一种可视化烧结数据分析仪的陶瓷烧结图像分析方法与流程

本发明涉及粉末冶金、耐火材料、陶瓷、建材等加工技术领域，具体是一种可视化烧结数据分析仪的陶瓷烧结分析方法。

背景技术：

陶瓷烧结是指粉末或非致密性物料经加热到低于其熔点的一定范围内，发生颗粒粘结，结构致密度增加，晶粒长大，强度和化学稳定性提高等物理变化，成为坚实集合体的过程。简单来说，陶瓷烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。

烧结是陶瓷制造过程中的关键工艺。在烧结中影响产品性能的关键是温度及与其时间的关系，以及烧成时的气氛。温度制度和气氛制度又需要根据不同产品要求而制定，不同的产品有不同的最佳温度。

陶瓷式样会在逐渐升温的电炉中成为越来越接近理论密度的瓷坯。在这个陶瓷烧结的一般过程中，会发生许多的物理变化，如尺寸变化、质量变化等，而这些变化会对陶瓷产品的性能有很大影响，进而影响陶瓷产品的使用。实际生产工作中，由于缺少数据支持，人们往往是通过经验，或者是通过不断的进行观测来确定烧结陶瓷的最佳温度的，而最佳温度往往要根据配方组成、坯料细度、对产品的力学性能、体积和质量等来判断，所以人工确定带来的误差较大。

陶瓷在高温下的图像经过相机采集后不能直接使用。陶瓷在高温环境中，发出的光很强，在图片上有许多留下许多不明显的暗点，只有在增强对比度的情况下才能看到。原始灰度图片灰度值在0～255这个范围内，可能等于任意值，处理起来很复杂。这些因素都要求我们对原始图片进行预处理，使后续工作更加简单。

直接测量法使用一般常见量具，不存在因为中间环节转换数据而产生的误差，得到的数据更加精确，但是这个方法在高温物体测量中不适用。相对于直接测量，光电检测技术集光(几何光学)、机(精密机械技术)、电(传感技术)、算(计算机技术)于一体，通过光学系统将被测物体中的光信号转化为电信号，具备高精度、远距离、三维性等优点。

光电检测属于非接触测量方法，十分适合应用在高温物体测量中，因此高温物体测量系统多在光电检测的基础上设计。高温物体测量技术中国外技术最为成熟的国家有美国、德国、日本。在美国，在能源部和商务部的共同支持下，高温物体的测量系统发展很很快，例如美国的俄亥州立大学、密歇根大学在高温物体尺寸测量上有很大发展。他们研究出的高温物体测量系统主要是关于高温物体三维尺寸测量的。这个系统在高温环境下得到的物体成像效果与正在常温下的效果没有什么区别，但是它的测量范围很狭窄，不适合大尺寸高温物体尺寸测量。

德国珉泰克公司通过激光测量高温物体尺寸，激光测量装置通过快速移动对大型高温物体进行扫描，用计算机将采集到的信息进行处理，得到大型高温物体的尺寸。

日本高温物体测量技术集中在测量大尺寸高温物体方面。日本制钢公司设计了基于可见光ccd的大型高温物体尺寸测量系统。在这个系统中有两台可见光摄像机，这两台摄像机处于不同但可以确定的位置。摄像机从不同的角度拍摄高温物体图像，之后将得到的图片用计算机处理分析后进行拼接，得到高温物体的三维尺寸图。

国内在高温物体尺寸测量方面起步比较晚，目前没有很成熟的高温测量系统。如用激光的非接触测量，原理是激光在照射物体时，有物体的部分会遮挡激光，根据传感器可以测出物体的边缘和尺寸，缺点在于光线在高温场中传播时弯曲和陶瓷的热膨胀会引起测量误差，这个误差需要分析处理消除。刘启海提出将红外成像技术引用到测量高温三维物体尺寸领域中。他研究光成像的几何原理，研究了物体变成计算机中图片这一过程的坐标变换关系，结合双目热成像仪和双目坐标系的转换，提出了两种测量模型：分简化的双目测量模型和基于单个热像仪的测量模型。华中科技大学张炜针对锻件在制造过程中伴随着高温高压和空气波动的特点，设计了图像采集方案，之后根据高热态测量的特点进行相位误差分析，选择五步相移算法对被测高温物体进行测量，得到高温锻件尺寸。

