大型直縫焊管焊縫自動檢測方法研究

1、廣東工業(yè)大學碩士學位論文大型直縫焊管焊縫自動檢測方法研究姓名：朱杏環(huán)申請學位級別：碩士專業(yè)：機械電子工程指導教師：高向東20090603摘要摘要直縫焊管因其優(yōu)越的性能被廣泛應用于管道運輸中，隨著我國經濟的高速發(fā)展，需要大量的直縫焊管。國內直縫焊管的生產主要靠人工目測焊縫的半自動焊接，難于實現大批量、高質量的全自動化生產過程。因此，實現對直縫焊管焊縫的自動檢測，是實現直縫焊管自動化生產的關鍵，并對我國經濟建設有著重大意義。本文主要研究基于機器視覺的直縫焊管焊縫的自動檢測技術，其核心是圖像處理算法。圖像處理包括一系列的圖像處理過程，每一步圖像處理算法的選擇都會影響其后續(xù)的處理工作。針對直縫焊管焊縫

2、的特點，采用中值濾波以降低噪聲的影響，用閾值分割把圖像中的焊縫從背景中分離出來，采用算子檢測焊縫邊緣，最后采用變換來識別焊縫。根據實際情況對變換進行改進，改進后的變換減少了運算次數，提高了處理速度，使其能更準確和更快地檢測出焊縫邊緣特征，為其在自動焊接中的應用提供了良好的基礎。在進行變換后，要判斷檢測出的直線特征是否為焊縫邊緣。首先在變換的參數空間中找出兩個最大值所對應的角度和半徑，然后比較這兩個角度是否平行（接近平行），如果符合平行（接近平行）的要求再對兩個半徑進行比較，判斷它們的差值是否在合理的焊縫寬度范圍。在確定焊縫邊緣后再進行焊縫寬度和焊縫中心位置的計算。為了防止檢測出的焊縫寬度和中心

3、位置誤差較大而造成整個焊接失敗，事先設定一個允許的誤差值，超出允許誤差則進行修正，保證了檢測的準確性。試驗證明，所用的圖像處理算法能夠快速地檢測出焊縫寬度及其中心線位置，并且保持較高的檢測精度。關鍵詞：大型直縫焊管，焊縫檢測，機器視覺，圖像處理，變換廣東工業(yè)大學碩士學位論文，：，廣東，大學碩士學位論文獨創(chuàng)性聲明秉承學校嚴謹的學風與優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中

4、作了明確的說明，并表示了謝意。本學位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學讀書期間在導師的指導下取得的，論文成果歸廣東工業(yè)大學所有。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任，特此聲明。論文作者簽字：屎鴦西千指導教師簽字：俐年易只片日第一章緒論第一章緒論課題研究背景及意義管道運輸是輸送流體物質運輸方式，它具有運量大、不受氣候和地面其他因素限制、可連續(xù)作業(yè)以及成本低等優(yōu)點。隨著石油、天然氣生產和消費速度的增長，管道運輸發(fā)展步伐不斷加快。管道運輸業(yè)是中國新興運輸行業(yè)，在國民經濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。根據國家統計局發(fā)布的數據顯示，年末全國輸油氣管道里程為公里，其中輸油管千米，輸氣管千米。到

5、年，中國已建油氣管道的總長度約萬千米，其中原油管道萬千米，成品油管道萬千米，天然氣管道萬千米?！笆晃迤陂g，中國將加快油氣干線管網和配套設施的規(guī)劃建設，逐步完善全國油氣管線網絡，建成西油東送，同時適時建設第二條西氣東輸管道及陸路進口油氣管道。未來年是中國管道工業(yè)的黃金期，除得益于中國經濟的持續(xù)快速發(fā)展和能源結構的改變，也與建設的中俄輸氣管線、內蒙古蘇格里氣田開發(fā)后將興建的蘇格里氣田外輸管線和西伯利亞至中國的輸氣管線等有很大關系。隨著我國經濟的高速發(fā)展，需要大量的直縫焊管。根據焊縫的形狀可以把焊管分為直縫焊管和螺旋焊管兩種。一般認為直縫焊管比螺旋焊管具有更加優(yōu)越的性能。在經濟技術發(fā)達的國家，如美

6、國，日本等在長輸高壓油氣管線主干線方案選擇上基本不采用螺旋焊管。特別在經濟發(fā)達或人口稠密的大中城市，一般采用直縫埋弧焊管。直縫焊管中有種常用的生產工藝是（，），它是我國臺灣省首先創(chuàng)造的一種焊管生產工藝，其工藝流程【】見圖。大型直縫焊管指直徑大于（或）毫米的直縫焊接鋼管，單管長度達米。由于鋼管尺寸較長，在卷曲成型過程中不可避免會出現變形，造成直縫偏轉，形成空間曲線焊縫，如圖所示，因此焊炬必須準確地跟蹤焊縫，才能保證焊接質量。預焊一般采用氣體保護焊，用人工目測焊縫的半自動焊接方式。焊接過程中受人為因素影響很大，如工人的焊接技術水平、工作時心情以及持續(xù)工作時間的長短等。為了提高生產效率、改善和穩(wěn)定焊

