CN101224472A - 一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置，利用板材本身热辐射获取图像的一种测量方法，无任何外加热源和光源。主要包括CCD摄像机(电荷耦合器件)、红外滤光系统、图像采集卡、图像处理系统。检测装置安装在轧机后(前)辊道旁，当红热的板材通过辊道运送至检测系统时，装有近红外滤光片的CCD摄像机获取板材头部图像，图像处理系统对所获取的图像进行平滑处理、图像增强、图像分割、图像形态学处理等得到头部的形状曲线，对该曲线进行拟合，得到板材头部弯曲高度、弯曲曲率和弯曲段长度等参数。本发明可以消除生产现场水蒸气对获取图像的干扰，检测速度快，设备安装简单、不改变原生产工艺、稳定可靠，适合于中厚板和热连轧生产场合。

Description

一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置及方法

技术领域：

本发明属于轧制与检测技术领域，特别涉及一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置及方法。

背景技术：

目前板带材轧制过程中的厚度控制问题已经基本解决，但在板形、平直度、头部弯曲和侧弯控制等方面还存在严重不足。而轧制过程中板材头部的严重弯曲会影响到生产过程的顺利进行以及产品的成材率等。头部翘曲过大时，板材和轧辊或者护板产生撞击，严重的话会引起缠辊事故，造成停产并产生废品；扣头严重时，板材撞击辊道，更为严重的话板材会钻进地沟，或者板材头部卡死，引起轧机损坏。目前对于板材头部弯曲程度的测量缺乏有效的、安全的、稳定的手段。现有技术使用的一种测量方法是在辊道旁树立一根标尺，当板材通过标尺时，由人工读取板材头部的翘曲高度。该检测方法检测手段落后，由于靠近辊道和轧机，检测环境非常差，误差大，无法满足自动测量、自动记录的要求，不适于应用现场生产和控制。中国知识产权局公开的专利申请号为02152007.0名称为“自动在线长度测量系统”，它是采用激光技术测量中板长度和宽度，该系统不能测量板材头部弯曲形状、且不能排除现场水蒸气和冷却水的干扰。近年来，机器视觉技术在轧制过程中得到了广泛的应用，通过机器视觉检测板材平面形状、侧弯、表面缺陷、温度等的应用比较多。日本公开的专利申请号为JP19840136314 19840630，授权号为JP19840136314 19840630名称为“SHAPE MEASURINGINSTRUMENT”，它是利用板材自身热辐射，通过安装在板材上方的摄像机获取板材图片，对图像进行处理得到板材尺寸和平面形状参数，但该装置不能检测板材头部弯曲的形状。

发明内容：

为了解决轧制过程中板材头部弯曲程度的测量，为实现头部弯曲控制提供依据，本发明提供一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置及方法。

本发明检测装置由图像采集系统和图像处理系统两部分组成。图像采集系统包括CCD摄像机、镜头、红外滤光片。图像处理系统包括图像采集卡、计算机、显示器和图像处理软件。计算机通过以太网连接轧机生产控制系统，用以实现板材头部弯曲的控制。

由于板材温度在800～1200℃之间，由维恩位移定律：

λ_m＝b/T

其中b为常量，b＝2.897756×10^-3m.K。热轧中板材的温度一般在800～1200℃之间，其热辐射的辐射峰值在1.97～2.7μm左右(考虑到钢铁为灰体其谱线略有回落)。摄像系统在空气中使用时，必须尽可能避免气体对光线的吸收作用，因此选择红外滤光片时必须避开这些吸收带。由于波长在0.9～1.1之间的红外光对于水蒸气有较好的透过能力，所以选择能透过该段波长的近红外滤光片。

当高温板材通过测量装置时，检测系统得到过钢信号，CCD摄像机获取板材头部的图像，该信号为模拟信号，经图像采集卡数字化后，送入图像处理系统进行分析处理。首先需要计算所获取的图像的灰度直方图。图像灰度直方图是一种灰度特性，指图像所有灰度值出现的相对频率，灰度直方图的计算方法是统计各个像素的灰度值，然后得到各灰度值出现的频率。可以使用灰度直方图分析图像中灰度值的分布，并进行图像有效性分析，之后进行图像处理。本发明所涉及的图像处理过程包括图像平滑处理、图像增强、图像分割、图像形态学处理等。

本发明所涉及的图像处理过程具体包括以下步骤：

(1)获取图像灰度直方图

统计图像中各灰度值出现的次数，

(2)图像平滑

采用带阈值的线性和非线性的混合滤波消除图像中的各种寄生效应，

(3)图像增强

通过空间域法对图像进行灰度拉伸，按特定的需要突出图像中的关键信息，

(4)图像分割

采用双峰法将板材从背景图像中分割出来，

(5)图像形态学处理

通过骨架处理得到板材骨架曲线，

(6)曲线拟合

对板材骨架曲线进行拟合，得到弯曲形状及参数。

图像平滑处理的目的是消除图像中的各种寄生效应又不使图像的边缘轮廓和线条模糊，本发明中采用带阈值的线性和非线性的混合滤波，采用3×3的窗口，当均值和判断点的绝对阈值小于某一阈值，就利用空间滤波，否则就采用中值滤波，在降低噪声的同时尽可能保留边缘信息。算法如下：

$\mathrm{avg}=\frac{1}{9}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}f(i-1,j-1)$

$(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{avg}& \mathrm{avg}\≤v\\ \mathrm{Med}\left\{f(i,j)\right\}& \mathrm{avg}>v\end{array}\right.$

