圓鋼表面圖像采集系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究)

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，武漢 湖北 430074

表面缺陷是影響鋼材成品質(zhì)量最為重要的因素之一。將機器視覺用于鋼材成品表面質(zhì)量檢測可以減少人工檢測中人為主觀因素的干擾，避免了因為人工檢測導(dǎo)致的漏檢和誤差，從而提高檢測效率和準(zhǔn)確度。

機器視覺用于鋼材表面質(zhì)量檢測主要用于帶鋼表面的質(zhì)量檢測。英國EES公司開發(fā)的熱軋帶鋼表面質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)，成功適應(yīng)了熱軋的高溫等惡劣環(huán)境[1]。德國Parsytec公司1997年為韓國浦項制鐵公司研制的冷軋帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)，首次將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)用于帶鋼表面缺陷檢測[2]。同國外發(fā)達(dá)國家相比，我國機器視覺技術(shù)用于鋼材表面質(zhì)量檢測的研究起步較晚，也主要用于帶鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量檢測。1995年華中理工大學(xué)羅志勇等人研制出了用于冷軋帶鋼表面空洞、重皮等缺陷檢測和最小帶寬測量的實驗系統(tǒng)。2002年北京科技大學(xué)徐科等人開發(fā)成功冷軋帶鋼的表面缺陷在線檢測系統(tǒng)。2016年，侯艷、趙躍等人研究出了一種基于面陣圖像傳感器的帶材對中檢測系統(tǒng)，提出了一種采用線形激光配合面陣相機CMOS圖像傳感器的新型帶材對中檢測方案[3]。

對于型鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測，目前國內(nèi)外的研究主要針對型鋼中H型鋼，研究并開發(fā)了以H型鋼為主體的表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)。2012年，重慶大學(xué)謝志江等人將機器視覺用于熱態(tài)重軌表面缺陷的實時監(jiān)測[4]。2016年潘華等人開發(fā)研制了基于視覺技術(shù)的H型鋼表面質(zhì)量自動檢測技術(shù)，實現(xiàn)了對H型鋼的表面全覆蓋在線自動檢測[5]。2017年，蔡云飛等人提出了基于機器視覺的鋼軌輪廓獲取研究，著力于對鋼軌現(xiàn)場采集到的圖片進(jìn)行圖像后期修復(fù)來規(guī)避現(xiàn)場圖像采集環(huán)境對圖像造成的影響[6]。同年，錢媛媛、孫憲坤等人提出了基于鋼軌焊頭平直度檢測系統(tǒng)的抑振研究，研究了基于激光相機的鋼軌焊頭平直度檢測中的機械振動抑制[7]。

針對本文研究主體圓鋼，目前已有的表面圖像檢測系統(tǒng)不多。國外方面，美國OG公司在2008年發(fā)布了一項檢測棒材表面缺陷方法的專利，該系統(tǒng)能夠在1650 ℃的高溫下正常工作，能適應(yīng)不同直徑的棒材表面缺陷檢測，檢測過程中設(shè)備不移動，能夠連續(xù)作業(yè)，但該系統(tǒng)的缺陷是系統(tǒng)對線光源安裝精度要求較高[8]。2010年韓國浦項工科大學(xué)的研究員結(jié)合光照系統(tǒng)設(shè)計發(fā)布了一項棒材表面缺陷檢測系統(tǒng)專利，系統(tǒng)能夠適應(yīng)任意低于18 m/s的棒材生產(chǎn)線，對于直徑大于14 mm的棒材均能實現(xiàn)圖像在線檢測[9]，該系統(tǒng)的缺陷是并不能滿足全規(guī)格棒材的圖像在線檢測。國內(nèi)方面，2017年，甘勝峰等人提出了一種線材表面檢測系統(tǒng)，由 4 個面陣CCD、4 套圖像處理卡、雙環(huán)形光源組成，并通過光源設(shè)計規(guī)避線材表面溫度對圖像質(zhì)量造成的影響。該系統(tǒng)的缺陷是沒有考慮線材直徑大小對成像效果造成的影響[10]。

