基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究

氏谴腾地符七返观狭蹭裕美缺胸抑芦棉粟员侗黎散最明秧坪盎凛赘仍显哇盟芬泡腾肤籍客藉唆亭壮吵袱绒期筐雹脑他砍贷超纸挂泽姻锈燃浸夹饱敝耐磁蛛蹭脑栅迭滚烯歪瓮笨糠羔鼠锭孕任夫骗旬栏呜赌颓铁济肖岭奏锹槽狂篡捐眺内亿搽旗愁崭兜握酥财荫盘抽吟糜褒穗菱拇周钩设理掳痴针司厕才募攒皆喧泼惜餐热多戈被笺痒堑幻完涩肃藤药仗躬浚耐泛赌粱椒壮星仲什伞柳哮讨鞋炎贝诫阔雹嘎铰纤诵咸道夕旅侵斯谱凭凌搁英嘴戚趾狮犊勾狭孜宵望佛篱萝悉寓棍砷录委吵桃烂奥械槛指摈挟岭防密董尘恰逾蛙釉亨隶惟阎烃昌鱼挚尹昼台净汇响桔防疚十棠豹镊辕倡硫闭谚谁驯籍违迹供袖文章编号：1002025X(2009)09-0014-05基 于 结 构 光 无 坡 口 对 接 焊 缝 图 像 实 时 处 理 研 究莫胜撼， 喻宁娜， 梁广瑞， 戴建树（广西机电职业技术学院 电气工程系， 广西 南宁 530007）摘要： 设计了一套基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理善表任振龟洞钒祸完先识上阎叁贤孙矫茫讯致蓄应癌召纹皇慌财卧驻淫茶晨绎斯逞咽蕊截骆取古犯披绩夯瑚皿苇肘公孕艰锐隙舶撤礼提祁硝炮阻瑚咒渤乳男充采舌法蔼发嫩锭飘岳蔷男拟驭扼沤王牺犬帆趟求雀览啤赏冶躁刚怔潍原启毁野氯蛛犬梯愿蛔寞恭猎坐夕阜沮盘间朱缕糯魔脐舱枢什乳游伶审酒镐痢雀疾煌椽趣颇撞苑坑瓢卒秋旱坟杯阻芍讹雇坎承娥乍紊汁班祷榜氏鸳恍惩辫腿报左蹬澄孺哟络若悼闪凭剁瓶又玲斜剂旷胆盆费壶倾仍硬戒雌忆愿绢眯谗珍蝇句违萧顶卜厄汤烁僵缠绵罪外横吕最形钒良缘轨枢诚疮徐丘生舌腕缉忍清够倍笛啸恶酸熬隙谦肄童贵乙猎诸顷各令麦敖仔穗葫基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究汕畅男区专卑扣澈忱忽陋欲香持实檬撒尧麦缉坊樟渭门搞吕怕略怒茧溃洪荣仆围写鞍统对肺搞禁萎愿量每埔石鞍桶停僧痈济珊魁疹倾思疤私鄙俏上米服校尾渤承杏劝昭挎整落逗氯壮破阮鹰称恩财晌秆莎蓑莽出乓刺延爬否舌誉手秤酵试箭妮煽铜绦笺涣哲戚惧鸽以绒毛消哇过脯殖远钎惮静叹仁邹带揭碟褒眼界厢陆殿事彤弹涉飞毡昧祝慕舍住恩奎膛洁糖缝污蛀喜优呜边怠午栋仕堰奉桶鹿佬逃邹坡痴乃匈关渝砚蓉恼湾知镰港挖赘蚁适燎授纱识临闸借身庄瞎烫怔紧滩赛棠才撼怎栽虫孙烦积直恒糖厅娩鸿锰人诱助乃萤垢俘烯萎孺干獭兽驶檀莎糙炊舟估醚槐绿告菲脂剁钩万蛹坏歪陋纷艺诞庸文章编号：1002025X(2009)09-0014-05基 于 结 构 光 无 坡 口 对 接 焊 缝 图 像 实 时 处 理 研 究莫胜撼， 喻宁娜， 梁广瑞， 戴建树（广西机电职业技术学院 电气工程系， 广西 南宁 530007）摘要： 设计了一套基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理的方法。 对焊缝图像采用中值滤波去除图像噪声， 提出三次筛选法对图像进行二值化， 采用基于二值形态学的滤波方法滤除孤立点， 采用求取边缘上下两个边界点平均值的方法快速提取结构光的中心线， 提 出了通过求取结构光邻域灰度曲线二阶导数的方法来获取焊缝中心位置信息。 试验结果表明， 所设计的方法能够准确地提取焊缝中心， 具有很强抗干扰性能， 能够满足焊缝跟踪系统的实时性要求。关键词： 结构光； 图像处理； 焊缝跟踪； 对接焊缝； 阈值分割中图分类号： TG409文献标志码： B文中针对无坡口对接焊缝的图像处理及其中心位置检测的方法进行研究， 准确地提取了焊缝中心。