摘? 要: 在智能焊接控制系統中準確識別焊縫位置是一個重要任務。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" title="小波變換">小波變換" 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關鍵詞: 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鍵技術[1]。其中,焊縫位置識別是實現焊縫跟蹤的主要任務。只有準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確位置。
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小波變換是近年來信號處理領域的熱門話題,它以優于傳統傅立葉變換的諸多特點而受到人們的廣泛關注。小波變換的一個重要性質就是它在時、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,從而取得了傳統的邊緣檢測方法所不能達到的效果。
1 小波變換應用于信號奇異點檢測的原理[3～6]
設函數ψ(x)是小波函數,如果它滿足：
????則函數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)的表現來表示信號特性(特別是它的突變或瞬態特性)是小波變換領域引人注目的一個應用。通過對小波變換原理的分析[6],得出:
若小波函數ψ(1)(t)是某平滑函數θ(t)的一階導數,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、運算量較小的優點,但Harr小波的消失矩小,不能應對焊縫提取中可能遇到的種種復雜情況;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。在權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3階B樣條函數的導數)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。其對應的尺度濾波器系數(h(n))和小波濾波器系數(g(n))如表1所示。
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2 焊接圖像的特點
經分析得出，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,因而對傳統的邊緣檢測方法影響很大。
3 焊縫檢測的具體實現及結果
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:在肉眼直觀辨認時認為是黑色背景的區域,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,而焊縫邊緣點處于高灰度區,且高低灰度區之間的灰度差距很大,區別非常明顯。因而根據這一特點,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(根據經驗選取50～70范圍內的一個值)的灰度置零,結果如圖3所示。這樣一來就可以去除這些低灰度值區域的干擾點,有利于對圖像奇異點進行進一步檢測而又不會對檢測結果產生影響。
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②對經過步驟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(設為M)為基準設定一個閾值(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。這樣做的依據是虛假“邊緣”一般來說比真正的焊縫細小,因而產生的模極大值也要小于焊縫產生的模極大值。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依次統計每4行待定焊縫點的個數,得出待定焊縫點的個數總和最大的那4行并加以標記。設這4行的首行行數為L1，再分別統計以L1-2和L1+2為首行的另外兩個4行中待定焊縫點的個數,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,待定焊縫點個數最大的那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為步長統計待定焊縫點的個數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果(如圖6所示)。將這一結果與原始的焊接圖像(圖1)比較,可以看出檢測結果是準確的。
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。根據實驗,在一般情況下檢測精度都能夠達到要求。如出現虛假“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
1 潘際鑾. 現代弧焊控制. 北京:機械工業出版社, 2000
2 張 華. 焊接溫度場實時檢測及其應用. [博士學位論文]. 北京:北京清華大學,1997
3 Mallat s， Zhong s. Characterization of Signals from Multiscale Edges. IEEE Trans. Pattern Anal.Machine Intell，1992；14(7)：710～732
4 Mallat s， Hwang W L. Singularity Detection and Processing with Wavelets. IEEE Trans. Information Theory，1992；38(2)：617～643
5 解 梅,馬 爭,顧德仁. 一種改進的基于小波變換圖像邊緣檢測算法. 系統工程與電子技術,1998(10):67～70
6 楊福生.小波變換的工程分析與應用.北京:科學出版社，1999
7 秦前清,楊宗凱. 實用小波分析. 西安:西安電子科技大學出版社,1994