Разработка алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы

Одним из важнейших этапов производства проката является удаление окалины с поверхности стальной горячекатаной полосы, которое выполняется сегодня на большинстве металлургических предприятий с помощью непрерывных травильных агрегатов (HTA). Контроль качества поверхности полосы, поступившей с выхода HTA, осуществляется в настоящее время обычно человеком визуально, со всеми присущими ему недостатками. В результате необнаруженные дефекты проявляются на следующих переделах и ведут как к сбоям технологии, так и переходят на конечный продукт, отгружаемый потребителю.

Одним из наиболее перспективных путей решения рассматриваемой проблемы является использование оптико-электронных систем, построенных на базе ПЗС датчиков. В то же время создание алгоритмического и программного обеспечения таких систем контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, существенная неоднородность фона не позволяет использовать известные методики обнаружения и классификации поверхностных дефектов. Во-вторых, многообразие причин появления дефектов на готовом прокате привело к многообразию самих дефектов, их размеров, форм и т. п. Так, справочники заводов дают от 120 до 150 различных способов классификации дефектов[54]. В-третьих, движение объекта контроля предъявляет повышенные требования к уровню вычислительных затрат и программной реализации алгоритмов. Следует также отметить, что имеющие место на настоящий момент публикации в области обнаружения и классификации поверхностных дефектов касаются, как правило, контроля поверхности стальной холоднокатаной полосы, носят, в основном, рекламный характер и не раскрывают сути предложенных решений.

В этой связи проблема создания автоматизированных оптико-электронных систем контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA представляется весьма актуальной.

Целью данной диссертационной работы является разработка алгоритмического и программного обеспечения системы оптико-электронного контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA, обеспечивающей обнаружение и классификацию поверхностных дефектов с высокими показателями надежности.

Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решаются следующие основные задачи:

1. Анализ современного состояния проблемы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы, методов и алгоритмов выявления и классификации поверхностных дефектов, основанных на технологии обработки изображений.

2. Разработка математической модели изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA.

3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения этапов обнаружения и классификации поверхностных дефектов.

4. Разработка и исследование экспериментальной автоматизированной установки оптико-электронного контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA.

Для решения поставленных в работе задач использован аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории случайных полей, теории распознавания образов, обработки и анализа растровых полутоновых изображений, теории методов статистического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. На основе Гиббсовского подхода к описанию дискретных случайных полей создана двухуровневая математическая модель изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA, на верхнем уровне которой изображение моделируется в виде комбинации меток бездефектных и дефектных областей, на нижнем уровне для представления изображения каждой из областей используется модель текстур.

2. Разработан алгоритм сегментации изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на бездефектные и дефектные области, основанный на предложенном описании изображения и упрощенном анализе коррелированности соседних уровней яркости, обеспечивающий высокие показатели надежности обнаружения дефектов по всей области контроля в условиях неоднородного фона в реальном режиме времени.

3. Разработан алгоритм сегментации границ дефектных областей, основанный на использовании нейросетевого классификатора и обеспечивающий эффективное нахождение границ дефектов в условиях существенной неоднородности динамического фона, характерного для изображений стальной горячекатаной полосы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Создано алгоритмическое и программное обеспечение процедуры имитационного моделирования изображения, позволяющее синтезировать изображения поверхности стальной горячекатаной полосы с различными типами дефектных областей.

2. Предложена методика и создано программное обеспечение для расчета параметров Гиббсовского распределения уровней яркости бездефектных и дефектных областей на изображении поверхности стальной горячекатаной полосы. Рассчитаны параметры распределения уровней яркости для изображений наиболее часто встречающихся поверхностных дефектов.

3. Создано алгоритмическое и программное обеспечение для проверки надежности предложенных алгоритмов, а также оптимизации последних в рамках решения задачи контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA.

4. Описаны признаки дефектов поверхности стальной горячекатаной полосы, даны рекомендации по выбору параметров нейронной сети, используемой в качестве классификатора при распознавании дефектов поверхности стальной горячекатаной полосы.

5. Полученные результаты использованы при проектировании автоматизированной оптико-электронной системы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA, разрабатываемой Череповецким научным координационным центром РАН для ОАО «Северсталь».

6. Результаты исследований используются в учебном процессе в Череповецком филиале Санкт-Петербургского государственного университета в курсе «Структуры и алгоритмы обработки данных в ЭВМ» для специальности 220 400-" Программное обеспечение ВТ и АС" .

Основные результаты работы докладывались на 4 научно-технических конференциях, по материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы.

В структурном отношении работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы и одного из перспективных путей ее решения при помощи оптико-электронных систем контроля на базе ПЗС датчиков. Описаны особенности формирования изображений полосы в таких системах, установленных на выходе HTA. Приведены классификация и описание дефектов исследуемой поверхности. Рассмотрены существующие методы и алгоритмы обнаружения и классификации поверхностных дефектов на металлических поверхностях, выполнена оценка возможности их применения при разработке оптико-электронной системы.

Вторая глава содержит описание двухуровневой математической модели изображения поверхности стальной горячекатаной полосы, в основе которой лежит использование теории случайных полей. Рассмотрены техника текстурного анализа и алгоритмы сегментации изображений поверхности на дефектные и бездефектные области. Описана процедура оценки параметров модели текстур дефектных и бездефектных областей поверхности. Рассмотрен алгоритм синтеза изображений поверхности стальной горячекатаной полосы.