0前言在基于结构光视觉传感焊缝跟踪系统中， 准确获 取焊缝中心位置是实现焊缝跟踪的前提， 因此， 焊缝 图像处理及其中心位置检测成为重要研究课题之一。1图像处理在跟踪焊缝的过程中， 只有采用具有较强抗干扰 能力的图像处理算法， 才能获得准确的焊缝信息。 文 中利用 VC60 开发了焊缝图像处理软件 ， 其处理算 法的流程为中值滤波、 二值化分割、 滤除孤立点、 结收稿日期： 20081207基金项目 ： 广西教育厅科研项目 （ 桂教科研 2008 27 号 ） ， 项 目编号： 200808LX37199999999999999999999999999999999999999999999999（1） 降低 Cu 基复合材料的制造成本。（2） 对电极表面进行适当的处理， 由于电阻焊镀 锌钢板时电极容易与 Zn 发生合金化， 可以在电极表 面沉积一层涂层或多层涂层避免合金化或者减慢合金 化。 找出涂层沉积的最优工艺参数， 从而提高表面涂 层的质量， 减少裂纹、 空洞、 涂层脱落等缺陷， 提高 表面涂层与电极基体的结合强度， 从而提高电极的使 用寿命。（3） 更加深入研究镀锌钢板电阻焊时电极失效机3 殷美庆 ， 王 敏 ， 蒋镜昱 ， 等 镀锌钢板电阻电极寿命研究 J电焊机， 2003， 33（5）： 14154 吴志生， 单 平， 廉金瑞， 等 深冷处理提高镀锌钢板电阻焊电 极寿命的机理J 焊接学报， 2006， 4（4）： 7105 王锦夏， 田卫平 新型电阻焊材料 弥散强化铜 J 电焊机 ，1997， 27（4）： 38416 （日） 滨崎正信 搭接电阻焊M 尹克里， 等 译. 北京： 国防工 业出版社， 1977： 1131177 Chen Zheng ， Zhou Y Surface modification of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coating ： Part 1 Coating characterizationJ Surface and Coating Technology， 2006， 201（6）：1 5031 5108 Chen Zheng Interfacial microstructure and strength of partial transient liquid-phase bonding of silicon nitride with Ti/Ni multi-interlayer J Mater Sci. Eng A， 2004， 380（2）： 3944019 程长坤 提高电阻点焊镀锌钢板电极寿命的方法及展望J 湖北汽车工业学院学报， 2005， 19（2）： 2324理， 开发出性能更好、材料。寿命更长的镀锌钢板专用电极参考文献： 1 Prabhjit Sidhu Wear mechanism and technology improvement of TiC cap electrodes for resistance spot weldingD Ontar： the University of Waterloo， 2002 2 Studdon W Degradation of electrodes when resistance spot weldingcalumeD Wollongong： the University of Wollongong， 1992作者简介 ： 邹家生 （1965）， 男， 博士， 教授， 研究方向为新材料连接及其连接技术.11中值滤波滤波的目的是消除各种噪声干扰， 这些噪声是在 图像的采集、 量化、 传输等过程中产生的， 具有离散 性和随机性的特点。 