【正文】 頻物分布，強(qiáng)背景光是低頻物分布，他們的傅立葉頻譜大部分分離了，因此通過設(shè)計(jì)合適的空間濾波器阻擋相對(duì)低頻物分布的背景光，提取相對(duì)高頻物分布的光柵條紋是可行的。 強(qiáng)背景光的高頻目標(biāo)物信息提取1) 濾波器通頻區(qū)域的確定由對(duì)光柵條紋和強(qiáng)背景光的頻譜分布研究知道：強(qiáng)背景光的頻譜雖然分布在整個(gè)頻譜面上，但是絕大部分頻譜能量集中在零頻附近；而光柵條紋的頻譜主要沿分布，并且零頻成分和基頻成分明顯分開，另外，光柵條紋頻譜的基頻成分才是提取面形信息所需要的，因此，濾波器的設(shè)計(jì)方案是在單縫的基礎(chǔ)上，在濾波器中心設(shè)置帶通濾波器，阻擋背景光在零頻附近的頻譜成分，同時(shí)讓光柵條紋的基頻成分通過。1/d2/B2/d1/Bh 帶通濾波器零頻附近放大示意圖在頻譜面上，光柵基頻是在以(177。1/d,0)為中心，2/b為半徑的小圓里，則在對(duì)應(yīng)的區(qū)域上濾波器透過率應(yīng)為1，另外，由于d=2a，光柵2n(n=1,2,3…)級(jí)頻譜成分為零，其二級(jí)頻譜位置上就不用設(shè)置通頻區(qū)域了，當(dāng)在三級(jí)頻譜之后，由于背景光的頻譜成分幅值已經(jīng)很弱了，所以濾波器在fx3/d1/B,|fy|2/b的區(qū)域上透過率為1。濾波函數(shù)表達(dá)式為： (411)濾波系統(tǒng)采用4f系統(tǒng)，則濾波器的實(shí)際尺寸可以用下列子求?。簡慰p的寬度：小圓的直徑：小圓中心到零頻的距離：運(yùn)用MATLAB模擬空間濾波實(shí)驗(yàn)[60,61]，；(b)看到，經(jīng)過空間濾波后，集中在零頻附近的強(qiáng)背景光頻譜基本給濾掉了，而包含物面三維信息的光柵基頻成分被保留下來。，光柵條紋的對(duì)比度大大地增強(qiáng)了。2) 濾波器窗函數(shù)的選擇(a) 濾波前(b) 濾波后 濾波前后的頻譜對(duì)比，光柵條紋已經(jīng)較好地被提取出來了，但是，由于所用的濾波器的邊緣都是突變的，濾波后的光柵條紋光強(qiáng)在原本平整的地方出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象，此現(xiàn)象被稱為“吉布斯效應(yīng)”[62,63]。 輸出面圖像 輸出面光強(qiáng)分布對(duì)空間濾波器，在相同的通頻區(qū)域上，透過率函數(shù)取不同的分布，也就是通過濾波器的頻率成分取不同的加權(quán)系數(shù)，這將會(huì)較顯著地影響光學(xué)濾波的效果，選擇不同透過率窗函數(shù)[64]將對(duì)“吉布斯波紋[65,66]”有不同的抑制作用。根據(jù)第二章的窗函數(shù)對(duì)空間濾波效果的影響分析，其通頻區(qū)域、尺寸不變，但其通頻區(qū)域上的邊緣分布改成了布萊克曼函數(shù)。2/d1/B1/d2/Bh 改良的帶通濾波器零頻附近放大示意圖濾波函數(shù)表達(dá)式為： (412)通過計(jì)算機(jī)模擬濾波實(shí)驗(yàn)。(b)，利用布萊克曼函數(shù)作為通頻區(qū)域上的邊緣分布后，吉布斯波紋幅值大大地被減少了，同時(shí)條紋的對(duì)比度也進(jìn)一步的提高，(a)。(a) 二維表示 (b) 三維表示 輸出面光強(qiáng)分布從理論分析和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果來看，利用光學(xué)空間濾波技術(shù)，排除相對(duì)低頻物分布的強(qiáng)背景光，提取相對(duì)高頻物分布的光柵條紋是可行的。 投影光路1激光器，2衰減片，3擴(kuò)束鏡，4準(zhǔn)直透鏡，5光柵和毛玻璃13245 實(shí)驗(yàn)為了進(jìn)行平焊的濾波實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了光軸面垂直于母材表面的熔池面形測(cè)量系統(tǒng)，搭建了主動(dòng)投影，拍攝熔池圖像的實(shí)驗(yàn)光路。 熔池面形信息測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成熔池面形信息測(cè)量系統(tǒng)由投影光路，4f系統(tǒng)，裝有窄帶和中性濾波片的CCD，焊機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，控制拍照的計(jì)算機(jī)組成。