為規(guī)避這些不足，筆者在研究和分析以上各種鋼材表面圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計和開發(fā)了基于機器視覺的圓鋼表面圖像在線采集系統(tǒng)，能夠快速、直觀地獲取不同規(guī)格圓鋼表面缺陷圖像及具體位置。同時，考慮了由于圓鋼表面溫度高對圖像采集產(chǎn)生的煙霧和水汽干擾，設(shè)計了相機保護箱系統(tǒng)。為了獲取清晰圖像，設(shè)計了相機成像自動對中對焦系統(tǒng)。為了滿足智能制造大數(shù)據(jù)的要求，為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷分析提供長期有效的圖像信息，還設(shè)計了計算機硬件系統(tǒng)，可以對采集到的圓鋼表面圖像長期保存和調(diào)用。最后通過實驗證明了該系統(tǒng)的有效性。

1 圖像采集系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)作為連續(xù)化高速線材生產(chǎn)線在線產(chǎn)品質(zhì)量檢測和判別系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)總體設(shè)計要重點解決如下關(guān)鍵技術(shù)及難點：

① 要克服生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境(噪音、煙氣、水霧、熱輻射、光照不均)的影響，采集到清晰的產(chǎn)品表面圖像。

② 要適應(yīng)生產(chǎn)線高速、連續(xù)生產(chǎn)的需要，在線分析所采集的圖像、及時上傳和存儲疑似有缺陷的圖像，并顯示含有缺陷的照片信息(照片拍攝時間、照片編號、產(chǎn)生照片相機編號、缺陷所在的位置等)。

③ 要符合智能制造大數(shù)據(jù)的背景要求。該系統(tǒng)不僅能為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的分析提供有效的圖像信息，還能具備自學(xué)習(xí)功能，自動判別缺陷產(chǎn)品產(chǎn)生的原因，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

本文設(shè)計的熱態(tài)高速圓鋼表面圖像在線采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)無遺漏地采集各規(guī)格圓鋼表面圖像，為產(chǎn)品缺陷分析和質(zhì)量控制提供基本圖像信息數(shù)據(jù)。具體技術(shù)指標(biāo)為如下。

① 圓鋼成品規(guī)格范圍：φ5mm～φ32mm；

② 圓鋼溫度范圍：780～980 ℃；

③ 圖像采集區(qū)速度范圍：10～35 m/s；

④ 以盤條號保存各圓鋼圖像基本信息，方便后續(xù)缺陷定位，產(chǎn)品缺陷分析和質(zhì)量控制；

⑤ 計算機硬件系統(tǒng)具備圖像數(shù)據(jù)可長期保存和進(jìn)行備份的功能。

2 圓鋼表面圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 圓鋼表面成像的設(shè)計

針對圓鋼表面形狀的特殊性：被測物體為均勻、高速運動，被測視野為細(xì)長圓柱狀，且要求的精度高，因此系統(tǒng)采用環(huán)形高亮光源配合高速線陣相機成像的方案。針對圓鋼的圓柱體形貌特征，為了實現(xiàn)360°全覆蓋圖像采集，理論上相機的布置越多越好，但那樣占用系統(tǒng)資源多，導(dǎo)致系統(tǒng)運行速度慢。因此本文設(shè)計比較了四臺和六臺高速線陣相機繞圓鋼一周進(jìn)行檢測的方法。根據(jù)圓鋼不同直徑情況，成像示意圖如圖1所示，其中D表示圓鋼的直徑。

由于檢測的圓鋼產(chǎn)品直徑在φ5mm～φ32mm之間，在此基礎(chǔ)上，四相機和六相機成像參數(shù)計算公式如下。

四相機視場寬度AB(mm)：

(1)

