CN101815665B - 对通过加工工艺的幅材特征的准确跟踪 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于跟踪通过加工工艺的幅材特征的位置的方法和装置，其一个应用能够涉及从造纸机(10)至将片材卷绕成卷(16)的卷绕机跟踪照相系统(12)检测到的纸张缺陷，以使得能够在制造卷之前在卷绕机中对幅材缺陷(14)进行修复。用于跟踪幅材特征的方法基于对固有片材变化性或者缺陷的图案标识。该装置包括两个或更多片材性质或者缺陷监视幅材传感器，它们在印染复卷操作的不同阶段布置在相同的横向方向位置处，并由测速计和/或卷径传感器来扩充。优选地，增加用于基于该信息对卷绕机进行驱动控制的全自动系统，以便最大化利用该信息。

Description

对通过加工工艺的幅材特征的准确跟踪

技术领域

本发明涉及对通过复卷(converting)工艺的移动幅材的特征的跟踪，更具体地涉及对这些特征的准确跟踪。

背景技术

在一些幅材处理和复卷中，例如造纸或者纸张的卷绕，需要定位并修复严重的幅材缺陷，例如孔或者浆块。如果纸卷将经历随后的涂敷或者类似复卷操作，这是特别重要的，在该涂敷或者类似复卷操作中，即使幅材中的小孔也可能会绊住并引起片材破裂。

在幅材处理和复卷中的其他问题包括例如在存在机器扰动或者品级改变时跟踪幅材的异常变化性或者性质改变。在该实例中，因这种扰动，有时必须废弃比所需产品还要多的产品，不然将可能出现出厂劣质卷的危险。

以上两个段落描述了在幅材中可能出现的问题的例子。这些问题在下文中称之为缺陷。

当通过幅材检查系统来检测主要缺陷时，至关重要的是确定该事件在卷筒中的机器位置。随后利用该信息来在缺陷的位置停止卷绕机，以便为操作员提供修复该幅材的机会。目前针对该任务所部署的方法具有边缘标记系统，该边缘标记系统在连接至幅材检查系统的造纸机中使用喷墨器，诸如Syracuse，NY的R.K.B.Opto-Electronics公司和Marietta，GA的RYECO出售的喷墨器。在检测到缺陷时，立刻激励喷墨器，并且纸张的边缘被上色以突出显示缺陷位置。随后在卷绕机中观察到该标记，并且操作员必须将机器降低至低速，从而允许人工观察并最终找到该缺陷，并最终在缺陷处停止卷绕机以便进行修复。

已经提议了各种增强措施，包括卷绕机中针对颜色标记的光学检测器以及对喷墨机构的改进，但是已经证明没有一个技术方案具有长期可靠性并且是操作员友好的。另外，纸张质量可能由于墨水的过喷射和下滴而降级，或者阻塞住的喷墨嘴可能不能喷射并因此使得卷中的缺陷未被标记。喷墨系统也需要定期维护，例如清洁喷墨喷嘴，如果不及时或者适当地执行清洁则会损害系统的有效性。

利用基于照相机的检查系统，例如由ABB出售的″ULMA″系统，来检测幅材缺陷。利用在线质量控制测定系统，例如ABB的“SmartPlatform(智能平台)”和“Smart Sensor(智能传感器)”，来测量幅材质量参数。驱动系统(例如ABB ACS600驱动器)为卷绕机上的幅材处理提供速度、张力和位置控制。然而，为了提供卷绕机的完全自动化尚缺少一个环节。当前的墨水标记系统和上色边缘的人工观察仍然使操作员负有在重绕操作中查找实际缺陷位置的责任。期望这样一种解决方案，该解决方案连接这些系统并提供卷绕机的完全自动化和在缺陷位置处准确的停止。本发明提供了该解决方案。

发明内容

一种用于跟踪移动片材特征的系统。该系统具有计算设备，在该计算设备中具有可供所述计算设备使用的程序代码。该程序代码具有：配置用于在第一片材制造工艺中获得所述片材性质中自然变化性的图案的代码；以及配置用于在随后的片材制造工艺中使用所述获得的图案来在随后工艺中获得对所述片材中的缺陷的外观的早期警告的代码。

一种用于跟踪移动片材特征的方法。所述方法具有以下步骤：在第一片材制造工艺中获得所述片材性质中自然变化性的图案；以及在随后的片材制造工艺中使用所述获得的图案来在随后工艺中获得对所述片材中的缺陷的外观的早期警告。

一种用于跟踪移动片材特征的计算机程序产品。该计算机程序产品具有：配置用于在第一片材制造工艺中获得所述片材性质自然变化性的图案的计算机可用程序代码；以及配置用于在随后的片材制造工艺中使用所述获得的图案来在随后工艺中获得对所述片材中的缺陷的外观的早期警告的计算机可用程序代码。

