CN103399016A

CN103399016A - 冷轧铝板表面缺陷在线检测系统及其检测方法

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Publication number: CN103399016A
Application number: CN2013103187551A
Authority: CN
Inventors: 綦星光; 张海伦; 李庆华; 李晓婷; 刘海英; 史红娟
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明涉及铝板表面缺陷高速检测技术领域，特别公开了一种冷轧铝板表面缺陷在线检测系统及其检测方法。该冷轧铝板表面缺陷在线检测系统，包括铝板生产线，其特征在于：所述铝板生产线上下两侧均安装有LED光源和横向并排的高速相机阵列，高速相机阵列由若干路线阵CCD相机组成，各路相机通过GigE接口连接到各自对应的工控机处理器，各工控机处理器内的以太网接口控制单元通过千兆网连接到交换机，再由以太网交换机连接到中心服务器或现场计算机。本发明通过GigE接口和以太网络连接线阵CCD相机实现了缺陷图像的快速采集；利用工控机阵列式处理器实现了铝板缺陷快速检测与定位，有效防止数据拥堵。

Description

冷轧铝板表面缺陷在线检测系统及其检测方法

（一）技术领域

本发明涉及铝板表面缺陷高速检测技术领域，特别涉及一种冷轧铝板表面缺陷在线检测系统及其检测方法。

（二）背景技术

近几年，铝加工行业在国内兴起迅速，企业产品逐渐高端化，用于飞机、汽车、高端电子产品等对表面质量要求较高的铝板开始火热，但铝板表面质量问题十分严峻，国内目前针对于铝板的检测方式主要通过肉眼人工检测的方法。肉眼检测容易出现较高的误检和漏检率，尤其是现在生产线速度越来越快，这种检测方式很难达到生产要求。

随着计算机和数字图像处理技术的发展，基于机器视觉的国外检测系统在一些大型铝加工企业得到了使用，虽然该微型、单一处理器上的图像处理软件存在缺陷，这种检测方案一方面不利于实现高速、高精确度在线检测，另一方面由于国外产品的引进成本较高，在中小规模的铝加工企业的应用受到限制。在这些基于机器视觉的检测系统中，大多采用单PC机或者嵌入式处理器作为缺陷图像分析的核心，一定程度上满足了铝板生产线检测的要求。但由于检测过程中，缺陷图像的采集、预处理以及缺陷判定等所有的处理操作都由这种单一处理器协调相机等设备来完成，使得处理器运输负荷较大，而且一旦处理设备出现问题，没有后备措施继续保证监测的进行，因此采用这种方案，很难达到生产线的稳定、高速的检测要求和品质保障。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种高速检测、检测精度高的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统及其检测方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种冷轧铝板表面缺陷在线检测系统，包括铝板生产线，其特征在于：所述铝板生产线上下两侧均安装有LED光源和横向并排的高速相机阵列，高速相机阵列由若干路线阵CCD相机组成，各路相机通过GigE接口连接到各自对应的工控机处理器，各工控机处理器内的以太网接口控制单元通过千兆网连接到交换机，再由以太网交换机连接到中心服务器或现场计算机。

本发明采用高速相机阵列和工控机阵列的分布式在线铝板缺陷检测系统设计。高速图像采集是实现在线铝板缺陷检测的首要环节。本发明采用线阵CCD网络相机，此类相机符合GigE Vision标准，以网络作为输出，不需要额外配备图像采集卡，只需要一个千兆网卡就可完成数据的传输与接收，无中继的传输距离可达100米，信号稳定，CPU资源占用少，足以保证图像的精确处理。为了提高图像的实时采集精度，决定采用高速相机阵列，单相机采集图像单行像素可达4096，可克服现场环境噪声对铝板实时图像采集造成的影响。

为实现对高速相机阵列实时采集的图像进行快速处理，在铝板缺陷检测系统上采用多工控机对多相机模式，一个工控机作为处理器，只接收、处理两个高速相机阵列的所传来的实时图像，并将处理数据发送至中心服务器或现场计算机，各设备由交换机连接，进而满足图像信息高速处理的要求，有效的避免数据拥堵。为了保证传输的快速性，本发明采用千兆以太网实现图像及数据传输。

本发明的更优方案为：

所述工控机处理器内设置有工控机缺陷检测模块，工控机缺陷检测模块主要由图像采集单元、缺陷图像预处理单元、以太网接口控制单元、图像处理单元和PCI接口芯片组成。

所述中心服务器和现场计算机均由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。

上述检测系统的检测方法，包括如下步骤：

（1）现场计算机的前台检测软件将用户设置各路高速相机的设置参数打包，通过以太网直接传送至高速相机阵列；

（2）通过软件界面发出缺陷检测命令，该命令通过以太网传送至工控机处理器阵列，启动在线铝板表面缺陷检测，相机阵列进入工作状态；

（3）高速相机输出的图像数据经GigE接口经千兆网络传送至工控机数据采集模块；

（4）当采集到一帧图像数据后，工控机处理器内的图像预处理单元读取动态数据库的图像数据，进行程序内数据交换，对图像数据据处理后，预处理结果存入到另一动态数据库，图像预处理单元储存信息传送至检测软件的缺陷检测模块；

