（材料加工工程专业论文）基于dsp的窄间隙埋弧焊焊缝图像处理与特征提取.pdf

沈阳大学硕士学位论文 摘要 焊缝自动跟踪技术，尤其是视觉跟踪技术，已成为国内外焊接自动化的关键技术， 被更加重视且进行重点研究。焊缝图像处理技术是焊缝跟踪系统的软核心。图像处理 技术的最基本工作是对图像的采集和存储。在焊接操作过程中，需要实时完成图像的 采集和存储，为提高数据量很大的焊缝图像处理速度，窄间隙埋弧焊图像的采集和存 储选用高性能的d s p 处理设备。b l a c k f m 系列的d s p5 6 1 不但具有强大的运算能力， 而且具有双核结构，能够同时完成图像的处理与存储两个任务，而且其编程平台 v i s u a ld s p + + 采用直观、简洁的用户界面，使得用户可以灵活的进行各种操作。其集 成开发与调试环境为编译、调试程序提供了完整的图形控制。而且v i s u a ld s p + + 支持 c c + + 编译器，这极大程度的提高了开发效率，也有利于对程序进行后期改进。 窄间隙埋弧焊因焊丝完全被焊剂掩埋，无法直观采集到焊枪是否处在焊缝中心线 位置的图像，因此设计激光光源发出直线光线照射在焊剂堆前沿，利用图像传感器进 行焊接位置图像的实时数据采集，借助激光线完成焊枪位置偏差的超前判断。将位置 偏差信号传递给焊枪执行机构控制器，以实现焊缝的自动跟踪。 依据窄间隙埋弧焊的焊缝图像特点，设计了相应的图像处理步骤，分为图像增强， 使得焊缝图像更加清晰；图像分割，进行焊件与焊缝边缘的分割；图像滤波，消除图 ： 像分割后，焊缝边缘附近的细小噪声；边缘提取，得到清晰、完整的焊缝边缘图像。 ! ；针对窄间隙埋弧焊的焊缝轨迹多为直线焊道与弧形焊道，专门提出了改进的h o u g h 变换来提取焊缝直线或弧线边缘，相比传统的p o b e r t s 、p r e w i t t 等边缘检测算子，h o u g h 变换检测的焊缝图像更加清晰、完整。在处理焊缝图像的同时，把采集到的数据进行 压缩，设计了针对窄间隙埋弧焊图像的压缩方法，在保证焊缝特征值不被破坏的前提 下，减少焊接视频的存储空间。对焊缝图像进行保存，不但利于焊缝质量的跟踪对比， 而且后期数据分析也提供了原始资料。 关键词：窄间隙埋弧焊、焊缝自动跟踪技术、v i s u a ld s p + + 、h o u g h 变换 沈阳大学硕士学位论文 i i 沈阳大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cs e a mt r a c k i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ev i s u a lt r a c k i n g ，h a sb e c o m eak e y t e c h n o l o g yf o rd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lw e l d i n ga u t o m a t i o n i t i sm o r ea t t e n t i o n ，a n dt of o c u sr e s e a r c h w e l di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi st h e c o r eo fs e a l 2 qt r a c k i n gs y s t e m t h em o s tb a s i ci m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi st oc a p t u r e a n ds t o r et h ei m a g e i nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h en e e df o rr e a lt i m ei m a g ea c q u i s i t i o na n d s t o r a g e t oi m p r o v ei m a g ep r o c e s s i n gs p e e d ，h i g h p e r f o r m a n c ed s pp r o c e s s i n ge q u i p m e n t u s e d b l a c k f i n d s p5 6 1h a sap o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e s i th a sad u a l c o r e a r c h i t e c t u r et h a tc a ns i m u l t a n e o u s l yi m a g ep r o c e s s i n ga n ds t o r a g et a s k s i t sv i s u a ld s p + + p r o g r a m m i n gp l a t f o r mu s i n gi n t u