附图说明

图1A和图1B示出了包括幅材检查台的造纸机10的卷筒端的正视图和顶视图。

图2A和图2B示出了典型卷绕机操作的正视图和顶视图。

图3A示出了在移动幅材一侧的激光器和在移动幅材另一侧该激光器正下方的检测器。

图3B示出了正在造纸机中制造的单道卷筒的光学特点。

图4A示出了重绕机，其具有在移动幅材的一侧的激光器，在移动幅材另一侧该激光器正下方的检测器。

图4B示出了正在重绕机机器中制造的单道卷筒的光学特点。

图5A示出了对时间上偏移且在两个不同测量事件之间添加有高频噪声和低频噪声的相同物理样品的两个测量特点的LabVIEW仿真结果。

图5B示出了图5A所示的两个特点的互相关。

图6示出了其中使用激光器和检测器来获得特点的本发明的实施方式。

图7示出了其中使用幅材检查照相机来获得特点的本发明的实施方式。

图8示出了来自于对幅材制造工艺的原始视频信号进行仿真的幅材检查系统的原始图像。

图9示出了仿真重绕工艺的原始视频信号的对应图像。

图10和图11分别示出了在对机器方向(MD)速度差、横向(CD)观察区域差进行补偿以及重新量化后的图8和图9的图像。

图12示出了由与图8至图11所示图像相关联的本发明实施方式最小化的成本函数结果。

图13示出了成本函数阈值化的一个例子。

图14a至图14h示出了根据本发明的另一实施方式的纸幅的快照图像。

具体实施方式

本发明具有若干实施方式。在一个实施方式中，使用激光器和检测器生成由幅材制造机器制造的单道卷筒的光学特点。在另一实施方式中，使用来自基于照相机的幅材检查系统的信息生成光学特点。在下文中将描述这些实施方式中的每一个。

图1A和图1B示出了包括幅材检查台12的造纸机10的卷筒端10A的正视图和顶视图。台12包括线照相机(line camera)12A和光源12B。卷筒16内部的缺陷14在图1B示意性地示出为在幅材18上。当卷筒16完成时，利用起重机20将其提起以便传送到在图2A和图2B中示出的卷绕机22。如图2A所示，卷筒16将在其体积内部的某处包含幅材缺陷14。

图2A和图2B示出了典型卷绕机操作22的正视图和顶视图。来自造纸机的卷筒16重新卷绕成纸卷24，或者形成另一卷筒(未示出)以便进行涂敷、处理或者复卷。作为重绕操作的一部分，卷绕机22必须减速并在纸张缺陷14处停止，以便操作员能够修复幅材缺陷，并且仅在修复完成时可以继续重绕。卷绕机22通常以非常高的速度操作，并且在接近认为缺陷14所位于其中的区域时必须降低至慢行速度，以便允许操作员在视觉上发现缺陷14。

造纸机上的幅材检查系统12具有非常快的响应速度，并且能够准确地确定检测到缺陷14的时间。必须将该时间转译成分配给卷筒16的机器方向幅材位置，以便针对卷绕机22跟踪该位置。由于如下事实使该跟踪更加复杂：机器速度和卷绕机速度不同，并且由于纸张实验室采样锯切(slab-off)损失、清除卷筒以及移除纸张的劣质外部缠绕而导致在卷筒顶部上损失一些纸张。因此，尽管损失了纸张，但是仍需要从造纸机10向卷绕机22准确地传送机器方向坐标。

本发明比较从造纸机10到卷绕机22(这是加工工艺的一个例子)或者在加工工艺中任意其他步骤之间的在相同横向方向区域中的特点。典型地，该特点可以通过现有光学幅材检查照相机中的信息来建立，或者基于例如激光器或者检测器而由其他光学透射传感器来建立。由小规模变化性以及大规模变化性构成的该特点是唯一的，因此其可以用于确定地标识事件或者缺陷的机器位置，并在配备有相似透射测量装置的两个不同工艺位置之间实现位置同步。通过记录造纸机10上的纸张特点并限定相对于该特点的缺陷位置，将有可能通过在卷绕机上监视同一特点而在缺陷之前使卷绕机22减速并停止。

图6示出了其中使用激光器和检测器来获得特点的本发明实施方式，以及图7示出了其中使用幅材检查照相机来获得特点的本发明实施方式。为了便于描述，在这两个附图中对于相同的元件给予相同的附图标记。

现在参考图6，造纸机10包括幅材检查系统12，其后紧跟着沿着移动幅材18的边缘30定位的光学透射传感器26。传感器26如图3A所示具有定位在移动幅材18一侧上的激光器26a，以及定位在移动幅材18另一侧上且位于激光器26a正下方的检测器26b。幅材18具有在图6中象征性示出的缺陷14。该造纸机还包括卷筒脉冲测速计28。

如图4A所示，卷绕机22包括光学透射传感器32，该光学透射传感器32具有类似于光学透射系统26的设计，并沿着将被重绕的卷筒16的移动幅材18的边缘34定位，该移动幅材18包括幅材缺陷14。传感器32具有定位在移动幅材18的一侧上的激光器32a以及定位在移动幅材18的另一侧上且位于激光器32a正下方的检测器32b。如图6所示，卷绕机22还包括驱动器36和卷绕机脉冲测速计38。

在造纸机10上的传感器26和在卷绕机22上的传感器32两者都连接至计算设备40，诸如个人计算机或者图6所示的相关联视频显示器42。计算设备40能够进行高速数据获取。来自造纸机传感器26和卷绕机传感器32的信号供计算设备40使用，以生成上述特点。正如将在下面更加详细描述的那样，计算设备40用于比较那些特点以定位缺陷14。

现在参考图7，示出了本发明的一个实施方式，其中如下面所详述，使用来自定位在造纸机10上的幅材检查或者测量系统44的信号，以便创建存储在计算机设备40中的特点。定位于卷绕机22上的幅材检查或者测量系统46中的照相机向计算设备40提供信号，并且与由系统44创建的特点一起供该设备使用，以便标识出重绕幅材18上缺陷14的位置。

