專利名稱：一種基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測裝置及方法
技術領域：
本發明屬于軋制與檢測技術領域，特別涉及一種基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢 測裝置及方法。
背景技術：
目前板帶材軋制過程中的厚度控制問題已經基本解決，但在板形、平直度、頭部彎曲和 側彎控制等方面還存在嚴重不足。而軋制過程中板材頭部的嚴重彎曲會影響到生產過程的順 利進行以及產品的成材率等。頭部翹曲過大時，板材和軋輥或者護板產生撞擊，嚴重的話會 引起纏輥事故，造成停產并產生廢品；扣頭嚴重時，板材撞擊輥道，更為嚴重的話板材會鉆 進地溝，或者板材頭部卡死，引起軋機損壞。目前對于板材頭部彎曲程度的測量缺乏有效的、 安全的、穩定的手段。現有技術使用的一種測量方法是在輥道旁樹立一根標尺，當板材通過 標尺時，由人工讀取板材頭部的翹曲高度。該檢測方法檢測手段落后，由于靠近輥道和軋機， 檢測環境非常差，誤差大，無法滿足自動測量、自動記錄的要求，不適于應用現場生產和控 制。中國知識產權局公開的專利申請號為02152007. 0名稱為"自動在線長度測量系統"，它 是采用激光技術測量中板長度和寬度，該系統不能測量板材頭部彎曲形狀、且不能排除現場 水蒸氣和冷卻水的干擾。近年來，機器視覺技術在軋制過程中得到了廣泛的應用，通過機器 視覺檢測板材平面形狀、側彎、表面缺陷、溫度等的應用比較多。日本公開的專利申請號為 JP19840136314 19840630，授權號為JP19840136314 19840630名稱為"SHAPE MEASURING INSTRUMENT",它是利用板材自身熱輻射，通過安裝在板材上方的攝像機獲取板材圖片，對圖 像進行處理得到板材尺寸和平面形狀參數，但該裝置不能檢測板材頭部彎曲的形狀。

發明內容
為了解決軋制過程中板材頭部彎曲程度的測量，為實現頭部彎曲控制提供依據，本發明 提供一種基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測裝置及方法。本發明檢測裝置由圖像采集系統和圖像處理系統兩部分組成。圖像采集系統包括CCD攝 像機、鏡頭、紅外濾光片。圖像處理系統包括圖像采集卡、計算機、顯示器和圖像處理軟件。 計算機通過以太網連接軋機生產控制系統，用以實現板材頭部彎曲的控制。由于板材溫度在800 1200'C之間，由維恩位移定律其中b為常量，b=2.897756xl0—3m . K。熱軋中板材的溫度一般在800 1200。C之間，其熱輻射的輻射峰值在1.97 2.7Mm左右(考慮到鋼鐵為灰體其譜線略有回落)。攝像系統在 空氣中使用時，必須盡可能避免氣體對光線的吸收作用，因此選擇紅外濾光片時必須避開這 些吸收帶。由于波長在0.9 L1之間的紅外光對于水蒸氣有較好的透過能力，所以選擇能透 過該段波長的近紅外濾光片。當高溫板材通過測量裝置時，檢測系統得到過鋼信號，CCD攝像機獲取板材頭部的圖像， 該信號為模擬信號，經圖像采集卡數字化后，送入圖像處理系統進行分析處理。首先需要計 算所獲取的圖像的灰度直方圖。圖像灰度直方圖是一種灰度特性，指圖像所有灰度值出現的 相對頻率，灰度直方圖的計算方法是統計各個像素的灰度值，然后得到各灰度值出現的頻率。 可以使用灰度直方圖分析圖像中灰度值的分布，并進行圖像有效性分析，之后進行圖像處理。本發明所涉及的圖像處理過程包括圖像平滑處理、圖像增強、圖像分割、圖像形態學處理等。