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带钢表面缺陷检测
带钢表面缺陷检测
姓名：朱士娟 学号：1110121137
摘要
表面质量的好坏是带钢的一项重要指标，随着科学技术的不断发展，后续加工工业对带钢的表面质量要求越来越高。如何检测出带钢表面缺陷并加以控制，引起带钢生产企业的高度关注。随着计算机视觉技术的发展和计算机性能的不断提高，由带钢图像在线检测其表面质量已成为国内外学者研究的热点课题。在本课题中，首先提出了带钢表面监测系统的总体设计方案，从硬件和软件上保汪系统的实时性和精确度。其次设计一种获得噪声图像的方法，分析图像的噪声特性。并在此基础上针对传统中值滤波算法复杂、处理时间长等缺点，提出一种改进的迭代的中值滤波方法，这种方法在有效滤掉噪声的同时尽可能地保存了图像的细节，并比传统的中值滤波方法大大地减少了处理时间。在对图像进行滤波处理后，本文分别提出了BP神经网络法，区域灰度羞绝对值闽值法和基于背景差分的小区域闽值法三种方法，对带钢表面缺陷进行检测。本文选
取300幅带钢图片进行实验，结果表明这三种方法的漏检率和错判率均在5％以下，且速度至少能达到10毫秒／每帧，满足实时检测系统低漏检率、低错判率和快速检测的要求。其中BP网络检测方法适应性好，可以通过样本学习适应相应的环境变化，并且不但能检测出已知样本的缺陷，而且对未知缺陷样本的检测效果也很好。区域灰度差绝对值检测方法算法简单，运算速度最快，能实现5毫秒／每帧的检测速度。基于背景差分的小区域闽值法除了算法简单，速度快以外，它还能有效地检测出微小的、对比度低的缺陷，并且背景图像的不断更新能使系统适应带钢表面质量的不断变化，使系统能满足不同生产环境的检测需要。通过本论文的研究和探索，使带钢表面监测系统的实用化更前迸一步，为进一步的带钢表面质量在线控制识别奠定了基础。
关键词带钢，图像处理，滤波，缺陷检测
1检测原理
设轧制带钢速度为ν，在钢板的上下表面各安置一套检测装置（图1），在平行于钢板表面且垂直于速度方向处放置一个高强度线光源，光源经过聚焦光学系统照亮钢板表面。根据表面主要缺陷特点可将缺陷分为亮域缺陷（捕捉和识别反光缺陷，如锈蚀、重皮等）和暗域缺陷（捕捉和识别发散光缺陷，如划痕、裂纹及其它表面破损状态），因此分别在亮域和暗域放置线阵CCD进行捕捉。将线阵CCD横向置于钢板上方进行钢板横向扫描，采用光学镜头将钢板某行表面成像在线阵CCD上，完成一维扫描，钢板运行完成另一维扫描，从而构成二维图象。在此不采用面阵CCD的原因为①对于速度较高的板材，无法实现实时在线处理。②面阵CCD的分辨率和视场限制了宽度方向的检测分辨力。
2装置的总体结构
带钢表面缺陷在线智能检测装置由两大部分组成。第一部分是光源-摄像系统,检测产品尺寸、产品质量和所有决定产品质量和生产过程质量的表面缺陷;第二部分是智能系统,确定带钢的质量类别,按照用户规定的验收标准组织发货,并确定为使生产计划调度和过程控制最佳化,应该采取哪些措施,这样就能降低管理成本,提高产品质量,减少因用户异议和索赔所造成的损失。
3 光　源
光源照明的设计目的是在钢板表面得到一条宽度适当、照度足够的均匀光带，考虑到钢板的宽度、材质和缺陷表面特性的差异，用于检测带钢表面缺陷的光源和光控系统应能满足下列要求:可以调节光的照度以提高图像质量;结构紧凑,以便安装在有限的空间内,不仅能按照生产线速度,而且能根据产品表面的光洁度来调节光的照度。实验室试验表明,当带钢线速度达到900m/min以上时,常规高强度萤光管最高输出功率下的最好分辨率为4mm。为了提高分辨率,必须提高光源等级,以便缩短曝光时间。试验还表明,在额定线速度为900m.min时,为使分辨率达到2mm,需要将光线输出强度增加2.6倍以上。

3.1 光源的设计
根据实际情况，选用一种高频荧光灯作为光源，这种荧光灯有一条窄缝不涂荧光粉,由荧光管发射出的光线从窄缝中射出时不必穿过另一层荧光粉,从而使窄缝区的照明效果更好。为了进一步提高从窄缝中射出的光线强度,需要加一个集光器件，减少荧光管射出的光线散布面积，实现高强度宽视场的均匀照明。
4.2　光源控制器
