[发明专利]改进MTBCD火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测方法

权利要求书

1.一种改进MTBCD火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测方法，其特征在于：构造了具备多尺度、多方向和多通道结合的彩色纹理特征提取模型，包括如下步骤：

首先，根据原火焰图像通道间的相关性信息，提出颜色通道融合策略，将颜色信息与空间纹理信息相融合得到的火焰图像的彩色纹理表示；

其次，根据火焰纹理随机性和多尺度的特点，提出非均匀采样多尺度策略，选取各尺度范围内的采样点来构建彩色纹理的多尺度表达；

最后，根据火焰多方向的特点，采用改进的多趋势二进制编码描述符IMTBCD，根据中心点对称方向和对角线对称方向上采样点的不同变化趋势进行编码得到彩色纹理特征，提取的彩色纹理特征采用KNN回归模型预测碳含量，得到误差范围为0.01％-0.05％的预测准确率；

具体步骤如下：

Step1、收集转炉炼钢终点炉口火焰图像作为实验数据集，通过采集不同炉次炼钢结束前N秒的炉口火焰视频，并以帧为单位进行截取，剔除受干扰大、不合格的图像，得到多张图像作为数据集，图像标签对应终点时刻副枪检测的钢水碳含量数值；

Step2、采用最大类间方差法将火焰图像分割去除边界背景以及火焰干扰，只保留关注的火焰区域，将颜色空间由RGB转换为HSI，根据式(1)对单独的H、S、I通道进行融合，融合的数学表达式如下式(1)所示：

式中，H、S、I表示三个单独的颜色通道，f(H,S,I)表示整合H、S、I通道构成火焰图像的彩色纹理表示；

Step3、构建基于火焰彩色纹理的多尺度表达：在Step1和Step2的基础上，在火焰图像中选定的窗口以中心像素点为原点划分为不同的尺度范围，利用权重公式分析各尺度范围内对称角度上的像素点，提出的权重公式如下式(2)所示：

式中α表示对应的尺度范围，s表示对应的角度，P_α,s表示该尺度范围和角度下的像素点，根据各像素点的权重占比，找到最大权重索引下的像素点作为采样点，如下式(3)所示：

式中w·p_α,s表示像素点与权重的乘积，p_{max_idx}表示最大权重索引对应的像素点，c_α,s表示对应尺度范围及角度下的采样点，通过不同尺度范围的采样点构成了火焰纹理的多尺度表达；

Step4、采样点阈值处理：在Step1、Step2和Step3的基础上，先对各尺度范围的采样点进行阈值处理，以其中一个尺度范围为例，计算16个角度的采样点g_i与中心点g_c差的绝对值g_i′用于替代先前的采样点，如式(4)所示：

g_i′＝abs(g_i-g_c)i＝0,1,2,…,15 (4)

通过像素比较的差异程度来减弱火焰明暗分布不均匀对于编码的影响，g_i′累加的平均值g_c′作为自适应的阈值替代之前的中心点，如式(5)所示：

Step5、构造IMTBCD编码：在Step1、Step2、Step3以及Step4的基础上，从中心点对称方向和对角线对称方向上描述火焰纹理，描述中心点对称方向时记为中心点对称定向模式CSOP，描述对角线对称方向时记为对角线对称定向模式DSOP，特别地，IMTBCD的窗口大小设定为5×5；

CSOP是指以g_c′为中心点，在邻域点g_i′关于g_c′对称的8个方向上，根据g_c′与对应方向上邻域点对的大小变化趋势进行编码，其中平行趋势编码为1，非平行趋势编码为0，8个中心点对称方向用序列号k表示，如下式(6)所示：

k＝α/22.5°，α＝0°,22.5°,...,157.5° (6)

计算序列号为k方向上的中心点g_c′与邻域点对(g_k′,g_k+8′)的差值，得到的差值对为(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)

当中心点g_c′和邻域点对(g_k′,g_k+8′)变化满足平行趋势时，则将(p_k′,p_k+8′)编码为1；变化满足非平行趋势时，则将(p_k′,p_k+8′)编码为0，数学表达式如下式(8)所示：

8个方向上获得8位二进制序列，乘以权重得到的十进制数范围为0-255，如下式(9)所示：

即可得到该区域的CSOP编码，表示该区域中心点对称方向上像素间的变化趋势；

DSOP是指以g_c′为中心点，在关于主副对角线对称的7个方向上，根据g_c′与对应方向上邻域点对的大小变化趋势进行编码，其中平行趋势编码为0，非平行趋势编码为1；主对角线邻域点对为其中m₁∈{3,4,5,6,7,8,9}、m₂∈{1,0,15,14,13,12,11}；副对角线邻域点对为其中n₁∈{7,8,9,10,11,12,13}、n₂∈{5,4,3,2,1,0,15}，同样地，将中心点g_c′与邻域点对比较计算差值，得到的差值对为在对称方向上分析邻域点对与中心点的大小对应关系，当满足非平行趋势时将差值对编码为1，满足平行趋势时将差值对编码为0，数学表达式如下式(10)所示：

在主副对角线对称方向上分别得到7位二进制序列，乘以权重得到的十进制数范围为0-128，如式(11)所示：

即得到该区域的DSOP编码，表示该区域对角线对称方向上像素间的变化趋势，在多个非均匀采样尺度下，IMTBCD编码经统计直方图构成级联的特征向量作为炉口火焰图像的彩色纹理特征；

Step6、终点碳含量预测实验采用KNN作为回归预测模型，将不同炉次的火焰图像次序随机打乱，在多张火焰图像中随机挑选90％图像作为训练集，剩余的10％图像作为测试集，通过十折交叉验证寻找KNN的最优K值、并获得较为准确的碳含量预测结果。