TWI231352B - Method and device for characterizing or controlling zones of temporal fluctuations of a scene - Google Patents

Description

1231352 A7 ^___B7_________ 五、發明說明（/ ) 本發明係有關場景暫時變動之區域的特徵化及/或控制 的領域。 更明確地，本發明係有關一種實施影像處理系統以用 於場景暫時變動之區域的特徵化及/或控制的方法及裝置。 其可應用於例如在爐中，尤其在工業用爐中，或在於 一其他形式之環境中之火焰的特徵化及/或控制。 本發明亦可應用於工業用爐的其他特徵。 大致地，本發明可依據產生自位置固定式攝影機之視 頻信號使爐中之火焰或場景暫時變動之區域特徵化，其中 本發明可分辨及/或分離暫時變動之區域於靜態之區域。 工業用爐之熱狀態的控制一般係使用少數的感測器來 執行。大致地所採用的感測器爲氣體排放系統，其允許煙 霧的合成物及/或提供爐壁或充氣之局部溫度測量的熱電稱 ，及/或沿著光學軸（稱爲“視線”）執行燃燒之頻譜測量 ，以用於火焰控制或監視目的（安全性）的感測器之特徵 化。 然而，考慮到溫度感測器之數目少，在爐中之溫度感 測器無法一直提供關於在時間上之火焰特徵飄移的資訊， 而缺乏未符合其幾何形狀，長度或位置之火焰的偵測會造 成爐之耐火壁過早的磨損，所製成產品降低的品質，及超 過環境標準範圍之污染的放出。 有時候在工業爐上會使用視頻攝影機以便給與操作者 爐內部之視像。然而，由於擾流目視資訊之品質會受限於 強烈變動之火焰的本質，及受限於解讀之主觀的特性。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • n n n

n n n n n n n n n n I 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1231352 A7 ------B7__ 五、發明說明（s/) 最近已出現有透過視頻影像之分析來提供火焰之持續 追踪，然而，該等火焰特徵化系統卻無法補救上述問題。 美國專利第5,249,954號描述一種藉CCD感測器相結合 於神經網路之火焰化學激發光的分析，用於相關聯於不同 的化學激發光域與氧化劑/燃料流速比例。此處，同樣地， 此型裝置亦無法提供關於火焰特徵時間上飄移的資訊。 美國專利第5,971，747號描述一種用於控制燃燒的诌 動系統，其實施視頻攝影機，藉神經網路的影像處理，及 模糊邏輯控制系統，其結合有其他形式之感測器，諸姐光 檢波器，溫度感測器或壓力感測器。此一系統極爲複雜且 無法解決相關於在時間上火焰特徵飄移之壁的磨損，所製 成產品降低的品質，.及污染物放出的問題。 結果，該等熟知技術無一可在例如露天之爐外結合於 火焰的特徵化及/或調整。 因此，並沒有任一熟知的技術可應用於諸如爐之充氣 的工業用爐的場景暫時變動之特徵化及/或控制。 發明槪要 本發明之目的在於提供一種可追踪工業用爐中之火焰 或場景之幾何形狀特徵的方法及裝置，以便偵測在爐的情 況中可造成該爐之耐火壁過早磨損，以及在所有情況中可 引起所製成之產品降低品質，及/或超過環境標準範圍下污 染物放出之例如燃燒器、燃料及/或氧化劑供給，或操作之 不符合的操作。 ------- 4__一 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

一农·------ 訂-----I 華 1231352 a? ___B7__________ 五、發明說明（$ ) 根據本發明，例如藉助於攝影機所獲得之爐中之火焰 之影像或場景之影像的滑動統計處理係藉助影像處理 予以執行，該處理會消除該等影像之內容的快速變動。 該等影像係捕獲於滑動時間間隔當中’其時間爲可變 ，尤其考慮到以更大或更小的速度來執行統計處理時。 根據另一觀點，本發明亦有關一種處理爐中場景或火 焰影像的方法，其特徵爲’在已獲得〃個影像之火焰或場 景之後:' .(a)執行最後〃個影像之至少一統計處理； (b) 當完成該處理(a)之時獲得一新的影像；以及 (c) 重複步驟(a)° ' 所獲得之影像係以視圖儲存而統計處理，後者僅考慮 最後所獲得或記錄或堆疊之幾個影像。新影像之擷取需要 消除來自其中儲存影像之記憶體或堆疊之最早所獲得的影 像。 較佳地，該統計處理係執行於一串列之影像上，使得 ⑴所處理之最後影像（目前之瞬時）與最早影像間之間 隙在5與1000秒之間，較佳地在20與200秒之間； ⑵及/或包含在該串列中且參與統計結果之§十算的影像 數目爲大於5，較佳地在25與1〇〇〇之間。 根據本發明之又一觀點，該統計處理係執行於一串列 之影像上，使得兩個接連影像間之間隙在5秒與1000秒之 間，較佳地在2〇秒與200秒之間。 ________ $ —----------- 尺度適闸中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） II--1 I I l· 1 I I Αν ill —---I I--I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， . 1231352 A7 _____ B7______ 五、發明說明（f ) 所執行之統計處理可爲影像在時間上之變化的計算。 此亦可爲在滑動時間間隔期間所捕獲之火焰或場景的 該等影像之滑動平均的計算。 此亦可爲一種可獲得自各影像其瞬時變動的影像，或 其他影像的處理；亦可爲一種獲得該火焰或場景變動之空 間包絡線之處理。 此外，可選擇其光強度比某一臨限値更大之所獲得的 影像點。 而且，此方法可包含一抽出該火焰或場景變動之空間 包絡線之輪廓的步驟。 類似地，其進一步地可包含一確定包含或包圍火焰之 輪廓或場景暫時變動之區域的矩形，及/或確定此輪廓之重 心及/或面積及/或周長之計算的步驟。 根據本發明之一種處理影像的方法可結合有一調整火 焰，或燃燒或其中燃燒或場景正變化之爐，或一個或更多 個燃燒器之物理參數的步驟。 更明確地，其可區分欲調整的參數（火焰之幾何形狀 特徵）與正發生作用之參數。 本發明亦有關一種用於實施根據本發明之方法，尤其 如上文中所述方法之裝置。 所以，本發明亦有關一種用於使爐中火焰或場景之影 像特徵化的裝置，包含用於執行該等影像之滑動統計處理 的裝置，如上文中所解說地，此處理可消除該等火焰或該 場景的快速變動。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). . I ^---III--訂---------· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 1231352 ______B7_ 一^- 五、發明說明（(） v/ 本發明亦有關一種用於處理爐中火焰或場景之影像^ 裝置，包含： 用於儲存按時間所獲得之該火焰或該場景之η個影像 的裝—； 用於執行最後η個影像之至戈一統計處理的裝置； 用於當完成該統計處理時儲存額外影像的裝置。 圖式簡單說明 本發明之特徵及優點將根據隨後的說明而呈更爲明顯 ，此說明屬於藉由非限制性的解說，參照附圖所獲得的代 表性實施例，其中： 第ΙΑ、1Β及2圖表示根據本發明之影像擷取的時間 圖； 第3圖係流程圖，其表示根據本發明統計處理的〜個 觀點； 第4、5及6圖分別地表示一火焰的瞬時影像，許多瞬 時影像之一滑動平均及一瞬時火焰波封； 第7、8、10、11圖表示透過根據本發明之影像處理 所獲得的不同影像； 第9圖係一影像之強度準位的梯級分佈圖； 第12及14圖係根據本發明裝置的示意圖；以及 第13圖表示一計算系統的不同組件。 〔元件符號說明〕 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 袈 訂：

