CN103383360B - 一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及检测方法，采用正弦光栅投影与空间相移算法相结合，通过缺陷的轮廓测量及高度测量相结合，来检测带钢的表面缺陷，将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布，有效抑制氧化铁皮、水膜及表面高温的干扰，实现高温状态下运动薄带连铸坯表面缺陷可靠快速识别和定位，可视化显示铸坯表面缺陷的三维形貌，实现运动铸坯表面质量的数字化评估，检测稳定、准确、可靠性高；本发明还对提高薄带连铸坯表面缺陷检测的自动化水平、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。

Description

一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及探测器件技术领域，尤其涉及一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置，本发明还是涉及薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法。

背景技术

薄带生产过程中，高温连铸坯表面缺陷是影响连铸机产质量的主要因素，对连铸坯表面缺陷进行在线可靠检测，可避免带缺陷铸坯毫无意义地继续深加工，提高热状态下连铸坯热送热装及直接轧制率。

目前，钢厂对薄带铸坯表面缺陷的检测方法，主要包括人工检测方法、图像检测法、激光扫描成像法及激光超声法等。人工检测依靠人工目测和离线测量手段定性判断铸坯的表面缺陷情况；对铸坯近表面缺陷的检测，先将铸坯冷却，然后人工火焰清理或抽检酸洗。采用人工目测法，其缺点是检测的准确率受人工经验制约，且手段落后、自动化程度低、工作强度大；火焰清理或抽检酸洗法因为造成能量资源的巨大浪费导致成本高、生产率低、自动化程度低、工作强度大。图像检测法由于受鳞片状氧化铁皮、振痕及水膜等非缺陷形态图像噪声的干扰，无法完成缺陷深度信息的检测且缺陷识别率低。激光扫描成像法在缺陷形态及缺陷三维重构方面具有一定的优势，且抗噪声干扰强，但受线扫描速度的影响重构数据量大，且成像系统标定程序复杂。激光超声法不适合大面积范围内缺陷的检测，且超声波信号微弱，检测灵敏度低、抗干扰能力差。迄今为止，国内外还没有一套能稳定、准确、可靠的薄带连铸坯表面缺陷在线检测系统应用于薄带连铸工业生产线。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种能稳定、准确、可靠的检测薄带连铸坯表面缺陷的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置，本发明还涉及到薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置，其特征在于，包括投影仪和工业摄像机，所述投影仪和工业摄像机分别双向连接有计算机，还包括红外测温仪，所述投影仪的投影前方设置有第一透镜，所述工业摄像机前安装有第二透镜，所述第一透镜和第二透镜的光阑中心处于同一水平线上，所述第一透镜成像垂直中心线与所述第二透镜的成像中心线不在同一条直线上，还包括安装在夹辊上的旋变脉冲编码器，该旋变脉冲编码器脉冲信号输出端连接连接有脉冲分配器的输入端，该脉冲分配器的第一输出端与所述计算机的脉冲信号输入端连接，该脉冲分配器的第二输出端与所述工业摄像机的曝光控制输入端连接。

所述工业摄像机的感光器件为感光耦合组件。

所述投影仪和工业摄像机都安装在高温保护罩内，该高温保护罩由双层不锈钢制成，双层不锈钢之间为冷却空气通过的冷却通道。

所述工业摄像机的镜头前安装有滤色片。

一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，其特征在于，

按如下步骤进行：

一、建立CCD像素坐标，被测连铸坯集合空间坐标和相移量之间的几何模型，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定；

二、薄带连铸坯生产线运行方向通过外触发信号投影四幅不同相移量的正弦光栅条纹图像，该正弦光栅条纹图像都垂直于拉坯方向；

三、同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算，得到折叠相位值；

四、灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量；

五、根据标定系数和已计算包裹相位，计算被缺陷调制的缺陷深度信息Z（x，y），建立参考平面三维空间坐标系统，以深度信息Z（x，y）为空间坐标系的Z轴，X、Y分布为参考平面作为三维空间坐标系统X轴和Y轴，重构连铸坯表面的三维形貌。

所述步骤一中，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定的具体步骤为：

（1）在投影频率f₀下，通过计算机编程依次投射相位为α₁=0，α₂=π/2，α₃=π，α₄=3π/2的正弦光栅图像至无缺陷带钢表面上，该无缺陷带钢表面作为参考平面，并通过摄像机和图像采集卡依次采集并保存不同相位的图像；

