工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用

1、工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用馬竹梧工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用Industrial Vision System and Its Application in Iron and Steel Industry（冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院）馬竹梧41工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用馬竹梧#工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用馬竹梧馬竹梧（1931-）男，廣州市人，教授級(jí)高級(jí)工 程師.原冶金部自動(dòng)化研究院 副院長(zhǎng)總工程師，現(xiàn)中國(guó)鋼 鐵協(xié)會(huì)信息化自動(dòng)化推進(jìn)中心 顧何.中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)專家咨 詢委員會(huì)委員，主要從事工業(yè) 自動(dòng)化研究和設(shè)計(jì)工作摘要：本文主要介紹工業(yè)視覺系統(tǒng)的基本概念系統(tǒng)的硬件 和軟件構(gòu)成.給出其

2、在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)例和存柱問 仏 此外.還描述其準(zhǔn)鋼鐵工業(yè)應(yīng)用建勢(shì)及前景 關(guān)鍵詞：機(jī)器工業(yè)視覺系SL鋼鐵工業(yè)Abstract： This paper oainly introduces the basic concept and configuration of industrial vision systeo, including hardware and software,and gives its current application situation、some examples and existing problems in iron and steel industry .B

3、esides, the paper also describes its application trends and promising future in iron and steel industry-Key Words： machine vision： industrial vision systen； iron and steel industry1* x 刖 B近年來我國(guó)鋼扶工業(yè)發(fā)展迅速.鋼產(chǎn)試每年以超過20V»長(zhǎng)，連續(xù)11年位居世界第一'2003年粗鋼產(chǎn)量已達(dá)2234億S 2006年粗鋼及鋼材產(chǎn)量更首伙超過4億I,分別達(dá)到4042億1和 4227億超過美、俄、日

4、總產(chǎn)St之和.然而生產(chǎn)這么多鋼鐵 需要大僦礦石、能源零負(fù)源.如何節(jié)能、降耗.減排和提高品 種質(zhì)就是當(dāng)前鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于 不敗之地的關(guān)鍵特別是品種質(zhì)厳和生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品更為 直雯.而我國(guó)在這方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大的差距.解決 的方法除了采用先進(jìn)工藝、設(shè)備大塑化以外.自動(dòng)化技術(shù)更為 重中2重超立計(jì)算機(jī)質(zhì)余管理系統(tǒng)是近年來保證質(zhì)址的重要描 施.其中檢測(cè)和控制技術(shù)是其基礎(chǔ).雖然這方面有復(fù)大的進(jìn) 步，然而許多過稈仍然靠目視人工操作.許多過程判斷和產(chǎn)品 質(zhì)娥.特別是表面質(zhì)輦?cè)匀豢咳斯つ恳暸袛?這就大大形響產(chǎn) 品的質(zhì)凰和生產(chǎn)效率例如目前大口徑石油或天於氣輸送用的 直縫或螺旋焊

5、管的生產(chǎn)主要停留在人工監(jiān)控階段.生產(chǎn)中工人 只能根據(jù)燈是否照在焊縫中何來判斷焊槍是否僞離埠縫，長(zhǎng)時(shí) 間注視燈光容易造成工人視疲勞，影響工人操作的準(zhǔn)確性.進(jìn) 而彩響焊縫的質(zhì):又例如榜材生產(chǎn)中的螺紋鋼棒計(jì)數(shù).連鑄 生產(chǎn)中的鑄坯長(zhǎng)度測(cè)冊(cè).常規(guī)方法往往有誤差和岀錯(cuò)，此外. 在許多場(chǎng)合下.還得靠人工目視監(jiān)控.這就不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大. 耗費(fèi)崗位人員，且難以保證質(zhì)近年來.檢測(cè)方法趨向無接獨(dú).在鋼泱工業(yè)使用圖象處 理技術(shù)（熱門名字稱“機(jī)器釵覺”.代替人工監(jiān)測(cè)）是解決上述 問題的主要趨向和熱門技術(shù)，并取得一定效果，本文將主要敘 述它的基本原理、構(gòu)成.應(yīng)用實(shí)例和效果以及存在問題.2機(jī)器視覺的基本概念與構(gòu)成、2.1機(jī)器

6、視覺與工業(yè)視覺及其構(gòu)成機(jī)器視覺就是用機(jī)器代苒人眼來測(cè)量和判斷通過圖像 攝取裝盤將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào).傳送給由計(jì)算機(jī)組成 的圖像處理系統(tǒng).根據(jù)圖彖分布和亮度、顏色等信息.轉(zhuǎn)變成 數(shù)字化信號(hào)：并由處理軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目42今日A働化技索左用虛申國(guó)42標(biāo)的特征.進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作.機(jī)器視覺分為兩類：即PC式或板卡式機(jī)器視覺系統(tǒng)以及 嵌入式機(jī)器覘覺系統(tǒng)。后者即釵能照相機(jī)（Saart camera）或視 覺傳感器（Vision sensor）. PC式視覺系統(tǒng)是一種基于PC機(jī)的 視覺系統(tǒng).一般由光激、光學(xué)鏡頭.CCD或CMOS相機(jī).圖像采 集卡.圖像處理軟件以及

