(57)【要約】【課題】  溶融相のオンライン測定のための方法を提供する。【解決手段】  スラグ、フラックス、金属及びマットを含む溶融相に関する情報を、多変量イメージ分析アプローチを使用して識別し且つ定量化する方法。この手法を使用して、スラグの分裂、地金のサイズ、スラグの一部固化及びスラグの温度のような溶融相の性質が、妥当な計算時間内で正確に決定され得る。更に、この方法は、溶融相のオンライン測定ツールとして導入され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
暴露された表面領域を有する溶融相生成物からの情報を識別し且つ定量化する方法であって、該方法は、
ａ）デジタルイメージのオンライン評価のための標準を確定する段階、及び
ｂ）前記オンライン評価を行う段階、
を含み、
前記標準が、
ｉ）前記溶融相生成物の暴露された表面領域のデジタルイメージを取得し、標準イメージデータを作成する段階、
ｉｉ）前記標準イメージデータについて主成分分析を行って、該標準イメージデータを特徴付けるスコアベクトルｔ1 及びｔ2 を決定する段階、
ｉｉｉ）前記スコアベクトルｔ1 及びｔ2 の値を前記溶融相生成物の特性と関連付け、ｔ1 及びｔ2 の標準値を決定する段階、
を使用して確定され、そして、
前記評価が、
ｉｖ）溶融相生成物の暴露された表面領域のデジタルイメージを取得し、オンラインイメージデータを作成する段階、
ｖ）前記オンラインイメージデータについて主成分分析を行って、前記オンラインイメージデータを特徴付けるスコアベクトルｔ1 及びｔ2 を決定する段階、
ｖｉ）ｔ1 及びｔ2 の前記標準値に応じて、前記オンラインイメージデータの領域に特性を割り当てる段階、及び
ｖｉｉｉ）前記特性のアウトプットを創出し、それにより相を識別し且つ定量化する段階、
を使用して行われる、
方法。
【請求項２】
前記溶融相が、スラグ、フラックス、金属、マット（ｍａｔｔｅ）及びガラスの何れか１種を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記デジタルイメージが、可視スペクトルにて取得される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記デジタルイメージが、少なくとも三つの波長範囲における、測定された強度値のピクセル要素の配列からなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記デジタルイメージの前記ピクセル要素が赤色、緑色及び青色の変動強度を有する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記スコアベクトルｔ1 及びｔ2 により補正される前記特性が、以下の群：溶融相生成物の相の識別、識別された相それぞれにより占有される表面領域、識別された相それぞれの温度、から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
何らかの地金、スラグで覆われた地金及び液体スラグを有するレイドルの各領域を選別するために、高温の溶融相を有する製鋼レイドルをモニターする方法であって、該方法は、
ａ）デジタルイメージのオンライン評価のための標準を確定する段階、及び
ｂ）前記オンライン評価を行う段階、
を含み、
前記標準が、
ｉ）製鋼レイドルの暴露された表面領域のデジタルイメージを取得し、標準イメージデ
ータを作成する段階、
ｉｉ）前記標準イメージデータについて主成分分析を行って、該標準イメージデータを特徴付けるスコアベクトルｔ1 及びｔ2 を決定する段階、
ｉｉｉ）前記スコアベクトルｔ1 及びｔ2 の値を前記溶融相生成物の特性と関連付け、ｔ1 及びｔ2 の標準値を決定する段階、
を使用して確定され、そして、
前記評価が、
ｉｖ）溶融相生成物の暴露された表面領域のデジタルイメージを取得し、オンラインイメージデータを作成する段階、
ｖ）前記オンラインイメージデータについて主成分分析を行って、前記オンラインイメージデータを特徴付けるスコアベクトルｔ1 及びｔ2 を決定する段階、
ｖｉ）ｔ1 及びｔ2 の前記標準値に応じて、前記オンラインイメージデータの領域に特性を割り当てる段階、及び
ｖｉｉｉ）前記特性のアウトプットを創出し、それにより相を識別し且つ定量化する段階、
を使用して行われる、
方法。
【請求項８】
前記スコアベクトルｔ1 及びｔ2 により補正される前記特性が、以下の群：相の識別、識別された相それぞれにより占有される表面領域、識別された相それぞれの温度、から選択される、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラグ、フラックス、金属及びマット（ｍａｔｔｅ）を含む溶融相からの情報を識別すること及び定量化することに関するものである。本発明は、溶融相の表面から取得されたイメージデータの主成分分析に基づく方法を使用する。
