摘? 要: 在智能焊接控制系統(tǒng)中準(zhǔn)確識別焊縫位置是一個重要任務(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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關(guān)鍵詞: 焊縫識別? 小波變換
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在焊接制造過程中,焊縫跟蹤是焊接過程自動控制的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其中,焊縫位置識別是實現(xiàn)焊縫跟蹤的主要任務(wù)。只有準(zhǔn)確地識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行。在基于視覺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" title="溫度場">溫度場圖像[2]如圖1所示。由于種種不可預(yù)見的原因,存在各種干擾噪聲和一些“虛假”的邊緣,使得用傳統(tǒng)的邊緣檢測方法(如梯度算法以及sobel、canny邊緣檢測方法)很難可靠地檢測出焊縫的準(zhǔn)確位置。
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小波變換是近年來信號處理領(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而受到人們的廣泛關(guān)注。小波變換的一個重要性質(zhì)就是它在時、頻兩域具有突出信號局部特征的能力。小波變換為準(zhǔn)確地識別信號的奇異點位置(在此處即指焊縫位置)提供了新的思路。實驗表明:應(yīng)用小波變換進行焊縫檢測,可以有效地消除上述的噪聲及虛假邊緣,并且能夠精確地對焊縫進行定位,從而取得了傳統(tǒng)的邊緣檢測方法所不能達到的效果。
1 小波變換應(yīng)用于信號奇異點檢測的原理[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：
用信號的小波變換的奇異點(如極值點等)的表現(xiàn)來表示信號特性(特別是它的突變或瞬態(tài)特性)是小波變換領(lǐng)域引人注目的一個應(yīng)用。通過對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)對信號x(t)作小波變換,x(t)小波變換的極值點即為信號x(t)的突變點。
在實際應(yīng)用中,考慮到Harr小波盡管對檢測信號奇異點對稱性滿足要求,且有支集較短、運算量較小的優(yōu)點,但Harr小波的消失矩小,不能應(yīng)對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、運算量大的問題,因而不適于實時實現(xiàn)。在權(quán)衡了消失矩和支集長度的利弊之后,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,而其支集長度又小于三次樣條小波,有利于實時實現(xiàn)。其對應(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
經(jīng)分析得出，焊接溫度場圖像(見圖1)有如下特點:
①焊接圖像灰度黑白對比明顯,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拍攝的,因攝像機的解析度的原因,在焊縫旁邊還有許多和焊縫平行的細小邊緣,這些邊緣較焊縫細、尖銳,會給焊縫邊緣檢測帶來干擾。
④在焊接圖像的黑暗背景中,有很多人的肉眼無法辨認(rèn)的干擾點。這些干擾點灰度起伏很大,其特性接近邊緣點,因而對傳統(tǒng)的邊緣檢測方法影響很大。
3 焊縫檢測的具體實現(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)時認(rèn)為是黑色背景的區(qū)域,其實有很多起伏很大的干擾點。這些干擾點的起伏甚至要強于邊緣點的起伏,這就會給任何一種奇異點檢測帶來干擾。從該圖中還可以看到:由于這些干擾點處于低灰度區(qū),而焊縫邊緣點處于高灰度區(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,得出如下焊縫識別算法:
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①對圖像進行閾值處理,將灰度值小于60(根據(jù)經(jīng)驗選取50～70范圍內(nèi)的一個值)的灰度置零,結(jié)果如圖3所示。這樣一來就可以去除這些低灰度值區(qū)域的干擾點,有利于對圖像奇異點進行進一步檢測而又不會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。
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②對經(jīng)過步驟①處理后的焊接圖像的每一列進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,并依據(jù)這些零交叉點求出相鄰兩個零交叉點之間的極大值點,記錄下這些極大值點,結(jié)果如圖4所示。從圖4中除了能辨別出焊縫之外,還可見很多虛假的“邊緣”,這是因攝像機的解析度的原因而產(chǎn)生的與焊縫平行的細小“邊緣”。為了消除這些“邊緣”給焊縫識別帶來的影響,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中模值最大" title="最大">最大的那個點,以該點的極大值的模值(設(shè)為M)為基準(zhǔn)設(shè)定一個閾值(閾值取5M/6),去除該列中模值小于閾值的極大值點,而認(rèn)為模值大于閾值的極大值點是可能的焊縫點,從而得到可能的焊縫點的圖像,如圖5所示。這樣做的依據(jù)是虛假“邊緣”一般來說比真正的焊縫細小,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)計每4行待定焊縫點的個數(shù),得出待定焊縫點的個數(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L1，再分別統(tǒng)計以L1-2和L1+2為首行的另外兩個4行中待定焊縫點的個數(shù),比較以L1、L1-2和L1+2為首行的這3個4行中待定焊縫點個數(shù),待定焊縫點個數(shù)最大的那4行的位置即是待檢測的焊縫位置。之所以比較這3個4行是為了避免以4為步長統(tǒng)計待定焊縫點的個數(shù)可能對焊縫位置帶來的微小誤差。這樣,就可以得出最后的邊緣檢測結(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,可以看出檢測結(jié)果是準(zhǔn)確的。
這里要特別提到的是,前面是對焊接圖像在尺度1上進行小波濾波進而檢測奇異點的。根據(jù)實驗,在一般情況下檢測精度都能夠達到要求。如出現(xiàn)虛假“邊緣”的強度接近于焊縫的情況,則可對焊接圖像在尺度2上進行小波濾波。這樣一來,就可以消除較細的虛假“邊緣”而得到較為平滑的真實焊縫信息。因為信號在大尺度上顯示的是它的平滑部分。
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參考文獻
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2 張 華. 焊接溫度場實時檢測及其應(yīng)用. [博士學(xué)位論文]. 北京:北京清華大學(xué),1997
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7 秦前清,楊宗凱. 實用小波分析. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994