清華大學(xué)機(jī)械工程系(北京市 100084)

歐志輝 孫振國(guó)

基于區(qū)域連通濾波的薄板焊縫跟蹤圖像處理算法

清華大學(xué)機(jī)械工程系(北京市 100084)

歐志輝 孫振國(guó)

針對(duì)工件表面經(jīng)過局部打磨或點(diǎn)固的薄板對(duì)接、搭接焊縫的焊縫中心線提取和焊接起始位置搜索問題，提出了一種基于區(qū)域連通濾波與Hough直線變換相結(jié)合的圖像處理算法。采用自適應(yīng)二值化算法有效分離打磨后灰度值非常接近的背景區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域；然后根據(jù)薄板對(duì)接、搭接焊縫寬度窄、直線型的形態(tài)學(xué)特征，采用區(qū)域連通濾波方法提取出焊縫區(qū)域；對(duì)于焊接圖像中存在的點(diǎn)固點(diǎn)干擾，通過區(qū)域連通濾波與Hough直線變換相結(jié)合進(jìn)行濾除。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的薄板對(duì)接、搭接焊縫跟蹤，跟蹤精度在±0.3 mm以內(nèi)。

區(qū)域連通濾波 對(duì)接 搭接 圖像處理 焊縫跟蹤

0 序 言

采用計(jì)算機(jī)視覺及圖像處理技術(shù)，進(jìn)行焊縫跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化，可以減少工作強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件、提高焊接效率和焊接質(zhì)量，是焊接智能化發(fā)展的重要方向[1-3]。而如何設(shè)計(jì)合理有效的焊縫跟蹤圖像處理算法，從相機(jī)獲取的焊接區(qū)域圖像中快速準(zhǔn)確地提取焊縫中心線，一直是焊接工作者研究的熱點(diǎn)問題之一[4-6]。

對(duì)于常規(guī)的薄板對(duì)接、搭接，根據(jù)其直線特征，運(yùn)用Hough直線變換可粗略提取焊縫直線，利用最小二乘法對(duì)直線方程進(jìn)行濾波能準(zhǔn)確地提取出焊縫中心線[7]。但部分工件由于表面有大量油污或銹斑存在，直接焊接容易產(chǎn)生缺陷，無(wú)法保證焊接質(zhì)量，需要在施焊前對(duì)工件表面進(jìn)行打磨、拋光等清潔處理。打磨后的工件，部分背景區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域灰度值較接近，且可能出現(xiàn)與焊縫特征接近的區(qū)域，如果直接對(duì)焊縫圖像進(jìn)行Hough變換提取直線容易出現(xiàn)誤判。對(duì)于沒有點(diǎn)固點(diǎn)的薄板對(duì)接、搭接焊縫，文獻(xiàn)中采用結(jié)構(gòu)光視覺，通過求取灰度的二階導(dǎo)數(shù)可準(zhǔn)確求取焊縫中心[8]。但在薄板焊接時(shí)，為防止變形，焊前會(huì)對(duì)工件進(jìn)行點(diǎn)固，點(diǎn)固點(diǎn)特征較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)光圖像特征不明顯，容易出現(xiàn)誤判。對(duì)于有點(diǎn)固點(diǎn)存在的焊縫圖像，文獻(xiàn)中通過增量閾值法濾除點(diǎn)固點(diǎn)干擾[9]。但如果工件表面因?yàn)榇蚰ザ嬖谳^多暗斑，增量閾值法會(huì)誤將有效區(qū)域刪除，導(dǎo)致特征點(diǎn)過少而不能準(zhǔn)確地提取焊縫中心線。

針對(duì)經(jīng)過局部打磨，有點(diǎn)固點(diǎn)干擾的薄板對(duì)接、搭接焊縫，文中提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于區(qū)域連通濾波與Hough直線變換相結(jié)合的焊縫跟蹤圖像處理算法，根據(jù)各區(qū)域面積大小及薄板焊縫寬度窄、直線型的形態(tài)學(xué)特征，有效排除了局部打磨及點(diǎn)固點(diǎn)帶來(lái)的干擾，準(zhǔn)確識(shí)別焊接初始點(diǎn)。

1 焊縫圖像處理算法

在實(shí)際應(yīng)用中，薄板焊縫跟蹤系統(tǒng)一般在焊槍前加上防護(hù)板，并配以合適的輔助光源與濾光片來(lái)濾除弧光干擾。采用CCD視覺傳感器采集的典型對(duì)接、搭接焊縫圖像如圖1所示。由圖1可見，這兩種焊縫圖像具有相似的目標(biāo)區(qū)域，采用的圖像處理算法的流程基本相同，即：首先采用局部自適應(yīng)二值化處理來(lái)有效分離目標(biāo)區(qū)域和干擾區(qū)域，然后對(duì)其進(jìn)行2次區(qū)域連通濾波處理來(lái)提取出焊縫區(qū)域，并利用灰度重心法對(duì)其進(jìn)行單像素化，最后采用Hough直線變換與最小二乘擬合相結(jié)合的方法來(lái)有效提取焊縫中心線。下文以對(duì)接焊縫為例加以詳述。

