CN112037189A - 一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法 - Google Patents

一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法，方法为：实时获取焊缝图像；对所得焊缝图像预处理并对其进行二值化处理，采用灰度平方加权阈值重心法来提取经过预处理后的焊缝图像光条中心；对所获取的焊缝图像的坐标系进行转换，得到图像坐标系与世界坐标系之间的关系；基于图像坐标系与世界坐标系之间的关系以及焊缝的图像数据统计获得焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度；输出结果。通过对结构光光条图像进行处理，可提取亚像素精度条纹中心线，得到结构光与靶标的精确交线，交线转折点坐标即可作为靶标特征点像素坐标，保证测量精度和效率；还提供基于线于线结构光的焊缝参数获取的装置，有助于提高检测效率、准确性和一致性。

Description

一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法
技术领域
本发明属于焊缝检测领域，具体涉及一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法。
背景技术
焊缝表面质量检测是指在焊接完成后，对焊缝的外形尺寸如错配、扭曲等，对焊缝的宏观尺寸如熔宽、凸起和凹度以及对焊缝的表面缺陷如气孔、咬边、未熔透等进行外观检测。焊缝外观检测有利于发现其内部缺陷，例如焊缝表面有咬边，在其内部可能出现未熔透，焊缝表面有气孔时，则意味着内部组织不致密。通过焊缝外观检测不但可以确定焊缝的焊接质量是否合格，而且还可以判断焊接工艺是否合理，因此通焊缝外观检测可以改进焊接工艺，显提高焊缝质量。
目前主要采用焊接检验尺对钢筋焊缝进行检测。焊接检验尺是利用线纹和游标测量等原理，检验焊接件的焊缝宽度、高度、焊接间隙、坡口角度、咬边深度等的计量器具，焊接检验尺测量操作不便，而且人为操作误差大，测量结果准确性不高，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢筋焊缝几何参数检测装置及方法，该装置应用于钢筋焊缝参数的测量中，实现了小型化与高精度，准确而方便的获取了测量值，保证了系统测量精度和效率；对同类装置乃至其他装置有重要的参考价值和应用前景，后续可继续研究开发满足各种焊接类型的钢筋焊缝检测。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种测量钢筋焊缝几何参数的方法，包括以下步骤：
步骤1，获取焊缝图像；
步骤2，对步骤1所得焊缝图像预处理并对其进行二值化处理，采用灰度平方加权阈值重心法来提取经过预处理后的焊缝图像光条中心；
步骤3，对步骤1所获取焊缝图像的坐标系进行转换，得到图像坐标系与世界坐标系之间的关系；
步骤4，基于步骤3所得图像坐标系与世界坐标系之间的关系，以及步骤2所得焊缝的图像数据统计获得焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度；
步骤5，输出步骤4的所得结果。
步骤2中，首先对步骤1所得图像做平滑处理并求取图像的直方图，然后根据直方图使用大津法得到图像的动态分割阈值，对经过预处理后的图像进行光条的中心提取，采用灰度平方加权阈值重心法来求取光条中心。
灰度平方加权阈值重心法求取光条中心xc计算方法如下：
Figure BDA0002653695990000021
其中，j是图像中的第j行，钢筋焊缝的光条区域为S，T为焊缝光条图像的动态分割阈值，I(x,j)为像素坐标(x,j)对应的灰度值。
步骤1中基于线结构光照射下用摄像机获得焊缝的图像。
步骤3中，图像坐标系转换包括摄像机参数标定和结构光平面的标定；在采用棋盘格靶标完成摄像机内部参数标定的基础上，基于锯齿靶实现的结构光平面的标定。
步骤4中，焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度的检测如下：
1)焊缝长度统计
通过摄像机拍摄钢筋图像，对图像进行处理，检测钢筋之间是否有焊缝；若检测出焊缝则开始计数，若未检测出焊缝则在下一位移处继续检测；每次扫描时都检测是否存在焊缝，若不存在则停止扫描，计数停止，该段行程则为钢筋焊缝长度；
2)焊缝宽度统计
焊缝宽度为两钢筋中间部分，线结构光投射在焊缝表面，通过摄像机获取焊缝图像；计算出两点的实际坐标，从而计算出当前光条扫描焊缝的宽度bi；经扫描完成后，得到b1,b2,b3,…,bn共n个宽度值，对宽度值求取平均