7、一臺(tái)PC機(jī)組成智能相機(jī)并不是一臺(tái) 簡(jiǎn)單的柯機(jī).而是種髙度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)它 將圖像的采集、處埋與通信功能集成于跟一相機(jī)內(nèi).從而提供 了具有多功能、模塊化高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器性覺解決 方案.機(jī)器視覺核心部分是圖像處理系統(tǒng).無論酸件或軟件都 離不開計(jì)算機(jī).故常禰為計(jì)算機(jī)視覺.它已被大植應(yīng)用于遙感 圖線分析、文字識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖次處理、多媒體技術(shù).圖發(fā)數(shù)據(jù) 庫(kù)、工業(yè)檢測(cè)與軍事等方面.由于在工業(yè)領(lǐng)域中.隨著生產(chǎn)過 程髙度自動(dòng)化和產(chǎn)品質(zhì)空需求捉高.耍求有更有效、更將確和 高速度的利用圖彖處理及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)和控制. 待別是它能進(jìn)行無接觸和無損檢測(cè)和測(cè)址，對(duì)提髙產(chǎn)品質(zhì)輦及 生產(chǎn)效率、緩

8、和勞動(dòng)力昂貴等屈車要作用。計(jì)算機(jī)視覺的應(yīng)用 己從國(guó)防工業(yè)轉(zhuǎn)向民用工業(yè)，工業(yè)視覺系統(tǒng)足其第婪強(qiáng)域工 業(yè)視覺系統(tǒng)與普通視覺系統(tǒng)的區(qū)別.不在于圖象處理的理論方 法.而在圖彖處理實(shí)現(xiàn)的技術(shù).在于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的特殊要 求工業(yè)視覺系統(tǒng)一般雄在線工作.被測(cè)物體是運(yùn)動(dòng)的.圖彖 的獲取與物體的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行.被測(cè)物體處于雜亂背景中.必 須將其從中提取出來此外，檢測(cè)結(jié)果必須及時(shí)報(bào)告或通訊給 其他執(zhí)行系統(tǒng).故必須包括一些必要的子系統(tǒng)、光源和光學(xué)成 像系統(tǒng).攝像與圖象處理系統(tǒng).用于控制攝像、圖線處理、圖 象分析和與生產(chǎn)線的同步通訊系統(tǒng)，輸出檢測(cè)結(jié)果系統(tǒng)。工業(yè) 視覺系統(tǒng)往往不止測(cè)就監(jiān)視，且需閉環(huán)控制才能收到最大效 果。此

9、外,由于工業(yè)對(duì)彖的復(fù)雜性，大都是非線性，且有些對(duì) 象滯后大.干擾大.變化大.往往難以用常規(guī)數(shù)學(xué)?？彰枋?， PID控制難以適應(yīng)，而需冬采用先進(jìn)控制方法，待別是應(yīng)用模 糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，故工業(yè)視覺系統(tǒng)忌多種技術(shù)的結(jié)合，其 典型系統(tǒng)如圖1所示.期H 種舵粉制8 /i/gumiTH Pz祈塊許槍）卜| 匚計(jì)仃機(jī)用址耳 卜彳用隊(duì)采農(nóng)COHtSH 卜圖1埋管外輝自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)框圖2.2工業(yè)視覺的班件及軟件典型工業(yè)出覺系統(tǒng)一般是PC式或板卡式系統(tǒng)，圖像的處 理則是在圖像采集/處理卡的支持下、由處理軟件莊PC機(jī)中完 成fig應(yīng)用的問題不同，各了系統(tǒng)佇很大的不PL根惦求解的 問題不同，分別選擇或設(shè)計(jì)不同的子

10、系統(tǒng)，最后集成為一個(gè)完 整的系統(tǒng).但基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)尺寸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜.其 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng).成本較島.目前，出現(xiàn)一種新型的智 能相機(jī)，即專業(yè)化適用于某些行業(yè)、某些特定應(yīng)用的智能相 機(jī)，而某些工序的檢測(cè)內(nèi)容比較固定.可以通過較少的便件和 軟件算法來構(gòu)成系統(tǒng).這樣既可以達(dá)到很高的效率乂可以使成 本降低.而向傳統(tǒng)的甚FPC的工業(yè)視覺系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。酸件要妥為選擇，因?yàn)槠萍某上褓|(zhì)量將形響視覺軟件 處理和分析結(jié)果。破件包抬光源.光學(xué)鏡頭.CCD或CMOS相 機(jī)、圖像采集卡以及一臺(tái)比肌相機(jī)分辨率是一項(xiàng)敢要指標(biāo). 不同的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境.被測(cè)物體的大小和粘度差別對(duì)工業(yè)視覺 系統(tǒng)采樣分辨率都有不同的

11、要求.在空間方面，必須滿足采樣 定理.保證獲取圖縱空間的分辨率足以表征被測(cè)物的羞小缺陷 尺寸：在灰度方面.光擦必須有足夠的照度，攝像機(jī)必須右足 夠的靈敏度和動(dòng)態(tài)范H4.大多數(shù)應(yīng)用中.采用曹通512 X512 X8面陣CCD攝機(jī)機(jī)和線陣IO24CCD攝像機(jī)就能滿足需要在 某些要求極髙的場(chǎng)合中.必殖研制光學(xué)成像系統(tǒng)或堆加多套攝 像系統(tǒng)。圖彖的處理能力和速度是工業(yè)視覺系統(tǒng)另一個(gè)重要指 標(biāo)在典空的工業(yè)視覺系統(tǒng)中.圖象處理需要完成相當(dāng)大的計(jì) wa,故計(jì)算機(jī)速度要快.有時(shí)還需要專用的實(shí)時(shí)圖獄處理系 統(tǒng)與之相配合對(duì)于軟件，箱要完成耕確的維數(shù)測(cè)域.抑制無用信號(hào) 增強(qiáng)有用倍號(hào).檢測(cè)待征的尺寸、位賈利形狀，識(shí)別特

