CN109615603B - 一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法 - Google Patents

一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，前期处理中通过Gabor滤波产生方向特征图，然后通过Otsu阈值分割并利用最近邻算法对数据进行聚类；后期处理中先根据激光条纹的厚度及空间跨度信息设计了三种度量方法：聚类结果中类的空间跨度度量、类的厚度度量和类的厚度均匀性度量，并提取在三种度量方法中显著性都得到增强的类从而提取激光条纹的主体轮廓；然后以主体轮廓为框架，选取各主体轮廓之间一定数目的属于激光条纹细节的类作为候选类，设计局部竞争算法提取激光条纹的细节部分，最终获取完整的激光条纹。该方法对焊缝图像包含和不包含电弧区域的两种情况都适用，且对不同接头轮廓的提取均有效，有利于降低焊接成本。

Description

一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法。
背景技术
机器人焊接中采用“示教再现”模式完成工件连接时，往往耗时巨大，且不能应对焊接产生变形而形成的干扰，所以焊接效率低下，焊接质量不高，焊缝自动跟踪技术是解决这一问题的首选，而厚板焊接领域采用激光视觉传感器检测焊缝轮廓中，激光条纹的有效提取是实现焊缝自动跟踪技术的前提，对于激光条纹的精确提取是自动化焊接技术领域的研究重点之一。目前激光条纹提取的研究和专利只针对某种激光条纹进行了算法的设计和实现，对于各种激光条纹提取的通用算法尚未实现，而实现激光条纹提取的通用算法有助于焊接系统的集成和自动化焊接技术应用领域的拓展，并利于降低自动焊接的成本，具有现实意义。
发明内容
本发明针对上述情况，提供了一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，可以对各种焊缝坡口下的激光条纹进行提取。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，包括如下步骤：
(1)设计了基于任务驱动型的视觉注意模型来获取焊缝图像的激光条纹显著性图，该视觉注意模型以对原始焊缝图像进行多方向Gabor滤波获取的方向特征图为起始，经Otsu算法进行阈值分割，并将获取的数目以最近邻聚类算法进行聚类，然后基于聚类结果和任务需求对聚类结果中的类通过设计跨度度量、宽度度量和宽度均匀性度量进行处理，获取激光条纹各方向上叠加得到的综合显著图，该综合显著图即为从干扰数据中辨别出的属于激光条纹的数据，即提取激光条纹的准备数据；(2)设计了一种基于局部显著性竞争的方法提取激光条纹的主体轮廓；(3)设计了一种基于提取的激光条纹的主体轮廓获取激光条纹的细节轮廓的方法，根据激光条纹平均厚度来设定主体轮廓之间的搜索范围，将与搜索范围有交集的数据类视为激光条纹的细节轮廓；(4)将提取的激光条纹的主体轮廓与细节轮廓进行位置叠，即获得最终完整的激光条纹。
本发明的具体操作步骤如下所述：
步骤1：对原始焊缝图像进行±10°和80°的多方向Gabor滤波，并对各滤波结果进行线性叠加获取综合方向特征图，并经Otsu算法进行阈值分割，将方向特征图转化为二值图像；
步骤2：以2个像素的距离作为阈值，对步骤1中的二值图像中的数据点进行最近邻聚类处理，将图中数据分割为不同类，每一个类代表位置相邻的数据点；
步骤3：对步骤中聚类结果的各类分别计算类的跨度度量、类的宽度度量和类的宽度均匀性度量，获得三种方向显著性图，将三种度量数值归一化至0～255，然后进行线性叠加，获得一种方向上的激光条纹的显著图；
其中，类的跨度度量的公式如下式(1)所示：
Figure GDA0003656381140000021
式(1)中，Li表示聚类结果中第i个类在图像中的欧式距离，n表示类的数目，
Figure GDA0003656381140000022
表示第i个类度量后的跨度数值；
其中，类的宽度度量的公式如下式(2)所示：
Figure GDA0003656381140000023
