CN105014195A - 一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法，该方法包括：1)提供一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，所述搜索平台包括潜水器主体、去散射光处理设备、焊缝特征提取设备和焊缝类型识别设备，所述去散射光处理设备用于对水下图像执行去散射光处理，所述焊缝特征提取设备用于提取去散射光处理后的水下图像中的水下焊缝特征，所述焊缝类型识别设备用于基于所述水下焊缝特征确定焊缝类型；以及2)运行所述平台。通过本发明，能够克服水下散射光对水下图像的影响，提高水下焊缝图像识别的精度。

Description

一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法

技术领域

本发明涉及数字图像领域，尤其涉及一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法。

背景技术

现有技术中，水下焊接主要有两种实施方式。

第一种，人工焊接方式，即派遣潜水员携带焊接设备执行水下焊接，这种方式由于潜水员水下作业的局限性，导致焊接可持续差，效率低，而且，肉眼在水下识别焊缝难度较大，焊接准度也不高。

第二种，机械焊接方式，即派遣潜水器下潜到水下，采用机械焊接设备进行焊接，这种方式通常采用图像识别设备完成焊缝定位，然而，当前由于水下散射光干扰以及水下图像质量不佳等原因，机械化焊接中的焊缝识别精度也不高。

为此，需要一种能够替代上述两种方式、实施水下设备自动准确焊接的方案，以机械化焊接为基础，改造现有设备，使其能够克服各种水下干扰，准确识别焊缝，自动完成焊接。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，改造现有潜水器和水下焊接设备的具体结构，引入清晰化处理设备以去除水下散射光干扰，引入包括中值滤波子设备、低通滤波子设备和同态滤波子设备的图像预处理设备解决水下图像质量问题，最后基于神经网络识别技术和水下定位技术完成对焊缝的准确识别和定位。

根据本发明的一方面，提供了一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法，该方法包括：1)提供一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，所述搜索平台包括潜水器主体、去散射光处理设备、焊缝特征提取设备和焊缝类型识别设备，所述去散射光处理设备用于对水下图像执行去散射光处理，所述焊缝特征提取设备用于提取去散射光处理后的水下图像中的水下焊缝特征，所述焊缝类型识别设备用于基于所述水下焊缝特征确定焊缝类型；以及2)运行所述平台。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中，还包括：电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢；安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳；接地夹，被固定在待焊接工件上；电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地；电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置；电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力；水下拍摄设备，设置在所述潜水器主体上，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于对所述潜水器主体前方目标测距以获得前方目标距离；所述去散射光处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述前方目标距离和所述辅助照明亮度，并基于所述前方目标距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；所述潜水器主体包括驱动设备和机器人机械架构，所述驱动设备包括驱动控制器、左舷直流减速电机、右舷直流减速电机、沉浮电机、正螺旋桨、反螺旋桨、附带螺旋桨和联轴器，所述左舷直流减速电机、所述右舷直流减速电机和所述沉浮电机分别通过所述联轴器与所述正螺旋桨、所述反螺旋桨和所述附带螺旋桨连接，所述驱动控制器接收所述水上处理设备发送的驱动控制信号，以根据所述驱动控制信号的内容驱动所述左舷直流减速电机和所述右舷直流减速电机以分别控制所述正螺旋桨和所述反螺旋桨，驱动潜水器主体实现前进、后退和左右动作，还用于根据所述驱动控制信号的内容驱动所述沉浮电机以控制所述附带螺旋桨，驱动潜水器主体实现上升与下潜动作；预处理设备，设置在所述潜水器主体上，与所述去散射光处理设备连接，包括中值滤波子设备、低通滤波子设备和同态滤波子设备；所述中值滤波子设备与所述去散射光处理设备连接，用于对所述清晰化水下图像执行中值滤波，以滤除所述清晰化水下图像中的点噪声，获得第一滤波图像；所述低通滤波子设备与所述中值滤波子设备连接，用于去除所述第一滤波图像中的随机噪声，获得第二滤波图像；所述同态滤波子设备与所述低通滤波子设备连接，用于对所述第二滤波图像执行图像增强，以获得增强水下图像；焊缝特征提取设备，设置在所述潜水器主体上，与所述预处理设备连接，包括图像分割子设备和特征向量识别子设备，所述图像分割子设备基于焊缝图像灰度阈值范围将所述增强水下图像中的焊缝目标识别出来以获得水下焊缝图像；所述特征向量识别子设备与所述图像分割子设备连接，基于所述水下焊缝图像确定水下焊缝目标的8个几何特征：欧拉孔数、圆度、角点数、凸凹度、光滑度、长径比、紧密度和主轴角度，并将所述8个几何特征组成特征向量；焊缝类型识别设备，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝特征提取设备连接，采用8输入2输出的单隐层BP神经网络，以水下焊缝目标的8个几何特征作为输入层神经元，输出层为水下焊缝类型，所述水下焊缝类型包括常规类型和无法焊接类型；水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上；供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；格洛纳斯定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收格洛纳斯卫星发送的格洛纳斯定位数据；声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出；飞思卡尔IMX6处理器，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝类型识别设备、所述格洛纳斯定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波测距设备分别连接，基于所述格洛纳斯定位数据、所述第一相对距离和所述前方目标距离计算焊缝定位数据；其中，所述飞思卡尔IMX6处理当接收到所述水下焊缝类型为无法焊接类型时，发出报警信号，当接收到所述水下焊缝类型为常规类型时，根据水下焊缝图像在清晰化水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中：所述电焊钳、所安全开关、所接地夹、所电焊机、所电焊钳驱动设备和所电焊钳驱动电机都设置在所述潜水器主体上。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中，还包括：水下电缆，与飞思卡尔IMX6处理器连接，用于传输水下数据。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中：所述水下数据包括所述报警信号和所述焊缝定位数据。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中：所述超声波测距设备集成在所述水下拍摄设备中。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台的结构方框图。