图3A示出在该造纸机上的测量原理。来自基于照相机的幅材检查系统(图3A中未示出)或者简单光学透射传感器26的信息生成正在造纸机中制造的单道48卷筒16的光学特点，如图3B所示，其中简单光学透射传感器26优选地包括位于幅材18一侧上的激光器26a和位于幅材18另一侧上的检测器26b。该光学特点可以包括一个横向机器位置处光学透射的连续测量，或者在有限大小横向机器区域中的光透射2-D图案，或者超过特定阈值水平的信号异常的图案。选择测量分辨率和信号处理以允许以典型的机器速度对小规模纸张特征的准确跟踪。该光学特点存储在如图6和图7所示的计算机40中，并且用于在卷绕机22中进行纸张位置标识。

在图4A中，在卷绕机中示出了纸张卷筒16和第二光学传感器32，该第二光学传感器32与图3A中所示造纸机上的光学传感器26具有类似的设计。由于将纸张18重绕成卷，来自如图4B所示的传感器32的信号基本上与造纸机10上的信号相同，但是反向运转，以不同的速度操作，并且由于损失的纸张可能在端部被截短。本发明利用来自造纸机10的特点和卷绕机33上的特点之间的实时互相关数学运算向卷绕机22转译造纸机卷筒坐标。该数学运算允许在重绕操作期间在幅材缺陷可视地出现在幅材18中之前得到幅材缺陷位置的精确知识。

通过当在卷筒16和卷24之间重绕幅材18时在缺陷可视地出现在幅材表面中之前连续地使用该幅材缺陷位置知识，可以使卷绕机22的速度控制自动化，以便在缺陷14被准确定位且暴露给操作员的位置处减慢或停止，以便对其进行修复。

由于卷绕机22和机器10的不同速度与卷绕机22的启动/停止加速阶段的非线性时间缩放，必须在位置坐标系统中而不是在时间采样的基础上执行从机器10至卷绕机22的相关，并且造纸机10也可以在整个卷筒16期间随着速度改变而操作。

存在有三种对于相关性要求的基本解决方案。它们是：

1)在幅材机器方向上以等距离位置间隔来执行照相机或者传感器特点采样。可以例如将采样之间的间隔选择为恰好1mm。这可以通过使用如图6和图7所示的机器驱动脉冲测速计28和38来实现，以连续更新与测速计脉冲率成比例的采样速率。与幅材移动的该同步可以通过本领域普通技术人员公知的若干技术之一来实现，诸如通过测速计脉冲串或者与测速计绑定的锁相环，或者通过周期性更新特点获取速度的软件例程来驱动特点获取时钟以便跟踪测速计频率。

2)基于固定的时钟来操作照相机或者传感器特点获取，通过将测速计频率存储为依赖于时间的变量并将在后处理中对每个位置单位来重新映射传感器数据，而随后将基于时间的传感器数据阵列转译成基于位置的特点数据对机器位置坐标阵列。

3)例如以1mm的分辨率，使用脉冲测速计信息利用与经过的片材行进距离对应的位置编号，为每个记录的片材特点信息元素打上位置戳。

对于连续特点测量，以典型速率进行的数据收集在卷筒16的持续期间将会产生大数据集。例如，对于40分钟的卷筒持续期间以20kHz速率的连续单通道光学传感器采样对于每个卷筒将会生成48兆的样本，或者96至192兆字节的数据。这并非是一个不切实际的PC存储器需求，因为现代的PC 40为了低成本可能会配备有大容量存储器。然而，存在降低需要存储和处理的数据量的信号处理方案。一种方法是仅仅保存超过特定阈值水平的数据，同时将阈值水平选择为使得特点数据在例如10％的时间期间仍然以频繁间隔来记录。

另一种用以降低数据量的方法是在FIFO缓冲器中保存关于该造纸机的最近信息(例如，60秒的数据)，并且如果片材检查告警缺陷14通过检查系统12或者44，则在缺陷出现之前、期间和之后仅仅选择性地处理和存储信息。得到的缺陷位置周围的图案将是在卷绕机22中通过互相关进行随后图案识别查找的基础。截短的数据阵列的长度必须仍然足以在卷绕机22中生成早期告警，以便使卷绕机22减速并停止卷绕机22而不越过缺陷18。

针对单点光学透射传感器(诸如图3A所示具有激光器26A和检测器26B的传感器)的简单情况，图案识别方法可以利用来自造纸机10的先前记录的信号与卷绕机22中的实时信号的互相关。互相关函数在从机器到卷绕机22的实际机器方向位置偏移处处于最大值，这用于确定缺陷14在卷绕机22中的机器方向片材坐标位置。用于两个信号x(t)和y(t)的一般互相关函数具有以下已知形式：

$R_{\mathrm{xy}}\left(t\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}(x\left(\mathrm{\τ}\right)\×y(t+\mathrm{\τ}))\mathrm{d\τ}.$

图5A示出了对时间上偏移且在两个不同测量事件之间添加有高频噪声和低频噪声的相同物理样品的两个测量特点的LabVIEW仿真的结果。图5A中示出的上部信号是来自卷绕机22的测量信号，该图中示出的下部信号是来自造纸机10的测量信号。图5B示出了这些信号的互相关函数。相关峰值可视地出现在适当的信号延迟处，但是对于得到满意结果可容忍多少噪声存在限制。在本领域中存在公知的包括预滤波、漂移恢复和斜率(slope)标准化的附加方法，以使得在存在噪声或者测量改变时本发明更加鲁棒。