式(2)中，Ti表示第i个类在垂直方向上的平均宽度，
Figure GDA0003656381140000024
表示第i个类度量后的宽度数值；
其中，类的宽度均匀性度量的公式如下式(3)所示：
Figure GDA0003656381140000031
式(3)中mi是第i个类中数据列的数目，Ti,j表示第i个类中第j列激光条纹的宽度，
Figure GDA0003656381140000032
表示第i个类各列激光条纹的平均宽度，
Figure GDA0003656381140000033
表示宽度均匀性度量数值；
其中，线性叠加的公式如下式(4)所示：
Figure GDA0003656381140000034
式(4)中，
Figure GDA0003656381140000035
表示归一化运算，通过归一化运算各度量数值被映射到了[0 255]范围内；
步骤4：统计在三种度量中度量数值都增大的类，将这些类中位置最左边的类作为激光条纹的主体轮廓的起始段，而将这些类中位置最右边的类作为激光条纹的主体轮廓的终端；
步骤5：将激光条纹的主体轮廓的起始段保存于指定数组，即将对应的数据点的横坐标和纵坐标分别保存于不同数组中，如Temparrayhzb和Temparrayzzb中；之后进行循环，每次循环先确定位于已辨别的激光条纹主体轮廓右边的所有类，然后根据设计规则从候选类的数目动态中获取一定数目的候选类，设计一种计算各候选类的动态显著性的方法，依次将所有候选类进行动态显著性计算，并找出每次动态显著性最大的类作为该次循环中识别出的属于激光条纹的类，并继续保存于原指定数组中，直至所有候选类都计算完毕，跳出循环，将数组中最后一次辨认的激光条纹终端的类作为激光条纹的终端，并保存于指定数组中；
其中，候选类的数目(NCC)确定规则为：
1)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目大于等于3，则NCC＝3；
2)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于2，则NCC＝2；
3)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于1，则NCC＝1；
其中，每次循环中各候选类的动态显著性计算公式如下式(5)所示：
Figure GDA0003656381140000041
式(5)中，Dt,j表示第t次循环中第j个候选类与上一次循环已辨别出的属于激光条纹的类的最小欧式距离，Lt,j表示第t次循环中第j个候选类自身在图像中的长度，St,j表示第t次循环中第j个候选类的显著性数值，其已由上式(4)计算得到；
步骤6：步骤5保存的激光条纹终端数据与步骤4中的起始段数据视为激光条纹的主体轮廓；
步骤7：依次线性连接步骤6中已辨认出的激光条纹的各主体轮廓，以连接线为中心，将激光条纹的平均厚度值作为波动范围，设定各主体轮廓之间的搜索范围；
步骤8：依次获取与各搜索范围有交集的类，并将这些类视为激光条纹的细节轮廓；
步骤9：将提取的激光条纹的主体轮廓和细节轮廓在空间上进行位置叠加，形成最终的完整的激光条纹。
本发明具有以下有益效果：
1、设计跨度度量、宽度度量和宽度均匀性度量最大限度地凸显了激光条纹，同时通过设计局部显著性竞争算法提取激光条纹主体轮廓，然后在主体轮廓基础下搜索激光条纹的细节轮廓，通过上述步骤可以最大限度消除各种干扰，并最大限度获取激光条纹的各个细节轮廓，有助于提高条纹提取的精度；
2、高精度的激光条纹提取有助于后续焊缝轮廓特征点的识别，并提高焊枪跟踪精度；
3、本发明提供的激光条纹提取方法可适用于含有不同激光条纹的焊缝图像，利于焊接自动系统的集成，并降低自动化焊接软件开发成本。
附图说明
图1为获取焊缝图像显著图的流程图；
图2为提取激光条纹的流程图；
图3为厚度50mm Q345b钢板角接焊接K形坡口原始焊缝图像；
图4为厚度50mm Q345b钢板角接焊接K形坡口原始焊缝图像的显著图；
图5为厚度50mm Q345b钢板角接焊接K形坡口原始焊缝图像中的激光条纹提取结果；
