D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.03.017 第16卷第3期 北京科技大学学报 Vol.16 No.3 1994年6月 Journal ol University of Science and Technology Beijing June 1994 线阵CCD用于热轧带钢头部形状检测 李毅杰)王力飞2) 孙一康” 杨卫东) 1)北京科技大学自动化系，北京1000832)北京钢铁研究总皖 摘要本文将线阵CCD用于热轧带钢头部形状检测，提出空间坐标对应概念：给出图像二值化 相关参数选取指导思想：针对带钢头部形状特殊性给出输人图像的滤波方法，实验效果良好， 关键词电荷耦合器件，图像处理，飞剪边缘检渕 中图分类号1G333.71;TP391.41 Detecting the Shape of Hot Strip Head Area with Linear CCD Li Yijie Wang Lifei Sun Yikong Yang Weidong) 1)Department of Automation.USTB.Beijing 100083.PRC 2)Beijing Iron and Steel Institute ABSTRACT Linear CCD used in detecting the shape of hot strip head area is discussed in this paper.The idea of three dimensions coordinate corresponding to the strip shape and temperature as well as how to select the relative parameters about two value image is des- cribed.According to specifiity of hot strip a digital filter is designed.The whole system has good result in laboratory,and make it easier that linear CCD used in head catting of hot strip optimally. KEY WORDS charge coupled devices,image processing,flying shears/edge detecting 我国热轧生产整体水平比较低，设备陈旧，就热轧带钢进入精轧机组前的头部剪切而 言，绝大多数企业仍然停留在人工控制水平上，中小型企业尤其如此，由于现场环境限制和 工人技术素质差异，人工剪切控制的质量好坏也因人而异，剪切控制不好时造成剪切过早或 剪切过晚，剪切过早，带钢头部黑钢进入机架会损伤轧辊表面，影响成品质量：剪切过晚， 则造成不必要的浪费，从提高成材率和产品质量两个方面看，对带钢头部剪切进行优化控制 是非常必要的， 1系统结构 电荷耦合器件(Charge Coupled Device)被广泛应用于物体成像系统中，CCD工作原理 193-10-27收稿 第一作者男38岁助研硕士
第 16 卷 第 3 期 1 9 94 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l 0 1 ` U n i v e rs i t y o f S d en ce a n d T ce h n o l o g y B e ij i n g V o l . 16 N o . 3 J l l l祀 1 9 9 4 线阵 C C D 用 于 热轧带钢 头部形 状检测 李毅杰 ’ ) 王 力飞 2 ) 孙 一 康 ’ ) 杨卫 东 ” l) 北 京科技大学 自动化系 , 北 京 l以刃8 3 2 ) 北 京 钢 铁研 究 总 院 摘要 本文将线阵 C ( D 用 于 热轧带钢头 部形 状检测 , 提出 空 间坐标对应 概念 ; 给 出图 像 二值 化 相 关 参数选 取指 导思 想 ; 针对带 钢头部形 状特殊性给 出输人 图像 的 滤波 方法 . 实验效果 良好 . 关键 词 电 荷藕合器 件 , 图像处理 , 飞 剪 ,` 边 缘检 测 中图 分类号 T G 3 33 . 