张培培　吕震宇　赵爽　吴红霞

摘要：针对带钢表面缺陷检测系统的速度滞后，精度偏低等问题，在分析成像理论和图像检测理论的基础上，设计并实现了一种带钢表面缺陷高速高精度在线检测系统，该系统首先采用大功率半导体均匀发光激光器技术、高速线扫描成像技术和基于图形处理器的Gabor纹理滤波技术实现了高速高分辨率的图像采集和处理，然后采用基于嵌套循环的K-折交叉验证、信息增益率和BP神经网络方法构建了高准确率的分类器，以达到对带钢表面缺陷高速高精度在线检测，实验结果表明，该系统满足了现有带钢生产速度的要求，具有较高的精度和准确率。

关键词：图像采集和处理；图像检测；Gabor纹理滤波；神经网络

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.009

中图分类号：TPl83；TP391.4

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0044-06

0.引言

钢铁企业为了提高竞争力，对带钢的生产提出了新的要求，也对带钢表面检测系统提出了更高的要求，既要有更高的检测速度还要有更加准确的检测精度，而与此同时，跟随机器视觉技术的发展，带钢表面检测系统也得到了广泛的研究与应用，主要研究包括：①光源技术，由于带钢检测对光源要求频度高、体积小，这限制了传统光源在其应用，激光具有方向性好、亮度高、体积小等优点，被广泛应用于带钢检测应用中，国内的徐科等提出热轧钢检测中用绿光作为激光光源，但激光照明需解决均匀性问题.②扫描技术，由于电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）能够实现实时检测，成为目前研究和应用的主流技术，但是，CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢，而互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多，③图像处理算法，受限于带钢加工过程的特性，带钢表面呈现出随机纹理的特点，对于随机纹理图像的处理分析，目前常用的方法有共生矩阵法、频域滤波法、分形法等，作为频域滤波法的代表，二维Gabor滤波器有着与生物视觉系统相近的特点，广泛应用于纹理图像的处理分析，但是，CPU很难满足现在的带钢检测的实时要求，④分类算法，特征选择的主流算法是主成分分析和信息增益，主成分分析存在特征向量方向不一致的问题，而且如何确定主成分存在主观性，信息增益可以衡量特征的優劣，利用它可对特征进行排序，方便后面的特征选择，但信息增益适用于离散特征，信息增益率既适用于离散特征也适用于连续特征，被广泛应用于特征选择的过程中，图像分类算法主流算法包括支持向量机和BP神经网络，支持向量机不适用于大样本的分类问题，BP神经网络方法具有能够解决非线性分类问题，对噪声不敏感等优点，被广泛应用于带钢检测中，如王成明等提出的基于BP神经网络的带钢表面质量检测方法等，但是BP神经网络的超参的设定往往具有随机性，这严重影响了分类效果。

本文首先介绍了带钢表面缺陷高速高分辨率成像系统的设计，针对光源的不均匀性、图像处理速度慢等问题，提出改进方法，然后介绍了分类器的构建，针对样本划分的随机性、特征选择的随机性以及BP神经网络超参设定的随机性问题，做出改进，最后介绍试验结果。

1.带钢表面缺陷高速高分辨率的成像系统的设计

1）大功率半导体均匀发光激光器技术，激光能够保证带钢表面缺陷的检出率，本系统选用808mm半导体激光器作为照明源，出光功率可达30w，亮度可达1500流明，激光照明需解决均匀性的问题，本文采用了基于鲍威尔棱镜的激光线发生办法，解决了激光照明的均匀性问题，其光路如图1所示。

该方法首先在激光聚焦位置放置圆形球面透镜，负责将发散的激光束汇聚成准平行光，同时控制光柱的粗细，然后，利用鲍威尔棱镜的扩散效果对圆柱的一个方向进行扩束，最终形成激光线，为保证亮度及宽度的适应性，激光器出光口距离圆透镜、鲍威尔棱镜的距离可以精密调整，为了降低反射亮度损失，在透镜表面镀上808±5nm的T≥99%的增透膜。