处理大阵列的通用互相关等式对于该目的而言太过耗时，并且严格的边界条件和/或更快的处理方法对与实现互相关可能是必须的。必须添加关于造纸机10和卷绕操作22的知识以便仅包括边界内部的实现条件，另外应当利用关于造纸机10和卷绕机22的测速计信号生成的“总长度计数器(footage counter)”来扩充光学相关。此外，可以添加现有的卷径测量。添加的约束有助于使相关方法更加鲁棒并且对于实时利用更加实用。

为了建立在造纸机10和卷绕机22的横向中测量同一有限区域的幅材检查照相机(诸如图7所示的系统44和46中的幅材检查照相机)的特点之间的互相关，应用相同的基本互相关规则。通过在特点图案匹配算法中建立最大值，来建立相关峰值的位置并由此建立造纸机10和卷绕机22之间的同步坐标。

存在不同的方法来建立照相机建立的2维片材特点的相关性。在下面描述这种方法的一个例子。

该方法基于最小化通过利用以下之间的差异定义的成本函数：

1.在产品制造工艺期间测量、处理和存储的视频信号；以及

2.在重绕期间，由一个标准照相机测量和处理的视频信号，该标准照相机诸如是ABB出售的幅材检查系统(WIS)中使用的照相机。

该方法特别适合于具有随机基础纹理的幅材产品，诸如纸张或者金属等。

在产品制造工艺期间对视频信号的处理包括下列步骤：

1.补偿产品制造工艺和重绕的MD速度差，

2.补偿照相机在CD方向中的观察区域的差，

3.重新量化视频信号范围以便优化真实的阶段标记生成，

4.可以生成视频差信号(例如在CD方向上具有选定距离的像素差)，以及

5.在完成上述处理后，生成已处理视频信号值的序列。

最优的产品阶段标记方法依赖于将在标记中使用的视频信号，并且在一些情况下，在幅材18的横向或者在幅材18的机器方向中使用具有指定像素距离的视频差信号将更加优化地标识标记。视频差信号包括相邻像素之间的关系的信息，并因此在阶段标记中强调了由指定像素距离限定的空间视频频率。这样，就可以在阶段标记的优化中使用原始视频信号的空间频率的先验信息。

可以在重新量化过程的优化中使用自动视频信号分析。使用生成的已处理视频信号值的序列作为阶段标记。该序列可以包括已处理的一维(CD方向)或者二维(CD和MD方向)视频信号，以及可能的视频差信号。可以在更大区域中选择阶段标记，以便具有最好的分离特性，即最大偏差。区域大小取决于存储的阶段标记的MD率。阶段标记与对应的MD位置值(MD阶段)存储在一起。存储的阶段标记的MD率限定了重绕期间阶段同步的分辨率。

在重绕期间，测量并处理视频信号值序列，以便通过利用特定的成本函数来将它们与存储的序列(即阶段标记)进行比较。可以通过最小化成本函数的值来发现在重绕期间在存储的序列与经过测量和处理的视频信号值序列之间的匹配。

利用该方法，在重绕期间对自动制动系统进行控制所需的全部工作是除了诸如现在由ABB出售的WIS外添加一个标准WIS照相机和I/O设备。

现在，将详细描述上述用于在产品制造工艺期间处理来自一个标准WIS照相机的视频信号的步骤。

MD产品制造和重绕速度差补偿

对来自一个标准WIS照相机的原始校正(平面场校正)视频信号进行MD滤波，以补偿产品制造和重绕工艺之间的MD速度差。速度差越大，则针对从产品制造和重绕工艺中的较慢工艺测量的视频信号进行MD低通滤波器所需的截止频率越低。低通滤波器可以基于简单的无限冲激响应(IIR)结构。下式给出了用于MD滤波的标准第一阶IIR滤波器。

${\mathrm{vid}}_{{\mathrm{LP}}_{\mathrm{MD}}}\left(n\right)={\mathrm{bvid}}_{\mathrm{corr}}\left(n\right)+(1-b){\mathrm{vid}}_{{\mathrm{LP}}_{\mathrm{MD}}}(n-L_{\mathrm{scan}})---\left(1\right)$

其中b是滤波器系数。在产品制造和重绕工艺两者中能够使用相同的滤波结构。

对CD方向上产品制造和重绕照相机的观察区域之差的补偿

通过对像素的CD大小进行缩放来补偿产品制造和重绕工艺的照相机观察区域的大小之差。可以在CD方向上通过低通滤波和重采样来缩放较小观察区域。CD滤波可以基于窗口平均。通过经过原视频信号

上的空间窗口遮蔽(mask)来计算平均信号vid_M(p)。

于是用于视频信号序列生成的平均信号可以由下式给出：

${\mathrm{vid}}_M\left(p\right)=\frac{1}{2L}\left[\underset{i=p-L}{\overset{p+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{vid}}_{{\mathrm{LP}}_{\mathrm{MD}}}\left(i\right)\right]---\left(2\right)$

