（光学工程专业论文）激光熔池温度场检测的数字图像处理技术研究.pdf

摘要 激光再制造技术近年来在国内外受到普遍关注，形成激光加工与先进制 造技术的一个前沿和热点，已在国内外得到重要的工业应用。为了更好的把 该项技术应用于生产，开展激光熔池温度场的实时检测，具有重要的意义。 采用工业电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 与计算机图像 处理技术相结合的非接触式测温方法，检测高温物体温度场已成为国内外研 究的热点。为了对激光加工温度场检测技术作进一步的研究，本文提出激光 熔池温度场检测的数字图像处理方法，研制了一套激光熔池温度场检测系统， 编制了温度场检测专用软件，并开展了激光熔池温度场的检测试验，为激光 制造的在线监测提供了新的手段。 本文介绍了温度场检测的数字图像处理技术原理，综述了国内外发展现 状，主要进行了以下几项研究工作： 1 分析激光熔池特点，建立了激光熔池温度场检测的数字图像处理方 法。针对熔池特点确定熔池图像的处理方案。 2 以v c + + 为开发环境，w i n d o w s 2 0 0 0 为应用平台，开发出激光熔池温 度场检测专用软件。对激光加工熔池温度场进行实时数据采集，并对采集结 果做温度场分析。 3 建立激光熔池温度场的温度标定方法。采用国家标准黑体炉作为标定 仪器，用c c d 摄像机拍摄黑体炉内一系列温度的热辐射图像，利用开发的 专用软件建立起灰度值与温度的对应关系。 4 通过激光熔凝、熔敷等实验，对激光熔池温度场数字图像处理检测技 术做试验分析。 关键词：激光再制造；温度场；数字图像处理；熔池：比色测温；c c d 。 a b s t r a c t a sak e yp r o j e c to nl a s e rp r o c e s s i n ga n da d v 粗c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e , l a s e rr e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e di nr e c e n ty e a r s i ti s v e r yi m p o r t a n tf o rt e s t i n gt e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rp r o c e s s i n go np r o d u c t i o nl i n e i n m e a s u r i n gh i g l lt e m p e r a t u r eo b j e c t , c c dc o m b i n e dw i t hd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d t h em e t h o do fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o lh a sb e e ng i v e ni nt h ep a p e r t h em e a s u r i n gt e m p e r a t u r es y s t e ma n di t ss p e c i a ls o r w a r eb a s e do i lv c + + h a v e b e e nd e v e l o p e d al o to fe x p e r h n e n t so i lm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e r m o l t e np o o lh a v eb e e ne x a m i n e d i tw i l lb eal l e wm e t h o df o ro n l i n em e a s u r i n g a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gi nl a s e rm a n u f a c t u r i n g , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e dt oi n e a s u r ot h et e m p e r a t u r e f i e l do f m o l t e np o o li nl a s e rm a n u f a c t u r i n g rm a i n l yi n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fl a s e rm o l t e np o o l ，t h em e t h o do fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gm e a s u r e m e n lo f t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o lh a sb e e n p r e s e n t e d 2 t h es o f t w a r eo f m e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o lo n r e a lt i m eb a s e do bv i