圖1 四相機和六相機成像示意圖

(2)

四相機需要景深Δh90°(mm)：

(3)

六相機視場寬度CB(mm)：

(4)

(5)

六相機需要景深Δh60°(mm)：

(6)

由式(1)～式(6)可以得出圓鋼直徑在φ5mm(最小產(chǎn)品直徑)和φ32mm(最大產(chǎn)品直徑)的四相機和六相機成像參數(shù)如表1所示。

表1 四相機和六相機成像參數(shù) 單位：mm

由表1可知，為了得到更好的成像效果，選擇使用六相機成像方案，即繞圓鋼一周每60°放置一臺相機進(jìn)行圓鋼表面拍照，最大可覆蓋16.00 mm的視場范圍。按測試要求，圖像分辨率為0.05 mm/pixel時，需要16/0.05=320 pixels的像元相機，但考慮到小直徑范圍圓鋼的成像，為了確保成像效果，選擇高配，最終確定使用1024像元相機。

同時，由于圓鋼成長條狀，且連續(xù)不間斷運動，因此采用線陣相機可得到比面陣相機更優(yōu)的成像效果。

后續(xù)進(jìn)行缺陷分析后，如果一張圖片被判定有缺陷，則判定同一時刻拍攝到的6張圖片均為有缺陷圖片，將這6張圖片通過減去重疊部分，3D粘貼還原，便可得到具體缺陷信息。6張圖片中的重疊部分與圖像寬度的比例是恒定的，可以通過相機的位置計算出來。圖2給出了六相機成像方案中各相機采集到的圖片經(jīng)過圖像預(yù)處理后、3D還原后的整體圖像效果圖。

該設(shè)計解決了圓鋼360°全覆蓋圖像采集、多相機成像照片如何3D粘貼還原拼接的技術(shù)難題，對復(fù)雜表面圖像采集十分有意義。

圖2 3D粘貼還原后的整體圖像效果圖

2.2 圖像采集硬件選型及熱防護設(shè)計

根據(jù)研究主體的要求，檢測的產(chǎn)品直徑為φ5mm～φ32mm，檢測處的速度范圍為10～35 m/s，縱向方向分辨率為0.3 mm/pixel(圓鋼運動方向)，最高速度35 m/s，行頻35000/0.3=117 kHz即可滿足要求。另外，因現(xiàn)場空間位置限制，成像距離近，為了保證成像效果及實際應(yīng)用可能，本文系統(tǒng)選擇使用微距鏡頭，相機直接對線材表面進(jìn)行成像。系統(tǒng)的相機和鏡頭選型如表2所示。

表2 相機與鏡頭選型

根據(jù)表2，相機采用英國E2V公司的黑白線陣相機，分辨率1024 pixels，芯片類型為CCD，行頻126 kHz。鏡頭為Canon 50 mm微距鏡頭。

應(yīng)用以上相機和鏡頭進(jìn)行圓鋼表面圖像采集實驗，測試成像距離(CCD靶面至被測圓鋼表面)以310 mm為中心，±5 mm景深范圍內(nèi)圓鋼在正常跳動范圍內(nèi)的成像效果。圖3為實驗室條件下圓鋼表面成像的測試效果比較(成像系統(tǒng)各部件均不做調(diào)整)。

由測試結(jié)果可知，成像距離305 mm及315 mm范圍內(nèi)成像均能滿足測試要求，可得到清晰的圖像。

由于生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境十分惡劣，有高溫輻射、煙霧和水汽的影響，還有氧化鐵皮飛濺可能對相機成像效果造成干擾。在此基礎(chǔ)上，針對熱態(tài)圓鋼表面成像環(huán)境的特殊性，研究和實驗了多種熱防護措施，設(shè)計安裝了相機保護箱，為相機和光源提供了安裝和調(diào)整的平臺。系統(tǒng)形成的密閉空間既可避免外部灰塵、氧化鐵皮和水汽接觸到檢測設(shè)備，影響檢測效果；也可實現(xiàn)對相機和光源輔以壓縮空氣進(jìn)行降溫冷卻等措施，為圖像采集系統(tǒng)的正常使用提供了保障。相機保護箱示意圖如圖4所示。