其中L是局部窗口长度(整个窗口长度为2L)。在需要时在两个工艺中均能够利用相同的滤波结构。在视频序列(阶段标记)生成期间，重采样使用插值技术。

视频差信号生成

如果需要，则将视频差用于改善在产品制造和重绕工艺中的阶段标记的分离特性。因此，如果使用视频差，则在速度和/或观察区域差补偿之后计算该视频差。视频差信号可以由下式给出：

diff_M(p)＝vid_M(p)-vid_M(p+d)                (3)

其中，d是CD方向上像素值之间的距离。

视频信号范围的重新量化

重新量化表示降低视频信号的量化级别，以便降低信息量和实现阶段标记的更好分离和可靠性。可以在重新量化过程的优化中使用自动视频信号分析。例如，可以在重新量化的阈值定义中使用信号的最大值/最小值滤波、统计分析或者极值查找。重新量化可以是非线性的。

重新量化的一个例子可以由下式给出：

${\mathrm{vid}}_{\mathrm{rq}}\left(p\right)=\left\{\begin{array}{c}3,\mathrm{if\; v}{\mathrm{id}}_M\left(p\right)>{\mathrm{th}}_1\\ 2,\mathrm{if}{\mathrm{vid}}_M\left(p\right)>{\mathrm{th}}_2\\ 1,\mathrm{if}{\mathrm{vid}}_M\left(p\right)>{\mathrm{th}}_3\\ -1,\mathrm{if}{\mathrm{vid}}_M\left(p\right)<{\mathrm{th}}_4\\ -2,\mathrm{if}{\mathrm{vid}}_M\left(p\right)<{\mathrm{th}}_5\\ -3,\mathrm{if}{\mathrm{vid}}_M\left(p\right)<{\mathrm{th}}_6\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.,---\left(4\right)$

其中th₁至th₆是阈值，这些阈值可以被人工和/或自动调节。可以实时更新这些阈值(例如视频信号的明亮侧中的3个阈值和黑暗侧的3个阈值)，从而具有使得像素值的期望百分比低于指定阈值的目标值。

一个目的是在视频信号的标准偏差内具有足够的量化水平，另一目的是具有用以表示视频信号极值的一些量化水平。还可以重新量化可选的视频差信号diff_M，或者可以根据重新量化的视频信号vid_rq来计算该差信号。

视频信号值序列的生成

使用已处理视频信号值的序列作为阶段标记。该序列可以包括已处理一维(CD方向)或者二维视频信号，以及可能的视频差信号。可以从较大区域(如上所述，区域大小取决于所存储的标记的MD率)中选择阶段标记，以便具有最好的分离特性，即，最大偏差。阶段标记与对应的MD位置值(MD阶段)存储在一起。存储的阶段标记的MD率限定了重绕期间阶段同步的分辨率。

已处理视频信号值的序列的例子可以由下式给出：

seq_M(i)＝[vid_rq(i)，vid_rq(i+1)，□，vid_rq(i+ss-1)]            (5)

其中ss是序列的大小。

在阶段标记生成期间应用D方向上的重新量化视频信号的重采样。如上所述，在对产品制造和重绕工艺照相机的观察区域之差的补偿中，重采样用于补偿这些照相机的观察区域大小之差。

针对视频序列之差的成本函数定义

如前所述，在重绕期间，测量并处理视频信号值序列，以便利用特定成本函数来将它们与存储的序列(即阶段标记)进行比较。通过使成本函数的结果最小，可以发现匹配。针对所存储的视频值序列和重绕机中当前视频值序列之差的成本函数可以通过下式给出：

${\mathrm{diff}}_{\mathrm{se}{q}_M{\mathrm{seq}}_{\mathrm{rew}}}\left(p\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{ss}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{abs}({\mathrm{seq}}_M\left(i\right)-{\mathrm{seq}}_{\mathrm{rew}}(i+p))\right)---\left(6\right)$

其中seq_M是在产品制作工艺期间存储的视频序列，seq_rew是重绕机中读取的视频序列，以及p是视频序列在重绕机中的CD位置。应当理解，上述成本函数是成本函数的一个例子。还可以使用其他成本函数，诸如使用最小平方来计算矢量距离，这可能比上述成本函数更加准确，但是比该成本函数需要更多计算功率。

为了确保CD方向的同步，可以在若干CD位置计算成本函数，并选择最小结果用于匹配分析。该最小值可以由下式导出。

${\mathrm{diff}}_{\min }\left(p\right)=\min ({\mathrm{diff}}_{{\mathrm{seq}}_M{\mathrm{seq}}_{\mathrm{rew}}}(p-\mathrm{syn}),{\mathrm{diff}}_{{\mathrm{seq}}_M{\mathrm{seq}}_{\mathrm{rew}}}(p-\mathrm{syn}+1),...,{\mathrm{diff}}_{{\mathrm{seq}}_M{\mathrm{seq}}_{\mathrm{rew}}}(p+\mathrm{syn}))---\left(7\right)$

其中syn是用于CD同步的参数。如果使用某些先验信息确切地知道阶段标记的位置，则可以在一个CD方向计算该成本函数。

MS阶段同步

整个卷筒可以被划分成包括若干标记的较小区域。可以通过在所考虑的产品区域内部查找成本函数的最小值而发现重绕工艺的MD阶段。

阶段同步的MD分辨率

阶段同步的MD分辨率基于MD中阶段标记的密度。

对该方法的测试

利用仿真产品制造工艺和重绕工艺的不同成像配置的图像资料来测试该方法。在测试期间使用不同的MD速度、光线水平、观察区域和光源。

在图8至图13中示出了对产品阶段标记的测试的一个例子。在图8中示出了仿真产品制造工艺中的原始视频信号的原始图像。产品的MD速度是468米/分钟，使用led光源来照明，且扫描时间是84μs。在图9中示出了仿真重绕工艺的原始视频信号的对应图像。在该情况下，通过使用卤素照明、110m/分钟的MD速度和43μs的扫描时间来对同一产品进行成像。

