圖像處理技術(shù)在激光熔池溫度檢測(cè)的應(yīng)用

李文龍，戈海龍，任 遠(yuǎn)，成 巍

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南 250103)

引 言

激光熔覆是一種在基體材料表面通過(guò)激光技術(shù)熔上一種特殊涂層的技術(shù)[1]。涂上涂層的基體能夠大大地改善基體材料的表面性能，提高設(shè)備的使用壽命[2]。為了提高熔覆材料與基體的結(jié)合力，需對(duì)激光熔池的溫度進(jìn)行檢測(cè)。激光熔池的溫度檢測(cè)方法分為接觸式和非接觸式兩種[3]。接觸式測(cè)量一般采用熱電偶測(cè)量方法，該方法不能對(duì)熔池溫度進(jìn)行直接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不能直接用于系統(tǒng)反饋[4]。非接觸式測(cè)量主要包括單色或雙色高溫計(jì)[5]和CCD工業(yè)相機(jī)測(cè)量方法[3]。利用CCD與圖像處理的方法應(yīng)用較廣，該方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)[6]，但利用CCD采集得到的圖像數(shù)據(jù)噪聲較多，容易產(chǎn)生較大的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)處理也較為復(fù)雜。現(xiàn)階段利用CCD與圖像處理結(jié)合測(cè)量熔池溫度的方法已經(jīng)進(jìn)行了部分研究，但大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[3]。

本文中采用OpenCV和VS2013搭建了溫度檢測(cè)系統(tǒng)[7]，利用CCD與圖像處理相結(jié)合的方法檢測(cè)熔池溫度場(chǎng)的溫度，采用中值濾波方法去除圖像噪聲，結(jié)合黑體輻射公式計(jì)算激光熔池溫度。該檢測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的應(yīng)用，對(duì)粉末材料、送粉速率等參量選擇有一定的反饋和指導(dǎo)作用。

1 測(cè)溫原理

黑體的光譜輻射強(qiáng)度與其波長(zhǎng)和溫度有關(guān)[8]。物體的光譜輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式與黑體的類(lèi)似[9]。由普朗克定律得知，黑體的熱輻射通量密度Db(λ,T)與輻射物體的溫度T、輻射波長(zhǎng)λ的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

(1)

式中,N1，N2為輻射常數(shù)，ε(λ,T)是輻射率。

由兩個(gè)不同波長(zhǎng)黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測(cè)量物體的溫度[9]：

(2)

被測(cè)對(duì)象為金屬高溫激光熔池，不同波長(zhǎng)λ1和λ2對(duì)應(yīng)的輻射率ε(λ1,T)與ε(λ2,T)近似相等[8]，故公式可簡(jiǎn)化為：

T=-

(3)

彩色CCD相機(jī)拍攝得到的真彩色圖像包含λR，λG，λB3個(gè)通道的波長(zhǎng)值及對(duì)應(yīng)通道的像素值。由雙比色原理可知，選取兩個(gè)不同波長(zhǎng)黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測(cè)量物體的溫度，故選擇彩色圖像中兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，可推算得到激光熔池的溫度[8]。紅光R通道的波長(zhǎng)為700nm，綠光G通道的波長(zhǎng)為546nm，藍(lán)光B通道的波長(zhǎng)為436nm[8]。

本文中采用DALSA-C2050彩色CCD工業(yè)相機(jī)拍攝數(shù)據(jù)，相機(jī)幀率為38，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的速度需求。相機(jī)波長(zhǎng)與相對(duì)響應(yīng)系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。相機(jī)的采集波段為400nm～1000nm，滿(mǎn)足檢測(cè)436nm～700nm的實(shí)際需求，并且相機(jī)在要求波長(zhǎng)的相對(duì)系數(shù)較高，得到的圖像質(zhì)量效果較好。此型號(hào)工業(yè)相機(jī)的重復(fù)精度很高，誤差可以忽略。

Fig.1 Camera parameters

在波長(zhǎng)相近時(shí)，激光熔池的輻射率也大致相同，兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的方介質(zhì)折射率與光譜相應(yīng)系數(shù)比值近似為1[8]。由(3)式可知，選取波長(zhǎng)相近的通道數(shù)據(jù)可減少計(jì)算量。由比較得知，|λR-λB|>|λR-λG|>|λG-λB|，故CCD彩色相機(jī)的G通道波長(zhǎng)和B通道波長(zhǎng)最相近，因此選擇這兩個(gè)波段相關(guān)數(shù)據(jù)代入(3)式計(jì)算熔池溫度。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 圖像預(yù)處理