Figure BDA0002653695990000033
作为整个焊缝的宽度值；
3)焊缝厚度统计
焊缝厚度为焊缝底端到顶部的距离S，转化为测量焊缝顶端至钢筋顶端的距离S1，选取世界坐标系，确定光条上焊缝的世界坐标，与基准坐标进行比较获得光条上点与钢筋顶端的距离Si，i＝1,2,3…,n；求取平均可得处于当前光条上焊缝的厚度；若不合格，则在显示屏上显示出来；
4)焊缝饱和度
用厚度的方差来评价饱和度，通过识别焊缝厚度，得到相机前进方向上焊缝的厚度值Si，i＝1,2,3…,n，通过下式所示的方差公式可计算出钢筋焊缝的饱和度F；
Figure BDA0002653695990000031
其中，
Figure BDA0002653695990000032
为厚度值的平均值，n为厚度值的个数；F越大饱和度越差，F越小饱和度越好。
一种便携式钢筋焊缝几何参数检测装置，包括图像采集模块、处理器、存储器以及位移平台；其中，图像采集模块包括线结构光投射器和摄像机，摄像机的焦点处在线结构光投射器的光线投射面上，处理器、存储器以及图像采集模块均安装在位移平台上，位移平台上设置有位移机构，位移平台能够沿着焊缝的长度方向平移，摄像机连接处理器的输入接口，处理器通过I/O接口连接存储器，存储器用于存储图像采集模块所采集的图像信息以及计算机可执行程序，处理器在执行所述计算机可执行程序时，执行本发明所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，并将结果存储与存储器中。
位移平台上还设置有位移采集器，位移采集器连接处理器的输入端；位移平台的底部设置有若干滚轮；位移采集器采用光电编码器，光电编码器连接滚轮的轮轴。
还包括触控屏和打印机，触控屏与处理器通过I/O接口连接，打印机连接处理器的输出端；位移平台上方设置有用于保护电器元件的壳体。
处理器采用Cortex-A9处理器；摄像机采用usb接口的CMOS摄像头；Cortex-A9处理器通过RS232总线连接打印机。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：基于线于线结构光钢筋焊缝主动视觉的测量模型以及焊缝参数获取的方法，包括焊缝图像的实时获取，焊缝图像的实时处理，相机的标定，焊缝参数的获取，焊缝表面材质的漫反射现象以及光照环境的不稳定性，导致采集到的原始灰度图像中具有噪声，通过对结构光光条图像进行处理，可提取亚像素精度条纹中心线，得到结构光与靶标的精确交线，交线转折点坐标即可作为靶标特征点像素坐标，本发明对图像的预处理并对其进行二值化处理；经过预处理后的图像则可实现光条的中心提取，采用灰度平方加权阈值重心法来求取光条中心，保证测量精度和效率；测量钢筋焊缝的三维形貌参数的精度能达到0.2mm，焊缝参数测量数据更新时间小于300ms，同时满足了高精度和实时性的要求。
本发明利用线结构光钢筋焊缝图像式检测方案，设计了基于线线结构光钢筋焊缝主动视觉的测量模型以及焊缝参数获取的装置，位移机构带动位移平台沿着焊缝的长度方向平移，摄像机的焦点处在线结构光投射器的光线投射面上，图像采集模块将实时采集的焊缝图像传输至处理器，处理器同时可以执行本发明所述方法对焊缝参数进行测量，同时还能将所述图像传输至存储器进行存储，也能将焊缝测量结果同时存入存储器中，有助于提高检测效率、准确性和一致性。
进一步的，设置触控屏连接处理器，能够用于想处理器输入参数和执行指令，还能同步输出焊缝图像以及测量结果，处理器连接有打印机，实时将测量结果打印。
进一步的，焊缝图像处理工作在基于Cortex-A9平台完成，有利于借助libusb库很方便的实现usb摄像头的驱动来采集图像；有助于缩短开发周期。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图。
图2为本发明所述检测模型示意图。
图3为本发明所述焊缝图像实时获取流程图。
图4为本发明所述焊缝图像处理流程图。
图5a为张正友棋盘格平面标定示意图，图5b为摄像机坐标系与世界坐标系中点的几何关系示意图，图5c为采用锯齿靶标示意图。
图6为本发明所述一种可实施的焊缝检测装置框图。
图7a为光照环境较弱时所述钢筋焊缝的图像，图7b为光照环境较好时钢筋焊缝的图像。
图8为本发明所述光电编码器测位移电路示意图。
图9为本发明所述装置一种可实施的结构示意图。
附图中，1-位移平台，2-结构光投射器，3-摄像机，4-打印机，5-触控屏，6-位移采集器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
