微縫隙焊接中的圖像處理技術(shù)探究

數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)如今，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天等方面，都存在數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用。它在國計民生和國民經(jīng)濟中發(fā)揮了越來越大的作用，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。具體有這些方面的應(yīng)用，如圖1所示。

航天和航空技術(shù)方面

對于航天和航空領(lǐng)域，在圖像的采集、處理，以及之后的分析過程中，都需要用到數(shù)字圖像處理的方法。

生物醫(yī)學工程方面

在醫(yī)學領(lǐng)域，比如臨床診斷，通過照片圖像處理來分析病人的病理，都需要安全方便、對人體沒有傷害且直觀的圖像處理技術(shù)的應(yīng)用。

通信工程方面

將文字、聲音、數(shù)據(jù)和圖像融合的多媒體是現(xiàn)如今通信的發(fā)展方向。換句話講，也就是把電視電話計算機三者融合起來在通信網(wǎng)上以數(shù)字信號的方式傳輸。其中以圖像通信最為復(fù)雜和困難，因為圖像處理的數(shù)據(jù)量十分巨大，在一定程度上說，壓縮編碼是這些技術(shù)成敗之關(guān)鍵。壓縮編碼有許多種編碼方法，在這里不詳細說明。

機器視覺

現(xiàn)在，機器視覺的應(yīng)用很廣泛，應(yīng)用場景有偵查危險環(huán)境和用于軍事的自主機器人，還有用于家庭和醫(yī)院的智能機器人。另外，它還能在生產(chǎn)線實現(xiàn)工件的識別定位，它作為機器人重要的視覺器官，實現(xiàn)了實際場景中景物的識別的功能。

如圖2所示，焊接領(lǐng)域的圖像處理主要有這幾個應(yīng)用方面。

縫隙圖像處理的研究現(xiàn)狀

如今，焊接過程中的圖像處理受到了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)很多學者都對圖像處理做出了積極的研究。何景山博士對脈沖TIG焊方面的彩色圖形法進行了較深入的研究。他先創(chuàng)建了一套與之相適應(yīng)的傳感系統(tǒng)，接著，可以通過對脈寬和脈沖峰值的控制，從而達到對焊接的熔透和熔深的控制。Tsinghua University的陳強等人通過CCD攝像機獲取焊接區(qū)域的實時坡口圖像，然后用計算機進行圖像處理和分析，從視覺圖像信號中獲取焊縫的弧長和偏差信息，進而建立了比較精密的脈沖TIG焊接系統(tǒng)。通過選擇合理的拍攝時間和合適波長的濾光片，系統(tǒng)能夠獲得比較清晰的縫隙圖像。在圖像中可以同時反映出焊道、鎢極、電弧以及熔池等的信息。在圖像處理以后，對這三者的相對位置進行數(shù)學運算，能夠分別得到縫隙中心與熔池中心的弧長信息和偏差。這個系統(tǒng)成功用于液體火箭發(fā)動機尾的零件的焊接，而且取得了比較顯著的效果。圖3為焊道的圖像。

國外的以圖像傳感為基礎(chǔ)的焊縫隙跟蹤技術(shù)發(fā)展得比較快，目前，英國、瑞典、美國和加拿大已經(jīng)有了相關(guān)方面的商業(yè)化產(chǎn)品。中國的相關(guān)領(lǐng)域同樣取得了一些令人欣喜的成果，但是，能夠真正投入實際生產(chǎn)且具備自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)成果還比較少。所以，價格低廉、性能可靠、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的圖像處理系統(tǒng)是它的發(fā)展方向。

縫隙圖像處理的主要內(nèi)容

數(shù)字圖像處理的基本理論和技術(shù)涉及數(shù)學、物理、信號處理理論、控制科學、模式識別、生物醫(yī)學、心理學、計算機科學等眾多學科，是一個具備交叉性和開放性的研究領(lǐng)域。圖像處理和分析所涉及的知識種類繁多、方法多樣，從基本的研究內(nèi)容和方法上可以分為以下幾個方面：

