CN113538320A - 一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，对多台工业数码相机分别进行增量式PD自动增益控制，对前一幅图像和本次图像的24点灰度平均值的变化速度和本次图像平均灰度与设定灰度的差值进行增量式PD运算，分别输出多台工业数码相机的控制增益，以获得质量符合要求的图像。本发明确保热轧精轧带钢跑偏检测精度，提高检测系统的可靠性和实用性，降本增效和安全生产。

Description

一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法

技术领域

本发明涉及热轧带钢位置在线检测技术，更具体地说，涉及一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法。

背景技术

热轧精扎运动带钢位置测量系统(BSPMS)是基于视觉检测和运动物体边缘检测技术。它主要由视觉图像获取系统和图像处理分析系统组成，如图1所示。

视觉图像获取系统是由四台高速高分辨率的工业数码相机、两台激光器、一台视觉图像控制器、六台千兆以太网光纤转发器组成。

视觉图像控制器是视觉图像获取系统的指挥中心，运行在嵌入式Linux3.0系统，具有上电自起动功能，被设计成无人值守工作模式。它有两个千兆以太网口，其中第一个scoket1(TCP1)通过千兆光纤收发器DGE872与图像数据分析处理计算机(IMAGE PC)的scoket5(TCP5)连接，用于接受来自IMAGE PC的各种控制参数和向IMAGE PC发送工业相机的工作状态和视觉图像获取系统的工作状况的信息，而第二个scoket2(TCP2)作为备用。

视觉图像控制器有四个高速12BIT AD转换器，转换速率达到200KS/S，其中AD1可接收4-20MA现场信号，连接至现场带钢运动速度；AD2连接至视觉图像获取系统控制柜内部温度传感器，检测视觉图像获取系统控制柜内工作温度；AD3、AD4备用。

视觉图像控制器有24路数字量输入，其编号为DI0-DI23，每路输入在电气和信道上隔离，并能承受1MHz开关频率，信号电平符合HTL标准。各路DI输入均经光电隔离连接到FPGA，在FPGA中为每路DI均配置了数字滤波器，虑除干扰信号，提高系统的抗EMC能力。视觉图像控制器的DI0-DI3与PLC的DO连接，其中DI0连接PLC DO的MEASURING START控制信号，DI1连接PLC DO的MEASURING STOP控制信号，控制工业相机的工作，DI2、DI3备用。视觉图像控制器的DI4-DI7连接1#工业相机的四个开关量输出，DI8-DI11连接2#工业相机的四个开关量输出，DI12-DI15连接3#工业相机的四个开关量输出，DI16-DI19连接4#工业相机的四个开关量输出，通过视觉图像控制器DI4-DI19可以获取四台工业相机的工作状态和故障信息。DI20-DI23可以获取两台激光器的工作状态和故障信息。视觉图像控制器将获取四台工业相机和两台激光器的工作状态机故障信息通过以太网(TCP1)送向图像分析处理计算机IMAGEPC。

视觉图像控制器有12路数字量输出，其编号为DO0-DO12，每路输出在电气和信道上隔离，并能承受500KHz开关频率。输出干节点可以承受DC24v0.2A负载。其中DO0、DO1连接到1#工业相机的DI输入，DO2、DO3连接到2#工业相机的DI输入，DO4、DO5连接到3#工业相机的DI输入，DO6、DO7连接到4#工业相机的DI输入，DO8-DO11控制四台工业相机电源，DO12、DO13控制两台起激光器工作，DO14、DO15控制两台激光器电源。四台工业相机工作控制信号受视觉图像控制器的高速同步周期计时器和高速同步工作计时器控制。高速同步周期计时器的计时时间是工业相机快门重复动作频率的倒数，高速同步工作计时器计时时间是工业相机快门动作持续时间。当工业相机被设置为APP模式时，高速同步工作计时器计时时间≤工业相机被设定的曝光时间/2；当工业相机被设置为I/O模式时，高速同步工作计时器计时时间＝工业相机被设定的曝光时间。

以太网光纤收发器的作用是将以太网线缆通过光纤收发器转换成光纤传输。

在视觉图像获取系统需要六台光纤收发器，其中1#-4#光纤收发器供四台工业相机所用，5#光纤收发器连接视觉图像控制器的TCP1，6#光纤收发器备用。

图像分析处理系统是由图像数据分析处理计算机(IMAGE PC)、CPMC系统数据库及数据库管理计算机(DB PC)和人机交流计算机(HMI PC)组成。图像分析处理系统各计算机担负的功能及数据流向如图2所示。