本發明所涉及的圖像處理過程具體包括以下步驟(1) 獲取圖像灰度直方圖 統計圖像中各灰度值出現的次數，(2) 圖像平滑采用帶閾值的線性和非線性的混合濾波消除圖像中的各種寄生效應，(3) 圖像增強通過空間域法對圖像進行灰度拉伸，按特定的需要突出圖像中的關鍵信息，(4) 圖像分割采用雙峰法將板材從背景圖像中分割出來，(5) 圖像形態學處理 通過骨架處理得到板材骨架曲線，(6) 曲線擬合對板材骨架曲線進行擬合，得到彎曲形狀及參數。 圖像平滑處理的目的是消除圖像中的各種寄生效應又不使圖像的邊緣輪廓和線條模糊， 本發明中采用帶閾值的線性和非線性的混合濾波，采用3X3的窗口，當均值和判斷點的絕對 閾值小于某一閾值，就利用空間濾波，否則就采用中值濾波，在降低噪聲的同時盡可能保留 邊緣信息。算法如下<formula>formula see original document page 4</formula>其中avg為窗口的平均值，v為設定的閾值。圖像增強處理是按特定的需要突出圖像中的關鍵信息，同時削弱甚至除去不需要的信息， 本發明中涉及的圖像增強處理是為了突出顯示板材信息而消除背景信息。本發明采用空間域法直接對圖像的像素進行操作，通過灰度拉伸增強圖像對比度。灰度拉伸的函數表達式如下<formula>formula see original document page 5</formula>圖像分割的目的是將板材從背景圖像中分離出來，得到板材的骨架曲線，從而計算出板 材彎曲曲線。由于板材圖像與背景圖像灰度差別較大，本發明采用雙峰法進行圖像分割。由 于本發明中獲取圖像的灰度直方圖呈現明顯的雙峰狀，所以選取兩峰之間的谷底對應的灰度 級作為閾值。通過此方法可將板材從背景圖像中分割出來。圖像形態學處理主要是獲取板材的骨架曲線。獲取板材的骨架曲線可以通過對圖像的腐 蝕和開操作實現。由于在形態學處理中，腐蝕運算的作用是消除圖像中邊界點，膨脹運算的 作用是把圖像周圍的背景點合并到物體中，開運算相當于對圖像進行腐蝕運算后再進行膨脹 運算。由于板材的彎曲是一條不規則的曲線，所以需要對圖像處理后的曲線進行擬合處理，擬 合曲線為(x —a)2 +(_y — 6)2 =r2(a,b)為彎曲段圓心位置，r為彎曲半徑。從而計算出板材的彎曲曲率。通過對該曲線的處 理還可得到板材的彎曲高度h和彎曲段的長度l。然后判斷各參數是否有效，主要是比較計 算結果是否超出可能出現的極限參數(根據經驗確定)的范圍，如果在次范菌之內則認為計 算結果有效。數字化后的圖像顯現在計算機顯示器上，同時圖像處理結果和計算結果也分別顯示出來。 本發明可以消除生產現場水蒸氣對獲取圖像的干擾，檢測速度快，設備安裝簡單、不改 變原生產工藝、穩定可靠，適合于中厚板和熱連軋生產場合。


:圖1為頭部彎曲形狀檢測裝置示意2為頭部彎曲形狀檢測方法的步驟流程3為頭部彎曲段待檢測參數示意中1CCD攝像機，2鏡頭，3紅外光學濾光片，4電纜，5計算機，6熱金屬檢測儀，7 板材，8輥道。
具體實施例方式
結合圖l、 2說明本實施方式。硬件由CCD攝像機1、鏡頭2、紅外光學濾光片3、圖像 采集卡、計算機5、熱金屬檢測儀6組成。圖像采集卡和CCD攝像機通過電纜連接。CCD選用 臺灣敏通的1/2英寸黑白低照度高解析攝像機(MTV—1881EX)，鏡頭采用TAMR0N的 13VM308ASIR，紅外濾光片選用HWB900，截止900nm以下光線，通過900nm以上近紅外光， 紅外濾光片安裝在鏡頭上。圖像采集卡采用微視科技的U200型便攜式USB總線圖像采集盒。 熱金屬檢測儀選用中川光電的RLK730，其檢測溫度范圍為400 1500°C。計算機采用IBM便 攜式筆記本電腦。