崔紅星，王曉軍（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266590）

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基于視覺的微細對接焊縫檢測方法

崔紅星，王曉軍
（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266590）

摘要：本文將機器視覺和圖像處理技術(shù)融入到緊密對接焊縫的檢測系統(tǒng)中，提出一種采用LED光源照明的焊縫檢測方法。第一步采用Canny算法對焊縫進行邊緣處理，第二步采用概率Hough變換提取焊縫中心線。實驗結(jié)果表明，該方法魯棒性強，可以精確檢測出焊縫中心線，達到了期望的檢測精度，解決了微細對接焊縫檢測問題，結(jié)果令人滿意。

關(guān)鍵詞：焊縫中心線；LED光源；Canny算法；概率Hough變換

1　自主設(shè)計視覺傳感系統(tǒng)

主動光視覺系統(tǒng)一般是由特定結(jié)構(gòu)光源與攝像機組成，其利用具有某種結(jié)構(gòu)光源將光線投射到工件表面，由攝像機獲取工件表面的圖像并進行處理。微細對接焊縫視覺跟蹤系統(tǒng)主要由三部分組成：視覺傳感系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、主控計算機，如圖1 所示。視覺傳感系統(tǒng)是本文自主設(shè)計的，由數(shù)字?jǐn)z像機和結(jié)構(gòu)光光源組成，本實驗選用的是加拿大的Point Grey攝相機，峰值波長為660nm帶寬為20nm的LED光源，中心波長為660nm帶寬為10nm的一字型激光發(fā)生器。數(shù)字?jǐn)z像機安裝于焊槍前方50mm處，為了使焊縫圖像較好地反映焊槍偏離焊縫的情況，數(shù)字?jǐn)z像機的光軸中心垂直于薄鋼板平面。LED光源位于攝像機的兩側(cè)，傾斜一定角度打向工件，確保攝像機獲取清晰圖像。激光發(fā)生器由定位支架固定于數(shù)字?jǐn)z像機的前方，并傾斜一定的角度，確保其打出的激光帶在攝像機的攝像視野范圍內(nèi)。

圖1　微細焊縫視覺跟蹤系統(tǒng)

2　改進Canny算法提取焊縫邊緣

Canny 算子是基于最優(yōu)算法的邊緣檢測算子，該算法具有檢測位置精度高、邊緣檢測為單像素等優(yōu)點，在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)Canny算子進行邊緣提取時會提取出由弧光及工件污漬引起的邊緣，這些干擾邊緣對后續(xù)圖像處理非常不利，增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理計算量。針對攝像機采集的焊縫圖像研究分析后發(fā)現(xiàn)具有以下特點：焊縫中心線處像素點灰度值遠小于其左右方向上像素點處灰度值；焊縫中心線處像素點灰度值與其上下方向上像素點灰度值變化不大。本文根據(jù)以上焊縫特點采用灰度值做差方法剔除干擾邊緣，其原理是在進行邊緣連接后，在原始圖像中計算邊緣點像素四鄰域內(nèi)灰度平均值，并用該灰度值分別與位于其上下十行位置像素灰度值做差得到d1、d2，同時分別與位于其左右三十列位置像素灰度值做差得到d3、d4。若d1和d2同時小于閾值T1，且d3或d4大于閾值T2，則該像素所對應(yīng)邊緣點保留，否則該像素所對應(yīng)邊緣點去除，灰度值做差公式如下式所示：

圖2 Canny算子邊緣檢測

圖2（a）中可以看出傳統(tǒng)Canny算子進行邊緣檢測時，未能夠有效剔除干擾信息，檢測出弧光等干擾邊緣。圖2（b）中可以看出改進Canny算法能夠去除干擾邊緣，且對不同焊接圖像都有比較好的邊緣提取效果。由于焊接環(huán)境復(fù)雜，焊縫特征不明顯，改進Canny算法雖會遺漏部分邊緣信息，也沒有去除全部干擾信息，但并未對后續(xù)焊縫中心線提取產(chǎn)生不利影響，反而會縮短圖像處理時間，因此改進Canny算法有效，能夠滿足系統(tǒng)的工作要求。

