基于圖像分析的二氧化硅熔體表征模型

謝銘超 梁明滔 吳鎮強

摘? 要：本論文研究了基于opencv運動目標檢測和跟蹤系統，將目標像素與給定的時序圖像分離，并建立質心位置變化模型。最終得出結論：隨著熔化過程的進行，粒子質心在到達時間序列0557后開始以125°均勻移動，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計。

關鍵詞：二氧化硅;融化;非接觸式;高溫熔池

1.引言

鐵尾礦的主要成分是二氧化硅，這是最難熔化的部分。因此，鐵尾礦的熔融行為可以通過二氧化硅的熔融行為來表達[1]。首次使用具有放大效果的CCD步槍相機系統可以克服許多問題。在非接觸模式下獲得高溫熔池中二氧化硅的動態視覺數據（時序圖像）[2]。通過視頻分析可以觀察到二氧化硅的實時熔融速率，可以為后續尾礦添加和熱補償提供指導，并為高爐礦渣的直接成纖過程提供理論和技術支持[3]。

2.模型的建立與求解

2.1 二氧化硅熔融過程分析

當溫度在熔化過程中升高時，分子熱運動的動能增加，這導致晶體的破壞以及材料從晶體到液體的轉變。隨著焓，熵和體積的增加，該過程是一階相變。實際上，二氧化硅的熔融過程非常復雜，這與高溫爐的能量供應和二氧化硅本身的結構有關。

二氧化硅顆粒在高溫熔體中的位置在熔煉過程中不斷變化。分析二氧化硅的熔化行為的第一步是跟蹤目標。目標像素與給定的時序圖像分離，得到目標二氧化硅的質心坐標。建立了二氧化硅顆粒質心在熔化過程中位置的數學模型，并給出了二氧化硅顆粒質心的位置。

2.2 二氧化硅質心運動模型

我們使用Adobe Premiere Premiere Pro軟件以25幀/秒的幀速率合成114張圖片以進行延遲攝影。通過對時間序列圖像的觀察，我們發現二氧化硅在熔融過程中的形態是不規則的，有時會分裂成許多子顆粒。

基于OpenCV，我們可以使用質心跟蹤方法檢測和跟蹤二氧化硅目標，并對獲取的圖像進行灰度處理，以實現從三維特征向一維特征的下降。

所追蹤的二氧化硅的灰色分布滿足以下兩個假設時：

①背景圖與硅膠之間的對比很大

②二氧化硅的背景灰色幾乎是均勻的

可以得出結論，質心跟蹤算法具有較高的準確性和可靠性。可以應用二進制圖像中的目標質心公式：

在二進制圖像中，（a，b）是其像素的坐標，而m和N是圖像的行數和列數。上面的公式可用于記錄每個圖像中二氧化硅質心的運動。

得出圖像的兩個函數y1和y2

最終我們得出二氧化硅顆粒在熔融過程中的運動軌跡主要發生在y軸方向，而x軸的位移很小，甚至可以忽略不計。

2.3 二氧化硅熔融面積隨時間變化的模型

我們需要將高溫熔池中二氧化硅的動態視覺數據（時間序列圖像）與諸如坩堝外徑之類的數據信息結合起來，以得出二氧化硅在硅中的面積變化特征。通過熔融過程建立面積與時間的關系，得到二氧化硅熔融時間與面積的變化規律。

2.3.1 二氧化硅實際面積的計算

由于通過Matlab獲得的二氧化硅面積不是實際面積，并且實驗中使用的已知坩堝尺寸為8mm，我們也可以使用閾值分割法來計算坩堝的圖像尺寸，然后使用比例法求解實際過程中二氧化硅面積的變化規律。

現實世界中二氧化硅熔融過程的面積由下式計算得出（單位：mm2）

熔融石英的實際面積變化函數為

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

實際上，該區域的變化特征與圖像中反映的變化特征是一致的，但是在中后期，該區域隨時間的變化率較大，而二氧化硅區域的邊緣輪廓特征則大致變化“S”曲線。

2.3.2 二氧化硅實際面積變化率的計算

通過推導以上獲得的熔融二氧化硅圖像的面積變化函數，獲得面積變化率曲線。可以得出結論，在熔融過程的早期和晚期，二氧化硅的變化率很小，并且變化曲線是平緩的。在中后期，變化率大，相應的變化曲線陡峭。硅石邊緣輪廓的特征區域是緩和的“S”型下降，變化率在T?2時略有突變。T是變化過程的總時間。

因此，建立了二氧化硅顆粒溶解過程的時間順序規則：初始面積為4.32mm2，最終狀態面積為0;總體曲線趨勢先緩慢，然后陡峭，最后緩慢。

2.4 二氧化硅的實際熔點模型

表示二氧化硅熔點的關鍵參數是質量，它與3D的體積成正比，可以得到的圖像是2D，因此我們需要在2D和3D之間進行雙向轉換，并估算出真實的根據問題的二氧化硅的面積特性指標確定二氧化硅的熔融速率目標。

為了便于計算，假定整個過程中的二氧化硅是球形的，并且整個過程的密度ρ保持不變。因此，對于每個粒子，結合二氧化硅運動質心的位置變化和顆粒體積的變化，可以得到xyv的三維特征圖。它反映了熔融過程中特定時間的二氧化硅的運動軌跡和邊緣輪廓的變化。它充分反映了高溫熔池中熔體的動態行為。

提高研究我們得到熔融過程中二氧化硅的質量從初始值總體上變為0，大約有10倍的質量突變，基本上在最初的60秒內分布，表明二氧化硅的熔融過程從急劇變化到緩慢衰減到0的質量。

質量散布分布通過高斯曲線擬合。通過多次擬合測試，發現擬合度為3時，結果更為合理，R平方為0.9659。

由于表達二氧化硅熔融速率的關鍵參數是質量，因此我們可以使用單位時間內二氧化硅的質量減少量來表達 的實際熔化速率。

最終可以得出結論，二氧化硅在熔融過程中的實際熔融質量經歷了三個階段：緩慢下降，急劇下降和緩慢下降。初始質量為0.043g，最終狀態質量為0.043g。其中，初始質量變化率約為 ，而最大質量變化率為 ，對應第54次。

參考文獻

[1]? 鄭茂凱. 運動目標識別與跟蹤方法的研究[D]. 沈陽工業大學，2019.

[2]? 刁智華，刁春迎，袁萬賓，毋媛媛. 基于改進型模糊邊緣檢測的小麥病斑閾值分割算法[J]. 農業工程學報，2018，34（10）：147-152.

[3]? 譚永恒. 二氧化硅輔助相分離法制備銀納米管和銀納米環[D]. 天津理工大學，2006.