本发明主要研究如何测量陶瓷尺寸变化，通过利用labview和nivisionassistant软件，对图像进行处理。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提供了一种可视化烧结数据分析仪的陶瓷烧结图像分析方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种可视化烧结数据分析仪的陶瓷烧结图像分析方法，包括如下步骤：计算机读取图片，利用nivisionassistant软件对陶瓷图像进行处理，将灰度图像转换成二值化图像，白色值为255，黑色值为0；然后利用labview软件将二值化图像转换成矩阵，每一个像素对应数组中的元素，之后处理矩阵中数据，每行数组中255值的个数表示陶瓷直径，每列数组中255值的数量表示陶瓷高度，陶瓷高度之和表示面积；最后用波形图分别将陶瓷在不同温度下的直径、高度和面积关系表示出来。

进一步地，陶瓷和平台在图片中表示为白色部分，去掉平台后，每行白色部分的长度可看作陶瓷的直径，需要计算每行数组的白色像素点个数m，筛选出符合条件的m，求出白色像素点个数的平均值，即为陶瓷直径。

进一步地，所述陶瓷直径的测量方法包括如下步骤：截取陶瓷的部分图像来计算直径的平均值，选取的图片从第a1行到第a2行，由于陶瓷的上部边缘也不整齐，需要剔除，认为正常的陶瓷直径应大于a1，小于或等于a1的这部分数据都属于不需要的数据，具体方法如下：

假设由二值化图像转化成的数组为t0，利用索引数组，筛选出数组t0的第a1行至第a2行，共a2-a1行的数组t1，利用for循环计算出每行数组中白色像素点，即数组元素值为255的个数m，判断m是否大于a1，如果大于a1，则保留m值，将m值存入列数组t2；否则，不把m值存入列数组t2，最后计算列数组t2的平均值，此平均值就是陶瓷直径，将每幅图片的均值在示波器中显示，可以得出陶瓷直径随温度变化的曲线。

进一步地，平台在图像上并不是一条直线，通过直线拟合将平台边缘拟合成一条直线，直线拟合的方法包括如下步骤：用x表示数组元素的列位置，y表示数组元素的行位置，直线拟合函数需要输入x和y的值，筛选出第n列数组中y上边缘个元素中不为零的元素，得到一个新数组rn，新数组rn的长度为ln，则用yn＝y上边缘-ln，即为第n列数组中第一个不为零的位置，由于处理y上边缘*x右边缘个数据太庞大，可以缩小范围，把数据缩小到第y局部1行到第y局部2行，共y局部2-y局部1行，缩小范围后的数组假设为数组ts，在这个数组中，每列数组长度为y局部2-y局部1，这时筛选第n列数组中不为零的元素，组成新数组rn’，这个数组长度为ln’，则

y’＝(y局部2-y局部1)-ln’

yn＝y’+y局部1

令y’+y局部1＝y上边缘-ln，是x＝n时对应y值,确定了直线拟合函数输入的x值与y值后，可以得到拟合直线的截距和斜率。

进一步地，所述陶瓷高度的测量方法包括如下步骤：筛选列数组tn中不等于零的元素，保存为新的列数组ts，新列数组ts中数组元素个数y即为陶瓷高度y1和平台高度y2的和，平台高度可在直线拟合方程得到，假设在第n列数组tn中拟合直线所在位置为yn，则平台高度y2＝y上边缘-yn，陶瓷高度y1计算公式即为y1＝y-y2。

进一步地，所述陶瓷面积的测量方法包括如下步骤：陶瓷面积等于陶瓷高度的总和。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明通过截取部分图像进行计算分析的方法，避免了处理庞大的数据困难，增加了计算的准确度，能够准确得出陶瓷烧结图像的温度-直径，温度-高度以及温度-面积的变化曲线，并且上述分析方法还具有以下优点：第一，直接确定不同温度下陶瓷的体积变化，可以避免由于盲烧时的不精确带来的对材料的不必要的浪费。第二，利用程序运行出来的图像变化直接获取产品体积信息，可以代替了人力观测，避免了不断观测的过程，进而可以节省人力，用于其他的工作。第三，掌握了陶瓷原坯在烧结过程中的变化规律，可以正确地选择和设计窑炉，科学地制定和执行烧成温度，严格地执行装烧操作规程，提高了产品质量，降低了燃料消耗，获得了良好的经济效益。