i t i v e ，s i m p l eu s e ri n t e r f a c e ，a l l o w su s e r st op e r f o r m v a r i o u so p e r a t i o n sf l e x i b i l i t y v i s u a ld s p + + s u p p o r t sc c + + c o m p i l e r i ti sb e n e f i c i a l f o rp o s t - p r o g r a mi m p r o v e m e n t s ，i m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y i nt h en a r r o wg a ps u b m e r g e da r cw e l d i n g ，t h ew e l d i n gf l u xw a sc o m p l e t e l yb u f f e d c a nn o tk n o ww h e t h e rt h eg u np o s i t i o ni nt h ew e l dc e n t e r l i n e i s s u e dal i n e a rl i g h ts o u r c e l i g h t ，a tt h ef o r e f r o n to ff l u xr e a c t o r i m a g es e n s o rw i t hr e a l t i m ei m a g ed a t aa c q u i s i t i o n w e l d i n gp o s i t i o n c o m p l e t e da h e a do ft o r c hp o s i t i o n t od e t e r m i n et h ed e v i a t i o n t h e p o s i t i o ne r r o rs i g n a lt ot h ea c t u a t o rc o n t r o l l e r t h ep o s i t i o ne r r o rs i g n a lt ot h e a c t u a t o r c o n t r o l l e rt oa c h i e v et h ea u t o m a t i cs e a mt r a c k i n g b a s e do nn a r r o w - g a ps u b m e r g e da r cw e l di m a g ef e a t u r e s ，d e s i g nt h ea p p r o p r i a t e i m a g ep r o c e s s i n gs t e p s i m a g ee n h a n c e m e n t ，m a k i n gt h ei m a g em o r ec l e a rw e l d i m a g e s e g m e n t a t i o n ，t h ew e l d m e n ta n dw e l d t h ee d g e so ft h es p l i t i m a g ef i l t e r i n g ，i m a g e s e g m e n t a t i o n ，a f t e re l i m i n a t i n gt h ew e l dn e a rt h ee d g eo fa s m a l ln o i s e e d g ed e t e c t i o n ，t o b ec l e a ra n dc o m p l e t ep i c t u r eo ft h ew e l de d g e n a r r o w g a ps u b m e r g e da r cw e l dt r a c k ， m o s t l ys t r a i g h t ，c u r v e d s p e c i f i c a l l yp r o p o s e da m o d i f i e dh o u g ht r a n s f o r mt oe x t r a c tt h e e d g eo ft h ew e l d s p e c i f i c a l l yp r o p o s e dam o d i f i e dh o u g h t r a n s f o r mt oe x t r a c tt h ee d g eo f t h ew e l d c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lp o b e r t s ，p r e w i t te d g ed e t e c t i o no p e r a t o r ss u c ha s ， h o u g ht r a n s f o r md e t e c t i o