12、征表征 的物體、標(biāo)號(hào)或缺陷等，覘定位置、方向并決策等任務(wù).己岀 現(xiàn)了許多商用實(shí)時(shí)圖彖系統(tǒng)，它們將許多通用算法如算術(shù)邏 輯運(yùn)算、鄰域或線中值濾波.數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波、直方圖.二值 相關(guān)濾波、特征提取等.制成枳木化的硬件模塊，可以組合選 用.這些實(shí)時(shí)圖象處理系統(tǒng)還提供了許多附加功能，如感興趣 區(qū)處理，隔行掃描圖彖輸入.與逐行圖象處理實(shí)時(shí)雙緩沖同步軟件處理包括把圖像歎字化（即由計(jì)算機(jī)把模擬圖像離 散化、數(shù)字化.其常用表示有陣列法和鏈碼法）和數(shù)字圖像處 理數(shù)7圖像處理足將離故圖像陣列作某種“運(yùn)算”、“變 換”、“修飾"或“處理” 量終實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的“評(píng)價(jià)”.“識(shí)別”和“理解”數(shù)字圖像處理方法含圖像

13、處理.圖像分析和圖像理解三 個(gè)層次：機(jī)器視覺主要長(zhǎng)前兩個(gè)層次圖像處理目的是改善視覺效果和表現(xiàn)形式以便于圖像 分析.一般包括圖像增強(qiáng)和圈像分析圖像增強(qiáng)（分兩類：改 善圖像覘覺效果和突岀圖像彷征八圖像平滑（即去噪聲處理提 取有用信息.近年來廣泛應(yīng)用非線件濾波器.即把局部區(qū)域中 灰度中值作為輸出灰度.并將其與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論結(jié)合使用迭代 方法，能比較理想地將圖像從嗓聲中恢復(fù).并能保護(hù)圖像輪廓 邊緣.不使其模糊八邊緣銳化（目的是加強(qiáng)圖像中的輪廓邊 緣，達(dá)到把物體從圖像分離出來，它采用高通濾波器濾占圖像 中的低頻分錄，使圖像的邊衆(zhòng)利細(xì)節(jié)淸楚.實(shí)現(xiàn)圖像銳化）以 及圖矗數(shù)惦編碼和壓編（因?yàn)閿?shù)宇圖像的數(shù)據(jù)fit龐大

14、，交換壓 縮方法是將整幅圖像分成一個(gè)個(gè)小的數(shù)據(jù)塊.再將這些數(shù)據(jù)塊 分類、量化.從而構(gòu)成自適應(yīng)的變換壓縮系統(tǒng)）圖像分析主要內(nèi)容足：圖像分割、圖像特征（幾何形 狀.邊界描述、紋理特性等）提取.商品機(jī)器視覺軟件-般包括以下幾類* 應(yīng)用軟件（如 工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用馬竹梧CORECO公司的Sherlock）.此類機(jī)器視覺軟件允許用戶對(duì)產(chǎn)品 的特性進(jìn)行測(cè)5L通過友好的界面，用戶可進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)特 征讀取.條碼讀取等慄作同時(shí).可判定和拒絕不合格產(chǎn)品.軟件開發(fā)包（如CORECO公司的WIT）.它基于獨(dú)待的圖標(biāo)式用 戶界面，可使用戶快速的開發(fā)、測(cè)試圖像處理算法.在此類軟 件中.函數(shù)是以圖標(biāo)形式存在.

15、并可通過圖標(biāo)間的轉(zhuǎn)移定義數(shù) 據(jù)的運(yùn)算。通過這一高度交互式的按口設(shè)計(jì)，可快速對(duì)開發(fā)出 適用于機(jī)器視覺的圖像處理算法.同時(shí).此類軟件無需用戶具 有C語(yǔ)言編程基礎(chǔ).機(jī)器視覺算法庫(kù)（如CORECO公同的SMART Series）.包括圖像識(shí)別、光學(xué)字符識(shí)別（OCR）. 2D矩陣/條形 碼解碼等.商品軟件己從多功能轉(zhuǎn)向檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性和高 效性.通常這類軟件可提供：搜索.光學(xué)字符漢別、邊緣、 Blob（斑點(diǎn)）分析.卡尺工具等多種檢測(cè)功能.視覺樓件和軟件國(guó)內(nèi)外均有公司提供.國(guó)外，如日本生 產(chǎn)的AVENIR鏡頭、MINTRON CCD攝像機(jī)和備類智能相等，德國(guó) 西門子公可生產(chǎn)的VS721725視覺系統(tǒng)，吳國(guó)

16、Legend公司的 DVT540智能出像傳感器及DVT Framework用戶界面（包播便件和 軟件,可提供通佶、編軻、產(chǎn)品.圖像、軟傳感器、I/O.圖 麥、窗口和幫助等功能.軟傳感器包括：位移、旋轉(zhuǎn)、亮度、 邊緣計(jì)數(shù).特征計(jì)數(shù).浪陸數(shù)學(xué)工具、閱瀆器、Blob工具、 模塊匹配、目標(biāo)定位、像素計(jì)數(shù)、色彩監(jiān)測(cè).分割等）國(guó)內(nèi) 如北京大恒視覺公司生產(chǎn)的CG系列圖彖采集卡等、北京凌云光 視數(shù)字圖像公司和北京智能谷科技公司也捉供各類視覺產(chǎn)品。綜上所述.應(yīng)合理地選擇商品視覺軟件可以較快完成 項(xiàng)日開發(fā)，往往認(rèn)為自行開發(fā)全部軟件成本低，但實(shí)際上時(shí)間 長(zhǎng).而U很難趕上專業(yè)開發(fā)的商品軟件.因此只有對(duì)視覺軟件 開發(fā)很

