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东北大学硕士学位论文 摘要 基于机器视觉的连铸坯定尺测量系统的研究 摘要 连铸是一项重大的钢铁工业生产技术，它处在钢铁生产工序的中问环节。 连铸的发展不仅取代了模铸，还带动了炼铁、炼钢、轧钢等方面生产技术的革 新。在钢铁连续铸造生产中，铸坯切割是一个十分重要的环节，而定尺的精_ f 鑫j 又直接影响到下一道工序的正常运行。目前国内使用的定尺类型多数为碰球 式、光电码盘( 编码器) 等，定尺精度不是很高。 本文的研究将机器视觉技术应用于连铸坯定尺切割领域，研究机器视觉基 本结构以及各个组成部分对系统性能的影响，初步构筑r 基于工厂给定条件的 连铸坯定尺测量系统。 在硬件组成方面，本系统采用高速c c d 线扫描摄像头、图像采集卡、l v d s 数据线、高频荧光灯、光学镜头及微机处理器，有效的保证了系统的实时性和 可靠性。 系统的开发基于w i n x p 操作系统，结合m e t r o x 图像采集卡m i l 8 0 龋数席 及v i s u a lc + + 6 0 完成系统软件框架的开发，再利用c + + 编制阂值处理、边 缘提取及距离算法部分，在整个程序设计里面使用了图像卡采集处理的多缓存 技术，极大避免了数据传输卡死的现象。 本文从研究如何将机器视觉技术应用于连铸坯定尺切割出发，结合系统硬 件，编制出连铸坯定尺测量系统软件，实现了工厂给定条件下连铸坯定尺测量 的基本功能，为进一步实现机器视觉系统应用于连铸坯定尺测量切割奠定了基 础。 关键词机器视觉连铸坯定尺测量图像采集图像处理 冉论文工作缛到了 国家科技部重大基础研究前期研究专项资助( n o 2 0 0 3 c c a 0 3 9 0 0 ) 。 h 东北太学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nf i x e dl e n g t hm e a s u r es y s t e mf o rc o n t i n u o u s c a s t i n gb i l l e t sb a s e do nc o m p u t e rv i s i o n a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s t i n gi sap i e c eo ff a t a lp r o d u c et e c h n o l o g yi ns t e e li n d u s t r i a l ，i t i si nt h em i d d l eo ft h es t e e l p r o d u c ew o r k i n gp r o c e d u r e t h ed e v e l o po f c o n t i n u o u sc a s t i n gd r i v et h er e f o r mo fp r o d u c et e c h n o l o g y ，i ns u c ha s p u d d l i n g ， s t e e l m a k i n g ，s t e e l - r o l l i n g i nt h ep r o d u c eo fs t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h ec u to f c a s t i n gi s ai m p o r t a n tt a c h e ，a n dt h ep r e c i s i o no ff i x e dm e a s u r ew i l la f f e c tt h e r i g h tr u no fn e x tp r o c e d u r e n o wf i x e dm e a s u r em e t h o du s e di nc h i n aa l m o s ta r e t o c h b a l l ，p h o t o e l e c t r i c i t yc o d e ra n ds oo n ，t h ep r e s i c i o no ff i x e dl e n g t hm e a s u r e n o tt o ow e l l c o m p u t e rv i s i o ni su s e di n t ot h ef i x e dl e n g t hm e a s u r eo fc o n t i n u o u sc a s t i n g b i l l e t s s t u d y i n gt h ee a c he l e m e n to fc o m p u t e rv i s i o na n dt h e i rc o n t r i b u t i o nt ot h e w h o l es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，o n ef i x e dl e n g t hm e a s u r e s y s t e mf o rc o n t i n u o u s c a s t i n gb i l l e t sb a s e do nc o m p u t e rv i s i o ni s b u i l tp r i m a r i l y ，w h i c hi sf i tf o rt h e a c t