軋制中心20周年 · 金屬板帶材表面缺陷在線檢測技術(shù)
表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)能全連續(xù)、無遺漏地檢測金屬板帶材的表面缺陷，是提高成材率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。由北京科技大學(xué)表面檢測課題組，經(jīng)過17年不斷自主創(chuàng)新，突破了特殊光路研發(fā)、圖像高速采集、海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、復(fù)雜背景圖像識(shí)別等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了適用于高溫、高速、高分辨條件下的金屬板帶表面質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)——BKvision系列產(chǎn)品，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了鋼材生產(chǎn)全流程，包括連鑄、熱軋、冷軋等各工序的表面質(zhì)量在線監(jiān)測，為提升我國高端鋼材的表面質(zhì)量和市場競爭力提供了重要技術(shù)手段。
關(guān)鍵技術(shù)一
針對不同溫度、不同材質(zhì)對檢測的需求以及系統(tǒng)對缺陷檢出率、檢測精度的要求，發(fā)明了多光路照明成像、表面三維成像、特殊激光光源研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，分別應(yīng)用于冷軋精密板帶、熱軋板帶和高溫鑄坯生產(chǎn)線。BKvision系列產(chǎn)品的缺陷檢測精度可達(dá)0.16 mm，并在國際上首次實(shí)現(xiàn)了高溫鑄坯表面缺陷在線檢測。
1.1多光路照明成像技術(shù)
為提高冷軋精密板帶產(chǎn)品表面低對比度缺陷和微小缺陷的檢出率，發(fā)明了多光路照明成像技術(shù)。通過圖像合成技術(shù)提高了缺陷的對比度，從而提高缺陷的檢出率。
1.2表面三維成像技術(shù)
為了獲取表面缺陷的深度信息，開發(fā)了基于多激光線的表面三維成像技術(shù)，利用多激光線的大量程、多信息的特點(diǎn)，在單幅圖像上實(shí)現(xiàn)表面三維信息的獲取，避免了被檢測物體抖動(dòng)對檢測結(jié)果的影響。該技術(shù)已應(yīng)用于熱軋板帶的表面缺陷三維檢測，可檢測結(jié)疤、壓痕、凹坑等缺陷，深度方向檢測精度達(dá)0.2mm。通過與實(shí)際值比較，深度值最大誤差不超過7%。
1.3特殊光源設(shè)計(jì)技術(shù)
由于鑄坯表面溫度高達(dá)1000℃以上，傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)，如超聲波、磁感應(yīng)、電渦流等無法應(yīng)用于高溫鑄坯的表面在線檢測。高溫鑄坯表面輻射光主要是紅光或紅外光，因此，研制了特定波長的激光線光源，并通過窄帶濾色鏡濾除高溫鑄坯表面輻射的紅光及紅外光，從而去除了輻射光對缺陷的干擾，使得圖像質(zhì)量明顯提高。
關(guān)鍵技術(shù)二
為了滿足高速、高分辨率圖像實(shí)時(shí)采集、傳送和處理的要求，研制了多相機(jī)同步采集、多PC機(jī)并行計(jì)算、多核并行處理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，BKvision系列產(chǎn)品的圖像采集和處理能力達(dá)200MB/S，最高檢測速度達(dá)20m/s以上，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
2.1多臺(tái)線陣相機(jī)的定位與標(biāo)定技術(shù)
線陣CCD攝像機(jī)具有高分辨率、高感光度、高采集速度的優(yōu)勢，但是線陣相機(jī)采集的是一條線，因此，需要高精度的定位，尤其是在使用多臺(tái)相機(jī)的情況下。BKvision系列產(chǎn)品采用多臺(tái)線陣相機(jī)位置和焦距自動(dòng)調(diào)整技術(shù)，對多臺(tái)相機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)了在寬幅帶鋼表面檢測時(shí)的多相機(jī)同步采集和線型圖像無縫拼接。
2.2多PC機(jī)并行計(jì)算和多核并行處理技術(shù)
在多相機(jī)同步采集情況下，每臺(tái)相機(jī)采集到的圖像由單獨(dú)的PC機(jī)進(jìn)行處理，圖像數(shù)據(jù)在多臺(tái)PC機(jī)之間進(jìn)行分布式計(jì)算，并由服務(wù)器來控制每臺(tái)PC機(jī)的算法執(zhí)行過程。同時(shí)，在數(shù)據(jù)處理模塊引入了第三方成熟的多核運(yùn)算庫，通過自主研發(fā)的并行計(jì)算優(yōu)化算法，使得單位時(shí)間的數(shù)據(jù)處理能力提升了近1.5倍。
2.3采取不同優(yōu)先級的線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分時(shí)并行計(jì)算技術(shù)
