基于機器視覺技術的鋼板表面質量檢測系統(tǒng)分析

高冰，賈吉祥，柴明亮，王靖震，費靜

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鋼鐵冶金工業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，雖然中國是鋼鐵生產大國，但是中國的各類鋼材成品和半成品在質量方面卻與發(fā)達國家存在明顯差距，尤其是鋼材產品質量重要組成部分的表面質量，當前鋼材主線產品如汽車板、家電板、不銹鋼裝飾板等，其表面質量對其總體質量乃至市場競爭力起著決定性的作用。利用傳統(tǒng)的人工目測方法對鋼板表面進行質量檢測，極易因為“視覺疲勞”而產生表面缺陷的誤報、漏報問題，國內很多鋼鐵公司都存在這樣的情況，更有許多因為鋼材表面質量問題而直接影響經濟效益的案例。隨著CCD（電荷耦合元件）技術和計算機技術的飛速發(fā)展，可采用基于機器視覺的一種精確、非接觸式的檢測方法進行鋼板表面質量檢測，通過高速CCD相機與計算機系統(tǒng)相結合的方法，及時采集圖像信息，并通過處理系統(tǒng)將鋼板表面質量信息準確的反饋給檢測人員已成為鋼板表面質量檢測的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)方案

基于高速線陣CCD相機的機器視覺檢測方案應用于冷軋鋼板表面缺陷的檢測，因此需要考慮如下問題：

（1）檢測系統(tǒng)需要滿足大視場、高精度的要求，為達到合適的分辨率及視角，需要選擇合適像素的相機，再根據(jù)放大倍數(shù)選擇鏡頭；

（2）為了擴大相機的視場，選擇合適的相機數(shù)量以及重疊尺寸保證檢測精度；

（3）設計并行處理系統(tǒng)及海量的存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)對多臺相機的巨大數(shù)據(jù)信息進行并行、協(xié)同處理；

（4）生產環(huán)境對系統(tǒng)的影響。

基于以上的設計思路，選擇高速CCD相機、照明系統(tǒng)、DSP處理器、同步器以及服務器作為冷軋鋼板表面質量檢測系統(tǒng)的主要組成部分，其結構框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structural Block Diagram of Inspection System

檢測系統(tǒng)包括圖像傳感系統(tǒng)、光學照明系統(tǒng)、缺陷圖像采集系統(tǒng)、缺陷圖像分析與分類系統(tǒng)、時序與邏輯控制系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及上位機人機交互系統(tǒng)。各系統(tǒng)分工合作，統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對高速帶鋼生產線上鋼板表面質量缺陷的在線監(jiān)測、分析、分類、存儲與報警。

2 系統(tǒng)硬件的構成

2.1 高速CCD相機

圖像采集系統(tǒng)是鋼板表面質量在線檢測系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)的“眼睛”，基于機器視覺的鋼板表面質量檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)可選擇高性能的線陣CCD相機或者面陣CCD相機。表1為線陣CCD相機與面陣CCD相機的比較。

根據(jù)表1對線陣CCD相機與面陣CCD相機的比較，考慮到系統(tǒng)應用于冷軋生產線上鋼板表面質量的檢測，因此選擇線陣高速CCD相機作為系統(tǒng)的圖像采集傳感器。

表1 線陣CCD相機與面陣CCD相機的比較Table 1 Comparison of Linear-array CCD Camera and Face-array CCD Camera

GigE相機是一種基于CCD技術的高速線掃描相機，其速度由Ethernet的網速和數(shù)據(jù)幀格式決定。GigE相機產生幀圖像數(shù)據(jù)，每一幀分裝在多個Ethernet包中傳輸。幀由數(shù)據(jù)頭Leader、數(shù)據(jù)負載Payload和數(shù)據(jù)尾Trailer構成。圖像信息裝在數(shù)據(jù)負載中。相機的帶寬=傳輸字節(jié)數(shù)/（傳輸時間+包間隔時間），一幀圖像的字節(jié)數(shù)XBytes/Frame的計算公式為：

Bandwidth為圖像傳輸所用帶寬，其計算公式如下：

式中，8 ns/Byte為千兆以太網速率的倒數(shù)；IPD是一個計數(shù)值，每增加1代表增加8 ns時間。

千兆以太網最小時間包間隔間隙為12字節(jié)。根據(jù) IEEE802.3z協(xié)議，Ethernet包的開銷為58字節(jié)，每個Ethernet包最大數(shù)據(jù)負載1 500字節(jié)，因此假設相機的像素為4 096，一幀圖像至少需要3個Ethernet包傳輸。根據(jù)公式，分別計算出一幀圖像的字節(jié)數(shù)為4 810，帶寬為105.9 MB/s，預留15%帶寬后的相機帶寬為90 MB/s。GigE相機能夠滿足帶寬的要求。

相機的排列方向與被測物體運動方向垂直，同步器控制同時啟動各相機。GigE相機需要首先設定主機IP地址與相機IP地址，并綁定主機網絡接口控制器（NIC）和相機MAC地址，同時設定網關和子網掩碼，系統(tǒng)服務器通過Ethernet網廣播啟動信號，DSP接收到信號通過GPIO控制相機進行圖像采集，完成后服務器通過Ethernet網廣播終止信號，DSP通過GPIO控制相機停止圖像采集。