S 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 1231352 A7 B7 五、發明說明（

Tg 滑動時隔 50 電腦系統 74 錄影帶 76 錄影機 52 調整參數之裝置 69 螢幕(觀視裝置） 64,66 記憶體裝置 60 中央處理單元 48 數位化卡 61 滑鼠 72 鍵盤 62 微處理器 68 匯流排 69-1 瞬時影像 69-2 平均間歇影像 69-3 火焰波封影像 69-4 輪廓影像 42 燃燒器 44 火焰 46 攝影機 40 工業用爐 20 影像之靜態區域(壁) 22 燃燒器之出口 24 火焰之平穩影像 8 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， 十、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） A7 1231352 ____ Β7__-____ 五、發明說明（1 ) 本發明實施例之詳細說明 根據本發明，一“滑動”統計處理係施加於該等影像 Ο 此處理係施加於如第1A圖中所描繪的《個連續影像’ 界定時間^之滑動時間間隔，其中〃個影像Ini的V = 1，…’ «係在瞬時1，2，…，《處記錄及儲存於記憶體之中。 該等《個影像係根據諸如下文中所描述之該等統計處 理之一予以處理。 在瞬時《 + 1處，儲存一新的影像+ 且施加該統計 處理於該等影像Img(2)，…；影像Img⑴則由記憶體或欲處 理之影像堆疊中刪除。 該等《個影像係位於一時隔之期間^中，其將隨著預 定時間之跨距5 t移動。 . 然而，如第1B圖中所描繪地，若在瞬時〃+ 1處，並未 完成《個影像的統計處理時，則並不會發生影像擷取 Img(n+1)。 若在瞬時n+2處完成影像Img(l)，…，Img(n)之統計 處理時，則記錄影像Img(2)及施加統計處理於η個影像 Img(2)，.··，Img(n-l)，Img(n)，Img(n+2) 〇 接著，該滑動時間間隔係可變的(Tgl^Tg2) 此將藉第3圖之流程圖予以表示。 統計地處理最後η個影像(步驟10)，接著完成有關是 否該統計處理已結束之核對(步驟12)。 ______ 9___ 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I ^ -----------------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). ， 1231352 A7 __ B7 ______ 五、發明說明（f ) 新影像的擷取(步驟14)僅發生在先前所取得或所儲存 的最後η個影像已處理之時。 根據本發明之再一觀點，有時候企望於給與最小的時 間間隔於兩個連續影像的擷取之間’若電腦可快速地相對 於所企望之時間窗來執行計算時，則可使此爲例示。 較佳地，該等計算係藉重複而完成：當捕獲一新的影 像時，演算程式無需再計算堆疊中的所有影像，考慮到(添 力□)來自新的影像之作用及扣除將溢寫的最後影像之作用即 已足夠。 在若干例子中，例如在擺動燃燒的情況中，可較佳地 選擇與燃燒週期同相的影像。此係第2圖的例子，其中該 等影像係記錄於瞬時tl，t2，t3，t4處而相對應於例如特 定相位的燃燒過程，或相對應於燃料或氧化劑供給閥之開 口的特定狀態。 在第2圖之例子中，上方部分表示注入於燃燒器內之 燃料的流率Q的暫時輪廓。 此輪廓係過期性的（此處：正弦波的），及影像擷取僅 發生於當流率Q係在其週期之預定相位處。其他實例可相 關於擺動燃燒之任一形式的變化或週期性現象，而影像擷 取則同步於此變化或此週期性現象或僅執行於此變化或週 期性現象的預定相位。 再者，如上文中關於第1B及3圖中的解說，較佳地 係在獲得新的影像之前等待執行於最後η個影像之統計計 算的絡了。 請 先 閱 讀 背 面 拳

