??? 摘 要: 介紹了利用計算機圖像處理技術(shù)解決鍋爐結(jié)焦問題,，用幾種常用邊緣檢測算子對焦塊圖像進行處理,，并對其效果進行比較和分析，選擇處理效果好的高斯-拉普拉斯算子,，采用小波變換" title="小波變換" target="_blank">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" 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??? 關(guān)鍵詞: 邊緣檢測；焦塊圖像,；高斯-拉普拉斯算子,；小波變換

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??? 電站鍋爐落焦斗結(jié)焦、堵焦問題一直困擾著電站工作人員,，極大地影響鍋爐的正常運行,。高溫焦塊圖像的特點是：邊界不明顯，由于表面粗糙,、空氣流動等原因,，焦塊的灰度分布相當(dāng)復(fù)雜,，加之落焦背景的影響，有時人用肉眼很難確定焦塊的形狀,，人工監(jiān)測存在實時性差、可靠性低,、容易疲勞等缺點^[1],。
??? 研究焦塊圖像處理方法，利用計算機監(jiān)測鍋爐落焦,、處理焦塊圖像,、判斷落焦正常與否具有實時性和可靠性高的優(yōu)點，同時可以減輕工人勞動負擔(dān),。本文利用邊緣檢測的幾種常用辦法對焦塊圖像進行比較與分析,，從中選擇出處理效果好的小波變換技術(shù)，并指出了解決高溫焦塊圖像識別的有效方法,。
1 邊緣檢測算子的選擇
??? 本質(zhì)上圖像邊緣是圖像局部特性不連續(xù)的反映,，它標(biāo)志著一個區(qū)域的終結(jié)和另一個區(qū)域的開始^[2]。邊緣能勾畫出目標(biāo)物體,，使觀察者一目了然,，這主要是因為邊緣蘊含了豐富的內(nèi)在信息，如方向,、階越性質(zhì),、形狀等。邊緣檢測是為圖像識別中抽取圖像特征所做的必要準備工作,，其提取效果好壞直接關(guān)系到圖像識別結(jié)果的可靠性,。圖1所示是落焦斗的4種狀態(tài)[3]。其中圖1(b)和圖1(c)兩種為非正常狀態(tài),，圖1(c)中輪廓清晰的低溫焦塊容易識別,，但圖1(b)中的高溫焦塊表面明亮，邊緣模糊,，很難識別,。

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??? 在邊緣檢測過程中，首先檢出圖像局部特性的不連續(xù)性,，然后再將這些不連續(xù)的邊緣像素連成完備的邊界,。邊緣的特性是沿邊緣走向的像素變化平緩，而垂直于邊緣方向的像素變化劇烈,。所以,，尋找合適的邊緣檢測算法的過程就是正確選取有效檢測邊緣像素的數(shù)學(xué)算子的過程^[4]。
??? 通常,，圖像邊緣變化比較劇烈且噪聲較小時,，使用梯度算子可以獲得較好的邊緣檢測效果,。梯度對應(yīng)于一階導(dǎo)數(shù)，梯度算子的數(shù)學(xué)表達可用對應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)來表示,。
??? 對一個連續(xù)函數(shù)f (x,y),，它在位置(x,y)的梯度可表示為矢量：
???
式中Gx、Gy分別表示X方向,、Y方向上的梯度,。該矢量的梯度值為：
???
??? 式(2)采用的是模2幅度計算方法，對應(yīng)于歐式距離,。在某些要求不太嚴格的情況下可以表示為：
???
??? 以上幾個公式均用到了偏導(dǎo),，這就需要對圖像中每個像素的位置進行計算，這樣的計算開銷較大,，而且完全沒有必要,。在實際應(yīng)用時，多采用基于方向?qū)?shù)小區(qū)域掩模模板求卷積的方式來近似計算,。X方向和Y方向上的梯度各自使用1個掩模模板,，這2個模板共同構(gòu)成1個梯度算子。常見的邊緣檢測算子有Guass-Laplacian算子,、Laplacian算子,、Prewitt算子、Robert算子,、Sobel算子等,，區(qū)別主要在于所采用的模板和元素系數(shù)的不同^[5]。下面對幾種主要的梯度算子進行比較,，以選擇出適合結(jié)焦焦塊圖像邊緣檢測的算子,。
??? (1)Robert交叉算子。是一種利用局部差分去尋找邊緣的算子,，如圖2(a)所示,。其采用2個2×2大小的掩模模板，從形式上看,，該算子是幾種邊緣檢測算子中比較簡單的,。該模板的運算過程可用算式表達為：