圖3 成像測試效果比較

1—底板;2—腰型孔;3—支撐板;4—攝像頭;5—導(dǎo)向板;6—連接塊;7—頂板;8—安裝螺母;9—安裝凸臺;10—活塞桿;11—位移傳感器;12—升降油缸;13—定位凸臺;14—絲扣;15—位移傳感器;16—防塵罩;17—安裝架;18—調(diào)整油缸;19—立柱;20—導(dǎo)向槽圖4 相機保護箱示意圖

該設(shè)計能克服生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境(噪音、煙氣、水霧、熱輻射、光照不均)的影響，使系統(tǒng)能采集到清晰的產(chǎn)品表面圖像，保證系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運行。

2.3 成像自動對中對焦設(shè)計

根據(jù)研究主體的要求，檢測的產(chǎn)品直徑為φ5 mm～φ32 mm，針對不同線徑的圓鋼，為獲得最佳的成像效果，需要針對圓鋼直徑的不同，進(jìn)行自動對中對焦功能設(shè)計。系統(tǒng)根據(jù)檢測位置處圓鋼直徑，自動推算拍照時相機在高度和徑向方向需要調(diào)整的距離。本文以直徑為6 mm的圓鋼基準(zhǔn)，通過提升相機整體框架，保證框架圓心與被測圓鋼的圓心等高；通過相機半徑方向的調(diào)整，保證六臺相機與圓鋼表面的徑向距離相等。

設(shè)需要調(diào)整的圓鋼直徑為Di，則其高度與徑向調(diào)整公式分別為：

(7)

(8)

生產(chǎn)不同直徑圓鋼時，相機調(diào)整參數(shù)如表3所示，調(diào)整方式如圖5所示。相機采用內(nèi)觸發(fā)式，曝光時間10 μs。

表3 生產(chǎn)不同直徑圓鋼時相機調(diào)整參數(shù)表 單位：mm

圖5 相機自動對中對焦示意圖

在表3的基礎(chǔ)上，圖像采集系統(tǒng)在投產(chǎn)之前要進(jìn)行標(biāo)定，對應(yīng)生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品都有調(diào)整的參數(shù)，以獲得最清晰的圖片。如果設(shè)備進(jìn)行維修，還需要再次進(jìn)行標(biāo)定，生產(chǎn)過程中產(chǎn)品規(guī)格調(diào)整時，按設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。調(diào)整過程如下。

① 以直徑為6 mm的圓鋼為基準(zhǔn)，調(diào)整安裝架內(nèi)各個調(diào)整油缸的活塞伸縮量，使各個攝像頭距離圓鋼圓心的位置相同并且圖像清晰度達(dá)到最佳，將此時調(diào)整油缸內(nèi)的位移傳感器的數(shù)值作為基準(zhǔn)值，標(biāo)定為R0。

② 當(dāng)軋制線接到生產(chǎn)規(guī)格di=12 mm的圓鋼時，升降油缸迅速調(diào)整并帶動安裝架移動ΔH高度。

ΔH=(12-6)/2=3mm

③ 當(dāng)升降油缸到位后，系統(tǒng)給每個調(diào)整油缸發(fā)出伸縮指令，并在調(diào)整油缸的作用下使相機在導(dǎo)向槽內(nèi)沿徑向方向移動ΔR距離。

ΔR=(12-6)/2=3mm

該對中對焦系統(tǒng)可針對不同直徑圓鋼進(jìn)行迅速的相機調(diào)整，位置準(zhǔn)確。針對不同直徑圓鋼采集到的圖像效果圖見圖6，以φ18mm和φ24mm規(guī)格圓鋼為例。