光源控制器是用来控制光源照度的。在实际生产中,带钢线速度经常发生变化,光源所发出的能量也必须做出相应的变化,使摄像系统所获得的图像质量(包括明暗程度、反差和分辨率)保持不变。对光源控制器的要求是能够适应加速度为±10m/s²的速度变化。控制系统的设计是线性的,所以当图像处理器要求有一个特定的照度时,就可以在下一次摄像机扫描过程中准确地达到该照度。
固 体 摄 像器件CCD检测法cc D(c h 呷eCoupldeDeivce)s，即电荷祸合器件，是一种新型的固体成像器件，是近代光电成像领域里非常重要的一种新技术产品。它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，集光电变换、光积分、扫描三种功能于一体。其基本部分由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。固体摄像器件CCD检测原理是用特殊光源(包括荧光管、卤素灯、卤素金属燕汽灯、发光二极管、红外线和紫外线等)以一定方向照射到带钢表面上，CCD摄像机在带钢上扫描成像，扫描所得的图像信号输入计算机，通过图像预处理、图像边缘检测、图像二值化等图像处理方法，提取图像中的特征参数，然后再进行图像识别，判断出是否存在缺陷。189 0年 美 国内朋印公司研制的cCD检测系统，采用柱型透镜进行x、y方向的放大倍数分离，以扩大视场;照明用40kHZ 的高频荧光灯以减小光源周期性变化的影响;摄像器件用当时最新的2048像元线阵ccD，并申请了专利13.l，lo1938 年 在 美国能源部的资助下，Honeywell公司完成了连铸板坯表面在线检测装置的研究。该装置采用线阵CCD器件，通过增加CCD芯片的有效像元数和提高其帧转移速率，并采用先进的数字图像处理部件，使该装置能可靠地检出微细的表面缺陷。该项研究工作对于带钢表面质量检测系统的指导意义在于确立了线阵CCD图像传感系统、专用图像阵列处理机的体系结构、基于树分类器和句法模式识别理
论的缺陷分类器设计思想及自动检测过程的离线数字仿真等技术路线的主流地位。1968 年 在 美国钢铁协会(AlsD的资助下，ewstinghoues公司和EastmanKdoak公司提出了各自的系统解决方案，其中westingho嫂系统采用线阵ccD摄像机和高强度的线光源监视运动带钢表面，在最高带速和最大带宽下可提供17minx2.3Inm 的横、纵向缺陷分辨率。与此同时，意大利centrosvil叩poMaterial公司在欧洲煤钢联营伍csc)的资助下，研制出用于不锈钢表面检测的实验样机，该系统的特点是:可同时进行带钢上下表面的自动检测，通过设置边部检测摄像机可以进行带钢自动宽度测量和孔洞检测，但是其可识别的缺陷相对较少，并且不具备对周期性缺陷的检出能力[网.意大利slpAR公司开发成功的CCD带钢表面缺陷检测系统，当采用一个2596个像素的线阵CCD摄像机时，它的最大扫描速度为7716次角，对1300min宽的带钢，移动速度最高为4耐5时，分辨率约为0.SInln xo.5nun ;当采用一个1728像素的线性CCD摄像机扫描速度为1100次角，对移动速度为10n口5、170011111宽的带钢，其检测分辨率约1.OlUnxl.Omm，该系统用计算机将采集的数据与一个有预置程序的缺陷数据库进行比较，从而判断出缺陷的种类和性质。缺陷图像可以进行缩放、平移、
滚动、增强反差、增添色彩，还具有通信和打印等功能，几19 1年 在 荷兰Hogovens钢铁公司热轧生产线投入试运行ectronl。System侄Es)系统能在热连轧的恶劣环境和高带速下，实时地提供高清晰度的带钢上下两表面无遗漏的缺陷图像，其在最大带宽和最高带速下具有1.02nu”xZ.03Inm 的横纵向检测分辨率。EES系统具有突出的实用性能，采用双总线结构，即VME总线和高速数据总线。其中，VME总线支持指令、控制和低速数据，高速数据总线提供高速数据的传输。ES系统中最有成效的研究工作在于对环境的有效适应能力:通过在摄像机前端安装滤光片，可有效滤除热态带钢表面辐射出的红外光对检测光学系统的千扰;对CCD摄像机进行了循环水冷却，并对照明光源采取了通风散热措施:为彻底消除带钢辐射热对检测系统前端装置的直接影响，在距离F7精轧机架出口侧12m处单独设置一个密闭的现场仪表总站，并将CCD摄像机和照明光源安装于总站内部;在该仪表站下方设置了多个空气喷嘴来清除带钢表面的蒸汽、水滴、油污及灰尘等杂质，以便更加有效地进行光学检测。美 国C o9 】ex公司先后研制成功了15一00自动检测系统和ILe田旧自学习分类器软件系统。通过此两套系统的无缝连接，整体系统可以提供80GOPS的运算性能，并有效的改善了传统自学习分类方法在算法执行速度、数据实时吞吐量、样本训练集规模及模式特征自动选择等方面的不足之处19夕0!。
