一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法技术

一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法，属于视觉检测算法领域。视觉检测技术还存在检测精度、缺陷识别率低的问题，而提出一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法，本发明专利技术包括：搭建硬件检测系统；进行检测系统的标定；利用搭建并标定后的检测系统获取结构光条纹图像，并进行结构光条纹图像的预处理操作；结构光中心线定位方法与特征点提取；采用三维重建算法，完成被测焊缝材料的重建与缺陷识别。本发明专利技术在保证检测系统稳定、精度较高的情况下，在尽可能减少算法运算量的前提下，保证实现更高运算速度。现更高运算速度。现更高运算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法


[0001]本专利技术涉及一种视觉检测方法，特别涉及一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法。

技术介绍

[0002]焊接涉及到各种工业领域，包括航空航天、交通运输、建筑、金属制造等各个行业。在焊接过程中，由于各种环境因素以及操作不当，导致焊接质量无法达到令人满意的程度。焊缝缺陷检测是必不可少的环节。传统的焊缝缺陷检测，主要是通过人工检测完成，这种完全依靠于人眼判断往往检测精度较差，耗时较长，而且随着检测时间增加，人眼疲劳程度增加会导致检测精度降低，效率较差。
[0003]近几年随着计算机技术和数字图像处理技术的不断发展，通过机器视觉来获取图像识别的方式是当前的研究需要，机器视觉相当于机器人的“眼睛”，其涉及到光学成像、人工智能、机电一体化等技术，是借助光学装置和非接触的传感器获得被测物体的特征图像，并且通过计算机从图像中获取信息、实时处理，进而实现检测和控制的装置。机器视觉检测技术具有安全可靠、检测精度高、可在复杂的环境中运行等优点，有着广泛的应用，涉及带钢、手机屏幕、纺织等众多行业。
[0004]目前，视觉检测主要集中在物体表面检测、识别以及目标跟踪，焊缝检测主要集中在焊缝的表面，主要存在的问题例如是：
[0005]需要多种检测手段相结合的问题；或者需从不同的角度对焊缝进行拍照，而且要保证实验环境光照充足，虽然能够较好的实现焊缝检测，但是实验过程过度依赖实验员的重复操作，鲁棒性较差的问题；或者只能实现焊缝咬边缺陷的检测，检测效果有待改进的问题；或者缺陷表达效果不够直观，仅能依靠轮廓示意图表示缺陷位置的问题；或者是利用点激光器进行检测，并且需要对区域进行10次以上的检测才可以判定缺陷，检测过程复杂，需要进一步改进的问题。
[0006]因此，现有视觉检测技术还存在检测精度、缺陷识别率低等问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决视觉检测技术还存在检测精度、缺陷识别率低的问题，而提出一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法。
[0008]一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法，所述方法通过以下步骤实现：
[0009]步骤一、搭建硬件检测系统；
[0010]硬件系统包括单线激光发射器、CCD摄像头、精密位移台以及计算机；单线激光发射器发出的线激光投射到焊缝表面，通过步进电机驱动精密位移台上被测焊缝材料移动，实现单线激光发射器扫描焊缝；
[0011]步骤二、进行检测系统的标定；
[0012]系统标定主要包括相机标定与结构光标定两个部分；通过相机标定获取相机准确
的内部参数以及外部参数，内部参数包括相机的中心点、焦距和畸变参数，外部参数即相机在世界坐标中的相对位置；通过结构光标定获取单线激光发射器发出的结构光与CCD摄像头之间的相对位置关系；
[0013]步骤三、利用搭建并标定后的检测系统获取结构光条纹图像，并进行结构光条纹图像的预处理操作；
[0014]预处理主要包括结构光条纹图像的灰度变化、二值化、图像滤波、图像分割、形态学处理和ROI提取过程；
[0015]步骤四、结构光中心线定位方法与特征点提取；
[0016]采用改进的亚像素定位算法完成中心线定位提取；通过提取特征点确定结构光中心线的几何特征；
[0017]步骤五、采用三维重建算法，完成被测焊缝材料的重建与缺陷识别；
[0018]对三维重建后的焊缝图像进行数据分析，根据得到的三维重建图像，以及对于焊缝尺寸、缺陷的定义来判断焊缝是否符合使用要求，焊缝尺寸包括焊缝的宽度、高度尺寸，缺陷包括焊缝表面气孔、咬边。
[0019]优选地，步骤二所述的进行检测系统的标定的过程为：
[0020]设计相机投影测量模型如式(2
‑
1)所示；
[0021][0022]式中n为常比例系数，[u，v]T
为目标点图像坐标，R为3
×
3的旋转矩阵，t为3
×
1的平移矩阵，M1，M2为摄像机的内参和外参，f
x
和f
y
分别为相机在x、y方将焦距参数，c
x
和c
y
为成像主点；[x
c
，y
c
，z
c
]T
是相机坐标系下的三维坐标；