17、有經(jīng)驗(yàn)，且已開發(fā)過多個(gè)視覺軟件和為降仮視覺軟件成 本時(shí)才自行開發(fā)全部視覺軟件或開發(fā)自己的簡(jiǎn)品視覺軟件包. 商品視覺軟件包有許多種，價(jià)格差別也很大，因此要從需求， 如要求的精度、速度、魯棒性、編程難易來綜合考慮.3'機(jī)器視覺系統(tǒng)在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀3.1概況在鋼鐵工業(yè)，由于視覺檢測(cè)往往是不可缺少的環(huán)節(jié)和工業(yè) 視覺技術(shù)的發(fā)展.在這減速、大批盤的連續(xù)生產(chǎn)中，迫切要求 使用自動(dòng)化的工業(yè)視覺代替人工目視.在鋼鐵工業(yè)主要用于質(zhì) 檢査.目標(biāo)或位置辯訴、尺寸檢測(cè)和機(jī)器人視覺等方面，已 不僅作為監(jiān)測(cè)，并已作為監(jiān)控或閉環(huán)控制.其應(yīng)用簡(jiǎn)況見喪1.表1工業(yè)觀覺在國(guó)內(nèi)外鋼鐵工業(yè)主雯工序的典型應(yīng)用II“或分廠名稱使

18、用堆A煉 鐵燒結(jié)煤結(jié)機(jī)足師M監(jiān)覘妝化企化%謝火和酸度仏需鐵水車內(nèi)樣僅蝕.風(fēng)n|x pift狀態(tài).爐料裝入 嘰収祥機(jī)器人視覺識(shí)別系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐找電弧爐：|僧時(shí)爐涪龍;h岀鋼渝位就.爐體耐火屮何包爐漁沱岀.鑄址農(nóng)面劃痕和決附.定長(zhǎng)切劉 祐沐K度.汲鑄平臺(tái)無人化機(jī)帶人視覺識(shí)別系枚軋鋼熱41板帶帯鋼&血缺厲冷孔板帶帯鋼農(nóng)向缺陷，fML中”板農(nóng)面旅陷熱軋無純鋼錢的&曲決陷.電焊鋼管焊縫位胃施蹤3.2典型應(yīng)用案例（1）重軌表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)目肋.重軌表面缺陷的檢 測(cè)方法有冃測(cè)法、趙聲波檢測(cè)和電渦流檢測(cè)彎目測(cè)法是目肋 很多翼軌企業(yè)釆用的種方法：超聲波檢測(cè)是一種標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方 法.但其檢測(cè)時(shí)要求被檢測(cè)表血

19、有較低的粗糙度值，且不適合 做復(fù)雜曲面的矗測(cè)，只能用十檢測(cè)軌底部分，電渦流檢測(cè)精度 髙.可以檢測(cè)復(fù)雜的爾軌全表面.但梵檢測(cè)往往存在過檢測(cè)的 問題.且檢測(cè)分轎率不容易調(diào)盛.使得其操作彈性較小慕于 工業(yè)視覺的載軌表面缺陷檢測(cè)將為重軌檢測(cè)開辟一個(gè)新的領(lǐng) 域.重軌圖磁的自動(dòng)采集與原來靠人眼檢測(cè)相比.大大降低工 人的操作隨機(jī)性.減少漏報(bào)問題.提高質(zhì)董檢測(cè)的自動(dòng)化水 平.提高企業(yè)的生產(chǎn)效率1）垂軌幾何待征及表頁(yè)缺陷的種類.重軌的表面是多平 面、多曲面的組合面.瑩軌対?rùn)M截面如圖2所示.圖中所示尺 寸為公稱瑩量為60kg/ai規(guī)格的重軌.重軌規(guī)格尺寸與其公稱虞 童有關(guān)，形狀大體相同重軌分為三個(gè)部分：軌頭.軌腹

20、和軌底.電軌的全衣面 共有弧面18個(gè).平面6個(gè).分別是軌頭踏面.軌頭側(cè)面、軌頭 底面和軌底底面.軌底頂面由幾段圓弧和短直線組成，不是一 個(gè)平面軌腰也是由兩段曲率半徑較大的圓孤組成，其外觀近 似平面 18軌的具體尺寸可以從TB/T2344等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中獲 得.重軌的表面缺陷種類多達(dá)幾十種.出現(xiàn)概率較高的表面 缺陷有15種之多：結(jié)疤.軋疤、輟印.線紋.底裂.橫裂、軋 裂、折疊、冷傷.過燒.矯仿、凸泡.耳子.瘤子、表面夾雜 上述表面缺陷是從華鋼軌梁廠歷年來的產(chǎn)品中歸納出來 的，具有很強(qiáng)的代表性.經(jīng)過調(diào)研和分析.確定需要進(jìn)行分類 的缺陷一共有8種，結(jié)疤、軋疤、粽印、線紋、底裂.冷傷. 矯傷和表面夾雜2）

21、逅軌農(nóng)面峽陷在線槍測(cè)礎(chǔ)件系統(tǒng)（如圖3所地示）.靈 軌表面為多平面.多曲面的復(fù)雜表面.只單個(gè)電荷薦合器件 （CCD）無法完成全表面的圖像采集.重軌表而缺陷是在線檢 測(cè).1：軌以某一速度運(yùn)行.故系統(tǒng)采用曲線陣CCD和光源構(gòu)成 的離敝釆集祇元：熱杏下檢劇相機(jī)與重軌的距離約13«,在鏡 頭前加濾光後.冷念下相機(jī)與重紈的距離為Im. LED光源與墮4370J JtHHW圖3采集單元簡(jiǎn)圖今日Q働化&兔拓用衣44軌表面夾角a成4560° 第軌袤面需要檢測(cè)到的最小尺寸 為0.4皿 故系統(tǒng)的最小分辨率。=0伽嘰由于重軌的尺寸限 制.釆集W元衽重VI表面的分布呈現(xiàn)離散化分布每組采集單