В третьей главе выполнена экспериментальная оценка эффективности известных методов обнаружения границ. Предложен алгоритм сегментации изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на бездефектные и дефектные области, основанный на упрощенном анализе коррелированности соседних уровней яркости. Предложен алгоритм сегментации границ дефектных областей, основанный на использовании нейросетевого классификатора и обеспечивающий эффективное нахождение границ дефектов в условиях существенной неоднородности динамического фона, характерного для изображений стальной горячекатаной полосы. Разработан алгоритм распознавания поверхностных дефектов стальной горячекатаной полосы на основе параметрического подхода и нейросетевого классификатора.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию разработанных методик и алгоритмов. Выполнена оценка параметров Гиббсовского распределения уровней яркости для бездефектных и наиболее распространенных дефектных областей поверхности. На их основе осуществлен синтез изображений поверхности стальной горячекатаной полосы. Разработана и описана экспериментальная оптико-электронная установка. Экспериментально подтверждена возможность применения предложенных алгоритмов для решения проблемы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA. Рассмотрены перспективы развития оптико-электронной системы обнаружения и классификации поверхностных дефектов стальной горячекатаной полосы.

В приложении приведены:

1. программные модули синтеза изображений поверхности стальной горячекатаной полосы;

2. программные модули алгоритма обнаружения поверхностных дефектов;

3. программный модуль, реализующий нейронные сети, применяемые для решения задач сегментации границ и классификации поверхностных дефектов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель изображения поверхности стальной горячекатаной полосы, построенная на основе теории Гиббсовских случайных полей.

2. Алгоритм сегментации изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на бездефектные и дефектные области, основанный на анализе коррелированности соседних уровней яркости.

3. Алгоритм сегментации границ дефектных областей на изображении поверхности стальной горячекатаной полосы, основанный на использовании параметрического подхода и нейроклассификатора.

Выводы по главе 4.

1. Разработано программное обеспечение для исследования модели изображения поверхности стальной горячекатаной полосы, позволяющее производить сегментацию изображения на бездефектные и дефектные областиоценивать параметры распределения Гиббса для сегментированных областей изображениясинтезировать изображения поверхности стальной горячекатаной полосы, как без присутствия дефектов, так и с их присутствием.

2. Получены векторы параметров для бездефектных и дефектных областей текстуры. Проведен синтез изображений поверхности стальной горячекатаной полосы, на основе использования полученных параметров Гиббсовского распределения.

3. Разработана экспериментальная оптико-электронная установка, включающая видеодатчик, источник освещения, персональный компьютер, а также соответствующее программное обеспечение позволяющее вводить изображение, сохранять на диск в виде растровых изображений, АУ1-файлов.

4. Выбрана оптическая схема и ее параметры.

5. Экспериментально подвержена возможность применения предложенных алгоритмов при контроле качества поверхности стальной горячекатаной полосы.

6. Рассмотрены области использования и перспективы развития оптико-электронных систем выявления поверхностных дефектов.

Заключение

.

В диссертационной работе разработано алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы, обеспечивающей выявление и классификацию поверхностных дефектов, отличающейся от известных аналогов возможностью осуществления контроля в условиях неоднородного фона в режиме реального времени, более высокими техническими характеристиками, удобством при эксплуатации за счет использования малого количества настроечных параметров, а также новой методики обнаружения дефектный областей и сегментации их границ.

Наиболее существенные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основе Гиббсовского подхода к описанию дискретных случайных полей создана двухуровневая математическая модель изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на выходе HTA, на верхнем уровне которой изображение моделируется в виде комбинации меток бездефектных и дефектных областей, на нижнем уровне для представления изображения каждой из областей используется модель текстур.

2. Разработан алгоритм сегментации изображения поверхности стальной горячекатаной полосы на бездефектные и дефектные области, основанный на предложенном описании изображения и упрощенном анализе коррелированности соседних уровней яркости, обеспечивающий высокие показатели надежности обнаружения дефектов по всей области контроля в условиях неоднородного фона в реальном режиме времени.

3. Разработан алгоритм сегментации границ дефектных областей на изображении поверхности стальной горячекатаной полосы, отличающейся существенной неоднородностью динамически меняющегося фона, основанный на использовании нейроклассификатора.

4. Создано алгоритмическое и программное обеспечение процедуры имитационного моделирования изображения, позволяющее синтезировать изображения поверхности стальной горячекатаной полосы с различными типами дефектных областей.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для проверки надежности предложенных алгоритмов, а также оптимизации последних в рамках решения задачи контроля качества поверхности стальной горячекатаной полосы.

6. Разработана экспериментальная оптико-электронная установка, включающая блок видеокамер, осветители, ПК и соответствующее программное обеспечение, позволяющее проводить обнаружение поверхностных дефектов и их распознавание.

7. Программно реализована методика и алгоритм нахождения параметров Гиббсовского распределения, используемых при моделировании текстур.

8. Проведен сравнительный анализ существующих детекторов для изображений стальной горячекатаной полосы.

9. Даны практические рекомендации по выбору параметров нейронных сетей, используемых для сегментации перепадов яркости.

10. Результаты исследований используются в учебном процессе в Череповецком филиале Санкт-Петербургского государственного университета в курсе «Структуры и алгоритмы обработки данных в ЭВМ» для специальности 220 400-" Программное обеспечение ВТ и АС" .