no fw e l di m a g em o r ec l e a ra n dc o m p l e t e w h i l ew e l di m a g e i i i 沈阳大学硕士学位论文 一_ p m c e s s i n g ，t h ec o l l e c t e dd a t ai s c o m p r e s s e d d e s i g n e df o rn a r r o w - g a ps u b m e r g e d a r c w e l d i n gm e t h o do fi m a g ec o m p r e s s i o n e n s u r et h a tw e l dc h a r a c t e r i s t i c v a l u ei sn o t d e s t r o y e d ，r e d u c i n gt h ev i d e os t o r a g es p a c e s a v ew e l di m a g e ，w h i c hw i l lh e l pt ot r a c kt h e q u a l i t yo ft h ew e l dc o m p a r e d d a t aa n a l y s i sf o rt h el a t t e rp a r to f t h eo r i g i n a ld a t a k e yw o r d s ：n a r r o w g a ps u b m e r g e da r cw e l d i n g ，a u t 。m a t i cs e a m t r a c l i n g t e c h n o l o g y , v i s u a ld s p + + ，h o u g ht r a n s f o r m i v 沈阳大学硕士学位论文 1 窄间隙埋弧焊发展历程 1 1 焊接技术应用 焊接作为一种永久性连接方法，经常用在金属结构和机器制造中。我国是世界 上较早应用焊接方法的国家之一。近代焊接技术是从1 8 8 5 年开始的，最早的焊接 方法是碳弧焊。较完整的焊接工艺方法体系则是在2 0 世纪4 0 年代才形成。特别是 2 0 世纪4 0 年代初期出现了优质电焊条后，焊接技术得到了一次飞跃。焊接发展简 史如表1 1 所示。 表1 1 焊接发展简史 t a b l e1 1ab r i e fh i s t o r yo f w e l d i n g 现在的焊接方法已经达到了5 0 余种。由于计算机技术的应用，使焊接尤其是 自动化焊接达到了前所未有的新高度。我国焊接工艺已广泛应用于船舶、航空、石 油化工机械、矿山机械、建筑及国防等，并成功完成了人造卫星、神州系列太空飞 船等尖端产品【1 1 。 1 2 先进焊接技术的发展方向 焊接过程的复杂性使得这一生产过程曾经严重依赖操作者的技能，这在很大程 度上影响了焊接结构的一致性和可靠性，而且效率低下，为了在制造业中提高连接 沈阳大学硕士学位论文 过程的综合性价比，焊接技术正处在高速发展中。 在国际范围内，焊接技术应用的重要趋势包括了熔化极弧焊方法中的工艺变化 和自动化技术应用范围的增加。 现代社会工业和科学技术的快速发展，使得焊接质量的要求不断提高，因此要 求焊接方法不断进步和完善。现如今焊接早已从单一的加工工艺发展成为综合性的 先进工业技术。焊接方法的新发展主要体现在以下两个方面：( 1 ) 焊接要求高效化， 只有生产率的不断提高，才能满足现代焊接的大量需求。要实现高效化，就要改进 焊接方法，提高焊接工艺。焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊等都是传统焊接 方法，并不具备高效化性能，可以将这些焊接方法扩展成为常见的高效化焊接方法， 例如焊条电弧焊中的躺焊条工艺、铁粉焊条工艺、重力焊条技术：埋弧焊中的多丝 焊、热丝焊、窄间隙焊接技术；气体保护电弧焊中的t i m e 焊、热丝m a g 焊、气 电立焊等焊接技术。( 2 ) 自动化与智能化已经成为现代焊接的主要研究方向。 相比于我国主要依赖于手工焊接，国外的自动化焊接则是主要的焊接方法，表 1 2 则具体展现了我国焊接自动化与世界先进国家的差距。而提高焊接自动化水平 的有效途径就是焊接机器人的应用。 表1 2 多国自动化比例对照表 t a b l e1 2t h e p r o p o r t i o no fm u l t i n a t i o n a la u t o m a t i o nt a b l e 现在，各种新工艺新方法，如窄间隙埋弧焊、水下c 0 2 半自动焊、全位置脉冲 等离子弧焊及焊接机器人等，已经广泛应用于航空、石油化工、矿山、起重、建筑 等各重要行业，高速的焊接技术发展对我国工业生产是至关重要的。 1 3 窄间隙埋弧焊焊接技术 1 3 1 埋弧焊 相对于明弧焊而言，埋弧焊是因其电弧被颗粒状焊剂所覆盖而得名的。它是在 2 沈阳大学硕士学位论文 焊剂保护下电极熔化并产生电弧的焊接过程。埋弧焊是一种机械化焊接方法，启动、 引弧、焊丝的送进、熄弧过程都由机械控制。