專利名稱：基于單步相移法的帶鋼平坦度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軋鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種帶鋼平坦度在線測量方法，以及具 體的實施方式。
背景技術(shù)：
在帶鋼軋制生產(chǎn)過程中，帶鋼的平坦度是重要的控制目標，直接影響帶鋼的最終 質(zhì)量，故在板帶軋機出口設(shè)置平坦度檢測裝置十分重要。傳統(tǒng)的非接觸式平坦度測量 以三角法、光切法和莫爾法為代表，但它們卻存在著不容忽視的缺點激光三角法原 理簡單，響應(yīng)速度快，在線數(shù)據(jù)處理容易實現(xiàn)，但帶鋼振動和飄擺給帶鋼纖維長度的 測量帶來了不確定誤差。光切法的優(yōu)點是包含有一定的帶鋼三維形狀信息，在某種程 度上避免了帶鋼垂直運動的影響，簡化了板形計算模型，使在線測量成為可能。但是 激光掃描需要大功率的激光器作光源，造價昂貴，安裝調(diào)試不便，并且強激光束對人 眼有危害。莫爾法可以實時地測量帶鋼形狀，通過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理可以克服帶鋼跳動 和搖擺對板形測量的影響，但在實際測量中需要一個較大的矩形耐熱格柵，格柵的加 工、耐熱、變形以及靠近被測熱軋帶鋼的安裝問題都妨礙了系統(tǒng)的可靠性，而且成本 極高。
相位測量法以測量投影到物體上的變形光柵像的相位為基礎(chǔ)，通過相位與高度的 映射關(guān)系得到被測物體的三維輪廓，具有較高的靈敏度。相位測量法的基本思想是將 正弦光柵條紋投射到被測物表面，從另一角度可以觀察到由于受物體高度的調(diào)制而變 形的條紋，這種變形可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號。釆集變形條紋并 對其進行解調(diào)，恢復(fù)出代表物體高度的相位信息，再經(jīng)過相位展開和幾何計算就可以 獲得被測物體形面的三維幾何信息。因為相位測量法是直接采集被測物體表面上變形 光柵的圖像，充分利用了物體表面的信息，變形光柵圖像中的每個像素都對應(yīng)著確定 的相位值和高度值等數(shù)據(jù)信息，因此具有測量速度快、精度高等特點。
求解相位是通過相位測量法獲取物體三維輪廓的關(guān)鍵，目前常用的求解相位方法 有三步相移、四步相移、五步相移和單步相移等，其中三步相移、四步相移、五步相 移法等都需要兩幅以上的圖像，數(shù)據(jù)采集量大，采集時間長，對那些具有速度要求的
場合不可能采集到足夠的數(shù)據(jù)，不適合于運動物體的測量。單步相移算法是將投影光柵線移動0° ，也就是不作相移(即單步)，但提取相位 時利用傳統(tǒng)的相移法提取技術(shù)。該方法只需采集一幅條紋圖，對于該條紋圖中的任意 一個像素點，把與它相鄰的像素的灰度值看成是該點的相位分別移動某一固定值的結(jié) 果，也就是將一幅圖拆分成幾幅相移圖，然后利用傳統(tǒng)的三步相移、四步相移、五步 相移等相位提取技術(shù)進行相位的求解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將相位測量法引入帶鋼平坦度的測量，提供了一種基于單步相移法的非接 觸式平坦度檢測方法，它屬于全場式三維測量方法，能有效克服帶鋼振動和飄擺對測 量造成的不良影響，與其它測量平坦度方法相比，能更準確地測量出帶鋼平坦度。
首先利用計算機程序編制正弦條紋圖像(灰度值按正弦規(guī)律變化)，將條紋圖像通 過DLP投影儀傾斜投影到帶鋼表面。若帶鋼有浪形，則帶鋼縱向纖維相對于參考平 面會發(fā)生偏移和扭曲，帶鋼表面的條紋也因而產(chǎn)生變形，所以變形條紋圖像中包含了 所有的板形特征信息。由垂直安裝在帶鋼中心側(cè)正上方的面陣CCD攝像機拍攝變形 條紋圖像，并將圖像保存于計算機中進行相位提取及去包裹處理。然后由變形條紋的 相位與鋼板表面高度的對應(yīng)關(guān)系求得鋼板上各點的高度值，最后由平坦度計算模型即 可計算出板形參數(shù)。
