基于图像分析的二氧化硅熔体表征模型

谢铭超 梁明滔 吴镇强

摘  要：本论文研究了基于opencv运动目标检测和跟踪系统，将目标像素与给定的时序图像分离，并建立质心位置变化模型。最终得出结论：随着熔化过程的进行，粒子质心在到达时间序列0557后开始以125°均匀移动，直到完全熔化消失。Y方向的位移很大，而在X方向上的值可以忽略不计。

关键词：二氧化硅;融化;非接触式;高温熔池

1.引言

铁尾矿的主要成分是二氧化硅，这是最难熔化的部分。因此，铁尾矿的熔融行为可以通过二氧化硅的熔融行为来表达[1]。首次使用具有放大效果的CCD步枪相机系统可以克服许多问题。在非接触模式下获得高温熔池中二氧化硅的动态视觉数据（时序图像）[2]。通过视频分析可以观察到二氧化硅的实时熔融速率，可以为后续尾矿添加和热补偿提供指导，并为高炉矿渣的直接成纤过程提供理论和技术支持[3]。

2.模型的建立与求解

2.1 二氧化硅熔融过程分析

当温度在熔化过程中升高时，分子热运动的动能增加，这导致晶体的破坏以及材料从晶体到液体的转变。随着焓，熵和体积的增加，该过程是一阶相变。实际上，二氧化硅的熔融过程非常复杂，这与高温炉的能量供应和二氧化硅本身的结构有关。

二氧化硅颗粒在高温熔体中的位置在熔炼过程中不断变化。分析二氧化硅的熔化行为的第一步是跟踪目标。目标像素与给定的时序图像分离，得到目标二氧化硅的质心坐标。建立了二氧化硅颗粒质心在熔化过程中位置的数学模型，并给出了二氧化硅颗粒质心的位置。

2.2 二氧化硅质心运动模型

我们使用Adobe Premiere Premiere Pro软件以25帧/秒的帧速率合成114张图片以进行延迟摄影。通过对时间序列图像的观察，我们发现二氧化硅在熔融过程中的形态是不规则的，有时会分裂成许多子颗粒。

基于OpenCV，我们可以使用质心跟踪方法检测和跟踪二氧化硅目标，并对获取的图像进行灰度处理，以实现从三维特征向一维特征的下降。

所追踪的二氧化硅的灰色分布满足以下两个假设时：

①背景图与硅胶之间的对比很大

②二氧化硅的背景灰色几乎是均匀的

可以得出结论，质心跟踪算法具有较高的准确性和可靠性。可以应用二进制图像中的目标质心公式：

在二进制图像中，（a，b）是其像素的坐标，而m和N是图像的行数和列数。上面的公式可用于记录每个图像中二氧化硅质心的运动。

得出图像的两个函数y1和y2

最终我们得出二氧化硅颗粒在熔融过程中的运动轨迹主要发生在y轴方向，而x轴的位移很小，甚至可以忽略不计。

2.3 二氧化硅熔融面积随时间变化的模型

我们需要将高温熔池中二氧化硅的动态视觉数据（时间序列图像）与诸如坩埚外径之类的数据信息结合起来，以得出二氧化硅在硅中的面积变化特征。通过熔融过程建立面积与时间的关系，得到二氧化硅熔融时间与面积的变化规律。

2.3.1 二氧化硅实际面积的计算

由于通过Matlab获得的二氧化硅面积不是实际面积，并且实验中使用的已知坩埚尺寸为8mm，我们也可以使用阈值分割法来计算坩埚的图像尺寸，然后使用比例法求解实际过程中二氧化硅面积的变化规律。

現实世界中二氧化硅熔融过程的面积由下式计算得出（单位：mm2）

熔融石英的实际面积变化函数为

其中a1=3.204，b1=-4.033，c1=20.81，a2=3.785，b2=35.78，c2=37.59

实际上，该区域的变化特征与图像中反映的变化特征是一致的，但是在中后期，该区域随时间的变化率较大，而二氧化硅区域的边缘轮廓特征则大致变化“S”曲线。

2.3.2 二氧化硅实际面积变化率的计算

通过推导以上获得的熔融二氧化硅图像的面积变化函数，获得面积变化率曲线。可以得出结论，在熔融过程的早期和晚期，二氧化硅的变化率很小，并且变化曲线是平缓的。在中后期，变化率大，相应的变化曲线陡峭。硅石边缘轮廓的特征区域是缓和的“S”型下降，变化率在T?2时略有突变。T是变化过程的总时间。

因此，建立了二氧化硅颗粒溶解过程的时间顺序规则：初始面积为4.32mm2，最终状态面积为0;总体曲线趋势先缓慢，然后陡峭，最后缓慢。

2.4 二氧化硅的实际熔点模型

表示二氧化硅熔点的关键参数是质量，它与3D的体积成正比，可以得到的图像是2D，因此我们需要在2D和3D之间进行双向转换，并估算出真实的根据问题的二氧化硅的面积特性指标确定二氧化硅的熔融速率目标。

为了便于计算，假定整个过程中的二氧化硅是球形的，并且整个过程的密度ρ保持不变。因此，对于每个粒子，结合二氧化硅运动质心的位置变化和颗粒体积的变化，可以得到xyv的三维特征图。它反映了熔融过程中特定时间的二氧化硅的运动轨迹和边缘轮廓的变化。它充分反映了高温熔池中熔体的动态行为。

提高研究我们得到熔融过程中二氧化硅的质量从初始值总体上变为0，大约有10倍的质量突变，基本上在最初的60秒内分布，表明二氧化硅的熔融过程从急剧变化到缓慢衰减到0的质量。

质量散布分布通过高斯曲线拟合。通过多次拟合测试，发现拟合度为3时，结果更为合理，R平方为0.9659。

由于表达二氧化硅熔融速率的关键参数是质量，因此我们可以使用单位时间内二氧化硅的质量减少量来表达 的实际熔化速率。

最终可以得出结论，二氧化硅在熔融过程中的实际熔融质量经历了三个阶段：缓慢下降，急剧下降和缓慢下降。初始质量为0.043g，最终状态质量为0.043g。其中，初始质量变化率约为 ，而最大质量变化率为 ，对应第54次。

参考文献

[1]  郑茂凯. 运动目标识别与跟踪方法的研究[D]. 沈阳工业大学，2019.

[2]  刁智华，刁春迎，袁万宾，毋媛媛. 基于改进型模糊边缘检测的小麦病斑阈值分割算法[J]. 农业工程学报，2018，34（10）：147-152.

[3]  谭永恒. 二氧化硅辅助相分离法制备银纳米管和银纳米环[D]. 天津理工大学，2006.