[0023]坐标为(x，y)，实际情况下考虑畸变的坐标为则二者的数学关系式如式(2
‑
2) 所示；
[0024][0025]其中δ
x
和δ
y
表示非线性畸变值，非线性畸变值与非畸变点关系如式(2
‑
3)所示；
[0026][0027]其中k1、k2为径向畸变系数；
[0028]摄像机的标点结束后，得到相机的内外参数，对激光的光平面进行标定，通过光条上的特征点，建立起光平面和图像平面之间的联系，从而求得光条上的特征点在图像平面坐标系上的坐标值；通常球阀是在两个不同高度分别拍摄一张光条的图像，提取出光条的中心点作为特征点，设图像平面坐标系下，特征点的作为(u
i
，v
i
)，由式(2
‑
1)相机标定参数方程可得到式(2
‑
4)的变换方程；
[0029][0030]式中，为光平面中特征点的坐标，令M＝M1M2，且由相机标定可求得M，其表示如(2
‑
5)所示；
[0031][0032]将式(2
‑
4)展开，可得式(3
‑
9)；
[0033][0034]将(2
‑
6)消失去n可得式(3
‑
10)；
[0035][0036]分别采集两个不同高度下的光条特征点，并将所有点拟合成光平面，即可获得到光平面在图像平面坐标系下的光平面方程，从而得到激光器和相机的相对位置关系。
[0037]优选地，所述的图像预处理步骤包括：
[0038]采用三角测量法，单线激光器的激光斜入射照射焊缝，工业CCD相机位于焊缝的正上方，焊缝部分处在CCD相机视野的中心，单线激光器发出的线激光投射到物体表面，经过反射，CCD摄像头的透镜接收到被测物表面反射光，在CCD相机镜片上形成光条；基于焊缝与母版之间存在的高度差，在透镜上的反射光也产生位移，根据三角形的相似原理以及相机内部和相机与激光器之间一些距离参数可以求得焊缝的具体尺寸；
[0039]设激光光束与被测基准面发现的夹角为γ，反射光束AA
′
与法线的夹角为θ，与CCD内部光敏单元夹角为ω，入射光点A到透镜中心点O的距离为L1，成像点A
′
与透镜中心点之间的成像距离为L2；做两条垂线，垂足分别为C和D；待测物体表面之间高度差的变化为y时，相应CCD上光斑移动距离为x；利用三角形相似定理根据公式(3
‑
1)求出y的大小；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一、搭建硬件检测系统；硬件系统包括单线激光发射器、CCD摄像头、精密位移台以及计算机；单线激光发射器发出的线激光投射到焊缝表面，通过步进电机驱动精密位移台上被测焊缝材料移动，实现单线激光发射器扫描焊缝；步骤二、进行检测系统的标定；系统标定主要包括相机标定与结构光标定两个部分；通过相机标定获取相机准确的内部参数以及外部参数，内部参数包括相机的中心点、焦距和畸变参数，外部参数即相机在世界坐标中的相对位置；通过结构光标定获取单线激光发射器发出的结构光与CCD摄像头之间的相对位置关系；步骤三、利用搭建并标定后的检测系统获取结构光条纹图像，并进行结构光条纹图像的预处理操作；预处理主要包括结构光条纹图像的灰度变化、二值化、图像滤波、图像分割、形态学处理和ROI提取过程；步骤四、结构光中心线定位方法与特征点提取；采用改进的亚像素定位算法完成中心线定位提取；通过提取特征点确定结构光中心线的几何特征；步骤五、采用三维重建算法，完成被测焊缝材料的重建与缺陷识别；对三维重建后的焊缝图像进行数据分析，根据得到的三维重建图像，以及对于焊缝尺寸、缺陷的定义来判断焊缝是否符合使用要求，焊缝尺寸包括焊缝的宽度、高度尺寸，缺陷包括焊缝表面气孔、咬边。2.根据权利要求1所述的一种焊缝尺寸视觉测量与表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤二所述的进行检测系统的标定的过程为：设计相机投影测量模型如式(2
‑
1)所示；式中n为常比例系数，[u，v]
T
为目标点图像坐标，R为3
×
3的旋转矩阵，t为3
×
1的平移矩阵，M1，M2为摄像机的内参和外参，f
x
和f
y
分别为相机在x、y方将焦距参数，c
x
和c
y
为成像主点；[x
c
，y
c
，z
c
]
T
是相机坐标系下的三维坐标；坐标为(x，y)，实际情况下考虑畸变的坐标为则二者的数学关系式如式(2
‑
2)所示；其中δ
x
和δ
y
表示非线性畸变值，非线性畸变值与非畸变点关系如式(2
‑
3)所示；
其中k1、k2为径向畸变系数；摄像机的标点结束后，得到相机的内外参数，对激光的光平面进行标定，通过光条上的特征点，建立起光平面和图像平面之间的联系，从而求得光条上的特征点在图像平面坐标系上的坐标值；通常球阀是在两个不同高度分别拍摄一张光条的图像，提取出光条的中心点作为特征点，设图像平面坐标系下，特征点的作为(u
i
，v
i
)，由式(2
‑
1)相机标定参数方程可得到式(2
‑
4)的变换方程；式中，为光平面中特征点的坐标，令M＝M1M2，且由相机标定可求得M，其表示如(2
‑
5)所示；将式(2
‑
4)展开，可得式(3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄圣超，范剑英，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：