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式中，f (x,y)是輸入圖像,，采用模2梯度幅度的計算方法,，用開平方根的運算，能取得更適合人眼的視覺效果,。圖3(a)是Robert交叉算子邊緣檢測的結(jié)果,，可以檢測到落焦斗邊緣，但很不清楚,。
??? (2)Prewitt算子,。如圖2(b)所示,，該算子的核心是2個3×3的卷積核，通過這2個小區(qū)域模板在圖像中移動,，完成圖像中的每個像素點同這2個卷積核的卷積運算,。圖3(b)是圖像應(yīng)用Prewitt算子的效果?？梢钥闯鯬rewitt邊緣檢測算子要比Robert交叉算子檢測效果略好,。
??? (3)Sobel算子。如圖2(c)所示,，該算子的掩模模板和Prewitt算子極為類似，也是3×3大小,，只是更強調(diào)四鄰域像素對中心像素的影響,，而削弱了4個對角像素作用。實驗結(jié)果如圖3(c)所示,，Sobel算子的邊緣檢測效果要優(yōu)于前2種邊緣算子,。
??? (4)Laplacian算子。Laplacian算子有別于前面幾種一階導(dǎo)數(shù)梯度算子,，它是一種二階導(dǎo)數(shù)算子,。對于一個連續(xù)函數(shù)f(x,y)，圖像中某像素點的拉普拉斯值為：
???

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??? 由于它是一種對二維函數(shù)進行運算的二階導(dǎo)數(shù)標(biāo)量算子,，因此對圖像中的噪聲相當(dāng)敏感,，而且處理時會在邊緣產(chǎn)生一個陡峭的零交叉。如果是無噪聲且具有陡峭邊緣的圖像,，可以通過Laplacian算子將其檢測出來,。但如果圖像存在不可忽視的噪聲信號，一般就不要選擇該算子了,。幾種比較常用的Laplacian卷積核如圖2(d)所示,。圖3(d)所示為幾種邊緣檢測算子處理的實驗結(jié)果，可以看出,，其處理結(jié)果不是很理想,。
??? 灰度由暗到亮均勻漸變的邊界上出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，可以從Laplacian算子的數(shù)學(xué)原理上分析,。如圖4所示,，對于均勻漸變的圖像邊緣，一階導(dǎo)數(shù)的變化從開始到結(jié)束始終是一常數(shù),，而二階導(dǎo)數(shù)卻只在變化開始和結(jié)束的地方有數(shù)值,，在變化過程中其值為零。焦塊的邊緣恰恰是一種漸變的模糊的過程,，而Laplacian算子屬于二階導(dǎo)數(shù)算子,，這樣就丟失了許多本來就很珍貴的焦塊信息,。實驗說明，Laplacian算子不太適合焦塊圖像的邊緣檢測,。
??? (5)Guass-Laplacian算子,。由卷積的結(jié)合律f *(g*h)=(f *g)h，可以將Laplacian算子和二維高斯脈沖響應(yīng)組合成一個單一的Guass-Laplacian卷積核：

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??? 式(6)是一個軸對稱函數(shù),，根據(jù)旋轉(zhuǎn)對稱性,，該算子具有各向同性的特點。與普通帶通濾波器的脈沖響應(yīng)類似,，該函數(shù)圖像在一個負的凹谷中有一個正向尖峰脈沖,，高斯分布的均方差σ便是該中心峰寬度的參數(shù)，同時也控制了曲面的平滑程度,?？梢詮臄?shù)學(xué)上證明：該算子的均值為零^[4-5]，所以對圖像進行卷積并不會改變圖像整體的動態(tài)范圍,。由于使用了高斯低通平滑濾波器,，因此卷積結(jié)果會產(chǎn)生一定的模糊，模糊程度正比于σ,。在該算子中σ的選擇很重要,，σ值比較小時，位置精度可以很高,，能得到很多的邊緣細節(jié),，但該算子在噪聲大的區(qū)域往往會產(chǎn)生過密的過零點。在圖像邊緣比較模糊或存在較大的噪聲干擾時,，使用該算子可以取得較好的效果,。圖5是一種常用的5×5大小的Guass- Laplacian算子卷積核。

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??? 圖6是經(jīng)過高斯平滑濾波器和拉普拉斯銳化濾波器的結(jié)合,，先平滑掉噪聲,，再進行Guass-Laplacian算子邊緣檢測前后的高溫焦塊圖像?？梢钥吹椒从辰箟K存在的邊緣信息被充分地檢測到,。