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、拍攝角度、周?chē)h(huán)境光等方面的影響，由彩色CCD相機(jī)拍攝得到的圖像含有較多的噪聲，對(duì)處理結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了提高測(cè)量的精度，需要對(duì)原始采集圖像進(jìn)行預(yù)處理操作[10-12]。

中值濾波能夠有效去除圖像的噪聲、提高采集圖像的質(zhì)量，方便后續(xù)的圖像處理。中值濾波的原理為將圖像中某一個(gè)像素點(diǎn)值用其鄰域各個(gè)點(diǎn)值經(jīng)過(guò)排序后的中值代替[13]。中值濾波的數(shù)學(xué)定義為：圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)為x1,x2,x2,…,xm(m為自然數(shù))，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)從小到大排列，得到X1,X2,X2,…,Xm。設(shè)y為此鄰域點(diǎn)的中值，計(jì)算公式如下：

(4)

把圖像中某個(gè)像素點(diǎn)的固定形狀或長(zhǎng)度作為窗口，窗口中的像素值用窗口內(nèi)鄰域點(diǎn)的中值代替。本文中以現(xiàn)場(chǎng)拍攝的熔池為例，熔池的溫度大約在2250℃，將圖像經(jīng)中值濾波后，原圖與濾波后的效果圖對(duì)比如圖2和圖3所示。

Fig.2 The original image

Fig.3 The image after median filtering

由圖2與圖3分析比較可知，圖像經(jīng)中值濾波可消除或者減弱在激光熔覆過(guò)程中由于粉末迸濺造成的影響，提高了圖像質(zhì)量，為后續(xù)圖像處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 標(biāo)定

溫度檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定的原理為將黑體爐[14-15]輻射出的輻射能，利用彩色CCD工業(yè)相機(jī)、濾光片組成的硬件系統(tǒng)采集圖像數(shù)據(jù)，原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)濾波去噪后，通過(guò)雙比色原理比值測(cè)溫法得到不同數(shù)據(jù)圖像對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.6.2 器官功能不全患者 器官功能不全患者，如心肺功能不全或肝腎功能不全等離子電切手術(shù)對(duì)心血管系統(tǒng)具有一定侵?jǐn)_性。因此重要器官功能不全患者應(yīng)該與相關(guān)科室合作制定治療方案，待器官功能不全得以糾正后方可實(shí)施手術(shù)。

本文中利用高精度HG-2標(biāo)準(zhǔn)高溫黑體爐用于檢測(cè)系統(tǒng)的溫度標(biāo)定，此型號(hào)的溫度范圍為0℃～3000℃。搭建的硬件系統(tǒng)如圖4所示。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度值后黑體爐可達(dá)到設(shè)定溫度并一直保持，通過(guò)搭建的硬件測(cè)溫系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)圖像。通過(guò)黑體爐顯示器設(shè)定需達(dá)到的溫度及監(jiān)測(cè)黑體爐中實(shí)際的溫度、電流等數(shù)值，黑體爐顯示器如圖5所示。

Fig.4 Calibration of temperature detection system

Fig.5 Display screen of blackbody furnace

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，熔池的溫度大約在1800℃～2300℃之間，根據(jù)此需求，標(biāo)定的數(shù)據(jù)范圍在1600℃～2300℃。標(biāo)定數(shù)據(jù)從1600℃開(kāi)始，每隔100℃記錄一次數(shù)據(jù)，即用CCD相機(jī)拍攝圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)于硬盤(pán)指定位置。拍攝得到的圖像如圖6所示。

Fig.6 Data diagram of different temperatures in the blackbody furnace

由彩色CCD拍攝得到的標(biāo)定圖片可知，圖像的亮度隨溫度的升高變亮，圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值隨著溫度的升高變化明顯。圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值分別為R,G,B。由前面測(cè)溫原理推導(dǎo)公式可知，只需提取圖像中某像素點(diǎn)的綠色和藍(lán)色通道的像素?cái)?shù)進(jìn)行比值溫度計(jì)算。提取1600℃～2300℃對(duì)應(yīng)圖像數(shù)據(jù)中的G和B值作為數(shù)據(jù)源。由于拍攝相同溫度區(qū)域，理論上得到的整幅溫度圖像中各個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)值完全相同，為消除系統(tǒng)誤差，任取圖像中的相同溫度區(qū)域的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取平均值，得到的G,B數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。為方便后續(xù)的公式擬合，G,B數(shù)據(jù)值后對(duì)應(yīng)公式所需計(jì)算值，數(shù)值取小數(shù)點(diǎn)后4位。