【背景技術】
【０００２】
多変量イメージ処理は、イメージデータから情報を引き出すための確実な方法を提供する。この方法は、衛星イメージデータや医療分野のような幾つかの用途におけるイメージ処理のために、有効に適用されてきた。しかしながら、溶融相のオンライン測定のために前記方法を適用することは従来行われていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プロセスの確実なリアルタイム測定の可用性は、何らかの制御システムを開発するための重要な因子である。製鋼のような高温溶融相処理の場合、厳しい条件のため、リアルタイム測定を行うことが困難であり、且つコストがかさむ。現行では、溶融相の情報を収集するための幾つかの方法、例えば、溶融相の相対的な表面領域の検出及び、前記溶融相が充分溶融されているかどうかの評価は、作業者による目視的観察に依存している。従って、溶融相のより確実なオンライン測定のための明らかな要求が存在する。
【０００４】
本発明の目的は、溶融相の相対的な表面領域を検出し、該相が充分溶融されているかどうかを決定し、そして該相の温度を予測するために妥当な計算時間内で、溶融相に関するオンライン情報を表示し且つ定量化することである。前記計算時間は充分に速いので、この方法は、オンライン測定装置において使用され得、且つ制御システム内に組み込まれ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によると、溶融相の表面から取得されたイメージデータの主成分分析を使用して、前記溶融相を特徴付ける方法が提供される。開発された方法は、（ａ）標準を確定すること、及び、（ｂ）前記標準を使用して、オンラインイメージデータを識別し且つ定量化すること、を含む。標準確定の目的のため、開発された手法は、（ｉ）溶融相の表面のデジタルイメージを取得する段階、（ｉｉ）前記イメージの主成分分析を行う段階、及び（ｉｉｉ）オンラインイメージの性質を決定するために使用される、溶融相の性質に関する知識に基づいて、主成分の標準値を判定する段階、からなる。標準を使用して、オンラインイメージデータを識別し且つ定量化する際に、（ａ）溶融相の表面のデジタルイメージを取得する段階、（ｂ）前記イメージの主成分分析を行う段階、（ｃ）この分析値を主成分の標準値と比較して、前記イメージの性質を決定する段階、及び（ｄ）前記イメージの勘案された性質を定量化する段階、が行われる。
【０００６】
図１は、溶融相のオンライン測定の説明図を示す。基本的に、このシステムは三つの主な部分、即ち、測定される溶融相、イメージデータを取得するためのデジタルカメラ及び、前記イメージデータを処理するためのコンピュータからなる。                      
図２は、溶融相から取得されたＲＧＢイメージの例を示す。
図３は、主成分分析手法の説明図を示す。
図４は、図２のイメージからの最初の二つの主成分のプロット（ｔ1 対ｔ2 ）の例を示す。
図５は、ガス注入時間の関数としての、容器底部から射出される不活性ガス流量が一緒
に記載された、予測される地金領域と相関関係を示すプロットである。
図６は、スラグの性質に対する、バスの温度と第二主成分ｔ2 の平均との相関関係を示すプロットである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
溶融相のオンライン測定システムの説明図は、一般的に、図１の参照数２０により示される。該図に示されるように、このシステム２０は、容器２２中の溶融相を測定するために適用され、そして、イメージデータを取得するためのデジタルカメラ２４及び、該イメージデータを処理するためのコンピュータ２６を含む。
【０００８】
溶融相の性質、例えば、スラグ表面の分裂、スラグ相の一部固化又はスラグの温度を測定するためのまさに第一段階は、ＲＧＢ［赤（Ｒｅｄ）−緑（Ｇｒｅｅｎ）−青（Ｂｌｕｅ）］形式のデジタルカメラ２４を使用して、スラグ表面のイメージデータを獲得することである。ＲＧＢ形式は、それぞれのピクセルが三つの値−ピクセルのカラーの赤（Ｒ）成分、緑（Ｇ）成分及び青（Ｂ）成分のそれぞれに一つ−により特定される、高解像度のカラーイメージを示すための一般的な方法である。図２のカラーイメージにおいて、メージの白色領域は地金に対応し、黄色領域は薄いスラグに対応し、褐色領域は液体スラグに対応し、そして黒色領域は固化スラグに対応する。この様なイメージは、三つの合同なｎ×ｍピクセルイメージのスタックとして示される。数学的には、前記イメージは、図３に示されるように、次元ｎ×ｍ×３を持つマトリックスＩm と考えることができる。製鋼レイドルの表面から取得されたこの様なイメージの一つを図２に示す。デジタルイメージデータはプロセスコンピュータ２６に伝達され、イメージデータにより獲得された情報に基づいて溶融相の性質を決定する。