除了上述优点外，陶瓷在升温过程中体积的变化对正确的烧结条件有很大的参考价值。一般是通过陶瓷体积急剧收缩时温度变化的区间来确定防止烧结变形的升温程序。陶瓷烧结图像分析出来的温度-体积变化曲线直观反映了陶瓷烧结时温度变化的区间。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的整体流程图。

图2为本发明的文件读取流程图。

图3为本发明的文件读取程序框图。

图4为本发明的二值化图像转换为矩阵。

图5为本发明的可选矩形。

图6为本发明的直径测量流程图。

图7为本发明的直径测量程序框图。

图8为本发明的直径平均值变化曲线。

图9为本发明的图像边缘处理后的图片局部。

图10为本发明的拟合程序框图。

图11为本发明的直线拟合结果图。

图12为本发明的高度测量流程图。

图13为本发明的陶瓷烧结开始时的图像。

图14为本发明的陶瓷烧结结束时的图像。

图15为本发明的高度平均值变化曲线。

图16为本发明的面积变化曲线。

图中：

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种可视化烧结数据分析仪的陶瓷烧结图像分析方法，包括如下步骤：计算机读取图片，利用nivisionassistant软件对陶瓷图像进行处理，将灰度图像转换成二值化图像，白色值为255，黑色值为0；然后利用labview软件将二值化图像转换成矩阵，每一个像素对应数组中的元素，之后处理矩阵中数据，每行数组中255值的个数表示陶瓷直径，每列数组中255值的数量表示陶瓷高度，陶瓷高度之和表示面积；最后用波形图分别将陶瓷在不同温度下的直径、高度和面积关系表示出来。整体流程图如图1所示。

实施例一文件读取

文件读取是程序运行的开始，图片能够一张张从文件夹中读取，后续的图片处理流程才能完成。文件读取流程图如图2所示。

文件读取从“文件对话框”开始，首先选择路径，用户在选择时可以选择文件或文件夹。陶瓷图像分析软件处理的不仅仅是一张图片，而是由于温度变化的到的大量图片，路径应该选择的是“文件夹”而不是“文件”，否则只能处理某一张图片，而不能处理文件夹中的左右文件。同时注意前面板中的路径选择也要改成“文件夹”。经过文件对话框后，连接“罗列文件夹”。“罗列文件夹”函数作用是返回由路径中所有文件和文件夹的名称列表组成的两个字符串数组，通过模式过滤数组，通过数据记录类型过滤文件名。之后将“罗列文件夹”中的“文件名”节点与“文件对话框”中的所选路径节点连接在一起，组成一个新的路径，这个路径作为imaqreadfile的开始路径。文件读取程序框图如图3所示。

实施例二图像的二值化处理

采用灰度直方图、阈值分割、数学形态学、基于canny算子的边缘处理技术将陶瓷图像转换为二值化图像。

实施例三将二值化图像转换成矩阵

采用imaqimagetoarrayvi函数，将图像或图像的一部分中的像素提取(复制)到labview2d数组中，该数组按8位、16位或浮点进行编码，由输入图像的类型确定。imaqimagetoarrayvi函数输入的为二值化图像，由节点“imagepixels(u8)”输出为二维数组，二值化图像转换为矩阵如图4所示。

imagepixels(u8)将提取的像素值返回到2d数组中，第一个索引对应于垂直轴，第二个索引对应于水平轴。vi将图像像素的大小调整为与图像大小相同的大小或可选矩形的大小，且仅当image是无符号的8位图像时才使用此输出。

optionalrectangle为可选矩形定义了一个四元素数组，其中包含要提取的区域的左、上、右和底坐标。右侧和底部的值是排他性的并位于该区域外，如果此节点输入为空或未连接，则该操作适用于整个图像。可选矩形如图5所示。可选矩形的y上边缘＝2080，x右边缘＝3096。

