帶鋼表面缺陷檢測(cè)

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1、 帶鋼表面缺陷檢測(cè) 姓名：朱士娟 學(xué)號(hào)：1110121137 表面質(zhì)量的好壞是帶鋼的一項(xiàng)重要指標(biāo)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，后續(xù)加工 工業(yè)對(duì)帶鋼的表面質(zhì)量要求越來越高。如何檢測(cè)出帶鋼表面缺陷并加以控制， 引起帶鋼生產(chǎn)企業(yè)的高度關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的不 斷提高，由帶鋼圖像在線檢測(cè)其表面質(zhì)量已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。 在本課題中，首先提出了帶鋼表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，從硬件和軟件上 保汪系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確度。其次設(shè)計(jì)一種獲得噪聲圖像的方法，分析圖像的 噪聲特性。并在此基礎(chǔ)上針對(duì)傳統(tǒng)中值濾波算法復(fù)雜、處理時(shí)間長等缺點(diǎn)，提 出一種改進(jìn)的迭代的中值濾波方法

2、，這種方法在有效濾掉噪聲的同時(shí)盡可能地 保存了圖像的細(xì)節(jié)，并比傳統(tǒng)的中值濾波方法大大地減少了處理時(shí)間。在對(duì)圖 像進(jìn)行濾波處理后，本文分別提出了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，區(qū)域灰度羞絕對(duì)值閩值法 和基于背景差分的小區(qū)域閩值法三種方法，對(duì)帶鋼表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。本文選 取300幅帶鋼圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明這三種方法的漏檢率和錯(cuò)判率均在5％以 下，且速度至少能達(dá)到10毫秒／每幀，滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)低漏檢率、低錯(cuò)判率 和快速檢測(cè)的要求。其中BP網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法適應(yīng)性好，可以通過樣本學(xué)習(xí)適應(yīng)相 應(yīng)的環(huán)境變化，并且不但能檢測(cè)出已知樣本的缺陷，而且對(duì)未知缺陷樣本的檢 測(cè)效果也很好。區(qū)域灰度差絕對(duì)值檢測(cè)方法算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度最

3、快，能實(shí)現(xiàn)5 毫秒／每幀的檢測(cè)速度?；诒尘安罘值男^(qū)域閩值法除了算法簡(jiǎn)單，速度快 以外，它還能有效地檢測(cè)出微小的、對(duì)比度低的缺陷，并且背景圖像的不斷更 新能使系統(tǒng)適應(yīng)帶鋼表面質(zhì)量的不斷變化，使系統(tǒng)能滿足不同生產(chǎn)環(huán)境的檢測(cè) 需要。通過本論文的研究和探索，使帶鋼表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用化更前迸一步， 為進(jìn)一步的帶鋼表面質(zhì)量在線控制識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞帶鋼，圖像處理，濾波，缺陷檢測(cè) 1 檢測(cè)原理 設(shè)軋制帶鋼速度為V,在鋼板的上下表面各安置一套檢測(cè)裝置（圖1）,在 平行于鋼板表面且垂直于速度方向處放置一個(gè)高強(qiáng)度線光源，光源經(jīng)過聚焦光 學(xué)系統(tǒng)照亮鋼板表面。根據(jù)表面主要缺陷特點(diǎn)可將缺陷分為亮域缺

4、陷（捕捉和 識(shí)別反光缺陷，如銹蝕、重皮等）和暗域缺陷（捕捉和識(shí)別發(fā)散光缺陷，如劃 痕、裂紋及其它表面破損狀態(tài)），因此分別在亮域和暗域放置線陣 CCD 進(jìn)行捕 捉。將線陣CCD橫向置于鋼板上方進(jìn)行鋼板橫向掃描，采用光學(xué)鏡頭將鋼板某 行表面成像在線陣 CCD 上，完成一維掃描，鋼板運(yùn)行完成另一維掃描，從而構(gòu) 成二維圖象。在此不采用面陣CCD的原因?yàn)棰賹?duì)于速度較高的板材，無法實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)在線處理。②面陣CCD的分辨率和視場(chǎng)限制了寬度方向的檢測(cè)分辨力。 2 裝置的總體結(jié)構(gòu) 帶鋼表面缺陷在線智能檢測(cè)裝置由兩大部分組成。第一部分是光源-攝像系 統(tǒng),檢測(cè)產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品質(zhì)量和所有決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過

