熱軋帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

王宏軍，楊 偉，史紅林，李耀輝，張云錦，王鴻翔，劉樹偉，江罩林

(馬鋼股份第一鋼軋總廠熱軋分廠 安徽馬鞍山 240031)

1 綜述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對作為重要基礎(chǔ)材料的鋼材產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，帶鋼的表面質(zhì)量是影響鋼材終端產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。傳統(tǒng)的帶鋼表面質(zhì)量檢測主要依靠人工在卷曲處開卷或后續(xù)對鋼卷平整來進(jìn)行缺陷驗證；人工開卷只能開出熱軋鋼卷尾部十幾米內(nèi)的缺陷，檢測范圍極其有限；且人工查看強(qiáng)度很大，并且平整所需的周期較長，實時性不能滿足現(xiàn)場的需求，尤其對一些批量性的缺陷要做到實時檢測非常困難。因此通過人工無法有效的對熱軋鋼卷表面缺陷進(jìn)行定位跟蹤，更無法形成對整個鋼卷表面質(zhì)量的評估。大量學(xué)者研究了基于機(jī)器視覺的帶鋼表面缺陷檢測技術(shù)。

北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心檢測團(tuán)隊于98年開始基于機(jī)器視覺的鋼板表面缺陷在線檢測檢測技術(shù)的研究，已開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)品的表面缺陷在線檢測系統(tǒng)，并在鑄坯、寬厚板、熱軋、冷軋、棒材等領(lǐng)域均有成功的生產(chǎn)線應(yīng)用；系統(tǒng)對獲取到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到缺陷類別及位置信息并形成報表提供給質(zhì)檢部門，質(zhì)檢人員可以根據(jù)缺陷統(tǒng)計情況進(jìn)行鋼卷的質(zhì)量評估。

綜上可知，熱軋現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，對檢測設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高；現(xiàn)場存在大量的水汽及氧化鐵皮的干擾，相比一些輕工業(yè)的現(xiàn)場缺陷檢測識別的難度較大。雖然目前有很多國內(nèi)外團(tuán)隊都在進(jìn)行這方面的研究，但能在現(xiàn)場起到實際作用且滿足現(xiàn)場使用條件的檢測設(shè)備極少。本文中，針對上述問題，分別從軟硬件兩個方面展開了研究。針對熱軋帶鋼在激光光源下成像偏黑、帶鋼抖動干擾大的問題，提出采用LED光源和線陣相機(jī)的搭配方式解決成像質(zhì)量差的問題；針對熱軋帶鋼表面水和油的干擾大的問題，將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到熱軋帶鋼的缺陷檢測上。

2 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與流程

2.1 軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用并行服務(wù)器進(jìn)行相機(jī)的采集與存儲，各相機(jī)圖像保存于各自獨立的存儲服務(wù)器上，通過同步儀控制各相機(jī)同步進(jìn)行圖像采集，同時利用自動曝光功能保證圖像灰度的一致。系統(tǒng)可配置多個終端顯示畫面進(jìn)行缺陷分布圖及報警圖片的顯示，終端顯示畫面與后臺服務(wù)器結(jié)構(gòu)上分離，功能上統(tǒng)一，在操作上更加人性化。

系統(tǒng)采用多算法工作站協(xié)調(diào)搭配的模式，進(jìn)行鋼卷圖像的分析，將缺陷檢出與分類識別模型分開在不同機(jī)器同步進(jìn)行，可合理利用各機(jī)器的性能資源。

2.2 檢測流程

現(xiàn)場缺陷檢測的整體思路如下圖所示，缺陷檢測主要經(jīng)過圖像的預(yù)處理、缺陷分割、缺陷識別等步驟。通過缺陷檢出分割將圖像上灰度明顯區(qū)域、邊界明顯區(qū)域、紋理明顯區(qū)域進(jìn)行提取定義為可疑待選的缺陷區(qū)域，快速減少處理的圖像數(shù)據(jù)大小，然后將備選的ROI送入分類器模型進(jìn)行最終的類別判定，類別判定采用置信概率值的方式，可提供置信度Top3的類別顯示。

針對熱軋現(xiàn)場中易出現(xiàn)的批量性的缺陷進(jìn)行特殊的處理，如精軋輥印、縱向劃傷等；精軋輥印缺陷主要是由軋輥磨損造成的缺陷，一般呈現(xiàn)周期規(guī)律，同時也存在由深入淺的過程，此類缺陷的判定首先從形貌特征上進(jìn)行一次判定，然后再通過缺陷橫向位置的一致性，以及縱向上呈現(xiàn)出的周期性進(jìn)行二次判別，最終符合兩次判別的缺陷定義為精軋輥印；連續(xù)的縱向劃傷缺陷也是熱軋現(xiàn)場中比較關(guān)注的一類批量性缺陷，一般由傳送輥道造成，此類缺陷一般存在連續(xù)性且長度長的特點，本系統(tǒng)對劃傷長度進(jìn)行設(shè)限，可針對連續(xù)劃傷缺陷進(jìn)行及時報警提示(如圖1)。

