軋制中心20周年 · 金屬板帶材表面缺陷在線檢測技術
表面質量在線檢測系統能全連續、無遺漏地檢測金屬板帶材的表面缺陷，是提高成材率和產品質量的關鍵。由北京科技大學表面檢測課題組，經過17年不斷自主創新，突破了特殊光路研發、圖像高速采集、海量數據實時處理、復雜背景圖像識別等多項關鍵技術，研制了適用于高溫、高速、高分辨條件下的金屬板帶表面質量在線監測系統——BKvision系列產品，在國際上首次實現了鋼材生產全流程，包括連鑄、熱軋、冷軋等各工序的表面質量在線監測，為提升我國高端鋼材的表面質量和市場競爭力提供了重要技術手段。
關鍵技術一
針對不同溫度、不同材質對檢測的需求以及系統對缺陷檢出率、檢測精度的要求，發明了多光路照明成像、表面三維成像、特殊激光光源研發等關鍵技術，分別應用于冷軋精密板帶、熱軋板帶和高溫鑄坯生產線。BKvision系列產品的缺陷檢測精度可達0.16 mm，并在國際上首次實現了高溫鑄坯表面缺陷在線檢測。
1.1多光路照明成像技術
為提高冷軋精密板帶產品表面低對比度缺陷和微小缺陷的檢出率，發明了多光路照明成像技術。通過圖像合成技術提高了缺陷的對比度，從而提高缺陷的檢出率。
1.2表面三維成像技術
為了獲取表面缺陷的深度信息，開發了基于多激光線的表面三維成像技術，利用多激光線的大量程、多信息的特點，在單幅圖像上實現表面三維信息的獲取，避免了被檢測物體抖動對檢測結果的影響。該技術已應用于熱軋板帶的表面缺陷三維檢測，可檢測結疤、壓痕、凹坑等缺陷，深度方向檢測精度達0.2mm。通過與實際值比較，深度值最大誤差不超過7%。
1.3特殊光源設計技術
由于鑄坯表面溫度高達1000℃以上，傳統的無損檢測技術，如超聲波、磁感應、電渦流等無法應用于高溫鑄坯的表面在線檢測。高溫鑄坯表面輻射光主要是紅光或紅外光，因此，研制了特定波長的激光線光源，并通過窄帶濾色鏡濾除高溫鑄坯表面輻射的紅光及紅外光，從而去除了輻射光對缺陷的干擾，使得圖像質量明顯提高。
關鍵技術二
為了滿足高速、高分辨率圖像實時采集、傳送和處理的要求，研制了多相機同步采集、多PC機并行計算、多核并行處理等多項關鍵技術，BKvision系列產品的圖像采集和處理能力達200MB/S，最高檢測速度達20m/s以上，達到世界領先水平。
2.1多臺線陣相機的定位與標定技術
線陣CCD攝像機具有高分辨率、高感光度、高采集速度的優勢，但是線陣相機采集的是一條線，因此，需要高精度的定位，尤其是在使用多臺相機的情況下。BKvision系列產品采用多臺線陣相機位置和焦距自動調整技術，對多臺相機進行統一標定，從而實現了在寬幅帶鋼表面檢測時的多相機同步采集和線型圖像無縫拼接。
2.2多PC機并行計算和多核并行處理技術
在多相機同步采集情況下，每臺相機采集到的圖像由單獨的PC機進行處理，圖像數據在多臺PC機之間進行分布式計算，并由服務器來控制每臺PC機的算法執行過程。同時，在數據處理模塊引入了第三方成熟的多核運算庫，通過自主研發的并行計算優化算法，使得單位時間的數據處理能力提升了近1.5倍。
2.3采取不同優先級的線程實現數據分時并行計算技術
為了保證不同復雜度算法的并行處理，提高系統的實時性，設計了如圖1所示的算法流程，算法流程中用了“實時處理”和“及時處理”兩種不同優先級的線程。“目標檢測”的任務是檢測圖像中是否有缺陷，有缺陷的圖像保存到計算機緩存中，等待后續處理，這一過程只是對圖像進行篩選，沒有用到復雜的算法，但是需要實時完成。“圖像分割”、“缺陷識別”等步驟需用到復雜的算法，但只針對保存到緩存中有缺陷的圖像，可在CPU空閑時完成。“實時處理”線程處理的數據量大，但算法簡單；“及時處理”線程處理的數據量小，但算法復雜。通過“實時處理”和“及時處理”兩種不同優先級的線程保證不同復雜度算法在CPU分時上的均衡，從而在算法流程上保證數據處理的實時性。
