专利名称：基于局部图像处理的对接类型焊缝识别方法
技术领域：
本发明涉及一种基于局部图像处理的对接类型焊缝识别方法，可广泛应用于机器人焊接等方面。属于先进制造与自动化领域。
背景技术：
机器人焊接智能化已成为焊接自动化的主要发展方向。目前在工业上应用的焊接机器人主要工作在示教再现的工作模式，在焊接新工件前需要依靠大量的人力对焊缝进行示教，这一点在小批量生产时尤为明显。另一方面，基于示教工作模式的机器人不能感知工件尺寸、装夹位置等的变化，当这些因素变化时，焊接质量会下降。因此，借助视觉传感的方法自动识别焊缝边缘具有重要意义，能够提高生产效率和焊接质量，并有助于提高机器人焊接的智能化水平。
早期基于激光扫描、结构光和红外传感的焊缝识别方法需要提供额外的主动发光装置。近十年来，学者们开始集中研究基于自然光条件下的焊缝识别问题。张华等人在《机械工程学报》(1996，Vol32，No.631-36)上发表了“基于焊缝CCD图像模式特征的焊缝轨迹识别”。文中采用模式识别的理论和技术，提出了一种在自然光照明条件下的焊缝轨迹识别方法，算法将焊缝分成许多小段，每一小段用一个特征向量来表示，识别时通过迭代比较当前特征向量和前一特征向量的相似度来进行。该方法具有自适应性强的优点，但也有不足，需要事先给定焊缝的初始位置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于局部图像处理的对接类型焊缝识别方法，以便方便快速的进行焊缝识别，提高机器人焊接自动化水平。
为实现这一目的，本发明的技术方案中，首先，在自然光下使用CCD摄像机拍摄包含整条焊缝的图像，拍摄时要求焊缝边缘必须经过预先指定的图像区域，然后对指定区域进行图像滤波、边缘检测、焊缝边缘识别，得到两条局部焊缝边缘，最后从局部焊缝边缘的两侧端点出发，通过移动一个矩形图像窗口来迭代搜索焊缝边缘的剩余部分，并与已识别焊缝边缘连接起来，得到整条焊缝的边缘。
本发明的焊缝识别方法主要包括以下几个步骤1.设定焊缝识别计算过程中需要的参数指定图像区域的位置和尺寸、焊缝的宽度阈值以及焊缝搜索终止阈值。使用CCD摄像机拍摄包含整条焊缝在内的图像，拍摄时焊缝边缘必须经过指定图像区域。
2.对指定图像区域进行中值滤波以去除图像噪音，然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像。
3.识别指定图像区域内的焊缝边缘。依照从左至右，从上到下的顺序搜索指定图像区域的二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向的焊缝宽度阈值范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值。将彼此相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的序号，视之为一条候选焊缝边缘。统计所有候选焊缝边缘的长度，将最长的两条候选边缘作为识别焊缝边缘。
4.以识别焊缝边缘的两侧端点为中心，定义一个已知尺寸的矩形图像窗口，对该矩形图像窗口进行中值滤波以去除图像噪音，然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像。
5.识别矩形图像区域内的焊缝边缘。依照从左至右，从上到下的顺序搜索矩形图像窗口的二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向的焊缝宽度阈值范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值。将彼此相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的序号，视之为一条候选焊缝边缘。计算所有候选焊缝边缘到两条识别焊缝边缘的距离，将距离最小的两条候选边缘作为识别焊缝边缘段，并将它与已识别的焊缝边缘连接起来，形成新的识别焊缝边缘。
6.当矩形窗口内提取的识别焊缝边缘段的端点和矩形图像窗口边缘之间的距离大于焊缝搜索终止阈值时则认为焊缝到达最终端点，终止搜索过程，否则重复步骤4和5。最后得到的识别焊缝边缘即为整条焊缝的边缘。
实际应用时，根据事先设定Canny算子的初始阈值，由软件自动进行边缘检测和阈值调整。本发明所提出的对接类型焊缝识别方法，不需要事先提供焊缝的初始位置，只需要焊缝的任何部分通过一个预先指定的图像区域即可。
本发明提出的焊缝识别方法，能够自动的生成任何对接类型的焊缝边缘点序列，且焊缝边缘曲线既可以是二维平面类型的，也可以是空间曲线类型的。另外基于局部图像处理的途径，大大提高了焊缝识别速度和对环境的抗干扰能力，具有相当的实用价值。
具体实施例方式
为了更好地讲解本发明的技术方案，以下结合实施例作进一步的详细描述。
1.设定焊缝识别计算过程中需要的参数指定图像区域的位置和尺寸、焊缝的宽度阈值以及焊缝搜索终止阈值。一般情况下将指定图像区域设为图像中间的一个矩形窗口，边长为整幅图像边长的三分之一，焊缝的宽度阈值设为d1＝8个象素，焊缝搜索终止阈值为d2＝4个象素。然后在自然光下使用CCD摄像机拍摄包含整条焊缝在内的图像。拍摄时要求焊缝边缘必须经过图像中心的指定图像区域。