22、元之間的間距不小于400購(gòu)采集單元由同步器控制.同時(shí)融 發(fā)釆樣.觸發(fā)采樣的頻率則足由安裝在重軌控制線上的轉(zhuǎn)速編 碼器決定的，以使重軌在恆定或變速度運(yùn)行.都能正確成像3）電軌圖像識(shí)別系統(tǒng)包括圖像采集.圖像識(shí)別、缺陷檢 測(cè)等部分.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到靈軌到達(dá)時(shí)，鮭發(fā)圖像采集裝置.采 集重軌各個(gè)表面圖像.再把圖像傳給字符和圖像識(shí)別部分，通 過一定的技術(shù)，最后識(shí)別岀瑕軌缺陷和對(duì)應(yīng)重軌號(hào)等. 醺軌農(nóng)面字符分割與識(shí)別.它類似于車牌字符識(shí)別. 先將字符區(qū)域分割成單個(gè)字符.然后再進(jìn)行識(shí)別字符分割采 用垂直投影法：字符識(shí)別方法目前主要有基于模板匹配氛法和 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法.采用直接把待處理圖像輸入網(wǎng)絡(luò)，由 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)

23、實(shí)現(xiàn)特征提取直至識(shí)別出結(jié)果 缺陷圏像分析與處理.慮軌表面的各種缺陷的判別主 要是依靠缺陷深度.般當(dāng)缺陷的深度為13mm甚至更深時(shí)， 便判定為不合格破軌，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，并記錄缺陷情況.以便 骨理人員及時(shí)處理.它包括：缺陷信息定位（由于一根重軌較 長(zhǎng)且包含很多F擾信息，若對(duì)整幅圖像進(jìn)行缺陷提取會(huì)產(chǎn)生很 大的運(yùn)算Sb延長(zhǎng)處理時(shí)間.并且易受到諸多干擾信息影響， 因此應(yīng)該先進(jìn)行缺陷區(qū)域定位）、圖像預(yù)處理（由于圖像在采 集、獲取.傳輸過程中，會(huì)不同程度地被噪聲震動(dòng)等影響. 因此首先要對(duì)圖像進(jìn)行去嗓處理）、圖像邊緣檢測(cè)（采用Canny 算法來精確定位缺陷邊緣.經(jīng)過Canny算子的檢測(cè)，得到的圖 像杲一幅反映

24、邊緣位置的二值圖像。再采用8連通法標(biāo)記二 值像中的連犢部分，將圖煤里面不同的信總標(biāo)注出來.再將有 用的缺陷倍息提取岀來）以及圖像分析與識(shí)別（對(duì)于重軌表面統(tǒng) 陷而言不同的缺陷其特征參數(shù)必於不同.比如底裂，其主要 參數(shù)為線度.而嬌傷，主要參數(shù)為整體凹度.對(duì)于軋疤，其主 要參數(shù)則為圓度或矩形度.由于重軌表面缺陷灰度特征比較相 似.所以缺陷識(shí)別分類主耍就是根據(jù)缺陷的幾何待征如面枳. 周長(zhǎng)、矩形度、園形度等特征，采用某種分炎判別甬?dāng)?shù)和判別 準(zhǔn)則，對(duì)圖像信息進(jìn)行分類和辨識(shí)由于輸入向量少的特點(diǎn). 故選用學(xué)習(xí)矢St化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別分類）.本系統(tǒng)于2007年3月在隼鋼噸軌生產(chǎn)車間對(duì)高速運(yùn)動(dòng)中的

25、 重軌表面成像進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)鯊得到清晰的垂軌連續(xù)圖片，達(dá)到 較好的效果.（2）焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng).在克縫或螺旋焊管生產(chǎn)中.焊 縫口動(dòng)跟蹤杲保證焊接鋼骨生產(chǎn)中的焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接白動(dòng) 化的更要環(huán)節(jié)目前主要停留在人工監(jiān)控階段，完成自動(dòng)跟蹤 糾偏.是制管行業(yè)的垂要課建.1）系統(tǒng)権圖及工作原理如圖1所示，系統(tǒng)硬件包括十 字淆塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、控制接口電路、VIDEO- PCI-XR圖 像釆集仁CCD傳悠器、AC4064 I/O板等.CCD傳夠器梅實(shí)際 焊縫圖轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào).圖像采集卡將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號(hào)利用VO * 6. 0白編軟件對(duì)上述數(shù)字圖像進(jìn)行濾波.二 值化等處理，獲取焊縫偏差信息.對(duì)數(shù)字圖

26、像進(jìn)行圖像處理分 析得到焊縫僞差.將焊縫備差送入解能控制器.通過一定的控 制算法得到的數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬屆，由I/O接口 電路調(diào)節(jié)十字滑塊（即被控對(duì)象一炬）,最終調(diào)轅焊炬準(zhǔn) 確對(duì)準(zhǔn)焊縫實(shí)現(xiàn)糾偏，從而達(dá)到稍確跟踩的目的。2）舛縫識(shí)別方法包括：圖像分析（根據(jù)所攝取的圖像, 提取所需處理的區(qū)域圖像數(shù)據(jù).選擇了包含焊縫在內(nèi)300 X200 個(gè)像素大小的窗口區(qū)域作為圖像處理對(duì)發(fā)，這樣包含了所令有 用的信息，既節(jié)省了存儲(chǔ)空何乂加快了圖像的處理速度和提高 系統(tǒng)的性能）、濾波處理（增強(qiáng)圖像中的特征線.使背景色和特 征線容易區(qū)別：濾波處理是通過模板進(jìn)行操作，該模板對(duì)圖像 垂恵方向進(jìn)行増強(qiáng)處理）、二