7、接質量，迫切需要一種能對廣東工業(yè)太學碰士學位論文直縫鋼管焊縫進行自動跟蹤的系統以實現其自動焊接，這對我國經濟建設也有著積極的意義，其中焊縫跟蹤傳感器是整個系統的關鍵。匿蟄怔三卜恒困徊匿蛩匿圈囤圖一焊管工藝流程圖圖直縫焊管焊縫示意圖第一章緒論常用的焊縫跟蹤傳感器焊縫自動跟蹤系統由傳感器、控制器和執(zhí)行機構三部分構成。由于在焊接過程中存在很多的干擾因素，如弧光、高溫、電磁場、煙塵、飛濺等干擾。排除干擾并獲得足夠精確的焊接信息是焊縫跟蹤的技術關鍵。近十幾年來，國內外都投入了大量的人力、財力開發(fā)了多種不同類型的焊縫跟蹤器。目前應用于焊縫檢測的傳感器主要有以下幾種類型，】：機械式擺動跟蹤傳感器擺動跟蹤傳感

8、器的最主要部份是探針，將傳感器安裝在焊炬的前端，因為探針離焊炬僅為，故假設探針所在的位置就是焊炬所在的位置，探針與焊炬受擺動機構的控制一起擺動。當探針接觸到焊縫坡口一側時，傳感器發(fā)出一個信號，控制焊炬和探針向另一側擺動，如此循環(huán)【，。這種傳感器是最早發(fā)展起來的焊縫跟蹤傳感器，因其結構簡單，易于安裝和維護，不怕電弧的磁、光和煙塵飛濺等的干擾，曾廣泛應用于各種焊接自動機構中。瑞典公司研制的系統就是采用探針接觸式傳感器進行對接直縫和環(huán)縫的接觸式跟蹤及參數自適應控制。該傳感器結構比較復雜，但由于其不僅可以實現焊縫自動跟蹤，而且可以完成焊接參數的自適應控制，仍具有一定的吸引力。目前還有一種用導輪做觸頭的

9、機械式焊縫跟蹤傳感器，利用導輪和坡口緊密接觸，依靠坡口的機械導向作用，當導輪的位置發(fā)生偏移時就會產生相應的控制信號，實現焊縫自動跟蹤【一。機械式擺動焊縫跟蹤傳感器常用于型、型坡口窄間隙焊縫和角焊縫的檢測，其最主要的缺點是觸頭容易磨損。電弧傳感器電弧傳感器的原理是當焊炬與工件的距離發(fā)生變化時，電弧的電流或電壓會相應地發(fā)生變化，因而電弧的電流與電壓信息反映了焊炬與工件表面的高度距離變化情況，通過電弧掃描坡口，對比位于坡口兩側的電弧電壓或電流，便可推算出橫向焊縫對中情況。電弧傳感器主要包括了擺動掃描式電弧傳感器、雙絲并列電弧傳感器以及高速旋轉掃描電弧傳感器【。擺動掃描電弧傳感器通過電弧在焊接坡口中相

10、對焊縫的橫向擺動所引起的電弧電流等參數的變化來判斷焊縫對中信息引。旋掃描電弧傳感器通過焊炬旋轉，形成焊炬與工件距離有規(guī)律的變化來判斷焊炬與焊縫中線的偏差【】。電弧傳感器以電弧本身作為檢測對象，所以只能在焊接過程中才能發(fā)揮作用，廣東工業(yè)大學碩士學位論文不能實現焊縫起點和終點的檢測，并且在焊接過程中受到很強的電磁干擾，但在焊縫小于時，焊縫信號檢測比較困難。其主要適用于對接、搭接和角焊縫【，。超聲波傳感器超聲波檢測系統一般包括兩個部分，一個用于發(fā)射聲波，另一個用于接收發(fā)射聲波的回波信息。聲波在空氣中的傳播與光類似，當聲波遇到工件表面時會發(fā)生反射，而當聲波接觸到焊接件的坡口表面時，由于坡口表面與入射聲

11、波的夾角不成度，因此其反射聲波很難再返回接收聲波傳感器，即傳感器收不到回波信號，利用這一特性識別焊縫的邊緣信息【。超聲波傳感器的測量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小。其不怕焊接中的電磁、光和煙塵的干擾【。主要用于鋼和鋁等材料的焊接。板厚一般要大于，材料越厚則系統工作越好。超聲波傳感器很多情況下用于焊縫缺陷檢測【】。光電傳感器光電傳感器主要包括光源以及光敏三極管，檢測前一般先在焊縫處畫上一條人工輔助白線，光源發(fā)出的光經工件反射到光敏三極管，因為白線處反射的白光量最大，當焊炬對準焊縫時（即處于白線正上方時）光敏三極管輸出的電流也相應地最大，其輸出的電壓信號也最高，故只要對光敏三極管的