2.提取指定图像区域内的所有边缘点。对指定图像区域进行中值滤波以去除图像噪音，一般来说中值滤波窗口的大小设为3×3。然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像。为了计算的方便，将得到的所有二值边缘统一转化为8邻域边缘的形式。
3.根据指定图像区域的二值边缘图像识别出其中的焊缝边缘。依照从左至右，从上到下的顺序搜索二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向d1个象素的范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值。将彼此8邻域相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的编号，视之为一条候选焊缝边缘。焊缝编号从1开始，逐一递增。统计所有候选焊缝边缘的长度，将最长的两条候选边缘作为识别焊缝边缘。
4.以识别焊缝边缘的两侧端点为中心，定义一个边长为60×60的矩形图像窗口，对该矩形图像窗口进行中值滤波以去除图像噪音，一般来说中值滤波窗口的大小设为3×3。然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像。为了计算的方便，将得到的所有二值边缘统一转化为8邻域边缘的形式。
5.识别矩形图像区域内的焊缝边缘。依照从左至右，从上到下的顺序搜索矩形图像窗口的二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向d1个象素的范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值。将彼此8邻域相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的序号，视之为一条候选焊缝边缘。计算所有候选焊缝边缘到两条识别焊缝边缘的距离，将距离最小的两条候选边缘作为识别焊缝边缘段，并将它与已识别的焊缝边缘连接起来，形成新的识别焊缝边缘。
6.分别计算矩形窗口内提取的识别焊缝边缘段的端点到矩形图像窗口四条边缘之间的最小距离，当该距离大于焊缝搜索终止阈值d2时则认为焊缝搜索到达最终端点，终止搜索过程，否则将新的识别焊缝边缘作为识别焊缝边缘重复执行步骤4和5。最后得到的识别焊缝边缘即为整条焊缝的边缘。
权利要求
1.一种基于局部图像处理的对接类型焊缝识别方法，其特征在于包括如下具体步骤1)设定焊缝识别过程中指定图像区域的位置和尺寸、焊缝的宽度阈值以及焊缝搜索终止阈值，使用CCD摄像机拍摄包含整条焊缝在内的图像，拍摄时焊缝边缘必须经过指定图像区域；2)对指定图像区域进行中值滤波以去除图像噪音，然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像；3)依照从左至右，从上到下的顺序搜索指定图像区域的二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向的焊缝宽度阈值范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值；将彼此相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的序号，视之为一条候选焊缝边缘；统计所有候选焊缝边缘的长度，将最长的两条候选边缘作为识别焊缝边缘；4)以识别焊缝边缘的两侧端点为中心，定义一个已知尺寸的矩形图像窗口，对该矩形图像窗口进行中值滤波以去除图像噪音，然后利用Canny算子检测该图像区域内的所有边缘点，得到二值边缘图像；5)依照从左至右，从上到下的顺序搜索矩形图像窗口的二值边缘图像，并将满足下面条件的边缘点置为焊缝边缘候选点(1)周围存在8邻域的边缘点；(2)在当前点边缘法向方向的焊缝宽度阈值范围内存在边缘点；(3)当前点及其法线方向的边缘点之间的象素灰度平均值小于这两个边缘点象素灰度的平均值；将彼此相邻的焊缝边缘候选点标记为相同的序号，视之为一条候选焊缝边缘；计算所有候选焊缝边缘到两条识别焊缝边缘的距离，将距离最小的两条候选边缘作为识别焊缝边缘段，并将它与已识别的焊缝边缘连接起来，形成新的识别焊缝边缘；6)当矩形窗口内提取的识别焊缝边缘段的端点和矩形图像窗口边缘之间的距离大于焊缝搜索终止阈值时则认为焊缝到达最终端点，终止搜索过程，否则重复步骤4)和5)；最后得到的识别焊缝边缘即为整条焊缝的边缘。
全文摘要
本发明涉及一种基于局部图像处理的对接类型焊缝识别方法，首先，在自然光下使用CCD摄像机拍摄包含整条焊缝的图像，拍摄时要求焊缝边缘必须经过预先指定的图像区域，然后对指定区域进行图像滤波、边缘检测、焊缝边缘识别，得到两条局部焊缝边缘，最后从局部焊缝边缘的两侧端点出发，通过移动一个矩形图像窗口来迭代搜索焊缝边缘的剩余部分，并与已识别焊缝边缘连接起来，得到整条焊缝的边缘。本发明能够自动的生成任何对接类型的焊缝边缘点，且焊缝边缘曲线既可以是二维平面类型的，也可以是空间曲线类型的，另外基于局部的图像处理途径，大大提高了焊缝识别速度和对环境的抗干扰能力。
文档编号G06K9/00GK1924896SQ20061011602
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者石繁槐, 林涛, 陈善本 申请人:上海交通大学