一種利用連續(xù)3個像素計算相位的方法，其計算原理如下。
利用軟件生成周期不同的正弦條紋，這樣在斜向投影時可通過調(diào)節(jié)條紋周期和 CCD成像透鏡使得CCD拍攝到的未變形的條紋周期大約為8個像素的大小。因此，
在垂直于條紋方向的直線上相鄰兩像素可認為有工的相移量。條紋的圖像光強分布可
4
表示為
/(" y) = 力+ C" J) cos(f / + 厶z)) (1)
4
式(3)中，/j分別為水平和垂直方向像素數(shù)；^a/)為背景光強，cay)為被測物表面
的光強；p(ZJ，z)為與像素位置和物體高度分布相關(guān)的變形條紋的相位。
假設(shè)S(/，力和C(/，/)在6像素范圍內(nèi)基本不變。則由式(l)可推導(dǎo)出提取相位的公
式
4 /(/，/) — /(/ +2, _/)
4式(2)提取相位的3個灰度數(shù)據(jù)取自連續(xù)6個像素范圍中的3個間隔位置。為了提
高空間分辨率，本發(fā)明推導(dǎo)出利用連續(xù)3個像素計算相位的公式
<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
式(5)是假設(shè)5(!'，力和C(!》')在3像素范圍內(nèi)基本不變的情況下得到的，此假設(shè)比
6像素法更為合理，空間分辨率比式(3)高出一倍。利用式(5)計算出的相位包括物體 相位、交叉光軸相位和部分頻率相位，其中后兩項并不表征物體表面的高度起伏信 息，對于給定的光學(xué)系統(tǒng)而言，它們是恒定的常量，因此，可以先測量一個標準平
面，將其作為系統(tǒng)的零分布，存儲其相位作為系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)p。(/，y'，》。在獲取被測 帶鋼的相位數(shù)據(jù)后，將其減去基本數(shù)據(jù)^(/,7',z)，即可得到單純的被測帶鋼的相位
〈曰息。
一種針對相位測量法的平坦度計算模型，其計算原理如下
帶鋼形成浪形的實質(zhì)是帶鋼橫向各點沿縱向產(chǎn)生不均勻延伸，所以平坦度可用帶 鋼縱向纖維的相對延伸來表示-
<formula>formula see original document page 5</formula>
式(4)中
;^點的相對延伸
丄/沿帶鋼寬度不同位置的縱向纖維長度
丄。:平直纖維的水平長度
考慮到實際測量中所得高度值z是離散采樣值^z,，&,5L z ，則被測纖維長度可 按下式計算-
^ 二I^(2,-Zw)2+"-x,")2 (一0,l,2,…,n) (5)
得到纖維長度后，再用式(4)計算帶鋼纖維的相對延伸，作為平坦度評價參數(shù)。 由式(5)可知，計算過程無需考慮時間因素和帶鋼瞬時速度值，只與測量點的三 維坐標值有關(guān)，因而可以有效避免由帶鋼速度測量偏差以及帶鋼運動所引起的測量本發(fā)明的有益效果是攝像機一次拍攝一組條紋圖像，纖維條上的測量點的數(shù)據(jù) 都是在同一時刻測得，不含有時間和帶鋼速度的因素，避免了帶鋼振動和飄擺以及帶 鋼速度對測量的干擾。由于投影正弦條紋的級數(shù)多，測量點數(shù)量遠遠多于其他平坦度 檢測方法，故在測量精度和靈敏度方面都有明顯提高，可以實現(xiàn)全場測量，具有精度 高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。
圖1為基于單步相移法的帶鋼平坦度測量方法結(jié)構(gòu)圖。圖1中，l.DLP(Digital Light Projector)投影儀，2.面陣CCD攝像機。
具體實施例方式