，其中元件1為波長為532nm，功率為200mw的半導(dǎo)體激光器；元件2為一光強(qiáng)衰減器，其透過率可以在[0，1]范圍內(nèi)變化。元件3和4組成擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，其功能是把激光器出射的細(xì)光束變成一定孔徑的平行光柱。元件5是投影光柵，被從元件4出射的平行光照亮，向焊接母材表面投影光柵條紋。 4f系統(tǒng)1母材，2傅立葉變換透鏡，3空間濾波器，4傅立葉變換透鏡，5白屏，6 CCD234516，一定空間頻率的光柵條紋從投影系統(tǒng)出射，投向母材表面，該表面是4f系統(tǒng)的輸入面，元件2是傅立葉變換透鏡，其把母材上的光場分布進(jìn)行一次傅立葉變換，元件3所在的平面是頻譜面，通過元件3空間濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，元件4傅立葉變換透鏡把經(jīng)過了空間濾波后的頻譜再進(jìn)行一次傅立葉變換，并成像與輸出面5。元件6 CCD把濾波結(jié)果拍攝下來，CCD裝上了窄帶濾光片和中性濾光片。CCD連接著控制拍照的計(jì)算機(jī)，由其控制CCD的拍攝行為。 濾光片1中心波長為532nm的窄帶濾光片，2中性濾光片21 計(jì)算機(jī)及熔池圖像顯示窗口實(shí)驗(yàn)所用的TIG焊機(jī)是用新亞公司的WSM200D焊機(jī)，如圖4,19。這種焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊、脈沖焊、點(diǎn)焊三種焊接，我們采用氬氣作為保護(hù)氣體，利用其連續(xù)電流TIG焊功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 步進(jìn)電機(jī)控制器 TIG焊機(jī)把母材連接在一可移動(dòng)小車上，利用步進(jìn)電機(jī)控制器（）來控制母材的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊槍的相對(duì)移動(dòng)。 拍攝角度的調(diào)整CCD拍攝方向168。168。W ’WBB ’q 拍攝角度的調(diào)整 對(duì)弧焊區(qū)進(jìn)行光學(xué)濾波后，弧光干擾被一定程度地抑制下來了。由于焊接熔池是類鏡面反射，當(dāng)CCD在拍攝光路端直接對(duì)熔池拍攝時(shí)，實(shí)際上拍攝到的是被照亮的光柵經(jīng)過熔池鏡面成的虛像(’)，但是，與此同時(shí)CCD也會(huì)拍到弧柱經(jīng)熔池鏡面成的虛像(’)。 弧焊區(qū)雖然弧柱布滿從鎢極到母材之間的空間，但弧柱的輻射強(qiáng)度在此空間上的分布是不均勻的，[58]。從圖可以看到，靠近鎢極弧柱部分的輻射強(qiáng)度特別大。因此，適當(dāng)選擇濾波片的透過率和中心波長，可以明顯地濾掉弧柱，而接近鎢極的弧柱部分由于其輻射強(qiáng)度很強(qiáng)，濾波后會(huì)在接近鎢極的一端看到有一亮點(diǎn)。(a) 調(diào)整角度前(b) 調(diào)整角度后 調(diào)整角度前后的效果對(duì)比Ar II線Ar I線鎢極熔池電弧高度/mm譜線強(qiáng)度 電弧光譜線強(qiáng)度在空間上的分布濾波后，妨礙我們拍攝光柵虛像W’的只剩下靠近鎢極一端的弧柱部分。又由于光柵虛像要比這一部分的虛像要大得多，則只要稍微調(diào)整一下CCD拍攝方向，即可避開弧柱亮點(diǎn)獲光柵虛像。調(diào)整CCD拍攝角度q前后。 熔池圖像采集焊接過程中所發(fā)出的電弧光十分強(qiáng)烈，對(duì)獲得清晰的熔池區(qū)圖像有重要的影響。為消除弧光的干擾，本文利用復(fù)合濾光片和空間濾波系統(tǒng)對(duì)弧焊區(qū)圖像進(jìn)行濾波，有效地減少了使光柵條紋和電弧光的光強(qiáng)梯度，從而CCD能夠拍攝到清晰的柵線條紋。焊接開始前，先打開半導(dǎo)體激光器，通過投影光路把光柵條紋投影到焊點(diǎn)上。打開焊接和步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)，讓焊接開始。此時(shí)，CCD拍攝到熔池圖像并顯示在與CCD相連的計(jì)算機(jī)的顯示器上，通過計(jì)算機(jī)控制圖像采集卡進(jìn)行連續(xù)采集熔池圖像。