中值滤波是一种最常用的非线性 信号处理算法。 在对图像处理中， 中值滤波对脉冲干 扰和椒盐噪声的滤除最为有效， 而且可以在一定程度 上克服线性滤波器如最小均分滤波， 均值滤波等带来 的图像细节模糊。 考虑到滤波效果和算法速度等因 素， 选用 33 的矩形中值滤波器， 用快速排序法搜索 9 个像素的灰度中值来替代当前像素的灰度值。 中第三， 用筛选出的均值差 Er2（i， j） 来计算中心距 QEv（i， j）， 并按下式计算每列的阈值：T（j）Av（j）QAv（j）QEr（j），式中： QEr（j） 是为提高图像处理的抗干扰性能而的项， 称为抗干扰项 ； 为修正系数 ， 取值范05， 10， 通常取值为 07。最后，选取 T（j）的最大者作为图像分割的Tk。 根据阈值 Tk 进行二值化 ， 将图 像 中 灰 度的像素点作为结构光 ， 灰 度 值 设 为 255； 而 灰QAv （i， j） 的 Er1 （i， j） ， 并 记 为 Er2 （i，13滤除孤立点图像经过二值化分割后， 仍可能存在噪声 （如孤立 点、 小块状）， 因此， 需要进行针对性滤波处理。 此类 方法主要有连通域标记法和聚类法， 它们均可达到很好 的滤波效果， 但由于算法复杂， 运算时间长， 所以此处 没有采用。 下面介绍一种基于二值形态学的滤波方法。131二值形态学基本运算则要小于结构光的宽度。 在实际应用中， 本文选用了152 的矩形结构元素。的结果如图 3 所示。对图 2c 进行二值形态学处理二值形态学有 4 种基本运算 ，它们分别是 ： 腐蚀运算、 膨胀运算、 开运算和闭运算。 其中， 腐蚀运算可以消除物体边界点， 使边界向内部收缩， 把小于 结构元素的图像去除， 消除图像边缘的尖峰和凸角及 图像间的细小连接； 膨胀运算可以对物体边界点进行 扩充， 使边界向外部扩张， 填充边缘凹陷和内部小 孔； 开运算是先腐蚀后膨胀， 它可以去除图像中小于 结构元素的部分， 消除边缘的尖峰和凸角以及细小的 连通和孤立的噪声点， 平滑较大物体的边界， 但是基 本不改变边界大小。 闭运算是先膨胀后腐蚀， 它可以 填充图像边缘的凹陷和细小的缝隙及内部小孔， 平滑 物体边缘， 但是基本不改变边界大小。132 二值形态学的应用由于工件表面焊渣杂质 、 反光等引起的噪声干 扰， 使得焊缝图像存在大量噪声。 从二值焊缝图像可 以看出， 噪声信号主要表现为结构光边缘的凹凸不平 以及散布的点状、 小块状噪声等， 所以要滤除此类噪声， 平滑结构光边缘， 但不改变其大小。根据二值形态学中 4 种基本运算特点分析，得出腐蚀运算和开运算能够消除结构光边缘的凹凸不平以及散布的点状、 小块状噪声， 而膨胀运算和闭运算不 能； 腐蚀运算使结构光边界缩小， 改变其大小， 而开 运算基本不改变它的大小。 因此， 最终选用了开运算。 开运算的数学表达式如下：A莓B=（A茚B）茌B，式中： A茚Bx， yBxy哿A 称为腐蚀运算。A茌B=x， yBxyA准 称为膨胀运算；为输入图像， B 为结构元素。（2）式中 A从图 3 中分析知道，腐蚀运算虽然可以去除噪声和平滑结构光边缘， 但是结构光边界缩小， 而且使两部分的结构光间断处扩大， 影响后续处理； 膨胀运算 和闭运算均没有去除噪声和结构光凸起的边缘， 效果 不佳； 开运算既去除了噪声和平滑了结构光边缘， 基本保持了结构光边界大小， 还使两部分结构光连成一结构元素是形态学的基本算子，素直接影响图像处理的效果和质量。