在圖1中，將DLP (1)傾斜安裝于帶鋼中心側(cè)上方，投影的角度和范圍可根據(jù) 實際情況進行適當調(diào)整。通常情況下，DLP (1)光軸及投影光切面的入射角度在20 。 50。范圍內(nèi)較為適宜。面陣CCD攝像機(2)的安裝高度與DLP (1)相同，光軸 垂直于帶鋼表面，在面陣CCD攝像機(2)前安裝濾光片，以濾除雜質(zhì)光源(如熱軋 板帶的近紅外光)。
DLP投影儀將軟件編制的正弦光柵條紋(灰度值按正弦規(guī)律分布)圖像傾斜投射 到帶鋼表面上，由垂直安裝在帶鋼中心側(cè)正上方的面陣CCD攝像機拍攝變形條紋圖 像，并將圖像保存于計算機中。根據(jù)式(5)進行相位提取及去包裹處理，從而得到包含 帶鋼三維輪廓信息的相位差值。
為了通過相位差必須進一步轉(zhuǎn)化為被測帶鋼的實際高度值，從而計算平坦度，這 就需要對系統(tǒng)進行標定。為計算方便，本發(fā)明采用參考平面作為世界坐標系的 X^-IV平面，攝像機光軸作為世界坐標系的Z^軸。被測帶鋼高度與相位差滿足關(guān)
系式-
1,a(X,力+ 6(X，力y^~^ (6)
由式(6)可以看出，只要確定出"(x，力、6(x,力這兩個參數(shù)，就能根據(jù)相位差得到 帶鋼任意位置的實際高度Z值，因此只要給出兩組不同的高度/z及其對應(yīng)的相位差即 可求出這兩個參數(shù)。具體標定時，利用相對于參考平面平行移動距離為&、 ^的兩個 標定平面來獲得標定數(shù)據(jù)，從而求得這兩個參數(shù)，建立起高度和相位差的映射關(guān)系。通過傳統(tǒng)的攝像機標定可以求得攝像機的投影矩陣M二
這樣就可以得到關(guān)于X『4,Z『的兩個線性方程組: <formula>formula see original document page 7</formula>(7)
通過已經(jīng)可以得到的任意點Z值，帶入方程組(7)即可求出該點對應(yīng)的實際坐標CT, 10。根據(jù)式(4)和式(5)，即可得到帶鋼平坦度的評價指標。
權(quán)利要求
1、一種基于單步相移法的帶鋼平坦度測量方法，其特征在于利用計算機產(chǎn)生正弦條紋圖像，灰度值按正弦規(guī)律變化，安裝于帶鋼中心側(cè)上方的DLP投影儀將條紋圖像傾斜投影到帶鋼表面，由垂直安裝在帶鋼中心側(cè)正上方的面陣CCD攝像機拍攝變形條紋圖像，并將圖像保存于計算機中進行相位提取，然后由變形條紋的相位與鋼板表面高度的對應(yīng)關(guān)系求得鋼板上各點的高度值，最后由平坦度計算模型即可計算出板形參數(shù)，所述的平坦度計算模型計算原理如下帶鋼形成浪形的實質(zhì)是帶鋼橫向各點沿縱向產(chǎn)生不均勻延伸，所以平坦度可用帶鋼縱向纖維的相對延伸來表示上式中ε(xj)xj點的相對延伸Lj沿帶鋼寬度不同位置的縱向纖維長度L0平直纖維的水平長度考慮到實際測量中所得高度值z是離散采樣值z0，z1，z2，z3L zn，則被測纖維長度得到纖維長度后，再用上式計算帶鋼纖維的相對延伸，作為平坦度評價參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明將相位測量法引入平坦度檢測領(lǐng)域，提供了一種基于單步相移法的帶鋼平坦度測量方法。首先利用計算機程序編制正弦條紋圖像，灰度值按正弦規(guī)律變化，將條紋圖像通過DLP投影儀傾斜投影到帶鋼表面。若帶鋼有浪形，則帶鋼縱向纖維相對于參考平面會發(fā)生偏移和扭曲，帶鋼表面的條紋也因而產(chǎn)生變形，所以變形條紋圖像中包含了所有的板形特征信息。采用CCD攝像頭垂直拍攝變形條紋，由條紋圖相位與鋼板表面高度的對應(yīng)關(guān)系求得鋼板上各點的高度值，最后由平坦度計算模型即可計算出平坦度參數(shù)。此測量方法屬于全場式三維測量方法，能克服帶鋼運動對測量造成的不良影響。
文檔編號G01B11/25GK101422787SQ20081023915
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者鵬 周, 張會彥, 科 徐, 楊朝林 申請人:北京科技大學(xué)