7 1: 冲 39 1 . 4 1 块et ct ing t h e S h a P e o f H o t S t r i P H e a d iA e a w it h L ine a r C C D L i 场i e ` , H h n g L ife i Z , S u o iy 人o n a ” aY n g we 边, g ’ ) 1 ) D e P a r t nr e n t o f A u t o m a t l o n , U S T B . B e 1) , n g 10 0 0 8 3 , P R C Z ) B e ij i n g I r o n a n d S t e e l I n s t i t u t e AB S T R A C T L i n 既 r C C D 璐de i n d e t eC t i n g t h e s h a Pe o f h o t s itr P h份d a 盼 15 d is cus s de i n t h is P a P e r . hT e id服 o f t h re d i mens l o ns co o dr in a te co res P o n d in g to t h e s加P s h a P e a n d 七m P aer t u re a s w e ll a s h o w t o s e leCt t h e rel a t 一v e P a ar rne t e rs a bo u t two va lue iam g e 15 d es - cir b de . A 以刀dr in g to s P面if i t y o f h o t s tir P a d ig i at l 几te r 15 d es ign de . hT e hw o l e s ys t e m h a s g o o d res ul t in l a bo ar to ry , a n d nar k e it ea s ie r t h a t il nea r C C D us ed in h ea d ca t ing o f h o t s itr P o Pt in 祖 l y . K E Y W O R D6 c h a gr e co u Pl ed d e v i岛 , i anr g e Por 昭s in g , fl y ign s h ae sr / de g e d e teC t i n g 我 国热 轧生产 整体 水平 比较 低 , 设 备 陈 旧 . 就 热轧 带钢 进 人 精 轧机 组 前 的头 部 剪 切 而 言 , 绝大 多 数企 业仍 然停 留在人 工控制 水平 上 , 中小 型 企 业尤其 如此 . 由于 现场 环境 限制和 工 人技术 素 质差异 , 人工剪 切控 制的质 量好 坏也 因人 而异 . 剪切 控制 不好 时造成 剪切过 早或 剪 切过 晚 . 剪切过 早 , 带钢 头部 黑钢进 人机架 会损伤 轧辊表 面 , 影 响成 品 质量 ; 剪 切 过 晚 , 则 造成 不必要 的浪 费 . 从提 高成 材率和产 品质 量两个方 面看 , 对带钢 头部剪 切进行 优化 控制 是非 常必 要 的 . 1 系统结构 电荷藕 合 器件 ( c ha gr e C o u lP de eD vi ce ) 被广 泛应用 于 物 体 成 像 系 统 中 , c C D 工作 原理 l卯3 一 10 一 27 收 稿 第一作者 男 38 岁 助研 硕 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 03. 017
