M. Piechaczek; A. Mianowski; A. Sobolewski Koksownictwo 2015, Karpacz Analiza obrazu w ocenie tekstury optycznej koksu

Proces pirolizy 2/23

Tekstura optyczna w praktyce -mozaika przeplatających się i przenikających obszarów o podobnym charakterze optycznym, charakteryzujących się zmiennym kształtem i wielkością, -istnienie wielu różnych nomenklatur i klasyfikacji tekstur optycznych, -duży wpływ doświadczenia i wiedzy operatora na wiarygodność wyników, -możliwość zastąpienia drogich technik analizą obrazu, -możliwość rozpowszechnienia analizy wśród producentów i odbiorców koksu dzięki zautomatyzowaniu pomiaru i redukcji kilkudziesięciu wyników analizy tekstur do jednej bezwymiarowej wartości liczbowej. 3/25

Tekstura optyczna w praktyce -mozaika przeplatających się i przenikających obszarów o podobnym charakterze optycznym, charakteryzujących się zmiennym kształtem i wielkością, -istnienie wielu różnych nomenklatur i klasyfikacji tekstur optycznych, -duży wpływ doświadczenia i wiedzy operatora na wiarygodność wyników, -możliwość zastąpienia drogich technik analizą obrazu, -możliwość rozpowszechnienia analizy wśród producentów i odbiorców koksu dzięki zautomatyzowaniu pomiaru i redukcji kilkudziesięciu wyników analizy tekstur do jednej bezwymiarowej wartości liczbowej. 4/23

Tekstura optyczna Poziom uporządkowania molekularnego struktury węglowej przedstawiony w postaci tekstury optycznej, może być określony przez kształt i wielkość obszarów anizotropowych. Odpowiednie przygotowanie obrazu mikroskopowego jest niezbędne do prawidłowego określenia cech różnicujących poszczególne tekstury. Powiększanie wybranego elementu 5/23

Podstawowe założenia w procesie segmentacji obrazu Wykorzystanie normy ASTM D jako zbioru wytycznych do procesu segmentacji tekstury optycznej. Samopodobieństwo i wydłużenie tekstury optycznej wyznaczone na drodze analizy obrazu decyduje o właściwościach technologicznych. Wykorzystując prawo addytywności liniowej oraz bazując na wynikach ilościowej i jakościowej analizy typów tekstur optycznych wg ASTM D , możliwe jest uśrednienie oszacowanych parametrów obrazowych do postaci pojedynczej wymiernej wartości liczbowej. Wyniki komputerowej analizy koksu można skorelować ze wskaźnikami jakości koksu wyznaczonymi w oparciu o testy Nippon Steel Corporation, głównie CRI oraz pośrednio CSR. 6/23

Wybrana metodologia 1. Analiza fraktalna - aplikacja HarFA (ang. Harmonic and Fractal Image Analyzer) Oznaczanie samopodobieństwa tekstury porowatej i tekstur optycznych metodą kolejnych przybliżeń, zwana metodą pudełkową. gdzie: N- liczba pokryć; r- wielkość podziałki; 7/23

Wybrana metodologia 8/23 2. Analiza wektora gradientu barwy szarej - aplikacja „róża kierunków. exe”

Materiał badawczy Kod próbki Testy NSC, % R o, % węgla/ mieszanki węglowej CRICSR Koks z mieszanki 1 34,346,61,07 Koks z mieszanki 2 34,949,31,07 Koks z mieszanki 3 34,152,41,07 Koks z mieszanki 4 34,451,81,07 Koks z mieszanki 5 36,446,21,07 Koks z mieszanki 6 38,638,21,05 Koks z mieszanki 7 36,146,11,05 Koks z mieszanki 8 36,648,81,05 Koks z mieszanki 9 36,151,21,05 Koks z mieszanki 10 36,250,71,05 Koks z mieszanki 11 39,040,31,03 Koks z mieszanki 12 38,840,01,03 Koks z mieszanki 13 36,949,01,03 Koks z mieszanki 14 37,347,61,03 Koks z mieszanki 15 37,149,91,03 Karbonizat 1 72,90,00,78 Karbonizat 2 65,56,30,78 Karbonizat 3 59,317,80,78 Karbonizat 4 53,022,10,78 Karbonizat 5 50,523,50,78 Koks z węgla pojedynczego 1 56,820,20,89 Koks z węgla pojedynczego 2 28,252,51,05 Koks z węgla pojedynczego 3 44,439,71,30 Koks z węgla pojedynczego 4 31,656,21,40 Koks odlewniczy 56,016,0 1,20 Kryteria wyboru próbek: szeroki zakres jakościowy wyrażony CRI i CSR (Karbotest), próbki koksów i karbonizatów, koksy z mieszanek i węgli pojedynczych, koksy z węgli pojedynczych o różnym stopniu uwęglenia, koksy z systemu ubijanego i zasypowego, przemysłowy koks odlewniczy jako materiał o odmiennej naturze do zweryfikowania metody, 9/23 Koks/karbonizat~20 ujęć3-5 segmentów dla każdego typu tekstury5-55 segmentów dla próbkiDo 1100 obrazów w eksperymencie

Postępowanie z obrazem Analiza fraktalna w programie HarFA Analiza wektora gradientu barwy szarej w aplikacji „róża kierunków. exe” D F tx W i = (a-b)/a DFPDFPDFPDFP 10/23