5、程質(zhì)量的表面缺陷; 第二部分是智能系統(tǒng),確定帶鋼的質(zhì)量類別,按照用戶規(guī)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)貨, 并確定為使生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度和過程控制最佳化,應(yīng)該采取哪些措施,這樣就能降低 管理成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,減少因用戶異議和索賠所造成的損失。 3 光 源 光源照明的設(shè)計(jì)目的是在鋼板表面得到一條寬度適當(dāng)、照度足夠的均勻光 帶，考慮到鋼板的寬度、材質(zhì)和缺陷表面特性的差異，用于檢測(cè)帶鋼表面缺陷 的光源和光控系統(tǒng)應(yīng)能滿足下列要求:可以調(diào)節(jié)光的照度以提高圖像質(zhì)量;結(jié)構(gòu) 緊湊,以便安裝在有限的空間內(nèi),不僅能按照生產(chǎn)線速度,而且能根據(jù)產(chǎn)品表面的 光潔度來調(diào)節(jié)光的照度。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明,當(dāng)帶鋼線速度達(dá)到 900m/min 以

6、上時(shí), 常規(guī)高強(qiáng)度螢光管最高輸出功率下的最好分辨率為4mm。為了提高分辨率，必須 提高光源等級(jí),以便縮短曝光時(shí)間。試驗(yàn)還表明,在額定線速度為 900m.min 時(shí), 為使分辨率達(dá)到2mm,需要將光線輸出強(qiáng)度增加2.6倍以上。 3.1 光源的設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際情況，選用一種高頻熒光燈作為光源，這種熒光燈有一條窄縫不 涂熒光粉,由熒光管發(fā)射出的光線從窄縫中射出時(shí)不必穿過另一層熒光粉,從而 使窄縫區(qū)的照明效果更好。為了進(jìn)一步提高從窄縫中射出的光線強(qiáng)度,需要加一 個(gè)集光器件，減少熒光管射出的光線散布面積，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度寬視場(chǎng)的均勻照明。 4.2 光源控制器 光源控制器是用來控制光源照度的。在實(shí)際生產(chǎn)中

7、,帶鋼線速度經(jīng)常發(fā)生變 化,光源所發(fā)出的能量也必須做出相應(yīng)的變化,使攝像系統(tǒng)所獲得的圖像質(zhì)量（包 括明暗程度、反差和分辨率）保持不變。對(duì)光源控制器的要求是能夠適應(yīng)加速度 為±10m/s2的速度變化?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是線性的，所以當(dāng)圖像處理器要求有一 個(gè)特定的照度時(shí),就可以在下一次攝像機(jī)掃描過程中準(zhǔn)確地達(dá)到該照度。 固體攝像器件CCD檢測(cè)法cc D（c h呷eCoupldeDeivce）s，即電荷禍合 器件，是一種新型的固體成像器件，是近代光電成像領(lǐng)域里非常重要的一種新 技術(shù)產(chǎn)品。它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電路芯片， 集光電變換、光積分、掃描三種功能于一體。其基本部分由

