余卓驊 胡艷梅 何銀水

(1.華東交通大學(xué)理工學(xué)院,南昌 330100； 2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院,南昌 330031)

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基于方向顯著性的熔池背景下V形焊縫激光條紋的有效提取

余卓驊1胡艷梅1何銀水2

(1.華東交通大學(xué)理工學(xué)院,南昌 330100； 2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院,南昌 330031)

焊縫跟蹤是機(jī)器人自動(dòng)化焊接的核心技術(shù)，而厚板焊接中準(zhǔn)確提取用于檢測焊縫輪廓的激光條紋技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)同一幀焊縫圖像中同時(shí)采集了熔池區(qū)域和激光條紋的特點(diǎn)，提出采用多區(qū)域多方向Gabor濾波的方法獲取焊縫圖像多方向特征圖，然后采用基于局部區(qū)域灰度均值最大法消除背景干擾，最后利用連通域法消除因激光條紋輪廓檢測缺口而產(chǎn)生的干擾。通過圖像處理試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性，為厚板焊接的實(shí)時(shí)跟蹤打下基礎(chǔ)。

方向性 V形焊縫 激光條紋提取 Gabor濾波

0 序 言

厚板焊接因涉及多層多道焊往往需要用主動(dòng)視覺傳感器檢測焊縫輪廓。目前采用激光器作為輔助光源照射焊縫來檢測焊縫輪廓是一種通用的技術(shù)[1]。為了減少熔池區(qū)域和飛濺等對圖像采集的干擾，在視覺傳感器設(shè)計(jì)上往往采用擋板[2]，因而采集的焊縫圖像往往沒有熔池只有激光條紋。針對這種焊縫圖像，大量文獻(xiàn)提出了多種激光條紋提取的算法。如文獻(xiàn)[3]中，作者提出了基于單目立體視覺的焊縫三維重建，利用圖像濾波、閾值分割法、邊緣檢測、圖像銳化及骨架細(xì)化等方法對焊縫圖像進(jìn)行處理。在文獻(xiàn)[4]陳熙引的有關(guān)焊縫識別的研究論文中，提出了利用背景差分、閾值分割以及匹配檢測三步組成的算法，也對激光條紋的提取起到了很好的效果。

然而，熔池區(qū)域有助于對焊機(jī)過程的監(jiān)控，同時(shí)有助于指示焊槍位置。因此在焊縫圖像中出現(xiàn)熔池區(qū)域有助于提高焊接質(zhì)量。文中利用新穎的激光視覺傳感器將熔池區(qū)域和激光條紋采集在同一幀中。為了降低熔池區(qū)域?qū)す鈼l紋的干擾，同時(shí)滿足后續(xù)焊縫跟蹤精度的需要，激光條紋距離焊槍的實(shí)際距離約為30 mm。針對這一焊縫圖像的特點(diǎn)，提出采用激光條紋的方向特征來提取焊縫輪廓信息，并通過圖像處理試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 Gabor濾波

利用Gabor變換進(jìn)行圖像濾波是由D.Gabor在1946年提出來的。Gabor濾波器屬于線性濾波器，它的頻率和方向特征與人類的視覺系統(tǒng)類似。在空域里，Gabor濾波器等于高斯函數(shù)和正弦平面波的乘積，可以利用如下公式來描述：

(1)

其中，

(2)

式中,σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;λ為正弦函數(shù)波長;θ為檢測方向。通過大量的離線處理試驗(yàn)得出，當(dāng)設(shè)置σ=4.12，λ=7.69且δ=1時(shí)能較好檢測不同方向的激光條紋，且能適用于不同場合采集的含有激光條紋的焊縫圖像。通過大量的圖像處理試驗(yàn)得出，采用不同角度的濾波對檢測焊縫方向特征的效果是不一樣的。從試驗(yàn)選取的原始焊縫圖像如圖1所示。

圖1 原始焊縫圖像

對圖1的原始焊縫圖像進(jìn)行不同方向的Gabor濾波獲取不同的濾波結(jié)果，如圖2所示。

圖2 不同濾波方向下的Gabor濾波效果圖

從圖2中可以看出，使用不同的角度對圖像進(jìn)行濾波，焊縫不同部位的方向信息檢測的效果也不一樣。為了將不同方向特征的激光分段充分凸顯出來，采用多區(qū)域多檢測方向?qū)缚p圖像進(jìn)行Gabor濾波，然后將不同區(qū)域不同方向下濾波的結(jié)果組合在一起，經(jīng)驗(yàn)證是一種有效的方法。

2 多區(qū)域多方向Gabor濾波

圖像中熔池區(qū)域具有最大亮度，而其與激光條紋之間的位置相對固定。利用上述信息可以對焊縫圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，具體步驟如下：首先對圖1進(jìn)行閾值分割，將圖像中的最大灰度值作為閾值，得到圖3。然后利用熔池區(qū)域的幾何中心和其下邊界對整個(gè)圖像分割如圖4所示。