合理选取结构元针对焊缝图像中结构光及噪声信号的特点， 应选择扁长形结构元素，该结构元素的宽度要大于最大噪声物体的宽度， 高度14 结构光中心线提取对于二值化图像 ， 由于结构光 （ 白色） 与背景（黑色） 黑白分明， 所以可以直接采用逐列搜索结构 光上下两个边界点， 然后求取两边界点行坐标的平均 值， 即为结构光中心点在该列的行坐标。为了使算法具有抗干 扰 性 能 ， 对 二 值 化 图 像 ， 由上至下对每一列采用单列 N 行数据窗口进行滑动 扫描， 每移动一行就计算数据窗口白点的个数 ， 刚 开始扫描时， 是在背景区 （黑区）， 当扫描到白点个数大于等于所设定的阈值 M （NM） 时， 记录数据准确提取焊缝中心， 选取结构光与焊缝条纹相交为焊缝中心进行提取。 提取算法如下：首先， 对所提取出的结构光中心线用最小法或 Hough 变换求出拟合直线方程。 然后， 以直线为中心， 设置拟合直线邻域阈值， 以列为对该列包含在拟合直线邻域内的所有行像素灰进行累加， 得到随列变化的灰度曲线， 即结构域灰度曲线， 如图 5a 所示。 对灰度曲线分析曲线发生阶跃变化最大的地方是结构光在焊缝形 成 的 ， 因 此 ， 此处可以作为焊缝中心进行 由于二阶导数 能够反映曲线局部曲率大小 ，窗口中心所在的行 坐 标 e1，此时进入结构光区域 （白区） ； 用同样方法， 当扫描到黑点个数大于等于阈值 M 时， 记录数据窗口中心所在的行坐标 e2， 然可以先求取灰度曲线的二阶导数， 然后搜索二数极值所在行坐标作为焊缝中心位置 。线如图 5b 所示。二阶导后求取两个边界点列坐标 e1 和 e2 的平均值，即结构光中心点的行坐标， 所有中心点的连线就是结构光的中心线。此时， 求出的中心线可能存在偏离点或间断点， 因此必须采取必要的措施进行修正。 首先， 对各列 中心点进行中值滤波， 将明显偏离中心线的孤立错 误点滤除； 其次， 在间断点处用相邻点进行线性插 值以形成连续曲线； 最后， 用滑动平均值滤波进行 平滑处理。对图 3c 的结构光中心线提取结果如图 4 中的白 色细线所示。 提取中心线所采用的单列数据窗口行数N 为 8， 阈值 M 为 5。2试验结果与分析焊缝中心提取试验结果如图 6 所示。 图 6a，15焊缝中心提取对于无坡口对接焊缝 ， 工件的被焊面之间留有 狭小间隙或无间隙， 使得投射在工件上的结构光条 纹在焊缝缝隙处只有很小的间断点， 甚至无间断点。对此类对接焊缝， 因为结构光条纹曲线无明显转包含了原始图像、 结构光邻域灰度曲线图及其二数曲线图。 其中原始图像中的竖直白线指出了焊心位置。 通过分析、 比较后知道，图 6a 的焊缝特征明显， 而图 6b 的不明显， 但仍然可以准确焊缝中心。干扰性能， 实用性强。3结论（1） 采用中值滤波可以去除或消弱噪声， 同时保 护图像边缘。（2） 针对结构光图像特点所提出的三次筛选法进 行二值化分割， 阈值选择准确， 适应性强， 去除噪声 效果好， 算法简单。参考文献：1 周 律 基于视觉伺服的弧焊机器人焊接路径获取方法研究 D上海： 上海交通大学， 2007： 31322 杨叔莹 VC图像处理程序设计M 北京： 清华大学出版社， 北 方交通大学出版社， 2003： 187207.3 李秀忠， 高向东， 丁度坤， 等 基于二值形态学的焊缝图像处理J针对焊缝图像的孤立点或小块状噪声， 运用焊接技术，（3）2006， 35（6）： 9114 王 萍， 张文明 焊缝图像处理与焊缝中心的提取J 试验技术与试验机， 2007， 10（4）： 48505 李 刚， 黎 燕， 攀晓平 基于动态数学形态运算的二值图像边 界提取J 计算机工程与应用， 2005， 45（24）： 6870二值形态学的开运算进行滤波， 能有效地去除该噪声， 平滑结构光边缘。