其中，图像数据分析处理计算机(IMAGE PC)在图像分析处理系统职能有：1、对来自CAMERA TCP1-4的图像按指定的算法进行计算分析，并把结果通过测量输出单元的AO输出至PLC的AI；2、对来自CAMERA TCP1-4的图像按指定的算法进行计算分析，并在屏上显示；3、以图表形式显示经分析处理的各种测量数据；4、实时显示来自各工业相机的测量数据；5、选择图像信息分析处理算法，根据卷钢亮度自动调节相机增益值；6、设置图像处理区域及标尺设定；7、设置相机的IP地址、和工作模式、根据卷钢亮度设定增益值；8、设定相机出发距离(两次触发间，卷钢运行距离)，由参数配置单元负责送至视觉图像控制器；9、读取相机工作状态和故障报警，通过相机状态单元中的处理经报警输出单元输出至PLC的DI；10、设定相机及激光器工作，由参数配置单元负责送至视觉图像控制器；11、手动操作相机，由远程控制单元负责送至视觉图像控制器；12、将图像信息、经算法分析处理后得到的测量数据通过测量输出单元进行量化处理、图像数据信息经图像信息单元和IMAGE PC获取的各种事件信息经报警和事件单元输出。通过以太网传送到DB PC和HMI PC。

CPMC系统数据库及数据库管理计算机(DB PC)在图像分析处理系统职能有：1、提供一个公共关系数据库存储各种测量数据、事件信息和图像；2、提供搜索引擎。

人机交流计算机(HMI PC)在图像分析处理系统职能有：1、实时显示来自各图像数据分析处理计算机IMAGE PC通过千兆以太网送来的图像信息、测量数据和事件信息；2、显示来自SCC的卷钢信息；3、显示各图像数据分析处理计算机IMAGE PC和工业相机的工作和通讯状况；4、配置图像分析处理系统内各功能计算机的以太网的IP地址和端口号。

由于带钢随其表面温度的差异，会极大影响相机的拍摄画面的质量，当温度升高，成像就亮，温度降低，成像就暗。且带钢温度表面温度变化会造成成像会有比较大的变化，甚至会出现曝光过度或曝光不足等现象，影响图像质量，给测量带来困难，最终影响热轧精轧带钢的测量精度。

灰度的定义：图像灰度是指灰度图像曝光质量，一张曝光正确的灰度图像，其灰度变化范围大，图像层次丰富，图像内物体边界清晰。

灰度与跑偏检测精度的关系：一幅灰度控制良好的图像，可以呈现出很理想的钢板边缘分界。而钢板跑偏是利用钢板两侧边沿位置与标定位置的比较，计算出实际跑偏量。所以要获得高精度钢板跑偏量，提供一幅灰度质量控制佳的图像是必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，确保热轧精轧带钢跑偏检测精度，提高检测系统的可靠性和实用性，降本增效和安全生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，对多台工业数码相机分别进行增量式PD自动增益控制，对前一幅图像和本次图像的24点灰度平均值的变化速度和本次图像平均灰度与设定灰度的差值进行增量式PD运算，分别输出多台工业数码相机的控制增益，以获得质量符合要求的图像。