(2)根据公式： $\tan \mathrm{\θ}(m,n)=\frac{I_4(m,n)-I_2(m,n)}{I_1(m,n)-I_3(m,n)},$ 求出该投影频率参考平面的截断相位θ(m,n)；

（3）通过计算机程序控制一定时序内的投影频率i/256f₀(i=1至7的自然数)至无缺陷带钢表面上,并根据第（2）步计算每一个投影频率的截断相位值；

（4）沿时间轴展开，计算参考平面每个相邻投射频率的折叠相位图中的不连续的2pi个数并取整，得到相位背景图像；

（5）将标准高度和标记轮廓的标件放置参考平面上，按照上述的步骤（1）（2）和（3）得到标件相位图像；

（6）将标件相位图像减去相位背景图像，得到被标记调制后的相位以及相位的像素坐标；

（7）根据公式求标定系数k；

其中Z(x,y)为表面缺陷的深度，P为光栅条纹的周期，d为工业摄像机的聚焦镜中心到投影镜头中心距离，L为投影镜中心到参考平面的垂直距离，为条纹图像相位差；

（8）根据像素坐标和标件的物理坐标，建立像素坐标和空间坐标的对应映射矩阵。

所述步骤三，同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算的具体方法为：

根据公式： $\tan \mathrm{\θ}(m,n)=\frac{I_4(m,n)-I_2(m,n)}{I_1(m,n)-I_3(m,n)},$ 根据四步空间相移算法得到折叠相位值。

步骤四，灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量的步骤如下：

将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布，具体为沿x轴搜索光栅条纹的中心并将其编号n=0，1，2......n-1，n，n+1，令亮度中心灰阶为1，暗纹中心灰阶为0，而将光栅图像灰阶分布归一化，这时，从第n-1阶亮纹中心到n阶暗纹中心，图像灰度阶从1减少到0，光栅图像位分布为：

从第n级暗纹中心到n+1级亮纹中心，图像灰阶从0增大到1，光栅图像相位分布为：

得到被表面形貌调制后的总的相移量，，其中g(x)表示沿光栅图像x轴搜索图像灰度归一化值，g(x)值处于0-1之间。

本发明的积极效果是：

采用正弦光栅投影与空间相移算法相结合技术，通过缺陷的轮廓测量及高度测量相结合，来检测带钢的表面缺陷，将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布，有效抑制氧化铁皮、水膜及表面高温的干扰，实现高温状态下运动薄带连铸坯表面缺陷可靠快速识别和定位，可视化显示铸坯表面缺陷的三维形貌，实现运动铸坯表面质量的数字化评估，检测稳定、准确、可靠性高。本发明的装置还对提高薄带连铸坯表面缺陷检测的自动化水平、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。

薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及方法主要功能是实现薄带生产线热状态下在线检测薄带连铸坯表面缺陷形态及缺陷，并对表面缺陷进行准确定位，实现这一技术能有效监控表面质量，指导调整连铸工艺参数，改进连铸过程工艺、，实现高质量薄带连铸坯的直接轧制成形。此外，本装置及方法同样适用于带钢表面缺陷及平直度检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发明的四步相移正弦光栅外触发控制信号流图。

图中，1-投影仪，2-工业摄像机，3-计算机，4-红外测温仪，5-第一透镜，6-第二透镜，7-旋变脉冲编码器，8-脉冲分配器，9-夹辊，10-薄带连铸坯。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置，包括投影仪1和工业摄像机2，该投影仪1和工业摄像机2分别双向连接有计算机3，还包括红外测温仪4，所述投影仪1的投影前方设置有第一透镜5，工业摄像机2前安装有第二透镜6，该第一透镜5和第二透镜6的光阑中心处于同一水平线上，第一透镜5成像垂直中心线与第二透镜6的成像中心线不在同一条直线上，还包括安装在夹辊9上的旋变脉冲编码器7，该旋变脉冲编码器7脉冲信号输出端连接连接有脉冲分配器8的输入端，该脉冲分配器8的第一输出端与所述计算机3的脉冲信号输入端连接，该脉冲分配器8的第二输出端与所述工业摄像机2的曝光控制输入端连接。