27、值化處理（對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行線 性變換近似于二值化處理線性變換將背景設(shè)置為0灰度,將特 征線設(shè)置灰度為255把馀始用像以一定的準(zhǔn)則找出一個(gè)合適的 灰度值作為閾值.然后把上述方法分割后的圖像按一定公式進(jìn) 行處理：耍從復(fù)雜的景物中分辨出目標(biāo)并將焊縫形狀完整地提 取出來.闌值選取是閾值變換分割技術(shù)的關(guān)鍵.如果網(wǎng)值過高， 則過多的目標(biāo)點(diǎn)被謀判為背象；閾值選得過低.則會(huì)出現(xiàn)相反的 情況.目前閾值選取的方法腹多，幾種常用的方法是：直方圖 閾值分割法、類間方差閾值分割法、二維鼓大燔閾值分割法、模 糊閾值分割法.共生矩陣網(wǎng)值分割法等.本系統(tǒng)采用了一種迭 代求圖像址佳分割閾值的算法）以及Hough變換（二值化處

28、理后 的圖像經(jīng)過Hough變換，提取兩對(duì)接鋼板的焊縫線）3）焊縫B1蹤模糊控制器.焊接是一個(gè)非常復(fù)雜過程.影 響焊接的因素具有不確定.非線性的特點(diǎn)，故釆用經(jīng)典控制的 理論和方法進(jìn)行控制.在實(shí)陌焊接生產(chǎn)中不能得到令人滿慮的 結(jié)果.在本焊縫自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)中.采用Fuzzy-P取模分 段控制.所謂Fuzzy-P控制就是在大偏差范國(guó)內(nèi)采用比鋼控 制（P控制）以提奇系統(tǒng)響應(yīng)速度，域少調(diào)節(jié)時(shí)間：而在小 倔差時(shí)采用模糊控制（Fuzzy左制）.以減少系統(tǒng)超調(diào)，提高 系統(tǒng)響應(yīng)的平穩(wěn)性和控制粘腹.兩種控制方式的切換是根據(jù)預(yù) 先詢定的僞差閩值來實(shí)現(xiàn)的.本系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果為：響應(yīng)速腹快，傳感番的分辨率可達(dá) 0. 05皿

29、像素，圖像處理識(shí)別謀差小，能在各種干擾的情況 下正確識(shí)別.準(zhǔn)確率髙采用自調(diào)竝比例因子Fuzzyp控制 有效地提高了系統(tǒng)的控制特性.系統(tǒng)能較準(zhǔn)確自動(dòng)定位和自動(dòng) 準(zhǔn)確跟蹤，滿足螺旋管外焊的焊接要求.（3）帶鋼表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)帶鋼常見的表面峽陷 工業(yè)視覺系統(tǒng)及其在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用馬竹梧有*劃痕、折印、銹斑、線印、針孔甚至裂紋等在生產(chǎn)中必 須剔除有缺陷的產(chǎn)品.以保證質(zhì)就.缺陷自動(dòng)檢測(cè)的典5?方法 有*基于激光打描法、渦流法紅外輻射探傷法、的聲波探傷 法以及CCD成像機(jī)器視覺法等.由于CCD成像機(jī)器覘覺法與其他 技術(shù)相比.它更適合于在線高速測(cè)址它能確定缺陷的位置、 識(shí)別缺陷類別和保持缺陷陽(yáng)像供檢査Z用

30、，故在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了 大邑研究和生產(chǎn)這類缺陷檢測(cè)裝迓.轉(zhuǎn)別是國(guó)外己育許多這 樣的產(chǎn)品，如徳國(guó)Parsytec公司的HTS-2冷軋帶鋼表面檢測(cè)系 統(tǒng).近來推出的EspressSI系統(tǒng)、關(guān)國(guó)Cognex公司的金屬帶 卷表面檢測(cè)系統(tǒng)(SoartView Metal)等.國(guó)內(nèi)也莊研制的，如 圖4所示的冷軋帶鋼農(nóng)面質(zhì)艮檢測(cè)系統(tǒng)它由檢測(cè)裝置、并行 計(jì)算系統(tǒng)、服務(wù)器和控制臺(tái)組成檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)線上， 由攝像頭.光源和檢測(cè)橋組成.為了能夠同時(shí)檢測(cè)上、下表 面，在上.下表面各放檢測(cè)裝置。攝像頭為標(biāo)準(zhǔn)的黑 白工業(yè)用面陣CCD攝像頭.并采用多攝像頭同步釆集圖像的方 式攝像頭放置在帶鋼的寬度方向上.相鄰攝像頭采集到的

31、圖 像是重在方式，翼金部分在圖像處理中由軟件消除.每套檢測(cè)裝置中各放M6個(gè)攝像頭.總共用了 12個(gè)攝像頭. 由于生產(chǎn)線生產(chǎn)的帶鋼變度范Ifl為10001250m,因此設(shè)定毎 個(gè)攝像頭晟大的采集寬度為220mn.而每個(gè)攝像頭在寬度方向 上采集的象素為768個(gè).因此在寬度方向上系統(tǒng)的檢測(cè)粘度為 220/768=0.3mn.攝像頭采集的速率為25幀/s由于采集到的 毎一楨圖像由奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)拼接而成.因此在釆集運(yùn)動(dòng)圖像 時(shí).奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)之低有錯(cuò)位.造成了運(yùn)動(dòng)圖像的模糊.這 就需要將攝像頭設(shè)迸成按場(chǎng)釆集的模式.并且只取奇數(shù)場(chǎng)(或偶 數(shù)場(chǎng))捺像頭實(shí)際的采坯速率為25場(chǎng)/s每一場(chǎng)圖像的行數(shù)為 288行.