在图10和图11中，示出了在对MD速度差、CD观察区域差进行补偿以及重新量化后的同一图像。在这种情况下，使用并非最优的线性重新量化。

图12示出了在使用128个图10的视频值(从该图的顶部开始)来存储阶段标记时的成本函数结果。在位置(20，30)周围可以看到成本函数的清晰的最小区域，其中20和30分别是图10中的水平和垂直像素位置，原点设在图10的左上角。从图10中第30行的像素20...20+128来计算对应于成本函数最小值的阶段标记。在图13中使出了该成本函数的阈值处理的一个例子。

在下面描述这种相关方法的另一例子。

该方法的关键原理是，给定在测量点A的行进片材18的测量数据，估计该行进片材18在测量点B的机器方向(MD)位置。在点A处的测量在测量B之前的时间进行。在测量A中，以足够的精度获知片材18的MD位置。任务是要在不对片材材料本身进行标记的情况下将MD位置信息传送到测量B。

由于对卷筒16的重绕，在两个测量点之间片材行进方向可能相反的。并且片材18还能在一端或者两端被切净，以便在卷绕机处从卷筒和纸张的重绕卷中去除被损坏的纸张。对片材的切割有时被称为锯切(slabbing)。任一端的去除的纸张量可以因卷筒不同而显著变化。片材18可能会由于在卷绕操作中的张力或者应力释放而在机器方向上出现拉紧或者皱缩，从而引起长度变化。所有这些现象在执行从第一测量到第二测量的非接触MD位置信息传送时都将考虑在内。

此处描述的方法是基于对在两个连续点A和点B处的片状材料性质进行测量的两个照相机。该方法是要在所谓的快照图像中记录片材的短空间连续区域。使用快照图像来计算片状材料的区别性质，该区别性质随后可以用作定位当前MD位置的关键点。由于每幅图像中的数据量巨大并且代表纸张的卷筒的图像数目巨大，因此存储并比较所有单个图像将是不现实的。因此，将每幅图像降低为一组区别性质，该区别性质用作二维图像的压缩描述符。

每幅图像的区别性质可以用于跟踪幅材在整个加工工艺中的位置，但是并不需要存储单个图像的全部内容。造纸生成随机纤维絮状物、薄区域和作为局部黑暗或者局部明亮出现在每幅图像中的缺陷。这些黑暗和明亮图案的细节对于每幅图像均是独特的。每个图像的区别性质例如可以是一组用于描述照相机视场内最突出的明亮和黑暗区域的强度和相对位置的数字。为了提供这些描述符，必须以足够的分辨率来生成图像，以便展示典型的黑暗和明亮区域。

可以结合标准互相关技术使用每幅图像的区别性质来在测量点B处估计最可能的当前MD位置。可以利用片材移动的连续或者半连续性质来限制或者过滤估计过程的输出。

还可以使用除了互相关以外的方法来执行区别性质的匹配，并且可以针对制造中的片材在线运行以及针对已经测量的两片片材离线运行。可以在如下情形中利用离线模式，当在不同生产阶段之后对相同片材测量了两次或者更多次以便结合比如可视缺陷或其他质量信息的测量资料数据时。在线模式可以用于例如在确切位置处停止片材以便采取修正措施。

从快照图像中导出的区别性质优选地是照度不变和焦点不变的，只要照相机的焦点足以对于计算该区别性质即可。照度不变通过选择比如LBP的照度不变滤波器来实现，或者通过将图像预防大为恒定平均值和常数方差来实现。图像维度和分辨率应当选择为使得特征的缩放使得造纸机和卷绕机上的照相机所产生的图像特征或多或少是焦点不变的。主要基于信号的区别部分或者区域的空间关系的所有特征应当优于依赖于经滤波的或者未经滤波的信号的绝对强度性质的特征。给定任何片材材料的性质，在任何两个测量点之间可能的仅有仿射变换，该变换很可能是线性的且仅仅在机器方向上，如上述简化。

可以通过组合在位置A和位置B处观察基本相同的横向区域的两个照相机来执行该方法。照相机A记录图像比照相机B记录的图像显著更短并且也更为频繁。所要求的是，照相机B的长快照图像覆盖照相机A的至少两个成像间隔，以确保来自照相机A的表示图像的片材部分总是在照相机B中被完全看到。

对于这些图像，执行指纹过程。每个图像的指纹通过以下方式来限定：限定图像中的相对阈值水平，以及标识五个最亮和最暗区域，从而针对每幅图像得到五个关键区域。相对阈值水平这样来限定：将暗侧阈值水平和亮侧阈值水平调节到越来越接近背景信息水平，直到仅存在五个关键区域。由于阈值水平是对称地调节的，所以剩余区域可能全部来自暗侧，或者全部来自亮侧，或者是暗区域和亮区域的任何组合。