附图标记：1潜水器主体；2去散射光处理设备；3焊缝特征提取设备；4焊缝类型识别设备

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台的实施方案进行详细说明。

水下焊接困难重重，首先水下散射光干扰严重，其次缺乏适合水下作业环境的图像预处理设备和图像识别设备，最后，现有的潜水器和焊接设备也无法满足水下自动焊接的需求。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，改造现有的潜水器和焊接设备的具体结构，引入适合水下作业环境的各类电子辅助设备，从而完成水下设备的准确焊接。

图1为根据本发明实施方案示出的提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台的结构方框图，所述搜索平台包括潜水器主体、去散射光处理设备、焊缝特征提取设备和焊缝类型识别设备，所述去散射光处理设备用于对水下图像执行去散射光处理，所述焊缝特征提取设备用于提取去散射光处理后的水下图像中的水下焊缝特征，所述焊缝类型识别设备用于基于所述水下焊缝特征确定焊缝类型。

接着，继续对本发明的提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台的具体结构进行进一步的说明。

所述搜索平台还包括：电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢；安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳；接地夹，被固定在待焊接工件上；电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地；电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置；电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力。

所述搜索平台还包括：水下拍摄设备，设置在所述潜水器主体上，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像。

所述搜索平台还包括：超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于对所述潜水器主体前方目标测距以获得前方目标距离；所述去散射光处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述前方目标距离和所述辅助照明亮度，并基于所述前方目标距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像。

所述潜水器主体包括驱动设备和机器人机械架构，所述驱动设备包括驱动控制器、左舷直流减速电机、右舷直流减速电机、沉浮电机、正螺旋桨、反螺旋桨、附带螺旋桨和联轴器，所述左舷直流减速电机、所述右舷直流减速电机和所述沉浮电机分别通过所述联轴器与所述正螺旋桨、所述反螺旋桨和所述附带螺旋桨连接，所述驱动控制器接收所述水上处理设备发送的驱动控制信号，以根据所述驱动控制信号的内容驱动所述左舷直流减速电机和所述右舷直流减速电机以分别控制所述正螺旋桨和所述反螺旋桨，驱动潜水器主体实现前进、后退和左右动作，还用于根据所述驱动控制信号的内容驱动所述沉浮电机以控制所述附带螺旋桨，驱动潜水器主体实现上升与下潜动作。