参见图1和图3，本发明所述利用线结构光的嵌入式钢筋焊缝图像式检测方案，基于线结构光钢筋焊缝主动视觉的测量模型以及焊缝参数获取的方法，包括以下步骤：步骤1，采用图像采集模块实时获取焊缝图像；
步骤2，对步骤1所得焊缝图像预处理并对其进行二值化处理，采用灰度平方加权阈值重心法来提取经过预处理后的焊缝图像光条中心；
步骤3，对步骤1所用图像采集模块进行标定，进而得到图像坐标系与世界坐标系之间的关系；
步骤4，在步骤3所得图像坐标系与世界坐标系之间的关系的基础上，根据步骤2所得焊缝的图像数据获得焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度；
步骤5，输出步骤4的所得结果。
作为本发明优选的实施例，打印机采用热敏打印机。
参见图2，所述为结构光钢筋焊缝检测模型，摄像机与线结构光投射器固定在位移装置上，通过导轨使位移装置移动，对焊缝进行扫描；线结构光投射器将线型激光投射在钢筋焊缝表面，通过摄像机拍摄焊缝表面图像，通过处理器和结果输出实现图像的ROI检测和特征识别，将焊缝的宽度、长度以及厚度显示出来。
首先，对图像做平滑处理并求取图像的直方图，然后根据直方图使用大津法就可得到图像的动态分割阈值，采用灰度平方加权阈值重心法求取经过预处理后的图像的光条中心xc为
Figure BDA0002653695990000061
其中，j是图像中的第j行，钢筋焊缝的光条区域为S，T为焊缝光条图像的动态分割阈值，I(x,j)为像素坐标(x,j)对应的灰度值。
参见图5a、图5b和图5c，在钢筋焊缝检测中，对计算焊缝长度、宽度以及厚度，需要对线结构光系统进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的关系，从而通过图像中的信息得到焊缝的实际信息；检测系统的标定即结构光传感器的标定。结构光传感器的标定包括摄像机参数标定和结构光平面的标定；针对传感器标定，在应用棋盘格靶标完成内部标定的基础上，采用基于锯齿靶实现的结构光平面标定方法，可达到较好的标定精度。
参考图5a摄像机内参的标定采用张正友棋盘格平面标定法；对相机标定的关键是获取图像平面与标定板平面的映射关系，有如下表示，一个二维像素点表示为[u,v]T，相对应的三维点表示为[X,Y,Z]T，投影点和世界坐标点用齐次坐标表示分别为m＝[u,v,1]和M＝[X,Y,Z,1]；依据小孔成像原理对相机进行建模，可得世界坐标点M及其在图像上的投影点m之间的关系如下：
sm＝A[R T]M
Figure BDA0002653695990000071
式中，s为一个任意的比例常数，A为相机的内参，R为旋转矩阵，T平移矩阵，(u0,v0)表示图像中心点像素坐标，α和β表示图像中u轴和v轴的比例系数与焦距的乘积，γ表示图像坐标系u轴和v轴的耦合系数。
本发明采用像幅面为752×480，焦距标称6mm的镜头，获取棋盘格平面图像，棋盘格标定板格间距为2mm，纵横尺寸为30×30格。
将标定板分别在不同角度摆放，共摆放24次，并采集棋盘格图像，利用Matlab标定工具箱进行摄像机内参标定，首先对每幅棋盘格图像进行角点提取，完成图像角点提取后完成摄像机内参标定，得到摄像机内参如表1所示。
表1相机内参标定结果
Figure BDA0002653695990000072
所述相机外参标定，图5b显示了摄像机坐标系与世界坐标系中点的几何关系，其中O点为摄像机的光心，Xc轴和Yc轴与成像平面坐标系的x轴和y轴平行，Zc轴为摄像机的光轴，和图像平面成垂直关系；光轴与图像平面的交点为图像的主点O1，即图像坐标系的原点。由点O与Xc，Yc，Zc轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系；OO1为摄像机的焦距。
摄像机和物体可以放置在环境中的任何位置，因此需要在测量环境中选择一个基准坐标来描述摄像机的位置，并且可以得到相应的物体的位置，该坐标系就为世界坐标系，用Owxwywzw表示，所述坐标系根据实际情况进行适当的选择。本发明结构光平面的标定即要确定结构光平面与摄像机的角度和位置关系，即要求出摄像机坐标系与结构光坐标系的旋转矩阵R与平移矩阵T：
Figure BDA0002653695990000081
Figure BDA0002653695990000082
采用锯齿靶标标定法对结构光平面进行标定，得到摄像机的外参数，即旋转矩阵和平移矩阵。图像坐标系与世界坐标系的关系如下：
Figure BDA0002653695990000083
参考图4，采用锯齿靶标直接标定法对结构光平面进行标定的具体流程如下：