圖像數(shù)字化

圖像數(shù)字化是指將非數(shù)字形式的圖像信號通過數(shù)字化設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像（包括采樣和量化），以方便輸入計算機進行處理。

圖像變換

圖像變換包括時域變換和頻域變換。始于空間的圖像變換也稱為圖像的幾何變換，如傅里葉變換、沃爾什-哈達變換、離散余弦變換、小波變換等，將圖像從時域空間變換到頻域空間，并應(yīng)用頻域處理方法對圖像進行處理，然后再反變換到時域空間。由于頻域空間能量集中，因此頻域變換在圖像壓縮編碼方面有著非常重要的應(yīng)用。

圖像增強

圖像增強是一種提高圖像清晰度的方法，它能夠削弱圖像中的干擾信息，從而達到增強有用信息的目的。突出圖像中感興趣的部分，一方面能夠改善視覺效果，另一方面方便進一步的分析處理。圖像增強主要包括平滑、銳化、同態(tài)濾波、灰度變換等。

圖像增強是一種用來改善圖像視感質(zhì)量的一般意義上的圖像改善技術(shù)。當需要突出圖像上的某些重要特征的時候，可以使用它，并且以此為基礎(chǔ)，使人和計算機能更方便地進一步進行圖像處理。這樣也叫做增強特定區(qū)域的可檢測性，使圖像達到一種相應(yīng)的藝術(shù)效果，比如說增強電視節(jié)目片頭片尾處的顏色，進行輪廓的變換等。

圖像壓縮編碼

未壓縮的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量大，存在一定的數(shù)據(jù)冗余，不利于圖像的傳輸、處理和存儲，因此必須對數(shù)字化后的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少描述圖像是數(shù)據(jù)量。根據(jù)信息的保存情況可以將圖像壓縮分為無損壓縮和有損壓縮，在圖像的處理中可以根據(jù)需要有選擇地進行。

圖像分割

圖像分割，作為數(shù)字圖像處理最重要的技術(shù)之一，它的實質(zhì)就是把圖像分割成多個不同的區(qū)域。在對圖像進行完各種處理之后，最終將對圖像中的目標進行分析和處理，因此如何有效地分割出圖像中的目標將決定圖像工程應(yīng)用的最終效果。所謂圖像分割，目的是通過把圖像分成一些小的區(qū)域，比如圖像的邊緣等，來達到提取出想要的特征的目的。在處理圖像的過程中，一般都會用到圖像分割技術(shù)。在醫(yī)學領(lǐng)域，常用到它來識別圖像中的病變組織和器官。

以人眼為中心的視覺系統(tǒng)讓人可以很容易地識別場景中的每個物體，并將目標物體和場景分離。但對計算機來說，這是一個難題。現(xiàn)目前，除了少部分地方，如指紋識別等可以實現(xiàn)圖像分割的全自動化，其他的圖像分割都需要人的參與，以提供必要的信息。由于圖像分割在很多領(lǐng)域都占據(jù)重要地位，我們對于將各種圖像分割方法結(jié)合起來從而得到更為有優(yōu)勢的方法的研究也越來越重視。

圖像重建

我們知道，圖像復(fù)原的初始輸入是一個圖像，最終輸出同樣是圖像，圖像增強相同，但是圖像重建不一樣，它輸出的是數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過一系列的處理以后得到的是圖像信息。CT就是圖像重建處理的典型應(yīng)用實例。現(xiàn)在，人們使用通過把這種技術(shù)和計算機領(lǐng)域的圖形學放在一起，結(jié)合使用渲染、光照等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維轉(zhuǎn)三維的目的，最終輸出高質(zhì)量圖像。

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作者簡介：張力行（1997—），四川綿陽人，碩士在讀，現(xiàn)就讀于西安交通大學機械工程學院。