Vol.16 No.3 李毅杰等：线阵CCD用于热轧带钢头部形状检测 .281, 可参阅文献[1].CCD有如下特点：(1)集成度高、可靠性好寿命长：(2)具有电子扫描功能 (不需机械扫描系统)：外部电路简单；(3)无残留图像，适合动态物体成像【.2] 日本三菱与日立公司最早成功地把CCD摄像机用于带钢头部剪切控制.由于是对赤热 钢坯进行检测，无需外加辅助光源.日立公司用面阵CCD作为图像传感器；三菱公司则用 线阵CCD作为图像传感器”.面阵CCD摄取图像整体性好，系统按帧来处理画面，每帧画 面的像素与线阵CCD相比成倍增加，造成每帧图像获取周期长·线阵CCD扫描一行约为 0.2s,而面阵CCD获取一帧图像用时约为20s.采用面阵CCD的系统数据处理也要占 用大量存贮器.以1024×1024阵列为例，一帧图像要占128kB存贮器，就带钢头部形状检 测而言，边缘信息不过1kB左右，换言之，必须在系统处理完一帧图像128kB数据之后才 能获得带钢头部形状信息·线阵CCD每行扫描用时0.2s,数字处理系统可以充分利用扫 描间隙处理每行扫描的数据，这样当带钢头部图像摄取完毕时，图像信息的处理也基本完 成，大大提高了系统的实时性，由于数据是按行处理的，也节约了部份存贮器， 制约带钢头部剪切优化的因素除了带钢头部形状外，还有带钢头部温度分布，从轧钢工 艺讲，对带钢头部剪切如果仅需估计钢坯头部温度不必做高精度测量，是否可以直接采用 CCD传感器来实际估计钢坯头部温度分布呢？由物理学原理可知： e=ch/元 (1) im=b/T (2) 由(1)式，(2)式可得： e=ch·T/b (3) 式中：8一光子能量； 1一波长； b一物理常数； c一光速； T一辐射体温度； h一普朗克常数。 由(3)式可知，光子能量正比于辐射体温度，由CCD工作原理知道，CCD输出电平 信号与被测物体辐射温度成比例关系，这证明直接用CCD传感器对被测物体进行温度估计 是可行的. 实验系统构成如图(1)所示：CCD传感器 摄像机 1/0 选用美国仙童公司2048×1线阵CCD、线阵CCD CCD 接口板 器件CCD143A. 摄像机中包括CCD芯片直流偏置、积分控制 栅、转换控制栅、复位控制、方波发生器等驱动 计算机系统 电路.I/O接口板完成计算机系统与摄像机之间 控制命令及图像信号传送.计算机系统选用PC 钢坯 机，主频8MHz, 系统工作过程如下：CCD摄像机光敏阵列接 围1CCD检测系统简图 收热钢坯辐射光，在驱动电路控制下把各像素光 Fig.1 CCD detection system 信号转换成和光强成正比例的电信号；输出电路 把每一行扫描的像素电信号传送到I/O板进行数据的串并转换，得到16位并行数据，计算 机依一定算法判别一行扫描数据中带钢边缘点·依前所述，逐行扫描直到钢坯进入几何尺寸 和温度分布稳定区域之后，再对前面得到的边缘点进行滤波，剔除干扰影响，拟合出钢坯头 部形状曲线方程，以便进行优化剪切时参考， ◆日本日立公司技术报告，1987 钟日本三蔓公可技术报告，1987
o l V . 6 1 o N . 3 李毅杰等 线阵 用 于 热轧带钢头部形状检测 : D c C · 1 2 8 · 1 可参阅文献 ] ! . 有 如下 特点 D C C : 集 成度 高 ( ) l 、 可 靠 性好 寿 命 长 ; 具有 电2子扫 描功 能 ( ) 不需机械扫描 系统 ( ) 外部 电路 简单 ; 3 ; 无 残留 图像 ( ) , 适 合动态 物体 成像 [ ` , “ } . 日本三菱 与 日立公 司最早 成功 地把 C C D 摄像 机用于 带钢 头部 剪 切 控 制 . 由于 是 对赤 热 钢坯进行检测 , 无需外加 辅助 光源 . 日立 公 司用 面 阵 C C D 作 为 图像 传 感 器 ’ ; 三 菱公 司则用 线阵 C C D 作为 图像 传感 器 ` ’ . 面 阵 C C D 摄取 图像 整 体 性 好 , 系 统按 帧来 处 理 画 面 , 每 帧 画 面 的像素与线 阵 C C D 相 比 成倍增加 , 造成 每 帧 图像 获 取 周期 长 . 线 阵 C C D 扫 描 一 行 约为 .0 2 、 , 而 面阵 C C D 获取 一 帧图像 用 时约 为 20 nsT . 采 用 面 阵 C C D 的 系统 数据 处理 也要 占 用大量存贮器 . 以 10 24 x 10 2 4 阵列为例 , 一 帧 图像 要 占 128 k B 存贮 器 , 就带钢 头 部 形 状 检 测而言 , 边缘 信息不过 1 k B 左 右 , 换言之 , 必须 在系 统处理 完一 帧 图像 128 k B 数 据 之后 才 能获得带钢头部 形状信息 . 线阵 C C D 每行 扫描用 时 .0 2 nsI , 数 字处理 系 统可 以 充分 利 用 扫 描间隙处理每行 扫描的数 据 , 这样 当带 钢 头部 图像 摄取 完 毕 时 , 图像 信 息 的处 理 也 基本 完 成 , 大大提 高 了系 统 的实 时性 . 