12、輸出信號做一比較，即可得焊縫偏差情況。弧光對于光電傳感器有著巨大的影響，所以在焊接過程中要盡量較小弧光的影響。負載的阻值的大小直接影響傳感器的輸出信號，阻值越大傳感器的輸出信號就越靈敏，但檢測范圍窄【。電磁傳感器包括了激勵線圈和感應線圈，當通以交流電的激勵線圈靠近被測工件時，由交變電場產生的交變磁場會在工件表面生成感應電流，焊縫處的感應電流較非焊縫處存在明顯區(qū)別，根據這個原理來識別焊縫位置【引。電磁傳感器的靈敏度取決于電源的頻率和電壓、鐵芯材料和尺寸、傳感器高度等多種因素，而且受到焊接過程的電磁噪聲和工件錯邊等諸多因素的影響，容易產生誤信號，在實際應用中受到很大限制【。視覺傳感器視覺傳感器中有

13、由若干光敏元件組成的光敏線或光敏面，光敏面能將入射到其上的按空間分布的光強信息轉換為按時序串行輸出的電信號一視頻信號，故視頻信號能再現入射的光輻射圖像。視覺傳感器主要分成三大類，第一類是電耦合器件（），第二類是（）圖像傳感器，又稱自掃描光電二極第一章緒論管陣列，第三類是電荷注入器。目前在自動焊接中使用得較多的是和傳感器【。到年代的時候電弧傳感器和光電傳感器在國際上已經成為兩大主流。視覺傳感器屬于非接觸的傳感器，適用于多種場合，能獲得較大的信息量，具有較快的相應速度和檢測精度，是最具前途的傳感檢測手段。視覺傳感器在焊縫跟蹤中的應用近年來，隨著計算機和視覺傳感器硬件技術的進步，以及人工智能、圖像處

14、理、模式識別等技術的發(fā)展，使得視覺傳感在自動焊接領域得到了廣泛的應用。目前視覺傳感器在焊縫跟蹤的應用主要有兩種方式【¨。被動視覺法被動視覺法一般是在自然光或在焊接弧光的條件下，使用或傳感器采集焊接過程的圖像并提取焊縫信息的檢測方法。該檢測方法由于不用外加結構光等輔助光源，具有設備簡單和成本低等優(yōu)點。但該方法采集的圖像背景和目標不分明，并且在焊接過程中受到弧光變化等因素的干擾，難于提取焊縫信息。并且被動視覺法采集的圖像中信息量相對較大，對圖像處理算法要求相對較高。被動視覺傳感技術具有信息量大、非接觸式等優(yōu)點，成為研究焊接過程的主要檢測手段，主要集中在焊縫跟蹤和焊接質量控制【，。主動視覺

15、法主動視覺法一般指使用具有特定結構的光源與攝像機組成視覺傳感系統并用攝像機攝取工件表面圖像的方法，其中所用的特定結構光源一般指激光，分點狀、線狀和環(huán)形激光【，】。一般所獲得的圖像比較清晰，目標和背景相對分明，給后續(xù)處理帶來很大的優(yōu)勢，并且采用主動視覺傳感器的跟蹤精度較高。因為其增加了特設光源，設備較為復雜、昂貴。主動視覺法也具有一定的局限性，如其在小間隙不開坡口焊縫中，使用主動視覺法難于檢測出焊縫【。國內外對基于機器視覺焊縫傳感器的研究國外很早就開始了機器視覺方面的研究，早在世紀年代就提出機器視覺的概念，世紀年代真正開始發(fā)展，這個時期圖像傳感器出現，到了年代，隨著硬件技術的成熟，機器視覺也進入

16、了高速發(fā)展時期。人們研究機廣東工業(yè)大學碩士學位論文器視覺在焊接中的應用從世紀年代開始，到了年代硬件和視覺算法的不斷成熟，也促進了其在焊接領域的研究與應用。日本的焊接工業(yè)處于世界的前列，早在年視覺傳感器已經占到了，日本在年代后期關于電弧焊傳感器今后發(fā)展的預測情況將近一半的廠家（）計劃發(fā)展視覺傳感器技術。美國公司開發(fā)一種焊縫跟蹤設備對激光焊接進行跟蹤，其定位精度可達。英國的的和激光光學焊縫跟蹤系統可用于精密部件的焊接，三維跟蹤精度。加拿大公司向市場上推出了一種三維激光視覺傳根器，可對僅有的根部開口或誤差的待焊接頭在的焊接速度下進行跟蹤，跟蹤精度為【。瑞典的研究者設計了一個通用的維焊縫跟蹤系統，具有

17、良好的柔性和自適應性，能夠根據中間曲率方法跟蹤空間中任一三維焊縫軌跡，能對半徑小于的工件進行跟蹤【。韓國的研究者研制了一個基于視覺傳感的焊縫跟蹤系統，系統焊縫跟蹤精度達到±伽【】。印度的研究者利用視覺傳感器拍攝焊縫圖像，實時焊縫跟蹤系統跟蹤精度可達±【。瑞典公司的激光視覺跟蹤系統，焊接精度為±邛。國內機器視覺發(fā)展的真正起步是世紀年代，到年代進入發(fā)展時期【引。國內高等院校在焊縫自動跟蹤技術方面進行了比較深入的研究。西安交通大學自行設計了基于機器視覺的焊縫檢測系統，適用于“型、“型坡口和不開坡的直接對焊【。清華大學的研究者采用線陣作為傳感元件研制的焊縫跟蹤系統，焊接速