【０００９】
溶融相の獲得されたイメージデータを処理する際に、主成分分析（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＰＣＡ）が使用される。ＰＣＡは、密接な相関関係を有する一組の変量に、その主成分（又はコアベクトル）を明らかにする目的で適用される、多変量統計手法の一つである。主成分は、互いに独立しており、そして元の変数中の情報の大部分を、その最初の僅かな主成分内に獲得する、元の変量の線形結合である［ジャクソン（Ｊａｃｋｓｏｎ）、１９９１年］。
【００１０】
多変量の統計的方法、例えば、主成分分析（ＰＣＡ）及び部分的最小２乗法（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ；ＰＬＳ）は、多変量イメージ分析のために有効に使用されてきた［エスベンセン（Ｅｓｂｅｎｓｅｎ）他、１９８９年；ゲラディ（Ｇｅｌａｄｉ）他、１９８９年；グラーン（Ｇｒａｈｎ）他、１９８９年；バラチ（Ｂｈａｒａｔｉ）及びマクゲガー（ＭａｃＧｅｇｏｒ）、１９９８年］。これらのアプローチを使用して、高次元で且つ高度な相関関係を有する一組のデータは、次元の減縮と共に、互いに無関係な一組のデータに投影され得る。本発明においては、ＰＣＡアプローチは、溶融相のイメージを評価するために使用される。
【００１１】
この問題を単純にするため、図３の三元マトリックスＩm(mxnx3)は、図３で説明されている拡張二元マトリックスＩ((n.m)x3) に展開される。
【数１】
2005532557.tif 000003
【００１２】
展開されたイメージマトリックスＸは、主成分分析を行うことにより分解される［ジャ
クソン（Ｊａｃｋｓｏｎ）、１９９１年］。元のマトリックスとその主成分との間の相関関係は、下記の方程式：
【数２】
2005532557.tif 000004
［式中、ＸはＩm の展開形式であり、Ｔはスコアマトリックスであり、Ｐは負荷マトリックスであり、そしてＥは残部マトリックスである。］により与えられる。
【００１３】
イメージ中の全ての情報が最初の二つの主成分、即ち、ｔ1 及びｔ2 中に保持されていると仮定すると、そのとき、Ｘマトリックスは、次式：
【数３】
2005532557.tif 000005
により近似され得る。
【００１４】
スコアベクトルｔ1 は、多変量データ中の最大の変化を説明するデータマトリックスＸ中の変量（列）の線形結合である。これらのベクトルは、互いに直交性を有する。負荷ベクトルｐi は、データマトリックス中の分散−共分散構造X T X の、降順での固有ベクトルである。これらのベクトルは、互いに直交性を有する（即ち、P T P ＝Ｉ；式中、Ｉは単位行列である。）。スコアベクトル及び負荷ベクトルの性質に基づいて、スコアマトリッスクＴの値は、ＸとＰを掛合せることにより得ることができる［ゲラディ（Ｇｅｌａｄｉ）他、１９８９年］。
【数４】
2005532557.tif 000006
【００１５】
イメージ中の全ての情報が最初の二つの主成分中に保持されていると仮定すると、方程式（３）に数学的に示されるように、最初の二つのスコアベクトル（ｔ1 及びｔ2 ）の組み合わせは、これらのピクセルとほとんど等価であろう［バラチ（Ｂｈａｒａｔｉ）及びマクゲガー（ＭａｃＧｅｇｏｒ）、１９９８年］。従って、これらの主成分の組み合わせは、対応するイメージから情報を引き出すために（又は、対応するイメージ中の材料を識別するために）使用され得る。加えて、それぞれの波長におけるピクセル強度の平均はｔ1 により表わされ、他方、種々の波数におけるピクセル強度の間の大小又は差分はｔ2 により表わされる［バラチ（Ｂｈａｒａｔｉ）及びマクゲガー（ＭａｃＧｅｇｏｒ）、１９９８年］。本発明により、ｔ1 又はｔ2 の平均値は、イメージの性質を特徴付けるために、例えば、温度を決定するために、使用され得る。
【００１６】
図２に示されたイメージからのイメージデータは、図３に与えられた手法を使用することにより展開され、マトリックスＸを与えた。ＰＣＡの標準的手法［ジャクソン（Ｊａｃｋｓｏｎ）、１９９１年］を使用してマトリックスＸの主成分を分析すると、負荷ベクトルｐi の値及び、表１に示す固有値を与える。本明細書のための全ての計算は、ハイレベルな高級コンピュータ言語、即ち、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）バージョン６及びＭＡＴＬＡＢ（登録商標）イメージ処理ツールボックスバージョン３により行われた。
【００１７】
表１：図３中に存在するイメージの負荷ベクトル及び固有値
【表１】
2005532557.tif 000007
【００１８】