8、MOS 光敏元陣列和 讀出移位寄存器組成。固體攝像器件CCD檢測(cè)原理是用特殊光源（包括熒光管、 鹵素?zé)?、鹵素金屬燕汽燈、發(fā)光二極管、紅外線和紫外線等）以一定方向照射到 帶鋼表面上， CCD 攝像機(jī)在帶鋼上掃描成像，掃描所得的圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)， 通過圖像預(yù)處理、圖像邊緣檢測(cè)、圖像二值化等圖像處理方法，提取圖像中的 特征參數(shù)，然后再進(jìn)行圖像識(shí)別，判斷出是否存在缺陷。 189 0年 美 國內(nèi)朋 印公司研制的cCD檢測(cè)系統(tǒng)，采用柱型透鏡進(jìn)行x、y方向的放大倍數(shù)分離，以 擴(kuò)大視場(chǎng);照明用 40kHZ 的高頻熒光燈以減小光源周期性變化的影響;攝像器件 用當(dāng)時(shí)最新的2048像元線陣ccD，并申請(qǐng)了專利13

9、.1, 101938年 在 美國能 源部的資助下， Honeywell 公司完成了連鑄板坯表面在線檢測(cè)裝置的研究。該 裝置采用線陣 CCD 器件，通過增加 CCD 芯片的有效像元數(shù)和提高其幀轉(zhuǎn)移速率 并采用先進(jìn)的數(shù)字圖像處理部件，使該裝置能可靠地檢出微細(xì)的表面缺陷。該 項(xiàng)研究工作對(duì)于帶鋼表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的指導(dǎo)意義在于確立了線陣CCD圖像傳 感系統(tǒng)、專用圖像陣列處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、基于樹分類器和句法模式識(shí)別理 論的缺陷分類器設(shè)計(jì)思想及自動(dòng)檢測(cè)過程的離線數(shù)字仿真等技術(shù)路線的主流地 位。1968年在美國鋼鐵協(xié)會(huì)（AlsD的資助下，ewstinghoues公司和 Eas tmanKdoak公司提出了

10、各自的系統(tǒng)解決方案，其中wes tingho嫂系統(tǒng)采用線陣 ccD攝像機(jī)和咼強(qiáng)度的線光源監(jiān)視運(yùn)動(dòng)帶鋼表面，在最咼帶速和最大帶寬下可提 供17minx2.3Inm的橫、縱向缺陷分辨率。與此同時(shí)，意大利centrosvil叩 poMaterial公司在歐洲煤鋼聯(lián)營伍csc）的資助下，研制出用于不銹鋼表面檢測(cè) 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是:可同時(shí)進(jìn)行帶鋼上下表面的自動(dòng)檢測(cè)，通過設(shè)置 邊部檢測(cè)攝像機(jī)可以進(jìn)行帶鋼自動(dòng)寬度測(cè)量和孔洞檢測(cè)，但是其可識(shí)別的缺陷 相對(duì)較少，并且不具備對(duì)周期性缺陷的檢出能力［網(wǎng)?意大利slpAR公司開發(fā)成功 的CCD帶鋼表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)采用一個(gè)2596個(gè)像素的線陣CCD攝像機(jī)時(shí)

11、，它 的最大掃描速度為7716次角，對(duì)1300mi n寬的帶鋼，移動(dòng)速度最高為4耐5時(shí)，分 辨率約為O.SInln xo.5nun ;當(dāng)采用一個(gè)1728像素的線性CCD攝像機(jī)掃描速度為 1100次角，對(duì)移動(dòng)速度為10 n 口 5、170011111寬的帶鋼，其檢測(cè)分辨率約 ，該系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)與一個(gè)有預(yù)置程序的缺陷數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行比較，從而判斷出缺陷的種類和性質(zhì)。缺陷圖像可以進(jìn)行縮放、平移、 滾動(dòng)、增強(qiáng)反差、增添色彩，還具有通信和打印等功能，幾19 1年 在 荷蘭 Hogovens鋼鐵公司熱軋生產(chǎn)線投入試運(yùn)行ectronl。System侄Es）系統(tǒng)能在熱連 軋的惡劣環(huán)境和高帶速下，實(shí)時(shí)地提