該設(shè)計解決了生產(chǎn)現(xiàn)場圓鋼尺寸變化、多臺相機同步進(jìn)行自動對中對焦的技術(shù)難題，提升了生產(chǎn)操作的自動化水平。

圖6 不同直徑圓鋼成像效果圖

2.4 光源參數(shù)設(shè)計

因圓鋼表面溫度高、速度快，相機成像時對應(yīng)的掃描行頻很高，曝光時間短，對光源照度要求極高。另外，為了減少高溫紅外線輻射對成像效果的影響，還需要在鏡頭前安裝紅外濾鏡，這也對白光光源造成影響。因此，在設(shè)計時充分考慮了光源的照度需求，試驗了不同的照明模式，并最終選擇了光源垂直照明的方式。在光源照度選擇方面，如果光源照度太高，將產(chǎn)生畫面亮度失真；若光源照度太低，則一些暗部無法被攝取，從而降低圖像質(zhì)量，產(chǎn)生檢測誤差。工業(yè)級高分辨率的CCD相機,光源采用的是高亮度LED光源。目前機器視覺LED光源照度范圍為20000～350000 lux。在此基礎(chǔ)上，實驗測試了在150000～300000 lux光源照度下的圓鋼表面圖像采集效果，圖7分別為光源照度為150000 lux、200000 lux和300000 lux時的圖像成像效果。通過實驗證明，被測表面處光源照度大于200000 lux時便可滿足成像要求，故選取的光源照度為220000(1±10%)lux。

圖7 不同光照度下圖像成像效果圖

由圖7可知，被測表面處光源照度大于200000 lux時便可滿足成像要求。若光源照度小于200000 lux，圖像整體亮度偏暗，一些細(xì)節(jié)無法被攝取，從而無法進(jìn)行缺陷檢測。

同時，由于測試光源為線陣光源，因此成像時兩側(cè)圖像較暗，若采用環(huán)形照明，則可改善成像效果，在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計采用了高強度OPT機器視覺(OPT-CO/RI)(同軸/環(huán)形)組合光源。同時，實驗表明，當(dāng)傾斜照射角度(照射光束主方向與被檢測高線徑向面形成的夾角)為10°左右(即與相機角度為10°)時，圖像清晰度最佳。最終確定的光路示意圖如圖8所示，所選取的光源參數(shù)如表4所示。系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行光源的照度調(diào)節(jié)。

圖8 光路示意圖

規(guī)格參數(shù)名稱參數(shù)值1相機基準(zhǔn)圓D相機620mm2光源顏色白光3光源外徑D外422mm4光源內(nèi)徑D內(nèi)400mm5光源角度α10°±0.5°6周向照射范圍360°7周向照射范圍60mm8光源照度≥220000lux9光源均勻度-10%～10%

所設(shè)計的高強度OPT機器視覺(OPT-CO/RI)(同軸/環(huán)形)組合光源，傾斜照射角度和光照強度均可控可調(diào)，方便了操作，減少了維護，減輕了維護工人的勞動強度。

2.5 計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的組成主要包括6臺攝像機采集及運算處理單元DPU(與攝像機數(shù)量1對1關(guān)系)、1臺檢測服務(wù)器、1臺存檔服務(wù)器、3臺顯示終端、1臺交換機。6臺相機通過同步盒相連，保證所有相機每次輸出的圖像都保持同步，即相同時間點輸出的圖像對應(yīng)線材位置相同。檢測服務(wù)器一方面整合6臺DPU處理的結(jié)果，并決定是否將該處理結(jié)果傳輸給終端服務(wù)器以及存檔服務(wù)器，另外一方面發(fā)送控制信號用于控制外圍設(shè)備。同時，檢測服務(wù)器包含對整個系統(tǒng)的硬件檢測，所以它連接了一臺顯示器，用于顯示整個系統(tǒng)的狀態(tài)，并提供一個GUI界面，供技術(shù)人員來操作系統(tǒng)。存檔服務(wù)器包含一個數(shù)據(jù)庫，用于將有缺陷的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便用戶查詢，查詢界面由終端顯示器中的一臺完成。故需要提供一個查詢GUI，供用戶進(jìn)行查詢、編輯、刪除等操作。終端顯示部分用于顯示相機拍攝得到的線材圖像，由于線材高速運動，終端顯示部分只負(fù)責(zé)將含有缺陷的部分顯示出來，并顯示含有缺陷的照片信息(照片拍攝時間、照片編號、產(chǎn)生照片相機編號等)。同步盒、DPU、存檔服務(wù)器、檢測服務(wù)器及終端通過交換機相連。硬件性能指標(biāo)如表5所示。