所述灰度自适应方法具体步骤如下：

1)带钢在进入到精轧机区域后，工业数码相机启动并开始连续拍摄；

2)对工业数码相机分别进行增量式PD自动增益拍摄；

3)将图像输入至图像处理分析系统，由图像处理分析系统对图像进行如下判断：

本次图像的灰度值与系统认可的灰度值进行比较，若灰度值判断正常，则图像直接在图像处理分析系统中进行检测，输出热轧带钢跑偏值；若灰度值判断异常，则进入步骤4)；

4)调用前一次的灰度值与当前的灰度值进行比例积分运算；

5)将步骤4)运算后的结果对工业数码相机增益进行实时的修正；

6)重复步骤2)-5)，直至灰度值判断正常为止。

所述本次图像的灰度值与系统认可的灰度值的差值大于10时，则判断异常。

所述比例积分运算具体如下：

当ABS(SP-SV)≤10时为正常，U0＝U_1；

当ABS(SP-SV)＞10时为异常，U0＝U_1+P(SP-SV)+D(SV1-SV)；

上式中，SP为设定灰度，SV为本次24点相片平均灰度，SV1为上一次24点相片平均灰度，U0为本次输出值，U_1为前一次输出值，P为比例系数，D为微分系数。

所述比例系数P是实际图像灰度与设定灰度差的放大系数，P越大，灰度调节越灵敏。

所述微分系数D是上次灰度测量变化值与本次灰度测量变化值得差的放大系数。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，具体以下几点有益效果：

1)对被检测带钢可以进行长期的无间断连续实时检测检测；

2)采用了自适应空间建模和自学习标定的设备，更具有实用性和可靠性；

3)采用了图像和检测数据库，用户可以通过数据库浏览界面，追述任何时间的钢带位置状况，给设备维修和调整带来便利。

附图说明

图1是热轧精扎运动带钢位置测量系统的构成示意图；

图2是图1中图像分析处理系统各计算机担负的功能及数据流向示意图；

图3是本发明灰度自适应方法的流程示意图；

图4是图3中灰度自适应控制的示意图；

图5是本发明灰度自适应方法中图像处理应用程序的界面示意图；

图6是本发明灰度自适应方法中图像处理工作站通信应用程序的界面示意图；

图7是本发明灰度自适应方法中人机界面交流HMI应用程序的界面示意图；

图8是本发明灰度自适应方法数据库浏览浏览查询应用程序的界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图3和图4所示，本发明所提供的一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，对四台工业数码相机分别进行增量式PD自动增益控制，对前一幅图像和本次图像的24点灰度平均值的变化速度和本次图像平均灰度与设定灰度的差值进行增量式PD运算，分别输出四台工业数码相机的控制增益，以获得四幅质量符合要求的图像。

本发明灰度自适应方法具体步骤如下：

1)带钢在进入到精轧机区域后，工业数码相机启动并开始连续拍摄；

2)对工业数码相机分别进行增量式PD自动增益拍摄；

3)不同工业数码相机增益得到不同的曝光照片，当工业数码相机增益不足或过度时会导致拍摄的照片灰度不正常，将图像输入至图像处理分析系统，由图像处理分析系统对图像进行如下判断：

本次图像的灰度值与系统认可的灰度值进行比较，若灰度值判断正常，则图像直接在图像处理分析系统中进行检测，输出热轧带钢跑偏值；若本次的灰度值与系统认可的灰度值的差值大于10时灰度值判断异常，则进入步骤4)；

4)调用前一次的灰度值与当前的灰度值进行比例积分运算；

5)将步骤4)运算后的结果对工业数码相机增益进行实时的修正；

6)重复步骤2)-5)，直至灰度值判断正常为止。

步骤4)中的比例积分运算具体如下：

当ABS(SP-SV)≤10时为正常，U0＝U_1；

当ABS(SP-SV)＞10时为异常，U0＝U_1+P(SP-SV)+D(SV1-SV)；

上式中，SP为设定灰度，SV为本次24点相片平均灰度，SV1为上一次24点相片平均灰度，U0为本次输出值，U_1为前一次输出值，P为比例系数，D为微分系数。

通过采用对相片24点平均灰度的PD控制，无论钢带表面温度如何变化多能获取质量满足测量要求的图像。

比例系数P是实际图像灰度与设定灰度差的放大系数，P越大，灰度调节越灵敏。但又不能太大，太大会发生超调，还会引发震荡。

微分系数D是上次灰度测量变化值与本次灰度测量变化值得差的放大系数。微分作用是起到踩刹车作用，它根据两次灰度变化率的大小，提前干预控制。假如微分内调节单元，即可保证单纯P调节器的灵敏。有可不会出现超调和震荡。提高了灰度自动控制的品质。

现有技术进行自动灰度调节，整个图像呈暗灰，层次欠佳。而本发明灰度自适应方法进行了灰度自动调节，整个图像变得黑白分明，层次丰富。

本发明灰度自适应方法的机械条件包括所有工业数码相机已经过位置标定。电器条件包括由图像数据分析处理计算机(IMAGE PC)、CPMC系统数据库及数据库管理计算机(DB PC)和人机交流计算机(HMI PC)组成的图像分析系统。

