多层多道焊接结构光中心线提取.pdf

第37卷第7期
焊接学报
Vol 37 No
2 0 1 4f 7 F TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTIIUIION July
2016
多层多道焊接结构光中心线提取
林欣堂,朱莉,张海波
(1.武汉数字工程研究所,武汉430074;2.中国舰船研究设计中心,武汉430064)
摘要:在对多层多道焊接视觉跟踪过程中,需要对结构光光条中心线上信息进行提取.要完成光条中心线提取
需要解决光条形状复杂、光强度分布不均匀、焊豆或镜面反射等引起的结构光光条间断及环境噪声影响等问题.文
中在研究已有中心线提取算法的基础上,提出了基于各向异性热扩散方程的结构光光条中心线提取算法.完成中
心线提取后,选用已有算法对中心线上包含焊道信息的断端点及高曲率角点进行检测,完成对结构光光条中心
线上的特征提取.通过対文中提出的检测算法原理的分析及试验,试验结果证明该算法能够解决上述问题,同时与
现有算法的比较可以看到文中在计算精度及速度上具有优势
关键词:各向异性热扩散;中心线提取;多层多道焊缝;结构光檢测
中图分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:0253-360X(2016)7-0105-04
现有中心线提取算法总结
当前多层多道的自动化焊接主要采用离线编程
典型的多层多道光条图像,如图1所示,图1a
的方式,不能根据当前焊道的实际情况对焊接参数中结构光光条的间断是由焊豆引起的;图1b中光条
进行实时调整.使用结构光检测焊道内实际情宽度不均匀及灰度上的差异是由表面不均匀反射引
况,可以提供焊道截面及焊接路径等参数信息,实现起的.日前围绕获取高精度的光条中心线,国内外
对多层多道焊接过程的自动化控制
研究者从不同的思路方向进行了深入的研究,大致
要获得上述信息,需要对结构光光条中心线及可分为对称法、非对称法、骨架细化法及灰度梯
中心线上高曲率角点这些结构光光条特征进行提度法.
取.其中最为关键的问题是对光条中心线的精确检
测.由于多层多道焊道表面形状复杂、相机与焊道
问的位置不固定及待焊焊道表面材质及粗糙度不统
导致得到的结构光光条形状复杂且光条上灰度
分布不均匀、不对称,给光条中心线的檢測带来困
难.同时还受到焊豆、镜面反射及焊接环境噪声
影响,使得结构光光条上出现间断及噪声干扰,进
步给结构光光条中心线信息的提取带来困难.
(a)焊?导致的断
(h)不均匀反射导敛的分布不均
针对上述多层多道焊道结构光光条中心线提取
图1多层多道结构光光条
过程中面临的问题,文中提出基于各向异性热扩散
ig. 1 Multihayer multi-passes structured light strip
方程提取光条中最高能量像素组成中心线;对得到
的中心线使用特征点分类算法得到间断端点:使
对称法的基本思想是假设沿着垂直于中心线的
用双重曲度法提取中心线上高曲率角点.实现了法向量两侧光条上几何形状或灰度分布是对称的
对复杂结构形状存在噪声干扰及间断的多层多道焊这一类方法包括边缘法、几何中心法、域值法等.这
道内结构光光条中心线的准确检测和提取.通过文类算法要求法向矢量已知,且对称假设显然不适合
中的试验证明了提出的算法的有效性.
文中光强度不均匀分布的光条中心线检测
非对称法为了克服法向矢量上截面不对称的问
收稿日期:2014-09-13
题,采用了重心法、极值法、脊线龈踪法及拟合法等.
基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项?(61100103)
重心法和极值法需要法向量已知且对噪声敏感.脊
106
线眼踪法需要光条不能出现问断,阻需要搜索过程,
计算复杂易受噪声干扰.拟合法面对形状复杂的多
层多道光条结构拟合计算复杂,且对间断部分也进
行了拟合,给后续的焊豆干扰的去除及拐点检测带
来困难.
图2光条扩散方向
骨架细化法的基本思想是先对原图进行二值
Fig. 2 Direction of light strip themal diffusion
化,再不断迭代去除边界像素,得到中心线像素.包
括模板细化法及基于距离的细化法们等.这一类算
其中是等温曲线上点P(x,y)的法向矢量;T
法的本质是找光条图像的几何中心线,不满足对光是切向矢量.对于以法向矢量及切向矢量为坐标系
分布中心线的定义.同时这一类算法对计算域的的结构光光条图像,式(1)可以变为二维热扩散方
选择敛感,需要迭代计算,运算时间长.
程,即
灰度梯度法主要是利用光条上灰度梯度变化的
情况,寻找光条上梯度变化最小的像素作为中心线
上的像素.典型算法如 hessian矩阵法?、Bamn矩
-=o
阵法及GVド法等.这一类算法充分利用了光
文中根据光条图像的条状结构,采用主要沿等
条内各像素的信息,适应性较强、精度高.但是这类温出线的法向方向进行热扩散,同时也使切向扩散
寻找矢量变化极值算法需要进行多次卷积运算,计起微量作用,提出的各向异性热扩散方程如下式,即
算量大且易受噪声干扰.虽然最近的很多算法都围
绕减小计算量进行算法改进,但矢量变化极值的
dt
寻找本身的问题无法克服.
文中吸取了灰度悌度法充分利用光条内纹理信式中:参数p,是定值常数,选择p=0.2.根据图2中
息的优点,引人了各向异性热扩散方程对光条上各
矢量m,与坐标系x,y)间的关系,对扩散方程(4
像素同时进行散热计算,最终获得法向截面上能量中法向矢分量进行坐标系变化,则同温曲线上的单
最高像素组成结构光中心线
位矢量η及满足下式,即
l,,
2文中中心线提取算法
下面分别对这两个方向的扩散方程进行推导.
2.1基于各向异性热扩散方程的中心线检测法
在法向方向上,由切向矢量及法向矢量组成的坐标
热扩散方程如式(1)所示
系与原坐标系满足下式变换关系,即
其中变换矩阵Q是一个常数矩阵.令x=x
式中:(x,,,是在时间这一时刻空间(m及y=ym,则温度函数x,y)的一阶法向导数
(x,y,这一位置上的温度;是热量扩散参数;△满满足下式,即
足下式,即
出上式可以推出x,y)的一阶导数满足下式,即
nm=/xn+2×/
式(1)中随时间変化能量在各方向上以相同程
如图2右图所示各向矢量问关系可以得下式,即
度扩散称为各向同性热扩散,以不同程度扩散则称
为各向异性热扩散.
文中把各像素灰度值看成温度,则同一温度的
山式(6)中矩阵Q各参数为常数矩阵所以有
像素构成一条等温曲线.对各等温出线上的每个像xn=0及y=0,把它们和式(9)代入方程(8),则
素向临近低温像素进行热扩散,各像素的温度值经得到法向方向的热扩散方程,即
过热扩散后降低,可以实现对光条内低热能像素同
Il+21,1l,+l
时进行过滤.光条上等温线ル上像素点P(x,y)的
dt
热扩散方向如图2所示
在切向方向的扩散方程,文中使用文献[7]提