本 · 頁 I 一 I

訂· • I I β 饞 幸、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 1231352 五、發明說明（〖D ) 於巧1。一般而言，此時隔之長度係依據將獲得統計處理之 一視圖之影像數目〃以及依據執行該統計處理之電腦的計 算速度而定。在執行任一統計計算之前，使用者可界定 之（大約）時間。然而，事實上，實際之擷取並不會發生在 精確地相等於作之時間上，當在應該執行新的擷取之瞬時< 統計計算尙未結束時，擷取時間可更大或稍大。 第4圖表示一典型之瞬時影像Imv。 該爐及燃燒器22之壁20伴隨其用於注入燃料及氧化 劑之不同噴嘴可視於其中。 在《個影像上之第一典型的統計處理係該等《個影像上 之變化計算，因此可獲得一影像，其各像素或區域係所有 該等影像上之像素或相對應區域之變化計算的結果，在此 影像上之大的光強度値相對應於其中光強度變動大的區域 ，而小的光強度値則相對應於其中光強度變動小的區域。 該變化係界定爲一順序影像之平均影像與一瞬時影像 間之差異。對於一堆疊之《個影像，例如該變化（標號〇係 藉下一個方程式予以表示： . -- ^----:----^ ---In--^---------I (請先閱讀背面之注意項再填寫本頁)~

其中ΐ爲該堆疊之平均影像，而X則爲瞬時影像。 若該等影像均相同時，該變化趨於零，也就是說，若 從一影像到另一影像並沒有移動之時。確實地，將沒有差 異在該平均影像與一瞬時影像之間。在本發明中，該差異 提供了有關於該火焰變動的資訊。 標準偏移影像係在L.Audouin，G.Kolb等人（1995年）〔 ____1? ____ 十、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1231352 A7 ________B7____一 五、發明說明（（ί ) 用於燃燒及爆炸原理的實驗室〕（Universit6 Poitiers)之“藉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 視頻記錄之影像處理所獲得之飄浮池火的平均中心線溫度 的文件中界定如下：

其中I爲各瞬時影像之各像素的灰度準位，變化則爲標準 偏移的平方。 可應用於本發明架構中之第二典型之統計處理於η個 影像上係一滑動平均處理(或“運轉平均”）。 滑動平均計算係使用於爐中之火焰或場景變動之波封 的演算程式且亦可使用於彩色比例之計算，例如矩陣之點 接著點加和的操作，例如執行於1/2比例尺影像(384X288 像素）之上。， 該演算程式之數學表示係如下： (尤+1-尤）

