专利名称：基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种冷轧钢板表面质量信息在线检测技术，具体是一种基于嵌入式图像处理系统的冷轧钢板表面质量在线检测系统及方法。
背景技术：
我国是钢铁生产大国，当前钢材主线产品如汽车板、不锈钢装饰板等，其表面质量对其总体质量乃至市场竞争力起着决定性作用。目前，冷轧钢板表面质量缺陷检测多采用人工目测的方法，或者单纯的机电技术或者光学技术检测方法。人工检测方式具有检测有效速度范围小、视觉灵敏度低、受人体功能方面的影响等缺点，而基于单纯机电技术或光学及时的检验方式如涡流检测要求的技巧性高，抛光表面或者粗糙表面会影响检测结果。漏磁检测方法不能检测粗糙的表面，对缺陷不能精准识别。激光检测方法难于维护。目前，采用电荷耦合传感器采集带钢表面质量缺陷的方法还需要专用的图像采集卡以及信号转换设备(如专利申请号为200510010049.6，名称为“线阵图像式带钢表面在线缺陷检测装置及其检测方法”中使用的模拟数字转换器，光纤转换接口等)，对于高速运行的带钢会造成缺陷信息传输上的延时，以及系统资源的消耗。嵌入式系统是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，基于嵌入式的图像处理技术，又可称为“机器视觉”，将被测对象的图像作为信息载体，从中提取有用的信息来达到测量的目的，具有非接触、高速获得信息的优点。在工业监控、如钢板表面质量在线检测这样的场合会使用一些复杂的算法处理大量的数据，并且对系统的体积、功耗和实时性都有很高的要求。传统的基于“摄像机-图像采集卡-通用PC”的图像处理系统很难满足要求，目前针对钢板表面质量检测的方法主要有两种:基于PC的纯软件检测方法，这种方法运行速度相对较慢。另一种方法是采用多DSP并行处理数据,系统庞杂,成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统及方法，采用机器视觉与嵌入式数字信息处理相结合的手段对高速冷轧带钢表面缺陷信息进行采集，解决基于PC的纯软件检测方法运行速度相对较慢，以及基于机器视觉的冷轧带钢表面缺陷采集方法下系统庞杂，设备种类多，系统资源消耗高的等问题；通过编码器将生产信号与缺陷检测系统结合，有效而准确的对缺陷信息进行定位并分析缺陷属于何种类型，满足在冷轧带钢高速运动状态下对带钢表面缺陷信息实时的采集与识别。本发明的目的是这样实现的，一种基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统，主要包括安装在用于传送带钢的S辊上的编码器，位于被检测传送带钢上下的固定框架，安装在固定框架上的线性LED光源和线阵C⑶相机，通过千兆以太网与编码器、CXD相机相连接的嵌入式图像处理系统，通过交换机与嵌入式图像处理系统相连接的服务器、存储以及显示器；所述的嵌入式图像处理系统主要有数字信号处理DSP和可编程逻辑器件FPGA组成。检测方法采用线性红色LED光源照射于冷轧带钢的上、下表面，通过高速线阵CCD相机对冷轧带钢表面信息进行采集，采集到的信息在相机内部直接转换为数字信息，并通过千兆以太网传入嵌入式图像处理系统，在嵌入式图像处理系统中对采集到的冷轧带钢图像进行预处理，图像的预处理是指通过图像处理算法(包括边界搜索算法、滤波处理、图像增强算法等)，判断采集到的带钢图像是否有疑似缺陷，如发现有可疑图像则进入采集系统的服务器中，通过模式识别的方法对可疑的图像信息进行进一步的判断，通过对特征值的提取与特征选择，对缺陷信息进行确定及分类。本发明中，采用线性红色LED光源照射于冷轧带钢的上、下表面，为CCD提供明亮的视场，清晰地采集到冷轧钢板的图像，本发明中，设计红色线性LED光源的位置通过保护装置中的旋钮可调，这样能够保证及时调整LED光源位于最合适的位置以及角度，使得线阵CCD相机能够采集到更多种类的带钢表面缺陷图像，同时能够使图像准确地显示出缺陷的特征信息。红色的线性LED光源具有快速达到照明稳定状态、高照度输出、高均匀性等特点，同时照明光源的波长与CCD器件的峰值波长相匹配，使得CCD传感器以很高的灵敏度完成光电转换。高强度线性光源能够降低自然光产生的噪声，因此红色线性LED光源是冷轧钢板表面缺陷检测的最佳选择。