となる周波数帯の画像が選定されることで、燃焼ガスを挟んだ炉内構造物等の状態の観察を良好に実現できることが確認された。

以上の結果から、本発明によれば、燃焼場における燃焼ガスの発光の影響を低減して燃焼ガスを挟んだ炉内構造物等の状態の観察が可能であることが確認された。

本発明に係る燃焼場の観察方法，燃焼場の観察装置，及び燃焼場の観察プログラムは、燃焼場における火炎（燃焼ガス）の光学像を除去して火炎の存在に影響されること無く燃焼場の状況を可視化することができるので、あくまで一例として挙げると、燃焼場の状況把握が非常に重要であるボイラが組み込まれた微粉炭燃焼システムを運用する火力発電などの分野で利用価値が高い。

１０ コンピュータ／燃焼場の観察装置
１１ 制御部
１１ａ 情報処理部
１１ｂ 画像選定部
１１ｃ コントラスト調整部
１２ 記憶部
１３ 入力部
１４ 表示部
１５ メモリ
１７ 燃焼場の観察プログラム
２０ データサーバ

Claims (18)

1. 燃焼場を撮影することによって周波数帯の異なる複数の画像が取得され、前記複数の画像ごとに色差指標が算出され、前記色差指標に基づいて透過指標が算出され、前記複数の画像のうちの前記透過指標が最大となる周波数帯の画像が選定されることを特徴とする燃焼場の観察方法。
2. 算出された前記色差が所定値より小さい周波数帯の画像は、前記選定から除外されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼場の観察方法。
3. 前記画像が選定された後、前記燃焼場を撮影することによって、選定された前記画像の周波数帯の画像が取得されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼場の観察方法。
4. 取得された前記画像が、前記画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整されることを特徴とする請求項３に記載の燃焼場の観察方法。
5. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察方法。
6. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察方法。
7. 燃焼場を撮影することによって取得された周波数帯の異なる複数の画像ごとに色差指標を算出する手段と、前記色差指標に基づいて透過指標が算出する手段と、前記複数の画像のうちの前記透過指標が最大となる周波数帯の画像を選定する手段とを有することを特徴とする燃焼場の観察装置。
8. 算出された前記色差指標が所定値より小さい周波数帯の画像を、前記選定から除外する手段を有することを特徴とする請求項７に記載の燃焼場の観察装置。
9. 前記燃焼場を撮影することによって、前記画像を選定する手段により選定された前記画像の周波数帯の画像を取得する手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の燃焼場の観察装置。
10. 前記画像を取得する手段により取得された前記画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整する手段を有することを特徴とする請求項９に記載の燃焼場の観察装置。
11. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であることを特徴とする請求項７から１０のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察装置。
12. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であることを特徴とする請求項７から１０のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察装置。
13. 燃焼場を撮影することによって取得された周波数帯の異なる複数の画像ごとに色差指標を算出する処理と、前記色差指標に基づいて透過指標が算出する処理と、前記複数の画像のうちの前記透過指標が最大となる周波数帯の画像を選定する処理とをコンピュータに行わせることを特徴とする燃焼場の観察プログラム。
14. 算出された前記色差指標が所定値より小さい周波数帯の画像を、前記選定から除外する処理をコンピュータに行わせることを特徴とする請求項１３に記載の燃焼場の観察プログラム。
15. 前記燃焼場を撮影することによって、前記画像を選定する処理により選定された前記画像の周波数帯の画像を取得する処理をコンピュータに行わせることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃焼場の観察プログラム。
16. 前記画像を取得する処理により取得された前記画像の各画素の輝度の累積ヒストグラムの傾きが一定になるように、ヒストグラムの粗密を調整する処理を有することを特徴とする請求項１５に記載の燃焼場の観察プログラム。
17. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、カラー画像であることを特徴とする請求項１３から１６のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察プログラム。
18. 前記周波数帯の異なる複数の画像が、グレースケール画像であることを特徴とする請求項１３から１６のうちのいずれか一つに記載の燃焼場の観察プログラム。