s u a lc + + a n dw i n d o w s2 0 0 0h a sb e e nd e v e l o p e d , w h i c h c o n s i s t so f i m a g eg a t h e r i n ga n dd a t ao f t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y z i n g 3 t h ec a l i b r a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e df o rm e a s t t r e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l d i nl a s e ri nt h i sp a p e r c a l i b r a t i o ns y s t e mm a i n l yc o n s i s t e do ft h es t a t es t a n d a r d b l a c k b o d yf i l r l l a e e ，c o l o rc c dc a m e r a , a n di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m t h e e x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e np r o c e s s e db yt h es p e c i a ls e t , w a r e 4 t h et e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rm o l t e np o o li sm e a s u r e dt h r o u g he x p e r i m e n t o f l a s e rq u e n c h i n g , l a s e rc l a d d i n ga n ds oo i l k e yw o r d s ：l a s e rr e m a n u f a c t u r i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；d i g i 词i m a g e p r o c e s s i n g ；m o l t e np o o l ；t w oc o l o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e ；c c d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：唧心刀蹋签字日期：仞穸年月堋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借 阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：仂w 7 年 倘椰 q 月宣y 日 维 湘 、v 拶 钳 可刁 签 吼 雌 醐 篷 p 字 学位论文的主要创新点 一、提出了激光熔池温度场检测的数字图像处理方法，该方 法可以准确、清晰的识别出目标温度场，处理结果可以对熔池温 度场作直观地分析。 二、建立激光熔池温度场的温度标定方法，以此方法建立目 标图像灰度值与温度值之间的拟合关系函数。 三、基于数字图像处理，以v i s u a lc + + 为平台，开发出激光 熔池温度场检测专用软件。通过软件对激光熔池进行图像采集和 数据处理，可得到包括熔池形貌、温度分布规律和场内温度数值 计算的温度场检测结果。 第一章绪论 1 1 激光再制造技术 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代形成了再制造工程这一新兴研究领域，再制造产业也随 之产生。以优质、高效、安全、可靠、节能、节材为目标的先进制造技术得 到了飞速的发展，以设备、产品零部件维修和再制造为主的研究越来越多， 国内外许多大学正在进行再制造技术的研究和教学 激光再制造技术近年来在国际上已受到普遍关注，形成激光加工与先进 制造技术的一个前沿和热点f 坼】，已在航空航天、汽车、冶金、能源、先进制 造等重要领域获得广泛应用。天津工业大学采用激光再制造技术对模具、轧 辊、输油泵等装备进行修复，取得良好效果。再制造作为一种先进的制造技 术将迅猛发展，逐渐提升或取代传统的修复维修手段。 激光再制造是利用激光熔敷的方法实现对金属零部件的修复。1 9 7 6 年美 国a v c o 公司d s g n a n a m u f l m 取得激光熔敷专利，1 9 7 9 年日本日立公司公 布了激光熔敷在汽轮机叶片上以应用专利。自此，美国、英国、日本、德国 等技术强国就对激光熔敷技术十分重视，投入了相当可观的人力、物力、财 力进行研究、开发，使激光熔敷技术的发展明显加快p 捌。在激光熔敷理论、 物理数学模型、合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究、设备自动化、柔 性化、熔敷过程监控以及生产应用等方面取得了重大进展。 如图卜1 所示，激光再制造系统由高功率激光束三维运动光学系统、载 气式双料斗送粉器和测温系统组成。本文研究的内容主要涉及其中的测温系 统。 激光制造中，激光熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输物理过程， 从而产生传热、对流和传质等物理现象。