專(zhuān)利名稱(chēng)：基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷軋鋼板表面質(zhì)量信息在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，具體是一種基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的冷軋鋼板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，當(dāng)前鋼材主線(xiàn)產(chǎn)品如汽車(chē)板、不銹鋼裝飾板等，其表面質(zhì)量對(duì)其總體質(zhì)量乃至市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起著決定性作用。目前，冷軋鋼板表面質(zhì)量缺陷檢測(cè)多采用人工目測(cè)的方法，或者單純的機(jī)電技術(shù)或者光學(xué)技術(shù)檢測(cè)方法。人工檢測(cè)方式具有檢測(cè)有效速度范圍小、視覺(jué)靈敏度低、受人體功能方面的影響等缺點(diǎn)，而基于單純機(jī)電技術(shù)或光學(xué)及時(shí)的檢驗(yàn)方式如渦流檢測(cè)要求的技巧性高，拋光表面或者粗糙表面會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。漏磁檢測(cè)方法不能檢測(cè)粗糙的表面，對(duì)缺陷不能精準(zhǔn)識(shí)別。激光檢測(cè)方法難于維護(hù)。目前，采用電荷耦合傳感器采集帶鋼表面質(zhì)量缺陷的方法還需要專(zhuān)用的圖像采集卡以及信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備(如專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?00510010049.6，名稱(chēng)為“線(xiàn)陣圖像式帶鋼表面在線(xiàn)缺陷檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法”中使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，光纖轉(zhuǎn)換接口等)，對(duì)于高速運(yùn)行的帶鋼會(huì)造成缺陷信息傳輸上的延時(shí)，以及系統(tǒng)資源的消耗。嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，基于嵌入式的圖像處理技術(shù)，又可稱(chēng)為“機(jī)器視覺(jué)”，將被測(cè)對(duì)象的圖像作為信息載體，從中提取有用的信息來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的，具有非接觸、高速獲得信息的優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)監(jiān)控、如鋼板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)這樣的場(chǎng)合會(huì)使用一些復(fù)雜的算法處理大量的數(shù)據(jù)，并且對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗和實(shí)時(shí)性都有很高的要求。傳統(tǒng)的基于“攝像機(jī)-圖像采集卡-通用PC”的圖像處理系統(tǒng)很難滿(mǎn)足要求，目前針對(duì)鋼板表面質(zhì)量檢測(cè)的方法主要有兩種:基于PC的純軟件檢測(cè)方法，這種方法運(yùn)行速度相對(duì)較慢。另一種方法是采用多DSP并行處理數(shù)據(jù),系統(tǒng)龐雜,成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)及方法，采用機(jī)器視覺(jué)與嵌入式數(shù)字信息處理相結(jié)合的手段對(duì)高速冷軋帶鋼表面缺陷信息進(jìn)行采集，解決基于PC的純軟件檢測(cè)方法運(yùn)行速度相對(duì)較慢，以及基于機(jī)器視覺(jué)的冷軋帶鋼表面缺陷采集方法下系統(tǒng)龐雜，設(shè)備種類(lèi)多，系統(tǒng)資源消耗高的等問(wèn)題；通過(guò)編碼器將生產(chǎn)信號(hào)與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，有效而準(zhǔn)確的對(duì)缺陷信息進(jìn)行定位并分析缺陷屬于何種類(lèi)型，滿(mǎn)足在冷軋帶鋼高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)帶鋼表面缺陷信息實(shí)時(shí)的采集與識(shí)別。