u a lc o n d i t i o n sf a c t o r y a st h ep a r to ft h eh a r d w a r ec o m p o s e ，t h es y s t e mu s e dh i g hs p e e dc c dl i n e c a m e r a ，i m a g eg r a bc a r d ，l v d sh o l d i n gw i r e ，h i g hf r e q u e n c yf l u o r e s c e n c e i l l u m i n a n t o p t i c so b j e c t i v ea n dc o m p u t e rt oe n s u r et h er e a l - t i m ep r o p e r t ya n d r e l i a b i l i t y t h e e m p o l d e ro fs y s t e mb a s e do nw i n x po p e r a t i o ns y s t e m ，l i n km e t r o xi m a g e g r a bc a r d m i l s 0f u n c t i o nw a r e h o u s ea n dv i s u a lc + + 6 0 a l s o e x p l o i ty u z h i p r o c e s s ，t h ee d g ep i c k u pa n dd i s t a n c ea r i t h m e t i cu s e dc + + w i t hm a n yc u s h io n e m sm e m o r yt e c h n o l o g yo fi m a g ec a r dg r a ba n dp r o c e s si nw h o l ep r o c e s sd e s i g n ， t h ed a t aw i l tn o tb eh o l du p w i t ht h es y s t e mh a r d w a r e ，o n ef i x e dl e n g t hm e a s u r es y s t e mf o rc o n t i n u o u s c a s t i n gb i l l e t sh a sb e e nb u i l tb ys t u d y i n gh o wt oa p p l yc o m p u t e rv i s i o nt oi t ， a c h i e v et h ef u n c t i o no ff i x e d l e n g t hm e a s u r ef o rc o n t i n u o u sc a s t i n g ，i th a s e s t a b l i s h e df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ff i x e d l e n g t hm e a s u r e f o r c o n t i n u o u sc a s t i n g m 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：c o m p u t e rv i s i o n c o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t sf i x e dl e n g t hm e a s u r e i m a g eg r a bi m a g ep r o c e s s t h es t u d yi ss u p p o r t e db y m a j o rf o r m e rb a s i cr e s e a r c hp r o j e c to ft h em i n i s t r yo fs c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o ft h e p e o p l e sr e p u b l i c o fc h i n a ( n o 2 0 0 3 c c a 0 3 9 0 0 ) i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文r ” 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 2 l 试1 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交沦文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 钢铁是国民生产的重要原材料，钢铁工业的生产水平是衡量个国家工业 水平的重要标准之一。连铸是项重大的钢铁工业生产技术，它处在钢铁生产 工序的中间环节。连铸的发展不仅取代了模铸，还带动了炼铁、炼钢、轧铡等 方面生产技术的革耨。这对于提高钢的质量、提高钢的成材率、降低能源消耗、 改进整个钢铁生产工艺流程，以及提高整个钢铁工业的经济效益，具有重要作用 和深远意义。 近几年来，我国连铸生产大幅度增长，连铸的重要性已逐步为人 f 所认识 最初人们总以为连铸只是炼钢解决铸锭( 造块) 的个手段，只是炼钢生产中 个工序问题。通过近几十年世界连铸发展的实践证明，它可促进钢铁工业工 艺技术的优化。