激光熔池温度场的强度与温度分布 强烈影响能量、动量和质量传输物理过程，它直接影响激光制造的冶金性能 和外在质量。从理论和试验上开展激光熔池温度场研究对激光再制造技术的 发展和应用具有直接指导作用。 第一章绪论 图1 1 激光再制造系统的构成 1 2 温度场测量方法及研究现状 温度测量与长度、质量、压力等参数的铡量有所不同，它是利用某些物 质的物理性能如线膨胀率、电阻率、电势率、热噪声、热( 光) 辐射等与温 度的关系，做成各式各样的感温器件温度传感器的，并通过它们随温度 的变化量间接获得温度值。图1 - 2 给出了常用温度测量方法，常用测温一般 分为接触式测量法和非接触测量法两大类 6 1 ，下面将分别加以介绍。 1 2 1 接触式测温法 图l - 2 温度测量方法分类 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场( 或介质) 中，不受被 第一章绪论 测物的黑度、热物性参数等因素影响，具有测量精度高、使用方便的优点。 由于接触法得到的是温度场的局部信号，且动态特性不够理想，因此多将其 应用于锅炉热态特性实验或锅炉正常运行时选择关键部位进行检测。对高温 火焰的测量主要应用传统的热电偶测温法。下面简单介绍几种接触式测温方 法。 1 热电偶测温法：这种方法是最常用的接触式测温法，热电偶是利用两 种不同导体组成闭合回路，当两端接点的温度不同时产生热电势的原理制成 的，如镍铬镍硅、铂铑铂、钨铼钨等热电偶，均可以用于高温测量。热电 偶测温有较高的准确度和重复性，装置简单，易于操作及维护，广泛应用于 工业燃烧的生产和科研中。 2 膨胀式温度计：它是利用物体受热后体积发生膨胀的原理制成，一般 的水银或酒精温度计、双金属温度计及气体温度计等都是属于这一类。 3 电阻温度计：它是利用导体的电阻随温度变化而变化的原理制成，如 铜、镍及铂电阻温度计、半导体温度计等，高温铂电阻及高温半导体能够用 于高温测量。 4 压力表温度计：它是根据在密闭系统中的液体、气体或低沸点液体的 饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理制作的，并用压力表来测量这 种变化，从而测得温度。 1 2 2 非接触式测温法 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学性质 参数，求解温度，如声学法测温；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过 光学法来测量温度场。与接触式相比非接触式测温方法不会破坏被测介质的 温度场和流场，其测量上限不受材料性质的影响，且感温元件传热惯性小， 因此可用于工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合。又因非接触式测温法通 常需要开设光学窗口，局部污染造成窗口透过率的不均匀性地减弱，这增加 了温度测量的困难。下面简单介绍几种非接触式方法： 1 声学法：利用声波在气体介质中传播的速度或频率与温度的关系求解 温度值。声学高温计在锅炉断面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面已有一 些应用实例。 2 激光光学测温法：以激光喇曼散射测温法运用最为广泛。频率连续可 调的激光器出现后，该方法进行了改进，大大提高了测量精度，在燃烧介质 温度及气体组分浓度的测量中得到了广泛应用。 3 基于辐射的光学测温法：根据物体某波段内所发射的能量与温度间的 第一章绪论 对应关系进行测温。目前已开发了亮度法、单色法、双色法( 比色法) 和多 色法等测温方法，下面简单介绍亮度法和比色测温法。 & 亮度测温法：根据物体光谱辐射亮度随温度升高面增加的原理，采用 亮度平衡的方法进行测温。此方法灵敏度高，但物体辐射率不易测定，测量 结果易受中问传输介质和环境的影响。 b 比色测温法：根据热辐射体在两个波长上的光谱辐射强度之比与温度 之间的函数关系来测量温度的方法。 激光加工过程中的熔池温度是一个很重要的参数，直接影响到加工产品 的质量。为了能更好地控制加工过程，实时测量熔池温度是非常必要的，但 是目前国内外对激光加工熔池温度场的在线检测研究还很少。激光熔池属于 高温熔体，现有的熔体测温最常用的测量元件是热电偶，但使用热电偶测量 时必须将保护套管插入高温熔体中，既要承受高温熔体的热冲击，又要受到 介质的物理化学蚀损。目前国内外广泛使用的是消耗式快速微型热电偶，这 种热电偶基本上能满足生产工艺的要求，但是要消耗大量的贵金属铂、锗， 成本较高。而使用热电偶接触法测量熔池温度，由于熔池温度高、反应剧烈， 所以难度较大。 与接触法测温相比，非接触法测温具有充分的灵活性。现在应用较多的 辐射温度计是根据物体的辐射强度与温度的函数关系来标定温度值的，但由 于物体辐射强度受辐射系数影响，必须根据辐射系数来修正测量值才能接近 真实温度，这种修正不仅在技术上存在很多困难，在测量现场也只能根据经 验判断，修正中难免引入人为误差。 为了提高灵敏度，目前常用的辐射测温仪的工作波长均在红外区。由于 背景环境的影响产生的干扰很大，所以随着计算机技术的迅猛发展，部分国 内外学者将数字图像处理技术应用到温度检测中，这是高温物体温度场检测 的一个新趋势。 