18、度有，焊接過程中以上的寬度值集中在偏離給定值±范圍內【”】。哈爾濱工業(yè)大學的研究者研究了無輔助光源圖像法焊縫跟蹤系統，靜態(tài)檢測精度為，動態(tài)跟蹤的精度，處理周期檢測范圍【引。，課題來源及研究內容課題來源課題來源于高向東教授主持的。廣東省科技計劃項目“直縫雙面埋弧第一章緒論焊管焊縫跟蹤機的研制（編號：）的子課題。主要研究不開坡口直縫焊管焊縫的檢測技術。同時受廣東省自然科學基金項目“自動焊圖像質心識別及焊縫跟蹤預測控制（編號：）的資助。研究方法直縫焊管尺寸較大，要對整根焊管的焊縫進行連續(xù)的圖像采集非常困難，這就給直縫焊管焊縫檢測的研究帶來很大的困難。根據直縫焊管中不開坡口焊縫間隙小的特點，

19、可以采用類比的方法用普通鋼板組成的小間隙焊縫作為研究對象，該法容易實現，并且研究結果對直縫焊管的焊縫也不乏指導意義。由于不開坡口的焊縫間隙比較小，檢測比較困難，文獻中提到在直縫埋弧焊管焊縫跟蹤中如采用機械式傳感器檢測焊縫和機器視覺加結構光檢測焊縫的方法都難于檢測到間隙小的焊縫。被動視覺法能對焊縫進行非接觸式的焊縫檢測，獲得的信息量大，同時具有不受磁場等因素影響的優(yōu)點，是一個比較理想的檢測手段。經過綜合考慮，采用被動視覺法采集焊縫圖像信息。采用被動視覺法采集焊縫圖像，有兩種方法。第一種，采集熔池前方較遠處的焊縫圖像。可以在熔池前方加一個擋板以消除焊接過程中強弧光的影響。這種方法可以采集效果較好的

20、圖像，方便后續(xù)處理。但這種方法具有導前誤差，不利于準確的焊縫跟蹤。第二種，直接采集焊接過程中熔池及前端焊縫的圖像，圖像處理只選擇熔池前面一小塊帶有焊縫。這種方法跟蹤焊縫沒有導前誤差，但采集到的焊縫圖像效果較差，噪聲較多，對圖像算法的要求也較高。現實中對系統標定是項復雜的工作，很難控制導前誤差。而第二種方法只是對圖像處理算法要求較高，實用性和可行性較高。因此采用第二種方法采集圖像，也就是采集熔池及其前端焊縫的圖像。在焊接過程中存在著強光、飛濺和煙塵等干擾，為了能從采集到的焊縫圖像中提取出焊縫位置信息，需要利用計算機對原始圖像進行圖像處理和焊縫識別等工作。其處理流程見圖。廣東業(yè)大學碩十學位論文圖！

21、圖像處理流程圖圖像裁剪由于攝像機采集到的圖像中有效像素較多，信息量大，其中存在著不必要的冗余信息。這些冗余信息加大了圖像處理工作量，大大降低了系統的處理速度，甚至會影響到對焊縫的檢測工作。因此，可對圖像進行裁剪選取需要處理的區(qū)域做更進一步的研究。濾波去噪現場采集到的原始圖像中存在著由強光、飛濺、煙塵及焊接電噪聲的信號，這些噪聲嚴重時會淹沒特征信號，不利于特征量的提取。因此，必須對圖像進行預處理。圖像預處理的主要作用是去除噪聲的干擾，以得到相對較清晰的圖像，為實現焊縫的邊緣提取打下基礎。常用的濾波方法有：灰度變換法、直方圖變換法、領域平均法、中值濾波法、離散空間差分法、空間域高（低）通濾波法等。

22、圖像分割圖像分割就是按照一定的原則將一幅圖像或景物分為若干個特定的、具有獨特性質的部分或子集，并提取出感興趣目標的技術和過程。圖像分割技術是圖像處理中一個重要內容。從分割依據的角度來看，圖像的分割方法可以分為結構分割方法和非結構分割方法兩大類。結構分割方法是根據圖像的局部區(qū)域像素的特征來實現圖像分割，如閾值分割、區(qū)域生長、邊緣檢測、紋理分析等；非結構分割方法包括統計模式識別、神經網絡方法或其他利用景物的先驗知識實現的方法等¨。特征提取經過圖像濾波及圖像分割后，要對特征點進行檢測。因為經過上述處理后焊縫邊緣也不一定是一條完整的直線段，可能是一條彎曲的曲線并且存在斷點。所以要對圖像中的焊