12、供高清晰度的帶鋼上下兩表面無遺漏的缺 陷圖像，其在最大帶寬和最高帶速下具有1.02nu” xZ.03Inm的橫縱向檢測(cè)分辨 率。EES系統(tǒng)具有突出的實(shí)用性能，采用雙總線結(jié)構(gòu)，即VME總線和高速數(shù)據(jù)總 線。其中，VME總線支持指令、控制和低速數(shù)據(jù)，高速數(shù)據(jù)總線提供高速數(shù)據(jù)的 傳輸。ES系統(tǒng)中最有成效的研究工作在于對(duì)環(huán)境的有效適應(yīng)能力:通過在攝像機(jī) 前端安裝濾光片，可有效濾除熱態(tài)帶鋼表面輻射出的紅外光對(duì)檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的 千擾；對(duì)CCD攝像機(jī)進(jìn)行了循環(huán)水冷卻，并對(duì)照明光源采取了通風(fēng)散熱措施:為徹 底消除帶鋼輻射熱對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)前端裝置的直接影響，在距離F7精軋機(jī)架出口側(cè) 12m處單獨(dú)設(shè)置一個(gè)密閉的現(xiàn)場(chǎng)儀表

13、總站，并將CCD攝像機(jī)和照明光源安裝于總 站內(nèi)部;在該儀表站下方設(shè)置了多個(gè)空氣噴嘴來清除帶鋼表面的蒸汽、水滴、油 污及灰塵等雜質(zhì)，以便更加有效地進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。美國C o9】ex公司先后研 制成功了 15—00自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和ILe田舊自學(xué)習(xí)分類器軟件系統(tǒng)。通過此兩套系 統(tǒng)的無縫連接，整體系統(tǒng)可以提供80GOPS的運(yùn)算性能，并有效的改善了傳統(tǒng)自 學(xué)習(xí)分類方法在算法執(zhí)行速度、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)吞吐量、樣本訓(xùn)練集規(guī)模及模式特征 自動(dòng)選擇等方面的不足之處19夕0!。 15 — 20 0系統(tǒng)于194年8月在美國LTV鋼鐵公司的鍍鋅生產(chǎn)線上投入實(shí)際運(yùn)行， 其功能全面完善，屬于目前最先進(jìn)的帶鋼表面自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在一定

14、程度上代 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)。15一00系統(tǒng)框圖如圖1.5所示，在帶鋼上下表面 分別設(shè)置工作于明域和暗域的各兩臺(tái)CCD攝像機(jī)，以增加缺陷檢出的數(shù)量;在攝 像機(jī)習(xí)D變換單元中有自動(dòng)增益校正(AGC)功能，并在攝像機(jī)數(shù)字接口部件中配 置了自適應(yīng)的規(guī)格化器，可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償照明光源的不均勻和衰變的特性及帶鋼表 面反射光的不規(guī)則; 綜合運(yùn)用了多只閥值化器，這些算法分別適用于各自特定的 缺陷類型，并可編程為固定的和自適應(yīng)的運(yùn)行模式，其綜合效果可將缺陷檢測(cè) 閥值嚴(yán)格控制在帶鋼正常表面像素值偏差的1.0倍至1.6倍;提出了一個(gè)實(shí)用的自 動(dòng)分類系統(tǒng)iLearn ， 該系統(tǒng)運(yùn)行于一個(gè)專用處理器上，可以保證在

15、全軋制速度下實(shí)時(shí)地完成分 類任務(wù)。 帶鋼表面缺陷檢測(cè)的意義： l) 抽檢率低，不能真實(shí)可靠地反映帶鋼表面的質(zhì)量狀況，很難檢測(cè)到尤其是對(duì) 于軋制過程中產(chǎn)生的大量非周期缺陷極有可能造成漏檢。 (2) 缺乏檢測(cè)的一致性、科學(xué)性.主要依賴檢測(cè)人員的主觀判斷，由于不同質(zhì)檢 人員經(jīng)驗(yàn)水平不同，對(duì)同一缺陷會(huì)得出不同的判斷，導(dǎo)致缺陷種類、級(jí)別不準(zhǔn)， 從而降低了檢測(cè)的可信度。 (3) 檢測(cè) 環(huán) 境惡劣枯燥，對(duì)人的身心危害很大，檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，極 易疲乏，容易造成誤判和漏檢。 (4) 果在前期工序中不能檢測(cè)出某些嚴(yán)重的表面缺陷，勢(shì)必將其引入后續(xù)工序， 這可能導(dǎo)致整批帶卷的重加工甚至報(bào)廢。

