自来水厂矾花拍摄装置设计与应用

0引言

在水处理工艺中,混凝剂投加是极其重要且耗时的环节,它直接影响水处理的最终结果。混凝沉淀工艺是指往水中加入适量的混凝剂使细小颗粒聚集成具有良好沉降特性的絮凝体(水处理行业一般称为“矾花”),并使其从水中分离的过程。

在常规的水处理工艺中,混凝沉淀工艺是一个多参数、非线性且大时滞的过程。目前,大多数水厂仍根据原水浊度、流量的变化,依靠人工经验设定药耗值,通过PLC实现混凝剂的自动投加。但投加效果的好坏和投加量是否适宜依旧是在人工观察絮体状态后凭经验判断,尚不能做到定量测定和精准控制,劳动强度大、人工经验差异及难以应对混凝效果影响因素突变的缺点依然较为明显。部分水厂在混凝沉淀工艺的混凝剂投加控制中已应用矾花图像识别处理技术,但该类水厂多以水库水为水源,原水水质长期稳定,对以江河水为水源的大型水厂参考意义不大。研究表明,在一定沉淀条件下,沉淀池出水浊度与原水投加混凝剂后形成的矾花特征密切相关。因此,使用矾花图像特征作为混凝剂投加量的决策值可使控制的滞后时间大大缩短。研究开发一套成本较低、使用方便且可长时间获取水下清晰矾花图像的检测设备,对于改进混凝剂投加控制系统具有重要意义。

南方某大型水厂研究设计了一套可全天候拍摄、自主控制、自适应光源亮度调节且成像清晰的矾花图像拍摄装置系统并进行试运行,为该水厂研究基于图像识别的多参数混凝剂智能投加关键技术提供了优质的图像资源,可助力实现大型水厂混凝剂智能投加的精准控制。

1系统结构

项目总体需求是设计可全天候在较大水流速度的露天环境下持续采集和传输矾花图像的拍摄装置系统,要求系统具有良好的防水密封性,可长时间进行水下采集,并且成像清晰,提供人工设置调整参数功能。系统的应用环境是露天的水下测量环境,设计系统时需要考虑防水和环境光干扰的问题。在长时间水下工作后,采样透视窗口容易被污染,从而影响图像的质量,因此系统需要具备清洁功能。在补光不足时水体浑浊会导致水下环境的光照低,因此采集到的水下图像需要进行图像增强处理来保证清晰度和亮度。系统采集的图像必须实时显示,而且设备参数在调试阶段需不断调整,所以需要设计一个简洁明了的人机界面。

项目总体目标是设计一款可全天候在较大水流速度的露天环境下持续采集和传输矾花图像的拍摄 装置系统。该系统通过相机采集图像数据,借助水厂内局域网将图像数据经由交换机传至厂内计算机端,通过人机界面实时显示。系统整体结构如图1所示。

矾花图像拍摄装置系统由硬件和软件两个部分组成。按照功能需求分析可知,硬件部分由上位机显示、拍摄装置、外壳及支架这三大部分组成,而软件部分则由嵌入式微处理器控制程序、相机控制程序以及人机界面这三部分组成。系统整体示意图如图2和图3所示。

2硬件设计

2.1镜头选择

由于图像拍摄设备需要放置于流动的水下环境,所以处于流动状态的矾花颗粒与镜头的距离并不是固定的。在理想情况下,希望出现在视野内的矾花颗粒都能被拍摄清楚,但由于在镜头参数固定的情况下镜头具有固定的成像范围,即在对焦点附近的矾花才能被拍摄清楚,距离以外的矾花均为模糊,所以不管是定焦镜头还是变焦镜头,在无人为操作的情况下,都只能拍摄清楚一定距离范围内的物体。为了能将距离较近的矾花拍摄清楚,在选择焦距时应该考虑短焦距镜头。