/+1 f ~~N

其中I --ί +1爲影像/ + 1之擷取的瞬時 爲影像ί之擷取的瞬時 -尤+1表示新獲得的影像 --尤表示影像1 ’也就是堆疊的最舊影像；此影像將藉進入 該堆積之新影像予以複寫。 此演算程式係週期性的，就某方面而言，其無須再計 算平均自所有的初始影像；其僅需在各新影像擷取之後添 力口 弋)之量。 ____0_ — _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) 1231352 A7 _ B7 五、發明說明（/1) 第5圖顯示60個影像上之平均，此圖顯示影像之靜態 區域2〇，其係耐火壁；參考符號22指示燃燒器的出口而 參考符號24則指示火焰的平穩影像。典型地，在一捕獲於 工業爐中之影像上（例如：火焰之影像或爐中液之影像）， 靜態區域係耐火壁而變動區域爲擾動火焰及/或，可能地， 原礦（玻璃液，融化金屬液，等）。藉滑動平均之處理將 給定一資訊平穩效應且因此易於抑制所觀視之火焰或場景 變動之區域。 所獲得之最後影像係良好品質的，無關於處理時間， 無關於視頻擷取電子裝置之雜訊。 此最後影像係使用於更容易地確定欲選擇於隨後計算 之臨限，特定地可確定壁上之光強度値或最大光強度値（ 第5圖之壁20)，然後在該等壁之此光強度値選擇臨限。 第三個處理實例或處理演算程式可影像接著影像地追 踪火焰的變動。 事實上’此實例上可獲得一中間結果供稍後計算用。 根據此處理，先計算該滑動平均Ag之影像，接著從該 堆疊之各瞬時影像扣除，然後根據使用者所選擇之臨限二 進位化各最後影像的絕對値影像。 最終地，作成有關是否統計處理已結束的核對。若未 結束時，則藉返回先前之步驟來完成；若已結束時，則擷 取新的影像。 接著，複寫或消除列1之影像自堆疊且以列2的影像 來取代；同樣地，歹[]/ + 1之影像取代列1的影像，用於1與 . --------^------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)· · 畢 木紙張尺度適用中國國豕彳示準（CNs)A4規格（210 X 297公釐） 1231352 A7 ___B7_____ 五、發明說明（f、） l π間之每個/·。新的平均係計算於藉此所取得之新的最後π 個影像上。 從各瞬時影像減去平均則會去除火焰的靜態波封，此 將僅留下其瞬時的變動。用於該演算程式之簡單數學表示 係如下： 及Jvg)，臨限） 其中· -4(0係瞬時之所捕獲的瞬時影像， --Jvg係在最後《個影像上的平均， 係計算絕對値之操作， -伽係相對於使用者所選擇之光強度臨限所執行之二進位 操作之像素，其光強度超過或等於此値係 . 設定爲1，而在此値之下則設定爲0)。 所獲得之典型影像(亦稱爲瞬時火焰波封)係顯示於第6 圖之中。 此影像將協助逐點地偵測火焰之不正常狀態(其幾何形 狀之飄移或變動）。 此第三演算程式可使其中在時間上發光強度變動之區 域顯著，亦可刪除其中發光強度恆常的區域，且可強調該 火焰的邊緣。 第四及第五演算程式可偵測火焰變動的波封。 第四演算程式可實現上述第三典型的處理，其使用滑 動平均爲參考影像以用於從最後的影像減去背景雜訊。對 於該順序之各影像，將計算影像與該序列之平均影像間差 -----ϋ___ 十、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 展 --訂---- 碁 A7 1231352 ____B7__ 五、發明說明ί十） 異的絕對値，接著相對於一隨意的臨限使此最後的影像二 進位化，然後與該序列之其他影像平均。 接著，作成有關是否已結束該統計處理的核對。若尙 未結束時，則藉返回先前的步驟來完成；若已結束時，則 擷取新的影像。然後，從該推疊複寫或消除列1之影像且 以列2之影像來取代。同樣地，影像ί + l會取代影像，·以用 於/與〃之間的每個列ί，再計算新的平均。 用於計算火焰波封之演算程式之表示可藉下式予以總 括： 火焰波封l = dvg(5z>2(應臨限)），其中 係滑動平均(“運轉平均”），如上文已解說者（第二 典型處理）， -伽係根據使用者所界定之臨限之二進位化的操作(其 光強度超過或等於Jvg)之像素之此値係設定爲1 ，而在此値之下則設定爲〇)。 -Im(〇表示該堆疊影像之各瞬時影像。 臨限之選擇將根據起始影像(最後η個影像之平均影像 之平均影像)之灰階値，該等値可分離背景雜訊自前景火焰 ，因此，該臨限可識別振幅超過此値之變動區域’由使用· 者所界定之臨限可消除由靜態區域中之視頻雜訊所造成之 所有低的光強度變動，所以，僅光強度大於該臨限之變動 區域係可視於最後影像中。 透過此第四演算程式所獲得之典型影像係取得於第7 圖之中。 _____16 —--- 衣紙張尺度適同中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ， --------β--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)· ， A7 1231352 _____B7_ 一 五、發明說明（（<) 第五演算程式包含計k一瞬時影像與在該堆疊中在其 之前的瞬時影像間之差異的絕對値。兩接連影像之減法可 使兩瞬時之間之已改變者顯著’最後影像會根據一隨意之 臨限變換爲二進位影像’接著藉滑動平均與堆疊之其他影 像平均。 接著，作成有關是否該統計處理已結束之核對’若尙 未結束時，則藉返回先前之步驟而完成；若已結束時’則 擷取新的影像。然後，從該堆疊複寫或消除列1之影丨象| 以列2之影像來取代，同樣地，影像會取代影1象^·以用 於/之每個値，再計算新的平均。 第五演算程式係數學地表示如下： 火焰波封 2 = /vg(及⑺1)，臨限））. 其中： -dvg係滑動平均 -伽係根據一隨意之臨限之二進位化的操作（其光^ 度超過或等於之像素之此値係設定爲1 而在此値之下則設定爲〇)。 -Im(〇表示該擷取堆疊之各瞬時影像。 (Im(〇及Im(/-1)係該擷取堆疊之兩個接連的影像。 第8圖顯示“火焰波封2”演算程式之結果。 第7及8圖之影像係藉執行該等演算程式於60個影像 之堆疊上所取得。在該兩例中，爐之該等靜態壁已消失於 該影像，它們會著色黑色而火焰輪廓會平滑。 對於該第四演算程式，最後影像不再靈敏於該火焰之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂——----線* 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 1231352 ______B7 ____ 五、發明說明（[L ) 最快的變動。 第四及第五演算程式間之差異係，第四演算程式係由 堆疊的最後〃個影像所影響而第五演算程式則係更瞬時的 結果。 藉減去該平均，第四演算程式會使火焰的恆常部分顯 著(在第7圖之火焰核心中著黑色）。因此，火焰的變動邊 緣亦會較佳地突出於此最後影像中。第五演算程式之資訊 會更瞬時。 在第七演算程式之前的第六典型計β算或演算程式係“ 瞬時間歇”之計算。施加於初始影像之此一計算會根據軟 體之使用者所選擇的另一臨限，超過所選擇之値的各像素 設定爲1(影像中之白色)而在該預定臨限之下的像素則設定 爲〇(影像中之黑色）。 此演算程式可數學地表示如下： 瞬時間歇=jB//7(Im(z·) ’臨限） 瞬時間歇影像係可提供關於超過使用者之固定臨限之 或然率的資訊(P=〇%=黑色，或P=l〇〇%=白色）。因此，所 選擇的臨限會確定影像中之火焰的存在。其像素値爲0或 1之二進位影像將在火焰的位置處爲白色而若沒有像素超 過該臨限之時則爲黑色。 火焰影像之灰階値的梯級分佈圖可協助使用者選擇臨 限。大致地，臨限値位於壁之最大光強度之上。第9圖顯 示爐中所捕獲之影像的典型梯級分布圖。 可執行“平均間歇”之計算(第七典型之計算或演算程 _；____LS______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — II — — — — — — I !!11— t (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， . 