1 缺陷檢測流程圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

目前本系統(tǒng)已投放于國內(nèi)某熱軋生產(chǎn)線，主要用于替換之前國外某廠家的表面檢測系統(tǒng)，針對之前檢測系統(tǒng)對于微小缺陷無法識別的情況，本文的表檢系統(tǒng)在設(shè)計上采用上下表面各2個4K相機(jī)的搭配進(jìn)行鋼卷圖像的采集，相機(jī)采集圖像的分辨率為4096*1024，采集速率會自動根據(jù)現(xiàn)場輥道速度進(jìn)行自動調(diào)整，可以有效的保證不同的速度下橫縱向分辨率一致，現(xiàn)場針對鋼卷缺陷的最小尺寸設(shè)計的分辨率為0.2 mm，可以保證現(xiàn)場所有的缺陷都可被檢測到。

系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置下可保存兩個月左右的原始圖像數(shù)據(jù)以及兩年左右的缺陷圖像數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行存儲的擴(kuò)充。軟件上同時提供圖像分析和缺陷分析兩部分功能，兩種功能可以相互補(bǔ)充，對于缺陷的檢出效果可以得到進(jìn)一步保證。

相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)并將圖像存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，同時圖像數(shù)據(jù)會被實時傳輸?shù)椒植际降乃惴ǚ?wù)器上，進(jìn)行圖像的分批處理，圖像數(shù)據(jù)分流的方式可以將圖像數(shù)據(jù)根據(jù)需要分配到不同的服務(wù)器上進(jìn)行處理，可以在保證現(xiàn)場缺陷識別的實時性的同時留給復(fù)雜的缺陷識別算法更多的檢測時間；本文算法將圖像分割識別進(jìn)行分離，充分利用不同機(jī)器的性能優(yōu)勢，采用強(qiáng)CPU的機(jī)器進(jìn)行缺陷的檢出，采用強(qiáng)GPU的機(jī)器進(jìn)行缺陷的分類，進(jìn)一步提升的算法的檢測速度，以滿足現(xiàn)場缺陷檢測實時性的要求。

現(xiàn)場使用深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行缺陷的分類，離線樣本測試分類準(zhǔn)確度可達(dá)到98%，對現(xiàn)場關(guān)注的主要缺陷如輥印、裂紋、劃傷、夾雜、結(jié)疤等缺陷的實際檢出率可達(dá)到95%以上，識別率在90%以上。同時為現(xiàn)場提供最新的模型訓(xùn)練工具，現(xiàn)場可以根據(jù)需要將最新的樣本數(shù)據(jù)采集下來進(jìn)行自主訓(xùn)練，使算法模型的準(zhǔn)確度可以一直維持在90%以上(如圖2)。

此系統(tǒng)提供實時鋼板的缺陷報警及歷史缺陷查詢的功能，實時缺陷報警有實時語音報警和聲光報警兩種方式，可以設(shè)置關(guān)注等級較高的缺陷類別進(jìn)行報警，及時通知使用人員做出判斷，杜絕缺陷的批量產(chǎn)生；系統(tǒng)提供缺陷報表導(dǎo)出的功能(可導(dǎo)出單卷鋼的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、缺陷分布圖及選擇時間段內(nèi)的各缺陷的統(tǒng)計信息)，對于后續(xù)缺陷的統(tǒng)計及分析提供了數(shù)據(jù)參考(如圖3)。

圖2 現(xiàn)場缺陷檢測效果圖

圖3 鋼卷缺陷報表統(tǒng)計

此外，本系統(tǒng)還可根據(jù)廠里的判級規(guī)定進(jìn)行缺陷的判級，通過設(shè)置缺陷的長度、寬度、面積及出現(xiàn)的頻率等信息可以對鋼卷進(jìn)行分級，直接指導(dǎo)現(xiàn)場封鎖等級不合格的鋼卷，避免存在質(zhì)量缺陷的鋼卷外流。

4 結(jié)論

采用4K線陣相機(jī)進(jìn)行圖像的采集，進(jìn)一步減少相機(jī)數(shù)量，降低了維護(hù)成本并增加了缺陷的識別分辨率，對熱軋現(xiàn)場較細(xì)微的缺陷(比如縱向暗劃傷)檢測效果更佳。采用LED光源成像上更加均勻，尤其是解決了鋼卷運動前期未經(jīng)卷曲咬合時所產(chǎn)生抖動問題。

利用圖像分析和缺陷分析相結(jié)合的方式可更好地檢出缺陷，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理，同時將缺陷檢出和分類進(jìn)行分離，可有效低利用各服務(wù)器的計算資源，進(jìn)一步提高了缺陷檢測速度。

采用最新的深度學(xué)習(xí)技術(shù)搭建分類器模型，對于復(fù)雜背景下缺陷的分類準(zhǔn)確率有更大的提高，可以很好的解決鋼板表面缺陷分類難度大的問題，對現(xiàn)場的缺陷識別率可以達(dá)到90%以上；同時可以實現(xiàn)周期性缺陷的判別，并提供出擬合的周期值以指導(dǎo)現(xiàn)場換輥。

本系統(tǒng)已在國內(nèi)某軋鋼廠生產(chǎn)現(xiàn)場正式投用，以替換原有國外表面檢測系統(tǒng)設(shè)備。并解決了原有系統(tǒng)細(xì)小缺陷無法檢出、分辨率不足、系統(tǒng)維護(hù)難度大等諸多問題；本系統(tǒng)的缺陷檢出率和識別率上相對于舊系統(tǒng)有較大提升。此系統(tǒng)設(shè)計簡潔，維護(hù)方便，操作界面人性化，提供的功能齊全且可定制，能更好的滿足了現(xiàn)場使用要求。