基于計(jì)算機(jī)視覺寶鋼熱軋鋼卷端面質(zhì)量檢測技術(shù)

1、基于計(jì)算機(jī)視覺的寶鋼熱軋鋼卷端面質(zhì)量檢測技術(shù)中國科學(xué)院微電子研究所中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心江蘇中科貫微自動化科技有限公司寶鋼集團(tuán)有限公司熱軋廠功能概述與應(yīng)用領(lǐng)域      利用工業(yè)相機(jī)對被檢測的鋼卷兩側(cè)端面進(jìn)行圖像采集，將采集的圖像傳輸至圖像處理卡中進(jìn)行算法處理，將處理后的結(jié)果同步到控制端，由控制端控制相應(yīng)的機(jī)械裝置將合格品及不合格品分別輸送到不同的地方，由此實(shí)現(xiàn)鋼卷端面質(zhì)量檢測的自動化控制。       應(yīng)用領(lǐng)域包括：直徑1.01.6米的鋼卷端面的質(zhì)量檢測?？傮w設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵

2、模塊       基于計(jì)算機(jī)視覺的鋼卷端面質(zhì)量檢測系統(tǒng)，是典型的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)視覺、精密測量、自動控制等多學(xué)科交叉。整個系統(tǒng)在包括如下四個部分：       （1）機(jī)械與電氣系統(tǒng)：包括相機(jī)移動系統(tǒng)、動力輸送系統(tǒng)及分類系統(tǒng)等;       （2）圖像采集與智能處理系統(tǒng)：包括高分辨率視覺圖像采集系統(tǒng)、基于高速多核DSP的圖像處理處理系統(tǒng)。由于鋼卷直徑較大，我們分別采用兩臺相機(jī)采集每

3、側(cè)端面的圖像；       （3）上位機(jī)管理系統(tǒng)：包括參數(shù)配置、系統(tǒng)標(biāo)定、狀態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)庫管理等功能。解決的關(guān)鍵核心技術(shù)基于多核DSP TMS320C6678的圖像采集與處理硬件系統(tǒng)       視覺系統(tǒng)由德國BASLER ACE系列高速高分辨率CCD相機(jī)、中國物聯(lián)網(wǎng)中心/中國科學(xué)院微電子研究所信息識別與系統(tǒng)控制研究中心研制的多核DSP TMS320C6678處理板卡FMC6678組成，用于對視覺圖像進(jìn)行采集與實(shí)時處理。相機(jī)通過千兆網(wǎng)接口（Gige）將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸至多

4、核DSP處理板卡，處理板卡對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，處理分析結(jié)果通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至分選模塊。       FMC6678板卡上的DSP芯片采用的是美國德州儀器（Texas Instruments，簡稱TI）公司的TMS320C6678多核定點(diǎn)/浮點(diǎn)處理器，該處理器采用KeyStone架構(gòu)，由8個C66X的DSP核組成，每個核工作頻率高達(dá)1.25 GHz，具有32 KB的L1P，32KB的L1D和512 KB的L2 Cache。片內(nèi)集成了一個4 MB L2或L3的共享SRAM，供核與核之間數(shù)據(jù)交互使用。C6678還提供一個64bit的D

5、DR3控制器EMIF接口，可以外接DDR3-1600，支持ECC校驗(yàn)，其性能、功耗和體積適合用于高分辨率高速圖像的實(shí)時處理，板卡的主要技術(shù)特性為：     ·  512 MB DDR3-1333存儲器。     ·  64MB EMIF NAND Flash存儲器。     ·  16MB SPI NOR FLASH存儲器。     &#

6、183;  128KB I2C EEPROM for booting。     ·  2個千兆網(wǎng)絡(luò)接口，每路帶寬60MB/s。     ·  一路RS485接口，可配置成RS232接口。     ·  4位用戶撥碼開關(guān)。     ·  6個LED指示燈。    

7、0;·  3個復(fù)位按鍵。     ·  3輸入、3輸出帶光耦隔離的IO口。     ·  HyperLink - 50Gbaud Operation，全雙工。     ·  調(diào)試接口：60pin EMU和20pin JTAG，支持XDS560v2、XDS560、XDS510等仿真器。     · 

8、LPC-FMC擴(kuò)展接口。基于計(jì)算機(jī)視覺的鋼卷端面質(zhì)量檢測分析技術(shù)      在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，視覺檢測系統(tǒng)釆集獲取的圖像會參雜大量的噪聲,影響圖像質(zhì)量,破壞圖像的真實(shí)性,對后續(xù)處理帶來很大影響。所以首先我們分析圖像中噪聲的來源，以有效去除圖片中的噪聲，然后將同一相機(jī)采集的兩幅圖像拼接為一幅含有完整的鋼卷端面的圖像，再進(jìn)行鋼卷端面的各種缺陷檢測、度量。       視覺檢測流程如下圖所示：(1)圖像去噪      經(jīng)分

9、析，在鋼卷生產(chǎn)線上噪聲源主要來源于外界環(huán)境(機(jī)械振動、光照條件、電磁干擾、高溫大氣擾動等)、CCD內(nèi)部(電噪聲、熱噪聲)、圖像線纜傳輸過程。噪聲類型復(fù)雜。      由于鋼卷端面圖像是一種含有較多細(xì)節(jié)信息的紋理圖像,如果不對噪聲信息進(jìn)行濾除處理,在圖像拼接處理過程中將嚴(yán)重影響圖像拼接特征點(diǎn)的尋找，可能導(dǎo)致部分特征點(diǎn)誤匹配，從而造成圖像誤拼接。此外，噪聲的存在也不利于鋼卷端面表面缺陷的識別、定位,勢必造成缺陷誤判或漏判,因此,需尋找一種既能有效去除混合噪聲又能保留鋼卷端面表面紋理細(xì)節(jié)信息的有效去噪方法，并且去噪后的圖像清晰，去噪過程處理