其中工业摄像机2的感光器件为感光耦合组件。

工业摄像机2的镜头前安装有滤色片。

本装置采用正弦光栅投影与空间相移算法相结合技术，通过缺陷的轮廓测量及高度测量相结合，来检测带钢的表面缺陷。将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布。通过光栅图像的相移计算公式(1)，计算表面缺陷的深度Z(x,y)。

计算公式：

其中Z(x,y)为表面缺陷的深度，P为光栅条纹的周期，L为投影镜中心到参考平面的垂直距离长度，d为CCD聚焦镜中心到投影镜头中心距离，为条纹图像相位差。

该薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置各部分组成结构、安装及使用方法为：

①安装光栅投影发射装置，对铸坯横向上进行光栅投影；

在高温保护罩内安装数字投影仪1，高温保护罩采用双层不锈钢制造，采用空调制冷设备产生冷却空气，对数字投影仪进行空气冷却和防尘。通过高保真视频电缆连接数字投影机与计算机，通过计算机编程外触发方式控制光栅条纹相移量。

②安装用于采集光栅投影图像的工业摄像机2；

在高温保护罩内安装面阵工业摄像机，在工业摄像机的镜头前加装特定波长带通滤色片，加装滤色片主要是为了精确采集正弦光栅条纹图像，并防止连铸热坯红光辐射的干扰，安装过程中工业摄像机前透镜光阑中心与投影机透镜光阑中心在同一水平线上。工业摄像机与铸坯表面成角度关系安装，在铸坯10上形成一条垂直于拉坯方向的正弦光栅条纹图像。

③安装表面红外测温仪4和脉冲编码器，以产生脉冲触发信号；

在薄带坯表面垂直上表面安装比色红外测温仪4，对薄带坯表面温度进行实时测量，并将信号送往计算机3，该计算机3根据表面温度开环控制工业摄像机2的快门时间，以提高光栅条纹的成像质量。脉冲编码器采用旋变脉冲编码器7，将脉冲信号送往计算机3的I/O卡，外触发控制光栅相位量和相移时序。工业摄像机2的透镜光阑与连铸坯表面、投影仪透镜平面的特定空间关系及装置安装示意图如图1所示。

投影仪1选用激光扫面测量仪，激光扫面测量仪安装台数由被测的铸坯表面横向宽度确定，一般安装1-2台。

在工业摄像机2固定支架与投影仪1固定支架连接部位安装高精度调角及水平调整装置，以确保投影仪1的透镜光阑中心与工业摄像机2的透镜光阑中心在同一水平线上，并确保投影仪1成像垂直中心线与工业摄像机2成像中心线保持一定的夹角。检测前通过标准标定件标定相位、工业摄像机2的CCD像素坐标与被测控物空间坐标的对应映射矩阵关系。同时，标定表面温度与工业摄像机2快门控制时间的对应关系，以确保计算机采集灰度等级分辨高、正弦性好的高质量正弦光栅条纹图像。

④安装在薄带连铸坯夹辊9上的旋变脉冲编码器7，精确采集铸坯拉速信号，并送计算机实时控制投影仪1投射不同相移量的光栅图像及其准确进行相移控制。

⑤正弦光栅外触发投影；

本发明专利提出的缺陷检测是基于正弦光栅投影与灰阶归一化相位求解理论。对于运动物体表面的光栅投影检测，关键技术之一是要在薄带运动条件下快速求解计算被调制的光栅条纹相位。首先根据红外测温仪采集连铸坯的表面温度，以图像帧信息熵最大化作为工业摄像机2快门控制的目标参数，获得最优的控制工业摄像机2快门控制时间。然后由旋变脉冲编码器产生连铸坯移动速度脉冲信号，将脉冲信号通过脉冲分配器8同步外触发控制工业摄像机2曝光时序，在计算机缓冲区获取了被调制的光栅图像，根据脉冲速度信号和投影区域范围计算不同连铸坯表面位置图像的总相移量；所生成的总相位量直接反应了被检件的表面缺陷深度信息。