其中avg为窗口的平均值，v为设定的阈值。

图像增强处理是按特定的需要突出图像中的关键信息，同时削弱甚至除去不需要的信息，本发明中涉及的图像增强处理是为了突出显示板材信息而消除背景信息。本发明采用空间域法直接对图像的像素进行操作，通过灰度拉伸增强图像对比度。灰度拉伸的函数表达式如下：

$f\left(x\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}\frac{y_1}{x_1}x& x<x_1\\ \frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}(x-x_1)+y_1& x_1\&le;x\&le;x_2\\ \frac{255-y_2}{255-x_2}(x-x_2)+y_2& x>x_2\end{array}\right.$

图像分割的目的是将板材从背景图像中分离出来，得到板材的骨架曲线，从而计算出板材弯曲曲线。由于板材图像与背景图像灰度差别较大，本发明采用双峰法进行图像分割。由于本发明中获取图像的灰度直方图呈现明显的双峰状，所以选取两峰之间的谷底对应的灰度级作为阈值。通过此方法可将板材从背景图像中分割出来。

图像形态学处理主要是获取板材的骨架曲线。获取板材的骨架曲线可以通过对图像的腐蚀和开操作实现。由于在形态学处理中，腐蚀运算的作用是消除图像中边界点，膨胀运算的作用是把图像周围的背景点合并到物体中，开运算相当于对图像进行腐蚀运算后再进行膨胀运算。

由于板材的弯曲是一条不规则的曲线，所以需要对图像处理后的曲线进行拟合处理，拟合曲线为

(x-a)²+(y-b)²＝r²

(a，b)为弯曲段圆心位置，r为弯曲半径。从而计算出板材的弯曲曲率。通过对该曲线的处理还可得到板材的弯曲高度h和弯曲段的长度l。然后判断各参数是否有效，主要是比较计算结果是否超出可能出现的极限参数(根据经验确定)的范围，如果在次范围之内则认为计算结果有效。

数字化后的图像显现在计算机显示器上，同时图像处理结果和计算结果也分别显示出来。

本发明可以消除生产现场水蒸气对获取图像的干扰，检测速度快，设备安装简单、不改变原生产工艺、稳定可靠，适合于中厚板和热连轧生产场合。

附图说明：

图1为头部弯曲形状检测装置示意图

图2为头部弯曲形状检测方法的步骤流程图

图3为头部弯曲段待检测参数示意图

图中：1CCD摄像机，2镜头，3红外光学滤光片，4电缆，5计算机，6热金属检测仪，7板材，8辊道。

具体实施方式：

结合图1、2说明本实施方式。硬件由CCD摄像机1、镜头2、红外光学滤光片3、图像采集卡、计算机5、热金属检测仪6组成。图像采集卡和CCD摄像机通过电缆连接。CCD选用台湾敏通的1/2英寸黑白低照度高解析摄像机(MTV-1881EX)，镜头采用TAMRON的13VM308ASIR，红外滤光片选用HWB900，截止900nm以下光线，通过900nm以上近红外光，红外滤光片安装在镜头上。图像采集卡采用微视科技的U200型便携式USB总线图像采集盒。热金属检测仪选用中川光电的RLK730，其检测温度范围为400～1500℃。计算机采用IBM便携式笔记本电脑。由于所选用CCD摄像机的响应频谱在400～1100nm以下，所以对本系统起作用光谱范围为900～1100nm。采用以上配置可以将实验系统安装在任何一家方便的现场，方便实验。板材头部弯曲程度在线检测方法的步骤为：将红外滤光片安装在CCD摄像机的镜头上，将CCD摄像机安装在轧机后推床外，使CCD摄像机稍高出辊道水平面。当板材到达热金属检测仪位置时，热金属检测仪检测到上升沿信号，判断出板材位置，并将此信号发送给检测系统计算机，检测系统计算机收到该信号后，根据辊道速度延时启动CCD摄像机获取板材头部图像。经图像采集卡转换为数字信号后，进入图像处理系统进行处理，处理过程如图2所示。最后得到板材头部弯曲曲率l/r、弯曲高度h和弯曲段长度l等参数，如图3所示。

Claims (3)

1.一种基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置，其特征在于该装置包括图像采集系统和图像处理系统，所述图像采集系统包括CCD摄像机、镜头、红外滤光片及热金属检测仪；图像处理系统包括图像采集卡、计算机、显示器和图像处理软件，图像采集卡和CCD摄像机通过电缆连接，红外滤光片安装在CCD摄像机的镜头上，热金属检测仪设置在板材经过的辊道旁，图像处理软件嵌入计算机，计算机通过以太网连接生产控制系统。

2.权利要求1所述的基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测装置的检测方法，其特征在于将装置的CCD摄像机安装在轧机前或后推床外，使CCD摄像机稍高出辊道水平面，热金属检测仪设置在板材通过的辊道旁，当板材到达热金属检测仪位置时，热金属检测仪检测到上升沿信号，判断出板材位置，并将此信号发送给检测系统计算机，计算机接收到该信号后，启动CCD摄像机获取板材头部图像，经图像采集卡转换为数字信号，经图像处理，得到板材头部弯曲参数。

3.根据权利要求2所述的基于近红外图像的板材头部弯曲形状检测方法，其特征在于所述图像处理包括以下步骤：

(1)获取图像灰度直方图

统计图像中各灰度值出现的次数，

(2)图像平滑

采用带阈值的线性和非线性的混合滤波消除图像中的各种寄生效应，

(3)图像增强

通过空间域法对图像进行灰度拉伸，按特定的需要突出图像中的关键信息，

(4)图像分割

采用双峰法将板材从背景图像中分割出来，

(5)图像形态学处理

通过骨架处理得到板材骨架曲线，

(6)曲线拟合

对板材骨架曲线进行拟合，得到弯曲形状及参数。

Images