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，1987o 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