圖1 有點(diǎn)固點(diǎn)的對(duì)接、搭接焊縫圖像

1.1 圖像局部自適應(yīng)二值化處理

在提取焊縫特征前，必須對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理[10]。二值化可將圖像中的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域進(jìn)行分離，從而減少圖像中的干擾。如圖2所示，對(duì)于經(jīng)過局部打磨的工件，部分背景區(qū)域與焊縫區(qū)域灰度值接近，直接對(duì)圖像進(jìn)行固定閾值二值化，不僅閾值不易選取，而且容易錯(cuò)將焊縫區(qū)域當(dāng)成背景區(qū)域，丟失目標(biāo)信息，也容易將背景區(qū)域當(dāng)成焊縫區(qū)域，導(dǎo)致后續(xù)處理更加復(fù)雜甚至誤判。固定閾值二值化圖像如圖3a所示。從圖中可看出，固定閾值二值化誤將部分背景區(qū)域當(dāng)成目標(biāo)區(qū)域，使得目標(biāo)區(qū)域難以提取。為克服上述干擾，文中采用局部自適應(yīng)二值化處理，即根據(jù)像素的鄰域塊的灰度值來(lái)確定該像素位置上的二值化閾值。局部自適應(yīng)二值化閾值的計(jì)算原理為：

(1)

式中：i，j分別為圖像的行和列變量；f(i，j)為圖像第i行第j列的灰度值；K確定所選鄰域塊的大??；C為常量；T為所求取的閾值；m，n分別為圖像的行和列位置。

圖2 局部打磨對(duì)接焊縫

用上述局部自適應(yīng)閾值公式進(jìn)行二值化處理，選取K=15，C=30，得到二值化圖像如圖3b所示。從圖中可看出，局部自適應(yīng)閾值二值化能很好地將焊縫區(qū)域與干擾區(qū)域進(jìn)行分離，為后續(xù)焊縫區(qū)域的提取提供了基礎(chǔ)。

1.2 基于區(qū)域連通濾波的焊縫區(qū)域提取

焊接起始點(diǎn)作為整個(gè)焊接過程的基準(zhǔn)值，其定位的精度直接影響焊縫跟蹤的精度。而焊縫區(qū)域提取是焊縫圖像處理中的重要步驟，在焊前搜索焊接起始位置時(shí)顯得尤為重要。焊縫圖像經(jīng)過自適應(yīng)二值化預(yù)處理后分開成若干區(qū)域，包括焊縫區(qū)域和干擾區(qū)域。其中，干擾區(qū)域主要是由反射、打磨及工件表面暗斑等引起的。通過分析這些干擾區(qū)域可發(fā)現(xiàn)，其區(qū)域大小及形狀特征與焊縫區(qū)域有較大差別。因此，可以通過連通域分析得到各連通區(qū)域的大小和形狀特征參數(shù)，根據(jù)對(duì)接焊縫具有的焊縫寬度窄、直線型等特點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域連通濾波可快速、有效地濾除干擾區(qū)域，得到焊縫區(qū)域。

圖3 二值化后的焊縫圖像

連通域常見的鄰接關(guān)系有4鄰接和8鄰接，文中考慮4鄰接連通域。區(qū)域連通檢測(cè)步驟為：①第一次掃描，訪問二值圖像中像素f(i，j)，如果某個(gè)像素f(i，j)=1且4鄰域像素都為0，則賦予一個(gè)新的label，即label++，f(i，j) =label；②如果某個(gè)像素 f(i，j)=1且4鄰域內(nèi)有像素值不為0，則將鄰域中最小label賦給f(i，j)；③記錄下鄰域中有多個(gè)像素f(i，j)=1的各個(gè)label之間的相等關(guān)系，即這些不同label值同屬一個(gè)連通區(qū)域；④第二次掃描，如果像素f(i，j)>1，找到與label=f(i，j)同屬相等關(guān)系的最小label值，賦給f(i，j)；⑤掃描完成后，圖像中具有相同label值的像素就組成了同一個(gè)連通區(qū)域。

對(duì)二值化處理后的圖像按上述步驟進(jìn)行區(qū)域連通檢測(cè)，再對(duì)各連通域進(jìn)行邊界矩形提取，可得到包含各個(gè)連通域的最小矩形及其形狀參數(shù)。通過圖像分析所獲得的形狀描述可以用于目標(biāo)識(shí)別[11]。

從圖3b中可看出，二值化后圖像存在很多小面積區(qū)域，這是由于工件表面的暗斑產(chǎn)生的。這些干擾區(qū)域的面積與焊縫區(qū)域面積相差很大，因此可設(shè)定連通區(qū)域面積閾值來(lái)濾除這些小面積干擾區(qū)域。第1次區(qū)域連通濾波，濾除干擾后圖像如圖4所示。