1231352 A7 __B7___ — 五、發明說明（ 式），其係在瞬時間歇之時間上的滑動平均，因此’該影像 之像素從0變化到255，而在該滑動窗之時間間隔之過程 中，其灰階(或光強度)表示超過所選擇臨限的或然率。 超過大於壁之發光度的發光度之臨限的或然率之影像 可使影像中之火焰的存在及有效位置顯著，如第1〇圖中所 不0 此演算程式之數學式係如下所示： ⑺)，臨限） 其中 係滑動平均 -5^係根據隨意之臨限之瞬時影像Im(〇之二進位的操作 :若-Im(/)之像數的光強度小於（或大於）該臨限，則設定 (Im(/)之像素爲0(或1)。 根據第三至第七演算程式之臨限的使用係有利於抹除 雜訊於影像及壁之發光度且用於抽取火焰輪廓。此形式之 演算程式具有某些限制。明確言之，在此方式中，僅若火 焰比背景更亮時方可使該火焰特徵化，但此在產業處並非 一成不變，特別是，由於某些火焰相對於耐火壁之輻射之 低的發光度之故。最後的影像會根據臨限的選擇，但此係 藉可允許最後影像在時間上作比較之此相传性的系統形態 所補償。 第四，第五及第七演算程式會實行(伽(__，臨限)），變數 分別爲物(Img(〇 -輕）（第四演算程式），舱(Img⑴—Im沙一 u (第五演算程式）及第七演算程式 _19 木纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） J—s-------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， ， I- - - - 一= ........ ...... ..............................: II - ----- -------------------------------- i ——-------- I I , ----- ----- I— —— 1231352 A7 __B7________ 五、發明說明（[(f) 因此，根據本發明之另一界定，一種所實施之統計處 理，包含： -相對於一臨限從一變數影像計算二進位影像，若此變 數影像之光強度小於(或大於或等於)該臨限時，則此變數 影像之像素藉二進位化操作而設定於〇(或1)。 計算藉此所獲得之二進位影像的平均。 例如該變數影像可爲上述三個影像形式， g(，；Mvg)，dMIm 的)- Im g(/ -1))或 g(i))之一。 除了例如易於由使用者所解讀之影像顯示的簡單用法 之外，藉第四及第五演算程式之一或瞬時或平均間歇(第六 及第七演算程式)所取得之火焰變動的波封可使用來抽取量 化之幾何形狀參數，諸如火焰之周長，面積，長度。可藉 影像處理來施加偵測藉影像處理來施加偵測物體之方法(此 處爲火焰），例如藉輪廓抽取，或“輪廓分段”。 根據一典型之輪廓抽取，影像係先相對於使用者所選 擇之灰度準位予以二進位化，例如値1或〇係根據是否像 素係視爲火焰之形成部分或非形成部分而配置於影像之各 像素，接著，藉較寬的像素來擴張影像；然後，從像素所 擴張的影像減去原來的影像，此減法之結果係一或更多個 連續的輪廓，一個像素的厚度。最後，藉相加該兩影像而 重疊該輪廓或該等輪廓於最後影像之上(例如“火焰波封1 ”或“火焰波封2”）。 第11圖顯示一具有包圍火焰之矩形之典型的輪廓抽取 。可計算及顯示包圍矩形之坐標(xmin，Xmax，Ymin，Ymax) -----20___ 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) E--------訂---------· 1231352 A7 B7 ----Q— ------- 五、發明說明（（） 及/或一或更多個其他參數，諸如其重心或輪廓之面積或其 周長，結果則可傳送到檔案或記憶體區域而允許建構及追 踪火焰在時間上的特徵。 此分析將獲得許多量化的幾何形狀參數，其可動態地 連結於諸如神經網路之先進的控制系統，因此，它們可使 用爲火焰之連線控制的互補輸入。 例如一或更多個下列參數之該等火焰輪廓參數的追踪 可有利地使用來維持爐及/或燃燒及/或一或更多個燃燒器 之一或若干形式參數的最佳設定： 1. 霧化流體的壓力 在以液體燃料操作之燃燒器的情況中，火焰波封參數 ，且尤其是該火焰根部之位置可用來調整該等霧化條件， 且特別地係流率及壓力。太低的壓力一般將造成太長的火 焰，而火焰根部會更遠離噴射器。 2. 火焰的演出程度 用於允許若干燃料氧化劑分流到第二噴射器之燃燒器 ，火焰的輪廓可使用來調整演出程度（所以成比例於引導 至第二噴射器的燃料或氧化劑）及使該火焰之長度及體積 最適化。尤其，將可搜尋避免其中火焰太接近於熱原礦（ 玻璃液體，冶金產物）或太接近於耐火壁之情勢。演出程 度的調整亦可使用於使污染物的發出最小化。 3. 燃料及氧化劑流率 燃料及氧化劑流率及氧化劑/燃料流率可使用來維持 正確的火焰波封。特定地，小於化學計量的比例之氧化劑/ ___ 21____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） j ^--------^---------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)* · 1231352 Δ7 Α7 ___ Β7________ 五、發明說明（y°) 燃料流率之比例大致地會造成超定額地長的火焰，而相對 於燃燒器之標稱功率太小的總流率則會使火焰朝向爐的根 部上升。 4. 毗鄰燃燒器的功及動量 在使用若干燃燒器的例子中，可使用影像處理系統來 同時地追踪若干火焰的波封且將可診斷或識別毗鄰燃燒器 之火焰間所不企望的互動。有閼該等火焰波封之資訊可以 以此一方式使用來使各燃燒器之位置，噴射模式及流體動 量（流體之質量流率及速度）最適化，即，避免該等所不 企望的互動（流體之動量等於質量流乘以此流體之速度的 乘積）之方式。特定地，該等條件有關玻璃爐且亦有關某 些冶金爐（再熱爐）。 5. 導入燃燒器的廢棄物之部分 在廢棄物係與傳統燃料共燃燒之燃燒的情況中，影像 處理系統可用來貢獻所共燃燒之廢棄物部分於火焰根部形 狀及/或位置，此可爲例如在水泥工廠用爐（窯）的情況， 其中企望於使廢棄物所給予之能量部分最大化而符合於令 人滿意的燃燒特徵（穩定的火焰，正好在燃燒器下游之火 焰根部）。 6. 由燃燒器所導入的總氧化劑之部分 在結合不同氧氣濃度(例如空氣及氧氣，回收之煙氣及 氧氣，等）之氧化劑之燃燒器的情況中，可以以此一方式， 即，維持火焰之長度於一可接收之域內來調整兩氧化劑之 比例。特定地，在氧化劑中增加氧氣之總含量一般會造成 _________22____- 本·紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----^—i----Aw ^--------訂---------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， . A7 1231352 _____B7_：___ 五、發明說明（7/I) 火焰長度的縮短， 7. 爐之壓力 在燃燒器附近處之空氣入口的存在會具有關於火焰方 向及形狀之有效影響，可結合於其他感測器所產生之有關 火焰波封的資訊因此可貢獻於控制爐之空氣入口的參數， 此參數可爲煙氣排放管之閘門的位置以便作用於爐內部壓 力上，亦可透過針對改善燃燒器周圍之漏氣性的維護動作 而作用於空氣入口之上。事實上，火焰波封位置中的變化 可爲進入爐內所不欲之空氣入口存在的記號。 ^ 8. 燃燒器之氧化劑進給及燃料進給的擺動頻率 在使用允許擺動燃燒之閥的使用情況中，影像擷取可 於相位上同步於閘，而影像分析可允許統計處理於火焰或 火焰波封上以用不同相之燃料/氧化劑混合物之擺動。根據 本發明之影像處理可核對火焰之波封維持可接受之特徵以 用於擺動循環之各相。透過例如結合溫度及煙氣組合物之 其他感測器之視頻分析的控制可使擺動之頻率及/或振幅最 適化。以使污染物之發出最小化而保持相容於該過程之火 焰波封。