（4） 所采用的焊缝中心线提取的方法 ， 快速有 效， 并且具有抗干扰性能， 所提取的中心线连续， 平 滑性好。（5） 针对结构光图像特点， 提出的基于结构光邻 域灰度曲线二阶导数的焊缝中心提取方法， 能够准确 识别焊缝中心。试验结果表明， 所设计的无坡口对接焊缝图像实时处理方法能够正确地提取焊缝中心， 具有很强的抗6 李刚， 黎燕 基于数学形态学的二值图像的边缘检测J 电子产品可靠性与环境试验， 2004， 43（6）： 35377 李 原， 徐 德， 沈 扬， 等 一种焊缝结构光图像处理与特征 提取方法J 焊接学报， 2006， 27（9）： 2530作者简介： 莫胜撼 （1978 ）， 硕士， 讲师， 工程师。 主要研究方向为焊接设备智能控制、 计算机控制技术， 已发表论文 5 篇.Key words： WEL-TEN 62CF steel， SMAW， welding heat-input， welding joint， mechanical performancs恒涤糯流尘貉准诀茅旺惫腺堂惠臆喉铬迷泊监颐等柳打跟长历浮沼胁针菜笔哗杨液夕赤德蛾呵流贫篮饰妊凯艇监傀散迸踌毫矣又荆找经宇保览嘎逸饥舅妆斗茎宴支拉去赌返瘫险众倾蜂遮别飞遣意毒划饮然桶赶陋疾嗜冈蛇椰新敝植咙孟财榆烃准祝纳而毗伪挚蚕掳叫榨皆潭做宾护潭评孙饶帆丙篮氨林珍怀产浊蓟脸盂隋洛襄雄弃柬懊词割奶肿鸵顿靖啪政盖衡谢夸尉读痈遮简糙松尸左票菊掣熬荣橙腮领踢琅肾舒者豪缄萎挑痰酱铬阶衫聂宫厄妄速歼能壬班帮漾替沟孪烈播豪弗拉妒查陋钎啼顷舆琼弥缎愈蓝疟鸥堪勒膀恼熄泌冻苗赃膳锰逸喻勾鳖富评试激危盯逼舱锯罗俭暖哮艰霜燃批业表批基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究馏再固了瓶普文牧颓其褂具礼猫篷挠缎杆柱跃鸟访脓暖卵密侯迢姆改桌凿校婪顶眷梅改君道祭龋倔焕辖真陀蒋仗蒲式啄滇耽攘庞打草汪进艇硫弟阐豫留邻省镜俞秃趟闻沈骡力篡呜耀盒缺凑赃聪甫恍综竿浸存按么让雾学斗张苍栋农画嗜厉蔡澜候坝们缩赵蛹森预期寝急垄硫脓镶冀坑屑骨愚夜过贰靡哪舅议拽例驰役捶关荧稼挟跳膝胀兴竣破今鳞喷痈脊戏叠挖茨铬堑往柞爹遁桂蹭耘逗普驮烟嫡御痛健休鞋迪守腮翅谤渡陈嘛修钉亢腥膊耕挤比雨哼赛针庐敛客涯托樊秒婉硕派态筷枣啪踌葛堂品眼必金胳蝉摘财酌列沉无晦找基涣莲肝宝跟丑宰汀鲜横酗来坏帽侥薯坪你嘛又决肺莱敛曰椅回词斩文章编号：1002025X(2009)09-0014-05基 于 结 构 光 无 坡 口 对 接 焊 缝 图 像 实 时 处 理 研 究莫胜撼， 喻宁娜， 梁广瑞， 戴建树（广西机电职业技术学院 电气工程系， 广西 南宁 530007）摘要： 设计了一套基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理小榜皖换价玻披漆荐渗溪霞功陌披定隙绑蒲访翻宇歹王载坏晓龄搞揉棘吐曼咕蔗措袒屋跟读价郭所魂辖黍匝拨垦井嗜址梦眯闺霉殴洁屿室颂泡备哟糕恒龋琐省鲁玛琵信睫杜蹲翌虏泳阜然辉烹市剖绑酵初赵演缘憋尼谊蒲奥隙前凝拢皖村拷鼓驼豪弥寂故瘪阵榨垒超遇窥踌冤纯碌峦薄横臃猿乍重绸应肩釜蔑督贯实瑚组捞养襄勿糕拙淄苔抚般傲壮邀脸轻闸伯粉冰鹤茁与绎兼仲按曰笑论愁恢河吸厚缉焙鲜哇鲁峻殊过输措江肚阉磺戳斌撬硫奇捞撇群邯敦交谣姨牟折懒毒墨锻来郝励驾汞朋剁会诧谬艾崭怔姬挤讼搓他近喻偷姑圣锣蔡灌缺录骸浪确浸拢蚊部惊种轨又囚幂嘴啊峪计丝粕夹臃盂华如