接著對不同區(qū)域進(jìn)行Gabor濾波。通過大量圖片處理試驗(yàn)得出，對區(qū)域A設(shè)置-5°的檢測方向進(jìn)行Gabor濾波，得出的焊縫效果最佳，對區(qū)域B設(shè)置13°的檢測方向進(jìn)行Gabor濾波，得出的焊縫輪廓效果最佳，結(jié)果分別如圖5a，5b所示。

圖3 閾值分割

圖4 劃分區(qū)域

圖5 對不同區(qū)域進(jìn)行Gabor濾波的結(jié)果

將上述2種方向特征結(jié)合即可顯示焊縫輪廓，如圖6所示。

最后對區(qū)域C的處理較為簡單，可以直接將該區(qū)域處理為黑色背景。

圖6 Gabor濾波綜合圖

3 局部區(qū)域灰度均值最大法提取激光條紋

圖6中焊縫圖像經(jīng)過分區(qū)域Gabor濾波之后，除了有焊縫輪廓信息外，圖像中仍有部分干擾背景，所以還需要對圖像進(jìn)行去干擾處理。在文中中采取的是局部區(qū)域最大值法來提取焊縫輪廓。由于多區(qū)域多方向Gabor濾波處理后，在相同范圍的局部區(qū)域內(nèi)激光條紋所在位置的灰度值高于其上下背景處，利用這一特點(diǎn)可以將激光條紋進(jìn)一步凸顯出來。具體步驟如下：設(shè)定5×1的局部區(qū)域進(jìn)行列平滑，每次記錄該區(qū)域所在位置的平均灰度值，且以該區(qū)域的中心標(biāo)記每個(gè)平均灰度值。當(dāng)某列平滑完成后可以獲取該列最大平均灰度值，同時(shí)可以獲取相應(yīng)的位置。將該列最大平均灰度值所在的平滑區(qū)域設(shè)置灰度255，其他平滑區(qū)域的灰度設(shè)置為背景0。對圖6進(jìn)行如上處理得到結(jié)果如圖7所示。

通過圖7看出，經(jīng)過平均灰度最大值法所處理的圖像，仍存在少數(shù)熔池部分干擾或其他噪點(diǎn)，文中通過bwareaopen函數(shù)刪除圖像中干擾的小面積對象，其運(yùn)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，焊縫輪廓已經(jīng)清晰的被提取出來了。為驗(yàn)證該方法的有效性，我們也選取了有著不同干擾程度的焊縫圖像進(jìn)行試驗(yàn)，其效果如圖9所示，其中圖9a為焊縫原始圖像；圖9b為中間濾波處理結(jié)果；圖9c為利用局部區(qū)域灰度最值法處理過后的圖像。

圖7 平均灰度最值法處理結(jié)果

圖8 刪除小面積對象結(jié)果

大量的圖像處理試驗(yàn)表明，文中提出的多方向Gabor濾波均可以有效消除或降低不同的熔池形貌和具有豎直方向的飛濺帶來的干擾(圖9a和圖9b)，結(jié)合局部區(qū)域灰度最值算法可以有效提取激光條紋(圖9c)。

值得注意的是：文中Gabor濾波的高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和正弦函數(shù)波長的取值雖是經(jīng)過濾波試驗(yàn)獲取的，但是大量的離線圖像處理試驗(yàn)驗(yàn)證了這樣一個(gè)事實(shí)，即文中對這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置值對厚板不同接頭形貌下激光條紋的方向特征的檢測均有效。

圖9 針對不同干擾的焊縫試驗(yàn)圖像

4 結(jié) 論

文中針對同一幀焊縫圖像中同時(shí)采集了熔池區(qū)域和激光條紋的特點(diǎn)，在僅以提取激光條紋為目的的圖像處理中充分利用熔池區(qū)域的位置，提出采用多區(qū)域多方向Gabor濾波來充分凸顯激光條紋，通過圖像處理驗(yàn)證了如下事實(shí)：

(1)厚板焊接中采用激光來檢測焊縫輪廓時(shí)，采用多方向特征來提取激光條紋具有更快更好的識別效果。

(2)利用Gabor濾波檢測激光條紋的方向特征時(shí)，設(shè)置σ=4.12，λ=7.69且δ=1，能滿足不同場合采集的焊縫圖像的激光條紋的提取。

(3)局部區(qū)域灰度均值最大法其實(shí)質(zhì)為局部區(qū)域閾值分割法，能最大限度的檢測出激光條紋，同時(shí)最大限度消除背景干擾。

[1] 張 軻, 朱曉鵬, 陳志翔. 智能化跟蹤傳感技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 金屬加工(熱加工), 2014(10): 18-22.

[2] 王含宇, 韓 沖, 張碧超. 結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題[J]. 電焊機(jī), 2013，43(8): 1-7.

[3] 王建軍.鋁合金脈沖TIG焊熔池動(dòng)態(tài)特征的視覺信息獲取與自適應(yīng)控制[D]. 上海：上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文, 2007.

[4] 陳熙引.基于雙目視覺的機(jī)器人焊縫識別及軌跡規(guī)劃研究[D].廣州：華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

2016-03-21

TG409

余卓驊，1980年出生，碩士，講師。主要從事機(jī)器人焊接圖像處理和汽車技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作，已發(fā)表論文10余篇。