目前较为成熟的非接触测温产品有美国i s tq u a d t e k 公司生产的 s p y r o m e = t e r 高温工业电视系统，这是一种综合了两种技术( 视频摄像机和双色 式红外辐射测温计) 的非接触法测温系统1 7 】，可以在控制室的监视器上实时观 察炉内火焰，并可以测量炉膛内人工选定的任一点的实时温度，即用一种设 备同时完成了对炉内状况的观察和多点的温度测量。同类型的成熟的高温热 辐射测温设备还有m r o n 公司的系列红外谱测温产品，已被广泛应用于 水泥、玻璃、冶金等行业中。但直接将监控用可见光型c c d 用于测量高温 的技术，目前还只是处在实验研究阶段 8 - 2 0 l 。在国内北京有色金属研究总院 2 1 l ，叶滨根据高温非接触式测温理论，选用具有高抗干扰性能的红外比值测 第一章绪论 温方法，解决了铜冶炼熔体测温中普通存在的烟尘、杂光等干扰问题。采用 单片机进行数据处理，并配备自动测温控制开关及传感器的保护冷却装置， 实现了熔体温度的在线检测，具有广阔的应用前景。 1 3 数字图像处理技术 数字图像处理( d i g i t a li m a g ei h c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，它是 指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像 处理最早出现于2 0 世纪5 0 年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平， 人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为- - f - i 学科大 约形成于2 0 世纪6 0 年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量， 它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中，输入的是质量低 的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复 原、编码、压缩等。图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重 大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、 机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使图像处理成为一门引人 注目、前景远大的新型学科。 图像处理是针对性很强的技术，根据不同的应用对象和不同要求，需要 采用不同的处理方法。这些方法涉及数学、物理学、心理学、生理学、医学、 计算机科学、通信理论、信号分析、控制论和系统工程等领域。各学科间的 相互补充、互相渗透使数字图像处理技术飞速发展，获得了显著成果，应用 领域也将随之不断扩大。 1 航天和航空技术方面的应用：数字图像处理技术在航天和航空技术方 面的应用，除了美国喷气推进实验室( j p l ) 对月球、火星照片的处理之外， 另一方面的应用是在飞机遥感和卫星遥感技术中。现在世界各国都在利用陆 地卫星所获取的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察，农业规划、城市 规划等。我国也陆续开展了以上诸方面的一些实际应用。在气象预报和对太 空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。 2 。生物医学工程方面的应用：数字图像处理在生物医学工程方面的应用 十分广泛，除了上面介绍的c t 技术之外，还有一类是对医用显微图像的处 理分析，如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等。此外，在x 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学 诊断方面都广泛地应用图像处理技术。 3 通信工程方面的应用：当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像 第一章绪论 和数据结合的多媒体通信。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关 键。除了已应用较广泛的熵编码、d p c m 编码、变换编码外，目前国内外正 在大力开发研究新的编码方法，如分行编码、自适应网络编码、小波变换图 像压缩编码等。 4 工业和工程方面的应用：在工业和工程领域中图像处理技术有着广泛 的应用，如自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类，印刷电路板 疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮 政信件的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排 列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研 制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的激 励，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。 