畸变是工业相机镜头的固有特性,无法完全消除,普通的工业相机镜头畸变率一般在1%~2%,这样的畸变率会影响图像精度,所以在选择镜头时也需要考虑镜头的畸变率。

镜头的视场角对矾花图像的拍摄也有影响。小视场得到的矾花图像具有一定的随机性,并不能代表整体的矾花状态,所以为了获得较大的视野,还应该考虑镜头的视场角参数。

经过对多种高清晰度工业相机镜头的焦距、畸变率和视场角等参数进行综合对比,最终选择中联科创的MV0420MP5工业相机镜头。具体参数如表1所示。

工业相机选择海康威视的MV-CS050-10GC-PRO全局快门网口相机。相机的标定采用最常用的相机标定方法—张正友相机标定方法^[1]。

2.2 防水外壳和支架

由于需要将工业相机放入水中拍摄图像,所以需要给相机做防水处理,方案就是将设备全部放入一个防水外壳中。本项目设计了一个方型防水外壳。

景深的大小与镜头焦距、光圈大小以及对焦距离有关。由于装置拍摄的是固定水体厚度范围内的图像,拍摄距离太远无法得到清晰的图像,所以在装置的拍摄窗口前加上一块背景板,以固定拍摄的水体厚度,减少模糊背景的产生。根据镜头的焦距以及调节后光圈的大小,防水外壳的拍摄窗口与背景板的距离为25 mm较为合适。

在实际使用过程中发现背景板的反光会造成图像中出现镜头和光源的影子,给图像带来干扰。项目组尝试了更换不同材料、颜色的背景板以及涂上消光材料等多种解决方案,最终选用磨砂的黑色亚克力板,黑色的背景可以增加与矾花的对比度,磨砂表面十分微小的凹凸部分可以增加观测背景板的粗糙程度,达到增加对光的散射和减少反射的目的^[2]。

长时间运行后,装置的采样窗口和背景板上会附着一些矾花颗粒,造成图像不清晰,这就需要设计水下清洁装置,采用步进电机来带动清洁机构进行擦拭,这种方法的好处在于结构简单可靠,容易实现,成本较低。对于清洁装置的设计,本项目采用的是防水步进电机与毛刷的结合,毛刷为自制零件,分为两部分:电机连接弯头和刷条。其中弯头使用3D金属打印技术制造。

矾花图像拍摄装置需要在露天环境下使用,因此需要设计一个能够挡雨的遮罩,避免装置在雨天进水。遮罩的另一个作用是挡住太阳光,尽可能减少环境光对图像质量的影响。

经过多个位置的采样成像效果对比,确定选择平流沉淀池进水口位置安装拍摄装置。考虑到安装的位置以及便于测试实验,设计了一个便携式可移动支架。

2.3 光源设计

矾花图像拍摄装置需要全天24 h进行拍摄采样,且长期放于水下,光源是必不可少的。对于拍摄运动的物体来说,曝光时间过长会造成图像出现物体的残影,曝光时间过少会导致图像的亮度下降。所以必须配合光源进行拍摄,以确保被拍摄的物体获得最合适的曝光时间,提高图像质量。

经过多次模拟仿真和调光实验,选择了16个LED 灯圆环形排列组成的光源。光源包含LED灯珠和光敏电阻,光敏电阻用于检测环境光亮度,并通过ADC 将电压信号转为数字信号。在需要拍照时,微处理器读取光敏电阻的电压数字值,通过预设的PWM占宽比计算函数来修改PWM的占宽比输出,从而实现光源亮度的调节。

2.4控制板设计

矾花图像拍摄装置是自动进行拍摄的,相机的自动抓拍功能通过服务器的控制程序实现,而光源亮度的调节和清洁装置的工作则通过控制板的控制电路实现。控制板主要包括电源电路、光源驱动电路、微处理器电路。

相机的电源是直流12 V供电,为了不增加额外电源,以降低设计成本,方便小型化设备,本项目均以直流12 V电源电压经过升压或降压实现其他硬件所需的工作电压。

光源的驱动选用大功率的LED驱动芯片——金升阳的KC24H-1000R3,对比其不同输入/输出关系的工作范围,其工作电压定为36 V。

微处理器选用嵌入式微处理器STM32,嵌入式微处理器的主要作用是接收相机发出的信号、计算PWM波占空比以调节光源亮度和控制电机进行清洁操作。电路图如图4所示。

3程序软件开发

3.1嵌入式微处理器控制程序开发

3.1.1清洁装置的控制

清洁装置的控制主要是通过使用控制电路中的三个定时器TIM1~TIM3和三个I/O口PA5~PA7。TIM1用来定时控制清洁装置工作,每间隔一定的时间清洁一次;TIM2作为计数器,用来计数给步进电机的脉冲数,以控制步进电机转动的角度;TIM3用来产生脉冲信号,脉冲的频率大小决定步进电机转动的速度。

