摘? 要: 在智能焊接控制系統(tǒng)中準(zhǔn)確識(shí)別焊縫位置是一個(gè)重要任務(wù)。提出一種基于小波" title="小波">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" 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title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換的焊接圖像的焊縫識(shí)別方法。研究結(jié)果證明:該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法" title="檢測(cè)方法">檢測(cè)方法,具有更好的去噪性能,可以準(zhǔn)確地識(shí)別焊縫的位置。
關(guān)鍵詞: 焊縫識(shí)別? 小波變換
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在焊接制造過(guò)程中,焊縫跟蹤是焊接過(guò)程自動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其中,焊縫位置識(shí)別是實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的主要任務(wù)。只有準(zhǔn)確地識(shí)別出焊縫的具體位置,才能控制焊炬,使之始終保持在焊縫上,從而保證焊接工作的順利進(jìn)行。在基于視覺(jué)傳感器的智能弧焊控制系統(tǒng)中,CCD攝像頭攝取的焊接溫度場(chǎng)" title="溫度場(chǎng)">溫度場(chǎng)圖像[2]如圖1所示。由于種種不可預(yù)見(jiàn)的原因,存在各種干擾噪聲和一些“虛假”的邊緣,使得用傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法(如梯度算法以及sobel、canny邊緣檢測(cè)方法)很難可靠地檢測(cè)出焊縫的準(zhǔn)確位置。
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小波變換是近年來(lái)信號(hào)處理領(lǐng)域的熱門話題,它以優(yōu)于傳統(tǒng)傅立葉變換的諸多特點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。小波變換的一個(gè)重要性質(zhì)就是它在時(shí)、頻兩域具有突出信號(hào)局部特征的能力。小波變換為準(zhǔn)確地識(shí)別信號(hào)的奇異點(diǎn)位置(在此處即指焊縫位置)提供了新的思路。實(shí)驗(yàn)表明:應(yīng)用小波變換進(jìn)行焊縫檢測(cè),可以有效地消除上述的噪聲及虛假邊緣,并且能夠精確地對(duì)焊縫進(jìn)行定位,從而取得了傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法所不能達(dá)到的效果。
1 小波變換應(yīng)用于信號(hào)奇異點(diǎn)檢測(cè)的原理[3～6]
設(shè)函數(shù)ψ(x)是小波函數(shù),如果它滿足：
????則函數(shù)f(x)在尺度2j和位置x上的小波變換為：
用信號(hào)的小波變換的奇異點(diǎn)(如極值點(diǎn)等)的表現(xiàn)來(lái)表示信號(hào)特性(特別是它的突變或瞬態(tài)特性)是小波變換領(lǐng)域引人注目的一個(gè)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)小波變換原理的分析[6],得出:
若小波函數(shù)ψ(1)(t)是某平滑函數(shù)θ(t)的一階導(dǎo)數(shù),則用ψ(1)(t)對(duì)信號(hào)x(t)作小波變換,x(t)小波變換的極值點(diǎn)即為信號(hào)x(t)的突變點(diǎn)。
在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到Harr小波盡管對(duì)檢測(cè)信號(hào)奇異點(diǎn)對(duì)稱性滿足要求,且有支集較短、運(yùn)算量較小的優(yōu)點(diǎn),但Harr小波的消失矩小,不能應(yīng)對(duì)焊縫提取中可能遇到的種種復(fù)雜情況;而三次樣條小波消失矩雖大,但卻存在支集較長(zhǎng)、運(yùn)算量大的問(wèn)題,因而不適于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。在權(quán)衡了消失矩和支集長(zhǎng)度的利弊之后,選用了二次樣條小波(其為光滑函數(shù)3階B樣條函數(shù)的導(dǎo)數(shù))作為檢測(cè)焊縫位置的小波。二次樣條小波的消失矩高于Harr小波,而其支集長(zhǎng)度又小于三次樣條小波,有利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。其對(duì)應(yīng)的尺度濾波器系數(shù)(h(n))和小波濾波器系數(shù)(g(n))如表1所示。
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2 焊接圖像的特點(diǎn)
經(jīng)分析得出，焊接溫度場(chǎng)圖像(見(jiàn)圖1)有如下特點(diǎn):
①焊接圖像灰度黑白對(duì)比明顯,以亮暗為主。
②焊接圖像的二維信息分布不均勻,在列方向變化大,信息量多;而在行方向變化小,信息量小。因而這里主要關(guān)心焊縫在列方向上的位置,所以只在列的方向上提取焊縫的信息而不考慮焊縫在行方向的信息。
③焊接圖像是用攝像機(jī)拍攝的,因攝像機(jī)的解析度的原因,在焊縫旁邊還有許多和焊縫平行的細(xì)小邊緣,這些邊緣較焊縫細(xì)、尖銳,會(huì)給焊縫邊緣檢測(cè)帶來(lái)干擾。