表１に示されるように、最初の二つの主成分の合計分散（それぞれ８４．００％及び１３．２３％）の累積は９７．２３％である。従って、対応するイメージにおける主要な情報は、最初の二つの主成分中に保持されていると仮定することは妥当である；これらの主成分の組み合わせは、イメージから情報を引き出すために（又は、イメージ中の材料を識別するために）使用され得、その後、最初の二つの主成分のみが、後の分析において使用される。これらの二つの主成分に対する負荷ベクトルは、次式：
【数５】
2005532557.tif 000008
で表わされる。
【００１９】
最初の二つの負荷ベクトル（ｔ1 対ｔ2 ）の分散プロットを図４に示す。この図は、プロットされた３１１０４００スコアの組み合わせを有し、元のイメージ中に存在する２１６０×１４４０ピクセルの各々に一つの組み合わせである。グラフ内にプロットする多数のピクセルに起因する図中のポイントの幾つかの重複が存在し、そして、元のイメージ中の同様の特徴が同様のスコアベクトルの組み合わせを与えることは興味深い。
【００２０】
対応するイメージに対してピクセルの最初の二つの主成分（ｔ1 及びｔ2 ）の値を投影することにより、ｔ1 の値とｔ2 の値の組み合わせにより説明される元のイメージ中の情報が識別され得る。この方法からの結果は、ピクセル群を表わすために使用され得る。ｔ1 の値とｔ2 の値の組み合わせを使用し、そして１ピクセルにより１領域を示す情報と組み合わせて、前記イメージに関して目的とする領域が決定され得る。この方法からの結果は、表２に与えられているピクセル群を表わすために使用され得る。このアプローチを使用することにより、１ピクセルの対応領域が知られているとき、検討中の全領域は、１ピクセルの領域に、図４の同一グループにおけるポイントの数を掛けることにより決定され得る。例えば、このアプローチを使用して、図２の製鋼レイドル中に観察されたスポウトアイ（ｓｐｏｕｔ  ｅｙｅ）又は地金の領域を計算すると、１．７６４ｍ2 の値を与える。
【００２１】
表２：元のイメージ中の情報に対する最初の二つの主成分のマッピング
【表２】
2005532557.tif 000009
【００２２】
図５は、ガス注入時間の関数としての、不活性ガス流量も一緒に記載された、予測される地金領域の例を示す。図に明らかに示されるように、地金領域は不活性ガス流量の関数である。先の議論から明らかなように、本発明の方法は、スラグ又は地金の分裂及びスラグの部分的固化のような表面の性質を識別するために、並びに、その領域に関する特質を定量化するために使用され得る。
【００２３】
第二主成分ｔ2 は種々の波数におけるピクセル強度の間の大小又は差分を表わすので［バラチ（Ｂｈａｒａｔｉ）及びマクゲガー（ＭａｃＧｅｇｏｒ）、１９９８年］、第二主成分の平均値は、バスの温度を識別するために使用される。温度と強度の間の相関関係は材料の反射的な性質にも関連しており、部分的にレイドルの化学的性質に関連している。
【００２４】
図６は、種々のスラグ等級に対する、バスの温度と、平均第二主成分ｔ2 との相関関係を示す。図６から明らかなように、バスの温度は、第二主成分ｔ2 の平均値により表わされ得るということが良く示されている。従って、スラグ、フラックス、金属及びマットを含む溶融相の温度は、ｔ2 の平均値を使用して決定され得ると結論することができる。
【００２５】
リアルタイム測定データとしてイメージ処理結果を適用するため、妥当な時間内にイメージを処理し得ることは重要である。現行の作業においては、地金領域を測定するための処理時間は数秒である。従って、計算速度は、オンライン測定システムのために適切であると結論することができる。計算は、ウィンドウズ（登録商標）２０００の環境で作動している、２５０ＭＨｚのＲＡＭを持つＩＢＭ（登録商標）互換性ペンティアム（登録商標）ＩＩＩ／８００ＭＨｚパーソナルコンピュータ上で、そしてＭＡＴＬＡＢ（登録商標）バージョン６及びＭＡＴＬＡＢ（登録商標）イメージ処理ツールボックスバージョン３を使用して行われた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、溶融相のオンライン測定の説明図である。
【図２】図２は、溶融相から取得されたＲＧＢイメージの例を示す図である。
【図３】図３は、主成分分析手法の説明図である。
【図４】図４は、図２のイメージからの最初の二つの主成分プロット（ｔ1 対ｔ2 ）の例を示す図である。
【図５】図５は、ガス注入時間の関数としての、容器底部から射出される不活性ガス流量が一緒に記載された、予測される地金領域に相関するプロットを示す図である。
【図６】図６は、スラグの性質に対する、バスの温度と第二主成分ｔ2 の平均との相関関係を示すプロットを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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