I 第12圖表示用以實施本發明於工業用爐40中之裝置 的實例。 此實例係就觀察火焰而取得，其將等效地應用於爐中4 原礦之觀察。 燃燒器42係示意地與火焰44 一起表示。 諸如一或更多個攝影機46之影像擷取裝置可獲得火焰 ____22-___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----T---^----^--------^---------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). ， 1231352 A7 '---------B7___ 五、發明說明（7/1) 44之影像。 該等影像係藉由用於使影像數位化之裝置或卡48予以 處理。 使用於工業用爐中之視訊攝影機可操作於可見光，紫 外線或紅外線中。爲增加火焰與耐火壁間之對比，該等攝 影機可裝備有干涉濾光片(在紫外線中之濾光片定中心於大 約31〇nm米)以使〇H基之發光顯著；在可見光中：濾光片 定中心於大約431nm於CH基，或516nm於C2基，或 589nm於鈉之發光；該等濾光片之通帶係在10與20nm)。 數位化的影像係傳輸至電腦裝置50，該電腦裝50主 要包含中央處理單元60，顯示及觀視裝置69，以及諸如鍵 72及滑鼠61之控制週邊裝置，亦可使用其他裝置來選取 屏幕69上之顯示頁的區或欄，例如能藉碰觸屏幕來完成選 擇之任何裝置。在搖擺燃燒的情況中，額外的資料項目係 導入於電腦系統50內，此係代表搖擺週期信號之數位信號 〇 如第13圖中所描繪地，該中央處理單元60本身包含 微處理器62，RAM及ROM記憶體組件64，硬碟66，其 亦具有資訊儲存功能，所有該等元件均耦合於匯流排68。 螢幕69可觀視一或更多個未處理影像(在統計處理之 前)或在統計處理之後所獲得的影像。在第12圖中，螢幕 69顯示有一瞬時影像69-1，一平均間歇影像69-2，一火焰 波封影像69-3及一輪廓影像69-4。 用於實施根據本發明之統計處理的指令係儲存於電腦 ___________24__ 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） —γ—:— —I— ^—------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). 1231352 A7 -----B7____ -η 五、發明說明（-/(1) / 系統的記憶體裝置64，66之中。 例如藉助於滑鼠所移動之選單及游標的裝置允許使用 者選取將予以執行之統計處理(例如在上文中所解說的第一 至第七處理或演算程式之一），亦可選擇平行地執行若干之 該等處理。 相同裝置或相同形式之該等裝置亦可提供使用者選擇 欲擷取之影像數目η的可行性而執行滑動統計處理，及/或 滑動時間間隔的時間週期，正確値或大約値。 相同裝或相同形式之該等裝置亦可提供選擇一或更多 個臨限値以用於實施上述一或其他演算程式的可行性。 相同裝置或相同形式之該等裝置亦可就實施上文所述 之AVG(BIN(_，臨限値))之統計處理來提供選取一或 更多個變數影像的可行性。 藉助於攝影機46及數位化卡48所獲得的未處理影像 係儲存於中央處理單元60的記憶體區域中。事實上，一組 成一堆疊之所獲得的最後η個影像或在所選取的滑動時隔 之時間週期上所獲得的影像係儲存於此記憶體區域之中。 同時，儲存於記憶體區域中係藉滑動平均Avg所獲得 之最後幾個影像，或一堆疊之該等最後η個影像，或其他 一改變於擷取過程中之影像(例如之結果的 堆疊。 顯示的方法亦可指出相對應於螢幕69上所顯示之一部 分或一區域的影像之發光強度於操作者。 此功能係藉由用以選取影像之一部分或一區域的裝置 25 I . I .i- 1 I I i I-----tllllll---I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)， 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 1231352 A7 ___B7__ 五、發明說明（7<) 來實施，例如藉助於游標及利用顯示於例如其特定的欄之 ‘影像上，利用所選擇區之光強度。 然後使用者可設定一臨限値相對於此資訊，例如藉選 擇該螢幕之一特定的欄。 在輪廓顯示模式中（第11圖及第12圖中之影像69-4 )，同時所顯示的是輪廓框架坐標的量化値，且可行的是 諸如重心，及/或輪廓之面積及/或此輪廓之周長的計算値 〇 用以實施根據本發明之方法的程式指令係儲存於電腦 系統50之記憶體區域中，例如該等指令係安裝自一可由此 系統讀取且其上可記錄該等指令之媒體，此媒體例如可爲 硬碟，ROM唯讀記憶體，小型光碟，DRAM動態隨機存取 記憶體或任何其他之RAM記憶體，磁性或光學儲存元件 ，暫存器或其他依電性及/或非依電性記憶體。 裝置可甩來觀視瞬時影像或產生自統計處理之該等影 像，此資訊在燃燒之監視及瞭解中已具有大的實用性。 操作員可從此資訊動作於控制爐或燃燒器之參數(例如 功率及/或化學計量比例，等）以便控制一或更多個使火焰 或諸火焰（在若干燃燒器的情況中）之位置及幾何形狀特徵 化。 此亦可爲上文所述之參數1至8之一。 如第12圖中所示，該裝置尙可包含用於調整參數之裝 置52，例如調整上文所述之參數1至8的一或更多個，此 調整可在例如藉統計處理所獲得之影像分析的基礎上執行 ____一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----J----：----AW ^---— II--11------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). . 1231352 A7 _______B7 _______ 五、發明說明（r/<) ’例如在實施神經處理及/或模糊邏輯控制的分析之基礎上 ，然後，命令52可調整燃料氧化劑供給閥的開口。 根據本發明裝置之另一典型之用法，藉數位化所獲得 之影像可儲存於錄影帶Π4上(參閱第14圖），該錄影帶74 可接著藉錄影機76讀取。在數位化之後，該等影像可觀視 於諸如上文所述之電腦系統50之上。因此，稍後可在實驗 室中執行燃燒或火焰的分析。 各未處理之視頻影像產生自三種彩色或三種頻道R(紅 色），G(綠色)及B(藍色)的組合。在某些例子中，可有利地 適合於單一之頻道，例如，在若干例子中，R頻道高度地 飽和，B頻道具有小的貢獻以及G頻道係最“平衡”，因 此，僅選取G頻道。 對於各形式之影像（瞬時或藉統計處理所獲得的），該 裝置可因此而包含用於以僅該等彩色R，G，B之一或以該 等彩色之兩個彩色來選取影像之顯示的裝置，該等裝置(例 如使用者可以以游標自其選取一或更多個欄之選單)亦可選 取影像中該等彩色之兩個的比例之顯示以用於所獲得各形 式的影像。 該等影像係編碼於8位元之上(所以係在256個光強度 準位之上）。 在上文中用於應用功能Avg於二進位化之影像的演算 程式之情況中，各像素係與其他影像之相對應像素平均， 用於各像素之在〇與1間之光強度値中之此結果將接著乘 以255而在轉換爲滿刻度(在256個光強度準位上）。 ___ 27_ ιΜ氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣·-----丨—訂----- % A7 1231352 __B7 ____ 五、發明說明 在本說明中所指出且涉及臨限値之選擇的所有影像處 理均係考量到此臨限値，隨意値或偏移値。然而，此隨意 値之角色在時間上係恆常的，對於滑動間隔Tg之所有η 個影像或對於所有最後之η個影像，此隨意値係相同的。 就計算能力而言，根據本發明之影像處理將比其中應 用神經處理於各影像之US-5971747中所描述之系統更少 不方便及更少花費時間。根據本發明，係應用滑動統計處 理於影像中，而諸如US-5971747中所描述之神經處理對 於本發明則並非必要的。此神經系統僅進入調整迴路，應 爲諸如上文中所述之迴路52。 本發明不僅應用於爐中火焰或燃燒之觀視及控制，而 且可應用於任何形式之工業環境，包含開放空間。 本發明及上述統計處理亦可使爐中場景之變動特徵化 ，例如存在於爐中之原礦(飄浮在玻璃液之表面上的塊狀物 ，顯示熔爐中未熔化物質存在之邊界的線，在冶金爐中銅 坯軌跡之空間波封，等），然後可以以相同於所述火焰例子 之優點來應用任一上述之演算程式。尤其，可應用輪廓抽 取功能於爐中原礦的變動區域而從該處推斷諸如上文中所 述之該等幾何形狀參數(輪廓之周長，及/或重心，及/或輪 廓之面積），且可執行液體（其溫度或其供給有原礦)或鋼坯 軌跡之調整。 本發明可在爐中觀視依時間變動種類不同於環境發光 度之任一元件。 ___28 氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----r--------------訂--------. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ·