填充金属是连续给进的焊丝。由于受 到保护焊剂覆盖的影响，焊丝是否在焊缝中心位置，只能由工人评经验判断。 普通碳钢和低合金钢的厚大结构焊接通常都由埋弧焊完成，它已经在电站设 备、容器、海洋工程等重型结构行业得到应用。是应用量非常大的一种传统焊接方 式。 传统埋弧焊多是单丝的。随着焊接技术的发展，高效的埋弧焊已经被提出和开 始应用，例如窄间隙埋弧焊2 1 。 1 3 2 窄间隙埋弧焊 窄间隙焊是专门为减小对接焊焊缝熔合区体积而设计的，窄间隙可以减少填充 金属，减少焊接材料用量，提高焊接效率，获得较小的焊接变形和更加均匀的接头 性能。窄间隙焊最常见的就是“i 形坡口，随着焊接方法与设备的不同，间隙的宽 度也不相同，窄间隙埋弧焊的宽度可控制在2 0 m m 以内。通常，窄间隙焊采用标准 的自动化焊接设备，要求焊枪的高度和与间隙边缘的距离始终与初始设置保持一 致，因此焊缝跟踪系统被提出，只有优质的焊缝跟踪系统才能更好的保障焊接质量 【3 】 0 由于窄间隙焊的快速发展，其具体的焊接技术已经出现了多种应用形式，窄间 隙埋弧焊( n g s a w ) 就是其中一种焊接技术。 窄间隙埋弧焊主要应用于厚板的平焊过程中，不但能产生高质量的焊接接头， 而且可以大幅度降低生产成本。传统埋弧焊可以焊到7 0 m m ，但采用窄间隙焊的方 式，焊接厚度可以达到6 0 0 m m 。 ( 1 ) 单层单道焊接技术 与多道焊模式相比，单层单道焊接技术的生产效率可能会高一些，但是也存在 一些限制。例如可能产生侧壁熔合缺陷、易形成焊渣夹杂以及平均热输入过高等。 ( 2 ) 单层多道焊接技术 对于相同直径的焊丝，单层多道焊接技术要求具有更大的坡口间隙宽度。典型 的间隙宽度值和焊接参数如表1 3 所示【4 】。 沈阳大学硕士学位论文 为了获得优质的焊缝，需要正确选择焊接参数，如坡口宽度、焊接电流、电弧 电压等，目前的窄间隙埋弧焊的自动化水平已经实现了由控制系统设置焊接参数、 实时检测、焊接过程显示，以及自动跟踪系统的实现【1 0 1 。 窄间隙埋弧焊中通常使用直径在3 2 4 8 m m 范围内的焊丝。焊丝过细，电弧容 易出现随机性的偏移【5 1 。 焊枪形状通常呈矩形，附带焊剂送给装置、焊缝跟踪装置和焊枪高度控制装置。 这种焊枪通常利用焊接传感器来控制焊枪的高度，并采用视觉传感器来控制焊枪在 问隙内的位置。 窄间隙埋弧焊主要应用于大型厚板以及圆柱形结构的纵向和环向接头的对接 焊接。 表1 3 窄间隙埋弧焊接参数 t a b l e1 3n a r r o wg a p s u b m e r g e da r cw e l d i n gp a r a m e t e r s 1 4 窄间隙埋弧焊焊接过程监视与控制 1 4 1 窄间隙埋弧焊焊缝图像实时处理系统 基本的数字图像系统可以用图1 1 表示。 4 沈阳大学硕士学位论文 图1 1 数字图像系统 f i g 1 1d i g i t a li m a g i n gs y s t e m s 图中各模块都有特定的功能，也都需要一些特定的设备。图像采集可选用c c d 、 数字摄像机、扫描仪等；图像显示可用p c 机、示波器等；图像存储可用硬盘、光 盘等；图像通信主要依靠局域网：图像处理和分析主要是运算，常用m a t l a b 、v c + + 、 d s p 等。 ( 1 ) 数字图像采集模块 所有采集数字图像的设备都需要两种装置。一种是对某个电磁能量谱波段敏感 的物理器件，一种是模数转换器件。前者能产生与所接受到的电磁能量成正比的模 拟电信号，后者则可以将上述模拟电信号转化为数字信号。这两个装备是必不可少 的。 ( 2 ) 数字图像显示模块 图像处理的结果大部分都需要直观的表现出来，可以轻松读取，并且方便对图 像处理与分析，这就需要可以显示图像的设备。即可以借助计算机显示图像，也有 专用的图像显示设备，如常用的c r t 显示器、液晶显示器或投影仪等暂时性显示 设备，以及打印机等永久性显示设备。 ( 3 ) 数字图像通信模块 网络技术的快速发展，也为图像通信传输带来了很多便利条件，并且大部分的 通信传输还需要借助于计算机局域网来进行，其目的就是为了共享各个不同系统图 像数据资源。通常图像通信分成近程图像通信和远程图像通信。近程图像通信主要 是指在不同设备间交换图像数据；远程图像通信主要是指在图像系统间传输图像。 需要指出的是远距离图像通信遇到的首要问题是图像数据量大而传输通道比较窄， 沈阳大学硕士学位论文 解决这个问题可以通过加宽传输通道，同时需要对图像数据进行压缩，以便减小传 输的数据量。 ( 4 ) 图像处理软硬件 数字图像处理技术的应用越来越广泛，它的快速发展势必要求硬件设备的研制 与发展快速进行，不断更新。传统单纯使用计算机进行的图像处理，已经不能满足 高速、处理量巨大的图像信息。在很多工业现场都要求图像处理软件携带方便，易 维护，能够支持实时的图像处理，这就要求专业的图像处理体系及专业的图像处理 硬件。 实时图像处理技术在目标跟踪、机器人导航、辅助驾驶、智能交通监控中都得 到越来越多的应用。由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，实时的应用环 境决定严格的帧、场时间限制，因此实时图像处理系统必须具有强大的运算能力。 