23、縫進行特征分析和形狀描述。第一章緒論研究內容本文主要做了以下幾方面的研究：（）研究使用面陣攝像機采集效果較好的焊縫圖像。由于在焊接過程中存在著強弧光，飛濺等影響，要獲得效果好的焊縫圖像是困難的。為此采用外加濾光片，減弱強弧光的干擾。（）研究使用面陣攝像機所拍攝的焊縫圖像的處理方法，調試各種經典圖像處理算法，并針對不同的情況找出該算法的最佳參數，使經過處理的圖像達到最佳效果。（）以變換為基礎，并針對本文中焊縫圖像的特點對變換方法進行改進，使其能更好、更快地識別焊縫的邊緣特征。根據直縫焊管焊縫邊緣的特點，把變換的搜索角度限制在與垂直方向度的范圍內，減少了變換的運算次數，同時提高了檢測精度。（）提取

24、焊縫信息，識別焊縫的左右邊緣。根據變換后參數空間的兩個最大值所對應的角度和半徑，首先進行角度比較判斷檢測的是否直線平行，再比較兩個半徑判斷其焊縫寬度是否有效，最后進行焊縫寬度和焊縫中心位置的計算。廣東業(yè)大學碩士學位論文第二章焊縫檢測系統焊縫檢測系統要求集焊縫圖像采集和焊縫位置偏差檢測于一體。所有的焊縫圖像都是在焊接過程中采集的，為了能實現實時焊縫跟蹤，要求焊縫檢測系統能夠快速地檢測出焊縫偏差，根據偏差量大小控制焊炬的位置，從而達到自動焊接的目的。本文所用的實驗系統為基于視覺傳感的焊縫識別和跟蹤裝置，由工控機作為整個系統的控制器，在控制驅動實驗工作臺做迸給運動的同時，控制傳感器實時抓拍罔像，并將

25、圖像保存到工控機硬盤上。同時，基于該實驗系統還可進行二次開發(fā)，實現整個焊接過程的自動控制與檢測。焊縫檢測系統的硬件系統焊縫檢測系統的硬件主要由攝像機、步進電機、工控機、非熔化撒氣體保護焊機、圖像采集卡及步進電機的運動控制卡等組成。系統的結構圖如圖所示。部分硬件“介紹如下。圖系統結構圖￥攝像機與焊炬剛性連接，傾斜安裝，與焊炬保持在。的央角，與焊炬噴嘴的半徑距離大約為。攝像機能夠高質量地采集到焊接過程照第二章焊縫檢測系統片，并且所采集的圖片中焊縫在一個特定的區(qū)域，方便后續(xù)處理和提取工作。軸步進電機調整焊炬與焊縫的相對位置，軸步進電機控制焊件進給，軸步進電機控制焊炬與焊件的高度。攝像機視覺傳感器采集

26、焊接圖像，其性能如采集速度和有效像素等因素都將影響焊接圖像的質量，也影響著圖像的后續(xù)處理，影響焊縫檢測的速度。該系統中選用三洋的彩色攝像機。該攝像機內置線路間傳送方式的英寸，畫面像素總共為×。由于它使用固態(tài)圖像裝置，投影少，抗暈光，滯后小，無熱灼及幾何變形。并且不受磁場或電場的干擾。鏡頭鏡頭選用公司的鏡頭，它的規(guī)格為，和的規(guī)格相匹配。工控機工控機具有抗干擾能力強和長時間聯續(xù)工作的特點，使用于工業(yè)控制環(huán)境。工控機是整個焊縫檢測系統的核心，工控機的性能決定了焊縫檢測時速度，從而也決定了自動焊縫的性能。出于綜合考慮，該系統選用研華公司生產的工控機。工控機采用主頻的，內存，硬盤和操作系統。圖

27、像采集卡本系統選用大恒公司的彩色黑白視頻圖像采集卡。它具有使用靈活、集成度高、功耗低等特點。采用總線，所采集的圖像數據傳輸基本上不占用時間，并可將圖像直接傳送到計算機內存或顯存。支持、彩色黑白視頻輸入，支持方像素、的采集制式，能滿足試驗要求。運動控制卡運動控制卡驅動步進電機從而控制焊接位置的調整。本系統選用雷賽自動化科技公司的控制板。該控制板可控制個步進電機，具有即插即用、最高脈沖頻率、曲線減震功能、隨時變速等功能。位置指令可用單路脈沖（脈沖方向）或雙路脈沖（脈沖脈沖）方式輸出，可以是差分式，也可以是單端式。焊機以非熔化極氣體保護焊作為研究對象，電焊機選用了逆變直流氬弧焊機，它使用了中頻逆變電

28、源，采用作為主開關元件。不僅適用于不銹鋼、銅、鋁、鈦及其合金等難焊金屬的焊接。它采用恒流特性控制，燃弧穩(wěn)定，無飛濺，焊透能力強；采用逆變，噪音低，動態(tài)響應快。在焊接時采用廣東工大學碩上學位論文氳氣作為保護氣體。流量為弘。攝像機標定由于攝像機光學系統并不是精確地按理想化的小孔成像原理工作存在有透鏡畸變，物體點在攝像機成像而上實際所成的像與理想成像之間存在有光學畸變誤差。主要的畸變誤差分為三類：徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變。攝像機標定的日的就是要從攝像機獲取的圈像信息出發(fā)計算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識別物體。由于焊縫一般位于圖像垂直中心線位置，幾何變形比較小，并且攝像頭距焊縫比較近