为了避免在两个测量点之间与采样相关的不准确性和噪声，有利的是设置将被接受的关键区域的最小区域限制。以这样的方式，就可以丢弃单数的像素或者非常小的区域，从而避免因为在点A和点B处测量信号的不同空间量化而引起的问题。关键区域的最小区域应当总是至少为四个原始未缩放像素，以便克服上述问题，并且如果在点A和点B中使用不同的空间分辨率或者如果在照相机的焦点具有显著差别时，该最小区域应更大。

在所有关键区域之间计算相对位置向量，以针对每幅图像得到10个RPV。RPV被计算为相对于机器方向的角度以及两个关键区域之间的距离。关键区域的坐标分别被限定为暗区域或者亮区域的最暗和最亮点。在存在在许多等暗度或等亮度像素的情况下，这些点的平均位置被选择为关键区域位置。由于矢量的方向并不重要，所以仅为匹配阶段保留矢量的长度和无符号角度。无符号角度是无方向向量或者线段与从[0，Pi)的范围中选择的机器方向之间的角度。

此处描述的方法即使在出现显著的加性(additive)噪声的情况下也能够很好工作。这是由于对二维空间共现(即，关键区域的叠加)的极大描述能力。在一幅图像内部使用一个像素的空间精度来得到利用与三个RPV对应的三点空间共现的假阳指示的概率如下给出：

P_f＝！k/(W＊H)^^k-1，

其中W是图像的宽度，H是图像的高度，k是共现点的数量。

利用128×128的图像大小以及三个点，这给出2.2*e^-8的假阳概率，即平均每第4千4百万个指示是假阳。但是应当注意，在实际中不能执行一个像素的精度。在实际情况下，假阳概率可以计算为：

P_f＝！k/(W′＊H′)^^k-1，

其中W′和H′是量化的图像宽度和高度，它们分别由下式给出：

W′＝(W-r_w)/r_w以及

H′＝(H-r_h)/r_h

其中，r_w和r_n是宽度和高度以像素为单位的空间精度。

在两个方向上均利用四个像素的空间精度情况下，得到大致6.5*e^-6的实际假阳概率，即1/154000。利用四个点和六个RPV，得到的2.7*e^-8或者3千7百万分之一的实际假阳概率，这对于任何实际使用而言绰绰有余。过程的假阳精度可以通过标记的点和有向向量进一步提高。

通过基于检测是来自暗侧还是亮侧而将点标记为例如黑色(B)和白色(W)，精度可以显著提高。标记的点产生三种类型的RPV，每种类型可以仅在其自身的复本(manifold)BB BW和WB中进行查找。利用标记的点，还可以使用有向矢量，从而产生四种类型的RPV，每个种类型可以仅在其自身的复本BB、BW、WB和WW中进行查找。这降低了计算查找工作量，并且增加了匹配精度。为了利用标记点使用的全部改进，迫使阈值水平设置过程从暗、亮两侧产生至少两个关键区域将是有利的。由于在一片片材内，利用前述参数对区域的描述几乎是唯一的，所以图像的RPV集合完全可以称为其指纹。从同一片材得到类似RPV集合的机会可以忽略不计。

基于图像指纹对MD位置进行估计

从照相机B的图像的RPV中查找来自照相机A的图像的RPV。从照相机B的图像中找到的任何相匹配的RPV指示照相机B的图像与照相机A中具有已知MD位置的相应图像来自相同的MD位置。找到的相匹配的RPV越多，从被测片材的相同位置检索到图像的概率越高。该查找过程支持测量位置B处的MD位置估计。

使用前述过程检索的任何MD位置都被馈送到一个经调节的推测器(extrapolator)，其基于可用的测速计输入和从照相机A检索的MD位置在测量位置B处计算对当前MS位置的估计。基于单调增加MD位置的假设，即在制造期间不存在片材的反向或者后退运动，并假定最大的锯切长度和最大加速度，来调节计算得到的MD位置估计。尽管所有之前的估计有可能都不正确，因此无法完全禁止这种可能，但是调节使得对于估计器来说比物理上可能进行的或以反方向进行的更快地更新位置变得不太可能。由于在现有技术中对于构建不同类型性能良好的估计器提供有很好的文件资料，所以不必给出估计器的进一步细节。将Kalman滤波器用作估计器是一种充分的解决方案，因此该方案还将测量噪声估计结合到估计环路中。

图

图14a至图14h示出的图像示出了关于被透射照明的纸幅的四幅快照图像利用的本发明。这些图像具有不同的灰度变化或者灰度平均值，或者该图像随着照度条件的改变而被捕获，或者在原始图像中添加有少量噪声。利用上述的过程对所有图像进行分析，结果在标记有‘R’的图像中可视化。图14a中所示采样1的结果图像，即图14c中所示图像1R，示出了共同标记为60的所有十个相对位置向量(RPV)，它们针对在图像中标记有黑色边框的5个最重要指纹区域62a、62b、62c、62d和62e。指纹区域62a至62e在该例子中被选择为黑暗絮状物，即纤维块，并且基于大小选择了五个最重要的区域。

在图14c、图14d和图14g所示的三个连续结果图像1R-3R分别仅示出了距离和角度与采样1的任何RPV60均相似的RPV。可以认为从十个RPV中找到至少三个RPV足以针对采样来自于同一片材位置的假设给出合理的置信度。这些示例图像说明了了本发明的方法不易于受到灰度平均值和变化中的变化以及小的工艺无关噪声添加的影响。