图6为厚度40mm Q345b钢板对接V形坡口原始焊缝图像；
图7为厚度40mm Q345b钢板对接V形坡口原始焊缝图像中激光条纹提取结果；
图8为厚度10mm Q345b钢板对接V形坡口原始焊缝图像；
图9为厚度10mm Q345b钢板中激光条纹提取结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
实施例1
请参阅图1和图2，图1为获取焊缝图像显著图的流程图，图2为提取激光条纹的流程图。
步骤1：对原始焊缝图像进行多方向Gabor滤波获取方向特征图，并经Otsu算法进行阈值分割，将方向特征图转化为二值图像。
Gabor滤波公式为：
Figure GDA0003656381140000051
其中，
Figure GDA0003656381140000052
f＝1/7，σx＝σy＝4，θ＝±10°,80°。
步骤2：以2个像素的距离作为阈值，对步骤1中的二值图像中的数据点进行最近邻聚类处理，将图中数据分割为不同类，每一个类代表位置相邻的数据点；
步骤3：对步骤中聚类结果的各类分别计算跨度度量、宽度度量和宽度均匀性度量，获得三种方向显著性图，将三种度量数值归一化至0～255，然后进行线性叠加，获得一种方向的激光条纹的综合显著图，即提取出的激光条纹的数据；
其中，跨度度量的公式如下式(1)所示：
Figure GDA0003656381140000061
式(1)中，Li表示聚类结果中第i个类在图像中的欧式距离，n表示类的数目，
Figure GDA0003656381140000062
表示第i个类度量后的跨度数值；
其中，宽度度量的公式如下式(2)所示：
Figure GDA0003656381140000063
式(2)中，Ti表示第i个类在垂直方向上的平均宽度，
Figure GDA0003656381140000064
表示第i个类度量后的宽度数值；
其中，宽度均匀性度量的公式如下式(3)所示：
Figure GDA0003656381140000065
式(3)中mi是第i个类中数据列的数目，Ti,j表示第i个类中第j列激光条纹的宽度，
Figure GDA0003656381140000066
表示第i个类各列激光条纹的平均宽度，
Figure GDA0003656381140000067
表示宽度均匀性度量数值；
其中，线性叠加的公式如下式(4)所示：
Figure GDA0003656381140000068
式(4)中
Figure GDA0003656381140000069
表示归一化运算，通过归一化运算各度量数值被映射到了[0 255]范围内；
步骤4：统计在三种度量中度量数值都增大的类，将这些类中位置最左边的类作为激光条纹的主体轮廓的起始段，而将这些类中位置最右边的类作为激光条纹的主体轮廓的终端；
步骤5：将激光条纹的主体轮廓的起始段保存于指定数组，即将对应的数据点的横坐标和纵坐标分别保存于不同数组中，如Temparrayhzb和Temparrayzzb中；之后进行循环，每次循环先确定位于已辨别的激光条纹主体轮廓右边的所有类，然后根据设计规则获取类一定数目的候选类，设计一种计算各候选类的动态显著性的方法，依次将所有候选类进行动态显著性计算，并找出每次动态显著性最大的类作为该次计算中辨认出的属于激光条纹主体轮廓的类，并继续保存于原指定数组中，直至所有候选类都计算完毕，跳出循环，将数组中最后一次的辨认的激光条纹终端的类作为激光条纹的终端，并保存于指定数组中；
其中，候选类的数目(NCC)确定规则为：
1)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目大于等于3，则NCC＝3，即该次循环中只取数组中最前面的3个类作为参与显著性竞争的候选类；
2)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于2，则NCC＝2，即该次循环中只取数组中最前面的2个类作为参与显著性竞争的候选类；