就连铸工艺来说，不仅是节约能源，提高成材率的重要措施， 并且解决了炼钢浇注的连续化、自动化，减轻了劳动强度，改善了环境，是炼 钢生产的中心环节，同时它又起了承上启下的作用。连铸比是衡量一个钢厂工 艺技术水平与装备水平的重要指标。中外钢铁工业都把发展连铸作为推进钢厂 技术进步，提高经济效益的主要措施之一 2 - h 。 在钢铁连续铸造生产中，铸坯切割是一个十分重要的环节，它直接关系到 铸坯的成材率，生产的连贯性及能源消耗，而定尺的精度又直接影响到f 道 j ：序的正常运行。目前国内使用的定尺类型多数为碰球式、光电码盘( 编码器) 等。 碰球式定尺利用铸坯的导电性，原理简单成本低廉，但碰球在高温f 易 氧化，接触不可靠，且连接导线靠近现场红坯区极易烧坏，维护量大。例如信 阳钢铁有限责任公司( 信钢) 炼钢厂2 号连铸机是2 0 0 0 年元月建成投产，定 尺切割系统控制采用热铸坯在输坯辊道到达直径为6 0 m m 的定尺球悬挂位置处 与之接触，发出脉冲信号，由计数器按定尺发出信号开始切割。由于系统周围 温度高，定尺球长时间与连铸坯接触产生机械磨损，且与电器触点均产生氧化 影响了电器设备的导电性能。常导致电器信号失灵，产生火焰切割机切出的铸 坯超长、超短，甚至不切割导致输坯辊道堵塞，不得不进行人工切割进行精整 现象，年真接经济损失达1 0 0 万元以上。 编码器定尺是将编码器安装在电机上或者切割机上装轮盘直接靠在钢坯 东北丈学硕士学位论文 第一章绪论 上进行计数定尺，但现场温度太高，在实际生产中还经常遇到铸坯打滑，效果 也不尽如人意。很多钢铁企业使用光电码盘，利用一根轴套在辊子上，施加压 力使轴与连铸坯紧密靠近，光电码盘上有很多小孔，当连铸坯运动时，带动轴 转动，这样轴每转一圈光电码盘就记录一次，不足个周长的部分，通过光电 码盘上的小孔来按比例计算，这样来算出最后的总长度。光电码盘的测量对于 冷轧来说是比较精确的，但是对于高温连铸坯的测量来说就不太合适，在高温 状态下轴容易磨损，这样半径变化了影响精度，另外打滑也是一个很严重的问 题。 其他手段也有各自的弊端，例如传感器必须离被测物体很近，而连铸坯离 达i 0 0 0 摄氏度，很轻易就能损坏这类精密仪器：激光装置自从应用以来得到 广泛推广，但是大多数应用主要是利用反射回来的激光时间差，计算两个物体 之问的距离，大多数测速装置也是利用这个原理，例如中国工程物理研究所开 发的反射式全光纤激光测遮法。而利用机器视觉技术的话，除了具备激光的快 速特性之外，还有修正测量误差的2 次标定技术可以使用，因此在测量手段上， 图像方法优于目前存在的大多数方法。 1 2 机器视觉系统概述 1 2 1 机器视觉原理、概念 美国制造工程师协会( s m e ，s o c i e t yo f m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ) 机器视觉分 会和美国机器人工业协会( r i a ，r o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 的自动化视觉 分会对机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器 自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运 动的装置i ，j ，。 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视、和零件识 别应用，例如汽车零配件批量加工的尺寸检套和自动装配的完整性检查，电子 装配线的元件自动定位，i c 上的字符识别等。通常这种带有高度重复性和智能 性的工作只能由人眼来完成。有些时候，如微小尺寸的精确快速测量，形状匹 配，颜色辨识等，用人眼根本无法连续稳定她进行，其它物理量传感器也难有 用武之地。这时，人们开始考虑用c c d 照相机把图像抓取到，送入计算机或 专用的图像处理模块，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 来进行尺寸、形状、颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性， 与人眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。与 一般意义上的图像处理系统，如多媒体系统相比，机器视赏强调的是糟度和速 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度，以及工业现场环境下的可靠性。 一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足系列明确要 求的系统。当这些要求完全确定后，这个系统就设计并建立来满足这些精确的 要求。机器视觉的优点包括： ( 1 ) 精度高 作为一个糟确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多的部 件的一个进行空间测量。因为这种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损 和危险，从而提高了系统可靠性。 ( 2 ) 连续性 人类难以长时间的对同一对象进行观察，视觉系统则可以馒人们免受疲劳 之苦。机器视觉系统可以长时间的执行观测、分析和识别任务，并可应用于恶 劣的工作环境。因为没有人工操作者，也就没有了人为造成的操作变化。多个 系统可以设定单独运行。 ( 3 ) 成本效率高 随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越束越 高。个价值万美元的视觉系统可以轻松取代三个人工探测者，而每个工人 每年需要二千美元的工资。另外，视觉系统的操作和维持维用非常低。 ( 4 ) 具有较宽的光谱响应范鼹 机器视觉可以利用专用的光敏元件，可以观测到人类无法看到的世界，从 而扩展了人类的视觉范围。 ( 5 ) 灵活性 视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化以后，只需软件作相应变 化或升级以适应新的需求即可。 机器视觉系统比光学或机器传感器有更好的适应性。它们使自动机器具有 了多样性、灵活性和可重组性。当需要改变生产过程时，对机器视觉来说“工 具更换”仅仅是软件的变换而不是更换昂贵的硬件。当生产线莺组后， 见觉系 统往往可以重复使用。 1 2 2 机器视觉的应用范围 机器视觉不会有人眼疲劳，有着比人腹更高的精度和速度，借助红外线、 紫外线、x 射线、超声波等高新探测技术机器视觉在探测不可视物体和高危 险场景时更具有其突出的优点。机器视觉技术现已得到广泛的应用。 在现代化的大生产之中，视觉检测往往是不可缺少的环节比如，汽车零件的 外观，药品包装的正误，i c 字符印刷的质量，电路板焊接的好坏，等等，都需要众多 的检测工人，通过肉眼或结会显微镜进彳亍观测检验大蠡的检测工人不仅影玮哥工 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 度，以及工业现场环境下的可靠性。 一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足一系列明确要 求的系统。当这些要求完全确定后，这个系统就设计并建立来满足这些精确的 要求。机器视觉的优点包括： ( 1 ) 精度高 作为一个精确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多的部 件的。个进行空间测量。因为这种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损 和危险，从而提高r 系统可靠性。 ( 2 ) 连续性 人类难以长时间的对同一对象进行观察，视觉系统则可阻使人们免受疲劳 之苦。机器视觉系统可以长时间的执行观测、分析和识别任务，并可应用于恶 劣的工作环境。因为没有人工操作者，也就没有了人为造成的操作变化，多个 系统可以设定单独运行。 ( 3 ) 成本效率高 随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越来越 高。一个价值一万美元的视觉系统可以轻松取代三个人工探测者，而每个工人 每年需要二干美元的工资。另外，视觉系统的操作和维持维用非常低。 ( 4 ) 具有较宽的光谱响应范围 机器视觉可以利用专用的光敏元件，可以观铡到人类无法看到的世界，从 而扩展了人类的视觉范围。 f 5 ) 灵活性 视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化以后，只需软件作相应变 化袋升级以适应新的需求即可。 机器视觉系统比光学或机器传感器有更好的适应性。它们使自动机器具有 了多样性、灵活性和可重组性。当需要改变生产过程时，对机器视觉身乏说“工 具更换”仅仅是软件的变换而不是更换昂贵的硬件。当生产线重组后，视觉系 统往往可以重复使用。 122 机器视觉的应用范围 机器视觉不会有人跟疲劳，有着比人鼹更高的精度和速度，借助红外线、 紫外线、x 射线、超声波等离新探测技术机器视觉在探测不可视物体和高危 险场景时更具有其突出的优点。机器视觉技术现已得到广泛的应用。 在现代化的大生产之中，视觉检测往往是不可缺少的环节比如，汽车零件的 外观，药品包装的正误，i c 字符印刷的质量，电路扳焊接的好坏，等等，都需要众多 的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验大量的检测工人不仅彩响工 的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验大量的检测工人不仅影响工 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本另外，许多检测的工 序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔 的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作则是很难靠人眼快速完成 目前，机器视觉已经成功地应用于工业检测领域，大幅度地提高了产品的 质量和可靠性，保证了生产的速度。例如产品包装印刷质量的检测、饮料行业 的容器质量检测、饮料填充检测、饮料口封口检测、木材厂木料检测、半导体 集成块封装质量检测、卷钢质董检测和水果分级检测等。在制药生产线上，使 用机器视觉技术可以对药品包装进行检测，以确定是否装入正确的药粒。 在木材加工中，要根据木料纹理检测木料缺陷或木料的体积等。图1 1 所 示是使用3 台激光扫描仪和3 台c c d 摄像机完成对木料的3 6 0 度全检。 图i 一1 本材加工检测不意图 f i g1 lt h es k e t c hm a po fw o o dp r o c e s s 在医学领域，机器视觉用于辅助医生进行医学影像的分析，主要利用数字 图像处理技术、信息融合技术对x 光射线透视图、核磁共振图像、c t 图像进 行分析或对其他医学影响数据的统计和分析。