（5）缺陷检测模块与采集模块完成数据交换以后，读取动态数据库中的图像数据，并进行缺陷检测与定位；

（6）缺陷检测模块完成图像检测后，将缺陷经分类器进行精确分类后将各缺陷的数据打包，经千兆以太网传送至现场计算机和中心服务器，现场计算机或中心服务器将详细缺陷参数、缺陷图像以及所述的高速相机编号进行存储；

（7）中心服务器或现场计算机通过多个子窗口对多路检测结果及铝板缺陷图像进行更新显示，同时将其保存到总数据库中；

（8）检测模块检测发现缺陷后，在发送缺陷信息的同时，对缺陷进行精确定位，生产质量报告，发送至中心服务器或供客户打印。

步骤（1）中，工控机处理器内的图像采集单元在对相机进行调节的同时，通过网络发送相机控制信号，相机控制信号以矩形波脉冲的形式，通过高速网络传送至各路高速相机的GigE接口。

步骤（4）中，图像预处理过程为先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，再利用像素3×3的十字形模板进行中值滤波，然后利用分段线性灰度变换对缺陷区域进行增强处理。

步骤（5）中，缺陷检测模块接收到存储信息后，读取预处理后的图像数据；先利用各种阈值分割法将图像的各种缺陷识别出来；然后计算各各缺陷图像区域的特征数据，根据结果计算缺陷面积进而分类、统计各缺陷。

中心服务器实现工控机的整体控制。在个别工控机出现故障时，通过调整相机和工控机处理器的对应关系，协调工控机阵列的工作状态，系统网络由交换机作为中继，硬件之间替换无间断，可实现冗余控制，保证检测的稳定性。

本发明采用了并排的多路工业用线阵CCD相机组合采集铝板生产线产品的图像数据，图像数据经Gige接口通过千兆网传送至各自对应的工控机处理器，由于本发明采用千兆以太网进行数据交互，传输速率高、传输距离远，以交换机作为中继，硬件之间替换无间断，可以保证数据采集的高速性和稳定性。

以往单一处理器对铝板缺陷图像进行分析处理实现缺陷检测，PC处理器是整个检测系统的核心，也是制约整个检测系统速度的瓶颈。为了保证图像分析处理的高速性，本发明的处理单元由多台工控机协作实现，充分利用工控机的稳定、高速数据处理能力并有效防止数据拥堵。本发明使用多工控机对应至多线阵相机，即一台相机采集的图像经对应检测处理器得到的检测结果及缺陷图像通过千兆以太网传送至中心服务器，可有选择性的保存全部图像或只保存缺陷图像。中心服务器由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。

本发明通过GigE接口和以太网络连接线阵CCD相机实现了缺陷图像的快速采集；利用工控机阵列式处理器实现了铝板缺陷快速检测与定位，有效防止数据拥堵；在快速连续检测的情况下，一台工控机处理问题后可通过现场计算机或中心服务器来调配其它工控机完成其检测任务，防止漏检或误工，实现智能、无间断检测；利用千兆以太网保证了检测结果和缺陷图像的快速传输。构建的铝板缺陷在线检测系统具有检测精度高、检测速度提升空间大、易于实现分布式检测优点，可应用于国内绝大多数铝板生产线，可以有效进行气泡、孔洞、油斑、异物压入、烙痕、辊印、复合层剥离等复杂铝板缺陷的高速在线检测。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明检测系统的结构示意图；

图2为工控机检测处理过程原理框图；

图3为铝板缺陷检测算法总体流程图；

图4为缺陷分类器原理流程图。

图中，1铝板生产线，2 LED光源，3高速相机阵列，4工控机处理器，5中心服务器，6现场计算机，7编码器，8以太网交换机。

（五）具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，冷轧铝板表面缺陷在线检测系统主要包含LED光源2、铝板生产线1、高速网络相机、工控机处理器阵列、以太网交换机、现场计算机6和中心服务器5。LED光源2安装在铝板生产线1的上下两侧，高速相机阵列3由多路线阵CCD相机组成，横向并排安装在生产线1的上下两侧。每路相机通过GigE接口连接到各自对应的工控机处理器4。

如图2所示，工控机缺陷检测系统主要由图像采模块、图像处理模块组成，图像采集模块包括高速网络相机3、以太网接口控制单元、图像采集单元；工控机图像处理模块包括图像预处理单元、图像曲线采集单元、图像处理单元和缺陷分类器组成。其中，中心服务器5通过千兆网连接到交换机，再由以太网交换机连接到工控机4和高速网络相机3。现场计算机6和中心服务器5由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。此外，整个系统还包括编码器脉冲计数板卡等PCI接口芯片。