2.2 光源

光源的選擇直接影響圖像采集的質量以及缺陷是否能在圖像中明顯表露出來。光源可分為自然光源和人工光源。自然光源是客觀存在的，人們只能對其進行研究和利用，不能改變其發(fā)光特性，人工光源有鹵素燈、熒光燈、氙燈、LED光源等。

選擇光源需要考慮如下因素：

（1）對比度：照明需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。

（2）亮度：當光源不夠亮時，圖像的對比度必然不夠，圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性即增大，會影響相機的信噪比。同時，自然光等隨機光對系統(tǒng)的影響會最大。

針對鋼板生產現(xiàn)場的情況，選擇高速線陣CCD相機作為圖像采集傳感器，因此，需選擇LED光源作為檢測系統(tǒng)的照明光源，LED光源具有使用壽命長、亮度高、響應速度快、單色性好等優(yōu)點。

在照明方式上，光源按照入射角反射，光源的位置對獲取高對比度的圖像很重要。光源的目標是要達到使感興趣的特征與其周圍的背景對光源的反射不同。根據(jù)現(xiàn)場需要，可以選擇兩種不同的形式，分別是明場照明方式和暗場照明方式。兩種照明方式如圖2所示。

圖2 兩種照明方式Fig.2 Two Ways of Lighting

根據(jù)冷軋鋼板表面缺陷的特點，系統(tǒng)選擇明場照明方式，將相機放置在反射光的光路上，以便采集到反射過來的光線，如果鋼板表面沒有缺陷，反射光在相機上各區(qū)域上的照度應該均勻分布，當有缺陷存在時，反射光在相機區(qū)域上的照度將發(fā)生變化。利用這一性質將明場照明方式應用在冷軋鋼板表面質量檢測中。

2.3 嵌入式圖像處理器

嵌入式圖像處理器的選擇直接關系到鋼板表面缺陷圖像實時采集與處理的結果，也是系統(tǒng)設計中的一個瓶頸問題。根據(jù)前面計算數(shù)據(jù)處理速度高達近每秒百兆以及海量數(shù)據(jù)實時性的要求，需要采用專用的圖像處理器、計算機總線及多計算機網絡并行處理來共同完成任務。然而這必將造成系統(tǒng)龐雜，價格昂貴，維護困難。因此，選擇采用GigE相機+DSP+服務器進行多處理器協(xié)同處理共同完成海量數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸與存儲。

選擇德州儀器的 TMS320DM648（DaVinci）技術數(shù)字信號處理器（DSP）作為嵌入式圖像處理的核心模塊，TMS320DM648建立在TI最新TMS320C64x+DSP內核基礎上，64x系列DSP芯片具有極高的主頻（可達900 MHz）和豐富的外圍接口。與C64X系列DSP目標代碼完全兼容，片上集成了二級Cache、64 bit的EMIF接口、高精度視頻口、千兆以太網接口及IIC總線接口等資源。綜合以上考慮，系統(tǒng)選擇TMS320DM648DSP作為嵌入式圖像處理系統(tǒng)的核心器件。

系統(tǒng)中每臺相機通過以太網接口接入DSP進行并行處理，圖像通過網絡傳輸?shù)较到y(tǒng)服務器對圖像進行分析與處理，因此，需要保證采集圖像的高速性以及合適的網絡拓撲結構，以保證網絡信息不發(fā)生沖突。

3 系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及存在問題

該系統(tǒng)已應用在多條冷軋帶鋼生產線上，運行穩(wěn)定，極大提高了生產效率，降低工人勞動強度，改善工人的作業(yè)環(huán)境。對于人類，識別和理解周圍場景是容易的事情；對于機器，其困難體現(xiàn)在如下方面：

（1）圖像多義性：三維場景被投影為二維圖像，深度和不可見部分的信息被丟失，因而會出現(xiàn)不同形狀的三維物體投影在圖像平面上產生相同圖像的問題。另外，在不同視角獲取同一物體的圖像也會有很大的差異。

（2）環(huán)境因素：場景中的諸多因素，包括照明、物體形狀、表面顏色、攝像機以及空間關系變化都會對生成的圖像有影響。

（3）知識引導：同樣的圖像在不同的知識導引下，將會產生不同的識別結果。

（4）大量數(shù)據(jù)：灰度圖像和彩色圖像的信息量都十分的巨大，巨大的數(shù)據(jù)量需要巨大的存貯空間，同時不易實現(xiàn)快速處理。

4 結語

基于機器視覺技術的鋼板表面質量檢測系統(tǒng)已應用在多條冷軋帶鋼生產線上，運行穩(wěn)定，極大提高了生產效率，降低工人勞動強度，改善工人作業(yè)環(huán)境。該系統(tǒng)能夠在線采集鋼板表面質量缺陷數(shù)據(jù)，使得生產與質量緊密結合。同時保存歷史數(shù)據(jù)，方便回放與分析，為控制產品質量提供準確有效信息。

基于圖像視覺的帶鋼表面缺陷檢測技術必將取代傳統(tǒng)的鋼板表面缺陷檢測手段。今后的工作中，我們將在深度學習，提高檢測系統(tǒng)的缺陷識別率方面做更多的工作。