10、時間要短、效率高。       為達(dá)到上述目的，本系統(tǒng)利用中值濾波和小波去噪去除混合噪聲。(2)圖像拼接      鋼卷端面圖像經(jīng)過去噪之后，需要將同一相機(jī)拍攝的兩張圖像拼接起來，得到含有完整的鋼卷端面的圖像。圖像拼接的質(zhì)量直接影響后續(xù)檢測的準(zhǔn)確度。因此，對于鋼卷端面圖像的拼接需達(dá)到如下要求：     · 無縫拼接,拼接的圖像精度需要達(dá)到亞像素級。影響圖像拼接算法精度的因素有很多,必須重點(diǎn)考慮加以分別對待,

11、如紋理圖像的特性、圖像的變形模型、圖像的采集條件、圖像配準(zhǔn)的方法、隨機(jī)因素等都會影響到最終的圖像拼接質(zhì)量和效果；鋼卷端面序列圖像能夠?qū)崿F(xiàn)無縫自動拼接,即要求自動確定相鄰圖像重疊區(qū)域、配準(zhǔn)位置、圖像融合等功能；      · 計(jì)算的復(fù)雜度低。在工業(yè)現(xiàn)場作業(yè)中,實(shí)時性要求高,作為圖像拼接算法,只有計(jì)算的復(fù)雜度低,計(jì)算量較少才能降低拼接的時間消耗,達(dá)到實(shí)時高效的目的。在保證圖像拼接質(zhì)量和其它方面的要求前提下,必須選擇合適的算法和簡化方法以大大降低計(jì)算的復(fù)雜度；     &

12、#183; 算法的魯棒性強(qiáng)。該算法必須適應(yīng)于在輸入的圖像數(shù)據(jù)包含了噪聲的情況下也能得到正確的輸出結(jié)果。因?yàn)閳D像去噪算法不可能完全的消除噪聲。判斷圖像拼接算法的魯棒性好壞,可從重疊區(qū)域確定算法、圖像配準(zhǔn)定位算法和圖像融合算法三方面進(jìn)行考核。      由于鋼卷端面具有規(guī)則的紋理，并且紋理信息不易受外界光照條件的影響而產(chǎn)生劇烈的變化,因此紋理信息相比灰度信息具有抗灰度和幾何畸變能力強(qiáng)的特點(diǎn),利用紋理信息作為特征應(yīng)用于圖像拼接中可獲得更加可靠的穩(wěn)定性。此外，由于相機(jī)相對于鋼卷運(yùn)輸方向固定，拼接算法不需要考慮圖像旋轉(zhuǎn)、尺度問題，且事

13、先可知圖像中大致的拼接位置。       因此，本系統(tǒng)采用了基于區(qū)域匹配的圖像拼接算法，然后將兩幅圖像的匹配區(qū)域線性疊加在一起實(shí)現(xiàn)圖像融合。(3)扁卷檢測和內(nèi)徑長度測量      扁卷體現(xiàn)在拼接后的圖像上，即是鋼卷內(nèi)徑成橢圓狀。所以檢測鋼卷扁卷，可通過檢測鋼卷端面內(nèi)輪廓是否為圓形來判定。而鋼卷端面的內(nèi)徑長度也可以通過內(nèi)輪廓線來給出。為實(shí)現(xiàn)這一功能，首先需要提取鋼卷端面的內(nèi)輪廓曲線。由于鋼卷端面為具有規(guī)律的紋理，所以我們利用這個信息將圖像分割為鋼卷端面區(qū)域和背景區(qū)域。這里面的技

14、術(shù)涉及圖像分割、連通區(qū)域分析、輪廓線精確定位等技術(shù)。(4)表面缺陷檢測        正常鋼卷端面紋理灰度分布規(guī)律，具有良好的頻率特性和方向特性。而在缺陷部位，如下圖所示：               邊裂              

15、60;                  邊損                                

16、   毛刺               松卷                               &#

17、160; 折疊                                   鋸齒裂      由上圖可知，鋼卷端面的頻率規(guī)律被破壞。比如，相對于正常區(qū)域的紋理頻率，有“邊裂”、“毛刺

18、”、“鋸齒列”的區(qū)域的紋理頻率增大；有“邊損”、“松卷”的區(qū)域的紋理頻率降低；有“折疊”的區(qū)域頻率信息雖更為復(fù)雜，但是頻率信息與正常區(qū)域也有很大不同。根據(jù)這些特性，我們通過建立正常和不正常區(qū)域的樣本庫，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練分類器，來檢測缺陷區(qū)域。達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)      本系統(tǒng)是我國第一臺實(shí)現(xiàn)鋼卷端面質(zhì)量檢測的系統(tǒng)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，形成了穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。具體來說，本產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：      功能齊全：具有數(shù)據(jù)庫管理功能，用戶可以通過自定義查詢方式對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和打??；具有歷史數(shù)據(jù)分析功能，提供一段時期內(nèi)鋼卷的合格率、各種缺陷類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，以提醒用戶是否存在生產(chǎn)工藝上的異常；  &