5 军事公安方面的应用：在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精 确末制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化 指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；公安业务图片的判读分析， 指纹识别，人脸鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。 6 文化艺术方面的应用：目前这类应用有电视画面的数字编辑，动画的 制作，电子图像游戏，纺织工艺品设计，服装设计与制作，发型设计，文物 资料照片的复制和修复，运动员动作分析和评分等等，现在已逐渐形成一门 新的艺术计算机美术。 图像技术已被人们应用得较为成熟，从可见光谱扩展到各波段，从静止 图像到运动图像的处理，从物体的外部到物体的内部图像的处理，从整体中 有选择性地对局部图像进行处理，提取图像特征进行处理，人工智能化的图 像处理等。图像处理涉及由灰度到彩色，由二维到三维，由分析到理解，由 基本理论到最新的信息处理方法等诸多方面，内容丰富，应用广泛，方法多 样，并随着其它学科的发展而不断进步。 1 4 温度场数字图像处理检测技术 数字图像处理技术虽属于计算机领域的专业技术，但因各学科的交叉性 以及电子计算机的高速发展已被广泛应用于多领域。光信息检测技术，如电 站锅炉燃烧监控中单色火焰的图像处理，炉膛火焰的温度检测，焊接熔池等 工业研究；视觉检测、模式识别、遥感监控等技术中都利用了图像处理这一 技术。 基于数字图像处理的温度场检测技术是在摄像机型火焰检测技术基础上 第一章绪论 发展起来的。它利用现有的摄像机型火焰检测系统，融合了数字图像处理和 辐射测温技术，使摄像机火焰检测技术的功能更加多样，应用范围进一步拓 宽。 近年来，随着c c d 和c m o s 技术的发展，由于其具有耐灼伤、工作稳 定可靠、图像清晰度高等优点，它与计算机图像处理技术相结合在温度场测 量方面的应用成为国内外研究的热点2 ”舶。 日立研究室的k u r i h a r a 等最早研制了火焰图像识别系统( f 也s ，f l a m e i m a g er e c o g n i t i o ns y s t e m ) 【3 3 l ，1 9 8 5 年问世的h i a c s - - 3 0 0 0 系统采用了炉 膛火焰图像识别技术，可以得出火焰温度场的分布，随后该公司提出了类似 于比色法的图像温度测量方法。 芬兰w o 公司的燃烧检测与数字分析系统( d i m a c ，d i g i t a lm o n i t o r i n g a n da n a l y s i so f c o m b u s t i o n ) 删于1 9 8 9 年投入使用该系统通过改进锅炉效 率和可靠性来改善运行的安全性和减少n o x 排放。d i m a c 系统自动存储单 喷嘴或整个炉膛卸负荷时最后两分钟内的测量和计算结果，这样可以帮助运 行人员发现事故的原因。同时，运行人员也可以随时存入当前工况的有关数 据到数据库中，这些信息有助于比较不同煤种燃烧性质的差别。 三菱的光学图像扫描( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m es c a n n e r ) 系统i ”3 6 】 采用光学图像传感器，大大提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别能力，能较好 地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器火焰对被检测火焰信号的干扰，不仅能 判断火焰的稳定性，还能识别火焰的形状。 在国内，清华大学王补宣等【3 7 首先进行y d , 型发光火焰温度分布测量的 研究，并经黑体炉标定获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理研 究的先河。 上海交通大学徐伟勇、孙江等【3 s 柏】采用传像光纤和数字图像处理技术开 展了检测电站锅炉燃烧火焰的研究，将火焰亮度及其变化历史记录作为判断 燃烧稳定性的依据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研 究。 华中科技大学周怀春等件3 1 通过在c c d 前面加装单色滤色片获取火焰 单色图像的方法，借助于辐射定律开发了基于参考点的单色图像温度场计算 方法，通过所获得的单色图像与其中菜一参考点的辐射强度的比较来获得温 度场。参考点用双色高温计或热电偶测温获得，并根据温度场的信息和火焰 辐射脉动频率谱强度信息进行燃烧工况诊断。 浙江大学热能工程研究所王飞、卫业成等 4 4 - 4 9 l 基于火焰辐射图像的三色 信息，提出了不需参考点的投影温度场测量方法，并在小型燃油和燃煤试验 第一章绪论 台以及3 0 0 m w e 电站锅炉上进行了实验验证，取得了令人满意的结果。另外 还建立了截面温度场和火焰燃烧颗粒浓度场的重建模型，并在此基础上开展 了燃烧智能诊断的研究。 清华大学潘际銮、张华、何方毅、苏勇等( 5 ”5 j 提出用c c d 图像比色测 温测量二维焊接温度场的方法。该方法是利用近红外的两个窄带滤光片交替 置于光路中，c c d 摄像机摄取不同波长下物体辐射。该方法采用数学方法标 定，测量出温度场真实的温度数值，测温结果不受材料、距离及表面状况的 影响，可以获得焊接温度场的全面信息，利用计算机实现对这些信息的快速 处理。 数字图像处理技术在锅炉火焰检测及其三维温度场重建、炉膛状况监测 等方面得到了广泛的应用，且应用多在红外波段，但是对于激光加工工业中 的高温熔池的温度检测，只在理论上开展了初步研究1 5 ”8 l ，尚无成熟的理论 和试验技术及设备。