圖4 第1次區(qū)域連通濾波圖像

由圖4可見，通過上述濾波后，小面積干擾區(qū)域均已濾除，剩下的是由于打磨引起的大面積干擾區(qū)域。這些干擾區(qū)域沒有任何形狀規(guī)則，而對(duì)接焊縫是直線且寬度很窄，其邊界矩形的寬長(zhǎng)比很小。因此，對(duì)各連通域的邊界矩形求取寬長(zhǎng)比值，則可濾除與焊縫中心區(qū)域形狀相差較大的區(qū)域。各連通區(qū)域?qū)掗L(zhǎng)比值與區(qū)域面積關(guān)系如圖5所示。

圖5 區(qū)域面積與寬長(zhǎng)比關(guān)系圖

從圖5可看出，各連通區(qū)域中，焊縫區(qū)域的寬長(zhǎng)比最小，且比值與其它區(qū)域相差較大。通過設(shè)定合理寬長(zhǎng)比閾值可有效地濾除干擾區(qū)域。第2次區(qū)域連通濾波后的圖像如圖6所示，此時(shí)干擾區(qū)域被完全濾除，焊縫區(qū)域被有效地提取出來(lái)。

1.3 焊縫中心線提取

對(duì)于沒有點(diǎn)固點(diǎn)存在的焊縫圖像，經(jīng)過區(qū)域連通濾波后，各干擾區(qū)域均已濾除，僅剩下焊縫區(qū)域，如圖6所示。對(duì)區(qū)域連通濾波后的圖像按列掃描，利用灰度重心法求取每一列的焊縫中心。其原理為：

圖6 第2次區(qū)域連通濾波圖像

(2)

式中：i，j分別為圖像的列和行； g(i)為每一列焊縫中心所在位置；N為f(i，j)≠0的個(gè)數(shù)；f(i，j)為圖像中第i列第j行的灰度值(取值為0或1)；n為圖像的總行數(shù)。

對(duì)求取的焊縫中心用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，擬合后的焊縫中心線如圖7所示。

圖7 沒有點(diǎn)固點(diǎn)擬合的焊縫中心線

對(duì)于存在如圖1a所示的有點(diǎn)固點(diǎn)且工件表面存在較多暗斑的焊縫，先采用區(qū)域連通濾波與Hough直線變換相結(jié)合，來(lái)濾除點(diǎn)固點(diǎn)干擾，然后用最小二乘濾波擬合焊縫中心線。

由于Hough變換需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，直接對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行Hough變換，會(huì)耗時(shí)較長(zhǎng)。為減少Hough變換運(yùn)算時(shí)間，首先利用公式(2)對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行單像素化。再對(duì)單像素化后的焊縫區(qū)域進(jìn)行Hough直線變換，檢測(cè)到若干條直線段，選擇最長(zhǎng)線段上的點(diǎn)進(jìn)行最小二乘直線擬合，擬合的直線即為所求取的焊縫中心線，如圖8所示。

圖8 有點(diǎn)固點(diǎn)擬合的焊縫中心線

2 試驗(yàn)效果

(1)分別對(duì)不銹鋼、打磨與不打磨的碳鋼進(jìn)行焊縫跟蹤試驗(yàn)。薄板焊縫寬度約為0.5 mm，長(zhǎng)度1 080 mm，每隔20 mm進(jìn)行抽樣計(jì)算焊縫跟蹤精度，使用同一套設(shè)備對(duì)相同的焊縫進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)20次得到焊縫跟蹤精度隨跟蹤長(zhǎng)度的變化曲線如圖9所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，文中所提出的算法對(duì)不銹鋼和打磨前后的碳鋼均適應(yīng)，且跟蹤偏差能夠維持在±0.3 mm以內(nèi)。

圖9 焊縫跟蹤試驗(yàn)結(jié)果

(2)為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)圖像處理算法實(shí)際應(yīng)用效果，在成都艾格科技有限責(zé)任公司搭建的集裝箱薄板自動(dòng)化組焊試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了大量的薄板對(duì)接焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的圖像處理算法能夠有效克服弧光干擾，跟蹤速度和精度滿足工程應(yīng)用要求。

3 結(jié) 論

提出了一種針對(duì)于工件表面局部打磨，有點(diǎn)固點(diǎn)干擾的對(duì)接、搭接焊縫視覺跟蹤方法。首先采用自適應(yīng)閾值二值化可有效分離干擾區(qū)域與焊縫區(qū)域。然后通過區(qū)域連通濾波，根據(jù)各區(qū)域面積大小及薄板焊縫寬度窄、直線型的形態(tài)學(xué)特征，有效排除了打磨帶來(lái)的干擾。用區(qū)域連通濾波與Hough直線變換相結(jié)合有效消除了點(diǎn)固點(diǎn)干擾。相關(guān)試驗(yàn)表明，該算法適應(yīng)性強(qiáng)、精度高，能準(zhǔn)確找到焊接的起始位置，可滿足相關(guān)企業(yè)集裝箱薄板對(duì)接焊縫的自動(dòng)焊接要求。

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2016-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475259)

TG409

歐志輝，1989年出生，碩士研究生。研究方向?yàn)榛谝曈X的焊縫跟蹤與檢測(cè)。