3)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于1，则NCC＝1，即已获得该次循环中显著性竞争最大的1个类；
其中，每次循环中各候选类的动态显著性计算公式如下式(5)所示：
Figure GDA0003656381140000071
式(5)中，Dt,j表示第t次循环中第j个候选类与上一次循环已辨别出的属于激光条纹的类的最小欧式距离，Lt,j表示第t次循环中第j个候选类自身在图像中的长度，St,j表示第t次循环中第j个候选类的显著性数值，其已由上式(4)计算得到；
步骤6：步骤5保存的激光条纹终端数据与步骤4中的起始段数据视为激光条纹的主体轮廓；
步骤7：依次线性连接步骤6中已辨认出的激光条纹的各主体轮廓，以连接线为中心，将激光条纹的平均厚度值作为波动范围，设定各主体轮廓之间的搜索范围；
步骤8：依次获取与各搜索范围有交集的类，并将这些类视为激光条纹的细节轮廓；
步骤9：将提取的激光条纹的主体轮廓和细节轮廓在空间上进行位置叠加，形成最终的完整的激光条纹。
实施例2
选取50mm Q345b钢板角接焊接K形坡口带激光条纹的焊缝图像为试验图像，进行T接头激光条纹焊缝轮廓提取试验，轮廓提取的操作如实施例1进行；
其中，厚度50mm Q345b钢板角接焊接K形坡口原始焊缝图像如图3所示，经本发明方法中的步骤1-3操作后获得的激光条纹的显著图如图4所示，经本发明方法中的步骤4-9操作后提取的激光条纹图如图5所示。
实施例3
选取40mm Q345b钢板对接V形坡口带激光条纹的焊缝图像为试验对象，进行V形坡口焊缝激光条纹提取试验，轮廓提取的操作如实施例1进行；
其中，厚度40mm Q345b钢板对接V形坡口原始焊缝图像如图6所示，经本发明方法中的1-9操作后提取的激光条纹的轮廓如图7所示。
实施例4
选取厚度10mm Q345b钢板对接V形坡口带光条纹的焊缝图像为试验对象，进行V形坡口焊缝激光条纹提取试验，轮廓提取的操作如实施例1进行；
其中，厚度10mm Q345b钢板对接V形坡口原始焊缝图像如图8所示，经本发明方法中的1-9操作后提取的激光条纹的轮廓如图9所示。
综上所述，本发明提供的方法可对各种焊缝坡口下的的激光条纹进行有效地提取。

Claims (5)

1.一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设计了基于任务驱动型的视觉注意模型来获取焊缝图像的激光条纹显著性图，该视觉注意模型以对原始焊缝图像进行多方向Gabor滤波获取的方向特征图为起始，经Otsu算法进行阈值分割，并将获取的数据以最近邻聚类算法进行聚类，然后基于聚类结果和任务需求对聚类结果中的类通过设计跨度度量、宽度度量和宽度均匀性度量进行处理，获取激光条纹各方向上叠加得到的综合显著图，该综合显著图即为从干扰数据中辨别出的属于激光条纹的数据；(2)设计了一种基于局部显著性竞争的方法提取激光条纹的主体轮廓；(3)设计了一种基于提取的激光条纹的主体轮廓获取激光条纹的细节轮廓的方法，根据激光条纹平均厚度来设定主体轮廓之间的搜索范围，将与搜索范围有交集的类视为激光条纹的细节轮廓；(4)将提取的激光条纹的主体轮廓与细节轮廓进行位置叠加，即获得最终完整的激光条纹；
其中，步骤(1)中所述的设计基于任务驱动型的视觉注意模型的步骤如下：
步骤1：对原始焊缝图像进行±10°和80°的多方向Gabor滤波，并对各滤波结果进行线性叠加获取综合方向特征图，并经Otsu算法进行阈值分割，将方向特征图转化为二值图像；
步骤2：以2个像素的距离作为阈值，对步骤1中的二值图像中的数据点进行最近邻聚类处理，将图中数据分割为不同类，每一个类代表位置相邻的数据点的集合；
步骤3：对步骤2中聚类结果的各个类分别计算跨度度量、宽度度量和宽度均匀性度量，获得三种方向显著性图，分别将三种度量数值归一化至0～255，然后进行线性叠加，获得一种激光条纹方向上的综合显著图；
步骤(2)中所述一种基于局部显著性竞争的方法提取激光条纹的主体轮廓的设计步骤如下：
步骤4：统计在步骤(1)中类的跨度度量、类的宽度度量和类的宽度均匀性度量这三种度量中度量数值都增大的类，将这些类中位置最左边的类作为激光条纹的主体轮廓的起始段，而将这些类中位置最右边的类作为激光条纹的主体轮廓的终端；
