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        數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論在焊接熔池提取中的應(yīng)用

        2018-03-01 08:26:10武曉朦通信作者
        信息記錄材料 2018年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)組熔池形態(tài)學(xué)

        武曉朦,吳 凱(通信作者),王 歡

        (西安石油大學(xué),電子工程學(xué)院,陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065)

        1 引言

        在工業(yè)焊接熔池圖像處理中,由于焊接過程會產(chǎn)生煙霧,弧光以及火光飛濺,這樣會導(dǎo)致焊接熔池圖像中出現(xiàn)大量噪聲,影響焊接熔池圖像處理精度[1-2]。通過研究數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論中灰度形態(tài)學(xué)方法,并分析其應(yīng)用優(yōu)勢,并使用灰度形態(tài)學(xué)提取焊接熔池圖像,為今后工業(yè)提高焊接熔池圖像精度,發(fā)揮積極影響。本篇將對此做出具體分析。

        2 熔池圖像處理中運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的優(yōu)勢

        在工業(yè)熔池圖像處理中,其最終提取熔池圖像的目的,就是為了能夠獲取熔池圖像中最大的寬度信息,并根據(jù)熔池半長以及熔池后托角等相關(guān)信息特征,建立熔池特征圖像,從而根據(jù)熔池圖像映射模型,調(diào)節(jié)工業(yè)熔池焊接規(guī)范,實(shí)現(xiàn)對熔池焊接過程的控制發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)提取焊接熔池圖像多基于空間運(yùn)算方法聯(lián)合空域微分算子進(jìn)行圖像邊緣檢測,如Prewitt算子、Robert算子以及Sober算子,聯(lián)合高斯函數(shù)對原始的熔池圖像進(jìn)行分析。但這樣的熔池圖像處理方法對噪聲較為敏感,在檢測熔池圖像邊緣的同時,也會加強(qiáng)噪聲,降低熔池圖像處理精度,發(fā)揮不良影響。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論方法,可以將圖像中孤立的或小段連續(xù)的邊界快捷的轉(zhuǎn)化為強(qiáng)連通邊界,能較好地達(dá)到邊緣檢測的目的,很容易的區(qū)分出圖像中的不同物體,從而快捷的提取到目標(biāo)圖像[3-5]。處理焊接熔池圖像中,根據(jù)熔池灰度特性,在處理熔池圖像前判斷熔池灰度,這樣能有效避免圖像中大量高的背景像素點(diǎn)進(jìn)入到形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)運(yùn)算中,從而提高焊接熔池圖像的處理效率[6]。熔池圖像處理中,根據(jù)圖像中結(jié)構(gòu)元素量度提取圖像中與之對應(yīng)的形狀,不僅能達(dá)到對圖像進(jìn)行識別分析的目的,也可以進(jìn)一步簡化熔池圖像處理流程,運(yùn)用形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)算子有效濾除噪聲。

        3 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論的灰度形態(tài)學(xué)方法

        3.1 灰度形態(tài)學(xué)方法原理

        數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論是基于集合論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。實(shí)際圖像處理中,能夠應(yīng)用的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論,不僅包括二值形態(tài)學(xué)方法,還包括灰度形態(tài)學(xué)。二值形態(tài)學(xué)及灰度形態(tài)學(xué)方法均屬于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論的重要方法。其中二值形態(tài)學(xué)方法,是根據(jù)集合,經(jīng)圖像中所有運(yùn)算作為一個集合,然后根據(jù)集合運(yùn)算(也就是并、交、補(bǔ))定義,將圖像信息轉(zhuǎn)化為集合形式進(jìn)而解決圖像處理問題。

        灰度形態(tài)學(xué)理論,基于二值形態(tài)學(xué)方法,對灰度圖像進(jìn)行自然擴(kuò)展從而可以將膨脹、腐蝕、開運(yùn)算以及閉運(yùn)算這四種二值形態(tài)學(xué)算法,基于類比方法運(yùn)用到灰度圖像的空間中。在灰度形態(tài)學(xué)算法中,針對某一圖像,若設(shè)函數(shù) f(x,y)是輸入圖像;設(shè)b(x,y)是該圖像灰度結(jié)構(gòu)元素。b(x,y)同時也具備一個灰階的子圖像,因此在提取處理圖像信息中,可以將圖像中鄰域結(jié)構(gòu)元素定義域設(shè)為3×3的9點(diǎn),設(shè)b(x,y)為常量函數(shù),那么在實(shí)際處理灰度圖像中,能夠根據(jù)定義域基函數(shù)類型的不同,處理圖像灰度形態(tài)得出圖像處理結(jié)果。

        3.2 膨脹算法

        在灰度形態(tài)學(xué)方法中,膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中,使邊界向外部擴(kuò)張的過程??梢杂脕硖钛a(bǔ)物體中的空洞。在實(shí)際計算中,可以用b作為結(jié)構(gòu)元素,然后針對圖像函數(shù)f進(jìn)行灰度膨脹運(yùn)算,設(shè)該算法以f⊕b表示,則算法公式可定義為:

        3.3 腐蝕算法

        在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論中,腐蝕是一種消除邊界點(diǎn),使邊界向內(nèi)部收縮的過程??梢杂脕硐∏覠o意義的物體。圖像處理中的灰度腐蝕可以表示為f⊙b,算法公式定義如下所示:

        在實(shí)際對圖像進(jìn)行灰度形態(tài)學(xué)處理中,運(yùn)用膨脹運(yùn)算以及腐蝕運(yùn)算,都能夠?qū)^大的灰度變化邊緣產(chǎn)生敏感反應(yīng),降低噪聲敏感性,這樣能夠有效去除焊接熔池圖像陰極的霧化區(qū),從而提取圖像信息,規(guī)避斷點(diǎn)、噪聲對圖像處理精度的影響發(fā)揮積極應(yīng)用優(yōu)勢。

        4 灰度形態(tài)學(xué)提取焊縫熔池圖像的步驟

        運(yùn)用灰度形態(tài)學(xué)方法處理焊接熔池圖像中,熔池圖像背景區(qū)灰度值比200低,因此在設(shè)計提取焊接熔池圖像信息時設(shè)置灰度值為170以下,則對灰度值低于170的直接將其變?yōu)閳D像背景區(qū),程序不予處理。這樣不僅可以節(jié)約灰度形態(tài)學(xué)處理中對圖像進(jìn)行腐蝕膨脹的時間,還可以提高熔池圖像的實(shí)時性。發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢。針對焊接熔池圖像,應(yīng)用灰度形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行圖像提取處理中,該算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下所示:

        第一步:在提取焊接熔池圖像中,可以應(yīng)用矩量保持法,得到灰度形態(tài)學(xué)處理中圖像結(jié)構(gòu)因子的灰度值,從而可以針對熔池圖像,設(shè)計3×3的元素腐蝕結(jié)構(gòu)。

        第二步:可以在圖像處理過程中,申請二維的動態(tài)數(shù)組,數(shù)組的名稱分別是List、List1、List2,可以動態(tài)的將焊接熔池像素灰度值,復(fù)制到二維動態(tài)數(shù)組內(nèi)。

        第三步:對可以對數(shù)組內(nèi)的List1進(jìn)行膨脹算法處理,對圖像的List2數(shù)組進(jìn)行腐蝕運(yùn)算處理并將得到的結(jié)果保存在對應(yīng)數(shù)組之中。

        第四步:針對List1數(shù)組和List2數(shù)組行求差運(yùn)算,判斷圖像邊緣的出界情況;可以將符合焊接熔池圖像提取條件的數(shù)組,賦值為255,不滿足條件則賦值為0;

        在灰度形態(tài)學(xué)中,將其作為提取焊接熔池圖像的處理方法,不僅可以對原焊接熔池圖像進(jìn)行腐蝕運(yùn)算,也可以原圖像減去腐蝕的圖像,得到圖像處理結(jié)果。

        5 試驗(yàn)結(jié)果

        基于MATLAB7,在提取焊接熔池圖像中可以用灰度形態(tài)學(xué)方法對熔池圖像進(jìn)行處理。其仿真過程如下圖1所示。

        圖1 提取熔池圖像過程

        能夠從圖1中看出,應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論中的灰度形態(tài)學(xué)方法,可以用代數(shù)計算代替邏輯計算,使用灰度結(jié)構(gòu)元素,提取焊接熔池圖像的邊緣信息。在保存原有熔池圖像幾何形狀的基礎(chǔ)上,去除焊接熔池的點(diǎn)、線噪聲,提升熔池圖像處理精度。

        6 結(jié)語

        在提取焊接熔池圖像中,運(yùn)用灰度形態(tài)學(xué)方法處理圖像不僅可以快速、準(zhǔn)確的檢測到焊接熔池圖像中熔池的信息,也可因提升焊接熔池圖像處理精度,為后續(xù)熔池特征圖像的建立,發(fā)揮積極應(yīng)用價值。

        [1]張麗玲.基于小波和形態(tài)學(xué)降噪的弧焊視覺圖像模糊檢測[J].電焊機(jī),2011,41(1):28-31.

        [2]李夢醒.基于數(shù)字圖像的短路過渡焊熔池形態(tài)研究[D].上海交通大學(xué),2011.

        [3]楊嘉佳,王克鴻,吳統(tǒng)立,等.鋁合金雙絲脈沖MIG焊,雙向熔池同步視覺傳感及圖像處理[J].機(jī)械工程學(xué)報,2014,50(12):44-55.

        [4]畢海波,基于圖像處理技術(shù)磁控TIG焊熔池形態(tài)研究[D].南昌航空大學(xué),2015.

        [5]高向東,向俊斌,KhalidM.Hafez,等.激光深熔焊熔池X光圖像恢復(fù)與特征分析[J].焊接學(xué)報,2013,34(2):1-4.

        [6]王歡,高向東,張瑞,等.分段線性灰度變換在熔池邊緣提取中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù),2012,41(4):11-13.

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