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括安裝在用于傳送帶鋼的S輥上的編碼器，位于被檢測(cè)傳送帶鋼上下的固定框架，安裝在固定框架上的線(xiàn)性L(fǎng)ED光源和線(xiàn)陣C⑶相機(jī)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)與編碼器、CXD相機(jī)相連接的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)交換機(jī)與嵌入式圖像處理系統(tǒng)相連接的服務(wù)器、存儲(chǔ)以及顯示器；所述的嵌入式圖像處理系統(tǒng)主要有數(shù)字信號(hào)處理DSP和可編程邏輯器件FPGA組成。檢測(cè)方法采用線(xiàn)性紅色LED光源照射于冷軋帶鋼的上、下表面，通過(guò)高速線(xiàn)陣CCD相機(jī)對(duì)冷軋帶鋼表面信息進(jìn)行采集，采集到的信息在相機(jī)內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳入嵌入式圖像處理系統(tǒng)，在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中對(duì)采集到的冷軋帶鋼圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像的預(yù)處理是指通過(guò)圖像處理算法(包括邊界搜索算法、濾波處理、圖像增強(qiáng)算法等)，判斷采集到的帶鋼圖像是否有疑似缺陷，如發(fā)現(xiàn)有可疑圖像則進(jìn)入采集系統(tǒng)的服務(wù)器中，通過(guò)模式識(shí)別的方法對(duì)可疑的圖像信息進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，通過(guò)對(duì)特征值的提取與特征選擇，對(duì)缺陷信息進(jìn)行確定及分類(lèi)。本發(fā)明中，采用線(xiàn)性紅色LED光源照射于冷軋帶鋼的上、下表面，為CCD提供明亮的視場(chǎng)，清晰地采集到冷軋鋼板的圖像，本發(fā)明中，設(shè)計(jì)紅色線(xiàn)性L(fǎng)ED光源的位置通過(guò)保護(hù)裝置中的旋鈕可調(diào)，這樣能夠保證及時(shí)調(diào)整LED光源位于最合適的位置以及角度，使得線(xiàn)陣CCD相機(jī)能夠采集到更多種類(lèi)的帶鋼表面缺陷圖像，同時(shí)能夠使圖像準(zhǔn)確地顯示出缺陷的特征信息。紅色的線(xiàn)性L(fǎng)ED光源具有快速達(dá)到照明穩(wěn)定狀態(tài)、高照度輸出、高均勻性等特點(diǎn)，同時(shí)照明光源的波長(zhǎng)與CCD器件的峰值波長(zhǎng)相匹配，使得CCD傳感器以很高的靈敏度完成光電轉(zhuǎn)換。高強(qiáng)度線(xiàn)性光源能夠降低自然光產(chǎn)生的噪聲，因此紅色線(xiàn)性L(fǎng)ED光源是冷軋鋼板表面缺陷檢測(cè)的最佳選擇。本發(fā)明中，采用一種通過(guò)千兆以太網(wǎng)直接將圖像信號(hào)傳入嵌入式圖像處理系統(tǒng)中的傳輸?shù)姆椒ǎ瑓^(qū)別于已有的通過(guò)圖像采集卡將圖像信息傳入圖像處理系統(tǒng)的方法，本發(fā)明大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。嵌入式圖像處理系統(tǒng)是由現(xiàn)成可編程門(mén)陣列FPGA與數(shù)字信號(hào)處理器DSP為主要器件構(gòu)成的?；谇度胧降膱D像處理系統(tǒng)與基于PC的圖像處理不同，具有針對(duì)性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定性能好，處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。FPGA是天生的并行計(jì)算者，同時(shí)DSP作為專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器，與FPGA結(jié)合可對(duì)采集的鋼板圖像信息進(jìn)行并行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，解決了 PC進(jìn)行圖像處理需要進(jìn)行圖像的保存，壓縮與解壓縮等一系列過(guò)程帶來(lái)的信號(hào)延時(shí)所不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題。與其他發(fā)明中采取光纖傳輸信號(hào)不同，本發(fā)明采用以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，選擇GigE Vision相機(jī),GigE Vision是一種基于千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的應(yīng)用中，GigE Vision允許用戶(hù)在很長(zhǎng)距離上(100米)用廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)纜進(jìn)行快速圖像傳輸。