1)对结构光装置及锯齿靶标位置进行设置，要令结构光垂直投射到锯齿靶标上。线结构光与锯齿靶标的齿顶与齿根相交于点A，B，C，D，E这里称为物体特征点。
2)在锯齿靶的横切面与激光面平行的方向拍摄锯齿靶标，得到结构光光条图像，获取锯齿靶标特征点像素坐标；传统的特征点像素坐标获取方法是直接提取结构光条纹与锯齿靶标齿顶和齿根相交的角点坐标，这种方法容易受靶标棱线对光线反射的影响，得到的特征点往往不够精确，存在较大的偏差；通过对结构光光条图像进行处理，可提取亚像素精度条纹中心线，得到结构光与靶标的精确交线，交线转折点坐标即可作为靶标特征点像素坐标。
参考图6，通过usb接口的CMOS摄像头采集图像，有利于实现借助libusb库很方便的实现usb摄像头的驱动来采集图像，相比较Linux内核的驱动调试，libusb的使用明显缩短开发周期，是一种便捷的方式；图像处理工作在基于Cortex-A9平台完成，并设置有电源模块、人机交互模块、图像采集模块以及位移采集模块实现了焊缝参数的获取。
参见图7，为焊缝光条亚像素中心坐标提取结果图，本发明还验证了光条中心提取算法的准确性与可行性，在不同光照条件下采集焊缝图像，其中图7(a)、图7(b)分别为光照环境较弱与较好时钢筋焊缝的图像且使用灰度平方加权阈值重心法提取线结构光光条中心像素坐标的结果图；表2为不同光照环境下的焊缝光条中心的提取结果，从表2中可以看出两种光照条件下焊缝光条中心坐标误差为±0.8pixel，精度也达到亚像素级，用时0.15s。可以验证灰度平方加权阈值重心法具有很好的抗干扰性，可以更好的提取光中心，兼顾了速度与精度。
表2不同光照环境下光条中心坐标数据
Figure BDA0002653695990000091
参见图8，光电旋转编码器选用的是欧姆龙的500线的E6B2-CWZ6C，其电源电压只需要5V即可，它的输出为NPN开路集电极输出，因此需要为其接入上拉电阻后再接入微处理器。编码器有三相输出信号，其中A相和B相脉冲信号可以区分正反转，而Z相信号为零点信号。核心板处理器有多个外部中断，选用的是11号中断，由于此处理器的电平信号是TTL1.8V，因此，编码器接入上拉电阻的电压需为1.8V，这样才可使电平信号匹配，处理器能够识别编码器的脉冲信号。
参考图1、图6和图9，本发明还提供一种便携式钢筋焊缝几何参数检测装置，包括图像采集模块、处理器、存储器以及位移平台1；其中，图像采集模块包括线结构光投射器2和摄像机3，摄像机3的焦点处在线结构光投射器2的光线投射面上，处理器、存储器以及图像采集模块均安装在位移平台1上，位移平台1上设置有位移机构，位移平台1能够沿着焊缝的长度方向平移，摄像机3连接处理器的输入接口，处理器通过I/O接口连接存储器，存储器用于存储图像采集模块所采集的图像信息以及计算机可执行程序，处理器在执行所述计算机可执行程序时，执行本发明所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，并将结果存储与存储器中。
位移平台1上还设置有位移采集器6，位移采集器6连接处理器的输入端；位移平台1的底部设置有若干滚轮；位移采集器采用光电编码器，光电编码器连接滚轮的轮轴。
还包括触控屏5和打印机4，触控屏5与处理器通过I/O接口连接，打印机连接处理器的输出端；位移平台1上方设置有用于保护电器元件的壳体。
处理器采用Cortex-A9处理器；摄像机3采用usb接口的CMOS摄像头；Cortex-A9处理器通过RS232总线连接打印机4。
本发明所述线结构光便携式钢筋焊缝视觉检测装置，通过触控屏观察检测得到的钢筋焊缝长度、宽度以及高度参数；触控屏用户可以通过功能按键控制检测装置的启动、停止以及打印出检测结果报告，并且通过打印结果实时显示出提取的焊缝特征点。
本发明所述装置及方法应用于钢筋焊缝三维形貌检测中具有小型化与智能化的优点，保证了系统测量精度和效率；采用本发明所述装置及方法，测量钢筋焊缝的三维形貌参数的精度为0.2mm，焊缝参数测量数据更新时间小于300ms，同时满足了高精度和实时性的要求。

Claims (10)

1.一种测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取焊缝图像；
步骤2，对步骤1所得焊缝图像预处理并对其进行二值化处理，采用灰度平方加权阈值重心法来提取经过预处理后的焊缝图像光条中心；
步骤3，对步骤1所获取焊缝图像的坐标系进行转换，得到图像坐标系与世界坐标系之间的关系；
步骤4，基于步骤3所得图像坐标系与世界坐标系之间的关系，以及步骤2所得焊缝的图像数据统计获得焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度；