⑥表面缺陷量化检测与数据融合处理；

被铸坯表面缺陷调制的不同相移量的光栅投影图像包含了表面缺陷的深度信息，将被调制的光栅图像根据搜索最高灰度值M和最小灰度级N，对光栅图像进行灰度归一化处理，将最高灰度级M归一化为1，最小灰度级归一化为0。然后根据搜索的灰度降级次序求解被表面缺陷深度调制的相移量以及不同相移量的像素坐标m，n。根据相移量与深度的标定系数，测量被测目标面的表面深度。为了消除氧化铁皮和水膜的干扰，设定一定的阀值，当表面深度超过设定的阀值，认为表面缺陷，得到表面缺陷的三维高度信息，然后重构表面缺陷三维形貌。根据标定的像素坐标与物体坐标的映射矩阵，根据不同相移量的像素坐标m，n，确定表面缺陷的具体位置。并融合旋变脉冲编码器测量的拉坯速度信号对表面缺陷进行长度方向的定位计算。

一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，使用上述的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置，按如下步骤进行：

一、建立CCD像素坐标，被测连铸坯集合空间坐标和相移量之间的几何模型，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定；

二、薄带连铸坯生产线运行方向通过外触发信号投影四幅不同相移量的正弦光栅条纹图像，该正弦光栅条纹图像都垂直于拉坯方向；

三、同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算，得到折叠相位值；

四、灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量；

五、根据标定系数和已计算包裹相位，计算被缺陷调制的缺陷深度信息Z（x，y），建立参考平面三维空间坐标系统，以深度信息Z（x，y）为空间坐标系的Z轴，X、Y分布为参考平面作为三维空间坐标系统X轴和Y轴，重构连铸坯表面的三维形貌。

在步骤一中，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定的具体步骤为：

（1）在投影频率f₀下，通过计算机编程依次投射相位为α₁=0，α₂=π/2，α₃=π，α₄=3π/2的正弦光栅图像至无缺陷带钢表面上，该无缺陷带钢表面作为参考平面，并通过摄像机和图像采集卡依次采集并保存不同相位的图像；

(2)根据公式： $\tan \mathrm{\θ}(m,n)=\frac{I_4(m,n)-I_2(m,n)}{I_1(m,n)-I_3(m,n)},$ 求出该投影频率参考平面的截断相位θ(m,n)；I₄(m,n)表示第4步相移光栅图像坐标（m，n）的灰度值，I₃(m,n)表示第3步相移光栅图像坐标（m，n）的灰度值，I₂(m,n)表示第2步相移光栅图像坐标（m，n）的灰度值，I₁(m,n)表示第1步相移光栅图像坐标（m，n）的灰度值。

（3）通过计算机程序控制一定时序内的投影频率i/256f₀(i=1至7的自然数)至无缺陷带钢表面上,并根据第2步计算每一个投影频率的截断相位值；该一定时序内即任意的一段时间间隔。

（4）沿时间轴展开，计算参考平面每个相邻投射频率的折叠相位图中的不连续的2pi个数并取整，得到相位背景图像；

（5）将标准高度和标记轮廓的标件放置参考平面上，按照上述的步骤（1）、（2）和（3）得到标件相位图像；

（6）将标件相位图像减去相位背景图像，得到被标记调制后的相位以及相位的像素坐标；

（7）根据公式求标定系数k；

其中Z(x,y)为表面缺陷的深度，P为光栅条纹的周期，d为工业摄像机2的聚焦镜中心到投影镜头中心距离，L为投影镜中心到参考平面的垂直距离，为条纹图像相位差；

（8）根据像素坐标和标件的物理坐标，建立像素坐标和空间坐标的对应映射矩阵。

在步骤三，同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算的具体方法为：

根据步骤一的第（2）部公式： $\tan \mathrm{\θ}(m,n)=\frac{I_4(m,n)-I_2(m,n)}{I_1(m,n)-I_3(m,n)},$ 根据四步空间相移算法得到折叠相位值。

步骤四，灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量的具体步骤如下：

将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布，具体为沿x轴搜索光栅条纹的中心并将其编号n=0，1，2......n-1，n，n+1，令亮度中心灰阶为1，暗纹中心灰阶为0，而将光栅图像灰阶分布归一化，这时，从第n-1阶亮纹中心到n阶暗纹中心，图像灰度阶从1减少到0，光栅图像位分布为：