在相機(jī)中轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)直接進(jìn)入嵌入式圖像預(yù)處理系統(tǒng)中，進(jìn)行冷軋帶鋼圖像預(yù)處理，這樣不需要繁瑣的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，節(jié)省了在信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件等大量器件以及設(shè)備，同時(shí)也節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源。本發(fā)明中采用了一種圖像預(yù)處理的方法，首先通過(guò)來(lái)自系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)編碼器的信息對(duì)疑似有缺陷的圖像進(jìn)行選擇與定位，這對(duì)后面進(jìn)行的鋼板表面缺陷分析與分類(lèi)提供了方便，缺陷圖像預(yù)處理系統(tǒng)采用DSP與FPGA相結(jié)合的方式，F(xiàn)PGA對(duì)整個(gè)系統(tǒng)外圍器件進(jìn)行時(shí)序與邏輯控制，DSP對(duì)采集到的帶鋼圖像信息進(jìn)行邊界檢測(cè)、圖像增強(qiáng)、感興趣區(qū)域(ROI)檢測(cè)等，將疑似有缺陷的圖像與正常帶鋼圖像分類(lèi)，疑似有缺陷的圖像通過(guò)千兆以太網(wǎng)高速傳給系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步的缺陷分析與分類(lèi)，從而保證冷軋帶鋼表面缺陷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)僅使用千兆以太網(wǎng)作為高速數(shù)據(jù)傳輸方式，使系統(tǒng)能夠高效進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。在服務(wù)器上對(duì)疑似有缺陷的帶鋼表面缺陷進(jìn)行識(shí)別與分類(lèi)，系統(tǒng)中的編碼器與嵌入式圖像處理系統(tǒng)相連，在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中進(jìn)行鋼卷信息即生產(chǎn)信息(鋼卷號(hào)、鋼卷位置信息等)的采集，旋轉(zhuǎn)編碼器準(zhǔn)確的為系統(tǒng)提供缺陷的位置信息。通過(guò)以太網(wǎng)將上述信息傳入系統(tǒng)服務(wù)器并在顯示界面上顯示出帶鋼表面缺陷的類(lèi)型、物理位置、深度以及圖像信息，同時(shí)這些信息還將保存在專(zhuān)用的海量存儲(chǔ)里，方便工作人員隨時(shí)對(duì)缺陷信息回看與分析。本發(fā)明中使用多個(gè)線(xiàn)陣CCD相機(jī)進(jìn)行同步采集，達(dá)到覆蓋整個(gè)冷軋鋼板寬度的效果，保證了冷軋鋼板圖像采集的完整性。多個(gè)相機(jī)采集的冷軋鋼板圖像信息分別通過(guò)各自的嵌入式圖像預(yù)處理平臺(tái)進(jìn)行圖像的并行處理，通過(guò)交換機(jī)將多個(gè)嵌入式圖像預(yù)處理系統(tǒng)處理后的圖像信息上傳至系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行缺陷圖像二次分析即鋼板缺陷的分類(lèi)與定位。檢測(cè)到鋼板軋制過(guò)程中形成的主要缺陷類(lèi)型，如:劃傷、黏結(jié)橫紋、羽紋、白斑、輥印、銹斑、乳化液斑、裂紋、氣泡等。檢測(cè)的冷軋帶鋼線(xiàn)速度范圍:20m/min 800m/min、檢測(cè)位置:鋼板上表面和下表面檢測(cè)、系統(tǒng)工作的時(shí)間范圍:全天候，全時(shí)段、檢測(cè)精度:
0.30mmX0.30mm、檢測(cè)準(zhǔn)確率> 95%。本發(fā)明使用極少的設(shè)備與器件以及總線(xiàn)方式保證對(duì)冷軋帶鋼表面質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)采集能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。解決了基于PC的純軟件檢測(cè)方法運(yùn)行速度相對(duì)較慢和采用多DSP并行處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)龐雜，成本較高等問(wèn)題。