各种高性能d s p 不仅可以满足在运算性能方面的需要，而且由于d s p 的可编程性， 还可以在硬件一级获得系统设计的极大灵活性郾】。 1 4 2 窄间隙埋弧焊焊缝自动跟踪系统 焊接自动化的一个重要标志是焊接设备能在焊接过程中自动跟踪焊缝，其中焊 接过程中的校正和故障检修可采用监视技术。通过使用合适的监控系统和机械化焊 接，就有可能在没有人工干预的情况下自动地校正焊接过程偏差。 在焊接自动化趋向智能化的今天，焊缝跟踪系统的应用前景非常广泛。焊缝跟 踪系统基本可以分为三类，接触式跟踪系统、电弧传感式跟踪系统、非接触式跟踪 系统。非接触式跟踪系统又分为超声波式跟踪系统、光电式跟踪系统、电流传感跟 踪系统、视觉传感跟踪系统等，都是通过光电信号转换成电信号进行跟踪的。窄间 隙埋弧焊在焊接过程中，焊枪周围存在大量焊剂，无法直观看到正在焊接位置的焊 缝形状，也就无法保证焊枪位置的准确性。在国内外的大量研究中，针对窄问隙埋 弧焊的焊缝自动跟踪，视觉传感跟踪系统被大量运用【9 d 1 1 。 视觉传感器也叫做光学传感器，它是通过光学器件组成的传感系统。视觉传感 器是将模拟信号转换为了数字图像，通过对数字图像的处理，能够检测出焊缝边缘、 焊缝中心，以判断焊枪是否偏离焊缝中心，达到控制焊枪调整角度进行纠偏，更好 沈阳大学硕士学位论文 的保证焊接质量【1 2 - 1 3 。光学传感器是模拟人的眼睛，直接通过光学方法检测焊缝， 不会与工件直接接触，受到的干扰小，而且接触的信息量大，不但可以进行焊缝跟 踪，还可以直观的监控焊接质量。随着计算机与图像处理计算的发展，焊缝检测的 实时性也已经可以得到满足。 窄间隙埋弧焊的视觉传感跟踪系统主要有三部分：视觉传感、图像处理、跟踪 控制，如图1 2 所示。 图1 2 窄间i 泵埋弧焊的视觉传感跟踪系统 f i g 1 2n a r r o wg a ps u b m e r g e da r ew e l d i n go fv i s u a ls e n s o rt r a c k i n gs y s t e m 在焊缝跟踪过程中，视觉传感器首先是要获得焊缝的图像信息。然后将信息进 行预处理，这里的图像预处理指的是c c d 摄像头的图像处理，主要包括图像前处 理和图像后处理。前处理包括自动白平衡、自动曝光等。后处理包括伽马校正、颜 色变换等。其流程如图1 3 所示。然后将信息传输到控制系统，由控制系统对图像 进行处理，完成的主要功能有减少图像中的噪声污染、加强焊缝特征信息、通过一 定的算法提取焊缝边缘、得到焊枪与焊缝中心的偏差。最后将此偏差作为跟踪控制 系统的输入条件，依据控制算法进行处理，最后获得驱动信号控制焊枪运动，实现 焊缝跟踪过程实时控制【1 4 - 1 5 。 沈阳大学硕士学位论文 图1 3c c d 图像处理流程 f i g 1 3c c di m a g ep r o c e s s i n g 1 4 3 窄间隙埋弧焊焊缝跟踪图像处理技术 图像处理技术是焊缝跟踪系统的软核心，它将视觉传感器采集到的图像信息进 行加工整理，提取所需要的内容。处理方法包括点运算、几何处理、图像增强、图 像复原、图像形态学处理、图像编码等，因预期达到的目的不同，而选择不同的处 理方法进行组合处理。 图像增强的目的是突出重要信息，过滤掉不希望存在的信息。处理后的图像对 某种特定的应用来说，比原始图像更适用。所以说这种处理是针对某种特定的应用 来改善图像质量的，更适合视觉传感系统。常用的方法有直方图增强、图像平滑化 处理等。图像增强技术基本分为频域处理和空域处理两大类。频域处理的基础是卷 积处理，采用的是修改图形傅里叶变换的方法。空域处理法是直接对图像中的像素 进行处理，基本方法是对灰度映射变换。 图像分割常用的就是阈值法。阈值化分割算法主要有两个步骤，先确定需要的 分割阈值，再将分割阂值与像素值进行比较以划分像素，所以取定阈值就成为了关 键。阈值化分割算法的历史可以追溯到四十多年前，已经提出了很多方法，包括极 小值法、p 参数法、最大类间类内方差比法、类间最大距离法、局部阈值法、最佳 阈值法、动态阈值法等多种方法【1 6 】。 沈阳大学硕士学位论文 边缘提取最常用的就是边缘检测算子，s o b e l 算子、r o b e r t s 算子、c a n n y 算子 等，以及h o u g h 变换、小波分析等。边缘检测算子通过卷积完成对图像的检测，运 算速度快，但更适合噪声比较小的图像【1 7 1 。h o u g h 变换是通过对坐标变换，将图像 中的直线变换为空间中的一个点，聚集这些点形成峰值，用来识别一段直线。这种 方法很适合焊缝图像这种噪声污染较严重的图像，也适合焊缝图像的实时处理。小 波分析的多尺度特性非常适合提取不同精度、不同奇异度的边缘。 图像形态学处理可以达到腐蚀、细化、分割等效果。数学形态学的应用几乎覆 盖了图形处理的所有领域，它的基本运算是腐蚀和膨胀。膨胀扩大物体，腐蚀会缩 小物体，所以为了保证图形本身的大小不会改变，通常都会把腐蚀运算和膨胀运算 结合起来使用，形成开运算和闭运算。 