由于所選用CCD攝像機的響應頻譜在400 1100nm以下，所以對本系統起 作用光譜范圍為900 1100nm。采用以上配置可以將實驗系統安裝在任何一家方便的現場， 方便實驗。板材頭部彎曲程度在線檢測方法的步驟為將紅外濾光片安裝在CCD攝像機的鏡 頭上，將CCD攝像機安裝在軋機后推床外，使CCD攝像機稍高出輥道水平面。當板材到達熱 金屬檢測儀位置時，熱金屬檢測儀檢測到上升沿信號，判斷出板材位置，并將此信號發送給 檢測系統計算機，檢測系統計算機收到該信號后，根據輥道速度延時啟動CCD攝像機獲取板 材頭部圖像。經圖像采集卡轉換為數字信號后，進入圖像處理系統進行處理，處理過程如圖 2所示。最后得到板材頭部彎曲曲率l/r、彎曲高度h和彎曲段長度l等參數，如圖3所示。
權利要求
1、一種基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測裝置，其特征在于該裝置包括圖像采集系統和圖像處理系統，所述圖像采集系統包括CCD攝像機、鏡頭、紅外濾光片及熱金屬檢測儀；圖像處理系統包括圖像采集卡、計算機、顯示器和圖像處理軟件，圖像采集卡和CCD攝像機通過電纜連接，紅外濾光片安裝在CCD攝像機的鏡頭上，熱金屬檢測儀設置在板材經過的輥道旁，圖像處理軟件嵌入計算機，計算機通過以太網連接生產控制系統。
2、 權利要求l所述的基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測裝置的檢測方法，其特征 在于將裝置的CCD攝像機安裝在軋機前或后推床外，使CCD攝像機稍高出輥道水平面，熱金 屬檢測儀設置在板材通過的輥道旁，當板材到達熱金屬檢測儀位置時，熱金屬檢測儀檢測到 上升沿信號，判斷出板材位置，并將此信號發送給檢測系統計算機，計算機接收到該信號后， 啟動CCD攝像機獲取板材頭部圖像，經圖像采集卡轉換為數字信號，經圖像處理，得到板材 頭部彎曲參數。
3、 根據權利要求2所述的基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測方法，其特征在于所 述圖像處理包括以下步驟(1) 獲取圖像灰度直方圖 統計圖像中各灰度值出現的次數，(2) 圖像平滑采用帶閾值的線性和非線性的混合濾波消除圖像中的各種寄生效應，(3) 圖像增強通過空間域法對圖像進行灰度拉伸，按特定的需要突出圖像中的關鍵信息，(4) 圖像分割采用雙峰法將板材從背景圖像中分割出來，(5) 圖像形態學處理 通過骨架處理得到板材骨架曲線，(6) 曲線擬合對板材骨架曲線進行擬合，得到彎曲形狀及參數。
全文摘要
一種基于近紅外圖像的板材頭部彎曲形狀檢測裝置，利用板材本身熱輻射獲取圖像的一種測量方法，無任何外加熱源和光源。主要包括CCD攝像機(電荷耦合器件)、紅外濾光系統、圖像采集卡、圖像處理系統。檢測裝置安裝在軋機后(前)輥道旁，當紅熱的板材通過輥道運送至檢測系統時，裝有近紅外濾光片的CCD攝像機獲取板材頭部圖像，圖像處理系統對所獲取的圖像進行平滑處理、圖像增強、圖像分割、圖像形態學處理等得到頭部的形狀曲線，對該曲線進行擬合，得到板材頭部彎曲高度、彎曲曲率和彎曲段長度等參數。本發明可以消除生產現場水蒸氣對獲取圖像的干擾，檢測速度快，設備安裝簡單、不改變原生產工藝、穩定可靠，適合于中厚板和熱連軋生產場合。
文檔編號B21B38/00GK101224472SQ20081001035
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者何純玉, 劉相華, 王國棟, 王昭東, 勇 田 申請人:東北大學