所述搜索平台还包括：预处理设备，设置在所述潜水器主体上，与所述去散射光处理设备连接，包括中值滤波子设备、低通滤波子设备和同态滤波子设备；所述中值滤波子设备与所述去散射光处理设备连接，用于对所述清晰化水下图像执行中值滤波，以滤除所述清晰化水下图像中的点噪声，获得第一滤波图像；所述低通滤波子设备与所述中值滤波子设备连接，用于去除所述第一滤波图像中的随机噪声，获得第二滤波图像；所述同态滤波子设备与所述低通滤波子设备连接，用于对所述第二滤波图像执行图像增强，以获得增强水下图像。

所述搜索平台还包括：焊缝特征提取设备，设置在所述潜水器主体上，与所述预处理设备连接，包括图像分割子设备和特征向量识别子设备，所述图像分割子设备基于焊缝图像灰度阈值范围将所述增强水下图像中的焊缝目标识别出来以获得水下焊缝图像；所述特征向量识别子设备与所述图像分割子设备连接，基于所述水下焊缝图像确定水下焊缝目标的8个几何特征：欧拉孔数、圆度、角点数、凸凹度、光滑度、长径比、紧密度和主轴角度，并将所述8个几何特征组成特征向量；焊缝类型识别设备，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝特征提取设备连接，采用8输入2输出的单隐层BP神经网络，以水下焊缝目标的8个几何特征作为输入层神经元，输出层为水下焊缝类型，所述水下焊缝类型包括常规类型和无法焊接类型。

所述搜索平台还包括：水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上。

所述搜索平台还包括：供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

所述搜索平台还包括：格洛纳斯定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收格洛纳斯卫星发送的格洛纳斯定位数据。

所述搜索平台还包括：声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出。

所述搜索平台还包括：飞思卡尔IMX6处理器，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝类型识别设备、所述格洛纳斯定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波测距设备分别连接，基于所述格洛纳斯定位数据、所述第一相对距离和所述前方目标距离计算焊缝定位数据；其中，所述飞思卡尔IMX6处理当接收到所述水下焊缝类型为无法焊接类型时，发出报警信号，当接收到所述水下焊缝类型为常规类型时，根据水下焊缝图像在清晰化水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号。

更具体地，在所述提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台中：所述电焊钳、所安全开关、所接地夹、所电焊机、所电焊钳驱动设备和所电焊钳驱动电机都设置在所述潜水器主体上；所述搜索平台还包括：水下电缆，与飞思卡尔IMX6处理器连接，用于传输水下数据；所述水下数据包括所述报警信号和所述焊缝定位数据；所述超声波测距设备集成在所述水下拍摄设备中。

可选地，可采用CMOS视觉传感器替代所述CCD视觉传感器。

另外，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive PixelSensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称PPS)，又叫无源式像素传感器，他由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，他可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

主动式像素传感器(Active Pixel Sensor，简称APS)，又叫有源式像素传感器。几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

采用本发明的提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，针对现有技术中由于水下作业环境复杂导致难以准确焊接的技术问题，通过对水下环境的各类干扰的研究，改造现有潜水器和焊接设备的具体结构，增加有针对性的图像预处理设备和图像识别设备，提高焊缝识别的准确性，从而实现水下设备的自动焊接，有效提高水下设备的寿命。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索方法，该方法包括：

1)提供一种提高图像处理精度的水下焊缝搜索平台，所述搜索平台包括潜水器主体、去散射光处理设备、焊缝特征提取设备和焊缝类型识别设备，所述去散射光处理设备用于对水下图像执行去散射光处理，所述焊缝特征提取设备用于提取去散射光处理后的水下图像中的水下焊缝特征，所述焊缝类型识别设备用于基于所述水下焊缝特征确定焊缝类型；以及