图像编码就是压缩图像以便于大量存储信息和快速传输，常涉及到的编码标准 有h 2 6 1 、j e p g 、m e p g 、j b i g 、a v s 等。j p e g 是对静止图像压缩的国际标准， 而j p e g2 0 0 0 则是视频图像的压缩标准1 8 - 1 9 1 。 窄间隙埋弧焊焊接的最大干扰信息来源于工件表面的污渍、划痕、焊剂颗粒、 电弧飞溅等，以及图像采集时光源的照射导致整个图像的亮度不均匀，这些都会对 图像的处理增加难度，因此要根据窄间隙埋弧焊的图像特点设计适合的处理方法， 以得到需要的内容1 2 。 1 5 本文研究内容 本文依据窄间隙埋弧焊的焊缝图像特点，设计了相应的图像处理步骤，分为图 像增强，使得焊缝图像更加清晰；图像分割，进行焊件与焊缝边缘的分割；图像滤 波，消除图像分割后，焊缝边缘附近的细小噪声；边缘提取，得到清晰、完整的焊 缝边缘图像。针对窄间隙埋弧焊的焊缝轨迹多为直线焊道与弧形焊道，提出相应的 变换方法来提取焊缝直线或弧线边缘。在处理焊缝图像的同时，把采集到的数据进 行压缩，设计了针对窄间隙埋弧焊图像的压缩方法，在保证焊缝特征值不被破坏的 前提下，减少焊接视频的存储空间。对焊缝图像进行保存，不但利于焊缝质量的跟 踪对比，而且后期数据分析也提供了原始资料。 + 沈阳大学硕士学位论文 1 0 沈阳大学硕士学位论文 2 窄间隙埋弧焊焊缝图像处理系统设计 2 1 窄间隙埋弧焊焊缝图像处理系统构成 针对窄间隙埋弧焊焊缝图像信息量大，干扰噪声强，而实时性要求高，控制精 度要求高等特点，设计了基于b l a c k f i n5 6 1d s p 的窄间隙埋弧焊焊缝图像实时处理 系统，系统框图如图2 1 所示。 图2 1 焊缝图像处理系统构成图 f i g 2 1w e l di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o n 系统采用单一监控摄像头模式，即c c d 摄像头获取原始图像。摄像头在固定 不动且焦距不变的基础上，对采集到的视频数据y u v 4 ：2 ：2 格式进行重采样得到 y u v 4 ：2 ：0 格式的数据。b l a c k f i n5 6 1d s p 焊缝图像实时处理系统软件就是对采集到 的焊缝图像进行实时焊缝特征提取的软件系统。该软件由两部分组成，分别是计算 沈阳大学硕士学位论文 机服务软件和d s p 功能软件。上层计算机服务软件，包括图像采集命令的发布以及 图像的存储；底层d s p 功能软件，主要进行图像处理及视频编码和压缩的实现。在 监控系统中，用来连接计算机和d s p 的通道是异步串口( u a r t ) 和u s b 接口。 该通道不但可以实现数据的交换，而且可以完成底层监控程序和p c 端监控服务软 件之间的通信( u a r t ) 以及完成压缩码流向p c 端的输送任务( u s b ) 。 a d s pb f 5 6 1 共有两个内存核，均可达到6 0 0 m h z ，为提高工作效率，把计算 机服务软件和d s p 功能软件分别放在b l a c k f i n5 6 1 的两个核里，并使二者协同工作。 2 2 图像采集 在图像处理之前，首先获得焊缝图像，这个信号为模拟信号，需要将它转换为 数字信号，然后对数字化的焊缝图像进行处理，除去其中一些不需要的背景，提取 需要的内容，也就是只保留焊缝边缘的两条线、焊丝位置线以及激光线，用来确定 焊缝中心以及判断焊丝是否偏离了焊缝中心。做好焊缝图像处理后，实时传递焊枪 位置信息，如果焊枪偏离了焊缝中心，把得到的偏差量传递给焊枪执行机构控制器， 对焊枪进行控制【2 1 i 。 图像传感器的两大主流是采用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 和 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 传感器。 窄间隙埋弧焊焊缝图像处理系统采用c c d 图像传感器采集焊缝图像。c c d 是 以电荷作为信号，而不是像大多器件那样以电流或电压为信号，这大大提高了采集 的稳定性。而且c c d 成像通透、明锐度以及色彩也丰富，大多都选择c c d 为图像 采集设备。图2 2 为c c d 图像采集设备。 图像采集是由成像器件完成的，在焊接过程的实时监控中，成像器件需要与焊 接设备连接在一起，加以固定，以保证图像采集的稳定性。 将采集到的模拟图像转换为数字图像，是数字图像处理、编码、传输中首先要 解决的问题。设计的图像采集系统解决了这个问题。它的主要功能就是图像的输入 以及数字化。图像采集系统包括三个部分：图像采集设备，本系统选择c c d 作为 图像采集设备；驱动软件，对硬件进行控制；应用软件，通过它进行程序开发，完 成特定的解决方案。 1 2 沈5 1 1 大学硕士学位论文 图2 2c c d 图像采集设备 f i g 2 2 c c di m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e 将模拟图像信号接入计算机，必须经过解码、模数转换设备，这个完成数字化 设备的就是图像采集卡。