為了保證不同復(fù)雜度算法的并行處理，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)了如圖1所示的算法流程，算法流程中用了“實(shí)時(shí)處理”和“及時(shí)處理”兩種不同優(yōu)先級的線程?！澳繕?biāo)檢測”的任務(wù)是檢測圖像中是否有缺陷，有缺陷的圖像保存到計(jì)算機(jī)緩存中，等待后續(xù)處理，這一過程只是對圖像進(jìn)行篩選，沒有用到復(fù)雜的算法，但是需要實(shí)時(shí)完成?！皥D像分割”、“缺陷識(shí)別”等步驟需用到復(fù)雜的算法，但只針對保存到緩存中有缺陷的圖像，可在CPU空閑時(shí)完成?！皩?shí)時(shí)處理”線程處理的數(shù)據(jù)量大，但算法簡單；“及時(shí)處理”線程處理的數(shù)據(jù)量小，但算法復(fù)雜。通過“實(shí)時(shí)處理”和“及時(shí)處理”兩種不同優(yōu)先級的線程保證不同復(fù)雜度算法在CPU分時(shí)上的均衡，從而在算法流程上保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵技術(shù)三
針對熱金屬板帶表面存在氧化鐵皮、水等“偽缺陷”干擾，容易造成誤檢的問題，研發(fā)了基于幅值譜不變矩、結(jié)構(gòu)譜紋理分析、小波不變矩、多尺度幾何分析等特征提取方法；以及深度與灰度信息融合方法、組合分類方法等缺陷識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別。BKvision系列產(chǎn)品對于常見表面缺陷的檢出率達(dá)95%以上，識(shí)別率達(dá)90%以上，檢出率與識(shí)別率分別比國外同類技術(shù)提高10%和15%。
3.1基于幅值譜不變矩、結(jié)構(gòu)譜紋理分析、小波不變矩、多尺度幾何分析方法等特征提取方法
通過這些方法提取的特征向量不僅具有平移、旋轉(zhuǎn)不變性，并且具有抗噪、抑制光照不均等優(yōu)點(diǎn)，適用于熱軋帶鋼、中厚板、連鑄坯等復(fù)雜表面的缺陷識(shí)別，減少由“偽缺陷”造成的誤檢問題。
3.2深度與灰度信息融合方法
利用深度與灰度信息的像素級融合，提取缺陷邊緣信息，提高了缺陷邊緣提取的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的檢出率，減少缺陷的漏檢；利用深度與灰度信息的特征級融合可提高缺陷分類的準(zhǔn)確性，減少誤檢。
3.3組合分類方法
由于熱軋帶鋼表面存在著大量氧化鐵皮、水痕等干擾，因此會(huì)產(chǎn)生大量的可疑區(qū)域，如果直接對可疑區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，不僅速度慢，而且容易造成誤判。對可疑區(qū)域進(jìn)行識(shí)別前，采用“粗分類”技術(shù)，如圖2所示。將熱軋帶鋼的表面缺陷按主要形態(tài)分成4大類，即“縱向缺陷”、“橫向缺陷”、“孤立缺陷”和“分布式缺陷”，圖3給出了上述4類典型缺陷樣本。對這4類形態(tài)的缺陷分別建立樣本圖庫和形態(tài)特征，并根據(jù)形態(tài)特征模板，對可疑區(qū)域進(jìn)行快速匹配。經(jīng)“粗分類”后，可大量剔除由于水、氧化鐵皮、油污及光照不均等因素造成的“偽缺陷”，減少可疑區(qū)域的數(shù)量。對“粗分類”后得到的缺陷區(qū)域再進(jìn)行“細(xì)分類”，可大大提高識(shí)別速度，降低誤報(bào)率。通過以上3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)與集成，同時(shí)設(shè)計(jì)了防高溫、水汽、粉塵、氧化鐵皮等多種技術(shù)措施，保證BKvision系列產(chǎn)品在惡劣的工作環(huán)境下長期免維護(hù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了金屬板帶表面質(zhì)量全流程在線檢測，并推廣應(yīng)用于鋁板、鈦板等生產(chǎn)線，為提升我國高端板帶產(chǎn)品的表面質(zhì)量和市場競爭力提供了重要技術(shù)手段。
四應(yīng)用業(yè)績
目前，BKvision系列產(chǎn)品已應(yīng)用于國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)近60條生產(chǎn)線：
1）連鑄板坯：重慶鋼鐵4條連鑄板坯生產(chǎn)線，北海誠德2條連鑄板坯生產(chǎn)線，柳州鋼鐵連鑄坯生產(chǎn)線等；
2）中厚板：湖南華菱湘鋼3800、5000寬厚板生產(chǎn)線，南京鋼鐵5000中厚板生產(chǎn)線，重慶鋼鐵4100中厚板生產(chǎn)線，興澄特鋼4300厚板生產(chǎn)線，沙鋼集團(tuán)2條5000中厚板生產(chǎn)線，新余鋼鐵4300中厚板生產(chǎn)線等；
3）熱連軋：重鋼1780熱連軋生產(chǎn)線，柳鋼1450熱連軋生產(chǎn)線，福建鼎信1780、850熱連軋生產(chǎn)線，上海鼎信1780熱連軋生產(chǎn)線等；
4）冷軋：北海誠德3條酸洗線，西南不銹2條酸洗線，天成不銹冷軋線，佛山高明基業(yè)冷軋連退線等；
5）有色行業(yè)：西南鋁業(yè)冷軋拉矯線、涂層線，新疆眾和冷軋復(fù)卷線等；
6）棒材：沙鋼集團(tuán)淮鋼棒材線。
BKvision系列產(chǎn)品曾獲冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；獲國家發(fā)明專利授權(quán)6項(xiàng)，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記6項(xiàng)；發(fā)表論文60余篇，其中被SCI、EI檢索收錄35 篇。