32、攝像頭在帶鋼橫向與縱向的采集尺寸之比是固定的，為 4:3,因此攝像頭在帶鋼紈間的采集長(zhǎng)度為220X3/4=165(m). 檢測(cè)粘度為165/288=0.6(mm),系統(tǒng)能檢測(cè)的最高運(yùn)行速度為 0.165X25-Kmm)=240(n>/min).由于生產(chǎn)線的最高運(yùn)行速度為 90m/fflin,遠(yuǎn)小于系統(tǒng)所能達(dá)到的僉高檢測(cè)速度.所以造成了在 帶鋼縱向上采集的圖像將會(huì)有很大的為了減少圖像之司 的重費(fèi)程度，對(duì)每場(chǎng)圖像只取120行用于后面的處理.系統(tǒng)中光源的放直如圖5所示.系統(tǒng)選用LED面光源.發(fā) 射的光是平行光.攝像頭放置的位置不是左入射光的反射光路 上。如果鋼板表面沒有缺陷，那么光源在鋼板表面

33、產(chǎn)生鏡面反 射.攝像頭采集不到光源發(fā)射的光.圖像的背景是黑的.如 果鋼板表面有三維缺陷(凹凸性的缺陷.如劃痕.折印.輾印 等)，那么入射光在鋼板喪面產(chǎn)生漫反射，攝像頭就可采集到 光線.因此在圖像中，缺陷區(qū)域是亮的.這種照明方式是通常 所說的“暗場(chǎng)照明” 適用于檢測(cè)三維缺陷檢測(cè)橋用于固定光源和攝像頭.底部裝有輪子，并在地星上 安裝導(dǎo)軌.以便在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)把它從生產(chǎn)線上抽走，不對(duì)生產(chǎn)線 造成形響檢測(cè)橋用26板封裝起來.題免外界光線的進(jìn)入.攝像頭采集的圖像傳送給并行計(jì)算系統(tǒng)，由并行計(jì)算系 統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析井行計(jì)算系統(tǒng)安裝在19控制機(jī) 柜中由于攝愎頭到幷行計(jì)算系統(tǒng)的線纜不能過長(zhǎng).故控制機(jī) 柜放

34、置在生產(chǎn)線附近系統(tǒng)對(duì)圖像處理和分析的所有算法都在并行計(jì)算系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn).經(jīng)過處理后飲可以得刮缺陷的信息.包括缺陷的尺寸、 部位、類型.等級(jí)等缺陷的信息通過100Mb/s的以太網(wǎng)傳送 給服務(wù)器.在服務(wù)器中把這些缺陷進(jìn)行合并和保存.服務(wù)器發(fā) 出控制指令，如檢測(cè)的開始、停止.暫停.以及帶卷的加入和 結(jié)束等服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取帶卷的運(yùn)行速度.以便根據(jù)運(yùn)行速度 得到帶卷的位移，從而獲取缺陷在帶卷上的實(shí)際位置眼務(wù)器中不僅保存缺陷的信息.而且保存缺陷的圖像. 需要保存的數(shù)據(jù)量非常大.可以添加一個(gè)海億存儲(chǔ)器.如磯帶 機(jī)等.將缺陷的歷史數(shù)據(jù)保存到海flt存儲(chǔ)器中通過控制臺(tái)可 以觀察到缺陷的在線檢測(cè)結(jié)果也可調(diào)出缺陷的歷史

35、數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析，也可根據(jù)用戶要求生成檢測(cè)報(bào)表并打印.本系統(tǒng)已經(jīng)成功地在武銷築團(tuán)梅南公司冷軋轎整線上使用.4工業(yè)視覺系統(tǒng)在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用前景表2列出了鋼鐵工業(yè)的主要工序中目前還是使用人工目視 方法進(jìn)行監(jiān)控的.急需要自動(dòng)檢測(cè).而這曲都是可以用工業(yè)視 覺系統(tǒng)來代替的.項(xiàng)目很多.需求很大.故前杲是廣闊的.工業(yè)祝黨在何鐵工業(yè)主雯工序的應(yīng)用需求工用或分廠名稱便用地點(diǎn)煉 恢燒結(jié)燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火滬出口橫向溫度分布，燒結(jié)機(jī)橫向燒 成監(jiān)拎竽曲化塊化牢炭析鬥農(nóng)爐體劣化狀況等聶爐出鐵時(shí)決水溫度及就軾估ih吹岀爐塵it連續(xù)嶺 ».爐況識(shí)劉尋煉轉(zhuǎn)爐及電H爐爐體粘狀*、爐襯噴補(bǔ)和次砌機(jī)器人視覺講別系 統(tǒng)等爐外箱煉爐洽化浴

36、率稅“tfl液血高度.脫氣槽耐火林料 度.創(chuàng)包耐火材料”度.鋼包外殼沿度等連續(xù)誨制鈴壞興朵物，快速評(píng)價(jià)篦坯中心偏析和斷面成分 分布等軌 鋼熱軋板帶料頭形狀.？(化皮卑度.相軋后鋼壞凸度，鋼坯 縱時(shí)及播向竜度.鋼壞撓度.轎軋機(jī)架間產(chǎn)島形 狀.在線希軋輕粗屜度毎冷軋板帶及處 m衣仙粗用反.以化皮2,焊接缺陷.焊接慮強(qiáng) 度.涂油量.焊接郁位形狀.板的內(nèi)應(yīng)力.卷材 形狀.卷材核対.電鍍線鋼板農(nóng)fii)t祜度.熱沒 族線以鋅板花紋尺扎線光沾皮等中卑板諂板農(nóng)曲及背面缺陷.創(chuàng)板側(cè)面及斷面缺陷.W 板殳形(鵝杰、冷態(tài))，密合度.除侑度.農(nóng)面 和糙度>8特檢測(cè)等也鋼標(biāo)記it取.&類空鑰島溫和?；煜?/p>