圖1基于嵌入式處理系統(tǒng)的鋼板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2嵌入式鋼板圖像處理系統(tǒng)工作流程圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1說(shuō)明具體實(shí)時(shí)方式:它由I測(cè)速裝置旋轉(zhuǎn)編碼器、2線(xiàn)性L(fǎng)ED光源、3線(xiàn)陣CXD相機(jī)、4嵌入式專(zhuān)用數(shù)字圖像預(yù)處理平臺(tái)(DSP+FPGA)、5服務(wù)器、6存儲(chǔ)系統(tǒng)、7交換機(jī)、8顯示系統(tǒng)、9打印系統(tǒng)組成以及10保護(hù)裝置組成。線(xiàn)性L(fǎng)ED紅色光源通過(guò)角度可調(diào)的支架固定在保護(hù)裝置的上部，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕將線(xiàn)性L(fǎng)ED紅色光源固定到最佳位置，保證線(xiàn)陣CXD相機(jī)能夠在明亮的市場(chǎng)上采集到更完備與準(zhǔn)確的冷軋帶鋼表面缺陷特征。線(xiàn)陣CCD相機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由嵌入式圖像處理系統(tǒng)上可編程邏輯控制器件FPGA提供，控制線(xiàn)陣CCD相機(jī)采集冷軋帶鋼表面圖像信息，圖像信息在線(xiàn)陣CCD相機(jī)內(nèi)部完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好的冷軋帶鋼圖像信息，即線(xiàn)陣CXD相機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)接入圖像預(yù)處理系統(tǒng)，在DSP內(nèi)進(jìn)行圖像的合并、邊界檢測(cè)、濾波以及ROI檢測(cè)的帶鋼表面質(zhì)量圖像預(yù)處理與預(yù)判斷。圖中輥上的旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)冷軋帶鋼的運(yùn)動(dòng)速度的變化控制相機(jī)的采集頻率，其輸出信號(hào)作為線(xiàn)陣CCD相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)。圖像預(yù)處理系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器件FPGA對(duì)冷軋帶鋼表面質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行控制，包括控制線(xiàn)性CCD相機(jī)采集冷軋帶鋼表面圖像，控制線(xiàn)性CCD相機(jī)信號(hào)的傳輸，控制專(zhuān)用圖像預(yù)處理系統(tǒng)中DSP對(duì)冷軋帶鋼表面圖像的預(yù)處理與缺陷的預(yù)判斷，控制預(yù)處理后的冷軋帶鋼圖像信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行分析、判斷與分類(lèi)，并形成文檔存入海量存儲(chǔ)，方便隨時(shí)回放與打印。冷軋帶鋼表面質(zhì)量信息采集方法的步驟為(參見(jiàn)圖2):根據(jù)S輥上的編碼器的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)陣CCD相機(jī)的采集頻率，線(xiàn)陣CCD相機(jī)在帶鋼表面圖像預(yù)處理系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器件的驅(qū)動(dòng)下對(duì)冷軋帶鋼的表面圖像信息進(jìn)行采集，固定紅色線(xiàn)性L(fǎng)ED光源，控制光源的照射角度以及光強(qiáng)，為線(xiàn)陣CCD相機(jī)提供良好視場(chǎng)，通過(guò)線(xiàn)陣CCD相機(jī)采集到的冷軋帶鋼表面圖像信息通過(guò)以太網(wǎng)傳入嵌入式圖像預(yù)處理系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)(DSP)進(jìn)行冷軋帶鋼表面質(zhì)量缺陷預(yù)判斷，經(jīng)過(guò)圖像合并、噪聲處理以及圖像增強(qiáng)等處理后，將疑似有缺陷的圖像與無(wú)缺陷的圖像區(qū)分開(kāi)并分通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器上，服務(wù)器對(duì)疑似有缺陷的圖像信息通過(guò)模式識(shí)別的方法進(jìn)行二次判斷，為冷軋帶鋼表面質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析與分類(lèi)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)缺陷進(jìn)行定位，完成以上步驟后，服務(wù)器對(duì)冷軋帶鋼表面質(zhì)量缺陷進(jìn)行存儲(chǔ)與制表，將信息存入系統(tǒng)的海量存儲(chǔ)。