④在焊接圖像的黑暗背景中,有很多人的肉眼無(wú)法辨認(rèn)的干擾點(diǎn)。這些干擾點(diǎn)灰度起伏很大,其特性接近邊緣點(diǎn),因而對(duì)傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法影響很大。
3 焊縫檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)及結(jié)果
焊接圖像灰度以黑白為主,且其值大小相差較大(可縱向截取焊接圖像灰度矩陣的中間一列,得到如圖2所示的一列灰度表示圖)。從這列灰度值可以看出:在肉眼直觀辨認(rèn)時(shí)認(rèn)為是黑色背景的區(qū)域,其實(shí)有很多起伏很大的干擾點(diǎn)。這些干擾點(diǎn)的起伏甚至要強(qiáng)于邊緣點(diǎn)的起伏,這就會(huì)給任何一種奇異點(diǎn)檢測(cè)帶來(lái)干擾。從該圖中還可以看到:由于這些干擾點(diǎn)處于低灰度區(qū),而焊縫邊緣點(diǎn)處于高灰度區(qū),且高低灰度區(qū)之間的灰度差距很大,區(qū)別非常明顯。因而根據(jù)這一特點(diǎn),得出如下焊縫識(shí)別算法:
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①對(duì)圖像進(jìn)行閾值處理,將灰度值小于60(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取50～70范圍內(nèi)的一個(gè)值)的灰度置零,結(jié)果如圖3所示。這樣一來(lái)就可以去除這些低灰度值區(qū)域的干擾點(diǎn),有利于對(duì)圖像奇異點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)而又不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。
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②對(duì)經(jīng)過(guò)步驟①處理后的焊接圖像的每一列進(jìn)行列方向的離散小波變換,即使用前面提到的二次樣條小波濾波器進(jìn)行列方向的濾波:
③從由每一列焊接圖像灰度值求出的W1(k)中找到零交叉點(diǎn),并依據(jù)這些零交叉點(diǎn)求出相鄰兩個(gè)零交叉點(diǎn)之間的極大值點(diǎn),記錄下這些極大值點(diǎn),結(jié)果如圖4所示。從圖4中除了能辨別出焊縫之外,還可見(jiàn)很多虛假的“邊緣”,這是因攝像機(jī)的解析度的原因而產(chǎn)生的與焊縫平行的細(xì)小“邊緣”。為了消除這些“邊緣”給焊縫識(shí)別帶來(lái)的影響,需再設(shè)定閾值以去除這些虛假“邊緣”。
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④找出每一列的極大值點(diǎn)中模值最大" title="最大">最大的那個(gè)點(diǎn),以該點(diǎn)的極大值的模值(設(shè)為M)為基準(zhǔn)設(shè)定一個(gè)閾值(閾值取5M/6),去除該列中模值小于閾值的極大值點(diǎn),而認(rèn)為模值大于閾值的極大值點(diǎn)是可能的焊縫點(diǎn),從而得到可能的焊縫點(diǎn)的圖像,如圖5所示。這樣做的依據(jù)是虛假“邊緣”一般來(lái)說(shuō)比真正的焊縫細(xì)小,因而產(chǎn)生的模極大值也要小于焊縫產(chǎn)生的模極大值。由圖5可以看出前面提到的虛假“邊緣”已得到了很大的抑制,而真正的焊縫顯得更為突出。
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⑤依次統(tǒng)計(jì)每4行待定焊縫點(diǎn)的個(gè)數(shù),得出待定焊縫點(diǎn)的個(gè)數(shù)總和最大的那4行并加以標(biāo)記。設(shè)這4行的首行行數(shù)為L(zhǎng)1，再分別統(tǒng)計(jì)以L1-2和L1+2為首行的另外兩個(gè)4行中待定焊縫點(diǎn)的個(gè)數(shù),比較以L1、L1-2和L1+2為首行的這3個(gè)4行中待定焊縫點(diǎn)個(gè)數(shù),待定焊縫點(diǎn)個(gè)數(shù)最大的那4行的位置即是待檢測(cè)的焊縫位置。之所以比較這3個(gè)4行是為了避免以4為步長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)待定焊縫點(diǎn)的個(gè)數(shù)可能對(duì)焊縫位置帶來(lái)的微小誤差。這樣,就可以得出最后的邊緣檢測(cè)結(jié)果(如圖6所示)。將這一結(jié)果與原始的焊接圖像(圖1)比較,可以看出檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。
這里要特別提到的是,前面是對(duì)焊接圖像在尺度1上進(jìn)行小波濾波進(jìn)而檢測(cè)奇異點(diǎn)的。根據(jù)實(shí)驗(yàn),在一般情況下檢測(cè)精度都能夠達(dá)到要求。如出現(xiàn)虛假“邊緣”的強(qiáng)度接近于焊縫的情況,則可對(duì)焊接圖像在尺度2上進(jìn)行小波濾波。這樣一來(lái),就可以消除較細(xì)的虛假“邊緣”而得到較為平滑的真實(shí)焊縫信息。因?yàn)樾盘?hào)在大尺度上顯示的是它的平滑部分。
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參考文獻(xiàn)
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