Analiza fraktalna tekstury optycznej █ - tekstury nieuporządkowane lub słabo uporządkowane wg ASTM D █ - tekstury uporządkowane wg ASTM D WZROST WYMIARU LINIOWEGO TEKSTURY wg ASTM D WZROST UPORZĄDKOWANIA STRUKTURY WĘGLOWEJ W OBRĘBIE TEKSTURY OPTYCZNEJ 11/23

Tekstura optyczna jako multifraktal ♦ - koksy ○ - karbonizaty - koks odlewniczy 12/23

Tekstura optyczna jako multifraktal ♦ - koksy ○ - karbonizaty - koks odlewniczy 13/23

Wskaźnik włóknistości tekstur optycznych WZROST WYMIARU LINIOWEGO TEKSTURY wg ASTM D WZROST UPORZĄDKOWANIA STRUKTURY WĘGLOWEJ W OBRĘBIE TEKSTURY OPTYCZNEJ █ - tekstury nieuporządkowane lub słabo uporządkowane wg ASTM D █ - tekstury uporządkowane wg ASTM D /23

Włóknistość tekstury optycznej ♦ - koksy ○ - karbonizaty - koks odlewniczy 15/23

Włóknistość tekstury optycznej ♦ - koksy ○ - karbonizaty - koks odlewniczy 16/23

Relacje wymiarów fraktalnych i wskaźników włóknistości ♦ - koksy ○ - karbonizaty - koks odlewniczy Limit wymiaru fraktalnego dla obiektu płaskiego 17/23

Efekty przeprowadzonych badań określono cechy determinujące stopień uporządkowania krystalitów w obrębie poszczególnych tekstur optycznych możliwych do scharakteryzowania w oparciu o analizę obrazu, opracowano metodę transformowania obrazu mikroskopowego służącą ocenie tekstury optycznej, opierającą się na procesie segmentacji, opracowano metody analizy cech obrazu odpowiedzialnych za jakość koksu, opierając się na analizie fraktalnej oraz komputerowej analizie wektorów gradientu barw, zaproponowano metodę wyznaczania wskaźników obrazowych w taki sposób, by opisywały całą teksturę optyczną w obrębie próbki, w oparciu o prawo addytywności liniowej, które są przydatne w procesie oceny jakości koksu, określono sposób, w jaki wskaźniki obrazowe opisują jakość karbonizatu/koksu. poszerzono zastosowanie obrazowego wskaźnika włóknistości o tekstury optyczne koksów i karbonizatów oraz zaproponowano metodę jego uśredniania. po raz pierwszy, skorelowano ze sobą wyniki pochodzące z dwóch odrębnych technik analizy obrazu płaskiego, różniących się przede wszystkim sposobem postrzegania i oceny cech zawartych na obrazie cyfrowym, w odróżnieniu do prac realizowanych w oparciu o metody instrumentalne oceniające strukturę trójwymiarową. 18/23

Wnioski 1.Po raz pierwszy zdefiniowane dwie wielkości D MF i W x, wyznaczone na drodze analizy obrazu, wiarygodnie odzwierciedlają jakość koksu. 2.Miarodajnymi wskaźnikami oceny stopnia uporządkowania krystalitów w strukturze węglowej są: wymiar fraktalny zmieniający się w zakresie od 2 ≥ D F tx ≥ 1,923 i wskaźnik włóknistości tekstury zmieniający się w zakresie od 0 ≤ W i ≤ 0,474. Wskaźniki obrazowe D F tx i W i jako wartości wzorcowe w sposób izomorficzny określają poziom uporządkowania krystalitów w obrębie tekstur optycznych, lecz trend ich zmian jest przeciwny. 3.Zaproponowano skuteczne scharakteryzowanie poziomu uporządkowania krystalitów w postaci skomplikowanej i nieciągłej tekstury optycznej karbonizatu/koksu przy pomocy pojedynczej bezwymiarowej wartości liczbowej w postaci wymiaru multifraktalnego D MF i średniego wskaźnika włóknistości W x, korzystając z prawa addytywności liniowej. 19/23

Wnioski 4. Wyznaczanie charakterystyk tekstury optycznej w postaci wskaźników obrazowych D MF i W x daje bardzo precyzyjną zależność w bardzo wąskim przedziale zmienności tych wielkości. Zależność liniowa D MF vs. W x odchyla się w obszarze występowania wyników należących do karbonizatów. Przejście z ekstrapolacji liniowej do krzywoliniowej jest jak najbardziej poprawne, ponieważ obiekt płaski o wymiarze fraktalnym D MF = 2 charakteryzuje się brakiem włóknistości W x = Otrzymanie wiarygodnych wyników analizy obrazu jest uzależnione od sposobu przeprowadzenia segmentacji złożonych obrazów tekstury optycznej. 6.Przyjęta metodologia uniemożliwiała wykonanie segmentacji dla tekstur inertnych pochodzenia organicznego (macerały inertne) i nieorganicznego (substancja mineralna), ze względu na ich własną porowatość, zmienną wielkość i ciemną barwę. 7.Fragmentacja skomplikowanych, wieloelementowych obrazów tekstury optycznej w oparciu o zmienność sygnałów cyfrowych, otwiera nowe możliwości w zakresie oceny jakościowej koksów i karbonizatów, dając szansę na rozpowszechnienie tej metody wśród producentów i odbiorców tych materiałów, a w przyszłości otwiera perspektywy na pełne zautomatyzowanie techniki oceny technologicznej koksu w oparciu o analizę obrazu. 20/23

Schemat postępowania 21/23

W pracy wykorzystano wyniki badań realizowanych w ramach projektu kluczowego nr POIG /08 „Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki” dofinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego 22/23

Dziękuję za uwagę! 23/23