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2基于小波變換的邊緣檢測
??? 以上針對焦塊圖像邊緣檢測的一些算法都沒有自動變焦的思想，事實上,，由于物理和光照等原因,，每幅圖像中的邊緣通常產(chǎn)生在不同的尺度范圍內(nèi)，形成不同類型的邊緣,。由于小波變換具有良好的時頻局部化特性及多尺度分析能力,，在不同尺度上具有“變焦”的功能，適合于檢測突變信號，是檢測突變信號強有力的工具^[6],。
2.1小波變換的特點
??? (1)方向選擇性,。小波圖像的各個高頻帶是圖像中邊緣、輪廓和紋理等細節(jié)信息的體現(xiàn),，并且各個頻帶所表示的邊緣,、輪廓等信息的方向是不同的，其中HLj,、HHj和LHj分別表示水平,、垂直和對角方向上的邊緣、輪廓和紋理,。這表明小波變換具有良好的空間方向選擇性,。
??? (2)分辨率分析。小波圖像的各個頻帶分別對應(yīng)了原圖像在不同尺度和不同分辨率下的細節(jié),，從而實現(xiàn)對原始圖像的最佳逼近,。從多分辨率分析的角度考慮小波圖像的各個頻帶時，這些頻帶之間并不是純粹無關(guān)的,，特別是對于各個高頻帶，由于它們是圖像同一個邊緣,、輪廓和紋理信息在不同方向,、不同尺度和不同分辨率下由細到粗的描述，它們之間必然存在著一定的關(guān)系,，很顯然這些頻帶中對應(yīng)邊緣,、輪廓之間也有對應(yīng)關(guān)系。由于圖像的邊緣,、輪廓等信息對人眼觀測圖像時的主觀質(zhì)量影響很大,，這種機制無疑會帶來編碼圖像主觀質(zhì)量上的改善^[7]。
2.2基于小波變換的高通濾波
??? 小波系數(shù)與原始圖像的空間分布具有很好的對應(yīng)關(guān)系,，如圖7所示,，LL頻帶是圖像內(nèi)容的縮略圖，它是圖像數(shù)據(jù)能量集中的頻帶,。由于經(jīng)過了小波系數(shù)的正則化處理,，所以系數(shù)的顯示能看出圖像的內(nèi)容。而HL,、LH和HH頻帶存放的是圖像的細節(jié)信息,。

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2.3焦塊圖像的高通濾波處理
??? 圖像濾波是通過衰減指定頻帶的能量同時加強需要保留的頻帶能量來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)基于傅里葉變換的圖像濾波處理大都采用傅里葉變換后的頻率域的乘法運算,，但是傅里葉變換的計算量大,，并且變換后的頻譜與原始圖像的相關(guān)性不強。
??? 小波變換在原始圖像和變換系數(shù)之間建立了良好的相關(guān)性，所以在濾波器的設(shè)計上,，可以針對不同頻帶分別設(shè)計,。而且，對于多層小波變換而言,，還能對不同分辨率級的小波系數(shù)進行單獨的處理而達到設(shè)想的濾波效果^[8-9],。如果進行高通濾波，則可以通過對低頻帶小波系數(shù)的衰減處理,，將圖像的邊緣信息突出,。這里通過去除圖像LL頻帶的小波系數(shù)來提取焦塊邊緣信息。處理后結(jié)果如圖8所示,。

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??? 將隨機抽取的焦塊圖像樣本按上述分類方法分成4類，對4類焦塊圖像每類隨機選取50幅,，用分類器對焦塊狀態(tài)進行分類識別,。實驗證明，基于Guass-Laplacian算子處理的圖像識別率為90％以上,；基于小波變換處理的圖像識別率為95％以上,。利用2種邊緣檢測方法處理后的圖像進行結(jié)焦異常情況識別的識別率均為100％。
??? 本文針對電站鍋爐結(jié)焦問題,，研究了高溫焦塊圖像的邊緣檢測算法,。通過對幾種常用的邊緣檢測算子的比較與分析，選擇了效果良好的高斯－拉普拉斯算子,。為了改善處理效果,，在進一步的研究中采用了基于小波變換技術(shù)的高通濾波處理，實驗證明,，該處理方法具有圖像處理細致,、識別準確率高、速度快的特點,，可有效地應(yīng)用于電站現(xiàn)場的結(jié)焦實時監(jiān)控中,，對進一步完善電站鍋爐監(jiān)測自動化提供了有益的理論依據(jù)。
參考文獻
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