2)运行所述平台。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搜索平台还包括：

电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢；

安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳；

接地夹，被固定在待焊接工件上；

电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地；

电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置；

电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力；

水下拍摄设备，设置在所述潜水器主体上，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；

超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于对所述潜水器主体前方目标测距以获得前方目标距离；

所述去散射光处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述前方目标距离和所述辅助照明亮度，并基于所述前方目标距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；

所述潜水器主体包括驱动设备和机器人机械架构，所述驱动设备包括驱动控制器、左舷直流减速电机、右舷直流减速电机、沉浮电机、正螺旋桨、反螺旋桨、附带螺旋桨和联轴器，所述左舷直流减速电机、所述右舷直流减速电机和所述沉浮电机分别通过所述联轴器与所述正螺旋桨、所述反螺旋桨和所述附带螺旋桨连接，所述驱动控制器接收所述水上处理设备发送的驱动控制信号，以根据所述驱动控制信号的内容驱动所述左舷直流减速电机和所述右舷直流减速电机以分别控制所述正螺旋桨和所述反螺旋桨，驱动潜水器主体实现前进、后退和左右动作，还用于根据所述驱动控制信号的内容驱动所述沉浮电机以控制所述附带螺旋桨，驱动潜水器主体实现上升与下潜动作；

预处理设备，设置在所述潜水器主体上，与所述去散射光处理设备连接，包括中值滤波子设备、低通滤波子设备和同态滤波子设备；所述中值滤波子设备与所述去散射光处理设备连接，用于对所述清晰化水下图像执行中值滤波，以滤除所述清晰化水下图像中的点噪声，获得第一滤波图像；所述低通滤波子设备与所述中值滤波子设备连接，用于去除所述第一滤波图像中的随机噪声，获得第二滤波图像；所述同态滤波子设备与所述低通滤波子设备连接，用于对所述第二滤波图像执行图像增强，以获得增强水下图像；

焊缝特征提取设备，设置在所述潜水器主体上，与所述预处理设备连接，包括图像分割子设备和特征向量识别子设备，所述图像分割子设备基于焊缝图像灰度阈值范围将所述增强水下图像中的焊缝目标识别出来以获得水下焊缝图像；所述特征向量识别子设备与所述图像分割子设备连接，基于所述水下焊缝图像确定水下焊缝目标的8个几何特征：欧拉孔数、圆度、角点数、凸凹度、光滑度、长径比、紧密度和主轴角度，并将所述8个几何特征组成特征向量；

焊缝类型识别设备，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝特征提取设备连接，采用8输入2输出的单隐层BP神经网络，以水下焊缝目标的8个几何特征作为输入层神经元，输出层为水下焊缝类型，所述水下焊缝类型包括常规类型和无法焊接类型；

水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上；

供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

格洛纳斯定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收格洛纳斯卫星发送的格洛纳斯定位数据；

声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出；

飞思卡尔IMX6处理器，设置在所述潜水器主体上，与所述焊缝类型识别设备、所述格洛纳斯定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波测距设备分别连接，基于所述格洛纳斯定位数据、所述第一相对距离和所述前方目标距离计算焊缝定位数据；

其中，所述飞思卡尔IMX6处理当接收到所述水下焊缝类型为无法焊接类型时，发出报警信号，当接收到所述水下焊缝类型为常规类型时，根据水下焊缝图像在清晰化水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述电焊钳、所安全开关、所接地夹、所电焊机、所电焊钳驱动设备和所电焊钳驱动电机都设置在所述潜水器主体上。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

水下电缆，与飞思卡尔IMX6处理器连接，用于传输水下数据。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述水下数据包括所述报警信号和所述焊缝定位数据。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述超声波测距设备集成在所述水下拍摄设备中。