图14a至图14h是同一原始图像的人工改变的图像，因此表示对相同片材位置成像的不同测量点之间的可能扰动和变化。这些图示出了本发明在存在这种扰动和变化时的适用性。本领域技术人员将认识到，尽管已经对原始信号图像1应用了大量独立噪声，但是本发明仍然有效。分别针对图像1R和图像4R的图14c和图14h分别具有类似的RPV 60和RPV 64，这是由于发现的区域尽管不相同但是位于相同位置。尽管图像的变化显著不同但是这还是发生了。分别针对图像2R和图像3R的图14d和图14g分别示出了图像1R和图像4R的RPV 66和RPV68的子集，这是因为加性测量噪声(生成的)已经改变了五个关键区域的位置。此外，保留足够数量的共同关键区域用于相同片材位置的可靠标识。

根据本发明，可以通过使用预定的斜降和斜升速率来提供软停止和启动，将控制方案构建为在缺陷处自动停止，同时不浪费时间查找缺陷的精确位置。这有助于改善卷绕机效率并降低了排队构建造纸机卷筒的机会，这是现有技术的人工查找实际缺陷位置时频繁出现的问题。

本发明不限于造纸机和卷绕机之间的位置相关。其他应用包括例如在涂料机中使用该方法，其中涂料机刀片可能需要精确定时并在预定缺陷即将经过时或者存在片材断裂时提起。

在本发明中可能具有额外添加的值特征是，在造纸机上使用光学信号以便使用对真实机器方向可变性的数学分析来连续产生高速机器诊断功能，这在扫描仪上是不可能的，除非它停放在单点并且扫描图案是中断的。在此处描述的使用片材检查照相机获得片材特点的这些实施方式中，通过对数据集的类似处理可以获得附加的片材变化性信息。

能够理解，本发明具有附加的变型，包括使用非光学传感器，或者表面反射传感器在至少两个位置上测量机器方向工艺特点，只要选择的两个传感器具有基本相同的测量结果即可。

正如本领域技术人员将会理解的，本发明可以实现为一种方法、系统或者计算机程序产品。因此，本发明可以采用完全硬件的实施方式的形式、完全软件的实施方式的形式(包括固件、驻留软件、微代码等)或者软件和硬件方面相结合的实施方式的形式。

另外，本发明可以采用计算机可用或者计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，所述计算机可用或计算机可读介质具有包含在介质中的计算机可用程序代码。该计算机可用或者计算机可读介质可以是包含、存储、通信、传播或者传送程序以供指令执行系统、装置或者设备使用或者与其结合的任何介质，并且举例而言可以是但不仅限于电、磁、光、电磁、红外或者半导体系统、装置、设备或者传播介质，或者甚至是其上印刷有该程序的纸张或者其他适当介质。该计算机可读介质的更多具体实例(非穷举性列表)将包括：具有一个条或者多条导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或者闪存)、光纤、便携式紧凑盘-只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、诸如支持因特网或内部网的传输介质或者磁存储设备。

用于执行本发明的操作的计算机程序代码，可以以任何面向对象编程语言(诸如Java，Smalltalk，C++等)和图形语言(诸如LabVIEW)来编写，或者还可以以传统过程编程语言(诸如“C”编程语言)来编写。该程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为独立的软件包部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。在后面的情况下，远程计算机可以通过局域网(LAN)或者广域网(WAN)连接到用户的计算机，或者该连接可以至外部计算机(例如使用因特网服务提供商通过因特网)。

应当理解，对前述示例性的实施方式的说明其本意仅仅是说明性的，而不是对本发明的穷举。本领域技术人员能够在并不背离所附权利要求书所限定的本发明的精神或者其范围的情况下，对所公开主题的实施方式进行特定的添加、删除和/或修改。

Claims (10)

1.一种用于跟踪具有自然变化性质的移动片材的特征的设备，所述设备包括：

用于在第一片材制造工艺期间检测所述片材中的缺陷的装置；

用于在所述第一片材制造工艺期间获得所述片材的自然变化性质的第一图案的装置；

用于在第二片材制造工艺期间获得所述片材的自然变化性质的第二图案的装置；以及

用于通过对所述第一图案和所述第二图案进行相关，在第二片材制造工艺期间定位所述缺陷的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括光学特点，所述光学特点包括移动片材在机器横向方向上在一个位置处的光学透射的连续测量。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括光学特点，所述光学特点包括在预定义的横向机器区域中光学透射的2-D图案。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括超过预定义阈值水平的信号异常的图案。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于在所述第一片材制造工艺期间将所述第一图案与所述片材缺陷相关以相对于所述第一图案来限定所述片材缺陷的装置。

6.一种用于跟踪具有自然变化性质的移动片材的特征的方法，所述方法包括：

在第一片材制造工艺期间检测所述片材中的缺陷；

在所述第一片材制造工艺期间获得所述片材的自然变化性质的第一图案；

在第二片材制造工艺期间获得所述片材的自然变化性质的第二图案；以及

通过对所述第一图案和所述第二图案进行相关，在第二片材制造工艺期间定位所述缺陷。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括光学特点，所述光学特点包括移动片材在机器横向方向上在一个位置处的光学透射的连续测量。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括光学特点，所述光学特点包括在预定义的横向机器区域中光学透射的2-D图案。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一图案和所述第二图案的每个均包括超过预定义阈值水平的信号异常的图案。

10.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：在所述第一片材制造工艺期间将所述第一图案与所述缺陷相关，以相对于所述第一图案来限定所述缺陷。

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