本发明的缺陷检测方法为：

（1）参数设置。现场计算机的前台检测软件将用户设置（各路高速相机的行频、曝光时间、图像大小等设置）参数打包，通过以太网直接传送至高速网络相机阵列。如图2所示，工控机内的图像采集单元在对相机进行调节的时候也可通过网络发送相机控制信号。相机控制信号以矩形波脉冲的形式，通过高速网络传送至各路高速相机的GigE接口。

（2）检测启动。通过软件界面发出缺陷检测命令，该命令通过以太网传送至工控机处理器阵列，启动在线铝板表面缺陷检测，相机阵列进入工作状态。

（3）图像数据采集。如图2所示，高速相机输出的图像数据经Gige接口经千兆网络传送至工控机数据采集单元。该单元作用是将相机传送过来的图像数据进行整理和保存，由原来的单行像素格式整合为像素4096×600的图像。采集模块将原始图像保存至临时动态数据库，存储的数据位是8位灰度图像，共256个灰度等级。

（4）图像预处理。当采集到一帧图像数据后，工控机处理器内的图像预处理单元读取动态数据库的图像数据，进行程序内数据交换，如图2所示，先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，再利用像素3×3的十字形模板进行中值滤波，然后利用分段线性灰度变换对缺陷区域进行增强处理。预处理后的图像数据存入到另一动态数据库。

（5）缺陷检测和分类。缺陷检测模块与采集模块完成数据交换以后，读取动态数据库中的图像数据，并进行缺陷检测与定位。由于铝板具有强反光特性，则针对光源的反射特性，异物压入等只能将少部分光线反射到相机当中，属于图像中的低对比度、非连续的缺陷区域。如图3所示，利用经验阈值T ₁分割出异物压入痕迹等高对比度缺陷区域。由于孔洞缺陷没有任何反射光线，但是铝板下侧光源的强光照会直接照射到上侧相机中，则采集到的图像灰度值很高，利用经验阈值，极易分离。再利用开运算去除噪声，通过波纹阈值标记连通域确定缺陷位置、面积，然后计算各个区域的圆形度，进行特点标记，然后通过缺陷分类器判断，由于油斑等缺陷具有纵向连续性特征，可根据特点学习、对比进行此类缺陷与其他缺陷的区分，如图4所示。如图3所示，利用经验阈值T ₂分割出图像中烙痕、辊印等低对比度缺陷区域。

（6）检测结果传送。缺陷检测模块完成图像检测后，如果缺陷的个数不为零，则将缺陷经分类器进行精确分类后将各缺陷的类型、面积、位置等数据进行打包，经千兆以太网传送至现场计算机和中心服务器，现场计算机或中心服务器将详细缺陷参数、缺陷图像以及所属的高速相机号进行存储。

（7）中心服务器或现场计算机通过多个子窗口对多路检测结果及铝板缺陷图像进行更新显示，同时将其保存到总数据库中。

（8）检测模块检测发现缺陷后，在发送缺陷信息的同时，对缺陷进行精确定位，由客户选定一侧和铝卷开始处记为横、纵坐标起始点，统计缺陷的横、纵坐标，生成质量报告，发送至中心服务器或供客户打印。

（9）在检测过程中，如果出现个别工控机处理器出现问题，中心服务器将发送工控机控制信号，调用空闲工控机将故障工控机替换出来，保证检测的连贯性。

Claims

1.一种冷轧铝板表面缺陷在线检测系统，包括铝板生产线（1），其特征在于：所述铝板生产线（1）上下两侧均安装有LED光源（2）和横向并排的高速相机阵列（3），高速相机阵列（3）由若干路线阵CCD相机组成，各路相机通过GigE接口连接到各自对应的工控机处理器（4），各工控机处理器（4）内的以太网接口控制单元通过千兆网连接到交换机（8），再由以太网交换机（8）连接到中心服务器（5）或现场计算机（6）。

2.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统，其特征在于：所述工控机处理器（4）内设置有工控机缺陷检测模块，工控机缺陷检测模块主要由图像采集单元、缺陷图像预处理单元、以太网接口控制单元、图像处理单元和PCI接口芯片组成。

3.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统，其特征在于：所述中心服务器（5）和现场计算机（6）均由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。

4.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统的检测方法，其特征为，包括如下步骤：

（1）现场计算机的前台检测软件将用户设置的各路高速相机的设置参数打包，通过以太网直接传送至高速相机阵列；

5.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（1）中，工控机处理器内的图像采集单元在对相机进行调节的同时，通过网络发送相机控制信号，相机控制信号以矩形波脉冲的形式，通过高速网络传送至各路高速相机的GigE接口。

6.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（4）中，图像预处理过程为先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，再利用像素3×3的十字形模板进行中值滤波，然后利用分段线性灰度变换对缺陷区域进行增强处理。

7.根据权利要求1所述的冷轧铝板表面缺陷在线检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（5）中，缺陷检测模块接收到存储信息后，读取预处理后的图像数据；先利用各种阈值分割法将图像的各种缺陷识别出来；然后计算各各缺陷图像区域的特征数据，根据结果计算缺陷面积进而分类、统计各缺陷。