16、 (5) 提高產(chǎn)品售后服務(wù)水平。由于產(chǎn)品質(zhì)量檢查全憑人眼，沒有產(chǎn)品全部長度 的缺陷狀況資料，因此產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)不精確，售后服務(wù)困難。因 此 ，表 面質(zhì) 量檢測(cè)己經(jīng)成為帶鋼生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼表面缺 陷進(jìn)行非人工的連續(xù)準(zhǔn)確的檢測(cè)、缺陷分類和記錄，并加以實(shí)時(shí)控制，對(duì)于提 高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力將起到非常積極的作用。具體來 說，實(shí)現(xiàn)帶鋼表面缺陷準(zhǔn)確自動(dòng)的檢測(cè)具有如下意義: (1 改進(jìn)軋制過程，提高生產(chǎn)質(zhì)量 . 從檢測(cè)信息中提取和挖掘出對(duì)生產(chǎn)和銷售有 用的信息，對(duì)評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量有著極強(qiáng)的說服力。利用缺陷信息還可以分析缺陷 產(chǎn)生原因，及時(shí)有效地排除異常情況，改進(jìn)軋

17、制和生產(chǎn)過程，從而真正制造出 合格的產(chǎn)品。 (2 減少貿(mào)易爭(zhēng)執(zhí)，維護(hù)企業(yè)信譽(yù)。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的帶鋼產(chǎn)品因表面質(zhì)量問題而 被索賠，進(jìn)而導(dǎo)致商務(wù)糾紛的事件近年來時(shí)有發(fā)生，給企業(yè)造成了很大的經(jīng)濟(jì) 損失，也使企業(yè)形象受到嚴(yán)重傷害。因此，實(shí)現(xiàn)帶鋼表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)，提高 產(chǎn)品表面質(zhì)量，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的帶鋼產(chǎn)品，不僅僅是減少賠償、減少浪費(fèi)的 問題，而是維護(hù)企業(yè)形象和信譽(yù)的重大問題。目前 ， 由 于受帶鋼生產(chǎn)線的實(shí) 際情況、經(jīng)費(fèi)和技術(shù)力量所限，國內(nèi)帶鋼表面缺陷檢測(cè)的研究起步晚，并且進(jìn) 展緩慢。國外一些大型鋼鐵企業(yè)和研究院所投入大量的人力和資金，在帶鋼表 面缺陷檢測(cè)技術(shù)研究和檢測(cè)裝置開發(fā)方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展

18、。帶鋼表面缺 陷檢測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用已使某些企業(yè)帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量得到了極大提高，經(jīng) 營利潤大大增加。如韓國浦項(xiàng)制鐵公司的冷軋鋼板表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，可以在 軋制速度為5111八的情況下，檢測(cè)最小尺寸為O.srnl” xO.511111的鋼板孔洞、 鱗皮、表面分層等表面缺陷，極大的提高了其帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。而國內(nèi)采用帶 鋼表面缺陷檢測(cè)裝置的廠家極少。 參考文獻(xiàn) 1、 吳平川，路同浚，王炎等．帶鋼表面自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望．鋼鐵，2000， 2、 陳 妍．冷軋帶鋼表面缺陷智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展．鞍鋼技術(shù)，1998， 3、 胡亮，段發(fā)階，丁克勤等，帶鋼表面缺陷計(jì)算機(jī)視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．無損檢測(cè)，2003， 4、 吳平川，路同浚，王炎等．機(jī)械視覺與鋼板表面缺陷的無損檢測(cè)．無損檢測(cè)，2000，