基于仿生视觉感知机理的金属板带表面缺陷在线检测方法研究

The surface defects on metal strips severely damage the corrosion resistance. Inparticular, the defeats of those applied for aerospace, shipbuilding and pressure vessel, will result in hazard. This project aims to develop an online defect detection approach inspired from a fly visual perception, which are more sensitive to moving target. This approach overcomes the limits of the traditional approaches on defect detection in the complicated environment. Mimicking compound eye mechanism, the following problems are solved: (1) the configuration and scheduling of the multi-sensors; (2) the compressing and fusion of the observed information;(3) the defect detection and enhancement of the high order neurons; (4) the defect identification method based on object characteristic information. The project will provide the supporting principle for the future practical application.

金属板带材表面缺陷既影响产品外观，更严重的是损害了产品的抗腐蚀、耐磨、抗疲劳及电磁性能；特别在航空航天、压力容器等高端应用领域，金属板带材表面微小缺陷可能是酿成重大事故的隐患；然而因高速在线检测环境复杂多变，量测信号极易被噪声淹没，缺陷特征弱且难以表征，致使现有视觉在线检测方法检出率低、识别率低。为此，本项目针对高速轧制的金属板带表面缺陷在线精准检测难题，借鉴蝇视觉感知机理，拟建立一套复杂环境下的缺陷在线视觉检测方法：构建仿蝇复眼缺陷在线视觉检测系统，建立对象与传感器的观测模型，设计表面缺陷检测算法，进行缺陷检测性能评估。重点解决（1）仿复眼机制的多传感器配置与任务调度；（2）基于蝇视觉暗盒机制的观测信息的压缩传感和融合；（3）仿蝇视觉通路中高阶神经元信息缺陷特征检测与增强；（4）基于对象特征信息的缺陷辨识方法。为该技术在实际中的应用打下扎实的理论基础和实验验证准备工作。

针对金属板带材表面缺陷检测存在高速在线检测环境复杂多变、缺陷目标特征极易被噪声淹没、缺陷特征随机多变难以准确表征等问题，受蝇视觉感知与信息处理机理的启发，项目组围绕仿复眼观测系统的CCD阵列建模与调度、仿蝇视觉感知机理的信息获取与处理、基于特征建模与表征的缺陷检测与辨识以及金属带材视觉检测系统的软硬件设计等问题开展研究相关。以特定的高速轧制的金属板带（如冷轧钢板、铜带等）表面在线检测为背景，经过四年的攻关与研究，项目组基本建立了面向复杂环境的金属带材缺陷仿生检测的理论与方法，并成功搭建了一套金属带材在线视觉检测系统。.具体研究内容如下：①采用CCD阵列构建仿复眼观测系统，提出基于线性规划的状态受限条件下移动传感器的选择配置算法，解决移动多传感耦合及传感器模态与跟踪过程的耦合问题；设计自由移动多传感器分配、控制与跟踪算法，解决自由移动多传感器协作跟踪的控制问题。②模拟复眼角膜成像到大脑中心信息判断之间视觉神经通路的信息获取、压缩感知、融合机制，提出并构建具有自适应调节机制的多孔径信息获取与映射模式以及仿生高阶融合算法，改善缺陷异常检测算法对背景特征的敏感性，增强了检测算法对背景及噪声干扰的鲁棒性。借鉴蝇视觉系统的初级运动检测器原理，设计仿生非线性自适应滤波算法实现复杂背景下快速的小目标检测算法。③针对复杂背景环境干扰、弱小目标特征信息难以准确提取、缺陷特征随机性强难以辨识等问题，提出了基于奇异值不变性的缺陷检测算法，解决了缺陷检测的稳定性问题；提出基于随机及的多目标滤波检测算法解决了传感器相关性问题；提出基于粗糙集理论的缺陷辨识方法解决缺陷识别的特征简约问题。④根据金属带材表面缺陷检测的应用需求，利用现有的软件技术和硬件资源，综合考虑成本、扩展、升级、管理等多方面因素，实现了前端分离的分布式的金属带材在线视觉检测系统，并通过软件设计实现了检测系统的相关功能，并达到了要求的性能指标。.按照进度安排，项目组成员在国内外重要期刊和会议发表研究论文全文33篇；其中SCI收录7篇； EI收录20篇；撰写专著2部，编著1部；申请发明专利10项，授权6项；获计算机软件著作权6项。本项目的理论成果不仅实用于复杂工业环境下带材表面缺陷在线检测，而且还适用于工业环境下物品表面瑕疵定位、检测以及物品的几何尺寸测量；应用示范1项。