37、喪面缺陷.線 材卷繞彤狀等是徐窮檢冷找測(cè)斤芯律農(nóng)面缺陷及坑注在線側(cè) tt. uoen的內(nèi)外衣面從陷.缺陷判別Q動(dòng)化等46目前鋼鐵工業(yè)使用工業(yè)視覺系統(tǒng)雖然也有一定進(jìn)展.但 也存在許多問題，主要為， 大試生產(chǎn)情況靠人工目視監(jiān) 控.影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)fit、耗費(fèi)人力.而工業(yè)祝覺是一門較新 的科學(xué)，很少人了解.故應(yīng)進(jìn)一步普及.特別是應(yīng)使現(xiàn)場(chǎng)人員 知道它可解決什么問題：目前鋼鐵工業(yè)使用工業(yè)視覺系統(tǒng) 大都耀引進(jìn)的，國(guó)內(nèi)的主要是學(xué)校、科研單位研制的系統(tǒng)，均 是研究性質(zhì)或科研基金項(xiàng)目.木能形成產(chǎn)業(yè).而靠高技術(shù)人員 或研究宅進(jìn)行.難以人員固定.更難以精益求榊和髙質(zhì)益及高 可靠性.價(jià)格也昂貴；大都是基于PC計(jì)算機(jī)的

38、系統(tǒng).很少 使用智能相機(jī)方式，因而軟件工作量大.價(jià)格昂貴，也不便大 81推廣.而許多項(xiàng)目有共同點(diǎn).如冷熱板、中厚板其至鋼管. 其衣面峽陷檢測(cè)大都大同小異.完全可以造專門行業(yè)智能相機(jī) 方式.以降低價(jià)格和大量椎廣： 軟件大祁毎個(gè)項(xiàng)目分別開 發(fā)，很少使用軟件包方式.因而開發(fā)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大議人力： 適合鋼鐵工業(yè)的工業(yè)視覺系統(tǒng)的軟件平臺(tái)國(guó)內(nèi)基本很少人 研究.硬件也大都進(jìn)口.爭(zhēng)三結(jié)束語(yǔ).工業(yè)視覺在鋼鐵工業(yè)不僅可以提高質(zhì)it和生產(chǎn)離附加值 的產(chǎn)品，而且有很大商機(jī)，據(jù)統(tǒng)計(jì).對(duì)于機(jī)器視覺的研究應(yīng) 用.日、穗、美等發(fā)達(dá)國(guó)家早在60年代就開始了，到上世紀(jì)90 年代.驗(yàn)著光電子技術(shù)的發(fā)展.機(jī)器視覺己取得了廣泛應(yīng)用.

39、市場(chǎng)潛力巨大 1984年，西歐的工業(yè)視覺系統(tǒng)銷售達(dá)589萬美 元.到1989年達(dá)4320萬芙元；美國(guó)，1984年達(dá)6000萬美元. 到1994年達(dá)12億美元：日本，2000年達(dá)300'400億日元另?yè)?jù) “視覺系統(tǒng)國(guó)際公司”的市場(chǎng)調(diào)杳報(bào)吿 1999、2004年北美機(jī) 器視覺市場(chǎng)規(guī)模從168億增到19億美元.年增長(zhǎng)率12. 4%.國(guó) 內(nèi)雖發(fā)展較慢，但潛力很大，必將繼北芙.歐、日后為第四大 市場(chǎng).鋼浹工業(yè)在工業(yè)中占分量很大.其應(yīng)用方開始.必然前 途廣闊，市場(chǎng)很大.因此.發(fā)展工業(yè)視覺系統(tǒng)在鋼狹工業(yè)中應(yīng) 用是急不容緩了此外.由于有許多商品的工業(yè)視覺便件和軟 件.開發(fā)和生產(chǎn)王業(yè)視覺其實(shí)不算太難.完

40、全可以彖設(shè)計(jì)常戲 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)那樣.使用集成方法來完成參考文獻(xiàn)1馬竹梧彎鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化(煉鋼卷)北冶金工 業(yè)岀版社，2003.2李煒等基于機(jī)器視覺的帶鋼表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)J 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2003, 31 (2) : 72-74.3 王全才等燒結(jié)機(jī)尾紅外熱成像計(jì)算機(jī)視覺及信息處 理系統(tǒng).山東冶金.2002, 24 (5) : 3840.4 顏發(fā)根等.基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)PLC & FA, 2004,(7) : 129-131J40.5 凌云光視數(shù)字圖像公司.機(jī)器視覺軟件PLC 4 FA,2004, (7) : 132-140.6 張文偉等.非接觸式自動(dòng)定尺切割系統(tǒng)PLC & FA,2005, (2) : 109-111.7】徐科等.冷軋帶鋼表面質(zhì)UI自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的在線應(yīng)用 研究冶金自動(dòng)化，2003； 27 (1) : 5153, 74.8 成鵬飛零.圣于機(jī)題視覺的鋼特自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)冶金 自動(dòng)化.2008, 32 (1) : 22269 楊水山等.帯鋼視覺檢測(cè)系統(tǒng)的研