图像采集卡可以对输入的模拟图像信号进行捕捉、数字化、 定格、存储、输出等多种操作。图像采集卡要占用p c 中的扩展槽，插于计算机的 p c i 插槽或i s a 插槽中。 图像采集卡的发展已有1 0 多年的历史。图像采集卡划分方式多种：普通质量 ( 8 b i t ) 采集卡、高质量( 1 6 b i t ) 采集卡；静止采集卡、活动采集卡；图像采集卡、 图像采集处理卡( 除了采集图像外，还能完成图像的卷积、算术逻辑运算、快速处 理等多种功能) ；面向图像帧存的采集卡、面向计算机内存的采集卡：通用采集卡、 专业采集卡。 本论文选用d s p 专业采集卡，把c c d 采集到的模拟图像，通过图像采集卡转 换成数字图像，再把数字图像输入d s p 中，如图2 3 所示。 2 3 双核图像处理器 图2 3 图像采集系统 f i g 2 3i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m 早期的图像处理都是在p c 机上进行的，但是随着图像处理技术应用范围的不 沈阳大学硕士学位论文 断提高，只在p c 机上运行，已经不能满足实际需要，嵌入式图像处理系统的应用 提高了图像处理速度。 嵌入式图像处理系统的环境适应性很强，与传统基于p c 机的图像处理系统相 比，嵌入式图像处理系统已经摆脱了对p c 机的依赖，可以直接安装在生产线上进 行实时在线检n t 2 2 - 2 3 。而且它的结构紧凑，体积小，对空间要求不高，可移动性很 强。开发周期短、能源消耗少、维护成本低等优点都是p c 机无法相比的。 同时嵌入式图像处理系统也有一些特殊的问题值得注意： ( 1 ) 图像数据随着分辨率和帧率的提高，计算量是非常大的，这就要提高嵌 入式系统的计算能力，因此要对系统进行优化，达到快速的目的。 ( 2 ) 图像数据还面对着存储量巨大的问题，因此要求嵌入式可以增加一些临 时存储区，提高存储能力。 ( 3 ) 由于数据量大，而且要求实时性，数字图像必须要使用专门的接口来采 集数据，以提高稳定性。 因此，要慎重考虑选取的嵌入式系统，本文设计的d s p 嵌入式处理系统完全能 够满足预期的图像处理要求。 d s p 作为一种嵌入式处理系统，具有广泛的应用空间。焊缝图像处理要求实时 性与精确性，这就需要与之相匹配的处理设备【2 4 。2 6 1 。所以使d s p 与焊接设备相结合， 非常利于开发设计，而且高速d s p 芯片完全能够满足大量视频数据的处理。 本文的基础开发软件为a d i 公司的b l a c k f i n5 6 1d s p ，实物图如图2 4 所示。 b l a c k f i n 系列d s p 是由美国模拟器件公司( a d i ) 研发的基于微信号体系的高 速处理器。与传统的多处理器系统相比，b l a c k f i n d s p 具有多个优点。( 1 ) b l a c k f i n d s p 采用了一个信号处理和控制指令集，提高了处理和控制的效率。( 2 ) b l a c k f i n d s p 允许电压和频率独立调整，通过改变电压和工作频率进行动态电源管理，比其 他d s p 具有更小的耗能。( 3 ) b l a c k f i nd s p 的核心是数据算数单元，包括两个1 6 位的m a c 、两个4 0 位的a l u ，这保证了d s p 系统的高速并行计算能力。 1 4 沈阳火学硕+ 学位论文 图2 4 b f 5 6 1 芯片 f i g 2 4b f 5 6 1c h i p b l a c k f i n 系列d s p 目前公布的有b f 5 2 2 ，b f 5 4 2 ，b f 5 3 1 ，b f 5 3 5 ，b f 5 6 1 等。 其中b f 5 6 1 具有对称双核，每个核6 0 0 m h z ，具有更高的处理速度。b l a c k f i n5 6 1d s p 的主要特点为：具有4 g b 统一寻址空间、3 2 b 扩展总线接口、双向1 6 通道d m a 等，具体结构如图2 5 所示。 外围设备还包括c c d 摄像头，计算机，b f 5 6 1e z k i tl i t e 评估板，以及b l a c k f i n u s b l a ne z e x t e n d e r 卡。 c c d 是目前使用最广泛的图像获取设备，具有速度快、成本低、灵敏度高的优 点【1 1 ，但是它不具备数据保留能力，采集到的数据实时传入d s p 处理系统。 b l a c k f i nu s b l a ne z e x t e n d e r 主要功能为把压缩好的数据传送回计算机。 1 5 图2 5b l a c k f i n5 6 1d s p 系统框图 f i g 2 5b i a c k f i n5 6 1d s ps y s t e mb l o c kd i a g r a m b f 5 6 1e z k i tl i t e 评估板结构如图2 6 所示，图象处理算法和视频压缩都将出 b f 5 6 1e z k i tl i t e 评估板实现。 