步骤5：将激光条纹的主体轮廓的起始段保存于指定数组，即将对应的数据点的横坐标和纵坐标分别保存于不同数组中，如Temparrayhzb和Temparrayzzb中；之后进行循环，每次循环先确定位于已辨别的激光条纹主体轮廓右边的所有类，然后根据设计规则获取一定数目的候选类，设计一种计算各候选类的动态显著性的方法，依次将所有候选类进行动态显著性计算，并找出每次动态显著性最大的类作为该次循环中识别出的属于激光条纹的类，并继续保存于原指定数组中，直至所有候选类都计算完毕，跳出循环，并将最后一次辨认的激光条纹终端的类作为激光条纹的终端，也保存于指定数组中；
步骤6：步骤4和5辨认出的类视为激光条纹的主体轮廓；
所述步骤3中的类的跨度度量的公式如下式(1)所示：
Figure FDA0003665968150000021
式(1)中，Li表示聚类结果中第i个类在图像中的欧式距离，n表示类的数目，
Figure FDA0003665968150000022
表示第i个类度量后的跨度数值；
所述步骤3中的类的宽度度量的公式如下式(2)所示：
Figure FDA0003665968150000023
式(2)中，Ti表示第i个类在垂直方向上的平均宽度，
Figure FDA0003665968150000024
表示第i个类度量后的宽度数值；
所述步骤3中的类的宽度均匀性度量的公式如下式(3)所示：
Figure FDA0003665968150000025
式(3)中mi是第i个类中数据列的数目，Ti,j表示第i个类中第j列激光条纹的宽度，
Figure FDA0003665968150000031
表示第i个类各列激光条纹的平均宽度，
Figure FDA0003665968150000032
表示宽度均匀性度量数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的基于提取的激光条纹的主体轮廓获取激光条纹的细节轮廓的方法的步骤如下：
步骤7：依次线性连接步骤(2)中已辨认出的激光条纹的各主体轮廓，以连接线为中心，将激光条纹的平均厚度值作为波动范围，设定各主体轮廓之间的搜索范围；
步骤8：依次获取与各搜索范围有交集的类，并将这些类视为激光条纹的细节轮廓。
3.根据权利要求2所述的一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，其特征在于，所述步骤3中的，线性叠加的公式如下式(4)所示：
Figure FDA0003665968150000033
式(4)中
Figure FDA0003665968150000034
表示归一化运算，通过归一化运算各度量数值被映射到了[0 255]范围内。
4.根据权利要求1所述的一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，其特征在于，所述步骤5中的候选类的数目NCC确定规则为：
1)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目大于等于3，则NCC＝3；
2)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于2，则NCC＝2；
3)如果本次循环中已辨认出的属于激光条纹的类的右边剩下的类的数目等于1，则NCC＝1。
5.根据权利要求1所述的一种基于任务驱动的视觉注意模型提取激光条纹的方法，其特征在于，所述骤5中的每次循环中各候选类的动态显著性计算公式如下式(5)所示：
Figure FDA0003665968150000041
式(5)中，Dt,j表示第t次循环中第j个候选类与上一次循环已辨别出的属于激光条纹的类的最小欧式距离，Lt,j表示第t次循环中第j个候选类自身在图像中的长度，St,j表示第t次循环中第j个候选类的显著性数值。
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