本发明中，采用一种通过千兆以太网直接将图像信号传入嵌入式图像处理系统中的传输的方法，区别于已有的通过图像采集卡将图像信息传入图像处理系统的方法，本发明大大降低了系统的复杂性。嵌入式图像处理系统是由现成可编程门阵列FPGA与数字信号处理器DSP为主要器件构成的。基于嵌入式的图像处理系统与基于PC的图像处理不同，具有针对性强、功耗低、稳定性能好，处理能力强等特点。FPGA是天生的并行计算者，同时DSP作为专用的数字信号处理器，与FPGA结合可对采集的钢板图像信息进行并行实时运算处理，解决了 PC进行图像处理需要进行图像的保存，压缩与解压缩等一系列过程带来的信号延时所不具备实时检测的问题。与其他发明中采取光纤传输信号不同，本发明采用以太网进行信号传输，选择GigE Vision相机,GigE Vision是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准。在工业机器视觉产品的应用中，GigE Vision允许用户在很长距离上(100米)用廉价的标准线缆进行快速图像传输。在相机中转换好的数字信号通过以太网直接进入嵌入式图像预处理系统中，进行冷轧带钢图像预处理，这样不需要繁琐的信号转换过程，节省了在信号转换过程中需要的模拟数字转换器件等大量器件以及设备，同时也节省了大量的系统资源。本发明中采用了一种图像预处理的方法，首先通过来自系统中旋转编码器的信息对疑似有缺陷的图像进行选择与定位，这对后面进行的钢板表面缺陷分析与分类提供了方便，缺陷图像预处理系统采用DSP与FPGA相结合的方式，FPGA对整个系统外围器件进行时序与逻辑控制，DSP对采集到的带钢图像信息进行边界检测、图像增强、感兴趣区域(ROI)检测等，将疑似有缺陷的图像与正常带钢图像分类，疑似有缺陷的图像通过千兆以太网高速传给系统服务器进行进一步的缺陷分析与分类，从而保证冷轧带钢表面缺陷数据采集系统的实时性。整个系统仅使用千兆以太网作为高速数据传输方式，使系统能够高效进行实时数据采集。在服务器上对疑似有缺陷的带钢表面缺陷进行识别与分类，系统中的编码器与嵌入式图像处理系统相连，在嵌入式图像处理系统中进行钢卷信息即生产信息(钢卷号、钢卷位置信息等)的采集，旋转编码器准确的为系统提供缺陷的位置信息。通过以太网将上述信息传入系统服务器并在显示界面上显示出带钢表面缺陷的类型、物理位置、深度以及图像信息，同时这些信息还将保存在专用的海量存储里，方便工作人员随时对缺陷信息回看与分析。本发明中使用多个线阵CCD相机进行同步采集，达到覆盖整个冷轧钢板宽度的效果，保证了冷轧钢板图像采集的完整性。多个相机采集的冷轧钢板图像信息分别通过各自的嵌入式图像预处理平台进行图像的并行处理，通过交换机将多个嵌入式图像预处理系统处理后的图像信息上传至系统服务器进行缺陷图像二次分析即钢板缺陷的分类与定位。检测到钢板轧制过程中形成的主要缺陷类型，如:划伤、黏结横纹、羽纹、白斑、辊印、锈斑、乳化液斑、裂纹、气泡等。检测的冷轧带钢线速度范围:20m/min 800m/min、检测位置:钢板上表面和下表面检测、系统工作的时间范围:全天候，全时段、检测精度:
0.30mmX0.30mm、检测准确率> 95%。本发明使用极少的设备与器件以及总线方式保证对冷轧带钢表面质量信息的数据采集能够实时、准确地进行，节省了大量的系统资源，具有结构简单、维护方便的优点。解决了基于PC的纯软件检测方法运行速度相对较慢和采用多DSP并行处理数据，系统庞杂，成本较高等问题。
图1基于嵌入式处理系统的钢板表面质量在线检测系统结构示意图；图2嵌入式钢板图像处理系统工作流程图。
具体实施例方式结合图1说明具体实时方式:它由I测速装置旋转编码器、2线性LED光源、3线阵CXD相机、4嵌入式专用数字图像预处理平台(DSP+FPGA)、5服务器、6存储系统、7交换机、8显示系统、9打印系统组成以及10保护装置组成。线性LED红色光源通过角度可调的支架固定在保护装置的上部，通过调节旋钮将线性LED红色光源固定到最佳位置，保证线阵CXD相机能够在明亮的市场上采集到更完备与准确的冷轧带钢表面缺陷特征。线阵CCD相机的驱动信号由嵌入式图像处理系统上可编程逻辑控制器件FPGA提供，控制线阵CCD相机采集冷轧带钢表面图像信息，图像信息在线阵CCD相机内部完成模拟量到数字量的转换，转换好的冷轧带钢图像信息，即线阵CXD相机的输出信号通过以太网接入图像预处理系统，在DSP内进行图像的合并、边界检测、滤波以及ROI检测的带钢表面质量图像预处理与预判断。