在激光再制造过程中，激光烙池的热过程贯穿整个加工 过程，由于激光熔池尺寸较小、温度变化快，物理过程复杂，从试验上开展 激光熔池温度场检测和控制研究具有较大难度，采用常规的测温方法( 热电 偶或红外热像仪) 存在系统响应慢或设备昂贵等较大的局限。由于激光器发 射波段多在红外光波段( 1 0 6 t t m ，1 0 ，6 t t m ) ，因此本文引入了c c d 摄像机， 结合数字图像处理技术，采用菲接触测量，不受入射激光工作波段及工作环 境的影响，检测系统成本较低，系统进一步发展后，可成为激光制造中熔池 温度在线检测的有用技术。 1 5 研究的内容及意义 本课题旨在研究激光熔池温度场检测的数字图像处理技术，开发出激光 熔池温度场检测的专用软件，配合测温系统其它测量仪器完成检测功能，并 对采集数据做后期处理和分析。 本课题主要进行以下几方面的工作： 1 根据激光加工熔池特点，分析拍摄图片，确定相应的图像处理方案， 建立激光熔池温度场检测的数字图像处理方法。 2 开发专用的温度场检测软件。 3 对温度场检测的温度进行数字标定。 4 通过激光熔凝、熔敷等试验，对激光熔池温度场数字图像处理检测技 术及开发软件做分析验证。 第一二章激光熔池数字翻像处理原理 第二章激光熔池数字图像处理原理 利用计算机进行图像处理有两个目的：一是产生出更适合人观察和识别 的图像；二是希望能由计算机自动识别和理解图像。无论为了哪种目的，关 键的一步就是能够对包含有大量的、各式各样景物信息的图像进行分解，分 解的最终结果是一些具有某种特征的最小成分即图像的基元。图像的特征指 图像中可用作标志的属性，可分为图像统计特征和图像的视觉特征两类。图 像的统计特征如直方图等是一些人为特征，需通过变换才能得到。图像的视 觉特征指人的视觉可直接感受到的自然特征，如区域的亮度、纹理或轮廓等 2 1 数字图像的基本概念 数字图像处理主要研究：图像变换、图像编码压缩、图像增强和复原、 图像分割、图像描述、图像分类( 识别) 等内容。它具有以下特点：信息大 多是二维信息，处理信息量很大；占用的频带较宽；各个像素不是独立的， 相关性大；对于三维景物的二维投影需要知识导引；由于人的视觉系统复杂， 而计算机视觉是模仿人的视觉，受环境条件、视觉性能、情绪爱好以及知识 状况影响很大。 计算机屏幕上显示出来的画面通常有两种描述方法：一种是以矢量机构 存储的图形；一种是以栅格形式存储的图像。图像由数字阵列信息组成，用 以描述图像中各像素点的强度和颜色，适于表现含有大量细节的画面，并可 直接、快速地在屏幕上显示出来。 色度学理论认为，任何颜色都可以由红( r e d ) 、绿( g r e e n ) 、蓝( b l u e ) 三种基本颜色按照不同的比例混合得到。红、绿、蓝被简称为r g b 三原色。 在p c 的显示系统中，显示的图像是由一个个像素组成的，每一个像素都有 自己的颜色属性，像素的颜色是基于r g b 模型的。人眼看到的图像是连续 的模拟图像，其形状和形态表现由图像各位置的颜色决定。 图像的数字化首先要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会 c i e ( i n t e m a t i o n a lc o m m i s s i o no ni l l u m i n a t i o n ) 对颜色的描述作了一个通用的 定义，用颜色的三个特性来区分颜色，这三个特性是色调、色饱和度和明度， 它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性p 。 色调( h u e ) y 称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种 第二章激光熔池数字图像处理原理 类。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知 色调的一个术语是色彩( c o l o r f u l n e s s ) 。 色饱和度( s a t u r a t i o n ) 是指颜色的纯洁性。它可用来区别颜色明暗的程度。 完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的 光谱色就是完全饱和的颜色。 明度( b r i g h m e s s ) 是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知程度， 它和人眼的感知能力有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会选用了 一个比较容易度量的物理量，称为亮度( 1 u m i n a n c e ) ，用亮度来度量明度，亮 度即辐射的能量。明度的一个极端是黑色( 没有光) ，另一个极端是白色，在 这两个极端之间是灰色。 光亮度( h g h t n e s s ) 是人的视觉系统对亮度的感知响应值。光亮度可用作颜 色空间的一个维，而明度( ( b r i 曲n l e s s ) 则仅限用于发光体。 研究表明，人类眼睛对红、绿、蓝3 种颜色特别敏感，称这3 种颜色为 人类视觉的三基色( r g b ) 。基于r g b 三基色的颜色表示称为r g b 颜色模 型。除此之外还根据r g b 模型提出了l a b 颜色模型、h s b 颜色模型、y i q 、 y 1 颜色模型、c m y 颜色模型、c m y k 颜色模型等 删。 