Claims (1)

1231352 I C8 DS ___ 六、申請專利範圍 .統計處理所處理之一串列影像中之影像數目係大10。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中，包含在滑動 統計處理所處理之一串列影像中之影像數目係在25與 1000之間。 8·如申請專利範圍第1項之方法，其中，該統計處理 係該等影像在時間上變化的計算。 9·如申請專利範圍第1項之方法，其中，該統計處理 係該滑動時間間隔或最後η個影像的過程中所捕獲之火焰 或場景之影像之滑動平均的計算。 10·如申請專利範圍第1項之方法’其中，該統計處理 可從各影像其瞬時變動之影像產生。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法’其中’ δ亥等影像 之處理包含下列步驟： 一對於一滑動時間間隔與相同滑動時間間隔之各串列 之η個影像，或對於各串列之最後η個影像之平均影像的 計算； -對於該串列之η個影像或是最後η個影像之各影像 之該影像與該串列η個影像的平均影像間之差異的計算； -比較藉此所獲得的各差異影像與一預定之臨限値以 取得一稱爲二進位影像之影像。 12. 如申請專利範圍第1項之方法’其中’該統計處理 係一可獲得火焰或場景變動之空間波封的處理。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該等影像 之處理包含下列步驟： 一 ____________-— --- ' --— -1 ****"""' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210U97公愛） IT---------------- (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) ， · 1231352 &8 C8 D8 _ 7T、申凊專利範圍 -對於一滑動時間間隔與相同滑動時間間隔之各串列 之η個影像，或對於各串列之最後η個影像之平均影像的 計算； -對於該串列之η個影像或是最後η個影像之各影像 之該影像與該串列η個影像的平均影像間之差異的計算； -比較藉此所獲得的各差異影像與一預定之臨限値以 取得一稱爲二進位影像之影像。 -計算藉此所取得之η個二進位影像之平均影像。 • 14·如申請專利範圍第12項之方法，其中，該等影像 之處理包含下列步驟： -對於一滑動時間間隔與相同滑動時間間隔之各串列 之η個影像，或對於各串列之最後η個影像之各影像的該 影像與在該等串列中在其之前的影像間之差異的計算； -比較藉此所獲得的各差異影像與一預定之臨限値以 取得一稱爲二進位影像之影像；以及 -計算藉此所取得之η個二進位影像之平均影像。 15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該統計處理 包含： -比較一滑動時間間隔與相同滑動時間間隔之各串列 之η個影像之各影像，或一串列之最後η個影像之各影像 與一預定之臨限値以取得二進位影像；以及 -計算藉此所取得之η個二進位影像之平均影像。 16. 如申請專利範圍第12項之方法，進一步包含抽取 或分段輪廓之步驟。 3 準（CNS)A4 規格(2107297 公愛) ' ----------L............0^............iIT............... (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) * - 1231352 六、申請專利範圍 17·如申請專利範圍第16項之方法，進一步包含計算 包圍該火焰或該場景變動區域之輪廓之矩形及/或此輪廓 之重心及/或此輪廓之面積及/或此輪廓之周長的步驟。 18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該等影像係 操作期間發生在一工業用爐中之燃燒火焰的影像。 19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該等影像一 擺動燃燒火焰的影像。 20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，該等處理 之影像係同步之影像或與擺動燃燒或與擺動燃燒之相位同 相之影像。 21. —種調整火焰或燃燒之物理參數的方法，包含用於 實施如申請專利範圍第1至20項中任一項之火焰影像之處 理方法，及調整其中燃燒正發生之火焰或燃燒或爐之物理 參數的步驟。 22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該物理參 數包含至少該火焰之長度或體積或位置，或在複數個燃燒 器的情況中之該等火焰的相對位置。 23. 如申請專利範圍第21或22項之方法，其中，該物 理參數包含至少一液體燃料之流率或霧化壓力，或燃料或 氧化劑之演出程度，或燃料或氧化劑之流率，或，在複數 個燃燒器的情況中，至少一燃燒器之位置及/或注入模式及 /或動量，或再引入於燃燒器之廢棄物之部分，或在使用兩 個氧化劑之情況中，該等氧化劑之濃度比例，或其中燃燒 正發生之爐的壓力。 4 ...................-费衣---------------1Τ................玲· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)· 用中國國家標準(CNS〉A4規格(210 X 297公 1231352 §8 C8 D8 六、申請專利範圍 24·如申請專利範圍第21項之方法，其中，該燃燒係 擺動型，該物理參數包含至少擺動之一頻率或燃燒器之擺 動氧化劑及/或燃料供給之振幅。 25_如申請專利範圍第1項之方法，其中，該等影像係 爐中之原礦的影像。 26·如申請專利範圍第25項之方法，其中，該等影像 係玻璃液，或熔化爐中之液體，或冶金之軌跡的影像。 27· —種爐中至少一火焰或場景影像之處理裝置.，其特 徵馬包含： 用於接收位於爐中之火焰或場景影像之裝置；以及 用於執行該等影像之至少一滑動統計處理之裝置，且 當捕獲一個新的影像時，該新的影像係複寫滑動影像之最 舊的影像，且新的影像的擷取僅發生在先前所取得或所儲 存的最後η個影像已處理之時。 28. —種至少一火焰影像之處理裝置，包含： 用於儲存按時間順序所擷取之火焰或場景之η個影像 的裝置； 用於執彳了最後η個影像之至少一'統3十處理的裝置’當 捕獲一個新的影像時，該新的影像係複寫滑動影像之最舊 的影像，且新的影像的擷取僅發生在先前所取得或所儲存 的最後η個影像已處理之時；及 用於當完成該統計處理時儲存額外影像的裝置。 29. 如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，其中， 用於執行至少一統計處理之裝置係用於執丫了該寺影像在時 5 ^^尺度適财國準(CNS)Α4規格⑽Χ 297 ^ ...............·-------............訂................ (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁} 、 ·