不同医学影像设备得到是不同特 性的生物组织的图像。 在机器人领域，机器视觉的匿的是要通过匿像定位、图像分析，向机器人 运动控制系统反馈目标或自身的状态与位置信息。 在闭路电视监控系统中，机器视览技术被用于增强图像质量，捕捉突发事 件，监控复杂场景，鉴别身份，跟踪可以目标等，能大幅度的提高监控效率， 减少危险时间发生的几率。在交通管理系统中，机器视觉技术被用于车辆识别、 调度，向交通管理与指挥系统提供相关信息。 1 2 3 国内外发展现状及趋势 目前，就机器褫觉的应用而畜国内外差距比较大。在国外，机器视觉的应 用非常普及，主要集中在半导体及电子行业、汽车行业、制造业等行业。机器 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 重的地位。在中国，由于以上行业属于新兴产业，加之机器视觉产品技术普故 1 i 够，导致其应用几乎空白。即便有，也只是低端应用。而对于其他制造业f 巧 言由于产品的标准和产量的限制，机器视觉的应用也不是很普及。但值得欣 慰的是，各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求玎媳 广泛出现，据弩家估计，目前全球整个视觉市场总量大概在6 0 7 0 亿美元丽 中国视觉市场的总量约在卜2 亿美元。市场潜力之巨，可见一斑。 生产和制造业中的运动和视觉系统会越来越趋于依靠p c 技术，并目与数 据采集等其他控制和测量的集成会更紧密，这是一个不断增长的趋势。同日、j ， 这与虚拟仪器的发展趋势也相当吻合。 随着产品从设计到生产的时间要求越来越短，更多的f 一商在为测试测量 找自动化的解决方案，其中就包括机器视觉的部分。通过将机器视觉集成到测 试系统，厂商们不但可以消除由人工操作所带来的失误，同时还可以大夫提高 生产效率。随着机器视觉技术自身的成熟和发展，可以预计它在将来现代和未 来制造业中得到越来越广泛的应用。 基于中国的经济发展，很多公司投资国内，他们引进了众多海外的先进制 造技术。以p p t 为例，1 0 年前，海井跨国公司转移到中国的制造企业，& u 汽 车或电子产品制造企业，他们带来了先进的检测设备，包括p p t 的p cb a s e d p a s s p o r t 及s c o u t 系列机器视觉系统和技术。虽然机器视觉系统在中国的应用 尚未有欧美和闷本普及，但是这项技术已成为一个热门话题。中国的视觉技术 群主要集中在华北地区、长三角以及珠三角地区，北京的视觉技术是华北的 f 心，他们更看重理论及算法；上海由于有相当多的大企业，许多国外生产线蹬 备及安装在生产线上的机器视觉系统也一并搬迁过来，因此上海的工程师对机 器视觉系统有者更多的使用及操作经验；深圳技术最大的特点就是实际，他 f j 对于实现视觉系统与自动控制系统的结合，有着丰富的经验。 据”视觉系统国际”公司的市场调研报告，1 9 9 9 2 0 0 0 年北美的机器视落市场 规模从1 6 8 亿美元增长到1 9 亿美元( 年增长率1 2 4 ) 同本2 0 0 0 年机器视赏 市场有3 0 0 4 0 0 亿日元，如果包含外表检查系统，包含画像和关系较深的半导体 制造装置和p c b 等关联装置的话，图像处理关联的市场，在阿本国内有数千亿i 元的规模。 总得来说，目前在国内，这个行业的发展仍处于”婴儿”成长期有机会接触到 国钋先进的视觉系统的人，少之又少但是国内业界发展迅速，相信不久就能追 上哑洲其他国家和地区的水平。 东北大学硕士学住论乏 第一章绪论 1 3 机器视觉应用于带钢检测中的应用 七十年代初，美国贝尔实验室研制出首片c c d 器件。随着c c d 技术和计 算机技术的飞速发展，机器视觉技术应运而生，并迅速在工业无损检测领域推 广普硬。1 9 9 0 年美国a r m c o 公司为其研制的c c d 检测系统申请了专刹。采硐 柱型透镜进行x ，y 方向的放大倍数分离，以扩大视场：照明用4 0 k h z 的高频 荧光灯以减小光源周期性变化的影响；摄像器件用当时最新的2 0 4 8 像元线阵 c c d ，在美国能源部的资助下，h o n e y w e l l 公司予1 9 8 3 年开发出连铸板坯表面 在线检测装置。该装置采用线阵c c d 器件，通过增加c c d 芯片的有效像元数 和提高其帧转移速率，并采用先进的数字墅像处理部件，能可靠邋检出针孔等 微细的表面缺陷。1 9 8 5 年，荷兰h u g w e n s e 钢厂在生产线上安装了一塞马u 铁 在线监测系统，用2 0 k h z 驱动频率的c c d 相机。1 9 8 6 年美国钢铁界有关数据 处理：全司进行c c d 检测系统的再次开发，对照明系统进行改进，采用远远超 过带钢宽度的荧光灯管，提供4 倍于环境光强的照度。美国钢铁协会( a t s i ) 的 资助下，w e s t i n g h o u s e 公司和e a s t m a n k o d a k 公司分别研制出各自的带钢表面 缺陷在线检测系统，其中w e s t i n g h o u s e 系统在最高带速和最大带宽f 可提供 0 7 m m 23 m m 的纵、横向缺陷分辨力。1 9 8 9 年英国光学掩膜公司开发了一种 廉价的检测系统，完成钢带定位、板宽、孔漏、边裂的测量。对照明方式的研 究认为，其受环境影响较大，只能随环境变化而变化，在不同场合使用不同的 荧光灯或钨丝聚光灯。检测高速运动的孔洞，高强度放电棒的效果最好。进入 9 0 年代后，基于线阵c c d 器件的机器视觉技术无疑已成为钢板表面缺陷在线 检测的主流技术，其应用研究工作方兴未艾。