關鍵技術三
針對熱金屬板帶表面存在氧化鐵皮、水等“偽缺陷”干擾，容易造成誤檢的問題，研發了基于幅值譜不變矩、結構譜紋理分析、小波不變矩、多尺度幾何分析等特征提取方法；以及深度與灰度信息融合方法、組合分類方法等缺陷識別方法，實現復雜背景下缺陷的準確識別。BKvision系列產品對于常見表面缺陷的檢出率達95%以上，識別率達90%以上，檢出率與識別率分別比國外同類技術提高10%和15%。
3.1基于幅值譜不變矩、結構譜紋理分析、小波不變矩、多尺度幾何分析方法等特征提取方法
通過這些方法提取的特征向量不僅具有平移、旋轉不變性，并且具有抗噪、抑制光照不均等優點，適用于熱軋帶鋼、中厚板、連鑄坯等復雜表面的缺陷識別，減少由“偽缺陷”造成的誤檢問題。
3.2深度與灰度信息融合方法
利用深度與灰度信息的像素級融合，提取缺陷邊緣信息，提高了缺陷邊緣提取的準確性和系統的檢出率，減少缺陷的漏檢；利用深度與灰度信息的特征級融合可提高缺陷分類的準確性，減少誤檢。
3.3組合分類方法
由于熱軋帶鋼表面存在著大量氧化鐵皮、水痕等干擾，因此會產生大量的可疑區域，如果直接對可疑區域進行識別，不僅速度慢，而且容易造成誤判。對可疑區域進行識別前，采用“粗分類”技術，如圖2所示。將熱軋帶鋼的表面缺陷按主要形態分成4大類，即“縱向缺陷”、“橫向缺陷”、“孤立缺陷”和“分布式缺陷”，圖3給出了上述4類典型缺陷樣本。對這4類形態的缺陷分別建立樣本圖庫和形態特征，并根據形態特征模板，對可疑區域進行快速匹配。經“粗分類”后，可大量剔除由于水、氧化鐵皮、油污及光照不均等因素造成的“偽缺陷”，減少可疑區域的數量。對“粗分類”后得到的缺陷區域再進行“細分類”，可大大提高識別速度，降低誤報率。通過以上3項關鍵技術的自主研發與集成，同時設計了防高溫、水汽、粉塵、氧化鐵皮等多種技術措施，保證BKvision系列產品在惡劣的工作環境下長期免維護運行，實現了金屬板帶表面質量全流程在線檢測，并推廣應用于鋁板、鈦板等生產線，為提升我國高端板帶產品的表面質量和市場競爭力提供了重要技術手段。
四應用業績
目前，BKvision系列產品已應用于國內各大鋼鐵企業近60條生產線：
1）連鑄板坯：重慶鋼鐵4條連鑄板坯生產線，北海誠德2條連鑄板坯生產線，柳州鋼鐵連鑄坯生產線等；
2）中厚板：湖南華菱湘鋼3800、5000寬厚板生產線，南京鋼鐵5000中厚板生產線，重慶鋼鐵4100中厚板生產線，興澄特鋼4300厚板生產線，沙鋼集團2條5000中厚板生產線，新余鋼鐵4300中厚板生產線等；
3）熱連軋：重鋼1780熱連軋生產線，柳鋼1450熱連軋生產線，福建鼎信1780、850熱連軋生產線，上海鼎信1780熱連軋生產線等；
4）冷軋：北海誠德3條酸洗線，西南不銹2條酸洗線，天成不銹冷軋線，佛山高明基業冷軋連退線等；
5）有色行業：西南鋁業冷軋拉矯線、涂層線，新疆眾和冷軋復卷線等；
6）棒材：沙鋼集團淮鋼棒材線。
BKvision系列產品曾獲冶金科學技術一等獎1項、省部級二等獎2項；獲國家發明專利授權6項，計算機軟件著作權登記6項；發表論文60余篇，其中被SCI、EI檢索收錄35 篇。