双投光差分处理表面检测法-江苏省钢铁行业协会

前言

钢铁产品的表面检测对保证质量至关重要。薄钢板的表面检测已广泛采用摄像机与光源组成的在线自动化系统，如在连续镀层和连续退火产线上，通过图像识别自动检出缺陷并标识，提高了质量稳定性。而建筑和能源用钢管及厚板的表面检测仍主要依赖人工肉眼检查。其自动化难点在于：钢管和厚板表面覆盖厚度不均的“黑皮”氧化膜，与缺陷图像特征难以区分；生产线振动大、钢材表面温度高，使检测装置的布置和运行困难重重。

然而，人工检查劳动强度大且一致性不足，行业迫切需要自动化手段。为此，本文简要介绍一种新的表面检测技术“双投光差分处理表面检测装置”，旨在提升钢材表面缺陷的自动识别能力。

双投光差分处理表面检测装置

2.1双投光差分处理表面检测的原理

通过对钢材表面缺陷和无害部位区别的观察发现，大部分缺陷具有凸凹形状，大部分非缺陷部位具有平坦形状。据此，提出了判别凸凹缺陷与无害部位的“双投光差分处理”技术。该技术原理的示意图如图1。将投射光照射在钢材表面，光源在钢材右侧照射和在左侧照射时，由于无缺陷部位是平坦状，所以在摄影图像中没有区别。而缺陷具有凸凹形状，所以，光源位置不同，摄影图像的阴影部位不同。对光源位置不同摄影图的差别进行计算，消除了无阴影差异的无缺陷部位的图像，突出了缺陷部位的图像。

2.2用于钢材运送线的高速摄影技术

如前所述，将双投光差分处理技术用于钢材生产线上需要解决的问题是高速摄影技术。进行双投光差分处理时需要获取没有位置像素单位偏离的、从检查对象的一侧投射光线进行摄影的图像和从另一侧投射光线进行摄影的图像。为了高效率地对黑皮钢材全表面进行检查，要在钢材生产线的输送线上固定摄影机，对运送钢材进行扫描检查。如果切换光源对运送钢材进行两次摄影，得到的两个摄影图像的检查位置会发生偏离。对位置偏离图像进行差分处理，不能使黑皮图像互相抵消，因此不能产生双投光差分处理效果。本研究开发出使用两台照射时间极短光源（闪光光源等）和可瞬时两次摄影的摄影机的高速摄影技术。首先，使闪光光源发光，并同时进行摄影。摄影完成的瞬间，连续地使另一台闪光光源发光，并用同一架摄影机同时进行摄影。如图2所示，在100μsec以下的极小时间差内，完成了照射方向不同的两个摄影。即使对于移动中的检测对象，也可将两个摄影的位置偏离控制在像素单位以下。使用闪光光源既可保证足够的光量，又可消除钢材在运送中由振动产生的影响。

2.3利用明暗图样判定凸凹的技术

双投光差分处理的目的是使平坦面的图像互相抵消，仅抽取出凸凹部分的图像。但是，将使用高速摄影技术的检测装置设置在钢材生产线，对钢材表面进行检查中，没有质量问题的很小的黑皮剥落和微小斜面的两方向照明图像不同。利用双投光差分处理不能消除这种图像的差异。

对明暗图像检出处理导入的结果，虽然可以区别凸形部位图像和大部分微小斜面图像。但是，检测得到的图像中，无缺陷部位图像大多数是表面残留的差分法未去除干净的黑皮和衬度很大的图像，以及偶发的相邻无害部位接合产生的明暗图像。利用检查装置，根据测定图像计算出缺陷部位的面积、宽度、长度等常用数据。利用使用这些特征量的二叉决策树（Binary decision tree ）识别功能的机械学习，提高了仅识别出缺陷的检出功能。

双投光差分处理用于无缝钢管表面检测的事例

本事例中检查的无缝钢管表面缺陷是在钢管制造中，钢管表面产生的具有深度的凹形缺陷。钢管凹形缺陷产生的原因是轧辊和输送辊的热粘结。如不对缺陷产生原因进行修正，凹形缺陷会连续产生。如缺陷发现滞后，会产生大量的不合格品。因此，对轧制后钢管（表面温度约800℃）表面缺陷的及时发现十分重要。图3是无缝钢管表面检测的双投光差分处理装置的光学系统图。

无缝钢管的运送方式是周向转动和输送辊使钢管沿长度方向的纵向运动。为了对周向运动中的钢管全外表面进行检测，需要在钢管长度方向并列数台摄影机。这样就增大了设备成本。所以，对纵向运动中的钢管，配置视场覆盖钢管全周的摄影机和光源，使视场在长度方向包围钢管进行扫描摄影，实现了对钢管全外表面的低成本检测。实际检测中，将钢管周向分为3个区域，使用上流、下流投射光照射，分别对这3个区域的摄影图像进行差分处理。此外，由于是对热态钢管进行检测，所以在摄影机前设置红外屏蔽膜，除掉钢管产生的自发光成分，仅接受闪光光源的反射光。

利用该检测装置得到的信息，可以防止无缝钢管外表面产生连续性的缺陷，有效地防止不合格品的出现。

双投光差分处理用于厚钢板表面检测的事例

双投光差分处理对厚钢板表面检测的目的是将检查出的缺陷信息提供给检查员，防止缺陷漏检。因此，准确检出缺陷十分重要。

检测对象是冷却状态的厚钢板，因此其光学系统设计自由度大于赤热钢管。双投光差分处理用于厚钢板表面检测的光学系统投射光照射角约70°，并且，与光轴对称地进行两个方向的照射。这种光学系统提高了缺陷检出功能。厚钢板的表面缺陷中有在各个方向上产生的细长形的缺陷。因此偶发性的闪光照射方向与缺陷长轴方向一致时，会在摄影图像中观察不到缺陷图像。因此，采用了钢板宽度和长度两个方向的两组双投光差分处理方法，即使是细长缺陷，也可在宽度方向或长度方向的差分图像中检测出来。

图4是厚钢板表面缺陷双投光差分处理检测装置的光学系统。在钢板一侧的宽度方向并列设置摄影机，可对钢板的全宽度进行摄影。将4台光源配置在钢板行进方向的上流侧、下流侧、钢板宽度两侧。利用一架摄像机拍摄上流侧光源和下流侧光源照射的两张图像，利用差分处理得到钢板长度方向的差分图像。用同样方法得到钢板宽度方向的差分图像。在钢板运送过程中反复进行一系列的摄影，并对长度方向、宽度方向图像进行两组双投光差分处理，可以高精度检测出钢板表面的缺陷。

将开发的表面检查装置导入实际的厚钢板生产线，把检测出的缺陷信息传递给检查员，将检测出的缺陷与肉眼检查发现的缺陷对比，利用缺陷产生状况的图像化和图像放大功能，使检查员可直观地判定缺陷的形状和位置。表面检查装置在钢板修正场地等静态环境中用3D扫描机和深度计测定缺陷的形状，以确定实际上是否是缺陷。长期的检测结果避免了无缺陷部位误检的情况，并且可检测出厚钢板的全部表面缺陷，防止缺陷的漏检。

结语

为解决传统检查方法难于对黑皮钢材表面缺陷进行检查的问题，日本JFE钢铁公司开发出全新光学检测技术“双投光差分处理”。将该技术应用于钢管生产线和冷却厚钢板作业线，经验证，双投光差分处理表面检测装置具有满足各自检测目的的检出功能。在此基础上，将双投光差分处理表面检查装置用于实际生产。本技术有效防止了带有表面缺陷的钢材漏检出厂，实现了黑皮钢材的稳定供给。