3.1.2光源亮度的调节

对于光源的控制需要使用一个定时器TIM4和四个I/O口PBO~PB1、PB6、PA1。当相机需要拍照时,在曝光前,STM32接收到相机传送过来的高电平触发信号,读取光敏电阻的电压值,利用函数计算合适的PWM占空比,TIM4根据计算的结果产生相应的 PWM波,输出至LED灯组的驱动电路。

3.2相机控制程序开发

3.2.1开发环境

海康威视给开发人员提供软件开发工具包(Software Development Kit,SDK),通过SDK中的应用程序编程接口 (Application Programming Interface, API)获取相机功能参数,即可通过编程的方式在相机原有的功能基础上添加 自己的需求,实现对相机的控制。在C++环境下,利用Python这一编程语言可实现对海康工业相机控制程序的开发,例如:使用 MV—CC—GetFloatValue()函数,获取相机参数;使用 MV—CC—SeTFloatValue()函数,设置相机参数。SDK 开发工具包可在海康工业相机客户端MVS的安装包获取。

3.2.2 图像采集

一次完整的图像采集过程需要执行三个线程: 定时器线程、取图线程、图像处理线程。初始化相机采集方式为触发模式,定时器线程定时发送一个触发信号给相机,然后相机开始曝光采集图像,取图线程获取内存中的图像数据,并交给图像处理线程对图像数据进行处理。需要注意的是,Python中Timer库创建的定时器线程只执行一次,需使用createTimeThread()函数将Timer创建的线程设置为循环定时器线程。

3.2.3 图像处理

畸变是工业相机镜头的固有特性,无法完全消除,需要对图像进行畸变校正处理。相机的标定采用张正友相机标定方法,通过相机标定实验可获得相机的内参数及畸变系数,直接使用openCv提供的 undistort函数进行畸变矫正,对畸变失真的图像进行校正处理。

实际的生产应用中,矾花图像的拍摄是在流动的水体中进行的,需要相机通过缩短曝光时间的方式获得更小的快门时间,但正是由于曝光时间过小,所获得原始图像不能直接显示,这就需要用到图像增强技术,通过提高图像的对比度和增强图像的整体或局部特征,使原本不清晰的图像变得清晰,以达到增强图像视觉效果的目的^[3]。

本项目采用实际水下图像,选用不同的算法,其中包括直方图均衡化、对比度限制局部均衡化、滤波算法、暗通道先验去雾算法、MSRCR算法等,通过多组实验对比验证算法的图像增强效果,以图像的亮度和清晰度进行综合评判,最终决定使用MSRCR算法对水下低光照图像进行增强处理。采用MSRCR算法进行图像增强处理的效果如图5所示。

3.3 人机界面设计

人机控制界面的设计使用的是Python编程语言的GUI工具包—PyQt5进行开发,本文不作详细描述。相机控制界面如图6所示。

4 总结分析

对矾花图像拍摄装置样机及系统进行全面的功能性调试,并将装置及系统部署在南方某大型水厂的实际生产环境中试运行。该装置实现了全天候在较大水流速度的露天环境下持续拍摄和传输矾花图像,通过厂内局域网传送至厂内计算机端,通过人机界面实时显示;实现针对水下拍摄镜面的自动清洁;实现对沉淀池矾花的恒定光源补偿拍摄,对水下高速运动的矾花絮凝体进行清晰拍照成像。图像的成像质量较好,没有出现过亮或过暗、残影、模糊等现象,表明矾花图像拍摄装置及系统已基本达到要求。装置现场安装及拍摄效果如图7~11所示。

系统试运行至今,状态良好,为该水厂接下来进行的基于图像识别的多参数混凝剂相关性控制模型和智能投加评估系统的研究提供了优质的图像资源,可助力实现大型水厂混凝剂智能投加的精准控制。

[参考文献]

[1]ZHANGZY.AFlexibleNewTechnique for cameracalibration [J].IEEETransactionsonpatternAnalysisandMachineIntelligence,2000,22 (11):1330-1334.

[2]郭宇,郭荣军.高透明度水性木器哑光清面漆的研制[J].中国涂料,2016,31(2):25-28.

[3]吴佳丽.基于Retinex理论的非均匀光照图像增强算法研究[D].南京:南京邮电大学,2022.

2024年第23期第10篇