GPU的算法分为两个流程：训练过程主要针对无缺陷图像进行，通过训练完成纹理图像的背景建模，一方面消除背景变化带来的干扰，另一方面形成有效的Gabor卷积参数，以便在检测过程中得到最优的检出效果.检测过程对实际拍摄的缺陷图像进行分析，首先按照GPU的核心数和缓存大小对图像进行分解，本文所有GPU的核心数为1024，显存2G，因此将原始图像分解为1000块，分别加载到1000个核心中，同时并发运行卷积运算.最后将各个窗口的卷积结果合并到一起，得到完成的滤波结果，最后借助于背景模式，将背景的干扰消除，得到干净的缺陷区域。

3）成像系统，根据缺陷检测的精度要求（1800m/min的检测速度，0.25mm的精度），带钢的规格要求（1900 mm规格），对带钢进行成像系统设计，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的成像芯片具有速度快，用电低等优势，选用两个4K线扫描CMOS相机作为成像核心器件，选用Camera Link Full接口作为数据输出，两个4K扫描中间重叠100mm作为图像拼接区，两组线激光光源与线扫描组成系统的主要成像模块，成像系统结构如图3所示。

2.构建分类器

检测缺陷类别及其特征描述如表1所示：

1）训练集和样本集划分.主要缺陷类别有5个，每个类别收集样本7000，共计35000个样本，为了避免训练集和样本集划分的盲目性，采用10一折交叉验证的方式划分训练集和测试集，即将样本集分成10份，从中选1份为测试集，剩下的为训练集，如图4所示，究竟选择哪一份作为测试集，需在后面的嵌套循环中实现。

2）特征选择，缺陷区域的长度、宽度、面积、区域对比度等共计138个特征形成初始特征集合，利用信息增益率来对各个特征排序。

上述各循环组合在一起就是一个嵌套循环，其N-S盒图如图5所示，最外层是测试集和训练集的10折交叉验证，第1层是确定最优的特征数，第3层是确定最优的隐含层节点数，第4、5层是确定最优的输入层和隐含层、隐含层和输出层的初始权值。

经以上循环，确定D3作为测试集，最优特征数为23个，最优的隐含层节点数是46个，同时也确定了最优的初始权值，对应的3层BP神经网络的网络模型如图6所示。

3.实验结果

1）鲍威尔棱镜与柱透镜进行对比在实际工作距离1.5m处，采用0.1m为间隔使用光功率计测试光源功率，如图7所示，横轴为测试点，纵轴为测试点的光功率。实验表明，鲍威尔棱镜均匀性优于柱透镜。

2）Gabor滤波方法与其他方法比较将动态阈值法+Blob分析法（方法A）和灰度共生矩阵纹理背景消除法（方法B）两种方法与Gabor滤波方法进行比较，如图8所示.由于缺陷与背景灰度相近（图（a）），致使方法A缺陷丢失（图（b）），由于缺陷与背景纹理相近（图（d）），致使方法B产生噪声（图（e）），Gabor方法取得了不错的效果（图（e）、（图（f）））。

3）GPU与CPU比较以4096×4096的图像为例，选10幅有代表性图像，利用CPU（最新的intel◎i7-2600处理器，4核8线程，2.6GHz，内存8G）和GPU（nVidia◎GTX970，4G緩存显卡）进行Ga-bor运算，计算时间如表2所示，GPU计算效率明显优于CPU，其中CPU的平均耗时为290.4ms，而GPU的平均耗时为31.7ms。

4）检测效果在产线速度为1775m/min，最小检测缺陷的尺寸为0.25mm的检测系统中，对带钢的主要4种类型缺陷进行检测统计，检测结果如表3所示。

可计算出整体检出率99.9%，检测准确率99.4%。

4.结论

本文提出将基于鲍威尔棱镜的大功率激光器应用到光源的设计中，保证光源光照的均匀性；提出了新的带钢表面缺陷检测系统的成像系统结构设计，保证了快速、高精度的生成图像；提出了基于GPu的二维Gabor滤波图像处理的算法，满足了实时处理的要求；提出了基于嵌套循环的分类器择优算法，避免了样本集选择、特征选择和BP神经网络参数设定的盲目性。借助上述技术，系统实现了较好的效果，满足当前带钢生产的检测需求。