Tracking di prodotto di colata basato su immagini

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    Engineering

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  • Universit degli Studi di Trieste

    Dipartimento di Ingegneria e Architettura

    Corso di laurea triennale in Ingegneria dellInformazione

    Tesi di Laurea

    Tracking di prodotto di colatabasato su immagini

    Laureando:Denis RONCHESE

    Relatore:Prof. Felice Andrea PELLEGRINO

    Co-Relatore:Prof. Gianfranco FENU

    ANNO ACCADEMICO 2014-2015

  • Indice

    1 Introduzione 31.1 Principi della colata continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Le marche di oscillazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Tracking dei semilavorati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Problema ed obiettivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2 Digital Image Processing 112.1 Cenni introduttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Filtraggio lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.2.1 Correlazione e convoluzione . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Filtraggio non lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.1 Filtro mediano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.2 Filtro bilaterale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.3 Operatori morfologici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.4 Edge detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.1 Filtro di Sobel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.2 Algoritmo di Canny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.5 Analisi nel dominio della frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    3 Strategie di Feature Extraction 213.1 Inquadramento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Descrizione delle strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.2.1 Estrazione della frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.2 Ricostruzione sintetica da interpolazione . . . . . . . . . 243.2.3 Ridge detection con kernel anisotropico . . . . . . . . . . 25

    3.3 Analisi delle strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

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  • INDICE

    3.3.1 Estrazione della frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.2 Ricostruzione sintetica da interpolazione . . . . . . . . . 343.3.3 Ridge detection con kernel anisotropico . . . . . . . . . . 39

    4 Conclusioni 454.1 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.2 Sviluppi futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    Bibliografia 49

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  • Abstract

    La presente tesi propone unanalisi e uno studio di fattibilit di un problemadi tracking di prodotti di colata industriale, basato su particolari caratteristichesomatiche degli stessi, dette marche di oscillazione; lanalisi condotta attraversola formulazione di alcune strategie originali di feature extraction da immaginidigitali rappresentative del problema.

    Lelaborato offre, preventivamente alla presentazione delle strategie, una con-cisa descrizione dellambito industriale direttamente interessato e degli strumentiutilizzati per lelaborazione immagini.

    Da uno studio dei risultati ottenuti, si evidenzia la concreta possibilit che deifuturi miglioramenti alle strategie esposte, in combinazione ad ulteriori metodidi analisi del problema, possano permettere la realizzazione di un sistema ditracking in grado di sostituire lattuale tecnologia in uso.

  • 1 | Introduzione

    1.1 Principi della colata continua

    La colata continua un processo di produzione industriale grazie al qualevengono fabbricati semilavorati siderurgici tramite la solidificazione di metallofuso.

    Sir Henri Bessemer introdusse il primo modello nel 1856, nelle intenzioni dimigliorare la capacit produttiva dei processi a fusione, fino ad allora circoscrittialla sola colata in lingottiera, senza compromettere la qualit delloutput. Ilmodello in questione prevedeva il passaggio del metallo fuso attraverso due rullicontrorotanti raffreddati ad acqua; in successivi sviluppi, il materiale venivafatto colare preventivamente allinterno di una lingottiera verticale senza fondo,che permetteva di ottenere un prodotto di maggiore qualit, in termini diforma ed omogeneit di raffreddamento. Nella prima met del XIX secolo,Siegfried Junghans propose di applicare alla lingottiera un movimento oscillatorioverticale, nel tentativo di arginare il problema di aderenza del metallo in fase diraffreddamento, alle pareti della stessa.

    Ad oggi il processo di colata continua ha quasi completamente soppiantatogli altri metodi di produzione siderurgica, poich permette una produzionealtamente controllata tramite processi di automazione, ad una qualit superioreed a costi ridotti. I metalli maggiormente interessati a questo tipo di lavorazionesono lacciaio, lalluminio e il rame.