29、，鏡頭拉的比較近，焊縫變形比較小。所以并不采爿傳統的攝像機標定法和攝像機自標定法。試驗前，在攝像機的拍攝區(qū)域放置標定尺，如圖所示，在白線兩側的范圍內，從左向右，各個所包含的像素個數分別為：，。從中可以看變化不太，鏡頭的畸變可以忽略。因此，像素當量女為：！型旦一刪卅¨圖標定幽濾光采用被動視覺法采集焊接過程圖像，存在著強弧光干擾。對這種情況有兩種處理方法，一種是添加一套濾光系統，例如加濾光片及減光片，先從硬件方面濾除一部分弧光干擾；另一種方法是使用撒光頻閃攝像的方法來獲取較好的焊接圖像，具體過程為激光器周期性地發(fā)射出激光束照亮整個焊接區(qū)域，激光產生的瞬時強光暫時抑制住弧光的輻射強度，此刻

30、攝像機采集焊接圖像。第二種方法的成本較高，一般較少使用。采用舔加濾光系統比較合理，也方便技術推廣。圖濾光后采集的圖像利用光譜分析儀測定電弧弧光光譜分布在的區(qū)間，分析表明在區(qū)域和衄以上的近紅外區(qū)域，弧光特征譜線較少，因此這兩個區(qū)域是較為理想的取像區(qū)域。經過反復試驗，采用中心波長為的窄帶濾光片配合減光片以及相關輔助設備能獲得質量比較高的熔池圖像”，如圖所示，圖像太小為。從圍中可以看到，加了一套濾光系統后，減弱了弧光的干擾，采集的圖像比較清楚，焊縫也比較明顯，方便后續(xù)的處理工作。廣東上業(yè)大學顧十學位論文處理區(qū)域使用被動視覺法采集的焊接圖像中，有用的信息主要集中在熔池前面的焊縫區(qū)域。還句話說在圖像中存

31、在很多不相關信息。這些冗余信息第一，會影響后續(xù)的焊縫檢測工作，冗余信息會干擾對焊縫的檢測；第二，影響圖像處理的處理速度，因為感興趣的區(qū)域在整個圖像中只占較小的一部分；第三，浪費計算機存儲空間在一定程度上也降低了處理速度，因此，必須去除這些冗余信息。由于系統中攝像機和焊炬的位置相對固定，圖像中焊縫出現的位置也相對固定，就算在安裝焊件的時候有偏差，焊縫在圖像中出現的位置變化范圍也比較小，因此可以預先估計焊縫出現的位置，選取這部分區(qū)域作為圖像處理。根據實際要求的需要，只需要選取所示。×的處理區(qū)域就能夠保證檢測到焊縫信息。如圖圖處理區(qū)域圖本章小結本章主要介紹了焊縫檢測系統的結構，簡單介紹了系

32、統的用到的硬件。針對焊接過程中的強弧光的干擾，使用濾光片和減光片組成的濾光系統能比較有效地第二章焊縫柃測系統消除干擾，獲得較好的圖像。同時，對攝像機的系統進行簡單的標定。由于拍攝的焊縫圖像中信息量大，存在大量冗余信息，本文根據實際情況只選擇的感興趣區(qū)域進行處理。廣東工業(yè)大學碩學位論文第三章焊縫圖像濾波圖像噪聲實際采集的圖像中常包含各種不希望有的噪聲引，為了方便后續(xù)的圖像分析，需要將噪聲消除掉。噪聲可以理解為妨礙人們對信源信息理解的因素，在理論上可以定義為“不可預測，只能用概率統計方法來認識的隨機誤差”。因此，可以將圖像的噪聲看成是多維隨機過程，可以借用隨機過程及其概率分布函數和概率密度函數來描

33、述噪聲【。但是，在很多情況下使用這些數學模型來描述這些噪聲是復雜的，有時也是不可取的。在實際應用中很少會用到這種描述方法。在大多數數字圖像系統中，輸入光圖像都是采用先凍結再掃描方法將多維圖像變成一維電信號，再對其進行處理、存儲、傳輸等加工，最后往往還要再組成多維圖像信號。圖像噪聲同樣也受到這樣的分解和合成，在這些過程中電氣系統和外界干擾將影響對圖像噪聲的精確分析【。圖像的噪聲來自于有噪聲的傳感器或者通道傳輸誤差，它們主要在空間上以不相聯系的離散和孤立的像素的變化形式出現。在視覺上有誤差的像素與相鄰像素明顯不同，這個現象是很多噪聲消除算法的基礎【。噪聲消除噪聲的種類很多，其性質也不相同，需要有針