由于数 据是按行 处理 的 , 也 节约 了部份 存贮 器 . 制约带 钢头部 剪切 优化 的 因素除 了带钢 头部形状外 , 还 有带钢 头部 温度分 布 . 从轧 钢 工 艺讲 , 对带钢 头部 剪切 如果仅需估计 钢 坯 头部 温 度 不 必做 高 精 度 测 量 . 是 否 可 以 直 接 采 用 C C D 传感 器来实 际估 计钢坯 头部 温度 分布呢? 由物 理学 原理可 知 : : = e h / 又 ( l ) 弋 = b/ T ( 2) 由 ( l ) 式 , ( 2 ) 式可 得 : 。 = e h · T / b ( 3 ) 式 中: 。 一光子 能量 ; 又一波 长 ; 之卜物 理常 数 ; c 一光 速 ; 了一 辐射 体温 度 ; h一普 朗克常数 。 由 ( 3) 式可知 , 光 子能量 正 比于辐 射体 温度 . 由 C C D 工 作 原 理 知 道 , C C D 输 出电 平 信号 与被 测物体辐 射温 度成 比例 关系 , 这证 明直接 用 C C D 传 感器 对被 测 物体 进 行 温 度 估 计 是 可行 的 . 实验 系统构成 如 图 ( l) 所示 : C C D 传 感器 选用美 国仙 童公 司 2 0 4 8 x l 线阵 C C D 、 线 阵 C C D 器件 C C D 14 3 A . 摄像机 中包括 C C D 芯 片直 流偏置 、 积分 控制 栅 、 转换控制 栅 、 复位控 制 、 方波 发生 器等驱 动 电路 . 1/ 0 接 口板 完成计 算机系 统与摄像 机之 间 控制命令及 图像信号 传送 . 计算 机系 统选用 P C 机 , 主频 S M ZH . 系统工 作过程 如下 : C C D 摄 像机 光敏 阵列接 收热钢坯辐射光 , 在 驱动 电路 控制 下把各 像 素光 信号转换成 和光 强成正 比例 的电信号 ; 输 出电路 计算 机 系统 钢坯 图 1 CC D 检测系统简图 瑰 . 1 C C D d e t e e it o n s y s t e m 把每一行扫描的像素电信号传送 到 1/ 0 板 进行数据 的串并转 换 , 得 到 16 位 并 行 数据 , 计算 机 依一定算法判 别一行 扫描数据 中带钢边缘 点 . 依 前所述 , 逐行 扫 描直到 钢坯 进人几 何尺寸 和温度分布稳 定 区域之后 , 再 对前面 得到 的边缘点进行滤 波 , 剔除 干扰影 响 , 拟合 出钢坯头 部形状 曲线方 程 , 以便进行优 化剪切 时参考 . 日本 日立 公司技术报告 , 1987 . 日本三 葵公司技术报告 , 198 7
.282 北京科技大学学报 1994年No.3 2滤波与检测 本系统在处理钢坯图像信号时，给定任一点A(x。,y,读取A点温度信号后给出A点 温度估计参数：。，则构成A(x。,y。,z)的三维坐标，它完全刻划了该点的剪切条件，也可 以这样说，当温度条件满足剪切要求后，带钢头部形状就唯一确定了最优剪切位置. 从数字图像处理学出发，热钢坯头部形状提取与检测是一个二值图像处理问题.为得到 二值图像首先引入灰度等级门限化概念，设有一二维图像函数∫(x,y),设一个门限值T, 就可以得到一个新的图像函数g(x,y)其中有： 1f(x,y)≥T 9(x,y)= 0 f(x,y)<T 上式可以看出，g(x,y)出现0,1跳变点即为带钢的边缘点.再把T做为优化剪切中的 临界温度条件，9(x,y)=1的所有点都满足剪切的温度条件，所以仅需对9(x,y)=1点集 构成的图像进行形状判别、曲线拟合，从而简化了数据处理·T值可以通过实验方法得到， 由g(x,y)二值函数可知每8位数据对应着8个像素，可以通过对某点A的像素与其相 邻点像素的0，】变化关系判别得到被测带钢形状· 实际生产过程中，带钢头部形状多为舌型，但也有少部份不规则形状·对不规则形状， 采用补点方法得到近似· 在图(2)中，当出现多于两个边缘点时，则用钢坯外侧两个边缘点坐标的平均值，作 为一个替代边缘点.即当扫描A行时，得到A(x,y),A(x2,ya),A(x3y;这时取 A代(x代，y代)，x代=(x+x2)/2;ya代=(y+y2)/2.