图中辊上的旋转编码器通过冷轧带钢的运动速度的变化控制相机的采集频率，其输出信号作为线阵CCD相机的触发信号。图像预处理系统中的可编程逻辑控制器件FPGA对冷轧带钢表面质量的数据采集过程进行控制，包括控制线性CCD相机采集冷轧带钢表面图像，控制线性CCD相机信号的传输，控制专用图像预处理系统中DSP对冷轧带钢表面图像的预处理与缺陷的预判断，控制预处理后的冷轧带钢图像信息通过以太网传输到系统服务器。系统服务器进一步对图像进行分析、判断与分类，并形成文档存入海量存储，方便随时回放与打印。冷轧带钢表面质量信息采集方法的步骤为(参见图2):根据S辊上的编码器的输出信号驱动线阵CCD相机的采集频率，线阵CCD相机在带钢表面图像预处理系统中的可编程逻辑控制器件的驱动下对冷轧带钢的表面图像信息进行采集，固定红色线性LED光源，控制光源的照射角度以及光强，为线阵CCD相机提供良好视场，通过线阵CCD相机采集到的冷轧带钢表面图像信息通过以太网传入嵌入式图像预处理系统中的数字信号处理系统(DSP)进行冷轧带钢表面质量缺陷预判断，经过图像合并、噪声处理以及图像增强等处理后，将疑似有缺陷的图像与无缺陷的图像区分开并分通过以太网接口传输到系统服务器上，服务器对疑似有缺陷的图像信息通过模式识别的方法进行二次判断，为冷轧带钢表面质量缺陷进行分析与分类，并通过旋转编码器对缺陷进行定位，完成以上步骤后，服务器对冷轧带钢表面质量缺陷进行存储与制表，将信息存入系统的海量存储。方便随时回调冷轧带钢的各类信息。同时在显示界面上完全显示出冷轧带钢表面质量缺陷的全部信息。其中线阵C⑶相机选择加拿大DASLA公司的SG-11-02K80型号相机，编码器选择日本Nemicon旋转编码器0VW2-25-MD-2500，图像预处理系统中的可编程逻辑控制单元器件选择美国Altera公司的Cyclone系列FPGA，数字信号处理单元选择美国TI公司的TMS320DM648DSP。
权利要求
1.一种基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统，其特征在于:主要包括安装在用于传送带钢的S辊上的编码器(I)，位于被检测传送带钢上下的固定框架(10)，安装在固定框架上的线性LED光源(2)和线阵CXD相机(3)，通过千兆以太网与编码器、CXD相机相连接的嵌入式图像处理系统，通过交换机(7)与嵌入式图像处理系统(4)相连接的服务器(5)、存储￠)以及显示器(8);所述的嵌入式图像处理系统主要有数字信号处理DSP和可编程逻辑器件FPGA组成。
2.一种利用权利要求1所述基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统进行检测的方法，其特征在于:采用线性红色LED光源照射于冷轧带钢的上、下表面，通过高速线阵CCD相机对冷轧带钢表面信息进行采集，采集到的信息在相机内部直接转换为数字信息，并通过千兆以太网传入嵌入式图像处理系统，在嵌入式图像处理系统中对采集到的冷轧带钢图像通过边界搜索、滤波处理及图像增强的图像处理算法进行预处理，判断采集到的带钢图像是否有疑 似缺陷，如发现有可疑图像则进入采集系统的服务器中，通过模式识别的方法对可疑的图像信息进行进一步的判断，通过对特征值的提取与特征选择，对缺陷信息进行确定及分类。
全文摘要
本发明提供了一种基于嵌入式图像处理系统的带钢表面在线检测系统及方法，检测系统主要由包括安装在S辊上的编码器(1)，位于被检测传送带钢上下的固定框架(10)，安装在固定框架上的线性LED光源(2)和线阵CCD相机(3)，通过千兆以太网与编码器、CCD相机相连接的嵌入式图像处理系统，通过交换机(7)与嵌入式图像处理系统(4)相连接的服务器(5)、存储(6)以及显示器(8)。本发明使用极少的设备与器件以及总线方式保证对冷轧带钢表面质量信息的数据采集能够实时、准确地进行，节省了大量的系统资源，具有结构简单、维护方便的优点。解决了基于PC的纯软件检测方法运行速度相对较慢和采用多DSP并行处理数据，系统庞杂，成本较高等问题。
文档编号G06K9/62GK103163141SQ20111041893
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者高冰, 原思宇, 赵坦, 李文斌, 李广龙, 宋宝宇, 王奎越, 杨东晓 申请人:鞍钢股份有限公司