1 9 9 2 年芬兰r a u t a r u u k k i 钢铁公 司安装了一套新开发的智能检测设备，用2 0 4 8 像元的c c d 相机。在1 9 9 4 年 进行改进，采用了4 0 9 6 像元的c c d 。美园c o g n e x 公司于1 9 9 6 年先后研制成 功了i s ，2 0 0 0 自动检测系统和i l e a r n 自学习分类器软件系统，通过这两套系统 的无缝连接，整体系统可提供8 0 g o p s 的运算性能，并有效地改善了传统自学 习分类方法在算法执行速度、数据实时吞吐量、样本训练集规模及模式特征自 动选择等方面的不足之处。德国p a r s y t e c 公司于1 9 9 7 年为韩国浦项制铁公司 研制了h t s 2 冷轧带钢表面检测系统，首次将基于人工神经网络( a n n ) 的分类 器设计技术应用于带钢检测领域。英国e u r o p e a ne l e c t r o n i cs y s t e m 公司( e e s ) 则将研究工作的重心确定为提高系统的实用性和可靠性，增强缺骼茸标麴梭出 能力和缺陷图像的显示质量，完善系统对环境的有效控制能力，热轧带钢表面 检测系统已在欧美主要钢铁制造企业得到应用。 1 9 9 9 年，由北京兴冶实业总公司与北京辉耀科技公司联合研制的c s 3 0 0 0 - 6 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 连铸坯定尺测控系统在莱芜钢铁公司炼钢厂投入使用。该系统具有国际先进的 电视测量、图像处理和计算机控制技术。实现了大范围内同时对多流钢坯远距 离非接触式高精度连续定尺测量，并输出相应的切割控制信号。2 0 0 3 年武汉中 元系统控制有限公司为武汉钢铁公司轧板厂研制了z h y - i 型钢板几何尺司在 线自动测量系统。该系统为基于机器视觉的非接触测量钢板坯和成品钢板的形 状和几何尺寸的光电仪器系统。 但是总体说来我国钢板表面在线检测技术的研究工作目前尚处于起步阶 段，整体水平较低，距离西方发达国家尚有相当大的差距。 1 4 研究目的和意义 应用在工业生产线上的机器视觉系统有着非常广阔的应用前景，对于高温 不匀速的连铸坯切割系统，应用c c d 相机进行连续拍摄，再经过图像算法处 理，准确判断出连铸坯长度并指令控制系统进行切割。这是一种全新的连铸坯 定尺切割的测量方法，若能得到应用，将大大提高钢厂连铸坯切割的自动化程 度及切割精度。 本文将在以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 通过研究机器视擞系统组成原理及功能实现，选择并搭配各个硬件设备， 进行系统总体结构设计，初步建立起连铸坯定尺测量硬件系统 ( 2 ) 基于老师给出的工厂生产参数，建立一套可行的定尺测最软件系统，实 现实验室条件下对连铸坯的表面图像实时采集及处理数据，完成定尺测量工 作。 ( 3 ) 依据工厂实际研究各种照明方法和检测光路配置，设计适用于尺寸测量 的照明方式。设计并加工相应的照明灯架及相机支撑架。满足实验室研究需要。 ( 4 ) 初步研究摄像机标定技术，设计出适用于实验室研究用的摄像机标定方 法。 东北大学硕士荦住论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 机器视觉系统的普逮构或 机器视觉系统主要研究用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中 提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制】。从功能 角度来看，一个典型的工业机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉 系绞、霭像数字化模块、数字匿缘处理模块、智能判断移乇镣模块寝枕械控戳执 行模块，如图2 - l 所示。而从设备角度来看，一个典型的工业机器视觉应用系 统包括相机、光源、镜头、图像采集卡、图像处理器( p c 机、图像处理卡或 工业控制机) ，如图2 2 所示。 图2 - 1 典型的机器视觉功能结构示意图 fi g2 - 1t h es k e t c hm a po ft y p i c a lc o m p u t e rv i s i o nf u n c t i o n 叫， 、e 三习， ， l 。 图2 - 2 典型机器视觉设备结构示意图 f i g2 - 2t h es k e t c hm a po ft y p i c a lc o m p u t e rv i s i o ne q u i p m e n t s 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 系统工作时候，首先采用c c d 摄像机或其他图像拍摄装置将目标转换成图 像信号，然后转变成数字化信号传送给专用的图像处理系统，根据象素分布、 亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，根据预设的容许度和其 他条件输出判断结果。 值得一提的是，广义的机器视觉的概念与计算机视觉没有多大区别，泛指 使用计算机和数字图像处理技术达到对客观事物图像的识别、理解和控制。