[發明專利]一種實現閉合連通域的熔池輪廓圖像提取方法

在審

• 申請號: 202010776108.5
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111696107A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 韓靜;趙壯;張毅;陸駿
• 申請（專利權）人: 南京知譜光電科技有限公司
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T5/00;G06T7/13
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 張學彪

1.一種實現閉合連通域的熔池輪廓圖像提取方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：提取熔池圖像：使用安裝相機的焊機在焊接工件進行焊接工作，使得相機能夠采集每一道焊縫從成型到焊接結束的熔池圖像；

步驟二：熔池圖像預處理計算：引入基于非線性灰度變換的弱邊緣增強方法與基于滑動窗口灰度信息的灰度變換方法對熔池圖像進行預處理計算，具體為：

（2-1）基于非線性灰度變換的弱邊緣增強方法，引入式（1.1）所示的復合冪函數，

式中，x表示的是圖像中單個像素點的灰度值，m與k均為大于1的整數，是可調節參數，隨著m與k的變化，變換后的灰度值分布情況不同；

（2-2）基于滑動窗口灰度信息的灰度變換方法，計算流程如下：

（2-2a）從熔池圖像一邊角的像素點開始遍歷，設當前遍歷的像素點處灰度值為，以該像素點為中心的大小為3*3的鄰域區域內的灰度最大值設為，最小值設為；

（2-2b）對3*3鄰域內像素點的灰度值在該區域內做式（1.2）中的歸一化處理，

（2-2c）將步驟（2-2b）中像素低灰度值根據其在[0,1]的灰度范圍內所處的區間代入式（1.1），得到經過非線性灰度變換算法計算后的像素點灰度值，

（2-2d）將代入式（1.2）中等號左邊，反推出原式中的，即將鄰域區域內灰度值范圍從[0,1]拉伸至原灰度值范圍，如式（1.3），

（2-2e）基于滑動窗口遍歷圖像中所有像素點的計算方式來調整圖像的灰度分布情況，壓制亮度飽和區域產生的不良影響，首先基于遍歷到的像素點根據（1.4）式計算以它為中心的3*3鄰域內的像素點的灰度均值，即像素點的灰度值，

在得到鄰域灰度均值后，將3*3鄰域內的所有像素點的灰度值做基于反比例函數的計算變換，如式（1.5），

步驟三：基于便于導向算子模板匹配的梯度圖計算：將初始水平和垂直兩個方向的Sobel算子擴展至四個方向，利用Sobel算子對經過預處理的圖像進行卷積操作并得到熔池圖像的梯度圖；

步驟四：圖像合并：對梯度圖進行閾值化得到梯度二值圖并對其后端部分與Canny算子檢測得到的輪廓線前端部分進行拼接，得到熔池圖像邊緣粗提取結果圖，其中：梯度二值圖通過對步驟三中梯度圖原圖像素進行遍歷，遍歷到的像素點，并確定其在卷積操作后的的對應像素坐標點的梯度幅值以及中的最大值與最小值，

式中為除水平和垂直方向上的兩個梯度幅值，ω與σ為擴展方向角度，從而獲得該像素點在剩下兩個熔池梯度圖的梯度反應為，并按照式（1.8）計算像素點基于邊緣導向算子梯度值P，

步驟五：提取熔池圖像輪廓線：對邊緣粗提取結果圖進行基于判斷梯度強度與方向的邊緣連接操作，獲得圖像弱邊緣信息并進行填充獲得完整的連通域區域，再對連通域區域進行基于數學形態學的邊緣平滑操作，最終獲得熔池圖像輪廓線，具體為：

（5-1）基于梯度強度與角度的弱邊緣連接，流程如下：

（5-1a）在熔池后端弱邊緣的梯度圖一邊角像素點開始搜素強響應像素點并搜索其5*5的鄰域區域，將擴展的ω與σ兩個方向通過三角函數變換為水平和豎直兩個方向，如式（1.9）

（5-1b）對鄰域內的像素點按照式（1.8）與式（1.9）計算其梯度的幅值P與方向θ，

（5-1c）判斷鄰域內像素點是否被置為強響應像素點，如式（1.10），

對于滿足式（1.10）的鄰域內的像素點，若其本身未響應為強響應像素點，將其置為強響應像素點，其本身為強響應像素點，不進行另外處理；

（5-2）基于數學形態學的后處理，處理流程如下：

（5-2a）對于熔池區域內部由Canny拼接引入的干擾邊緣，利用判定連通域尺度的方法對連通域尺度小于設定閾值的小連通域進行去除，

（5-2b）填充圖像中的封閉孔洞區域，將填充后的圖像與填充前的圖像相減，得到封閉孔洞區域的梯度二值圖，保留區域尺度最大的連通域；

（5-2c）為了使連通域具有熔池區域邊緣較為圓滑的特點，建立一個半徑為15個像素的圓盤形算子結構，利用其對連通域先做閉運算，再做開運算；

（5-2d）將得到的熔池區域輪廓邊緣疊加到熔池圖像原圖上，獲得熔池圖像輪廓線。