图2 6a d s p b f 5 6 1e z - k i tl i t e 评估板结构 f i g 2 6a d s p - b f 5 6 1e z - k i tl i t ee v a l u a t i o nb o a r ds t r u c t u r e 1 6 沈阳大学硕士学位论文 来。 对b f 5 6 1e z - k i tl i t e 评估板进行设计，确定跳线位置如下： j p l 和j p 2 位于l i n e 侧，选择线路输入； j p 3 位于g n d 侧，选择a d l 8 1 9 进行模数转换。 用e z k i t 完成对信号的处理，输出结果可用v i s u a ld s p + + 的p l o t 功能描绘出 2 4d s p 软件开发 c c d 采集到的焊缝图像，经过模数转换，输入到d s p 中，完成了图像处理的 前期步骤。本论文选用的硬件设备为b l a c k f i n5 6 1d s p ，因此使用相应的开发平台 v i s u a ld s p + + ，来开发设计图像处理模块。 2 4 1 软件开发平台 近年来，a d i 公司的b l a c k f i n 、s h a r c 和t i g e r s h a r c 系列a d s p 处理器得到 了广泛推广。v i s u a ld s p + + 就是a d i 公司针对其公司开发的d s p 器件而设计的一款 开发平台，它支持a d i 公司所有的d s p 处理器。 1 9 9 9 年，a d i 公司第一次推出了v i s u a ld s p + + 开发平台，v i s u a ld s p + + 1 0 版 本，当时的1 o 版本只有集成开发环境和调试器两个部分( i d e ，i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；v i s u a l d s pd e b u g g e r ) 。 2 0 0 1 年推出的2 o 版本已经可以支持c 语言编写程序源代码，提高了开发效率， 并且分为了b l a c k f i n 、s h a r c 、t i g e r s h a r c 和e z _ k i t 等版本。 随后的2 0 0 2 年、2 0 0 3 年、2 0 0 5 年、2 0 0 6 年又相继推出了v i s u a ld s p + + 3 0 至 v i s u a ld s p + + 4 5 的多种版本。最新的v i s u a ld s p h 已经到了5 o 。每个版本的推出， 都是对v i s u a ld s p + + 的一次完善，软件功能在不断增强，现在的v i s u a ld s p + + 开发 平台已经很成熟，为开发人员提供了很好的开发环境【2 8 1 。 v i s u a ld s p + + 采用直观、简洁的用户界面，使得用户可以灵活的进行各种操作。 它的集成开发与调试环境为编译、调试程序提供了完整的图形控制。 v i s u a ld s p + + 的主要模块为带有实时运行库的c c + + 语言最优化编译器、与 v i s u a ld s p + + 核一体化的集成开发和调试环境、汇编器和连接器、模拟器等。v i s u a l 沈阳大学硕士学位论文 d s p + + 开发程序的基本流程如图2 7 所示。 图2 7 v i s u a ld s p + + 开发程序的基本流程 f i g 2 7v i s u a ld s p 抖d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h eb a s i cf l o w b l a c k f i n5 6 1d s p 使用v i s u a ld s p + + 作为开发工具的，其选择设备类型界面如 图2 8 所示，在p r o c e s s o r 选项中选择b l a c k f i n ，在p r o c e s s o rt y p e s 选项中选择 a d s p b f 5 61 。 一一 ：l “i p r o j e c ti n f o r m a t i o n c h o o s et h ep r 啪d st a r g e tp r o c e s s o ra n do u t p u tt y p e ej 匪：ip r o je c t 圜啄瓶i 硪霸函醚疆黼翮鬻囊鬟蕤鬃蓉j ij j 遵鞘s e l e 鳓c tt y p e 蝤孵， 虢 ：| 一i j e乎尽酉l w i pz t h e r n e ta p p l ic a t io i ，l r 0 一c e 。5 5 0 。r i ib 1 a c k f i n- i ；玛d u a l c o t es e t t i n g s e r o c e s s o rt y p e t t 印k d ds t i r r u pc o d e l d f 。一p r o c ”e 5 5 0 t - 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