在图像数据分析处理计算机(IMAGE PC)上运行着三个应用程序：1、相机控制应用程序；2、图像处理应用程序；3、图像处理工作站通信应用程序。

其中，相机控制应用程序主要包括控制相机的工作模式(四台相机同步控制、单相机控制等)、相机触发方式(网络触发、电平触发或脉冲触发)、相机工作参数设置、工作操作、冷却器操作、连续触发、停止触发、更新曝光时间、数据操作、通道参数设置、测量值显示、服务器工作信息等。

图像处理应用程序，如图5所示，在界面的左上方有四个显示实时图像的窗口，在实时图像显示窗中的左上方是工作侧1#相机实时图像，左下方是工作侧2#相机实时图像，右上方是传动侧4#相机实时图像，右下方是传动侧3#相机实时图像。在每个图像显示子窗内都实时显示当前图形边沿的位置、背景灰度、相机工作温度。

界面的左下方是实时测量曲线显示，曲线用四种不同颜色表示，分别代表中心偏差、宽度偏差、工作侧高度偏差和传动侧高度偏差。曲线的X轴表示采集的长度个数，Y轴表示测量的数值。X轴、Y轴的坐标值随测量值和记录长度自动刷新。

界面的右上方显示程序运行状态。当没连上相机时显示“设备异常”；当连上相机，没按“运行”按钮时，显示“设备空闲”；当按下“运行”按钮后，程序进入实时测量状态，此时显示“测量中”；在测量状态下按下“停止”按钮，程序回到“空闲”状态；当按下“退出”按钮，程序正常安全退出；当按下“设置”按钮后，界面上弹出设置子窗口；设置子窗口，只有一个图像存盘间隔设置对话框，可以设置图像存盘间隔，默认为5，最小为3；一个“参数更新”按钮，当在Execl对钢板偏移参数修正保存后，须按此按钮，进行参数更新；界面的右侧中间是信息栏，程序运行中出现的各种状况均会在此显示，如相机断线重连、网络断开重连、存盘失败等等。

界面右下方是实时数据显示栏，共有六项：

1)钢板编号，显示正在测量的钢板编号，由PLC发来；

2)宽度，表示正在测量的钢板宽度，由PLC发来；

3)中心偏差，实时测量结果；

4)宽度偏差，实时测量结果；

5)工作侧偏差，实时测量结果；

6)传动侧偏差，实时测量结果；

***测量显示值的颜色与实时曲线显示的曲线颜色一一对应。

如图6所示，图像处理工作站通信应用程序是完成IMGPC图像处理程序与网络数据的传输和对测量数据结果进行量纲转换，并把经量纲转换后的数据进行数模转换，变成对应的4-20ma电流送至PLC。可以通过最小电流、最大电流、最小量程和最大量程来对各输出通道进行配置，配置后的参数，要按“更新”钮，将配置参数存盘。

人机交流计算机(HMI PC)上运行着两个应用程序：1、通讯管理程序HMICWS；2、人机界面交流HMI应用程序。

通讯管理程序HMICWS是图像分析系统数据交流的管理中心，具有以下几个职能：

1)管理各种数据和信息流向；

2)监控网络连接状态，发现问题，即及采取重连，并把信息送至HMI显示；

3)准确传送PLC发来的新板信息；

4)打包传送带钢实时测量数据至PLC和DB PC。

人机界面交流HMI应用程序的界面如图7所示，界面左方是钢板信息和设备状态显示，钢板信息由PLC送来。F4状态栏显示F4 IMGPC设备的工作状态，设备正常时对应的设备框打上钩。网络状态栏显示网络的连接状况，正常打钩。

界面中间是实时显示钢板中心偏差和宽度偏差的曲线，X轴和Y轴的坐标会跟随记录的幅值和长度自动刷新。

界面右侧是工作侧和传动侧偏差的实时情况，X轴和Y轴的坐标会跟随记录的偏差幅值和板宽自动刷新。

CPMC系统数据库及数据库管理计算机(DB PC)上运行着两个应用程序：1、数据库通讯应用程序；2、数据库浏览浏览查询应用程序。

数据库通讯应用程序具有以下几个职能：

1)接收HNICWS送来的新板名；

2)接收HNICWS送来已打包新板测量数据结果；

3)将新板测量数据结果以新板名为文件名存盘，供DB PC浏览查询。

数据库浏览浏览查询应用程序的界面如图8所示，在界面左侧上方是“数据库操作”栏，在操作栏上方显示正在被访问的数据库文件名，在“显示文件名”拦下，显时系统时间，对话框慵懒输入要找的数据文件名，日期、时间选择控件用来设置要寻找数据文件的时间。