1 r g b 颜色模型：人的眼睛通过3 种可见颜色的刺激在视网膜的锥体上 感知彩色，这些可见颜色在波长约为6 3 0 n m ( 红) 、5 3 0 n m ( 绿) 、4 5 0 n m ( 蓝) 处具有峰值灵敏度，通过比较光源的强度而感知光的颜色。这就是人们常说 的三基色原理，这种模式通常用于彩色电视机及荧光屏上。 2 l a b 颜色模型：是由r g b 三基色转换而来的，该颜色模式由一个发光 率( l u m i n a n c e ) 和两个颜色( a ，b ) 轴组成，分别表示色饱和度和色调的变 化。它是一种具有“独立于设备”的颜色模式，不论使用任何一种监视器或打 印机，l 曲的颜色都不变。 3 h s b 颜色模型：基于人对颜色的心理感受( 色调，饱和度，亮度) 的 一种颜色模式。它是由r g b 三基色转换为l a b 模式，再在l a b 模式的基础 上考虑了人对颜色的心理感受这一因素而转换成的。 4 y i q 颜色模型：美国国家电视系统委员会( n t s c ) 定义了用光亮度 ( y 亮度信息) 和色度( i ，q 色度值) 。 5 y u v 颜色模型：由一个亮度信号y 和两个色差信号u ，v 组成。它 是利用人眼对亮度信号敏感而对色度信号相对不敏感的特点，将r g b 颜色 通过亮度信号公式y = 0 3 9 rq - 0 5 0 g4 - 0 1 1b 转换为一个亮度信号y 和两 个色差分量信号u ( r - y ) ，v ( b - y ) ，以牺牲信号的质量为代价进行了频带 压缩。 第二章激光熔池数字图像处理原理 6 c m y 颜色模型：由青、品红、黄构成的一组基色。r g b 颜色模型是 用于磷粉屏幕的颜色生成，是一个由黑到白的增色处理过程。而c m y 颜色 模型用来描述绘图和打印彩色输出的颜色，是一个由白到黑的减色处理过程， 又称为负三原色。 7 c m y k 颜色模型：由青( c y a n ) 洋红( m a g e n t a ) 、黄( y e l l o w ) 和黑 ( b l a c k ) 4 种颜色组成。靠减去光线产生可见光谱中的绝大部分颜色。 2 2 图像的数字化 考虑到测温用的视频信息应是不失真的亮度信号和不失真的色度信号， 所以选择的c c d 摄像器件要能直接输出r 、g 、b 模拟量信号m l 。 图像的数字化包括空间上和幅度大小上的数字化两部分，分为空间坐标 的数字化和亮度量化两个过程。设需要采集的图像尺寸为w x h ( 长宽) ；颜色 深度为8b i t ( 比特数) ，即采集到的图像颜色是8b i t 灰度图像，或1 6 2 4 3 2b i t 的真彩色图像，帧频速为盘( 标准p a l 制2 5 帧，n t s c3 0 帧) ，图像信号的数 据量为d q ( m b ) ，则： d q = w x h x f s x b i t 8( 2 1 ) 如果采集卡的采样率a p i 2 d q ，则该采集卡能够胜任采集工作。如果 c c d 采用r 、g 、b 输出，信号传输量很大，例如一帧7 6 8 5 7 6 = 4 4 2 3 6 8 像 素的图像，采用r 、g 、b 真彩色传输一帧的数据量为2 4 x 4 4 2 3 6 8 = 1 0 6 1 6 8 3 2 b i t ，而每秒要2 5 帧，所以传输速率为2 6 5m b s ( 3 3 2m a s ) ( 8b i t = lb ) 。 图像数字化是电脑图像处理之前必做的基本步骤，目的是把真实的图像 转变成电脑能够接受的存储格式，即特定的数字序列。数字化过程一般分为 采样与量化处理两个步骤。采样实际上就是要用多少点来描述一张图像。想 要得到更加清晰的图像质量，就需要使用更多的点来表示图像，也就是使这 幅图像具有较高的分辨率，但这需要付出更大的存储空问的代价。量化是指 要使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点。这个数值范围包括 了图像上所能使用的颜色总数，数值范围越大，表示图像可以拥有更多的颜 色，可以产生更为细致的图像效果，但同时会占用更大的存储空间。量化的 结果是图像能够容纳的颜色总数。 空间坐标( x ，y ) 信号的数字化过程被称作图像采样。如图像的原始分布为 t t ( x ，y ) ；其信号具有一定的截止频率，经过采样以后得到图像信号f t g ( i ，j ) ， 可以由下式表示： 第二章激光熔池数字翻像处理原理 ( 2 - 2 ) 式中： f t 。( x ，y ) - - z y f t ( x ，y 弛( x ，y ) ( 2 2 ) mo h ( x ，y ) = 8 ( x - m ，y - n ) ( 2 - 3 ) m n 4 - ( 2 3 ) 式中：h ( x ，y ) 称为二维梳状函数，构成了c c d 视频信号的采样栅格； a ( i ，j ) 是二维单位脉冲响应函数： 胜裳5 ：k0 。j = 。o ( 2 - 4 ) l j ( i ，j ) = o 其它 ” 图像采样过程仅仅是把图像在空间上离散化。为了获得数字化图像，还 要进行图像的量化，把由采样获得的图像灰度值由模拟量转化为数字量。简 单的做法是把样本值的范围分为几段，落入某段中的所有灰度值用单一离散 量表示，量化的间隔数越多，对图像灰度的分辨能力就越强。通常量化的间 隔数为偶数，其值可以为2 ，1 6 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 等。