34、對性地采用不同的方法消除。常用的方法有在圖像空間域中進行的，也有在頻域中進行的。它們都可以用濾波的概念來解釋，主要包括線性濾波和非線性濾波。常用的線性濾波方法為平滑濾波，非線性濾波為中值濾波。對于具有連續(xù)噪聲的圖像，線性處理方法進行起來比較好，比如加法均勻或者高斯分布的噪聲。然而，對于脈沖類的噪聲則提供了太多的平滑。非線性方法可以在噪聲平滑和圖像細節(jié)保留之間取的更好的平衡。第三章焊縫圖像濾波平滑濾波考慮到噪聲具有隨機性，在空間里變化比較快，要消除噪聲需選擇能減弱或消除圖像中高頻分量的平滑濾波。平滑濾波有領域平均法和加權平均法兩種基本方式。領域平均法在空域進行濾波常利用模板進行卷積來實現。模板是

35、一個小圖像，尺寸為×行（一般為奇數）。模板運算的基本思路是將某個像素的值根據其相鄰像素灰度值進行改變，一般采用以下步驟】：（）將模板在圖中滑動，將模板中心與圖中某個像素位置重合；（）將模板上的各個系數與模板下各對應像素的灰度值相乘；（）將所有乘積相加（為保持灰度范圍，常將結果再除以模板的系數個數）；（）將上述運算結果賦予圖中對應模板中心位置的像素。例如，圖（）為一幅圖像的一部分，其中所標的是一些像素的灰度值。圖（）表示一個×的濾波模板，模板內所標的是模板系數。在進行模板運算時，將所在位置與圖中所要處理的像素重合，如圖（）中灰度值為的像素。模板的輸出相應為：七（）豳（）（）圖

36、空間濾波機理【（）為了保證輸出圖的灰度值保持在原來的范圍，在計算后要將其除以系數總個廣東工業(yè)大學碩士學位論文數再進行賦值。例如對×的平滑模板來說，計算的后要除以系數。如圖所示。圖×平均平滑模板（）×將剮哦值予增強圖中（，）位置的像素作為新的灰度值就完成了在該像素的濾波。如果對原圖中每個像素進行逐個濾波就可以得到濾波后新的圖像。加權平均法在一個模板中，常用系數的大小來表示它對所進行濾波的圖像像素的作用大小，在應用中常取模板中心位置的系數最大而其周圍的系數較小。為了減小平滑處理中的模糊，常把重心點的系數取值最大，而隨著距中心點距離的增加減小系數值。在圖中為一個

37、5;加權模板，從圖中可以看出，中心位置的系數為，比其他位置的數值都大，其濾波的作用效果也是最大的。圖加權平滑模板（）獲取模板中各系數值的方法有多種。一種常用的方法是根據系數與模板中心的距離反比地確定其他內部系數的值，如圖所示。另一種方法是將系數值按高斯分布來確定【。為了得維高斯函數的離散模板，可對高斯函數的整數點一，采樣：州）去（一砉）（）曼三蘭堡塞里堡輦鍪式中盯為方差。如果讓口，則模板的尺寸就是”。當方差仃為時，模板系數序列可為，。當方差盯為時，模板系數序列可為，。在濾波時，可以式（）進行計算，再除以總系數的和以保證其灰度值在原圖的灰度值范圍內。圖為對處理區(qū)域進行平滑濾波后的圖像。從圖中可以

38、看出，雖然平滑濾波降低了圖像中的離散的亮點及黑點的影響，但也模糊了焊縫邊緣，并且模板越大，其模糊作用也越大。相對而言，加權模板能比較好地保持圖像的邊界信息。灞饈鷹（曲處理區(qū)域原圖（）×平均平滑后圖像（）平均平滑后圖像（）加權平滑后圖像滋（）×加權平滑后圖像盥圈不同模板平滑后的圖像中值濾波中值濾波是一種典型的非線性濾波方式，中值濾波器于年提出并應用在一維信號時間序列分析中，后來被二維圖像信號處理技術所引用¨】。領域平均法雖然可以平滑圖像，但在消除噪聲的同時，會使圖像中的一些細節(jié)變得模糊。中值濾波則在消除噪聲的同時還能保持圖像中的細節(jié)部分，防止邊緣模糊。中值濾波也可以

39、依靠模板來實現。廣東工業(yè)大學碩士學位論文先考慮一維信號序列，則濾波輸出為：，乃，乃，（）式中，代表取中值。一組數值的中值是將這組數值按大小排序后處在中間的那個，也就是有一半值大于，一半值小于腳。如果記窗口中的采樣分別為，厶，六，排序后的采樣依次為五。），五：），五：川）。將五，）記為第階統計，那么中值就是，階統計。一個二維中值濾波器的輸出可寫為：砌（，）（露嬲【弛，）】中（玎）個像素的值。中值濾波可用如下步驟【】進行：（）將模板在圖中滑動，并將模板中心與圖中某個像素位置重合；（）讀取模板下各個對應像素的灰度值；（）將這些灰度值從小到大排列成；（）式中，（，）為仳力的領域，對應模板尺寸。對一個所