从第n级暗纹中心到n+1级亮纹中心，图像灰阶从0增大到1，光栅图像相位分布为：

得到被表面形貌调制后的总的相移量；，其中g(x)表示沿光栅图像x轴搜索图像灰度归一化值，g(x)值处于0-1之间。

可见采用正弦光栅投影与空间相移算法相结合技术，通过缺陷的轮廓测量及高度测量相结合，来检测带钢的表面缺陷，将光栅图像的灰阶分布转换为位相分布，薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及基于该装置的检测方法能够有效抑制氧化铁皮、水膜及表面高温的干扰，实现高温状态下运动薄带连铸坯表面缺陷可靠快速识别和定位，可视化显示铸坯表面缺陷的三维形貌，实现运动铸坯表面质量的数字化评估，检测稳定、准确、可靠性高。本发明的装置还对提高薄带连铸坯表面缺陷检测的自动化水平、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。

薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测装置及方法主要功能是实现薄带生产线热状态下在线检测薄带连铸坯表面缺陷形态及缺陷，并对表面缺陷进行准确定位，实现这一技术能有效监控表面质量，指导调整连铸工艺参数，改进连铸过程工艺、，实现高质量薄带连铸坯的直接轧制成形。此外，本装置及方法同样适用于带钢表面缺陷及平直度检测。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，其特征在于，按如下步骤进行：

一、建立CCD像素坐标，被测连铸坯集合空间坐标和相移量之间的几何模型，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定；

二、薄带连铸坯生产线运行方向通过外触发信号投影四幅不同相移量的正弦光栅条纹图像，该正弦光栅条纹图像都垂直于拉坯方向；

三、同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算，得到折叠相位值；

四、灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量；

五、根据标定系数和已计算包裹相位，计算被缺陷调制的缺陷深度信息Z(x，y)，建立参考平面三维空间坐标系统，以深度信息Z(x，y)为空间坐标系的Z轴，X、Y分布为参考平面作为三维空间坐标系统X轴和Y轴，重构连铸坯表面的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，其特征在于，所述步骤一，采用时间相位方法进行相位计算，并对相移量与高度的对应系数进行标定的具体步骤为：

(1)在投影频率f₀下，通过计算机编程依次投射相位为α₁＝0，α₂＝π/2，α₃＝π，α₄＝3π/2的正弦光栅图像至无缺陷带钢表面上，该无缺陷带钢表面作为参考平面，并通过摄像机和图像采集卡依次采集并保存不同相位的图像；

(2)根据公式： $tan\mathrm{\θ}(m,n)=\frac{I_4(m,n)-I_2(m,n)}{I_1(m,n)-I_3(m,n)},$ 求出该投影频率参考平面的截断相位θ(m,n)；

(3)通过计算机程序控制一定时序内的投影频率i/256f₀至无缺陷带钢表面上，其中i为1至7的自然数，并根据第(2)步计算每一个投影频率的截断相位值；

(4)沿时间轴展开，计算参考平面每个相邻投射频率的折叠相位图中的不连续的2pi个数并取整，得到相位背景图像；

(5)将标准高度和标记轮廓的标件放置参考平面上，按照上述的步骤(1)(2)和(3)得到标件相位图像；

(6)将标件相位图像减去相位背景图像，得到被标记调制后的相位以及相位的像素坐标；

(7)根据公式求标定系数k；

其中Z(x,y)为表面缺陷的深度，P为光栅条纹的周期，L为投影镜中心到参考平面的垂直距离，d为工业摄像机(2)的聚焦镜中心到投影镜头中心距离，为条纹图像相位差；

(8)根据像素坐标和标件的物理坐标，建立像素坐标和空间坐标的对应映射矩阵。

3.根据权利要求1所述的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，其特征在于，所述步骤三，同步采集不同相移量的正弦光栅条纹图像并进行光强计算的具体方法为：

根据公式：四步空间相移算法得到折叠相位值。

4.根据权利要求1所述的薄带连铸坯表面缺陷正弦光栅相移检测方法，其特征在于，步骤四，灰阶归一化相位解包裹方法计算相移量的步骤如下：

将光栅图像的灰阶分布直接转换为位相分布，具体为沿x轴搜索光栅条纹的中心并将其编号n＝0，1，2......n-1，n，n+1，令亮度中心灰阶为1，暗纹中心灰阶为0，而将光栅图像灰阶分布归一化，这时，从第n-1阶亮纹中心到n阶暗纹中心，图像灰度阶从1减少到0，光栅图像位分布为：

从第n级暗纹中心到n+1级亮纹中心，图像灰阶从0增大到1，光栅图像相位分布为：

得到被表面形貌调制后的总的相移量，其中g(x)表示沿光栅图像x轴搜索图像灰度归一化值，g(x)值处于0-1之间。