微间隙焊缝磁光成像分形维数识别方法

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1、第35卷第12期2014年12月焊接学报TＲANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol．35No．12December2014微间隙焊缝磁光成像分形维数识别方法高向东，刘益，张驰(广东工业大学机电工程学院，广州510006)摘要:针对紧密对接、无坡口、肉眼难以分辨的微间隙焊缝，采用磁光成像方法获取焊缝位置信息，并运用分形维数方法解决焊缝磁光图像存在较多干扰的问题．根据图像大视野相关信息处理图像，避免受到图像微小细节干扰对焊缝位置识别精度的影响，较传统图像处理法具有显著的抗干扰性．对焊

2、缝磁光图像进行滤波去噪，将图像细分成块并计算出每个图像块的分形维数，再选取合适阈值对图像进行分割，准确地提取出焊缝中心位置．试验结果表明，运用分形维数提取磁光图像焊缝边缘区域特征，能够获取较准确的焊缝位置信息，为焊缝跟踪控制提供重要基础．关键词:微间隙焊缝;磁光图像;分形维数;识别中图分类号:TG456．7文献标识码:A文章编号:0253－360X(2014)12－0011－040序言焊缝跟踪是焊接自动化要解决的关键问题，而准确识别焊缝位置又是保证跟踪焊缝的前提［1］．根据传感器的类别，焊缝跟踪系统可分为电弧传感、接触传感、超

3、声波传感、视觉传感等，其中视觉传感最引人注目．视觉型焊缝跟踪系统主要包括结构光式、激光扫描式和直接拍摄电弧式．结构光检测法将条形结构光横跨于焊缝，当焊缝有一定间隙或形变时，条形光将随之变形．对于间隙小于0．1mm的紧密对接焊缝，由于结构光在焊缝处基本不发生形变，故很难准确地提取焊缝位置．磁光成像是检测微间隙焊缝的新方法，它基于磁感应原理与法拉第磁旋光效应．由磁场发生器激励焊件，使其感应磁场分布在焊缝间隙处改变，引起该处的垂直磁场分量发生变化．磁光传感器在该磁场作用下产生焊缝磁光图像，提取焊缝位置信息［2］．目前，分形维数方法已

4、应用于图像的纹理分割与图像分类，可减少干扰影响．运用分形方法可重建无组织的地球化学数据，提取斑岩矿床的分维特征［3］;可对CT图像中的肺结节进行自动分类［4］;对遥感影像边界进行估计［5］;在水果缺陷识别方面也可应用分形维数方法［6］．在焊接领域，分形维数方法可用于焊件缺陷的检测及熔池图像的分割［7，8］．收稿日期:2014－05－19基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175095);广东省自然科学基金资助项目(102510090010000001);广东省学科建设科技创新资助项目(2013KJCX0063)运用磁光成

5、像传感器摄取的磁光图像含有干扰信息，传统图像处理方法会受到图像微小细节的影响，因此会造成图像处理时对噪声和其它干扰较敏感．焊缝磁光图像满足统计上的自相似性，其焊缝边缘区域与过渡区域呈现出不同的灰度，具有不同的分形维数．因此，根据分形理论和焊缝磁光图像特征，研究焊缝磁光图像焊缝位置区域的分形维数规律，探索利用图像较大视野的相关信息进行图像处理的方法，将不受限于图像的局部信息，可减小干扰影响，提取到比较精确的焊缝位置信息．1试验方法微间隙焊缝磁光检测试验装置如图1所示．图1磁光检测微间隙焊缝装置示意图Fig.1Schematico

6、fmagneto-opticaldetectingmicro-gapweld试验装置包括WF300光纤激光Nd:YAG(Neo-12焊接学报第35卷dymium-dopedyttriumaluminiumgarnet)焊接机、保护气体(氩气)、磁光成像传感器和含有夹具的三轴运动工作台．试验采用平板对接焊，焊件长宽厚为82mm×41mm×1．84mm的碳钢．磁光传感器置于焊件上方，用于摄取焊缝磁光图像．磁场发生器产生外加磁场并使焊件磁化．在焊接过程中，磁光传感器与激光头保持相对固定，且使激光头对正焊缝中心位置运动．设置磁光传感器

7、的摄像速率为25f/s．2焊缝磁光图像的分形特征2．1图像的分形维数分形技术最初用于研究自然界和非线性系统中不光滑、不规则、具有自相似性的图形和结构．自然的纹理图像、生物性质的图像纹理及人类神经网络等都是分形图形．在欧几里德空间，所有物体的维数都是整数维，而分形理论则把维数视为分数．分形维数有多种计算方法，主要有基于布朗运动模型的分形维数法、基于地毯覆盖的双毯分形维数法和差分计盒维数估计法等．其中，由于差分计盒维数易于估计，是应用最广泛的分形维数法之一．2．2图像差分计盒维数估算差分计盒维数估算法中的分形维数由下面的公式表示［

8、9］图2焊缝磁光成像图Fig.2Magneto-opticalimageofweldjoint图3焊缝磁光图像对应的灰度值曲面图Fig.3Correspondingsurfaceofweldmagneto-opticalgrayimagenr(i，j)=l－k+1(2)D1