步骤5，输出步骤4的所得结果。
2.根据权利要求1所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，步骤2中，首先对步骤1所得图像做平滑处理并求取图像的直方图，然后根据直方图使用大津法得到图像的动态分割阈值，对经过预处理后的图像进行光条的中心提取，采用灰度平方加权阈值重心法来求取光条中心。
3.根据权利要求1所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，步骤2中，灰度平方加权阈值重心法求取光条中心xc计算方法如下：
Figure FDA0002653695980000011
其中，j是图像中的第j行，钢筋焊缝的光条区域为S，T为焊缝光条图像的动态分割阈值，I(x,j)为像素坐标(x,j)对应的灰度值。
4.根据权利要求1所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，步骤1中基于线结构光照射下用摄像机获得焊缝的图像。
5.根据权利要求4所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，步骤3中，图像坐标系转换包括摄像机参数标定和结构光平面的标定；在采用棋盘格靶标完成摄像机内部参数标定的基础上，基于锯齿靶实现的结构光平面的标定。
6.根据权利要求5所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，其特征在于，步骤4中，焊缝的长度、宽度、厚度以及饱和度的检测如下：
1)焊缝长度统计
通过摄像机拍摄钢筋图像，对图像进行处理，检测钢筋之间是否有焊缝；若检测出焊缝则开始计数，若未检测出焊缝则在下一位移处继续检测；每次扫描时都检测是否存在焊缝，若不存在则停止扫描，计数停止，该段行程则为钢筋焊缝长度；
2)焊缝宽度统计
焊缝宽度为两钢筋中间部分，线结构光投射在焊缝表面，通过摄像机获取焊缝图像；计算出两点的实际坐标，从而计算出当前光条扫描焊缝的宽度bi；经扫描完成后，得到b1,b2,b3,…,bn共n个宽度值，对宽度值求取平均
Figure FDA0002653695980000023
作为整个焊缝的宽度值；
3)焊缝厚度统计
焊缝厚度为焊缝底端到顶部的距离S，转化为测量焊缝顶端至钢筋顶端的距离S1，选取世界坐标系，确定光条上焊缝的世界坐标，与基准坐标进行比较获得光条上点与钢筋顶端的距离Si，i＝1,2,3…,n；求取平均可得处于当前光条上焊缝的厚度；若不合格，则在显示屏上显示出来；
4)焊缝饱和度
用厚度的方差来评价饱和度，通过识别焊缝厚度，得到相机前进方向上焊缝的厚度值Si，i＝1,2,3…,n，通过下式所示的方差公式可计算出钢筋焊缝的饱和度F；
Figure FDA0002653695980000021
其中，
Figure FDA0002653695980000022
为厚度值的平均值，n为厚度值的个数；F越大饱和度越差，F越小饱和度越好。
7.一种钢筋焊缝几何参数检测装置，其特征在于，包括图像采集模块、处理器、存储器以及位移平台(1)；其中，图像采集模块包括线结构光投射器(2)和摄像机(3)，摄像机(3)的焦点处在线结构光投射器(2)的光线投射面上，处理器、存储器以及图像采集模块均安装在位移平台(1)上，位移平台(1)上设置有位移机构，位移平台(1)能够沿着焊缝的长度方向平移，摄像机(3)连接处理器的输入接口，处理器通过I/O接口连接存储器，存储器用于存储图像采集模块所采集的图像信息以及计算机可执行程序，处理器在执行所述计算机可执行程序时，执行权利要求1-6中任一项所述的测量钢筋焊缝几何参数的方法，并将结果存储与存储器中。
8.根据权利要求7所述的钢筋焊缝几何参数检测装置，其特征在于，位移平台(1)上还设置有位移采集器(6)，位移采集器(6)连接处理器的输入端；位移平台(1)的底部设置有若干滚轮；位移采集器采用光电编码器，光电编码器连接滚轮的轮轴。
9.根据权利要求7所述的钢筋焊缝几何参数检测装置，其特征在于，还包括触控屏(5)和打印机(4)，触控屏(5)与处理器通过I/O接口连接，打印机连接处理器的输出端；位移平台(1)上方设置有用于保护电器元件的壳体。
10.根据权利要求7所述的钢筋焊缝几何参数检测装置，其特征在于，处理器采用Cortex-A9处理器；摄像机(3)采用usb接口的CMOS摄像头；Cortex-A9处理器通过RS232总线连接打印机(4)。
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