当扫描B行时，得到B,(x,y61山，B: (xb2,yb),B,(xb3,yb,B4(x64y64)取B代(xb代yo代)其中xb代=(xb2十xb:)/2,yb代=(y2+y)/2; 且用B代替换A代·依此扫描到重新得到两个边缘点为止，近似后的钢坯形状如图(3)所示， 对于个别外部干扰造成的坯值采用最小二乘法加以滤除.可以认为每行扫描间隔小于10mm 且每3个同侧边缘点可近似旱一直线， B,B, B代 图2鱼尾状带钢头部 图3近似带钢头部 Fig.2 Fish tail shape of the head strip Fig.3 Similar head shape 在实验室中，采用下置灯光箱代替热钢坯辐射光源，用纸板代替钢坯，在摄像机单 行扫描实验中，选用凹形纸板，在实验条件下系统最大相对测量误差小于01%.（下转288页）
2 8 2 北 京 科 技 大 学 学 报 1芜) 峙 年 N O . 3 2 滤波与检测 本 系 统在处理 钢坯 图像 信号 时 , 给定任 一点 A ( x 。 , y a), 读 取 A点 温 度 信 号 后 给 出 A 点 温 度估计 参数 z 。 , 则构 成 A ( x 。 , y 。 , 孔 ) 的三维坐 标 , 它完 全 刻 划 了 该点 的剪 切 条件 . 也 可 以 这样说 , 当温度 条件 满足 剪切 要求后 , 带 钢头部形 状就 唯一确定 了 最优 剪切 位置 . 从数 字 图像处理 学 出发 , 热 钢坯 头部形 状提取 与检测是 一个二 值图像 处理 问题 . 为得 到 二 值 图像 首 先 引 人灰 度 等 级 门限 化概 念 , 设 有 一 二 维 图像 函数 f (x , y ) , 设 一 个 门 限 值 双 就 可 以得 到 一个新 的 图像函 数 g ( x , 力 其 中有 : f ( x , y ) ) T f ( x , y ) < T ,且. nU 之r|1| 一一 、 ., 尹 y X 了.、 g 上 式 可 以看 出 , g( x , y) 出现 O , 1 跳变 点即为带 钢 的边 缘点 . 再把 T 做 为 优 化 剪切 中 的 临界温 度 条件 , g ( x , 力 = 1 的所有 点都 满足剪 切 的温 度 条 件 , 所 以 仅需 对 g ( x , y ) 二 1 点集 构成 的 图像进行 形状 判别 、 曲线拟合 , 从而 简化 了数据处理 . T 值 可 以通 过实验 方法 得到 . 由 g ( x , y ) 二 值 函 数可 知每 8 位 数据 对应着 8 个像素 , 可 以 通过 对某 点 A 的像 素 与 其 相 邻点像 素 的 0 , l 变化关 系判 别得到 被测 带钢形 状 . 实际 生产过 程 中 , 带 钢头部 形状 多 为舌 型 , 但 也有 少部份 不 规则 形 状 . 对 不规 则 形 状 , 采用 补点 方法得 到近 似 . 在 图 ( 2) 中 , 当 出现 多于 两个边 缘点 时 , 则 用钢坯外 侧 两 个 边 缘 点 坐 标 的平 均 值 , 作 为一 个替 代边 缘点 . 即 当扫描 A 行 时 , 得到 A l ( x a l , y 。 , ) , A Z ( x a Z , y a Z ) , A 3 ( x a 3 , y 。 3 ) ; 这时取 A 代 ( x a 代 , 夕 a 代 ) , x 讯 = ( x a l + x a Z ) / 2 ; 夕 a 代 = (夕 : l + 夕 a : ) / 2 . 当扫描 B 行 时 , 得 到 B : ( x b l , 夕b l ) , B Z ( x 。 2 , y b J , B 3 ( x b 3沙 、 3) , B 4 ( x b 4 , 夕b 4 )取 B 代 ( x b 代 , 夕b 代 )其 中x b 代 二 ( x b Z+ x b : ) / 2 , 夕b 代 = (夕b Z + 夕b: ) / 2 ; 且 用 B 代替 换 A 代 . 依此 扫描到 重新 得到 两个边缘 点 为止 , 近 似后 的钢坯形 状如 图 (3 ) 所 示 . 对于个别 外部 干扰 造成 的坯值 采 用最小 二乘法 加 以滤 除 . 可 以 认 为每行 扫描 间隔小于 10 1ll m , 且 每 3 个 同侧 边缘 点可 近似 呈 一直 线 . 妙 几 .B 六仲 B B A : A 代 儿又 J浅 图 2 鱼尾状 带钢头部 图 3 近似带 钢头 部 lgF . 2 F i s h at il s h a pe o f t h e h e a d s川p 瑰 . 3 5 1而l a r h e a d s h a eP 在 实验 室 中 , 采 用 下 置 灯 光 箱 代 替 热钢 坯 辐 射 光 源 , 用 纸 板 代 替 钢 坯 . 在 摄 像 机 单 行扫描 实验 中 , 选用 凹 形 纸板 . 在实 验条件 下系 统最大 相对测量 误 差小于 0 . 1% . (下 转 28 8 页 )