方便隨時(shí)回調(diào)冷軋帶鋼的各類(lèi)信息。同時(shí)在顯示界面上完全顯示出冷軋帶鋼表面質(zhì)量缺陷的全部信息。其中線(xiàn)陣C⑶相機(jī)選擇加拿大DASLA公司的SG-11-02K80型號(hào)相機(jī)，編碼器選擇日本Nemicon旋轉(zhuǎn)編碼器0VW2-25-MD-2500，圖像預(yù)處理系統(tǒng)中的可編程邏輯控制單元器件選擇美國(guó)Altera公司的Cyclone系列FPGA，數(shù)字信號(hào)處理單元選擇美國(guó)TI公司的TMS320DM648DSP。
權(quán)利要求
1.一種基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:主要包括安裝在用于傳送帶鋼的S輥上的編碼器(I)，位于被檢測(cè)傳送帶鋼上下的固定框架(10)，安裝在固定框架上的線(xiàn)性L(fǎng)ED光源(2)和線(xiàn)陣CXD相機(jī)(3)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)與編碼器、CXD相機(jī)相連接的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)交換機(jī)(7)與嵌入式圖像處理系統(tǒng)(4)相連接的服務(wù)器(5)、存儲(chǔ)￠)以及顯示器(8);所述的嵌入式圖像處理系統(tǒng)主要有數(shù)字信號(hào)處理DSP和可編程邏輯器件FPGA組成。
2.一種利用權(quán)利要求1所述基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于:采用線(xiàn)性紅色LED光源照射于冷軋帶鋼的上、下表面，通過(guò)高速線(xiàn)陣CCD相機(jī)對(duì)冷軋帶鋼表面信息進(jìn)行采集，采集到的信息在相機(jī)內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳入嵌入式圖像處理系統(tǒng)，在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中對(duì)采集到的冷軋帶鋼圖像通過(guò)邊界搜索、濾波處理及圖像增強(qiáng)的圖像處理算法進(jìn)行預(yù)處理，判斷采集到的帶鋼圖像是否有疑 似缺陷，如發(fā)現(xiàn)有可疑圖像則進(jìn)入采集系統(tǒng)的服務(wù)器中，通過(guò)模式識(shí)別的方法對(duì)可疑的圖像信息進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，通過(guò)對(duì)特征值的提取與特征選擇，對(duì)缺陷信息進(jìn)行確定及分類(lèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的帶鋼表面在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)及方法，檢測(cè)系統(tǒng)主要由包括安裝在S輥上的編碼器(1)，位于被檢測(cè)傳送帶鋼上下的固定框架(10)，安裝在固定框架上的線(xiàn)性L(fǎng)ED光源(2)和線(xiàn)陣CCD相機(jī)(3)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)與編碼器、CCD相機(jī)相連接的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)交換機(jī)(7)與嵌入式圖像處理系統(tǒng)(4)相連接的服務(wù)器(5)、存儲(chǔ)(6)以及顯示器(8)。本發(fā)明使用極少的設(shè)備與器件以及總線(xiàn)方式保證對(duì)冷軋帶鋼表面質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)采集能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。解決了基于PC的純軟件檢測(cè)方法運(yùn)行速度相對(duì)較慢和采用多DSP并行處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)龐雜，成本較高等問(wèn)題。
文檔編號(hào)G06K9/62GK103163141SQ20111041893
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者高冰, 原思宇, 趙坦, 李文斌, 李廣龍, 宋寶宇, 王奎越, 楊東曉 申請(qǐng)人:鞍鋼股份有限公司