針對高速螺紋鋼表面缺陷檢測技術難題的研究報告

摘 要：針對高速螺紋鋼表面缺陷檢測技術難題，對螺紋鋼表面尺寸的視覺檢測方法進行研究。針對螺紋鋼外形結構尺寸復雜的特點，通過對螺紋鋼的側面圖像進行分析，獲得其邊緣圖像后，提出了基于投影重心的亞像素邊界定位方法，獲得螺紋鋼橫肋高及內徑的尺寸。通過分析螺紋鋼的正面圖像，獲得其邊緣圖像后進行垂直投影，求出螺紋鋼縱肋高度；在此基礎上，通過對重心遍歷，結合輪廓跟蹤處理，計算出橫肋與軸線夾角；結合與夾角的幾何關系，計算得出螺紋鋼橫肋間距、橫肋頂寬的尺寸。獲取的螺紋鋼表面結構尺寸為其缺陷檢測奠定了基礎。

螺紋鋼作為現代化生產中重要的工業材料，在建筑、機械、交通、運輸等行業都有著廣泛的應用。其表面橫肋、縱肋的相關尺寸如果不能達到國家標準的要求，將被視為尺寸缺陷，其產品肯定就是不合格的。隨著市場對螺紋鋼表面的質量要求越來越高，傳統的人工離線測量的方法已經不能夠滿足現代化生產線的要求，因此，各種非接觸的、無損傷的檢測方法得到了越來越多的開發和利用[1]。目前，廣泛使用的表面缺陷檢測技術有渦流、 超聲波、漏磁和磁粉等檢測方法[2]。這些檢測方法在螺紋鋼表面的尺寸缺陷檢測方面有很大的局限性，其存在檢測精度不足，直觀性差等缺點。因此，為了提高檢測精度，滿足不同尺寸的螺紋鋼的要求，螺紋鋼表面尺寸缺陷檢測應用更加精確、智能的機器視覺表面檢測系統[3,4]。

根據螺紋鋼尺寸國家標準的要求（GB 1499.2-2007），需要對螺紋鋼橫肋高及內徑、縱肋高度、橫肋與軸線夾角、橫肋間距和橫肋頂寬6個尺寸參數進行計算。

為了獲得橫肋、縱肋全部的尺寸信息，在螺紋鋼成像時需要分別獲得螺紋鋼側面和正面的圖像，且獲取的圖像范圍寬于螺紋鋼直徑。 要計算螺紋鋼表面尺寸，檢測螺紋鋼表面尺寸缺陷，首先要把螺紋鋼從背景中分割出來[5]，然后在螺紋鋼范圍內對表面尺寸進行計算求出。螺紋鋼外形結構復雜，需要測量的參數較多，其主要的外形尺寸有9個（如圖1所示），包括螺紋鋼橫肋高度、螺紋鋼內徑、縱肋高度、橫肋與軸線夾角、橫肋間距、橫肋頂寬、縱肋頂寬、縱肋斜角和橫肋斜角。為了便于計算各參數，需要對螺紋鋼的側面和正面圖像進行聯合處理[6,7]。

圖1 螺紋鋼的部分外形尺寸

基于以上情形，對復雜光照條件下螺紋鋼缺陷圖像的檢測方法進行研究。在獲得螺紋鋼側面、正面圖像后，先對螺紋鋼側面圖像進行處理，計算出螺紋鋼橫肋高及內徑的值；再對螺紋鋼正面圖像進行處理，得出螺紋鋼縱肋高度、橫肋與軸線夾角、橫肋間距、橫肋頂寬的值；從而為螺紋鋼表面尺寸缺陷的機器視覺檢測奠定了基礎。

1 螺紋鋼側面圖像處理

圖2 螺紋鋼部分側面處理圖像

從側面圖像2(a)中可以看出，由于其橫肋的均勻分布，二值化后的圖像邊緣呈現細小的鋸齒狀（如圖2(b)所示）。鋸齒頂部由橫肋頂部構成，而鋸齒底部為螺紋鋼的內徑邊緣。因此，要求橫肋的高和螺紋鋼的內徑，首先要精確定位鋸齒狀的邊緣。由于涉及到定位問題，在求取邊緣時精確性就很重要，因此，在二值化之前，首先對原始圖像進行中值濾波，剔除邊界噪聲，再使用OTSU進行分割。邊緣的獲取選擇了效果較好的Sobel算子，但是Sobel算子形成的邊緣較粗，定位性不好，還需要對其進行細化（如圖2(c)所示），以更能反映邊緣位置信息。圖2(d)是細化后的邊緣定位情況，可以看出其能比較準確的反映邊緣橫肋的分布情況。

螺紋鋼的邊緣圖像獲得以后，下一步就是進行肋高和內徑計算。一般說來，內徑就是兩條細化邊緣的內側最近距離，而橫肋高就是邊緣的橫向寬度。但是，由于數字圖像離散化后的精度缺失以及噪聲的影響，其邊緣鋸齒并不是等高的，如果直接遍歷橫向寬度容易形成誤差。鑒于此，本文提出了基于投影重心的亞像素邊界定位方法。