[发明专利]一种实现闭合连通域的熔池轮廓图像提取方法

权利要求书

1.一种实现闭合连通域的熔池轮廓图像提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：提取熔池图像：使用安装相机的焊机在焊接工件进行焊接工作，使得相机能够采集每一道焊缝从成型到焊接结束的熔池图像；

步骤二：熔池图像预处理计算：引入基于非线性灰度变换的弱边缘增强方法与基于滑动窗口灰度信息的灰度变换方法对熔池图像进行预处理计算，具体为：

（2-1）基于非线性灰度变换的弱边缘增强方法，引入式（1.1）所示的复合幂函数，

式中，x表示的是图像中单个像素点的灰度值，m与k均为大于1的整数，是可调节参数，随着m与k的变化，变换后的灰度值分布情况不同；

（2-2）基于滑动窗口灰度信息的灰度变换方法，计算流程如下：

（2-2a）从熔池图像一边角的像素点开始遍历，设当前遍历的像素点处灰度值为，以该像素点为中心的大小为3*3的邻域区域内的灰度最大值设为，最小值设为；

（2-2b）对3*3邻域内像素点的灰度值在该区域内做式（1.2）中的归一化处理，

（2-2c）将步骤（2-2b）中像素低灰度值根据其在[0,1]的灰度范围内所处的区间代入式（1.1），得到经过非线性灰度变换算法计算后的像素点灰度值，

（2-2d）将代入式（1.2）中等号左边，反推出原式中的，即将邻域区域内灰度值范围从[0,1]拉伸至原灰度值范围，如式（1.3），

（2-2e）基于滑动窗口遍历图像中所有像素点的计算方式来调整图像的灰度分布情况，压制亮度饱和区域产生的不良影响，首先基于遍历到的像素点根据（1.4）式计算以它为中心的3*3邻域内的像素点的灰度均值，即像素点的灰度值，

在得到邻域灰度均值后，将3*3邻域内的所有像素点的灰度值做基于反比例函数的计算变换，如式（1.5），

步骤三：基于便于导向算子模板匹配的梯度图计算：将初始水平和垂直两个方向的Sobel算子扩展至四个方向，利用Sobel算子对经过预处理的图像进行卷积操作并得到熔池图像的梯度图；

步骤四：图像合并：对梯度图进行阈值化得到梯度二值图并对其后端部分与Canny算子检测得到的轮廓线前端部分进行拼接，得到熔池图像边缘粗提取结果图，其中：梯度二值图通过对步骤三中梯度图原图像素进行遍历，遍历到的像素点，并确定其在卷积操作后的的对应像素坐标点的梯度幅值以及中的最大值与最小值，

式中为除水平和垂直方向上的两个梯度幅值，ω与σ为扩展方向角度，从而获得该像素点在剩下两个熔池梯度图的梯度反应为，并按照式（1.8）计算像素点基于边缘导向算子梯度值P，

步骤五：提取熔池图像轮廓线：对边缘粗提取结果图进行基于判断梯度强度与方向的边缘连接操作，获得图像弱边缘信息并进行填充获得完整的连通域区域，再对连通域区域进行基于数学形态学的边缘平滑操作，最终获得熔池图像轮廓线，具体为：

（5-1）基于梯度强度与角度的弱边缘连接，流程如下：

（5-1a）在熔池后端弱边缘的梯度图一边角像素点开始搜素强响应像素点并搜索其5*5的邻域区域，将扩展的ω与σ两个方向通过三角函数变换为水平和竖直两个方向，如式（1.9）

（5-1b）对邻域内的像素点按照式（1.8）与式（1.9）计算其梯度的幅值P与方向θ，

（5-1c）判断邻域内像素点是否被置为强响应像素点，如式（1.10），

对于满足式（1.10）的邻域内的像素点，若其本身未响应为强响应像素点，将其置为强响应像素点，其本身为强响应像素点，不进行另外处理；

（5-2）基于数学形态学的后处理，处理流程如下：

（5-2a）对于熔池区域内部由Canny拼接引入的干扰边缘，利用判定连通域尺度的方法对连通域尺度小于设定阈值的小连通域进行去除，

（5-2b）填充图像中的封闭孔洞区域，将填充后的图像与填充前的图像相减，得到封闭孔洞区域的梯度二值图，保留区域尺度最大的连通域；

（5-2c）为了使连通域具有熔池区域边缘较为圆滑的特点，建立一个半径为15个像素的圆盘形算子结构，利用其对连通域先做闭运算，再做开运算；

（5-2d）将得到的熔池区域轮廓边缘叠加到熔池图像原图上，获得熔池图像轮廓线。