Table 1 The extracted image data and the corresponding calculation value

T=

(5)

表1中的G,B通道數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)溫度下對(duì)應(yīng)的像素值，為驗(yàn)證公式的正確性，將表1中的G,B通道像素值通過(guò)(5)式計(jì)算得到黑體爐內(nèi)溫度，將此數(shù)據(jù)與黑體爐實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)比，得到的結(jié)果如表2所示。

Table 2 The fitting formula calculation value and the fitting point temperature error

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%24191594.616005.40.3431221711.5170011.50.6843271800.518000.5062341886.01900140.7489442004.320004.30.22119562105.621005.60.27 173782237.6220037.61.712411082261.1230038.91.70

數(shù)據(jù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性是利用比色測(cè)溫方法測(cè)量熔池溫度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由表2中的計(jì)算結(jié)果可知,擬合公式數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大誤差為1.71%，擬合公式滿(mǎn)足精度需求。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將計(jì)算所得數(shù)據(jù)用MATLAB表示，效果圖如圖7所示。其中橫坐標(biāo)為圖像G通道與B通道像素值比值，縱坐標(biāo)為黑體爐內(nèi)溫度，○點(diǎn)為擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，黑色線(xiàn)為擬合公式曲線(xiàn)，★點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

分析表3及圖7得知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)★點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)計(jì)算溫度在擬合曲線(xiàn)附近，兩通道比值及對(duì)應(yīng)溫度呈擬合公式規(guī)律變化。實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)擬合公式計(jì)算得出的溫度值與實(shí)際值最大誤差為1.23%，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫要求。

Table 3 The error between the fitting formula calculation value and the actual temperature

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%27201670.3165020.31.2330221680.516800.5037251751.617501.60.9144281792.3178012.30.6952301850.818500.8063351876.218803.80.2075391935.5195014.50.7490451986.419806.40.32103502036.9205013.10.64123592061.2208018.80.90142672135.8215014.20.66192882180.821800.802089422292250210.93

Fig.7 Contrast of the fitting data and the experimental data

2.4 獲取圖像偽彩色圖

為形象描述熔池各個(gè)部分的溫度，直觀了解熔池各個(gè)區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，需將濾波后的圖像變換為偽彩色圖像。偽彩色圖像的定義為將熔池不同溫度區(qū)域?qū)?yīng)顏色變化差異明顯圖像[16-20]。通過(guò)彩色相機(jī)獲取熔池?cái)?shù)據(jù)后，將計(jì)算得到的溫度轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像。熔池彩色圖像及對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的偽彩色圖像效果如圖8和圖9所示。

Fig.8 Color diagram of laser pool

Fig.9 Pseudo color map of laser pool

圖9中右側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)顏色對(duì)準(zhǔn)圖，不同的溫度對(duì)應(yīng)著已定義的顏色。提取濾波后的圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的R,G,B值，由(5)式計(jì)算得到圖像每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熔池點(diǎn)溫度，由熔池溫度推算得到圖像偽彩色圖。圖9中橫縱坐標(biāo)值能夠反映出熔池的面積。由圖8與圖9對(duì)比可知，圖9能將溫度明顯區(qū)分，溫度對(duì)比更加明顯。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖13所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量激光熔池的溫度，系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)熔池的溫度檢測(cè)。

Fig.10 Color diagram of laser pool at 1700℃

Fig.11 Pseudo color map of laser pool at 1700℃

Fig.12 Color diagram of laser pool at 2150℃

Fig.13 Pseudo color map of laser pool at 2150℃

3 結(jié) 論

本文中采用彩色CCD工業(yè)相機(jī)采集熔池?cái)?shù)據(jù)圖片，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響，采用中值濾波的方法去除圖像噪聲，有效地提高了計(jì)算溫度的精度。標(biāo)定得到的圖像數(shù)據(jù)采用MATLAB最小二乘法擬合得到溫度計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)擬合公式計(jì)算得到的黑體爐溫度與黑體爐內(nèi)實(shí)際溫度變化規(guī)律類(lèi)似；經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較，擬合公式滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的精度要求；將采集得到的圖像經(jīng)變換后得到偽彩色圖像，偽彩色圖像能夠反映出各個(gè)區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，增強(qiáng)了圖像顯示效果。通過(guò)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光熔池溫度的檢測(cè)。