实施例四陶瓷直径的测量

陶瓷和平台在图片中表示为白色部分，去掉平台后，每行白色部分的长度可看作陶瓷的直径，需要计算每行数组的白色像素点个数m，筛选出符合条件的m，求出白色像素点个数的平均值，即为陶瓷直径。

陶瓷直径的测量方法包括如下步骤：在图像边缘处理后发现边缘不是直线，这也是需要求每行白色像素点个数，计算平均值的原因；同时，因为边缘不是直线，所以不能直接去掉平台，而是截取陶瓷的部分图像来计算直径的平均值，本程序选取的图片从第500行到第1700行，由于陶瓷的上部边缘也不整齐，需要剔除，认为正常的陶瓷直径应大于500，小于或等于500的这部分数据都属于不需要的数据，具体方法如下：

假设由二值化图像转化成的数组为t0，利用索引数组，筛选出数组t0的第500行至第1700行，共1200行的数组t1，利用for循环计算出每行数组中白色像素点，即数组元素值为255的个数m，判断m是否大于500，如果大于500，则保留m值，将m值存入列数组t2；否则，不把m值存入列数组t2，最后计算列数组t2的平均值，此平均值就是陶瓷直径，将每幅图片的均值在示波器中显示，可以得出陶瓷直径随温度变化的曲线。直径测量流程图如图6所示，直径测量程序框图如图7所示，直径平均值变化曲线如图8所示。

实施例五直线拟合

在进行陶瓷图片处理时，可以发现放置陶瓷的平台和陶瓷共同组成了图像的白色部分。在测量陶瓷的高度时，需要的仅仅是陶瓷的高度，但是直接处理图片的话得到的是陶瓷与平台的共同高度，因此需要去掉平台高度。在处理图片边缘时发现平台在图像上显示的并不是一条直线，而是有微小起伏的曲线。图像边缘处理后的图片局部如图9所示。可以发现边缘并不是直线，需要直线拟合。

除了上述原因外，另一个原因是图像中的平台可能有微小的倾斜，这种倾斜肉无法直接判断，但确实存在于图像中。这种倾斜会影响最终得到的结果的准确度。拟合直线的斜率可以帮助判断是否存在倾斜，及时对图像进行校正。

直线拟合的方法包括如下步骤：用x表示数组元素的列位置，y表示数组元素的行位置，直线拟合函数需要输入x和y的值，筛选出第n列数组中2080个元素中不为零的元素，得到一个新数组rn，新数组rn的长度为ln，则用yn＝2080-ln，即为第n列数组中第一个不为零的位置，由于处理2080*3096个数据太庞大，可以缩小范围，把数据缩小到第1650行到第1850行，共200行，缩小范围后的数组假设为数组ts，在这个数组中，每列数组长度为200，这时筛选第n列数组中不为零的元素，组成新数组rn’，这个数组长度为ln’，则

y’＝200-ln’

yn＝y’+1650

令y’+1650＝2080-ln，是x＝n时对应y值,确定了直线拟合函数输入的x值与y值后，可以得到拟合直线的截距和斜率。拟合程序框图如图10所示，直线拟合结果图如图11所示。

实施例六陶瓷高度的测量

陶瓷高度的测量方法包括如下步骤：在求陶瓷直径的方法中筛选列数组tn中不等于零的元素，保存为新的列数组ts，新列数组ts中数组元素个数y即为陶瓷高度y1和平台高度y2的和，平台高度可在直线拟合方程得到，假设在第n列数组tn中拟合直线所在位置为yn，则平台高度y2＝2080-yn，陶瓷高度y1计算公式即为y1＝y-y2，最后计算y1的平均值，此平均值就是陶瓷高度，将每幅图片的均值在示波器中显示，可以得出陶瓷高度随温度变化的曲线。高度测量流程图如图12所示，陶瓷烧结开始时的图像如图13所示，陶瓷烧结结束时的图像如图14所示，高度平均值变化曲线如图15所示。

实施例七陶瓷面积的测量

陶瓷面积的测量方法包括如下步骤：陶瓷面积等于陶瓷高度的总和。面积变化曲线如图16所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。