另外由于濾波后的弧焊區(qū)光強(qiáng)還是十分強(qiáng)，極容易使CCD飽和，為使CCD在最佳狀態(tài)下工作，在正式圖像采集前，應(yīng)通過根據(jù)CCD接受到畫面，預(yù)調(diào)節(jié)好CCD的光圈和快門等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)電流TIG焊進(jìn)行，焊接母材是奧氏體型不銹鋼，牌號(hào)1Cr17Mn6Ni5N，焊接速度是120mm/min，弧長6mm，氬氣流量是5L/min；投影激光功率200mw，波長532nm。從圖中可以看到鎢極，電弧，熔池，熱影響區(qū)，以及比較清晰的熔池輪廓和變形條紋。(a) t=，I=55A，鋼板厚度2mm(b) t=，I=55A，鋼板厚度2mm(c) t=，I=55A，鋼板厚度2mm(d) t=，I=55A，鋼板厚度2mm(e) t=，I=30A，(k8)(f) t=，I=33A，(k8) 不同焊接工藝下拍到的熔池區(qū)變形條紋圖 熔池圖像處理進(jìn)行圖像處理的主要目的在于通過對(duì)原始圖像的再加工，使之能具備更好的視覺效果或能滿足某些應(yīng)用的特定要求。在處理上主要包括圖像分割，圖像去噪，圖像增強(qiáng)、目標(biāo)檢測(cè)，等諸多內(nèi)容[6779]。處理過程的每一步均有許多算法，這些算法各不相同，處理效果也不相同，評(píng)價(jià)一種算法的好壞，關(guān)鍵是看對(duì)目的圖像的處理效果。因此只有了解了目的圖像的特征，才能更好地設(shè)計(jì)適合與目的圖像的處理算法。熔池大小等二維信息的變化，可以反應(yīng)焊縫成形情況和焊縫熔寬的變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)熔池二維特征信息是焊接自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。對(duì)于本論文，主要任務(wù)是在獲得了熔池變形條紋之后，通過數(shù)字圖像處理，獲取熔池的二維信息。 編程軟件的選擇數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，必須合理選擇開發(fā)工具。其中微軟公司的VC++是一種綜合性能很高的軟件開發(fā)工具，但其VC++復(fù)雜難學(xué)，難以在短期間內(nèi)掌握，這也是很多數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí)者的一個(gè)瓶頸。Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境。同時(shí)它還針對(duì)各個(gè)行業(yè)的需要，集成多款工具箱，其中Matlab的數(shù)字圖像工具箱就是針對(duì)數(shù)字圖像處理領(lǐng)域而開發(fā)的。采用Matlab來開發(fā)數(shù)字圖像軟件，可以利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。同時(shí)，Matlab運(yùn)行環(huán)境是基于矩陣運(yùn)算的，十分適合于數(shù)字圖像處理的編程。有鑒于此。 弧焊區(qū) 熔池圖像分析。焊接母材是奧氏體型不銹鋼，牌號(hào)1Cr17Mn6Ni5N，厚度2mm；焊接電流是55A，焊接速度是120mm/min，弧長6mm，氬氣流量是5L/min.。，電弧，熔池，熱影響區(qū)，以及比較清晰的熔池輪廓和變形條紋。在施焊的過程中，由于焊接電弧、焊接電弧在非熔池區(qū)域的漫反射以及煙塵的影響，圖像帶上了大量的噪聲。E1E2C 截面Q的灰度分布xyPQR 熔池測(cè)量的目標(biāo)是焊接熔池，因此為了排除圖片上濾波后剩余的弧光，進(jìn)行圖像切割，切割時(shí)應(yīng)保留熱感應(yīng)區(qū)同時(shí)又基本把電弧光去掉。垂直于焊接方向作一個(gè)截面Q()，以分析其灰度變化。，其中圖像灰度用double型數(shù)據(jù)表示，所以灰度的值域是[0，1]。，圖上可以看到五個(gè)峰值，其中位于最外兩側(cè)的尖峰E1和E2，那是由于類鏡面反射的熔池和漫反射性質(zhì)的不銹鋼母材的反射率不一樣造成，它們代表了熔池的邊界，所以尖峰E1和E2之間距離對(duì)應(yīng)的就是熔池的寬度；中間的尖峰C是由于弧光在類鏡面反射的熔池上形成的虛像所造成的，由于經(jīng)過了光學(xué)濾波和拍攝角度的調(diào)整， 截面R的灰度分布E1E2C沒有剩余的兩個(gè)尖峰高；剩余的兩個(gè)尖峰，也是幅值最高的尖峰，它們是由光柵條紋的彎曲所造成的。垂直于焊接方向再作一個(gè)截面R()，以分析其灰度變化。