在界面上有四个数据库数据加载按钮，分别为“加载数据”、“钢板号搜索”、“最近2小时”和“指定时间”，具体功能如下：

1)“加载数据”按下此按钮，程序将打开数据库文件夹，用户可以在打开的数据文件夹中选择要查询的数据文件，打开将数据呈现在界面上；

2)“最近2小时”按下此按钮，程序将最近2小时的数据文件呈现在搜索结果栏内，用户可以选择需要查询的数据文件，并打开。将数据呈现在界面上；

3)“钢板号搜索”在文件名对话框中输入要打开的数据文件名(钢板号)，按下此按钮，如文件名存在，则程序自动打开数据文件，并将数据呈现在界面上；如没输入文件名或输入文件名(钢板号)不存在，程序会报错；

4)“指定时间”在上面日期时间控件内输入要打开的数据文件的时间，程序将符合日期时间的前20个数据文件呈现在下面搜索结果栏内，用户可选择要打开的数据文件，数据将呈现在界面上。

在界面上有7个数据浏览操作按钮：

1)“自动”按下此按钮程序自动浏览，每个0.25s移动一个数据；

2)“首条”按下此按钮程序自动显示最前20条记录数据；

3)“末条”按下此按钮程序自动显示最后20条记录数据；

4)“上一页”向前移动20条记录；

5)“下一页”向后移动20条记录；

6)“上一条”向前移动1条记录；

7)“下一条”向后移动1条记录。

在界面中间有四个曲线显示窗，分别是中心偏移、宽度偏移、工作侧偏移和传动侧偏移，四个窗体内的曲线随着7个数据浏览按钮的操作，向前或向后移动，一幅界面显示20条数据。

在界面中部下方是四个测量数据的数值显示，显示的数据与曲线同步刷新。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：对多台工业数码相机分别进行增量式PD自动增益控制，对前一幅图像和本次图像的24点灰度平均值的变化速度和本次图像平均灰度与设定灰度的差值进行增量式PD运算，分别输出多台工业数码相机的控制增益，以获得质量符合要求的图像。

2.如权利要求1所述的用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：所述灰度自适应方法具体步骤如下：

1)带钢在进入到精轧机区域后，工业数码相机启动并开始连续拍摄；

2)对工业数码相机分别进行增量式PD自动增益拍摄；

3)将图像输入至图像处理分析系统，由图像处理分析系统对图像进行如下判断：

本次图像的灰度值与系统认可的灰度值进行比较，若灰度值判断正常，则图像直接在图像处理分析系统中进行检测，输出热轧带钢跑偏值；若灰度值判断异常，则进入步骤4)；

4)调用前一次的灰度值与当前的灰度值进行比例积分运算；

5)将步骤4)运算后的结果对工业数码相机增益进行实时的修正；

6)重复步骤2)-5)，直至灰度值判断正常为止。

3.如权利要求2所述的用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：所述本次图像的灰度值与系统认可的灰度值的差值大于10时，则判断异常。

4.如权利要求3所述的用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：所述比例积分运算具体如下：

当ABS(SP-SV)≤10时为正常，U0＝U_1；

当ABS(SP-SV)＞10时为异常，U0＝U_1+P(SP-SV)+D(SV1-SV)；

上式中，SP为设定灰度，SV为本次24点相片平均灰度，SV1为上一次24点相片平均灰度，U0为本次输出值，U_1为前一次输出值，P为比例系数，D为微分系数。

5.如权利要求4所述的用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：所述比例系数P是实际图像灰度与设定灰度差的放大系数，P越大，灰度调节越灵敏。

6.如权利要求4所述的用于热轧带钢跑偏量检测的灰度自适应方法，其特征在于：所述微分系数D是上次灰度测量变化值与本次灰度测量变化值得差的放大系数。

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