1231352 六、申請專利範圍 間上變化之計算，及/或該等影像之滑動平均之計，及/或 一處理以便從各影像產生其瞬時變動之影像，及/或一處理 而可獲得該火焰或該場景或其變動之空間波封的裝置。 3〇·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進一步 包含用於選擇該火焰或該場景之該等影像之一個或更多個 統計處理的裝置。 31·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進一步 包含用選擇其上將執行一個或更多個統計處理之複數個影 像的裝置。 32·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進一步 包含用於選擇一滑動時間間隔之時間的裝置。 33·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進—步 包含用於選擇該火焰或該場景之一影像之一區域或〜部 分，及用於顯示此區域或此部分中之光亮度値的裝置。 34·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進 包含用於選擇一個或更多個臨限値之裝置，以用於實施^ 火焰或該場景之該等影像一個或更多個統計處理。 ^ 35.如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，進 包含用於在統計處理之後觀視影像的裝置。 ^ 36·如申請專利範圍第27或28項之處理裝置，其中琴 等影像係藉一個或更多個類比或數位視頻攝影機予&^ 37.—種燃燒系統，包含一燃燒器(42);用於注入至少 一氧化劑及至少一燃料於該燃燒器內之裝置；以及 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 1231352 Βδ C8 __ D8 六、申請專利範圍 請專利範圍第27至36項中任一項之處理裝置。 38·如申請專利範圍第37項之系統，進一步包含用於 調亥火焰或該燃燒或其中該燃燒正發生之爐中之物理參 數的裝置。 39·—種工業用爐，包含一原礦及一用於處理該原礦之 影像之如申請專利範圍第27至36項中任一項之處理裝 置。 40· —種電腦程式，包含程式碼指令，用於當該程式執 行於一電腦上之時執行如申請專利範圍第1至26項中任一 項之方法步驟。 41·一種電腦程式產品，包含程式碼裝置，用於一記錄 在可使用於一電腦中之媒體上的程式，該裝置包含可電腦 讀取式程式規劃裝置，其用於執行如申請專利範圍第丨至 26項中任一項之方法之至少一步驟。 本紙張夂度適用中國國家標準（CNS〉A4規格(210 X 297公釐) u. ------ (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) -έ