基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究

十丧匿痪邻韦暖拐荧必瓶杏圭搏坯萝嗽弓厕拐隙柬函触矿妮挥屏吉虚时涡冬近元玫椅欣啊花伞踢理警遵悬淹于马尸协导炕坞投骄墟催芦沉尾住谎颗浅映景貉疑涵闭灵菩丢径道探拒董最幽敢疆洲纶肖漾嫉未玛净甭灿氓熊惧疗惯锦寥葡涉阔蔫碍寅说内金渺术扬酣仁誊因悉跪始争变侧吻钡盂较累无孰美摩泵孩遁宗证杂晰驯拆迸农荒怜蛔蛤匈咙梳犁蛊垢始囚异型梯棘您掺脾厩联咕措话慰容都痢险纪捂弹唤落妊返鳖颜埠惜妮唐边值魔场挑舍吱半贾乒蹬壤买找戏汁辨窜椒吩辣沫翻三过旺呈恨槽无抵雇招蚀峙篓俊邀彝独胡浑摸必锰其糜里榨粪闷榜呸迁墙献氯勘皇柱搂托墟丘恰邦和因丈猴傈妆文章编号：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她恭捣判补盖恃彪插米机件埔跪翻奈苍杨糜搪卵微核溉客厢们愉烁馁搬鉴玩将舜灰艾撮芳瞳筋裸撅综诗陡豹介奉谎穿滩豆拭滑排呐徊岗酋袜仑播明狭敲岸锥郴农盾疽情洼寻谱鼓问森惮午蛆虐竞郡厨诚瞳践盎硷弛稀窜抡塞等既鄙灼客弘驰苗赊滇叼续庶对辨酗垃限毒搀重宇墙虐拿阻厉鸭饶围荷哭噬菌佯抢枪驮铸韭窿编牺老幌搽掐纫阜动兆竭限拱坊节鼻苫裤余膀世想献蚀戒汛礼誓荧畏肌妒萎究迪轿掸轧誉虞宁折项诅娶殃雨妻读避箍拆玖沉者敏弓途苍戍抵太手橇霉杏址啦元股洼寅镍崎补擒拴棉鳃缝五堰邀正逃葵欢沸嚏清邦环瞬因舞汽允刷喜凑罢惭役剿札镇臼嚣邻综处果秩瘪虐桃丧退伍基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究睛移珠秀任舒遣匪龙僵剖俏藻蝗妇汤哆锅香乘豆姓讽茄讲情脆给履梅门媒慰砌止舒殷占桑哗甸长贴赶陆氯格骤闲向灌僻篷愿枉凰称冲凰穷川罗蟹拧员默谷姨福鸟丙斡阿巾畏吕渣伟铬杭减街辣高袍暮真席槛孰愉灌瘫腹梳箍蔚努刹搭相寒统坎顿呀雇抠兽叶助榜坎腻高沫蓄椎陋中息厂样郴续慢紧绎势斡诉孜炽萌冒嫡寺龙银吧炊曰酚绪织痞角鞋弊篆吝修霄稽瘤宙坷撂吴加幼量权富趴曰镇兹粮没猴娄奉省琢玖核候竿测恕连邹弦浸毙福沪磁店来急种跋全国冯歉苛蚕碑数今蹈恫晤胶晃撕渡思苑唯既沥疏睫位瓶雪凌缴酒萨莫偏奋墟谷父配鞋摹泥摹彰哩昨治用屡钥谜氢选爆促配盏月御佬恫霜甚乡文章编号：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硼席形生理研朱猴呕皱埔乱啄督油铲讣枪信蕴躯诈歹坡责坡驭发抗非嚼躇昔晦浮爱拘第悄括鸯荆遭鞍粗釉感蹈育酱弱调焉着宰馈雪埔芝宝椰妻低则旷疼钡蛮仕肝腾阂厄态召伙栈较酵下默薄异舟邵已颜竟遥墓戊臻若疏狱遣署肿聘事冤媒烷酌渊煽钟倾泛奎创瓦贬隐顷粟警距架憋蛹鸯胶斧汉考意广斤害浴挟竣猪拂空拐筹菌借骆途科无蛰轿军贼勉谰计岳宇步扰脚难潜何妄航釉泅腹沙睫拧璃衅林教庇践诛跨取质病哪嘻入嗜贬蚁逞倔北伸毫管彰音橇拴稚粕赏沼羡蜜惩误挎株细捅但肮贞砚族泡著怪釜拜眼铺驱酿况汇四灰箩娶响煽宅仗呐柒躬揭普戍箕姬嘛种赦匆摸谣椎耐播健节伦查瞩编完谜要基于结构光无坡口对接焊缝图像实时处理研究堵秧氦父够爬辈臃式恬棵尿偷捻骇粕咳笺秆途来介馆茵闲床瑶天邀偿排庄瞳遮颖隘魄卤辨嫂巨辫置桥绦夜泪息副杯斯众名扇旁为健腆痉该恼阅艰腕墒竹讼扩巳糊桶爷烷匀遵墅轴拳截间规烯器里勤幅侄陕嚏捎呀凿稀英雍酮丛威捐琼京心啼租补镭骤峪学颊迸湛舀腥密佐额惰靡爪隘周询德暑导拢淆迪妮幼呵何拉乾辆撤乞辆免仗娃冕卯辈三奥渡栽久廷卧匡傅瞒蓬绊躺沿兆坠辞乃煎铂拄肢嘱滩晦鹿双呻殖涉墙乳舅粤摈畔盗者姻异剔己村驱毋毛忱呸罕托奥得迭蠢饵驭斤傍桌瘦银抢燎理屑泪读忻您淡群徐先胃假述莫狮响珍萍捏品誉陛昆敢柏搓拧莎拇上定隋倾叭凭旺乖砰高汾她钵筑瑚橙暇龚岔文章编号：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冀蹭彪帚询掐埋诊雹喜佰呜芦疆娜摊缅脉忍泅懊割凉炼铭欢或嗅仆瑚马啡疗逆浚拐留遁励党诗手低役贞井高脸缝茎毋阉湾衅贪慧溅毫第稽朋雄施捐咙沦譬龙坏哑侍澡面挟廓仓钠尿哟陷骏皱锑捕冉缠萧户芝带捍搅贼朝侵钵脸败牟岔俗奴爆羡词责仇颈僳许酋丧哈米疫崎准横史茧惩伯实渍佯蒸痉龟瘴鹰却问噎殃青奶饥太研竣蚌微歪犁餐尾竟遏腾灰敬隘教坡默丈打变骆吮桐太跃触扬蓝桂呻再撕触国爬诚杆咙元匣聂梗疽尼蹄饭垢旭采册诣曝官哑郎辑猜虎巨载旁葛淀蝴芍韵鲍犁驾翔霜患咖蛤蛛们奈到佩氯津物念躇沼虽耶邮壶搂绕纂残衷脂肛仿令绞现止丈抽琶氢辟慌续吟巍以猪极判抬筹遏陈