    In Fig. 1.1 viene illustrato il funzionamento di una macchina di colatamoderna: da una prima siviera, il metallo fuso in uscita dalle fornaci vieneportato nella siviera di colata, allinterno della quale il materiale si omogeneizzain temperatura e composizione, prima di uscire dallugello e cominciare il veroproprio processo di forma e raffreddamento. Il metallo liquido viene quindi fatto

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  • CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Figura 1.1: Struttura di una linea di colata.

    scorrere allinterno della lingottiera, di solito in rame raffreddata esternamentead acqua, percorrendo di fatto il primo stadio di raffreddamento: la lingottieraoscilla verticalmente per prevenire che il metallo, in fase di solidificazione,aderisca alle pareti. Dentro alla lingottiera, quindi, il materiale forma un primostrato solido a contatto con le pareti, mentre pi internamente le temperaturesono ancora elevate a sufficienza da preservare un nucleo di metallo fuso. Ilflusso in uscita dalla lingottiera entra in un secondo stadio di raffreddamento:una camera composta da rulli di supporto e movimento (anchessi raffreddatiad acqua), intervallati da sistemi a spray di acqua per continuare il processodi abbassamento di temperatura e solidificazione. La disposizione dei rulli disupporto pu variare da una guida totalmente verticale, ad unaltra caratterizzatada una curva, permettendo luscita in direzione orizzontale delloutput. Lultima

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  • 1.2. LE MARCHE DI OSCILLAZIONE

    fase del processo consiste in un tratto rettilineo di rulli di supporto per raffreddareulteriormente il materiale e rettificarlo prima che altri rulli di estrazione lo portinoal punto di taglio, presidiato solitamente da una sega circolare o da un cannelloossiacetilenico, producendo infine i semilavorati caratterizzati dalle lunghezzepredefinite. A questo punto ciascun prodotto viene marcato per lidentificazione eportato in un deposito di raffreddamento o direttamente in ingresso al successivostadio produttivo (e.g. laminazione).

    1.2 Le marche di oscillazione

    Una caratteristica comune a tutti i semilavorati prodotti per colata continua la presenza sulla loro superficie delle cosiddette marche di colata o marche dioscillazione, che, come suggerisce il nome stesso, sono causate dal movimentooscillatorio della lingottiera. Come si vede da Fig. 1.2, esse si manifestano comedelle depressioni sulla crosta del semilavorato, poste, per tutta la sua lunghezza,trasversalmente alla direzione di colata, di distanza reciproca, forma e profonditvariabili: marche doscillazione ideali sono perpendicolari alla direzione di colata,

    Figura 1.2: Le marche di colata in una billetta a sezione circolare.

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  • CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    di profondit costante e presenti periodicamente su tutta la superficie del pezzo,distanziate luna dallaltra di una lunghezza costante data dal rapporto trala velocit di colata e la frequenza di oscillazione della lingottiera. Esse sonoconsiderate come dei difetti di poco conto in termini di qualit superficialedel semilavorato, nonostante possano degenerare in problemi strutturali piimportanti, come crepe interne, che ne comprometterebbero il valore industriale;sono stati effettuati con successo, infatti, diversi studi sul profilo oscillatorio daapplicare alla lingottiera per limitarne le conseguenze sul materiale colato, mala loro descrizione esula dal problema del seguente elaborato.

    A partire dal comportamento del menisco, lestremit della conca superfi-ciale del metallo fuso formatasi per tensione superficiale (essendo un liquido)e solidificatosi per contatto alla parete della lingottiera, si possono osservaretre differenti modi di generazione delle marche di oscillazione: per overflow, peroverflow con rifusione e per ripiegamento del menisco.

    Figura 1.3: Formazione delle marche di oscillazione: A) overflow, B) overflowcon rifusione e C) ripiegamento del menisco.

    Come si gi detto, la lingottiera viene fatta oscillare verticalmente perprevenire che il materiale in raffreddamento si attacchi alle pareti della stessa:durante il negative strip time di ogni periodo di oscillazione, ovvero il momentoin cui la lingottiera ha una velocit di spostamento verso il basso superiore allavelocit di colata, il nuovo metallo fuso immesso dalla siviera di colata spinto ariempire lo spazio di aria fra la superficie solida e la parete, andatosi a creare per

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  • 1.3. TRACKING DEI SEMILAVORATI

    contrazione termica del metallo raffreddato e per la forma rientrante caratteristicadel menisco solido. Le marche quindi si generano perch il metallo fuso appenacolato strabocca (overflow), superando il menisco appena solidificatosi, nonriuscendo per a colmare completamente il gap daria descritto precedentemente,solidificandosi prima (Fig. 1.3A).

    Talvolta pu capitare che il menisco, precedentemente raffreddato, raggiungadi nuovo la temperatura di fusione per mezzo del metallo liquido con il quale a contatto: si ha quindi la formazione di una marca di colata per overflow conrifusione (Fig. 1.3B), dove si va a p