而 工业应用中的机器视觉概念与普通计算机视觉、模式识别、数字图像处理有着 明晰的区别，其特点是： ( 1 ) 机器视觉是一项综合技术，其中包括数字髑像处理技术、机械工程 技术、控制技术、电光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字 视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。这些技术在机器视觉中是并 列关系，相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉应用系统。 ( 2 ) 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要 有合理的性价比，要有通用的工业接口，能够由普通工作来操作，有较高的容 错能力和安全性，不会破坏工业产品，必须有较强的通用性和可移植性。 ( 3 ) 机器视觉更强调实时性，要求高速度和离精度，因而计算机视觉和 数字图像处理中的许多技术目前还难应用予机器视觉，他们的发展速度远远超 过其在工业生产中的实际应用速度。 2 2 视觉系统设备的简单介绍 2 2 1 相机 目前工业用相机主要有c c d 和c m o s 两种，c m o s 相机起步较晚，所摄 取的图像质量也不是太好，所以主要用在图像品质要求不是很高的产品一e ，而 工业上应用较为普遍的是c c d 相机。c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ) 是美国人 b o y l e 发明的一种半导体光学器件。该器件具有光电转换、信息存储和延时等 功能，并且集成度高、能耗小，故一出现就在圃体图像传感、信息存储和处理 等方面得到广泛应用。在选择相机时，主要有以下几个方面的问题考虑： ( 1 ) 相机扫描方式 相机按扫描方式可以分为面扫描和线扫描相机。顾名思义线扫描相机是 指对物体进行行扫描的相机，线扫描相机又可分为隔行扫描和逐行扫描。线扫 描相机适用于以下情况： ( a ) 对固定的物体做一维的铡量： ( b ) 对象物体处于运动状态： 东北大学硕士学位论文第二章系统总体设计 ( c ) 需处理可旋转圆柱体的边缘图像； ( d ) 需要对象物体的高分辨率图像，而又要考虑价格因素等，其他情况下可以考 虑使用面扫描相机。 线扫描相机的特点是运动平稳、运动跟踪精度高、光源强度要求高。目前， 线扫描相机的分辨率已经达到几千，检测速率也达到几千帧每秒甚至更高。而 面扫描相机一次只能拍摄一幅图像。由于面扫描相机的自身局限性，使其不适 于动态目标连续无遗漏的高精度检测。但是，针对其工作原理，采用以下技术： ( a ) 选用帧传送或者行间传送c c d ； ( b ) 采用高速快门( 电子快t 了) ： ( c ) 采用单场技术： ( d ) 选用高频光源等，是完全可以进行动态图像的实时采集的，完全可以满足：l 业在线检测的要求。 ( 2 ) 相机的颜色标准 相机按颜色可以分为黑白和彩色相机。其中，黑白相机比彩色相机分辨率 高，而且数据采集速度快。随着相机制造技术的不断发展，现在，彩色相机也 越来越多昀得到了应用。这是因为过去盼彩色相机系统要由三台相机组成，这 三台相机分别对应r ( 红色) 、g ( 绿色) 、b ( 蓝色) 波长，而现在则出现了单 c c d 彩色相机。彩色相机可以提供更强的观察和区别能力，因此在医学、生物 学以及一些工业过程控制方面发挥了重要作用。 r3 ) 相机的输出接口形式 相机输出接口形式有r s 4 2 2 、r s 6 4 4 、u s b 、i e e e l 3 9 4 以及c a m e r a l i n k 等，在选择图像处理卡时应注意其是否支持所选用相机的输出形式。现在世界 上有很多公司都生产c c d 相机，这其中著名的有德国的b a s l e r 公司、丹麦的 j a i 公司、加拿大的d a l s a 公司等。 2 2 2 镜头 光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。镜头的种类 按焦距可分为广角镜头、标准镜头、长焦距镜头；按动作方式可分为手动镜头、 电动镜头；按安装方式可分为普通安装镜头、隐蔽安装镜头：按光圈可分为手 动光圈、自动光圈；按聚焦方式可分为手动聚焦、电动聚焦、自动聚焦；按变 焦倍数可分为2 倍变焦、6 倍变焦、1 0 倍变焦、2 0 倍变焦等。镜头的主要性能 指标有焦距、光阑系数、倍率、接口等。 现在世界上专业生产镜头的厂家也有很多，其中比较有名的有日本u t r o n 公司、 佳能公司、松下公司等。 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设l j 2 23 光源 在对物体的检测过程中，光源起着决定性作用。光源按照其照射方法j 分 为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。背向照明是被测物放在光 源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像；前向照明是光源和摄像l = j l 位于被测物的网侧，这种方式便于安装；结构光照盟是将光橱或线光源等投射 到被测物上，根据他们所产生的畸变，解调出被测物的二三维信息；频闪光照h i j 是将高频率的光脉冲照射到物体上，照相机拍摄要求与光源同步，这样能何效 地拍摄高速运动物体的图像。常用光源的类型有卤素灯、荧光灯和l e d 光源 等。 在本系统中，由于连铸坯的温度高达1 0 0 0 多摄氏度，因此自身发出的光线 可以部分满足摄像头的需要，因为工业现场不是完全的黑室，因此还需要利川 其他辅助光源，如高频荧光灯照射在连铸坯上进行漫反射。 