3　改進Hough變換提取焊縫中心線

檢測到焊縫邊緣后，需要用一條直線擬合焊縫中心，即提取出焊縫中心線。Hough變換對數(shù)據(jù)不完全或噪聲不是非常敏感，具有良好魯棒性及抗干擾性，已成為模式識別中提取直線的重要工具。結(jié)合焊縫圖像邊緣檢測實際特征及整個系統(tǒng)實時性要求，本文使用概率Hough變換提取焊縫中心線。由于概率Hough變換在進行直線提取時會檢測出多條直線，或檢測出偽直線，然而焊縫檢測時只需要檢測出一條準(zhǔn)確焊縫中心線，故結(jié)合焊縫圖像特點對概率Hough變換進行改進，使其檢測出一條能夠代表焊縫真實位置直線。由于焊縫中心線是豎直方向，并且焊縫中心線上像素點灰度值與其周圍像素點灰度值差異較大，根據(jù)這些特征我們在概率Hough變換中對檢測直線斜率和檢測直線端點灰度值進行約束，從而去掉干擾直線，僅保留一條焊縫中心線，具體算法實現(xiàn)概括如下：

（1）采用概率Hough變換算法檢測直線，隨機抽取檢測直線端點，如果該直線端點已被抽取，則繼續(xù)在剩下直線中隨機抽取，抽取直線端點后進入步驟（2）；若直線都抽取完則進行步驟（4）。

（2）計算直線端點斜率，若斜率小于閾值，則標(biāo)記為正確直線并進行步驟（3），否則回到步驟（1）。

（3）選取該直線的起始端點k及分別位于其前、后10列的像素點k1、k2，把k像素點灰度值分別與k1、k2像素點灰度值做差并取其絕對值，計算差值的和，存入數(shù)組并進入步驟（4）。

（4）若不是最后一組直線端點，則進入步驟（1），否則尋找數(shù)組中的最大值，找出最大值所對應(yīng)的直線端點，輸出該端點所在直線，算法結(jié)束。

圖3改進累計概率Hough變換檢測效果圖

圖3看出改進算法能有效去除干擾直線，準(zhǔn)確保留一條最優(yōu)直線；并且保留直線緊緊位于焊縫中心線處，直線準(zhǔn)確度較高，能夠代表焊縫的真實位置信息；因此改進算法效果較好，能夠滿足焊縫中心線檢測要求。

4　結(jié)束語

本文利用自主設(shè)計的視覺傳感系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了微細對接焊縫中心線提取工作，該方法簡單快速并且檢測精度和準(zhǔn)確度較高。首先同時采用LED光源和激光器搭建視覺傳感系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)進行焊接實驗并獲取焊接圖像，利用改進的Canny算法實現(xiàn)焊縫中心線邊緣檢測，然后采用改進概率Hough變換提取焊縫中心線，進而提取出焊縫信息。實驗結(jié)果表明，文中提出的方法能夠高精度的進行焊縫中心線提取，取得了令人滿意的效果。

參考文獻

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Micro Butt Welding Seam Detection Method Based on Vision

Cui Hongxing，Wang Xiaojun
（College of Electronic Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong，266590）

Abstract：In this paper，the machine vision and image processing technology are integrated into the close butt weld inspection system，and a method of welding seam detection using LED light source is proposed. In the first step，the Canny algorithm is used to deal with the edge of the weld.Second step，using probabilistic Hough transform to extract the centerline of the weld.The experimental results show that the method is robust and can accurately detect the center line of the weld seam，which can achieve the desired detection accuracy，and the results are satisfactory.

Keywords：the center line of the weld；the LED light source；Canny algorithm；probabilistic Hough transform

中圖分類號：TP242.62.

文獻標(biāo)志碼：A