40、用模板尺寸為，×玎的中值濾波器，其輸出值應大于等于模板中（）個像素的值，又應小于等于模板（）找出這些值中排在中間的一個；（）將這個中間值賦予對應模板中心位置的像素。從上述步驟可以看出，中值濾波器的主要功能就是讓周圍像素灰度值的差比較大的像素改取與周圍像素值接近的值，對孤立的噪聲像素的消除能力是很強的。由于它不是簡單的取平均值，所以產生的模糊比較少。中值濾波器的噪聲去除效果與模板的尺寸有關，同時也與模板中參與運算的像素數有關。實驗表明，當使用超過到個像素來消除噪聲時，計算量的增加比去噪效果的改善更明顯，所以當需要大模板考慮較大鄰域時可使用稀疏的模板來減少計算量。另外，中值濾波器的去噪效

41、果還與模板的形狀或模板中參與運算的像素構成的圖案的形狀有關。方形的模板會濾除細線并且濾波邊緣上的角點，十字叉模板能夠保留水平細線和垂直細線但會濾除對角線，形狀的模板則僅僅留對角線。圖中給出了種不同形狀的×的中值濾波烈”。圖是對（）中的處理區(qū)域原圖分別用圖中的中值模板進行濾波。從圖中可以看出采用圖（）的模板，可以有效地保留水平和垂直信息，并且對于焊縫邊界的模糊作用最小。通過對平均平滑和中值濾波后的圖像進行對比，發(fā)現中值濾波能更好地消除噪聲的影響并且能更好地保持圖像的邊界信息。第草焊蛙圖像游渡（）（圖經種形狀的中值模板濾波后的圖像廣東業(yè)大學硬士學位論文圖給出了焊縫橫截面的灰度值經過不同模

42、板濾波后的灰度值的曲線變化。從圖中可以看出用（）模板進行中值濾波后平滑了鋼板及焊縫區(qū)域的突變量，同時又比較完整地保持了焊縫的邊界信息，是一個比較合適的焊縫濾波器?！?。一、，一趔，劃。蒜“、“阿一；【：。麗瓤磊畫磊裔（原圖焊縫橫截面曲線趔型蒜趔趙摧掣創(chuàng)描（曲用（）?。ǎ﹦潉⒏猓┯茫ǎ┠０鍨V波后曲線贊函塑篷酗霾蓊一露蓊一翮一麴霧鬻霧塑翮捌創(chuàng)岱（）用（）模扳濾波后曲線（）用（模板濾波后曲線圖各種模扳濾波后焊縫橫截面灰度值曲線比較圖第三章焊縫圖像濾波本章小結在焊接過程中存在大量的噪聲干擾，文中所采集的圖像也受到噪聲的污染，為了降低噪聲的影響，提高檢測精度，本章討論了消除噪聲的方法。首先介紹了噪聲的來源

43、，其次針對所研究的圖像中的噪聲情況重點分析了平均平滑濾波和中值濾波兩種常用的方法。兩種濾波方法能夠有效地消除噪聲及圖像中某些受強弧光的引起的焊接表面的亮點，同時也模糊了圖像的邊界信息，并且隨著模板的增大其模糊越大。中值濾波能夠較好地保持圖像的邊緣信息，同時能有效地控制噪聲的影響。通過對兩種方法濾波后圖像的對比得中值濾波模板更適用于焊縫圖像噪聲的消除，其中十字形的中值濾波模板是比較理想的濾波器。廣東業(yè)大學碩士學位論文第四章焊縫圖像分割在對圖像的研究和應用中，人們往往只對圖像中的某些部分感興趣，這些部分常稱為目標。一般對應圖像中特定的、具有獨特性質區(qū)域，為了辨識和分析目標，需要將這些有關區(qū)域分離提

44、取出來。圖像分割就是把圖像分成各具特征的區(qū)域并提取出感興趣目標的技術和過程。在應用中，當感興趣的對象已經被分離出來時，就停止分割。圖像分割是由圖像處理進到圖像分析的關鍵步驟，也是一種基本的計算機視覺技術。精確的分割決定了計算分析過程的成敗。圖像分割算法一般基于亮度值的基本特性，即不連續(xù)性和相似性，基于亮度值的不連續(xù)變化分割圖像，將圖像分割為相似的區(qū)域。圖像分割的定義圖像分割可借助集合概念用如下比較正式的方法定義：令集合尺代表整個圖像區(qū)域，對的分割可看做將尺分成若干個滿足以下個條件的非空的子集（子區(qū)域）。，尺：，。：打（），；（）對所有的和，有尺，；（）對扛，有（，）；（）對，有（，）；（）對扛，足是連通的區(qū)域。其中，（。）是對所有在集合足中元素的邏輯謂詞，矽為空集。上述條件（）指出分割所得到的全部子區(qū)域的總和（并集）應能包括圖像中所有像素，或者分割應將圖像中的每個像素都分進某一個子區(qū)域中。條件（）指出各個子區(qū)域是互不重疊的，或者說一個像素不能同時屬于兩個區(qū)域。條件（）指出在分割后得到的屬于同一個區(qū)域中的像素應該具有某些相同特性或性質。條件（）指出在分割后得到的屬于不同區(qū)域中的像素應該具有一些不同的特征或性質。條件（）要求同一個子區(qū)域內的像素應