…288 北京科技大学学报 1994年No.3 5结束语 本文推导了多变量预测前馈补偿解耦动态矩阵控制算法，并用线性时不变原理把该算法 中需求解2m元的线性方程组转化为只需求解二元一次方程问题，使计算大为简化.实时控 制表明，该算法对多变量系统是有效的，进一步推广该算法的应用是十分有意义的， 参考文献 1 Culter C R.Ramaker B L.Dynamic Matrix Control a Computer Control Algorithm,JACC WP5-B. San Francisco,1980 2刘晨晖·多变量过程控制系统解耦理论·北京：水利电力出版社，984 3谢剑英，微型计算机控制技术.北京：国防工业出版社，1985 4舒迪前.自适应控制.沈阳：东北大学出版社，1993 个个个个个个心个0个0"个个个个个0个个个个0个00个个个个个个个个个个个个 (上接282页) 改用舌形板作为模型时，在板上均匀刻度，每向前运动一个刻度，摄像机采样一次· 3结论 本系统实验室测量精度足以满足要求，方法切实可行·当要实际用于工业现场时， 还会有很多问题，如工业干扰、电源波动、机械振动、油水雾汽、粉尘等等，这些问题 有待进一步解决· 参考文献 1王以铭，电荷耦合器件原理与应用，北京：科学出版社，1987：81~138 2 Terry J.The Clip 7A Image Process.IEEE Transactions on Pattern and Machine Inteligence, 1988,10(3):407~410
2 8 8 北 京 科 技 大 学 学 报 1哭岭 年 N 6 . 3 5 结 束语 本文 推 导 了多 变量 预测 前馈 补偿解祸 动态矩 阵控制算 法 , 并 用线性 时不 变原理 把 该算法 中需 求解 2。 元 的线性 方 程组转 化 为只需求解 二元一 次方程 问题 , 使 计算 大 为 简 化 . 实 时控 制 表 明 , 该算 法对多 变量 系 统是有 效 的 , 进一步 推广该算法 的应 用是十分 有意 义 的 . 参 考 文 献 C川 t e r C R , R ~ 水e r B L . 功租而C M a tr i x C b n it O l a 肋m P u et r 肋 n tDI I A」即巧山队 JA C C WP S -B . S an F r a n c 巧 c o , 1980 刘晨 晖 . 多变量过程控制系统解祸理论 . 北京 : 水利电力 出版社 , 19 84 谢剑英 . 微 型计算机 控制技术 . 北京 : 国 防工 业 出版社 , 19 85 舒迪前 . 自适应控制 . 沈 阳: 东北大学出 版社 , 19 3 (上 接 28 2页 ) 改用 舌 形 板 作 为 模 型 时 , 在 板 上 均 匀 刻 度 , 每 向 前运 动一 个 刻度 , 摄 像 机采 样一次 3 结 论 本 系 统 实验室 测 量 精 度 足 以 满 足 要 求 , 方 法 切 实 可 行 . 当要 实 际用 于 工 业 现 场 时 , 还 会有 很 多 问题 , 如 工 业 干 扰 、 电源 波 动 、 机械 振动 、 油 水雾 汽 、 粉 尘 等 等 . 这些 问题 有 待 进 一 步 解 决 . 参 考 文 献 王 以 铭 介卿 J . 电荷藕合 器件 原理 与 应 用 . 北京: 科 学 出版社 , 19 87 : 81 一 138 T h e C li P 7 A Ima g e P r o ce s s . I E E E T r a ns a e t i o ns o n P a t t e nr a n d M a e址ne nI et ilg 即戊 198 8 , 10 ( 3 ) : 4 07 一 4 10