，其中位于最外兩側(cè)的尖峰E1和E2，那是由于類鏡面反射的熔池和漫反射性質(zhì)的不銹鋼母材的反射率不一樣造成，它們代表了熔池的邊界，尖峰E1和E2之間距離對(duì)應(yīng)的就是熔池的寬度，兩副圖的尖峰E1和E2幅值基本不變，那是由于截面R是熔池尾部的原因，由于熔池尾部熱量偏低，冷卻較快，熔池寬度較窄，；中間的尖峰C同樣是電弧在熔融狀態(tài)下的熔池中產(chǎn)生的虛像。沿焊接方向作一截面P，此截面通過熔池的中心，橫貫整個(gè)熔池。其中尖峰L1和L2很尖，那是由于反射率的突變而造成的，他們代表了熔池在焊接方向的邊界，兩個(gè)尖峰的距離對(duì)應(yīng)著熔池的長度；在尖峰L1左邊出現(xiàn)了一斜坡，那是經(jīng)過光學(xué)濾波后剩余的弧光所造成的；其余的三個(gè)峰值明顯是對(duì)應(yīng)著熔池上面的光柵條紋，因此他們的幅值很高，且都有一定的寬度。從上面熔池中不同部位截面上的灰度分布曲線，可以看出電弧區(qū)邊界的灰度突變較大，而熔池邊界的灰度突變較小，基本上不明顯。 截面P的灰度分布L1L2模糊，必須對(duì)原始的熔池圖像進(jìn)行一系列圖像算法處理，才能提取出熔池的邊界特征。 圖像去噪一般情況下，圖像采集過程中，一幅圖像一般要經(jīng)過采樣、量化、傳輸?shù)冗^程，在這些過程中，由于存在著信道干擾、A/D量化誤差、光污染等許多干擾因素，圖像不可避免地含有噪聲，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波，一定程度的去除干擾點(diǎn)的影響。CCD攝像機(jī)所獲得的圖像是經(jīng)過兩場圖像合成以后形成的一幅圖像，兩場圖像在取像時(shí)刻上有20ms的延遲，因而它們之間存在差別。為消除兩場圖像的不一致性必須對(duì)圖像進(jìn)行平滑。同時(shí)，視頻信號(hào)在傳輸過程中也會(huì)受到污染。噪聲信號(hào)和有用信號(hào)同時(shí)存在于一幅圖像中，因而，必須進(jìn)行去噪處理。特別地，焊接過程中，高溫高電流和煙塵必然會(huì)讓拍攝到地圖片帶上噪聲。圖像去噪大概分成兩類，一類是變換域去噪，就是利用圖像中的信號(hào)和噪聲在變換域中具有不同的分布，然后把圖像向變換域進(jìn)行變換，（其中傅立葉變換用得最多），然后在新的變換域中把噪聲濾掉，然后在進(jìn)行一次逆變換從而達(dá)到去噪的效果。但是這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)，一就是對(duì)在變換域中和信號(hào)大部分重疊的時(shí)候，這個(gè)辦法顯得無能為里，二是運(yùn)算量大，不利于用于實(shí)時(shí)測(cè)量。另外一種就是空域去噪，即用基于某種數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出卷積模板，然后對(duì)輸入圖像進(jìn)行平滑。其中的濾波器有很多種，包括均值濾波器、中值濾波器、指數(shù)基濾波器、線性濾波器、高通及低通濾波器[80]等等。180。3均值模板，3180。3中值濾波和3180。3自適應(yīng)維納濾波后的處理(a) 原圖(b) 3180。3均值濾波后(c) 3180。3中值濾波后(d) 3180。3自適應(yīng)濾波后 各種濾波效果對(duì)比結(jié)果。由濾波結(jié)果看出，均值濾波能明顯去掉圖像噪聲，但其平滑作用也使得圖像邊緣變得十分模糊，這是線性濾波器的通病；而中值濾波和自適應(yīng)濾波是非線性濾波器，能在濾波的過程中既把噪聲去掉，有能一頂程度上保留圖像目的對(duì)象的 濾波后截面Q的灰度分布E1E2C 濾波后截面R的灰度分布E1E2C 濾波后截面P的灰度分布L1L2細(xì)節(jié)，而由于維納濾波器以最小化均方誤差作為最優(yōu)原則，能限制濾波器輸出的主要誤差，雖然算法比較復(fù)雜，但在保留細(xì)節(jié)上比中值濾波器要好。因此，本論文采用3180。3自適應(yīng)維納濾波進(jìn)行圖像去噪。、180。3自適應(yīng)維納濾波后P、Q和R截面灰度圖。把它們分別和濾波前的灰度值（、）相比可看到，噪聲被明顯濾掉了。 圖像增強(qiáng)從去噪后的圖像看，熔池和光柵條紋灰度相差較大，這對(duì)熔池二維信息的提取是十分不利的，因此在對(duì)圖像邊緣檢測(cè)之前必須圖像增強(qiáng)?；叶壤旌蛯?duì)數(shù)變換是都圖像增強(qiáng)方法，灰度拉伸前后的灰度是線形關(guān)系的，能起到調(diào)整對(duì)