2 2 4 图像采集卡 图像采集卡是机器视觉系统中的一个重要部件，它是图像采集部分和图像 处理部分的接口。它控制摄像机拍摄，完成图像采集与数据化，协凋整个系统。 目前比较常用的图像采集卡有基于p c i 和p x i 两种形式的二者之间的差别是 p x i 产品是基于p c i 总线的，更符合工业环境下振动、撞击、温度和湿度的极 限条件。它般具有以下功能模块： ( 1j 图像信号的接受与a d 模块 此模块负责图像信号的放大与数字化。有用于彩色或黑自图像的采集卜， 彩色输入信号可分为复合信号或r g b 分最信号。同时，不同的采集卡有不同 的采集精度，一般有8 b i t 和1 0 b i t 两种。 ( 2 ) 摄像杌控制输入输出接口 主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重置拍照、定时拍照等。 ( 3 ) 总线接口 负责通过p c 机内部总线高速输出数字数据，一般是p c i 接口，传输速率 可高达l3 0 m b p s ，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较! b 的c p u 时 间。 有的图像采集昔同时还包括晟示模块，负责高质量的图像实时显示，通u ： 接口负责通讯。一些高档图像采集卡还带有d s p 数字处理模块，能进行高速 图像预处理，适用于高档高速应用。 目前，世界上生产图像采集卡的厂商主要有加拿大的c o r e c o 公剐、比利 时的e u r e s y s 公司、美国的d t 公司、美国的n i 公司等。 东北走学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 2 5 图像处理软件 图像处理软件就有如人的大脑，是专门用来处理图像数据的。由于使嗣机 器视觉系统的人的水平参差不同，所以各种图像处理软件的功能也有很大等 别。一般来说比较完善的图像处理软件不仅提供各种图像处理工具和算法，还 具有很强的灵活性和系统可实现性，而且面向不同层次的开发者提供合适他们 玎发的环境如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 等。目前世界上比较著名的图 像处理软件有美国d i 公司豹d t v f 、美国n i 公司的l a b v i e w 和i m a q 、加拿 大c o r e c o 公司的s a p e r a 、w i t 、i f c 等。 2 。2 ，6 其他部件 一套完整的机器视觉软件还要包括以下几个部件； ( 1 ) p c 机或工业控制系统 圈像处理软件的正常运行需要p c 机系统的支持，所以在机器视觉系统中， p c 机或工控机系统也是必不可少的。 ( 2 ) 相机和光源的支架 这2 个部件起的是支撑和固定相机和光源的作用，因而也是必不可少的， ( 3 ) 各种连接电缆 连接电缆的作用是把各种不见连接起来，缺之不可。 2 3 基于机器视觉的连铸坯定尺测量系统 图像测量系统与图像缺陷分析系统有着完全不同的侧重点。图像缺陷分析 系统主要关，i l , 是否能够获得缺陷最明显的特征，怎样利用优化的算法识别所获 取的特征，并判断出是何种缺焰。图像测量系统则主要关心是否能够准确得到 所需要的被测物尺寸，是否能达到指定精度，物体成像是否发生畸变等。姻比 较而音，图像缺陷分析系统需要更高的c p u 运行速度，更加复杂优化的算法 及更大的图像卡缓存空问；而测量系统在硬件的架设、相机的选择、镜头的选 择及光照方式的设定方面，在利用算法保证尺寸精度及实时反应时间上都有更 高的要求。 2 3 1 生产现场条件 建立系统所依据的生产条件为：连铸坯为高温物体，达1 0 0 0 多摄氏度， 是宽度为9 0 0 - 1 1 5 0 m m 的带状钢铁，速度不均匀，无突变，约1 5 2 5 m s ，要 求使用火焰切割机对连铸坯每6 1 2 m 切割一次。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统总体设：r 关于设备购买的补充性说明： 由于摄像头必须在连铸坯上方大概5 m 左右拍摄图片，雨p c 机的位置在 地面控制室里，因此要求数据线非常长，因此我们使用k b i c 转接器来解决 这个问题。由于所选择的l 4 0 l k 摄像头是c a m e r a l i n k 接口，c a m e r a l i n k 接f 1 的数据连线由予价格昂贵，无法做太长，通过使用k b i c 转接器，利用l v d s 数据线及2 3 2 串口线连接m e t e o r l i d i g 图像采集卡和l 4 0 i k 摄像头，这样倚合 了场地实际需要及经济型需要。 所提供的图像处理软件m i l l i t e 8 0 是由加拿大m a t r o x 公司8 月份左占发 布的新版本，分为2 个版本类型a c t i v em i l l i t e 8 0 及m i l l i t e 8 0 ，后：旨只 提供了硬件控制函数接口，给了机器视觉系统制作者2 次编程的灵活空间，使 得牙发者可以自由的实现自己想要的功能。 c c d 相机、图像采集卡及镜头的选择由大量计算比较得来，后面的章节会 有洋细介绍。 高频荧光灯为普通荧光灯管，特制高频电源，| 主 凌志微视公司负责制作。 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 33 系统示意图 本系统结构如图2 - 3 所示 l， f ， 图2 - 3 本系统总