高动态范围焊接场景可视化技术与焊接图像分割研究

摘要

在焊接系统的智能化进程中，准确可靠的焊接场景可视化技术以及焊接图像分割技术具有重要意义。由于明弧焊接场景中存在剧烈的弧光干扰，是一个高动态范围场景，使用常规视觉系统难以获得场景的完整信息。图像分割技术虽然在很多领域取得了应用性成果，但无法直接应用在焊接图像的处理中，由于焊接图像受到弧光的干扰，存在整体亮度暗、对比度低、噪声多、边缘特征模糊、细节被弧光覆盖以及亮度分布不均等问题，导致难以获得可用的焊接图像分割结果。本文针对高动态范围焊接场景中清晰图像获取以及焊接图像分割的问题进行了如下研究： 针对现有焊接场景可视化技术中使用的视觉系统存在成本高、系统复杂和适用范围有限的问题，基于无辅助光的被动视觉框架，提出了一种新的由常规工业数字相机、电焊减光玻璃和工业计算机构成的高动态范围焊接视觉系统。利用数字相机在线修改曝光参数及软件触发的功能获得了实时输出的不同曝光量的图像序列，使用多曝光技术扩展了相机动态范围，提出了适合焊接场景视觉系统的自动曝光控制方法。此视觉系统实现了对焊接场景中暗部和亮部细节信息的获取。 为实现远程视觉监控，多曝光图像序列需要进行实时的图像融合。提出了一种基于图像灰度信息的低复杂度多曝光融合方法，使用权重图像对像素信息进行取舍，使用下采样低通滤波的方法保持权重图像空间一致性以消除融合痕迹。在常规工业计算机平台上，对640×480分辨率的彩色图像进行四次曝光融合处理实验，获得了22 FPS的平均处理速度，满足了焊接监控中对算法实时性的要求。与多种融合算法进行性能比较，本文算法在自然场景和焊接场景的图像融合中都获得了较优的客观、主观质量评价。 针对常见融合算法将弧光溢出伪轮廓作为图像细节保留下来从而造成焊接融合图像质量下降的问题，提出了一种基于自适应引导滤波的双尺度细节增强的融合方法。将焊接图像序列分解为基底层和细节层，分别对不同层图像采用不同的融合策略，在基底层融合图像中保留了低频亮度信息并消除了曝光差异，在细节层融合图像中增强了细节信息并消除了伪轮廓。最后，重构获得的融合图像细节突出、无融合痕迹并具有更佳的视觉效果。 针对常用边缘检测方法在焊接图像处理中效果较差的问题，建立了被动视觉下焊接场景中的近似光照模型，并根据此模型提出了一种新的基于距离-亮度先验进行焊接图像边缘检测的方法。实验结果表明，引入光照先验的边缘检测方法，可以更好地识别焊接图像中的弱边缘，并有效消除弧光等噪声的干扰。使用获得的边缘检测结果，对焊接图像的焊缝和钨极进行分割，获得了钨极、焊缝以及熔池中心的位置信息。 焊接熔池的特征信息在焊缝成形、焊接跟踪以及质量检测中都有重要的作用。由于熔池与电弧距离最近，受到弧光干扰最为严重，导致熔池图像分割十分困难。本文提出了一种极坐标下基于凸形形状先验的活动轮廓模型，实现了对焊接图像中熔池的准确分割。首先，分析了焊接图像灰度以及梯度的分布特征，使用灰度极值和梯度极值相结合的方法获得了熔池的边缘候选点，此方法能够准确定位熔池边缘并有效识别熔池弱边缘；然后，基于边缘候选点的位置信息构造活动轮廓模型的边缘能量项，基于极坐标下轮廓顶点组成的内角信息构造形状能量项；最后，使用贪婪算法获得了最小能量的轮廓顶点，使用三次B样条插值的方法获得了光滑封闭的熔池轮廓。提出的活动轮廓模型对初始轮廓不敏感，无需设置能量项系数，大大提高了模型的适用性和自主性。实验结果表明，此方法可以获得精度较高的熔池分割结果，能够克服弧光等噪声的干扰，可有效识别熔池弱边缘并对无边缘特征的位置进行准确插补。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2明弧焊接过程视觉传感技术研究现状

1.3基于多曝光的高动态范围图像合成技术研究现状

1.4焊接图像分割技术研究现状

1.5本文主要研究内容和意义

第2章 基于多曝光的高动态范围焊接视觉系统

2.1引言

2.2多曝光扩展动态范围原理

2.3多曝光焊接视觉系统硬件实现

2.4多曝光图像采集软件实现

2.5焊接视觉系统自动曝光控制

2.6实验结果与分析

2.7本章小结

第3章 基于灰度信息的低复杂度多曝光图像融合方法

3.1引言

3.2相关工作介绍

3.3低复杂度多曝光融合方法

3.4实验结果与分析

3.5本章小结

第4章 基于双尺度细节增强的焊接多曝光图像融合方法

4.1引言

4.2焊接多曝光图像融合中存在的问题

4.3双尺度细节增强焊接多曝光图像融合方法

4.4实验结果与分析

4.5本章小结

第5章 基于被动视觉光照先验的焊接图像分割

5.1引言

5.2弧光照射近似模型

5.3被动视觉焊接图像边缘检测

5.4基于边缘的焊接图像分割

5.5实验结果与分析

5.6本章小结

第6章 基于形状先验活动轮廓的焊接图像熔池分割方法

6.1引言

6.2活动轮廓简述

6.3现有方法进行熔池分割存在的问题

6.4基于凸形形状先验活动轮廓的熔池分割

6.5实验结果与分析

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