15一 20 0系 统于194年8月在美国LTV钢铁公司的镀锌生产线上投入实际运行，
其功能全面完善，属于目前最先进的带钢表面自动检测系统，在一定程度上代自动检测系统今后的发展趋势。15一00系统框图如图1.5所示，在带钢上下表面分别设置工作于明域和暗域的各两台CCD摄像机，以增加缺陷检出的数量;在摄像机习D变换单元中有自动增益校正(AGC)功能，并在摄像机数字接口部件中配置了自适应的规格化器，可动态补偿照明光源的不均匀和衰变的特性及带钢表面反射光的不规则;综合运用了多只阀值化器，这些算法分别适用于各自特定的缺陷类型，并可编程为固定的和自适应的运行模式，其综合效果可将缺陷检测阀值严格控制在带钢正常表面像素值偏差的1.0倍至1.6倍;提出了一个实用的自动分类系统iLearn ，
该系统运行于一个专用处理器上，可以保证在全轧制速度下实时地完成分类任务。

带钢表面缺陷检测的意义：
l) 抽检率低，不能真实可靠地反映带钢表面的质量状况，很难检测到尤其是对于轧制过程中产生的大量非周期缺陷极有可能造成漏检。
2) 缺乏检测的一致性、科学性.主要依赖检测人员的主观判断，由于不同质检人员经验水平不同，对同一缺陷会得出不同的判断，导致缺陷种类、级别不准，从而降低了检测的可信度。
(3) 检测 环 境恶劣枯燥，对人的身心危害很大，检测人员的劳动强度大，极易疲乏，容易造成误判和漏检。
(4) 果在前期工序中不能检测出某些严重的表面缺陷，势必将其引入后续工序，这可能导致整批带卷的重加工甚至报废。
(5) 提高产品售后服务水平。由于产品质量检查全凭人眼，没有产品全部长度的缺陷状况资料，因此产品质量等级不精确，售后服务困难。因 此 ，表 面质量检测己经成为带钢生产企业提高产品质量和产量的瓶颈。实现对带钢表面缺陷进行非人工的连续准确的检测、缺陷分类和记录，并加以实时控制，对于提高生产效率和产品质量，从而提高企业竞争力将起到非常积极的作用。具体来说，实现带钢表面缺陷准确自动的检测具有如下意义:
(1 改进轧制过程，提高生产质量.从检测信息中提取和挖掘出对生产和销售有用的信息，对评估产品质量有着极强的说服力。利用缺陷信息还可以分析缺陷产生原因，及时有效地排除异常情况，改进轧制和生产过程，从而真正制造出合格的产品。
(2 减少贸易争执，维护企业信誉。国内钢铁企业的带钢产品因表面质量问题而被索赔，进而导致商务纠纷的事件近年来时有发生，给企业造成了很大的经济损失，也使企业形象受到严重伤害。因此，实现带钢表面缺陷自动检测，提高产品表面质量，为用户提供优质的带钢产品，不仅仅是减少赔偿、减少浪费的问题，而是维护企业形象和信誉的重大问题。目前 ， 由 于受带钢生产线的实际情况、经费和技术力量所限，国内带钢表面缺陷检测的研究起步晚，并且进展缓慢。国外一些大型钢铁企业和研究院所投入大量的人力和资金，在带钢表面缺陷检测技术研究和检测装置开发方面已经取得了较大的进展。带钢表面缺陷检测设备的生产实际应用已使某些企业带钢产品的质量得到了极大提高，经营利润大大增加。如韩国浦项制铁公司的冷轧钢板表面缺陷检测系统，可以在轧制速度为5111八的情况下，检测最小尺寸为0.srnl”x0.51llll的钢板孔洞、
鳞皮、表面分层等表面缺陷，极大的提高了其带钢产品的质量。而国内采用带钢表面缺陷检测装置的厂家极少。

参 考 文 献
1、 吴平川，路同浚，王炎等．带钢表面自动检测系统研究现状与展望．钢铁，2000，
2、 陈 妍．冷轧带钢表面缺陷智能检测技术的发展．鞍钢技术，1998，
3、 胡亮，段发阶，丁克勤等，带钢表面缺陷计算机视觉在线检测系统的设计．无损检测，2003，
4、 吴平川，路同浚，王炎等．机械视觉与钢板表面缺陷的无损检测．无损检测，2000，

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