表5 系統(tǒng)硬件性能指標(biāo)表

該系統(tǒng)不僅能為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的分析提供有效的圖像信息，還具備自學(xué)習(xí)功能，可自動判別缺陷產(chǎn)品產(chǎn)生的原因，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例

該系統(tǒng)在國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)的高速線材廠得到了成功應(yīng)用，實現(xiàn)了高溫、高速線材生產(chǎn)過程中全規(guī)格圓鋼表面的質(zhì)量監(jiān)控，快速、直觀地獲取了缺陷圖像及其位置。該系統(tǒng)能夠360°全方位有效采集產(chǎn)品直徑在φ5mm～φ32mm范圍內(nèi)的清晰圓鋼表面圖像，采集位置處的速度范圍為10～35m/s。該系統(tǒng)為后續(xù)缺陷檢測和產(chǎn)生原因分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，為生產(chǎn)現(xiàn)場的在線質(zhì)量檢測和判別提供了有效的圖像數(shù)據(jù)。在后續(xù)對圓鋼表面進(jìn)行如折疊、劃傷、壓痕、凹坑、耳子、結(jié)疤等缺陷檢測時，使用效果非常好，減少了缺陷的漏判和誤判。生產(chǎn)現(xiàn)場缺陷檢出率可達(dá)到95%，系統(tǒng)集成圖如圖9所示。

圖9 圓鋼表面圖像采集系統(tǒng)集成圖

4 結(jié)束語

本文以型鋼產(chǎn)品中的圓鋼為研究對象，設(shè)計了圓鋼表面圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點體現(xiàn)在如下幾方面。

① 為圓鋼產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)了圓柱表面成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對圓鋼表面實施360°全覆蓋在線圖像采集。

② 對鏡頭的選擇與位置參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，針對圓鋼成品溫度高的特點，設(shè)計了對鏡頭與光源的熱保護裝置。

③ 設(shè)計了相機成像自動對焦調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以針對圓鋼尺寸不同的情況下，根據(jù)指令自動調(diào)整相機位置，獲取清晰圖像。

④ 設(shè)計采用了高強度OPT機器視覺(OPT-CO/RI)(同軸/環(huán)形)組合光源，保證圓鋼全方位照度均勻。

⑤ 設(shè)計了計算機硬件系統(tǒng)，為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的分析提供有效的圖像信息，符合智能制造大數(shù)據(jù)的背景要求。

本文設(shè)計的圖像采集系統(tǒng)可快速、在線對圓鋼進(jìn)行全方位表面圖像采集，獲得清晰圖像。同時，本文設(shè)計的復(fù)雜曲面圖像采集系統(tǒng)對于其他種類的型鋼(如H型鋼、工字鋼等)的表面圖像成像系統(tǒng)的設(shè)計也具有很高的參考價值。

后續(xù)將表面圖像采集系統(tǒng)和缺陷檢測方法相結(jié)合，可在線確認(rèn)缺陷種類，分析缺陷產(chǎn)生的原因，實現(xiàn)缺陷自動檢測、自動判別、自動分析，為智能化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。