本文采用的图像卡是2 4 位的 真彩色图像卡，其中r 、g 、b 中每个颜色通道占用8 位，对应的量化等级 数为2 5 6 ，这意味着真彩色图像卡可区分2 5 6 2 5 6 2 5 6 种颜色。 经过数字化后，连续的图像被映射为一个数组结构： b 1 2 g 1 2 r 1 2 b 2 2 g 2 2 r 2 2 b g 3 2 r 3 2 ( 2 - 5 ) ( 2 5 ) 式中，r 、g 、b 代表各个坐标下红绿蓝三色的灰度量化值。这样就 获得了数字化的图像信号，它是进行进一步图像处理的基础。数字化后的图 像数据一般有两种存储方式：一种是位映射0 3 i t m a p ) ，即位图模式；另一种 是向量处 塑：( v e c t o r ) ，也称矢量图模式。 位映射是将图像的每一点数值存放在以字节为单位的矩阵中。当图像是 单色时，一字节可存放8 点图像数据；1 6 色图像每两点用一个字节存储；2 5 6 色图像每一点用一字节存储。这样就能够精确地描述各种不同颜色模式的图 像画面，所以此种存储模式较适合于内容复杂的图像和真实的照片。向量处 理不存储图像数据的每一点，而是存储图像内容的轮廓部分。该存储方式的 、-l，j 珏 竹 r r r ” g g g ； 反m 良阶胁胁 g g g b b b 第二章激光熔池数字图像处理原理 缺点是要耗费大量的时问做一些复杂的分析演算工作，但图像的缩放不会影 响到显示精度，也即图像不会失真，且图像占用的存储空间较之位图方式要 少得多。所以，向量处理比较适合存储各种图表和工程设计图，而般图像 文件较少采用向量处理方式。 多媒体图像处理中另一个重要概念是调色板( c o l o r m a p ) 。调色板是包含不 同颜色的颜色表，每种颜色以红、绿、蓝三种颜色的组合来表示，图像的每 一像素对应个数字，而该数字对应调色板中的一种颜色。调色板的单元个 数是与图像的颜色数对应的，2 5 6 色图像的调色板就有2 5 6 个单元。 真彩色图像的每个像素直接以三个字节僻、g 、b ) 表示颜色，因此不需 要调色板。对于1 6 色或2 5 6 色图像，并非全部的图像都采用相同的1 6 种或 2 5 6 种颜色，由于调色板中定义的颜色不同，则不同图像用到的颜色是千差 万别的，所谓1 6 色或2 5 6 色图像只是表示该幅图像最多只能有1 6 种或2 5 6 种颜色。所以，当利用多媒体计算机对由图像采集卡数字化处理后的热辐射 图像进行进一步处理时，实际上就是对r 、g 、b 位图进行处理。 2 3 激光熔池特性分析 黑体的光谱辐射强度随波长和温度的变化而变化。实际物体的光谱辐射 能力按波长分布的规律与绝对黑体不同，但定性上是一致的。金属加热时可 以观察到，当金属温度低于5 0 0 k 时，由于实际上没有可见光辐射，我们不 能察觉到金属的颜色变化，但随着温度上升，金属将相继呈现暗红、鲜红、 桔黄等颜色，当温度超过1 3 0 0 k 时将出现所谓白炽。金属在不同温度下呈现 不同颜色，说明随着温度的升高，热辐射的可见光中短波的比例不断增加。 彩色c c d 能将可见光分成红、绿、蓝三色，测温系统根据比色原理可利用 此三基色实现对高温热辐射物体的非接触式温度测量。 比色测温法可以在可见光范围对激光熔池做温度检测，由c c d 拍摄的 熔池照片是以r g b 为颜色模型、b m p 位图格式为文件扩展名的“位真彩色 图像。对拍摄图像的分析直接受拍摄图像质量的影响。由于c c d 摄像机结 合图像处理技术的非接触式测温方法具有操作方便、不干扰生产的特点，因 此我们采用c c d 在自然光条件下对激光熔池进行拍摄。但对于激光熔池而 言，被拍摄目标属于高温熔体，用c c d 拍摄的熔池图片可能会受到以下干 扰： 1 日光强度因素。在自然光条件下拍摄熔池，熔池温度高，亮度高，会 对拍摄图像产生干扰。 第二章激光熔池数字图像处理原理 2 被固定工件的稳定程度因素。在加工过程中被固定在车床上的工件可 能会因车床的移动产生轻微的抖动。c c d 相机同时被固定在车床上，同样可 能产生抖动，使得拍摄图片出现重影的可能。 3 ，随着功率的变化，熔池会出现火花飞溅的现象，为后面的目标识别造 成干扰。 4 当熔池超过熔点后会产生气化，出现烟雾状的离子体，也会为熔池边 界的识别造成干扰。 2 4 激光熔池数字图像处理方法 所谓图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需 求的行为。通常经输入系统获取的图像信息中含有各种各样的噪声与畸变， 例如c c d ( 摄像头) 获得的图像经过a d 转换、线路传送都会产生噪声污 染等，这些不可避免地影响系统图像的清晰程度、降低了图像质量。因此， 在对图像分析之前，必须要对图像质量进行改善，一般方法有两类：图像增 强和图像复原。图像增强的目的是设法改善图像的视觉效果，提高图像的可 读性，将图像中使人感兴趣的特征有选择的突出，便于人与计算机的分析和 处理。例如突出目标物的轮廓，去除各类噪声，将黑白图像转变为伪彩色图 像等处理。目前在图像增强和像质改善方面主要有灰度变换、图像锐化、噪 声去除、色彩变换等。因此，针对激光熔池图像的特点可由计算机做进一步 的图像分析处理，过程如图2 1 。 图2 1 图像预处理流程图 2 4 1 平滑处理 消除噪声称之为图像平滑或滤波，目的有两个：改善图像质量和抽出对 象特征( 1 1 1 。噪声种类复杂( 如加性噪声、乘性噪声、量化噪声等) ，相应的 平滑方法也很多。针对熔池图像的特点采用邻域平均法：设f ( i d ) 为给定含有 噪声的图像，经过平滑处理后为9 0 , j ) ，在数学上可表示为： g 乜，i